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Fisica I

Propósito de la asignatura:

El alumno identificará los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen en los distintos tipos de movimiento que efectúan los cuerpos, en la rama de la mecánica clásica. Así mismo, adquirirá habilidades para identificar, plantear, formular y resolver preguntas y/o problemas relacionados con fenómenos físicos presentes en su entorno, a través de modelos matemáticos y actividades experimentales.

Relación de la física con otras asignaturas:

La física apoya la mayoría de las asignaturas que integran la estructura curricular, por lo cual permite a el estudiante desarrollarse académicamente en los varios temas de la física, para que posiblemente los maestros relacionen actividades entre asignaturas.

Relación de la física con otras asignaturas

Conceptos fundamentales a desarrollar física I

Movimiento, Fuerza y Masa 

Estos integran los conceptos subsidiarios de los diferentes tipos de movimiento mecánico. Se requiere también que el estudiante de Física desarrolle la capacidad para resolver problemas abstractos y reales, empleando los diferentes sistemas de unidades, que desglose e interprete los modelos matemáticos, principios y leyes relacionados con las ramas de la Mecánica clásica: Cinemática, Estática, como el equilibrio de los cuerpos, así como de la Dinámica con las Leyes de Newton y los conceptos de Fricción, Energía Mecánica y Cinemática, Trabajo y Potencia. Física II Masa, y Fuerza Se requiere que el estudiante sea ca

 Estructura conceptual física I

Historia de la física

La física es la ciencia natural que estudia las propiedades, el comportamiento de la energía, la materia (como también cualquier cambio en ella que no altere la naturaleza de la misma), así como el tiempo, el espacio y las interacciones de estos cuatro conceptos entre sí.

La física es una de las más antiguas disciplinas académicas, tal vez la más antigua, ya que la astronomía es una de sus disciplinas. En los últimos dos milenios, la física fue considerada dentro de lo que ahora llamamos filosofía, química, y ciertas ramas de la matemática y la biología, pero durante la Revolución Científica en el siglo XVII surgió para convertirse en una ciencia moderna, única por derecho propio.

Física siglos XVI y XVII

En el siglo XVI nacieron algunos personajes como Copérnico, Stevin, Cardano, Gilbert, Brahe, pero fue Galileo quien, hasta principios del siglo XVII, impulsó el empleo sistemático de la verificación experimental y la formulación matemática de las leyes físicas.

Nicolás copérnico

Física siglo XVIII

A partir del siglo XVIII Boyle y Young desarrollaron la termodinámica. En 1733 Bernoulli usó argumentos estadísticos, junto con la mecánica clásica, para extraer resultados de la termodinámica, iniciando la mecánica estadística. En 1798 Thompson demostró la conversión del trabajo mecánico en calor y en 1847 Joule formuló la ley de conservación. 

Daniel Bernoulli

Física siglo XIX

La investigación física de la primera mitad del siglo XIX estuvo dominada por el estudio de los fenómenos de la electricidad y el magnetismo. Coulomb, Luigi Galvani, Faraday, Ohm y muchos otros físicos famosos estudiaron los fenómenos dispares y contraintuitivos que se asocian a este campo.

Charles Augustin de Coulomb

Física siglo XX

El siglo XX estuvo marcado por el desarrollo de la física como ciencia capaz de promover el desarrollo tecnológico. A principios de este siglo los físicos consideraban tener una visión casi completa de la naturaleza. Sin embargo pronto se produjeron dos revoluciones conceptuales de gran calado: El desarrollo de la teoría de la relatividad y el comienzo de la mecánica cuántica.

Albert Einstein

La física actual

La física sigue enfrentándose a grandes retos, tanto de carácter práctico como teórico, a comienzos del siglo XXI. El estudio de los sistemas complejos dominados por sistemas de ecuaciones no lineales, tal y como la meteorología o las propiedades cuánticas de los materiales que han posibilitado el desarrollo de nuevos materiales con propiedades sorprendentes.

Programa para la materia Física I

1.-Movimiento

• Velocidad
• Aceleracion
• Recto Uniforme 
• Recto acelerado
• Circular Uniforme
• Circular Acelerado

2.-Fuerza

• Equilibrio de fuerzas 
• Fuerza gravitacional
• Trabajo

3.-Masa

• Masa
• Peso

4.-Magnitudes

• Magnitudes físicas
• Magnitudes Vectoriales
• Magnitudes Escalares

5.-Leyes de Newton

• 1era Ley de Newton 
• 2da Ley de Newton
• 3era Ley de Newton

1.-Movimiento

Velocidad

La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa la distancia recorrida de un objeto por unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el metro por segundo (símbolo m).

Aceleración

En física, la aceleración es una magnitud vectorial que nos indica la variación de velocidad por unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional es m/s2.

