Física Básica Conceptos y Aplicaciones UASD 3ªActualización PDF

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Universidad Autónoma de Santo Domingo Primada de América • Fundada el 28 de octubre 1538

Facultad de Ciencias • Escuela de Física

Conceptos y Aplicaciones Alma De La Rosa Clara Elena Florenzán Ondina Moya

FÍSICA BÁSICA Conceptos y Aplicaciones “Edición Actualizada - Enero 2018”

PARA USO DE LOS ESTUDIANTES DE FÍSICA BÁSICA, DEL CICLO BÁSICO DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SANTO DOMINGO

Alma De La Rosa Clara Elena Florenzán Ondina Moya

Universidad Autónoma de Santo Domingo (UASD) Primada de América • Fundada el 28 de octubre 1538

PRESENTACIÓN FÍSICA BÁSICA (Conceptos y Aplicaciones), ha sido elaborado con la finalidad de profundizar en los conocimientos de los estudiantes del Ciclo Básico, colocándolos frente a nuevos desafíos epistemológicos, en la comprensión de las teorías, leyes, hipótesis, juicios, raciocinios; que se aproximan al uso de las herramientas del método científico, con la racionalidad y objetividad que demanda la Ciencia Física. El texto en su estructuración, contenido, temática y nivel explicativo, se ajusta a los requerimientos del programa diseñado por el Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Santo Domingo, para la Física Básica. La temática tratada está referida a: Orígenes Históricos de la Física; Cinemática y Dinámica de la Partícula; Trabajo y Energía; Fluidos y Movimiento Ondulatorio. Se definen los conceptos de manera implícita, por la función que desempeñan en el Sistema teórico, se abordan problemas circunscriptos a las aplicaciones y verificaciones de las leyes de la Física. Hemos tenido algunas preocupaciones a las que tratamos de dar respuestas para cumplir los objetivos académicos, éstos son: - Los diferentes niveles de conocimiento de la Física de parte de los estudiantes que proceden de distintos centros de enseñanza del nivel medio. - La diversidad de intereses profesionales y motivación científica, de los estudiantes que cursarán la asignatura. - Los prejuicios generalizados en los estudiantes hacia el aprendizaje de la Física y Matemáticas. - Los avances Científicos y Tecnológicos de la Ciencia Física y de los nuevos paradigmas que se abren a los estudiantes de esta disciplina. Hemos hecho un esfuerzo por realizar un texto de excelencia, didáctico y ajustado a una Pedagogía Científica. Se ha trabajado una matriz explicativa que Ciencia - Método Científico - Conocimiento - Aplicación Tecnológica.

tiene

como

eje

central;

En resumen, ha sido una tentativa de reconstruir el todo interconectando todas las partes, ajustándola a los objetivos y contenidos del curso, intereses profesionales y niveles de conocimiento, presentándolo de una manera sencilla, actualizada y atractiva, que les ayude a descubrir en cada tema desarrollado, el maravilloso mundo de la Física. Las Autoras

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FÍSICA BÁSICA Conceptos y Aplicaciones

Alma De La Rosa Licenciada en Química. Profesora Titular del Departamento de Física, UASD. Clara Elena Florenzán Licenciada en Física. Profesora Titular del Departamento de Física, UASD. Ondina Moya Licenciada en Física. Profesora Adjunto del Departamento de Física, UASD. Francisco Medina Cabrera (Revisión y Ampliación) Director Departamento de Física UASD • Gestión 2014-2018

EQUIPO DE COLABORADORES Coordinador: Mtro. Franmis Rodríguez Docente de Física UASD Recinto San Francisco Redacción Cap. Calor y Temperatura: Francisco Antonio Orbe Serrano Licenciado en Física Colaborador: Mtro. José Antonio Scott Guilleard, PhD Docente de Física UASD-SEDE Diagramación: José Ysrael De León Vásquez Ing. Civil y Maestro Auxiliar de Física Maquetación: José Daniel De León Vásquez Lic. En Educación y Maestro Auxiliar de Física ii

Contenido 1

LA FÍSICA DESDE SUS ORÍGENES HASTA NUESTROS DÍAS ........... 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

¿Qué es la Física?............................................................................................................................... 2 Ramas de la Física ............................................................................................................................. 2 Orígenes históricos de la Física ...................................................................................................... 3 Etapas principales en el desarrollo de la Física ............................................................................ 4 Relación de la Física con otras ciencias ......................................................................................... 9

2 CINEMÁTICA DE LA PARTÍCULA ........................................................ 10 2.1 Mecánica, Cinemática y Partícula ................................................................................................. 11 2.2 Sistema de Referencia Cartesiano ................................................................................................. 11 2.3 Magnitudes que intervienen en la Cinemática ............................................................................ 12 2.4 Movimientos Rectilíneos ............................................................................................................... 20 2.5 Movimientos Curvilíneos............................................................................................................... 33 RESUMEN .................................................................................................................................................. 38 EJERCICIOS PROPUESTOS ................................................................................................................ 42

