Introducción a la Física Clásica: Medición, Cinemática y Leyes de Newton

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AT Tg YeRM LY = NUM hr? pul ME AYE, ee! ung YALL) i jucrérr ob A uy, WT, p 244 Shh IntroducciOn? Lint Gare ee oy aa Medida de Tiempo: ps muy dificil definir lo que es el tiempo, pero todos tenemos idea de lo que es, Podemon definite , ye permite ordenar la secueneia de los sur 5 estubleciendo un p 1, th pr turo, Asi podemos hablar det tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta completa alrededor del Solo de su propio eje; tiempo que tarda un péndulo en realizar una oxcilaciin completa. Cuando un evento se repite varias veces, y ademis, el tempo entre repeticién y repeticin en constante decimos que cl evento es periddico.

Un ejemplo de evento periddice es un péndule simple, que no es Mas que UN Cuerpo de masa "ar" que cuelya de un lilo de longitud Constante y se pone oscilar (A) Medid ¢ asa, Volumen y Densidad: La balanza es un instrumento que utilizamos para medir masas (masas pravilatorias), Existen muchos tipos de balanzas: e Mecinicas, e Digitales, e Opticas y clectrénicas, e De uno o dos platos, e De semiprecision o de precision. En la figura 1 se muestra uno de los tipos mas comunes, donde se sefalan las partes mas importantes: ¢ Las escalas y las masas indicadoras: o Aconunrango de 0-500 g. o Bconunrango de 0- 100g. o Cconunrango de 0 - 10.0g.

* El tomillo o la tuerca de calibracién (D) que sirven para producir el equilibrio inicial. * El plato (E) donde se coloca el cuerpo cuya masa sera medida. * El indicador del punto equilibrio (F) (lector principal). * Puntos de apoyo (G), donde se colocan las contrapesas (H). Fig. 1 Escalas G Las contrapesas, son masas adicionales que se utilizan para elevar la capacidad de la balanza, en proporciones de 500 g y 1000 g. Una "contrapesa de 500 g", no tiene una masa de S00 g; es una masa que al colocarse en uno de los puntos de apoyo (G), realiza el mismo efecto de una masa de 500 g colocada en el plato (E). Pdgina 39 de 119 ea Escaneado con CamScanner Fig.

2 8 Escala A Escala B Escala C En la figura 2, se muestran las escalas ampliadas. Observe que cada escala tiene capacidades y sensibilidades diferentes. La apreciacién de esta balanza es la menor divisién de la escala C (5 B= 0.18) 1. Coloque la balanza en un lugar espacioso y horizontal. 2. Coloque las masas de las escalas en cero y observe el lector principal. Si el indicador marca el cero la balanza esta lista para medir. De lo contrario debera calibrarla.

Para calibrar una balanza de este tipo gire el tornillo de calibracién seguin estos criterios: e Si el indicador esta debajo del cero, gire poco a poco el tornillo de calibracién en el sentido contrario al que giran las agujas del reloj, hasta que el indicador se encuentre alineado con el cero. e Si el indicador esta encima del cero, gire poco a poco el tomillo de calibracién en el sentido que giran las agujas del reloj, hasta que el indicador este marcando el cero. 3. Con la balanza calibrada, coloque suavemente el cuerpo sobre el plato en el centro de éste. El indicador (F) debe subir. 4.

Comience a mover la masa de mayor rango (la escala A), suavemente de ranura en ranura, hasta que el indicador caiga. Cuando esto ocurra, devuelva la masa a la ranura inmediatamente anterior. 5. Repita el paso anterior para la escala media (la escala B). 6. Mueva ahora la masa de la escala menor (la escala C), hasta que el indicador (F) se coloque enel centro. 7. Sume ahora los valores indicados por las masas de las tres escalas y ese sera el valor buscado. NOTA: La suma de los valores maximos de las tres escalas de esta balanza es de 610 g=(500 + 100 + 10) g, pero si la masa a determinar es mayor que esta cantidad se pueden utilizar contrapesas.

