Blog Digital - Física II (Kelly Pabón)

Blog Digital - Física II 

UNIDAD 1: ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS.

‌1.1 El peso específico.

El peso específico, es una propiedad de los fluidos que se define como el peso de un fluido por unidad de volumen. Se representa comúnmente con la letra griega gamma (γ) y se expresa en unidades de fuerza por unidad de volumen, como por ejemplo Newton por metro cúbico en el sistema internacional de unidades.

‌1.2 Densidad de masa.

La densidad de masa en la estática de los fluidos se refiere a la cantidad de masa que hay en un determinado volumen de un fluido. Se representa comúnmente con la letra griega ro (ρ) y se expresa en unidades de masa por unidad de volumen.

La densidad de masa es una propiedad física fundamental de los fluidos que influye en su comportamiento y en sus interacciones con su entorno.

En resumen, la densidad de masa es una medida de la compacidad de un fluido, y su valor es crucial para entender y analizar diferentes fenómenos en la estática de los fluidos.

‌1.3 Presión del fluido.

La presión del fluido en la estática de los fluidos se refiere a la fuerza ejercida por un fluido en reposo sobre una superficie. Esta presión se debe al peso del fluido sobre la superficie y se calcula mediante la ecuación de la presión hidrostática, que establece que la presión es directamente proporcional a la densidad del fluido, a la aceleración de la gravedad y a la profundidad a la que se encuentra el punto de interés. La presión del fluido es un concepto fundamental en la hidrostática y es importante para comprender el comportamiento de los fluidos en reposo.

‌1.4 Variación de la presión con la profundidad.

La variación de la presión con la profundidad en la estática de los fluidos está determinada por la ecuación fundamental de la hidrostática, la cual establece que la presión en un punto de un fluido en reposo es igual en todas las direcciones y aumenta linealmente con la profundidad. Esta relación se expresa matemáticamente como:

P = P0 + ρgh

Donde P es la presión en el punto de interés, P0 es la presión atmosférica, ρ es la densidad del fluido, g es la aceleración debida a la gravedad y h es la altura de la columna de fluido sobre el punto considerado.

Por lo tanto, a medida que aumenta la profundidad, la presión en un fluido estático también aumentará en función de la densidad del fluido y la aceleración gravitatoria. Esta variación es constante y lineal, lo que significa que la presión aumentará de manera uniforme a medida que se desciende en la columna de fluido.

‌1.5 El principio de Arquímedes y de Pascal.

El principio de Arquímedes establece que un cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente igual al peso del volumen de fluido desplazado. En otras palabras, un cuerpo sumergido en un fluido experimentará un empuje hacia arriba igual al peso del fluido desalojado.

Por otro lado, el principio de Pascal establece que la presión aplicada en un punto de un fluido incompresible se transmite de manera uniforme en todas las direcciones dentro del fluido. Esto significa que un cambio en la presión en un punto de un fluido, que se transmite sin disminución a través de todo el fluido. Un ejemplo común de la aplicación del principio de Pascal es la prensa hidráulica, que funciona aprovechando la transmisión de presión a través de un fluido.

Estos conceptos son importantes en la física relacionados con la presión, el equilibrio de fluidos y a su vez son fundamentales en la física de fluidos, tienen diversas aplicaciones en la vida cotidiana y la ingeniería.

‌1.6 La medida de la presión.

Se realiza comúnmente en unidades como el pascal (Pa), que equivale a un newton por metro cuadrado, el bar, que es equivalente a 100,000 pascales, el milímetro de mercurio (mmHg), la atmósfera (atm) y el psi (libra por pulgada cuadrada). Estas unidades son utilizadas para medir la presión en diferentes contextos, ya sea en la industria, la meteorología, la medicina o en diversas aplicaciones tecnológicas. Es importante elegir la unidad adecuada en función del contexto en el que se esté trabajando para obtener mediciones precisas y comparables.

UNIDAD 2: DINÁMICA DE FLUIDOS.

‌2.1 Fluido ideal. 