3 DINÁMICA DE LA PARTÍCULA ............................................................. 45 3.1 Dinámica........................................................................................................................................... 46 3.2 Fuerza................................................................................................................................................ 46 3.3 Primera Ley de Newton ................................................................................................................. 48 3.4 Inercia. Masa .................................................................................................................................... 49 3.5 Equilibrio .......................................................................................................................................... 50 3.6 Segunda Ley de Newton ................................................................................................................ 52 3.7 Fuerza Normal y de Rozamiento ................................................................................................. 57 3.8 Fuerza Gravitatoria (Peso)............................................................................................................. 60 3.9 Fuerza Centrípeta ............................................................................................................................ 61 3.10 Tercera Ley de Newton.................................................................................................................. 63 3.11 Impulso y Cantidad de Movimiento ............................................................................................ 65 3.12 Sistemas y Conservación de la Cantidad de Movimiento ......................................................... 68 RESUMEN .................................................................................................................................................. 72 EJERCICIOS PROPUESTOS ................................................................................................................ 74

4 TRABAJO Y ENERGÍA ............................................................................. 76 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Trabajo .............................................................................................................................................. 77 Energía .............................................................................................................................................. 84 Teorema Trabajo y Energía ........................................................................................................... 85 Interacciones. Choques y Conservación de la Energía Cinética ............................................. 87 Energía Potencial ............................................................................................................................ 89 Otras Formas de Energía ............................................................................................................... 92

iii

4.7 Fuerzas Conservativas y Disipativas ............................................................................................ 93 4.8 Energía Mecánica ............................................................................................................................ 94 4.9 Principio de Conservación de la Energía .................................................................................... 98 4.10 Potencia ............................................................................................................................................ 98 RESUMEN ................................................................................................................................................ 101 EJERCICIOS PROPUESTOS .............................................................................................................. 103

5 FLUIDOS ...................................................................................................105 5.1 Fluidos............................................................................................................................................. 106 5.2 Hidrostática .................................................................................................................................... 106 5.3 Densidad ......................................................................................................................................... 107 5.4 Peso Específico ............................................................................................................................. 109 5.5 Presión ............................................................................................................................................ 110 5.6 Ecuación Fundamental de la Hidrostática ................................................................................ 118 5.7 Hidrodinámica ............................................................................................................................... 132 RESUMEN ................................................................................................................................................ 140 EJERCICIOS PROPUESTOS .............................................................................................................. 142

6 MOVIMIENTO ONDULATORIO .......................................................... 144 6.1 Movimiento Ondulatorio............................................................................................................. 145 6.2 Movimiento Armónico Simple (MAS) ...................................................................................... 145 6.3 Ondas .............................................................................................................................................. 150 6.4 Tipos De Ondas ............................................................................................................................ 154 6.5 Magnitudes que intervienen en el Movimiento Ondulatorio ................................................ 157 6.6 Fenómenos Característicos de las Ondas ................................................................................. 162 6.7 Ondas Sonoras .............................................................................................................................. 166 6.8 Fenómenos Particulares en las Ondas Sonoras ....................................................................... 173 6.9 Ondas Electromagnéticas ............................................................................................................ 177 RESUMEN ................................................................................................................................................ 178 EJERCICIOS PROPUESTOS .............................................................................................................. 182

7 CALOR Y TEMPERATURA..................................................................... 183 7.1 Temperatura ................................................................................................................................... 184 7.2 Escalas de Temperatura ............................................................................................................... 185 7.3 Calor ................................................................................................................................................ 187 7.4 Cambios de Fase ........................................................................................................................... 188 7.5 Mecanismos de transferencia de calor ....................................................................................... 192 7.6 Propiedades térmicas de la materia ............................................................................................ 195 EJERCICIOS PROPUESTOS .............................................................................................................. 198

• APÉNDICE • REFERENCIAS iv

Capítulo I

1 LA FÍSICA DESDE SUS ORÍGENES HASTA NUESTROS DÍAS OBJETIVOS: • Delimitar el campo de estudio de la Física • Analizar el valor de la Física para la comprensión del Universo • Identificar las diferentes ramas de la física • Relatar los orígenes históricos de la Física • Identificar los aportes de la Física en las diferentes épocas del desarrollo de la humanidad • Relacionar la Física con otras ciencias y áreas del saber

CONTENIDO: • 1.1 ¿Qué es la Física? • • • •

1.2 Ramas de la Física 1.3 Orígenes históricos de la Física 1.4 Etapas principales en el desarrollo de la Física 1.5 Relación de la Física con otras ciencias

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Capítulo 1 – Orígenes de la Física

1.1

¿Qué es la Física?