Movimiento rectilíneo Uniforme (MRU)

Un movimiento es rectilíneo cuando un objeto describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, dado que su aceleración es nula. Es indicado mediante el acrónimo MRU, aunque en algunos países es MRC, por movimiento rectilíneo constante.

El MRU se caracteriza por:

• Movimiento que se realiza sobre una línea recta.
• Velocidad constante; implica magnitud y dirección constantes.
• La magnitud de la velocidad recibe el nombre de celeridad o rapidez.
• Aceleración nula.

Movimiento rectilíneo Acelerado (MRA, MRV)

El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA), también conocido como movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV), es aquel en el que un móvil se desplaza sobre una

trayectoria recta estando sometido a una aceleración constante.

El MRV se caracteriza por:

• La aceleración y la fuerza resultante sobre la partícula son constantes.
• La velocidad varía linealmente respecto del tiempo.
• La posición varía según una relación cuadrática respecto del tiempo.

Movimiento circular Uniforme 

En física, el movimiento circular uniforme (también denominado movimiento uniformemente circular) describe el movimiento de un cuerpo atravesando con una velocidad constante y una trayectoria circular.

Movimiento circular Acelerado

El movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) es un movimiento circular cuya aceleración α es constante. 

2.-Fuerza

Equilibrio de fuerzas

Son fuerzas opuestas las que tienen la misma intensidad y dirección pero son de sentido contrario. Cuando 2 fuerzas opuestas actúan sobre un mismo cuerpo producen un equilibrio. El equilibrio se manifiesta porque el cuerpo no se mueve, presentándose un reposo aparente, diferente del reposo absoluto (cuando no actúa ninguna fuerza). El reposo absoluto no existe pues sabemos que sobre todos los cuerpos actúa por lo menos la fuerza de la gravedad. Prescindiendo de la gravedad, diremos que un cuerpo está en reposo si no actúa sobre él ninguna otra fuerza y que está en equilibrio si actúan sobre fuerzas opuestas.

Fuerza Gravitacional

La fuerza ejercida por la Tierra sobre los objetos se denomina fuerza de gravedad.  La gravedad es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.  Nadie realmente conoce exactamente porqué esta fuerza jala los objetos unos hacia los otros.  La masa de los objetos y la distancia entre ellos afectan la magnitud de la fuerza gravitacional.  A mayor masa de los objetos y a menor distancia entre ellos mayor es la intensidad de esa fuerza.  Masas gigantes pueden atraer con mayor fuerza, mientras que a mayor separación las fuerzas se debilitan.

La gravedad de la tierra empuja los objetos hacia el centro de la tierra y a su magnitud se le llama peso del objeto.  Cuando un objeto está en caída libre experimenta una aceleración g que actúa hacia el centro de la Tierra.

Trabajo

En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo de manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra  W (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.

Ya que por definición el trabajo es un tránsito de energía, nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW.

3.-Masa

Masa

En física, la masa  es una medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Es una propiedad intrínseca de los cuerpos que determina la medida de la masa inercial y de la masa gravitacional. La unidad utilizada para medir la masa en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg). Es una magnitud escalar.

El concepto de masa surge de la confluencia de dos leyes: la ley de gravitación universal de Newton y la segunda ley de Newton (o 2.º Principio). Según la ley de la gravitación universal, la atracción entre dos cuerpos es proporcional al producto de dos constantes, denominadas masa gravitacional —una de cada uno de ellos—, siendo así la masa gravitatoria una propiedad de la materia en virtud de la cual dos cuerpos se atraen; por la 2.ª ley (o principio) de Newton, la fuerza aplicada sobre un cuerpo es directamente proporcional a la aceleración que experimenta, denominándose a la constante de proporcionalidad: masa inercial del cuerpo.

Peso

En física clásica, el peso es una medida de la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto. El peso equivale a la fuerza que ejerce un cuerpo sobre un punto de apoyo, originada por la acción del campo gravitatorio local sobre la masa del cuerpo. Por ser una fuerza, el peso se representa como un vector, definido por su módulo, dirección y sentido, aplicado en el centro de gravedad del cuerpo y dirigido aproximadamente hacia el centro de la Tierra. Por extensión de esta definición, también podemos referirnos al peso de un cuerpo en cualquier otro astro (Luna, Marte,...) en cuyas proximidades se encuentre.

La magnitud del peso de un objeto, desde la definición operacional de peso, depende tan solo de la intensidad del campo gravitatorio local y de la masa del cuerpo, en un sentido estricto. Sin embargo, desde un punto de vista legal y práctico, se establece que el peso, cuando el sistema de referencia es la Tierra, comprende no solo la fuerza gravitatoria local, sino también la fuerza centrífuga local debido a la rotación de la Tierra; por el contrario, el empuje atmosférico no se incluye, ni ninguna otra fuerza externa.