En cada balanza podemos colocar hasta dos contrapesas, pudiendo asi elevar la capacidad maxima de esta balanza hasta 2610 g. Pagina 40 de 119 —— il Escaneado con CamScanner Para medic el volumen de un objeto, procedemos de una de dos formas: e Sil objeto tiene forma parecida a una figura geométrica, es regular y entonces calculamos su volumen ublizando la ecuacion apropiada para el volumen de dicha figura geométrica. e Sila forma del objeto no es parecida a una figura geométrica, es irregular, y entonces debemos utilizar la probeta graduada para medir su volumen.

Utilizacién de la Probet: du: La probeta graduada se utiliza para medir el volumen de cuerpos irregulares (aunque también podemos medir el yolumen de los cuerpos regulares), Para medir el volumen de un cuerpo con la probeta, debemos seguir las siguientes indicaciones: e Tomando un volumen inicial (Vj) de agua o cualquier otro liquido. e Luego introducimos el cuerpo cuyo volumen se quiere conocer y determinamos el nuevo volumen marcado en la probeta (Vp).

e Y luego calculamos el volumen (V), mediante la siguiente operacién: VeVy-M (4.2) Ejemplo: Consideremos la probeta de la figura 3, esta graduada de forma que cada division es equivalente a 10 em', En la figuras 3(a) podemos observar que el volumen inicial es luego se introduce un cuerpo dentro de la probeta, ver figura 3(b) y se observa que el volumen final es V, = 420 cm. Entonces en este caso el volumen del cuerpo es: Notas: para utilizar la probeta, es necesario que el objeto sea de un material no poroso, ni absorbente. lem? (centimetro cubico "cc") = 1 mL (mililitro) La densidad de un objeto es el cociente de su masa entre su volumen.

(4.3) Las unidades de medida para la densidad son: ¢ Enel Sistema Internacional > (3) ¢ Enel Sistema Cegesimal > (45) Por ejemplo, la densidad del agua es: Dio =1.0 fs = 1000 Pagina 41 de 119 Escaneado con CamScanner Introduccion) . . ee 6 f A continuacion iniciaremos el estudio de la mecdnica clasica Esta divida en dos partes, una parte que es descriptiva llamada einemiitiea, y otra que es explicativa llamada Los conceptos que trataremos en esta practica estan todos relacionados a la ' cinematica. Considerando que veremos movimiento en una x sola direccién (en direccién horizontal), por tal razén x; asumiremos las cantidades que abordaremos de forma escalar.

————> X% — Posicién del auto respecto al origen de coordenadas. movimiento de un cuerpo resulta mas facil si se considera que el tamaiio y la forma del cuerpo son despreciables, todo cuerpo que cumpla con esta condicién (cuyas dimensiones son despreciables) lo llamaremos particula. Luego establecemos DS n unica) tormado por 'i PSiaNnos. En un punto arbitrario de este esquema (que Ilamamos "origen") colocamos un cuerpo que supondremos en reposo y asi podremos identificar si una particula se mueve 0 no, con relacién a éste.

La localizacién de una particula en un instante determinado, respecto a nuestro marco de referencia, la conocemos como posicién, y esta dada por el vector medido desde el origen del marco de'referencia hasta la particula. Si una particula mantiene su posicién constante entonces esta en reposo. Por tanto, el movimiento se verifica mediante el cambio de posicién de la particula, Al cambio de posicién de y es un vector medido desde la posicién inicial hasta la posicién final. Toda particula en movimiento dese!

ina linea que uw das la: © El desplazamiento se obtiene mediante la diferencia de posicién, AX = 3, - 3; trayectoriay Si una particula se mueve en linea recta su trayectoria es fectilinea} y si se mueve en una curva su trayectoria es medim git d y se mide en unidades de " longitud. recorrida, La distancia es un escalar y su tamaii camino que siga la particula. ido la distan: 0 dependera del Pagina 49 de 119 Escaneado con CamScanner ela velocidad se obtiene mediante el cociente del desplazamiento entre el tiempo. Y se mide en unidades de longitud entre unidades de tiempo. e la aceleracién se obtiene mediante el cambio de la velocidad instantanea entre el tiempo.

