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sábado, 24 de julio de 2010




MECÁNICA CLÁSICA

NOMBRE: FLORES ROSAS AYDEÉ

EDAD: 29 AÑOS

INSTITUCIÓN: TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE CUAUTITLÁN IZCALLI
(TESCI)

CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA

SEMBLANZA: Decidí estudiar la carrera de ingeniería en electrónica ya que me gusta mucho descubrir como funcionan diversos aparatos con tecnología de punta, quiero crear cosas que me ayuden y ayuden a demás personas a realizar actividades las cuales antes no hubiesen podido hacer sin estos aparatos.

Actualmente tengo un trabajo en el cual se me presentan posibilidades de ascender y me encantaría llevar a la práctica lo aprendido en el TESCI, campus Cuatitlán Izcali y en otras instituciones, donde estoy laborando, e incluso llegar a ser emprenderá en mi país, comprometiéndome a crear empresas que sean capaces de cumplir el objetivo de mi carrera, de acuerdo al TESCI es: Formar profesionistas en Ingeniería Electrónica con capacidad creativa, emprendedora, de análisis y liderazgo, que realicen actividades de diseño, innovación, adaptación y transferencia de tecnología para resolver problemas en forma competitiva y atender las necesidades de su entorno con una conciencia social y un compromiso con el desarrollo sustentable.


“Todo ser humano requiere de una consciencia plena para poder evolucionar y trascender”
Aydeé flores Rosas.





RESUMEN

Tengo el gusto de presentar la información que recopile y deduje de los fenómenos naturales que se estudian en esta maravillosa ciencia que es la Física. En muchas ocasiones, nos hemos dado cuenta que existen conocimientos básicos, como vectores, velocidad, aceleración y leyes de Newton, que al llegar a comprenderlos hacen que los siguientes temas se vuelvan más interesantes aún.

En esta página podrás encontrar información teórica y práctica, mediante conceptos, elementos, esquemas conceptuales y ejercicios resueltos paso a poso, de temas relacionados con Trabajo, Energía y Ley de Conservación de la Materia. A su vez, existen subtemas como Trabajo con algunos desplazamientos horizontales, verticales y de inclinación; de la Energía se podrán identificar la cinética y la potencial, además de la conservación de la energía mecánica y la generación de fricción.

DEFINICIONES DE TRABAJO

Trabajo es una cantidad escalar igual al producto de las magnitudes del desplazamiento y de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento. (Paul Tippens).

Trabajo, el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza. (Encarta 2009).

Fuerza aplicada a un cuerpo con el fin de que éste se desplace hacia una dirección y sentido, se considera como una magnitud escalar. (Aydeé Flores Rosas).

Ejemplos de trabajo:






INTRODUCCIÓN


Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en movimiento. Las unidades de trabajo son las mismas que las de energía. Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una mesa, por ejemplo, se realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la gravedad, dirigida hacia abajo; la energía comunicada al cuerpo por este trabajo aumenta su energía potencial. También se realiza trabajo cuando una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo, como ocurre por ejemplo en la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores. La fuerza puede no ser mecánica, como ocurre en el levantamiento de un cuerpo o en la aceleración de un avión de reacción; también puede ser una fuerza electrostática, electrodinámica o de tensión superficial. Por otra parte, si una fuerza constante no produce movimiento, no se realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un libro con el brazo extendido no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del esfuerzo necesario.



La unidad de trabajo en el Sistema Internacional de Unidades es el julio, que se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 newton a lo largo de un metro. El trabajo realizado por unidad de tiempo se conoce como potencia. La potencia correspondiente a un julio por segundo es un vatio.

DESARROLLO

Cuando tratamos de arrastrar un carro con una cuerda, como se observa en la figura 1, no pasa nada. Estamos ejerciendo una fuerza y, sin embargo, el carro no se ha movido. Por otra parte, si incrementamos en forma continua esta fuerza, llegará un momento en que el carro se desplazará. En este caso, en realidad hemos logrado algo a cambio de nuestro esfuerzo. En física este logro se define como trabajo. El término trabajo tiene una definición operacional, explícita y cuantitativa. Para que se realice un trabajo han de cumplirse tres requisitos:

1. Debe haber una fuerza aplicada.

2. La fuerza debe actuar a través de cierta distancia, llamada desplazamiento.

3. La fuerza debe tener una componente a lo largo del desplazamiento.

Suponiendo que se cumplen esas condiciones, es posible dar una definición formal de trabajo:

Trabajo es una cantidad escalar igual al producto de las magnitudes del desplazamiento y de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.