4.-Magnitudes

Magnitudes escalares

Las magnitudes son atributos con los que medimos determinadas propiedades físicas, por ejemplo una temperatura, una longitud, una fuerza, la corriente eléctrica, etc.

Las magnitudes escalares tienen únicamente como variable a un número que representa una determinada cantidad.

Denominamos Magnitudes Escalares a aquellas en las que las medidas quedan correctamente expresadas por medio de un número y la correspondiente unidad. Ejemplo de ello son las siguientes magnitudes, entre otras:

• MASA
• TEMPERATURA
• PRESIÓN
• DENSIDAD

Magnitudes Vectoriales

Frente a aquellas magnitudes físicas, tales como la masa, la presión, el volumen, la energía, la temperatura, etc; que quedan completamente definidas por un número y las unidades utilizadas en su medida, aparecen otras, tales como el desplazamiento, la velocidad, la aceleración, la fuerza, el campo eléctrico, etc., que no quedan completamente definidas dando un dato numérico, sino que llevan asociadas una dirección. Estas últimas magnitudes son llamadas vectoriales en contraposición a las primeras llamadas escalares.

Las magnitudes vectoriales quedan representadas por un ente matemático que recibe el nombre de vector. En un espacio euclidiano, de no más de tres dimensiones, un vector se representa por un segmento orientado. Así, un vector queda caracterizado por los siguientes elementos: su longitud o módulo, siempre positivo por definición, y su dirección, la cual puede ser representada mediante la suma de sus componentes vectoriales ortogonales, paralelas a los ejes de coordenadas; o mediante coordenadas polares, que determinan el ángulo que forma el vector con los ejes positivos de coordenadas.

Magnitudes Fisicas

Una magnitud física es un valor asociado a una propiedad física o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición o una relación de medidas. Las magnitudes físicas se miden usando un patrón que tenga bien definida esa magnitud, y tomando como unidad la cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón. Por ejemplo, se considera que el patrón principal de longitud es el metro en el Sistema Internacional de Unidades.

Existen magnitudes básicas y derivadas, que constituyen ejemplos de magnitudes físicas: la masa, la longitud, el tiempo, la carga eléctrica, la densidad, la temperatura, la velocidad, la aceleración y la energía. En términos generales, es toda propiedad de los cuerpos o sistemas que puede ser medida. De lo dicho se desprende la importancia fundamental del instrumento de medición en la definición de la magnitud.

5.-Leyes de Newton

1era Ley de newton

La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercía, nos dice que si sobre un cuerpo no actua ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).

Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el movimiento. Así, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actua ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.

En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial.

2da Ley de newton

La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:

F = m a

Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe expresarse como:

F = m a

La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea,

1 N = 1 Kg · 1 m/s2

La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete que va quemando combustible, no es válida la relación F = m · a. Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de sistemas en los que pueda variar la masa.

3era Ley de newton

La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.

Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.

Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.

Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.

+

Autoevaluación

A)Movimiento

1.- Un objeto se mueve con una rapidez constante de 6 m/s. Esto significa que el objeto:

A. Aumenta su rapidez en 6 m/s cada segundo

B. Disminuye su rapidez en 6 m/s cada segundo

C. No se mueve

D. Tiene una aceleración positiva

E. Se mueve 6 metros cada segundo

2.- Un automóvil de juguete se mueve 8 m en 4 s con una velocidad constante. ¿Cuál es la velocidad el automóvil?

A. 1 m/s B. 2 m/s C. 3 m/s D. 4 m/s E. 5 m/s

3.- Un tren se mueve con una velocidad constante de 50 km/h. ¿Qué tan lejos habrá llegado después de 0,5 h?

A. 10 km B. 20 km C. 25 km D. 45 km E. 50 km

4.- Un bote puede moverse a una velocidad constante de 8 km/h en aguas calmas. ¿Cuánto tiempo le tomará al bote recorrer 24 km?

A. 2 h B. 3 h C. 4 h D. 6 h E. 8 h

B)Fuerza

5.-Un satélite está orbitando un planeta de masa M con un radio orbital r. ¿Cuál de las siguientes opciones representa la velocidad orbital del satélite?

A. v = √(GM/R) B. v = √(GM/r^2 )            C. v = √(GM/r)  D. v = ∛(GM/r) E. v = √(GM/r^3 )

6.-Un satélite A tiene dos veces la masa de un satélite B. Los satélites orbitan un planeta con el mismo radio orbital. La velocidad orbital del satélite A comparado con al de B es:

A. dos veces mayor

B. cuatro veces mayor

C. la mitad  mayor

D. un cuarto  mayor

E. es igual

7.-Dos satélites A y B orbitan el mismo planeta. El satélite B se mueve en orbita circular con radio dos veces más grande que del satélite A. ¿Cuál es la velocidad orbital de satélite B comparado con la velocidad de A?