En la dinámica de fluidos, un fluido ideal es un modelo simplificado de un fluido que cumple con ciertas condiciones ideales. Estas condiciones incluyen la ausencia de viscosidad, la incompresibilidad y la ausencia de fuerzas externas, como la gravedad.

Aunque un fluido ideal es un modelo simplificado y no existe en la realidad, es útil en la dinámica de fluidos para hacer predicciones sobre el comportamiento de los fluidos en ciertas situaciones. Este modelo simplificado permite realizar cálculos y análisis más fácilmente y proporciona una base teórica sólida para entender algunos aspectos del movimiento de los fluidos en la práctica.

‌2.2 Velocidad y líneas de corriente. 

La velocidad y las líneas de corriente son dos conceptos fundamentales que nos ayudan a entender el movimiento de los fluidos. La velocidad se refiere a la rapidez a la que un fluido se desplaza en un determinado punto o región. Por otro lado, las líneas de corriente son líneas imaginarias que muestran la dirección en la que se mueve un fluido en cualquier punto dado.

La velocidad de un fluido puede variar en función de diferentes factores como la viscosidad del fluido, la presión y la temperatura, entre otros. Por su parte, las líneas de corriente nos permiten visualizar de forma clara la dirección en la que se desplaza un fluido en un determinado punto. 

‌2.3 Tubos de corriente. 

En la dinámica de fluidos, los tubos de corriente son líneas imaginarias que representan la trayectoria seguida por una partícula de fluido en un determinado momento. Estas líneas sirven para visualizar y analizar el movimiento de un fluido en un campo de velocidades dado, permitiendo analizar la velocidad, la aceleración y la dirección en diferentes puntos del sistema. Esto resulta especialmente útil en el diseño de sistemas de tuberías, turbinas, alas de avión, entre otros.

‌2.4 Flujo estacionario en un fluido incompresible. 

Un flujo estacionario en un fluido incompresible se refiere a un movimiento continuo y constante del fluido, en el cual las propiedades del fluido en cualquier punto no cambian con el tiempo. Esto significa que la velocidad, la presión y la densidad del fluido se mantienen constantes en cualquier punto a lo largo del tiempo.  

 En este tipo de flujo, las líneas de corriente del fluido son fijas y no varían con el tiempo. Esto significa que en cualquier punto del fluido, las partículas del mismo seguirán la misma trayectoria en todo momento. El flujo se da de manera uniforme y constante a lo largo del tiempo.  

‌2.5 Ecuación de continuidad. 

La ecuación de continuidad en la dinámica de fluidos es una relación matemática fundamental que establece que, en un flujo estacionario e incompresible, la cantidad de masa que entra en un volumen de control debe ser igual a la cantidad de masa que sale de ese volumen de control. En otras palabras, la ecuación de continuidad expresa la conservación de la masa en un flujo de fluido.

Matemáticamente, la ecuación de continuidad se expresa de la siguiente manera:

ρ1 * A1 * V1 = ρ2 * A2 * V2

Donde:

- ρ1 y ρ2 son las densidades del fluido en los puntos 1 y 2 respectivamente.

- A1 y A2 son las áreas de la sección transversal del conducto en los puntos 1 y 2 respectivamente.

- V1 y V2 son las velocidades del fluido en los puntos 1 y 2 respectivamente.

Esta ecuación implica que, si la densidad de un fluido es constante (como en el caso de un fluido incompresible) y el fluido es estacionario, entonces el producto de la densidad por el área de la sección transversal del conducto por la velocidad del fluido en un punto dado es igual al producto de la densidad por el área de la sección transversal del conducto por la velocidad del fluido en otro punto.

‌2.6 Presión y velocidad. 

En la dinámica de fluidos, la presión y la velocidad están estrechamente relacionadas y se ven afectadas por diversas fuerzas y condiciones en un fluido en movimiento.

La presión en un fluido se relaciona con la velocidad a través de la ecuación de Bernoulli, que establece que en un flujo de fluido incompresible y sin fricción, la presión, la velocidad y la altura de un fluido están interrelacionadas. Según esta ecuación, si la velocidad de un fluido aumenta, la presión disminuye y viceversa.