Trabajo = Componente de la fuerza × desplazamiento



El trabajo realizado por una fuerza F que ocasiona un desplazamiento x.

Otro caso especial se presenta cuando la fuerza aplicada es perpendicular al desplazamiento. En esta situación, el trabajo será de cero, ya que Fx = 0. Un ejemplo es el movimiento paralelo a la superficie terrestre, en el que la gravedad actúa verticalmente hacia abajo y es perpendicular a todos los desplazamientos horizontales. En esos casos, la fuerza de gravedad no influye.


DEFINICIONES ENERGÍA

La energía puede considerarse algo que es posible convertir en trabajo. Cuando decimos que un objeto tiene energía, significa que es capaz de ejercer una fuerza sobre otro objeto para realizar un trabajo sobre él. Por el contrario, si realizamos un trabajo sobre un objeto, le hemos proporcionado a éste una cantidad de energía igual al trabajo realizado. Las unidades de energía son las mismas que las del trabajo: joule y libra-pie. (Paul Tippens).

La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. (Encarta 2009).

Capacidad necesaria de un cuerpo o sistema para realizar un trabajo. (Aydeé Flores Rosas).


INTRODUCCIÓN

En todos los actos cotidianos se emplea algo de fuerza. Al levantarnos, peinarnos, caminar, correr, jugar, trabajar, etc. Siempre se necesita de fuerza para poder desenvolvernos con facilidad, según las exigencias del medio ambiente que nos rodee. La capacidad que posee una persona, o un objeto, para ejercer fuerza y realizar cualquier trabajo, se denomina: Energía. La energía es la capacidad de producir un trabajo en potencia o en acto. Por eso decimos que alguien tiene mucha energía cuando realiza grandes actividades durante el día como: trabajar, estudiar o practicar deportes.



DESARROLLO

En mecánica nos interesan dos tipos de energía:

Energía cinética K, que es la energía que tiene un cuerpo en virtud de su movimiento.

Energía potencial U, que es la energía que tiene un sistema en virtud de su posición o condición.

Se dice que toda masa m que tenga velocidad posee también energía cinética. No obstante, para que haya energía potencial es preciso tener el potencial —valga la expresión— de una fuerza aplicada. Por tanto, un objeto en sí no puede tener energía potencial; más bien, esta última ha de pertenecer al sistema. Una caja que se mantiene a cierta distancia sobre la superficie de la Tierra es un ejemplo de un sistema con energía potencial. Si se le soltara, nuestro planeta ejercería una fuerza sobre ella; sin la Tierra no habría energía potencial.

Si se realiza trabajo para elevar un objeto a una altura superior, se almacena energía en forma de energía potencial gravitatoria. Existen muchas otras formas de energía: energía potencial eléctrica y magnética, energía cinética, energía acumulada en muelles estirados, gases comprimidos o enlaces moleculares, energía térmica e incluso la propia masa. En todas las transformaciones entre un tipo de energía y otro se conserva la energía total. Por ejemplo, si se ejerce trabajo sobre una pelota de goma para levantarla, se aumenta su energía potencial gravitatoria. Si se deja caer la pelota, esta energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética. Cuando la pelota choca contra el suelo, se deforma y se produce fricción entre las moléculas de su material. Esta fricción se transforma en calor o energía térmica.

Se puede pensar en numerosos ejemplos de cada tipo de energía. Por ejemplo, un automóvil en marcha, una bala en movimiento y un volante que gira tienen la capacidad de realizar trabajo a causa de su movimiento. De forma similar, un objeto que ha sido levantado, un resorte comprimido y una liga estirada tienen el potencial para realizar trabajo siempre que se active una fuerza. En la figura 2 se presentan varios ejemplos de cada tipo de energía.
Energía cinética de un automóvil o de una bala en
movimiento. (b) Energía potencial de una pesa
suspendida o de un arco tenso.


