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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas 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 significativa e influyente, no sólo debido a que los avances en la comprensión a menudo se han traducido en nuevas tecnologías, sino también a que las nuevas ideas en la física resuenan con las demás ciencias, las matemáticas y la filosofía. La física no es sólo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental. Como toda ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante experimentos y que la teoría pueda realizar predicciones de experimentos futuros basados en observaciones previas. Dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico con relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos. La física, en su intento de describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado a límites impensables: el conocimiento actual abarca la descripción de partículas fundamentales microscópicas, el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo, por citar unos pocos campos.

Las ramas que involucra esta ciencia es variada y se pueden definir de la siguiente manera:

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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas Ramas de la física Clásica Acústica El oído es el instrumento biológico por excelencia para recibir determinadas vibraciones de onda e interpretarlas como sonido. La acústica, que se ocupa del estudio del sonido (ondas mecánicas en los gases, líquidos y sólidos), se relaciona con la producción, el control, la transmisión, la recepción y los efectos del sonido. La tecnología acústica incluye la música, el estudio de fenómenos geológicos, atmosféricos y submarinos. La psico-acústica, estudia los efectos físicos del sonido en los sistemas biológicos, presente desde que Pitágoras oyó, por primera vez, los sonidos de las cuerdas vibrantes y de los martillos que golpeaban los yunques en el siglo VI a. C. Pero el desarrollo más impactante en medicina, es la tecnología de ultrasonido. Electricidad y Magnetismo La electricidad y el magnetismo provienen de una sola fuerza electromagnética. El electromagnetismo es una rama de la ciencia física que describe las interacciones de la electricidad y el magnetismo. El campo magnético es creado por una corriente eléctrica en movimiento y un campo magnético puede inducir el movimiento de cargas (corriente eléctrica). Las reglas del electromagnetismo también explican fenómenos geomagnéticos y electromagnéticos, describiendo cómo interaccionan las partículas cargadas de átomos. Mecánica Se relaciona con el comportamiento de cuerpos físicos, cuando se someten a fuerzas o desplazamientos, y los efectos subsecuentes de los cuerpos en su ambiente. Esta sub-disciplina se ocupa del movimiento de las fuerzas sobre los objetos y de las partículas que están en reposo o moviéndose a velocidades significativamente menores que la de la luz. La mecánica describe la naturaleza de los cuerpos. El término cuerpo incluye partículas, proyectiles, naves espaciales, estrellas, partes de maquinaria, partes de sólidos, partes de fluidos (gases y líquidos). Las partículas son cuerpos con poca estructura interna, tratados como puntos matemáticos en la mecánica clásica.

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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas Mecánica de los fluidos La mecánica de fluidos describe el flujo de líquidos y gases. La dinámica de fluidos es la rama de la cual se desprenden sub-disciplinas como la aerodinámica (el estudio del aire y otros gases en movimiento) y la hidrodinámica (el estudio de los líquidos en movimiento). La dinámica de los fluidos se aplica ampliamente: para el cálculo de fuerzas y momentos en los aviones, la determinación de la masa del fluido del petróleo a través de los oleoductos, además de la predicción de patrones climáticos, la compresión de las nebulosas en el espacio interestelar y la solución a un problema de dinámica de fluidos implica el cálculo de propiedades del fluido, tales como la velocidad del flujo, la presión, la densidad y la temperatura y funciones del espacio y del tiempo. el modelado de la fisión de armas nucleares. Óptica La óptica se ocupa de las propiedades y fenómenos de la luz visible e invisible y de la visión. Estudia el comportamiento y las propiedades de la luz, incluyendo sus interacciones con la materia, además de construir instrumentos apropiados. Describe el comportamiento de la luz visible, ultravioleta e infrarroja. Dado que la luz es una onda electromagnética, otras formas de radiación electromagnética como rayos X, microondas y ondas de radio presentan propiedades similares. Esta rama es relevante para muchas disciplinas relacionadas como astronomía, ingeniería, fotografía y medicina (oftalmología y optometría). Sus aplicaciones prácticas se encuentran en una variedad de tecnologías y objetos cotidianos, incluyendo espejos, lentes, telescopios, microscopios, láseres y fibra óptica. Termodinámica Rama de la física que estudia los efectos del trabajo, el calor y la energía de un sistema. Nació en el siglo XIX con la aparición de la máquina de vapor. Se ocupa sólo de la observación y respuesta a gran escala de un sistema observable y mensurable.

