Principios de mecánica y transferencia de calor: Ley de Hooke, fuerzas, Arquímedes y tipos de calor

Ley de Hooke

En todo cuerpo elástico se cumple que la deformación producida es directamente proporcional al valor de la fuerza que origina tal deformación. Matemáticamente: F = k · x, donde k es la constante elástica y x la deformación.

Carácter vectorial de las fuerzas

Las fuerzas son magnitudes vectoriales y, por tanto, tienen distintas características:

• Módulo: el valor o intensidad de la fuerza.
• Punto de aplicación: el punto del cuerpo sobre el que se ejerce la fuerza.
• Dirección: la recta sobre la que actúa la fuerza.
• Sentido: la orientación sobre dicha recta.

Equilibrio y composición de fuerzas

Un cuerpo se encuentra en equilibrio cuando está en reposo o cuando se mueve con movimiento rectilíneo uniforme. A menudo, varias fuerzas pueden ser sustituidas por una sola fuerza llamada resultante (R). El cálculo de esta resultante de un conjunto de fuerzas que actúan sobre un cuerpo se denomina composición de fuerzas y difiere según las características de las fuerzas a componer.

Fuerzas concurrentes

Casos típicos:

• Fuerzas con la misma dirección y mismo sentido.
• Fuerzas con la misma dirección pero sentidos contrarios.
• Fuerzas que forman un ángulo (método del paralelogramo).

Fuerzas paralelas

• Fuerzas paralelas del mismo sentido.
• Fuerzas paralelas de distinto sentido.

Dinámica

La dinámica es la rama de la mecánica que estudia los movimientos en relación con las causas que los producen.

Leyes de Newton

1. Primera ley (inercia): Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sobre él actúen fuerzas que lo obliguen a cambiar de estado.
2. Segunda ley: El cambio de movimiento que experimenta un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él; además, la relación de proporcionalidad depende de la masa del cuerpo que se mueve. (F = m · a)
3. Tercera ley (acción y reacción): Si un cuerpo 1 ejerce una fuerza sobre otro cuerpo 2, llamada acción, el cuerpo 2 ejerce sobre el primero otra fuerza de la misma intensidad y dirección pero de sentido opuesto, llamada reacción.

Principio de Arquímedes

Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical y hacia arriba llamada empuje. Cuanto mayor es el volumen del cuerpo que se quiere sumergir, mayor es el empuje. El principio puede enunciarse así:

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso del fluido desalojado.

Es decir, el empuje es el peso del fluido desalojado, es decir, el peso del fluido que ocupa el cuerpo sumergido.

Flotabilidad de los cuerpos

Relaciones entre el peso del cuerpo (P) y el empuje (E):

• P > E: se hunde.
• P < E: flota.
• P = E: equilibrio.

Observación

La atmósfera también es un fluido.

Tensión superficial

Ciertos objetos livianos flotan en el agua debido a la tensión superficial. La superficie del agua se comporta como una membrana debido a este fenómeno.

Formas de propagación del calor

El calor se propaga de tres maneras principales:

Conducción

Mecanismo de propagación del calor entre dos puntos de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura sin que exista transporte de materia. Existen dos tipos de materiales según su comportamiento térmico:

• Conductores térmicos: materiales que facilitan el paso del calor (p. ej., metales; la plata es un buen ejemplo).
• Aislantes: materiales que dificultan la transmisión del calor (p. ej., corcho, lana).

Convección

Mecanismo de propagación del calor en los fluidos que implica movimiento de materia a través de corrientes de convección.

Radiación

Mecanismo de transmisión de energía que se produce desde la superficie de los cuerpos y que no requiere un medio material para producirse (por ejemplo, la radiación solar).