Y se mide en unidades de longitud entre unidades de tiempo al cuadrado. Al cociente del desplazamiento entre el tiempo de recorrido se le conoce como y es un vector con igual direccién y sentido que el desplazamiento. Si se considera un intervalo de tiempo muy pequefio (tendiente a cero), el desplazamiento sera'mu uefo, en este caso la velocidad determinada serd 'a fvelocldad instantinesd En lo adelante, salvo que se especifique otra cosa, cuando mencionemos velocidad, nos referiremos a la instantanea. Al cociente de la distancia entre el tiempo de recorrido se le conoce como rapidez promedio, y es una cantidad escalar.

Sj se considera un intervalo de tiempo muy pequefio (tendiente a cero), la distancia sera muy pequefia, en este caso la rapidez determinada sera la rapier istantnes, La rapidez instantanea es la magnitud de la velocidad instantanea. El velocimetro de los automdviles, mide la magnitud velocidad instantanea; es decir, la rapidez instantanea. sentido que el cambio de velocidad.

Tipos de Movimientos Rectilineos: e Si una particula se mueve en una linea recta y en una solo sentido, manteniendo la magnitud de su velocidad constante, entonces posee un movimiento rectilineo uniforme (MRU), Se caracteriza por: Pagina 50 de 119 " Escaneado con CamScanner Cuando una particula cambia su velocidad uniformemente en el tiempo posee un movimiento! Este se puede clasificar de acuerdo a la aceleracion en: e Si la particula se mueve en linea recta y en una sola direccién, manteniendo su aceleracién constante y positiva posee movimientc SN caracteriza por: ectilineo uniforme a) El desplazamiento es proporcional al cuadrado del tiempo.

Axat?) x=f{t] b) Se producen aumentos iguales en la magnitud de la velocidad empleando tiempos iguales. c) La aceleracién es constante y positiva. y%=0 —-— se caracteriza por: a) El desplazamiento es proporcional Graficos del MRUR al cuadrado del tiempo. Axat? - x=f(t) ' vef. b) Se producen disminuciones iguales en la magnitud de la velocidad empleando tiempos iguales. : c) La aceleracién es constante y negativa: Pagina 51 de 119 Escaneado con CamScanner \Introduccién:}) 6,tuLas Leyes de Newton) os qué causa el movimiento? Pensariamos que la causa del tras la fuerza movimiento es la fuerza ' rial 1 neta es nula (MRU).

» Pero no es asi del todo, porque puede haber movimiento mien i sobre un cuerpo actiian, al mismo fuerza neta, llamada también fuerza tiempo, varias fuerzas, as sumaremos resultante, y obtendremos la Fees Feros @n ' a i La unidad de medida de fuerza, en el Sistema Internacional, es el Newton. Asumimos en estos experimentos que las fu o deforman, ni rotan los cuerpos sobre los cuales acttan, solo cambian su estado de Esta establece que: Segin esta Ley un cuerpo puede encontrarse en dos condiciones diferentes (reposo 0 en movimiento rectilineo uniforme) debido a la misma causa. >, Festorna =0 Esta Ley se conoce también como natural de los cuerpos a mantenerse en reposo 6en MRU.

La inercia se define como la tendencia Pagina 67 de 119 Escaneado con CamScanner " Esta Ley aborda la condicién en la cual la fuerza neta es diferente de cero. esto se puede escribir asi: Fag me 3 Donde: © Fheta > ¢s la fuerza neta (total, resultante), que actiia sobre el cuerpo. ° m = es la masa inercial del cuerpo. ° @ = es laaceleracién experimentada por el cuerpo bajo la accién de la Festa De esta expresidn (6.2), se pueden inferir dos posibilidades: e Si la masa es constante (m=constante), la fuerza neta aceleracién que experimenta el cuerpo.

iFgem - Fueeka (6.3) ' Esta situacién se corresponde experimentalmente a cuando aceleramos un cuerpo aplicidndole diferentes fuerzas, mientras la masa del cuerpo se mantiene constante. a la proporcional! e Si la fuerza neta es constante (Fneta = Constante), la aceleracién que experimenta el cuerpo es la masa. wel « maeaKk (6.4) Esta otra situacién es verificable experimentalmente cuando aplicamos Ja misma fuerza neta a cuerpos de masas distintas. La Tencees Ley de Newton aborda la interaccién entre pares de. cuerpos, T Henen la mism: magnitud y Esto se puede expresar matematicamente para dos cuerpos A y B: Fag = -F oa (6.5) Donde: ° Fag = es la fuerza que ejerce el cuerpo A al cuerpo B.