Por otro lado, la velocidad de un fluido también puede estar influenciada por la presión. Por ejemplo, si hay una diferencia de presión entre dos puntos en un fluido, el fluido se moverá desde el punto de alta presión hacia el de baja presión, generando un flujo. Esta relación se conoce como el principio de Pascal, que establece que un cambio en la presión en un punto de un fluido se transmite de manera uniforme en todas las direcciones a lo largo del fluido.

‌2.7 Ecuación de Bernoulli. 

La ecuación de Bernoulli, se puede considerar como una apropiada declaración del principio de la conservación de la energía, para el flujo de fluidos. El comportamiento cualitativo que normalmente evocamos con el término "efecto de Bernoulli", es el descenso de la presión del líquido en las regiones donde la velocidad del flujo es mayor. Este descenso de presión por un estrechamiento de una vía de flujo puede parecer contradictorio, pero no tanto cuando se considera la presión como una densidad de energía. En el flujo de alta velocidad a través de un estrechamiento, se debe incrementar la energía cinética, a expensas de la energía de presión.

La ecuación de Bernoulli es útil para analizar y predecir el comportamiento de un fluido en diferentes situaciones, como en tuberías, conductos, y en el flujo de aire alrededor de un objeto. 

‌2.8 Aplicación de la ecuación de Bernoulli.

La aplicación adecuada de la ecuación de Bernoulli, se aplica comúnmente en varios escenarios, como el flujo de fluidos en una tubería, en la aerodinámica de aviones, en el flujo de agua en ríos y en muchas otras aplicaciones para la ingeniería y la ciencia, que ayuda a resolver problemas complejos relacionados con el flujo de fluidos.

UNIDAD 3: INTRODUCCIÓN A LATÉRMICA.

‌3.1 Temperatura: Descripciones macroscópica y microscópica.

En el contexto de la física, las descripciones macroscópica y microscópica se refieren a dos niveles de análisis diferentes para estudiar y comprender los sistemas físicos.

- Descripción microscópica: A nivel microscópico, la temperatura se relaciona con la energía cinética de las partículas individuales que componen un sistema. En términos de la mecánica estadística y la teoría cinética de los gases, la temperatura se interpreta como una medida de la velocidad promedio de las partículas en un sistema. A una temperatura más alta, las partículas se mueven más rápidamente y tienen mayor energía cinética. Además, la temperatura microscópica está relacionada con la distribución de velocidades de las partículas y cómo estas distribuciones afectan las propiedades termodinámicas macroscópicas de un sistema.

- Descripción macroscópica: En el contexto macroscópico, la temperatura se define como una medida de la energía cinética promedio de las partículas en un sistema. Se puede medir con termómetros y se expresa en grados Celsius o Kelvin. En la termodinámica macroscópica, la temperatura se relaciona con la cantidad de calor que un sistema puede intercambiar con su entorno y con la dirección en la que fluye el calor. Las leyes de la termodinámica, como la ley cero y la ley cero, se utilizan para comprender cómo la temperatura afecta a los sistemas a gran escala.

En definitiva, tanto la descripción macroscópica como microscópica de la temperatura son importantes para comprender cómo interactúan las partículas en un sistema y cómo esta interacción afecta el comportamiento termodinámico del sistema en su conjunto.

‌3.2 Equilibrio térmico.

El equilibrio térmico es un concepto fundamental en la termodinámica que se introduce en el estudio de la temperatura y las transferencias de calor. Se refiere a la situación en la que dos o más sistemas tienen la misma temperatura y, por lo tanto, no hay transferencia neta de calor entre ellos cuando se ponen en contacto.

En la introducción a la termodinámica, el equilibrio térmico se utiliza para explicar cómo los sistemas tienden a igualar sus temperaturas cuando se les permite interactuar entre sí. Esto se debe a que las partículas de mayor energía (mayor temperatura) tienden a transferir energía a las partículas de menor energía (menor temperatura) hasta que se alcanza un equilibrio térmico.

‌3.3 Medida de la temperatura.