La física es la ciencia que estudia las regularidades más simples y a la vez más generales de los fenómenos de la naturaleza, las propiedades y la estructura de la materia, así como también las leyes de su movimiento. La física y sus leyes constituyen el fundamento del conocimiento sobre la naturaleza y es una ciencia exacta que estudia cuantitativamente los fenómenos. La palabra física proviene del griego Physis (naturaleza). En la antigüedad la ciencia abarcaba todo el conjunto de conocimientos sobre los fenómenos de la naturaleza. A medida que los conocimientos y los métodos de investigación fueron diferenciándose de esta ciencia antigua se fueron desprendiendo algunas ciencias particulares y entre ellas la física. Las fronteras que separan la física de otras ciencias sobre la naturaleza son en gran medida condicionales y cambian con el tiempo. La física es una ciencia experimental: sus leyes se basan en hechos que se establecen por medio de experimentos. Se distinguen dos físicas: una experimental y otra teórica. La física experimental crea experimentos que tienen por objeto observar hechos nuevos o verificar leyes físicas ya establecidas. La física teórica tiene por objetivo la formulación de leyes sobre la naturaleza y la explicación de fenómenos concretos y también la predicción de nuevos fenómenos. En el estudio de cualquier fenómeno, el experimento y la teoría son igualmente necesarios y están interrelacionados. 1.2 Ramas de la Física Debido a la variedad de los objetos a estudiar y las diversas formas del movimiento de la materia, la física se subdivide en varias disciplinas que de alguna u otra forma están relacionadas entre sí. De acuerdo con el objeto de estudio se subdivide en: Física de las Partículas Elementales Física de los Gases y Líquidos Física Nuclear Física del Estado Sólido Física Atómica y Molecular Física del Plasma.

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Capítulo 1 – Orígenes de la Física

De acuerdo con los procesos a estudiar, y a las formas del movimiento de la materia, en la física se distinguen: mecánica de la partícula y del cuerpo sólido, mecánica de los medios continuos (incluyendo la acústica), teoría de gravitación, mecánica cuántica y teoría cuántica del campo, termodinámica, mecánica estadística y electrodinámica (incluyendo óptica). Estas ramas de la física se superponen, parcialmente debido a la íntima relación entre los objetos del mundo material y los procesos en los cuales ellos intervienen. Anteriormente se consideraba que la física se dividía en: mecánica, óptica, acústica, calor o termología, electricidad y magnetismo, puesto que la física se fue desarrollando en un orden similar. 1.3 Orígenes históricos de la Física Desde tiempos remotos el hombre se interesó por los fenómenos físicos. En el intervalo comprendido entre los siglos VI (a. C.) y II (d. C.), surgieron las ideas sobre la estructura atómica de la materia (Demócrito, Epicuro, Lucrecio); fue desarrollado el sistema geocéntrico de Ptolomeo; se establecieron las leyes más simples de la estática, la propagación de la luz y sus leyes de reflexión; se formularon los principios de Hidrostática (Arquímedes) y se observaron las manifestaciones más simples de la electricidad y el magnetismo.

Nicolás Copérnico (1473-1543), hizo su aporte a la astronomía, demostrando el doble movimiento de los planetas sobre sí mismos y alrededor del sol (Teoría Heliocéntrica).

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Nicolás Copérnico (1473-1543) Nacido en Polonia además de ser un gran astrónomo y matemático, destacó como un respetado sacerdote, jurista, administrador, diplomático, médico y economista. Realizo parte de sus estudios en Italia, donde aprendió el griego, con lo cual pudo leer en el original las obras de los grandes filósofos y astrónomos de la Antigüedad. En su famoso libro De “Revolutionibus Orbium Coeleatium”.

Capítulo 1 – Orígenes de la Física

1.4 Etapas principales en el desarrollo de la Física 1.4.1 Siglo XVII

El desarrollo de la física como tal empezó en el siglo XVII y se inició con el físico italiano Galileo Galilei quien comprendió la necesidad de describir matemáticamente el movimiento. Él mostró que la acción del medio sobre un cuerpo dado está definida no por la velocidad como consideraba Aristóteles, sino por la aceleración del cuerpo. Esta afirmación era la primera formulación del Principio de Inercia. Galileo demostró que la aceleración de un cuerpo en caída libre no depende de masa ni de su densidad, fundamentó la teoría de Copérnico y obtuvo resultados significativos en astronomía, en el estudio de los fenómenos ópticos y térmicos, entre otros.

Galileo Galilei (1564-1642)

Un alumno de Galileo, el científico italiano Torricelli, estableció la existencia de la presión atmosférica y creó el primer barómetro. El científico inglés Boyle y el francés Mariotte estudiaron la elasticidad de los gases y formularon la primera ley de los gases que lleva sus nombres. El holandés Snell y el francés Descartes descubrieron la ley de refracción de la luz y a partir de esto fue creado el primer microscopio. El logro fundamental de la física en el siglo XVII fue la creación de la Mecánica Clásica. En el trabajo “Principios Matemáticos de la Filosofía Natural” (1687), Isaac Newton formuló todas las leyes fundamentales de la mecánica. A partir de las leyes del movimiento de los planetas desarrollados por Kepler, Newton obtuvo la Ley de Gravitación Universal, con la cual pudo calcular el movimiento de la Luna, los planetas y los cometas. Además, se p...