A. vA =1/√2 vB

B. vA = 1/2vB

C. vA = √2/1vB

D. vA = 1/4vB

E. vA = 2/1vB

8.-Un satélite A se mueve alrededor de un planeta de masa 4 M, otro satélite B se mueve alrededor de un planeta de masa M. ¿Cuál es el período orbital del satélite A en términos del de satélite B si el radio orbital es igual en ambos casos?

A. TA = 1/4TB

B. TA = 1/√2TB

C. TA = 1/2TB

D. TA = 2TB

E. TA = 4T

C) MASA

9.- Dos objetos con igual masa de 1 kg están separados por una distancia de 1 m. La fuerza gravitacional entre los objetos es:

A. un poco menor que G

B. un poco más que G

C. igual a G

D. La mitad de G

E. El doble de G

10.- Dos objetos, uno con masa de m y otro con masa de 4m se atraen uno al otro por una fuerza gravitacional. Si la fuerza sobre 4m es F, ¿Cuál es la fuerza sobre la masa m en términos de F?

A.  16F                  B.  4F                     C. F                        D. ¼ F                   E. 1/16 F

11. Una manzana cuelga sobre un árbol en la Tierra. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?

A. La fuerza sobre la manzana es mayor que la fuerza sobre la Tierra porque la Tierra es más masiva.

B. La fuerza sobre la Tierra es mayor que la fuerza sobre la manzana porque la Tierra es más masiva

C. La fuerza sobre la manzana es menor que la fuerza sobre la Tierra porque el árbol esta soportando la manzana.

D. Las fuerzas sobre la manzana y la Tierra son iguales.

E. Las fuerzas sobre la manzana y Tierra son cero porque ellas no están en contacto.

12. Un objeto con masa de 48 kg  es llevado a la Luna. ¿Cuál es la masa del objeto sobre la superficie de la Luna si la aceleración debido a la gravedad en la Luna es un sexto del de la Tierra?

A. 8 kg                  B. 48 kg                C. 288 kg                             D. 480 kg                             E. 80 kg

D)Magnitudes

13.-Las siguientes magnitudes físicas son básicas (fundamentales) para el sistema internacional de

unidades:

a) La longitud y el volumen

b) La presión y la masa

c) El tiempo y la aceleración

d) La temperatura y el área

e) La masa y la longitud.

14.- Una magnitud básica (o fundamental) del Sistema Internacional es:

a) el tiempo

b) el metro

c) la fuerza

d) la energía

e) el watt

15.- En el Sistema Internacional, para medir la velocidad ¿que unidad derivada se utiliza?

a) km / h

b) mi / h

c) m / min

d) m / s

e) cm /s

16.- ¿Cuál es el resultado de convertir 126 km/h a m/s?

a) 0.3 m/s

b) 12 m/s

c) 35 m/s

d) 40 m/s

e) 120 m/s

E)Leyes de Newton

17.- Según el principio de inercia y primera ley de Newton si un cuerpo físico, se encuentra sometido a una suma de fuerzas con valor de 0 entonces:

a) Se encontrará en movimiento rectilíneo uniforme acelerado.

b) Estará en equilibrio estable y acelerándose.

c) Presentará movimiento curvilíneo con velocidad constante.

d) No se moverá y tenderá a resquebrajarse.

e) Estará o en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme.

18.- Una forma de expresar la segunda Ley de Newton es:

a) “La aceleración que sufre un cuerpo es directamente proporcional al producto de la

 fuerza externa por la masa”

b) “La aceleración que sufre un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza externa e

 inversamente proporcional a la masa”

c) “La cantidad de movimiento inicial total es igual a la cantidad de movimiento final total.”

d) “Todo cuerpo permanece en su movimiento acelerado, a menos que sea afectado por cualquier

fuerza externa”

e) “A toda acción corresponde una reacción de igual magnitud pero de sentido contrario”

19.- En el espacio exterior, un astronauta lanza hacia delante de él una pelota, por ello a él le ocurre

que:

a) se mueve junto con la pelota

b) se mueve perpendicularmente a la pelota

c) sigue un poco después de la pelota

d) no le sucede nada

e) se mueve hacia atrás de la pelota

20.- La tercera ley de Newton establece que:

a) a toda acción hay una reacción de mayor proporción.

b) el momento lineal de una partícula libre se conserva.

c) a cada acción hay una reacción de la misma magnitud, en la misma dirección y sentido.

d) la velocidad de una partícula libre no cambia con respecto al tiempo.

e) dos acciones mutuas de dos cuerpos sobre sí mismos siempre son iguales y dirigidas a las partes

Contrarias.

Respuestas 

1. E    5.  C     9.  C      13. E       17. E

2. B    6. E     10. C      14. B       18. A

3. C    7.  C    11. D      15. D       19. E

4. B    8.  E    12. B      16. C       20. E