° Fz 4 = es la fuerza que ejerce el cuerpo B al cuerpo A. Pagina 68 de 119 OCC = " Escaneado con CamScanner Cuando interacciona un cami6n con un insecto, las fuerzas que ellos se hacen mutuamente son iguales en magnitud y direccién, pero de sentidos contrarios. Para aclarar un tanto esto, se debe tener claro que Jas fuerzas de las que hablamos en la Tercera Ley de Newton estan aplicadas sobre cuerpos diferentes y por lo tanto la aceleracién que experimenta cada cuerpo dependera de la masa que éste posea.

Si expresamos la Tercera Ley de Newton usando la Segunda Ley de Newton, s¢ tiene: eee = fi _ (6.6) Donde: e mg 'i masa del cuerpo B y @'z la aceleracion que experimenta el cuerpo B, e mg, la masa del cuerpo A y @'4.la aceleracién que experimenta el cuerpo A. Se puede deducir a partir de esta expresion que: la magnitud de la Jeracion que sufre el cuerpo B e Sila masa del cuerpo A es mayor que la masa del cuerpo B aceleracin que experimentaré el cuerpo A sera menor que la ace Por ejemplo: Si la masa del cuerpo A es tres veces mayor a la masa del cuerpo B, la aceleracion del cuerpo A ser un tercio de la aceleracién que experimenta el cuerpo B, y viceversa.

mas distintas seran las aceleraciones que ona con un insecto, porque la entonces, la aceleracién que rimenta el insecto. Mientras mas diferentes sean las masas de los cuerpos, experimentaran. Por eso en un camién no se percibe nada cuando colisi masa del camién es millones de veces mayor que la masa del insecto, experimenta el camién es millones de veces menor que la aceleracién que expe! a vectorial, que tiene la misma La Cantidad de movimiento lineal de un cuerpo es una cantidad fisic pan (6.7) La unidad de medida de la cantidad de movimiento lineal, en el Sistema Internacional, es: Donde: p = Representa el vector cantidad de movimiento lineal.

'ara un conjunto formad Proat =P1+PatPs (6.8) Pagina 69 de 119 Escaneado con CamScanner cuerpos, por ejemplo, sera: Este principio se puede verificar con mas facilidad en (donde se conservan la cantidad de movimiento lineal total y la energia cinética total) y en los Srioifaeat perfecting "inekisticos (solo Se conserva la cantidad de movimiento lineal total, pero luego del choque los Cuerpos Se mantienen unidos). Este establece que: tiempo". Observe que este principio solo se verifica en un sistema aislado. Un sistema es una porcidn del universo sobre la cual enfocamos nuestro estudio.

'Un sistema aisladg Note que aunque existe la posibilidad de que las cantidades de movimiento individuales de cada uno de los cuerpos varien en el tiempo, la suma de todos ellos se mantendra constante. Para el caso de dos cuerpos, este se expresa asi: El impulso es una cantidad fisica vectorial, que se define c nerne (6.9) La unidad de medida del impulso en el Sistema Internacional es: Donde: as e T =eselvector impulso y tiene igual direccién y sentido que la fuerza e At = representa el tiempo de accién de la fuerza, y es relativamente pequeiio ' El impulso se puede verificar cuando dos cuerpos colisionan.

En este caso, ambos se impulsan por las fuerzas de accién y reaccién (Tercera Ley de Newton) en la misma direccién pero en sentidos opuestos. Se puede demostrar que el impulso de la fuerza, que hace un cuerpo A sobre otro B, es igual al cambio de la cantidad de movimiento lineal de B, 0 sea: > — T =4p (6.10) Pagina 70 de 119 1 Escaneado con CamScanner