ENERGÍA POTENCIAL

Energía potencial, energía almacenada que posee un sistema como resultado de las posiciones relativas de sus componentes. Por ejemplo, si se mantiene una pelota a una cierta distancia del suelo, el sistema formado por la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial; si se eleva más la pelota, la energía potencial del sistema aumenta. Otros ejemplos de sistemas con energía potencial son una cinta elástica estirada o dos imanes que se mantienen apretados de forma que se toquen los polos iguales.

Para proporcionar energía potencial a un sistema es necesario realizar un trabajo. Se requiere esfuerzo para levantar una pelota del suelo, estirar una cinta elástica o juntar dos imanes por sus polos iguales. De hecho, la cantidad de energía potencial que posee un sistema es igual al trabajo realizado sobre el sistema para situarlo en cierta configuración. La energía potencial también puede transformarse en otras formas de energía. Por ejemplo, cuando se suelta una pelota situada a una cierta altura, la energía potencial se transforma en energía cinética.

La energía potencial se manifiesta de diferentes formas. Por ejemplo, los objetos eléctricamente cargados tienen energía potencial como resultado de su posición en un campo eléctrico. Un explosivo tiene energía potencial química que se transforma en calor, luz y energía cinética al ser detonado. Los núcleos de los átomos tienen una energía potencial que se transforma en otras formas de energía en las centrales nucleares.





ENERGÍA CINÉTICA

Energía cinética, energía que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación E=(1/2)mv2 donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado. El valor de E también puede derivarse de la ecuación E=(ma) donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se acelera. Las relaciones entre la energía cinética y la energía potencial, y entre los conceptos de fuerza, distancia, aceleración y energía, pueden ilustrarse elevando un objeto y dejándolo caer.

Cuando el objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical. Al actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía al objeto. La energía asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una superficie se denomina energía potencial. Si se deja caer el objeto, la energía potencial se convierte en energía cinética.




















10. Un bloque de 15 kg. Se arrastra sobre una superficie horizontal rugosa por una fuerza de 70 Newton que actúa a 200 sobre la horizontal. El bloque se desplaza 5 metros y el coeficiente de fricción cinética es de 0,3. Determine el trabajo realizado por: a) La fuerza de 70 Newton, b) La fuerza normal, c) La fuerza de gravedad, d) Cual es la energía perdida debido a la fricción y e) Encuentre el cambio total en la energía cinética del bloque.



La fuerza normal N esta a 900 respecto al desplazamiento TX, Cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento se dice que no existe

TRABAJO.
W = N * d * (cos 90)
W = 123,06 * 5 * (0)
W = 0

c) Trabajo efectuado por la fuerza de la gravedad
El peso mg esta a 2700 respecto al desplazamiento TX, Cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento se dice que no existe TRABAJO.

W = mg * d * (cos 270)
W = 15 * 9,8 * 5 * (0)
W = 0

d) Cual es la energía perdida debido a la fricción

FR = μ N
FR = 0,3 * 123,06
FR = 36,918 Newton


Observamos que la fuerza de rozamiento FR esta a 1800 respecto del desplazamiento del bloque de 15 Kg.

W = FR (cos 180) * d = 36,918 * (-1) * 5 = -184,59 Newton * metro
W = - 184,59 julios


e) Encuentre el cambio total en la energía cinética del bloque. Es la suma entre el trabajo realizado por la tensión de la cuerda en el eje x y el trabajo de la fuerza de rozamiento.
W = 328,85 julios
W = - 184,59 julios
328,85 – 184,59 = 144,3 Newton


CUESTIONARIO
1. ¿Qué es el trabajo mecánico? R= Cuando un cuerpo se mueve una distancia d sobre una línea recta, mientras actúa sobre él una fuerza constante de magnitud F en la misma dirección del movimiento, el trabajo L realizado por la fuerza se define como: L = F.d
2. ¿En que unidades se mide el trabajo? R= En el SI es el joule (J): 1 J=1 N.m, En el sistema británico es la libra-pie (1 lb.pie).

3. ¿Cuáles son sus equivalencias? R= J = 0,7376 lb.pie, 1 lb.pie = 1,356 J

4. Si se levanta un cuerpo desde el suelo, ¿hay trabajo? R= Si, es el trabajo de la fuerza peso.

5. ¿Las máquinas simples, realizan trabajo? R= Si, siempre que una fuerza se aplique a lo largo de una distancia hay trabajo. No confundir con el "momento de una fuerza".

