Conceptos Fundamentales de Física: Fuerzas, Movimiento, Energía y Ondas

Fuerzas y sus Efectos

Las fuerzas causan cambios en el estado de movimiento de los cuerpos. Se clasifican en fuerzas por contacto y fuerzas a distancia.

Tipos de Fuerzas y Principios Fundamentales

• Fuerza Gravitatoria: Una fuerza a distancia que atrae cuerpos con masa.
• Ley de Hooke: Describe la fuerza ejercida por un muelle elástico. La fórmula es F = kx, donde F es la fuerza (en Newtons), k es la constante elástica del muelle (en N/m), y x es la deformación (en metros).

Fuerzas Comunes

• Fuerza Motriz: Aquella que inicia o mantiene el movimiento de un cuerpo.
• Fuerza de Rozamiento (o Fricción): Se opone al movimiento relativo entre dos superficies en contacto.
• Tensión: Fuerza transmitida a través de una cuerda, cable o similar cuando se estira.
• Fuerza Normal: Fuerza de contacto perpendicular que una superficie ejerce sobre un objeto para evitar que la atraviese.

Cálculos y Principios

• Peso (P): Es la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto. Se calcula como P = m * g, donde m es la masa y g es la aceleración de la gravedad (aproximadamente 9.8 m/s²).
• Fuerza Resultante de Fuerzas Perpendiculares: La magnitud de la fuerza resultante F de dos fuerzas perpendiculares F₁ y F₂ se calcula como F = √(F₁² + F₂²).
• Ley de Gravitación Universal: La fuerza de atracción gravitatoria entre dos masas m₁ y m₂ separadas por una distancia d es F = G * (m₁ * m₂ / d²), donde G es la constante de gravitación universal (aproximadamente 6.67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²).
• Presión (P): Se define como la fuerza aplicada por unidad de área. P = F / A. Se mide en Pascales (Pa), donde 1 Pa = 1 N/m².
• Presión Atmosférica: 1 atmósfera (atm) equivale a 101325 Pascales.
• Principio de Pascal: En un fluido incompresible y encerrado, un cambio de presión en cualquier punto se transmite íntegramente a todos los demás puntos del fluido. Para sistemas hidráulicos, se expresa como F_b / A_b = F_a / A_a, o F_b = F_a * (A_b / A_a).

Cinemática: Descripción del Movimiento

El movimiento es relativo, ya que su descripción depende del sistema de referencia elegido.

Conceptos Clave del Movimiento

• Posición: Ubicación de un objeto en un instante dado.
• Trayectoria: El camino que sigue un objeto en movimiento.
• Distancia recorrida: La longitud total de la trayectoria.
• Desplazamiento: El cambio de posición de un objeto, es una magnitud vectorial.
• Instante: Un momento específico en el tiempo.
• Intervalo de tiempo: La duración entre dos instantes.

La velocidad nos indica la distancia recorrida por unidad de tiempo (v = d/t).

Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)

En el MRU, un objeto se mueve en línea recta a velocidad constante.

• Ecuación de posición: x = x₀ + v * t
• Gráficas:
  • Posición vs. Tiempo (x-t): Línea recta inclinada.
  • Velocidad vs. Tiempo (v-t): Línea horizontal.

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA)

En el MRUA, un objeto se mueve en línea recta con aceleración constante.

• Ecuaciones:
  • Aceleración: a = (v_f - v₀) / t
  • Posición: x = x₀ + v₀ * t + 0.5 * a * t²
• Gráficas:
  • Posición vs. Tiempo (x-t): Línea curva (parábola).
  • Velocidad vs. Tiempo (v-t): Línea recta inclinada.
  • Aceleración vs. Tiempo (a-t): Línea horizontal.
• Nota: Las unidades de velocidad y tiempo deben ser consistentes en todas las ecuaciones.

Leyes de Newton del Movimiento

• Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia): Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento continuará con velocidad constante (MRU), a menos que una fuerza externa neta actúe sobre él.
• Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica): La fuerza neta aplicada a un objeto es directamente proporcional a su aceleración e inversamente proporcional a su masa. Se expresa como F = m * a. Si un objeto inicialmente en reposo experimenta una fuerza neta, se moverá con MRUA.
• Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción): Para cada acción, existe una reacción igual y opuesta. Las fuerzas de acción y reacción son de igual magnitud, actúan en la misma dirección pero en sentidos opuestos, y sobre cuerpos diferentes.

Electricidad y Magnetismo

Conceptos Fundamentales de Electricidad

• Voltaje (V) o Diferencia de Potencial: Es la energía por unidad de carga que impulsa la corriente eléctrica. Se mide en Voltios (V).
• Intensidad de Corriente (I): Es la cantidad de carga eléctrica que fluye por unidad de tiempo a través de un conductor. Se mide en Amperios (A).
• Resistencia Eléctrica (R): Es la oposición al flujo de corriente en un circuito. Se mide en Ohmios (Ω).

Magnetismo

El magnetismo es una propiedad física por la cual ciertos materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Existen imanes naturales (como la magnetita) e imanes artificiales.