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en un sistema. En la introducción a la térmica, se estudia cómo esta temperatura afecta a los sistemas y cómo se puede medir de diferentes maneras, como por ejemplo con termómetros. La temperatura se suele medir en grados Celsius (ºC), Fahrenheit y en kelvin (K), siendo esta última la escala de temperatura absoluta. La temperatura es una propiedad importante para estudiar los procesos térmicos y es fundamental en la termodinámica y en la física en general.

‌3.4 El calor como una forma de energía.

El calor es una forma de energía que se relaciona con la vibración de las partículas en un sistema, ya sea sólido, líquido o gaseoso. Cuando las partículas se calientan, aumenta su energía cinética y se mueven más rápidamente, lo que provoca un aumento en la temperatura del sistema.

Por ende, el calor puede transferirse de un objeto a otro a través de diferentes procesos como la conducción, la convección o la radiación. Por ejemplo, cuando ponemos una sartén al fuego, el calor se transfiere desde la llama a la sartén a través de la conducción, haciendo que se caliente y cocine los alimentos. El calor también puede convertirse en otras formas de energía, como la energía mecánica en motores de combustión interna o la energía eléctrica en plantas de energía termoeléctrica. En resumen, el calor es una forma importante de energía que juega un papel crucial en diversos procesos naturales y tecnológicos.

‌3.5 La cantidad de calor y el calor específico.

En la termodinámica y la física térmica, la cantidad de calor y el calor específico son conceptos fundamentales para entender cómo interactúan la energía térmica y la materia.

La cantidad de calor se refiere a la transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura entre ellos. Este intercambio de calor puede provocar cambios en la temperatura de los cuerpos involucrados, así como cambios de estado (como la fusión o la vaporización). La cantidad de calor transferida se calcula mediante la ecuación:

Q = mcΔT

donde Q es la cantidad de calor transferida, m es la masa del cuerpo, c es el calor específico de la sustancia y ΔT es el cambio de temperatura experimentado por el cuerpo. El calor específico, por otro lado, es una propiedad de la materia que indica la cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de una unidad de masa de la sustancia en un grado Celsius. Se utiliza para comparar la capacidad de diferentes materiales para almacenar calor.

En resumen, la cantidad de calor y el calor específico son conceptos clave en la termodinámica que nos ayudan a comprender cómo la energía térmica se transfiere y se almacena en la materia.

‌3.6 La conducción del calor.

La conducción del calor es uno de los mecanismos de transferencia de energía térmica que se produce en los sólidos. Sucede cuando el calor se transfiere a través de la materia por medio de colisiones entre las partículas que la componen.

En la conducción del calor, las partículas más energéticas de la sustancia transfieren su energía cinética a otras partículas adyacentes, provocando un aumento de la temperatura en la región afectada. Este proceso se propaga a lo largo del material a medida que las partículas cercanas continúan colisionando entre sí. La conductividad térmica del material juega un papel importante en la velocidad y eficiencia de esta transferencia de calor.

‌3.7 Dilatación térmica.

La dilatación térmica es un concepto fundamental en la termodinámica, una rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el calor, la temperatura y la energía en sistemas físicos. La dilatación térmica se refiere al cambio en las dimensiones de un objeto o material debido a variaciones en la temperatura.  En la introducción a la termodinámica, se estudian los principios básicos relacionados con el calor y la temperatura, así como sus efectos en los materiales. La dilatación térmica es un fenómeno común en la naturaleza y tiene importantes aplicaciones en diversos campos, como la construcción de estructuras, la fabricación de dispositivos y en la vida cotidiana.  

Al comprender la dilatación térmica, los estudiantes pueden comprender mejor cómo el calor afecta a los materiales y cómo se pueden prever y controlar los cambios dimensionales en diferentes situaciones. Esto es fundamental para el diseño y la ingeniería de sistemas que están expuestos a variaciones de temperatura, ya que permite prevenir problemas como la deformación o el fallo de componentes.   

UNIDAD 4: OSCILACIONES Y ONDAS.