6. Hay trabajo, si sostienes un libro y luego lo dejas caer R= Aunque te canses por sostenerlo, no se está realizando ningún trabajo en ese punto.

7. ¿Al empujar un muro hay trabajo? R= Del mismo modo aunque te canses por la fuerza que estás ejerciendo, no realizas ningún trabajo.

8. ¿Trabajas cuando estás en el supermercado y empujas un carrito? R= Ahí si estás ejerciendo un trabajo ya que hay desplazamiento y fuerza.

9. Si se levanta un cuerpo desde el suelo, ¿hay trabajo? R= Si, es el trabajo de la fuerza peso.



CONCLUSIONES:



* El trabajo de una fuerza específica es positivo si la componente de la fuerza está en la misma dirección que el desplazamiento.


*El trabajo de una fuerza específica es negativo si la componente de la fuerza está en dirección opuesta al desplazamiento.





CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA


Con mucha frecuencia, a rapideces relativamente bajas tiene lugar un intercambio entre las energías potencial y cinética. Supongamos que se levanta una masa m hasta una altura h y luego se la deja caer figura 1. Una fuerza externa ha incrementado la energía del sistema, dándole una energía potencial U=mgh en el punto más alto. Ésta es la energía total disponible para el sistema y no puede modificarse a menos que se enfrente a una fuerza de resistencia externa. En la medida en que la masa cae, su energía potencial disminuye debido a que se reduce la altura sobre el piso. La pérdida de energía potencial reaparece en forma de energía cinética de movimiento.

En ausencia de la resistencia del aire, la energía total (U=K) permanece igual. La energía potencial sigue transformándose en energía cinética hasta que la masa llega al piso (h = 0).

En esta posición final, la energía cinética es igual a la energía total, y la energía potencial es cero. Es importante señalar que la suma de U y K es la misma en cualquier punto durante la caída de la figura 1. Si denotamos la energía total de un sistema con E, entonces:


En el ejemplo de una pelota que cae, se dice que la energía mecánica se conserva. En la parte más alta la energía total es mgh, en tanto que en la parte más baja es 1/2 mv , si despreciamos la resistencia del aire. Ahora estamos listos para enunciar el principio de conservación de la energía mecánica:



CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA:

En ausencia de resistencia del aire o de otras fuerzas disipadoras, la suma de las energías potencial y cinética es una constante, siempre que no se añada ninguna otra energía al sistema.

Siempre que se aplique este principio resulta conveniente pensar en el principio y el fin del proceso de que se trate. En cualquiera de esos puntos, si hay velocidad v, existe una energía cinética K; si hay altura h, hay energía potencial U. Si asignamos los subíndices 0 y f a los puntos inicial y final, respectivamente:


Cabe señalar que la masa no es importante al determinar la velocidad final, ya que aparece en todas las fórmulas de la energía. Una gran ventaja que ofrece este método es que la velocidad final se calcula a partir de los estados inicial y final de la energía. Si no hay fricción, la trayectoria seguida no importa. Por ejemplo, resulta la misma velocidad final si el objeto sigue una trayectoria curva a partir de la misma altura inicial.

El mayor obstáculo para los ciclistas que compiten en carreras es la fuerza de fricción producida por la resistencia del aire (70%) en contacto con sus propios cuerpos. Usar ropa muy ajustada y mantenerse agachados en su vehículo puede reducir tal resistencia. El peso de la bicicleta, el del ciclista y la fricción ocasionada por el camino son otros obstáculos. El diseño de la bicicleta ayuda a incrementar la aceleración. Aleaciones de poco peso y materiales mixtos, el mejoramiento de los cojinetes de las ruedas, diversos lubricantes y los diseños aerodinámicos ayudan a reducir el peso y la fricción producida por la bicicleta.

En la figura 2 una bola de demolición de 40 kg se impulsa lateralmente hasta que queda 1.6 m por arriba de su posición más baja. Despreciando la fricción, ¿cuál será su velocidad cuando regrese a su punto más bajo? La conservación de la energía total requiere que la suma U+K sea la misma en los puntos inicial y final.

La velocidad puede determinarse reconociendo que la energía cinética final ha de equivaler a la energía potencial inicial si se conserva la energía.