Nos centraremos en esta oportunidad en la Acústica y sus principales aplicaciones

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En la vida diaria se determinan razones de cambio de diversas situaciones de tipo natural, Económico, Social. Situaciones en las que nos interesa conocer cuál es el más pequeño (mínimo) o más grande (máximo) valor, como aumenta (crece) o disminuye (decrece) ese valor, en un intervalo de tiempo específico, en general problemas donde se estudian fenómenos relativos a la variación de una cantidad que depende de otra. En general a la diferencia en las coordenadas x de los puntos de la gráfica de una función f se le llama incremento de x, se le denota mediante Δx que es igual a x2 – x1 es decir, Δx = x2 – x1 asimismo, Δy = y2 – y1 al formar el cuociente de cambio en y con los cambios en x podemos escribir:

Veamos un ejemplo, para entender esto: En una investigación que se realizó para observar que cantidad de desperdicios en toneladas se tira al océano diariamente en ciertas playas de Acapulco (México), para un período vacacional de una semana se anotaron los siguientes datos:

Para este caso la variable dependiente seria las toneladas de desperdicio y la variable independiente, los días, la tabla muestra la variación de las toneladas de basura con respecto a cada día. Al graficar se obtiene

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¿Cuál es la razón de cambio promedio de desperdicio que se arroja al mar entre lunes y martes? Aplicando el concepto de razón de cambio promedio se tiene:

Al observar se puede ver que para calcular la "razón de cambio promedio" para cualquier pareja de puntos, se debe formar el cociente:

y que no es otra cosa que la pendiente de una recta

Ahora podemos decir que en general dos cantidades están relacionadas en tal forma que al dar un valor a una de ellas, escogida como variable independiente, existe un modo sistemático (una tabla numérica, un gráfico, una ecuación) para encontrar el valor correspondiente de la otra, llamada variable dependiente, decimos que esta última cantidad es una FUNCIÓN de la variable independiente Por ahora estamos interesados en expresar muchas variables en término de sus cambios en el tiempo, lo que es simplemente otro modo de decir que queremos expresar esas variables como funciones del tiempo. Consideraremos al tiempo como variable independiente y a las otras variables dependientes

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La producción de un determinado cambio en cierta magnitud física puede requerir tiempos diferentes; mientras menor (mayor) sea el tiempo requerido para un mismo cambio, decimos que éste se produce más rápidamente (lentamente). Aunque tengamos una idea intuitiva de que los cambios pueden ser lentos o rápidos, esto no basta para la Física. Debemos dar un

carácter cuantitativo a la noción de rapidez. La sola indicación del valor del cambio ΔF de la cantidad física F no da ninguna información sobre el intervalo de tiempo Δ t empleado para que tal cambio haya ocurrido. Por lo que relacionamos los conceptos como:

Se trata de la variación de la rapidez de cambio con el tiempo. En la Naturaleza tenemos claros ejemplos. El crecimiento de los niños tiene notables cambios de rapidez de acuerdo con la edad. Las plantas disminuyen sus cambios en invierno y son admirables en primavera. Además, cada vez que nos trasladamos en bus por la ciudad su rapidez es extraordinariamente variable. El estudio de las variaciones de las rapideces de cambio nos induce a definir la aceleración de

:

cambio, como

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Y como hablamos de movimiento, definamos que es movimiento: Para hablar de reposo o movimiento hay que elegir un sistema de referencia. Un sistema de referencia es un punto respecto al que referimos el movimiento de los cuerpos, dotado de unos ejes respecto a los cuales damos la posición del cuerpo (las coordenadas del punto en el que está). Un cuerpo está en movimiento cuando cambia su posición respecto al sistema que se toma como referencia. Si la posición no cambia, el objeto está en reposo

Describir un movimiento es conocer dónde está el móvil en cada momento. Esto es, decir qué vale la posición x para cada momento t. Esto se puede hacer de tres maneras: a) Mediante una tabla de valores x-t. – b) Mediante una representación gráfica x-t. – c) Mediante una ecuación x(t), es decir, una "expresión matemática" que relacione la posición con el tiempo, y en la que podamos sustituir valores. A esta expresión se la conoce como ecuación del movimiento. A partir de esto se pueden definir otras propiedades, tales como: · La trayectoria, que es la línea de todos los puntos por los que pasa el cuerpo, es decir, el camino que sigue. Puede ser rectilínea o curvilínea. · El desplazamiento ( Δx ), que es la magnitud que describe cuánto se ha movido el objeto en un intervalo de tiempo. Viene dada por la diferencia entre la posición final y la posición inicial

El desplazamiento puede ser positivo o negativo, y en el S.I. se mide en metros.