4.1 Movimiento armónico simple.

El movimiento armónico simple (MAS) es un tipo de oscilación en el que un cuerpo oscila hacia adelante y hacia atrás alrededor de una posición de equilibrio, siguiendo una trayectoria sinusoidal. Este tipo de movimiento se puede observar en muchos sistemas físicos, como un resorte oscilante o un péndulo. En el MAS, la aceleración del cuerpo es proporcional a su distancia con respecto a la posición de equilibrio, y en dirección opuesta a esta distancia.

Algunas características importantes del MAS son su periodo (el tiempo que tarda en completar una oscilación completa), su frecuencia (el número de oscilaciones por unidad de tiempo) y su amplitud (la máxima distancia que el cuerpo se aleja de la posición de equilibrio). Estas propiedades dependen de las condiciones iniciales del sistema, como la masa del cuerpo y la constante elástica del resorte, siguiendo una relación matemática específica entre la aceleración y la distancia con respecto a la posición de equilibrio.

4.2 El Oscilador armónico.

El oscilador armónico es un sistema físico en el que una partícula o cuerpo oscila alrededor de una posición de equilibrio bajo la influencia de una fuerza restauradora proporcional a la distancia con respecto a dicha posición. Este tipo de sistema es un caso específico del movimiento armónico simple (MAS) y se caracteriza por tener una aceleración proporcional y opuesta a la posición del cuerpo.

El oscilador armónico es un modelo importante en la física, ya que se encuentra en muchos sistemas naturales y artificiales, como los resortes mecánicos, los circuitos eléctricos con capacitores e inductores, y los sistemas de péndulo simple. Su estudio permite comprender mejor los fenómenos de oscilación y resonancia, así como aplicarlo en diversas áreas de la ingeniería y la ciencia.

4.3 Conservaciones de energía en el movimiento armónico simple.

En el movimiento armónico simple, se conserva la energía mecánica total del sistema. Esta energía mecánica total se compone de dos tipos de energía: la energía potencial elástica y la energía cinética. 

La energía potencial elástica se refiere a la energía almacenada en un resorte cuando se deforma. En el caso del movimiento armónico simple, esta energía potencial elástica alcanza su máximo valor en los puntos de amplitud máxima del movimiento y su mínimo valor en el punto de equilibrio. Esta energía potencial se calcula con la fórmula:

Ep = 1/2 kx^2

Donde:

- Ep es la energía potencial elástica.

- k es la constante elástica del resorte.

- x es la distancia desde el punto de equilibrio.

La energía cinética se refiere a la energía asociada al movimiento de un objeto. En el caso del movimiento armónico simple, la energía cinética alcanza su máximo valor en el punto de equilibrio y su mínimo valor en los puntos de amplitud máxima del movimiento. Esta energía cinética se calcula con la fórmula:

Ec = 1/2 mv^2

Donde:

- Ec es la energía cinética.

- m es la masa del objeto.

- v es la velocidad del objeto.

En el movimiento armónico simple, la energía mecánica total (E) del sistema se conserva y se puede calcular sumando la energía potencial elástica y la energía cinética:

E = Ep + Ec

Al conservarse la energía mecánica total del sistema, la energía potencial elástica y la energía cinética se convierten una en otra a medida que el objeto se mueve a lo largo del movimiento oscilatorio. Esto implica que la suma de la energía potencial elástica y la energía cinética en cualquier punto del movimiento es constante.

4.4 Aplicaciones del movimiento armónico simple y el movimiento circular uniforme.

El movimiento armónico simple y el movimiento circular uniforme son dos de los movimientos más comunes en la naturaleza y en la ingeniería, y tienen una amplia gama de aplicaciones prácticas. Algunas de las aplicaciones más comunes de estos movimientos son:

• 
  Péndulo: El movimiento armónico simple se utiliza en péndulos, como los de los relojes de péndulo. El péndulo se balancea de un lado a otro en un movimiento armónico simple, lo que ayuda a mantener el tiempo de manera precisa.
  

• 
  Vibraciones mecánicas: Muchos sistemas mecánicos y estructuras realizan movimientos armónicos simples cuando se ven sometidos a vibraciones, como por ejemplo en motores, maquinaria industrial y puentes.