• La imantación es el proceso por el cual un objeto adquiere propiedades magnéticas.
• Imanes permanentes: Mantienen su magnetismo (ej. acero).
• Imanes temporales: Pierden su magnetismo fácilmente.
• Todos los imanes tienen un polo norte y un polo sur, y generan líneas de campo magnético.
• Un electroimán es un sistema formado por una bobina de alambre en cuyo interior se coloca un núcleo de material ferromagnético (como hierro), que genera un campo magnético al pasar una corriente eléctrica.

Energía, Trabajo, Máquinas, Luz y Sonido

Energía

La energía es la capacidad de un sistema para realizar trabajo o producir cambios en la materia.

• Energía Térmica: Asociada a la temperatura de un cuerpo, se transfiere en forma de calor.
• Energía Química: Almacenada en los enlaces de los compuestos químicos.
• Energía Lumínica: La energía transportada por la luz.
• Energía Mecánica (E_m): Es la suma de la energía cinética y potencial de un cuerpo.
  • Energía Cinética (E_c): Energía que posee un cuerpo debido a su movimiento. Se calcula como E_c = 0.5 * m * v².
  • Energía Potencial (E_p): Energía que posee un cuerpo debido a su posición o estado. Para la energía potencial gravitatoria, se calcula como E_p = m * g * h.

Trabajo y Rendimiento

El trabajo (W) es la energía que se transmite a un cuerpo mediante la aplicación de una fuerza que provoca un desplazamiento.

• Fórmula del Trabajo: W = F * d (Fuerza por Desplazamiento).
• Unidad: Se mide en Julios (J).
• Equivalencia: 1 kilocaloría (kcal) = 4.18 kilojulios (kJ).
• El rendimiento (%) de un sistema se calcula como: (Energía útil / Energía consumida) * 100.

Máquinas Simples

Las máquinas simples son dispositivos que modifican la magnitud o dirección de una fuerza.

Ejemplos incluyen: rueda, palanca, engranaje, polea, volante, rampa (plano inclinado), torno, cuña y tornillo.

Palancas

El principio de la palanca establece que: Fuerza_aplicada * Brazo_de_fuerza = Resistencia * Brazo_de_resistencia.

• Palanca de Primera Clase: El punto de apoyo (fulcro) se encuentra entre la fuerza aplicada y la resistencia.
• Palanca de Segunda Clase: La resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza aplicada.
• Palanca de Tercera Clase: La fuerza aplicada se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia.

Luz y Sonido: Fenómenos Ondulatorios

Tanto la luz como el sonido tienen naturaleza ondulatoria.

• Fuentes de Luz:
  • Naturales: El Sol, estrellas.
  • Artificiales: Bombillas, velas.
• Características de las Ondas:
  • Longitud de onda (λ): Distancia entre dos crestas o valles consecutivos.
  • Frecuencia (f): Número de ciclos por unidad de tiempo.
• Percibimos la luz que nos llega de los objetos.

Reflexión de la Luz

La reflexión es el cambio de dirección de la luz al incidir sobre una superficie opaca. Involucra un rayo incidente, un rayo reflejado y una normal (línea perpendicular a la superficie). El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción de la Luz

La refracción es la desviación de la luz al pasar de un medio transparente a otro con diferente índice de refracción. Involucra un rayo incidente, un rayo refractado (en el segundo medio), una normal y un ángulo de refracción.

Fenómenos del Sonido

• El eco se produce cuando el sonido choca con un obstáculo y regresa al emisor, siendo percibido como un sonido distinto. Para que se distinga el eco, el tiempo entre la emisión y la recepción debe ser al menos de 0.1 segundos. Dado que el sonido viaja aproximadamente a 340 m/s en el aire, en 0.1 s recorre 34 metros. Por lo tanto, la distancia mínima al obstáculo debe ser de 17 metros (la mitad del recorrido total).
• La reverberación ocurre cuando los sonidos reflejados llegan al oído antes de que el sonido original haya decaído por completo, superponiéndose y dificultando la distinción de sonidos individuales.

Calor y Temperatura

Conceptos Fundamentales

• El calor (Q) es la energía que se transfiere espontáneamente de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menor temperatura.
• La temperatura (T) es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo, indicando su nivel de energía interna.
• El equilibrio térmico se alcanza cuando dos cuerpos en contacto tienen la misma temperatura, cesando la transferencia neta de calor entre ellos.

Conversiones de Temperatura

• Kelvin (K) a Celsius (ºC): T(K) = T(ºC) + 273.15
• Celsius (ºC) a Fahrenheit (ºF): T(ºC) = (T(ºF) - 32) / 1.8

Transferencia de Calor y Calor Específico

El principio de conservación de la energía en la transferencia de calor establece que el calor ganado por un cuerpo es igual al calor perdido por otro (Q_ganado = -Q_perdido).

La fórmula para el calor transferido es Q = m * c * ΔT, donde m es la masa, c es el calor específico, y ΔT es el cambio de temperatura.

Calores específicos (c) aproximados (en J/(kg·K) o J/(kg·ºC)):

• Agua: 4180
• Cobre: 385
• Aluminio: 903
• Agua de mar: 3957
• Vidrio: 840
• Arena: 835