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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas · La distancia recorrida (d). Es la cantidad de metros que ha recorrido el móvil. Si no cambia el sentido del movimiento, coincide con el valor absoluto del desplazamiento. Sin embargo, cuando un móvil sufre un cambio de sentido, el desplazamiento no coincide con el espacio recorrido. Por ejemplo, en el caso de una pelota lanzada hacia arriba y que la recogemos cuando cae. Las posiciones de la pelota en la subida y en la bajada en función del tiempo son:

El desplazamiento total es x-xo= 0-0 = 0 m. El espacio recorrido ha sido de 5 m hacia arriba hasta que se detiene la pelota, y 5 m hacia abajo. Por tanto, la distancia total recorrida es de 10 m, que no coincide con el desplazamiento. Si realizamos un gráfico posición- tiempo (x-t) obtenemos:

Descripción del movimiento Para describir un movimiento es suficiente con indicar la trayectoria y la relación entre la posición y el tiempo (x-t) que puede ser una gráfica o la ecuación del movimiento. Por ejemplo: Un móvil sigue una trayectoria rectilínea y las posiciones que ocupa en función del tiempo son:

Hagamos una representaci ón gráfica x-t del movimiento de esta partícula. Página 8

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La ecuación que relaciona estas dos variables es x = t. Se llama ecuación del movimiento y se obtiene hallando la pendiente y la ordenada en el origen a partir de los datos de la gráfica. Sustituyendo en la ecuación del movimiento los valores para el t (variable independiente) obtenemos los valores de la posición en la tabla de valores (variable dependiente), por lo que la velocidad de la partícula será: 𝑣 =

󰇍󰇍󰇍󰇍 ∆𝑥 𝑥 − 𝑥0 3 − 0 = 1𝑚/𝑠 = = ∆𝑡 3−0 𝑡 − 𝑡0

Clasificación de los movimientos Los movimientos quedan determinados por la trayectoria y por el módulo de la velocidad; por tanto, se pueden clasificar de acuerdo a dos criterios: - Según sea la trayectoria, el movimiento puede ser rectilíneo o curvilíneo. En el movimiento rectilíneo, el vector velocidad tendrá siempre la misma dirección, la de la recta. En el curvilíneo el vector velocidad cambia de dirección para ser tangente a la trayectoria en cada instante. -Según el módulo de la velocidad, el movimiento puede ser uniforme o variado. Si el módulo de la velocidad permanece constante, será uniforme; si varía el módulo de la velocidad cambia constantemente, el movimiento será uniformemente variado o acelerado. Movimiento rectilíneo uniforme (M.R.U) Características: 1.- La trayectoria de los movimientos rectilíneos es una línea recta; por tanto, la dirección del vector velocidad, que es tangente a la trayectoria, no varía. 2.- En un movimiento uniforme el módulo de la velocidad no cambia; se recorren distancias iguales en tiempos iguales. 3.- En un MRU, el vector velocidad no cambia de módulo ni de dirección, es constante

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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas 4.- La gráfica x-t del MRU es una recta y su pendiente es el módulo de la velocidad. La ecuación del movimiento uniforme es x(t) = x0 + v t En la ecuación de movimiento tendremos en cuenta que la posición inicial puede ser negativa (si empieza a moverse a la izquierda del origen) o positiva (si empieza a moverse a la derecha del origen), y que la velocidad puede ser negativa (si se mueve hacia la izquierda del sistema de referencia) o positiva (si se mueve hacia la derecha del sistema de referencia). A continuación, mostramos las gráficas asociadas a este movimiento

Al realizar la representación gráfica de la posición frente al tiempo para un movimiento uniforme se obtendrá una línea recta, cuya pendiente es el valor de la velocidad.

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En la gráfica posición-tiempo (x-t), podemos observar que:   

La relación entre x y t es lineal, por lo que la gráfica es una línea recta. La pendiente de esa recta representa la velocidad, y puede ser por tanto positiva o negativa. El punto (t0, x0) corresponde a la posición inicial del objeto y es el punto de corte de la recta con el eje vertical.