• 
  Resorte: El movimiento armónico simple se manifiesta en sistemas con resortes, como en suspensión de automóviles o en sistemas de amortiguación.

• 
  Ondas sonoras: Las ondas sonoras se propagan en forma de movimiento armónico simple y el principio del movimiento armónico simple se aplica en el estudio y análisis de las ondas sonoras en campos como la acústica y la música.

• 
  Giroscopio: El movimiento circular uniforme se utiliza en giroscopios, dispositivos que mantienen su orientación en el espacio. Los giroscopios se utilizan en navegación, aviación, electrónica y en la fabricación de instrumentos de medición de alto rendimiento.

• 
  Movimiento de planetas: El movimiento de los planetas alrededor del sol se puede modelar como un movimiento circular uniforme, lo que permite estudiar y predecir su órbita con precisión.

Estas son solo algunas de las aplicaciones más comunes del movimiento armónico simple y el movimiento circular uniforme en la vida cotidiana y en la ingeniería. Estos movimientos son fundamentales para comprender y diseñar una amplia variedad de sistemas y fenómenos en la naturaleza.

4.5 Combinaciones de movimientos armónicos simples.

Las combinaciones de movimientos armónicos simples son frecuentes en la naturaleza y en muchas aplicaciones tecnológicas. Algunas combinaciones comunes de movimientos armónicos simples incluyen: 

1. Movimiento oscilatorio en la misma dirección pero con diferente frecuencia: Cuando dos movimientos armónicos simples se combinan en la misma dirección, pero con frecuencias diferentes, se produce un movimiento resultante que varía de forma compleja a lo largo del tiempo. Este tipo de combinación puede generar patrones de interferencia y resonancia.

2. Movimiento elíptico: Se puede obtener un movimiento elíptico combinando dos movimientos armónicos simples en direcciones perpendiculares. Por ejemplo, si combinamos un movimiento armónico simple en la dirección x y otro en la dirección y, con frecuencias y amplitudes adecuadas, obtendremos un movimiento elíptico.

3. Movimiento circular armónico: Es un caso especial de la combinación de dos movimientos armónicos simples en direcciones perpendicular, donde la amplitud es constante y la fase se encuentra en una relación específica. Este tipo de movimiento se observa comúnmente en objetos que giran en un círculo a una velocidad constante.

4. Movimiento ondulatorio: Las ondas se pueden considerar como la combinación de varios movimientos armónicos simples que se propagan a través de un medio. Las ondas sonoras, las ondas en cuerdas y las ondas en la superficie del agua son ejemplos de movimientos ondulatorios que resultan de la combinación de múltiples movimientos armónicos simples.

5. Movimiento de un sistema masa-resorte: Un sistema masa-resorte está compuesto por una masa unida a un resorte que puede oscilar en un movimiento armónico simple. Si se combinan varios sistemas masa-resorte con diferentes frecuencias y amplitudes, se pueden crear sistemas más complejos con múltiples movimientos armónicos simples.

Estas son solo algunas de las combinaciones de movimientos armónicos simples que se observan en la naturaleza y en la ingeniería. La capacidad de combinar varios movimientos armónicos simples permite modelar y entender una amplia gama de fenómenos físicos y diseñar sistemas con comportamientos complejos.       

  

4.6 Movimiento armónico amortiguado

El movimiento armónico amortiguado es un tipo de movimiento oscilatorio en donde la amplitud de la oscilación disminuye con el tiempo debido a la presencia de una fuerza de amortiguamiento que actúa sobre el sistema. Este tipo de movimiento se observa en sistemas físicos como resortes con fricción, péndulos inmersos en un fluido viscoso o circuitos eléctricos con resistencia.

El movimiento armónico amortiguado es de gran importancia en diversas áreas de la física, la ingeniería y la biología, ya que modela de forma precisa el comportamiento de sistemas reales que experimentan fuerzas de amortiguamiento.

¡¡Muchas Gracias!! Por Ver Mi Blog Digital Sobre Física II, Espero Que Les Guste.

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