En la gráfica velocidad-tiempo (v-t), podemos observar que:    

Es una línea horizontal, paralela al eje del tiempo y representa un valor constante para cada instante de tiempo. Según el signo de la velocidad, esta línea puede estar por encima o por debajo del eje temporal. En ambos casos, el área del paralelogramo definido por la línea de la velocidad y un intervalo de tiempo determinado equivale al espacio recorrido durante dicho intervalo El área bajo la curva representa el desplazamiento de la partícula, Si la velocidad es positiva el desplazamiento será positivo y si la velocidad es negativo, el cálculo del área será negativo

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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas Movimiento rectilíneo uniforme Acelerado ( M.R.U.A) Si varía el módulo de la velocidad se dice que hay aceleración. La aceleración es la magnitud que describe cómo de rápido varía la velocidad. Por tanto, es la variación de la velocidad por la unidad de tiempo. Su unidad en el SI es el m/s2 : Características: 1.- La trayectoria de los movimientos rectilíneos es una línea recta; por tanto, la dirección del vector velocidad, que es tangente a la trayectoria, no varía 2.- La velocidad aumenta (o disminuye) de manera lineal respecto al tiempo. Es decir, la aceleración es constante.

3.-En los movimientos rectilíneos la aceleración se representa por un vector tangente a la trayectoria, en el sentido de la velocidad si aumenta su valor y en sentido contrario si disminuye. El signo de la aceleración será negativo (si se dirige hacia la izquierda del sistema de referencia) o positiva (si se dirige hacia la derecha del sistema de referencia). Las ecuaciones del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (m.r.u.a.) o movimiento rectilíneo uniformemente variado (m.r.u.v.) son:

v=v0+a⋅t

a=cte

A continuación, mostramos las gráficas asociadas a este movimiento (M.R.U.A)

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O también ..

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Caída libre Se trata de un movimiento uniformemente acelerado, tiene lugar cuando un cuerpo se mueve libremente bajo la acción de la gravedad de la Tierra. A finales del siglo XVI, Galileo comprobó que los cuerpos caen al suelo con un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado y que la aceleración es independiente de su masa. Por eso, los cuerpos situados a la misma altura caen al suelo con la misma velocidad y al mismo tiempo, sea cual sea su masa. Si no observamos esto en algunos casos, como la caída de una hoja de papel, es por la resistencia del aire. Si estos objetos cayesen en el vacío, todos lo harían con la misma aceleración. Posteriormente Isaac Newton descubrió que la fuerza responsable de la caída libre de los cuerpos es la fuerza de la gravedad terrestre. Debida a esta fuerza caen con una aceleración de módulo 9,8 m/s 2. Esta recibe el nombre de aceleración de la gravedad ( g) g= 9,8 m/s2 Las ecuaciones del movimiento de caída libre son las del MRUA, atendiendo a que:

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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas 1. El movimiento tiene lugar en vertical, por lo que tiene más sentido hablar de y en lugar de x. 2. Lo lógico es tomar el punto de referencia O sobre el suelo, de manera que el sentido "hacia arriba" sea el positivo, y el sentido "hacia abajo" sea el negativo. 3. La altura desde la que soltamos el cuerpo será la posición inicial, normalmente positiva (por encima del suelo). 4. La aceleración será la de la gravedad, que vale g = 9,8 m/s2 de módulo, pero va dirigida hacia abajo, por lo que tendrá signo negativo. 5. Si dejamos caer el objeto, la velocidad inicial será nula; si no, será positiva si lanzamos hacia arriba, o negativa si lanzamos hacia abajo

Estudio y análisis de las cintas de cronometro En algunas ocasiones es interesante analizar el movimiento que tiene una partícula por medio del uso de cintas de cronometro, a continuación, mostramos un ejemplo de su uso: Se realiza un experimento con un carrito que puede moverse en un riel rectilíneo. Para registrar las características del movimiento del carrito se une a él una cinta de papel que pasa por un “vibrador”. A medida que el carrito se desplaza, el vibrador imprime marcas sobre la cinta a intervalos iguales de tiempo. Para producir el movimiento soltamos el cuerpo que está unido al carrito mediante un hilo como se muestra en la figura.

Una de las cintas obtenidas al ejecutar este experimento se reproduce, como muestra la figura

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Apunte N°1 Fisica y sus Ramas Los puntos consecutivos fueron marcados a iguales intervalos de tiempo, de 200[ms]. La distancia entre dos puntos consecutivos corresponde a la distancia recorrida por el carrito en 200[ms]. Con mediciones efectuadas en la cinta confeccionamos la siguiente tabla de valores.

Donde: t es el tiempo transcurrido desde la iniciación del movimiento. s es la distancia recorrida por el carrito durante el tiempo t. Δs es la distancia recorrida en cada intervalo de 0,200[s]. v = Δs /Δt es la correspondiente rapidez media.

Graf...