Como un ejemplo adicional, demuestre que la energía total E al principio y al final del proceso es de 627 J.


ENERGÍA Y FUERZAS DE FRICCIÓN


Es útil considerar la conservación de la energía mecánica como un proceso de contabilidad, en el que se lleva un recuento de lo que pasa a la energía de un sistema desde el principio hasta el fin. Suponga que retira $1000 del banco y luego paga $400 por un pasaje de avión a Nueva York. Le quedarían $600 para gastar en diversiones. Los $400 ya se gastaron y no pueden reembolsarse, pero deben tenerse en cuenta. Ahora considere un trineo en la cima de una colina y suponga una energía total de 1000 J. Si 400 J de energía se pierden a causa de las fuerzas de fricción, el trineo llegaría al fondo con una energía de 600 J para usarlos en velocidad. No es posible recobrar los 400 J perdidos en trabajo contra las fuerzas de fricción, así que la energía total Ef es menor que la energía total inicial E0. Además, aún hay que considerar el calor y otras pérdidas disipadoras en el proceso.

El trabajo realizado por las fuerzas de fricción siempre es negativo, de modo que hemos empleado las rayas verticales de valor absoluto para indicar que estamos considerando el valor positivo de la pérdida de energía.
Al considerar la fricción ahora podemos escribir un postulado más general de la conservación de la energía:



CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:

La energía total de un sistema es siempre constante, aun cuando se trasforme la energía de una forma a otra dentro del sistema.

En las aplicaciones del mundo real no es posible dejar de considerar las fuerzas externas; por tanto, es posible obtener un postulado aún más general del principio de conservación de la energía en términos de los valores inicial y final de la altura y la velocidad:



La conservación de la energía precisa que estas dos ecuaciones sean equivalentes.

Con base en tal postulado, se puede determinar entonces el parámetro incógnito, un trineo de 20 kg descansa en la cima de una pendiente de 80 m de longitud y 30° de inclinación, como se observa en la figura 3.Si μk = 0.2, ¿cuál es la velocidad al pie del plano inclinado? Al principio la energía total E es la energía potencial U = mgh0. Una parte se pierde al realizar trabajo contra la fricción fk x, lo que deja el resto para la energía cinética:

La figura 2 sirve para calcular la magnitud de la fuerza de fricción. Al aplicar la ley de la conservación de la energía es posible determinar la velocidad al pie del plano inclinado.

Antes de hacer algún cálculo, escribamos la ecuación de la conservación en términos generales. La energía total en la cima ha de ser igual a la energía total en la parte inferior menos la pérdida por realizar trabajo contra la fricción.



Una parte de la energía potencial inicial que tenía el trineo en la cima del plano inclinado se pierde debido al trabajo que se realiza para contrarrestar la fricción cuando el trineo desciende.

Tras reconocer que v0 = 0 y hf = 0 podemos simplificar a:



Ahora se advierte qué es necesario para determinar la velocidad final. Aun hay que establecer la altura inicial y la fuerza de fricción. A partir del triángulo trazado en la figura 3 es posible hallar la altura como h0 sigue:



La fuerza de fricción es el producto de μk por n, así que

fk = μkn = (0.2)(170 N ) = 34.0 N

Con esta información, volvemos a la ecuación de conservación:


Como ejercicio adicional, usted debe demostrar que la velocidad final sería de 28.0 m/s si no hubiera fuerzas de fricción.

ESTRATEGIA PARA RESOLVER PROBLEMAS:
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA.


1. Lea el problema, luego trace y marque un diagrama sencillo, donde identificará cada objeto cuya altura o velocidad cambie.

2. Determine un punto de referencia para medir la energía potencial gravitacional; por ejemplo, la base de un plano inclinado, el piso de una habitación o el punto más bajo en la trayectoria de una partícula.

3. Para cada objeto, anote las alturas y las velocidades iniciales y finales: y h0, v0, hf y vf. Cada una de las alturas se mide a partir de la posición de referencia elegida y sólo se requieren las magnitudes para las velocidades.

4. La energía total del sistema en cualquier instante es la suma de las energías cinética y potencial. Por consiguiente, la energía total inicial E0 y la energía total final Ef son:



5. Determine si hay fuerzas de fricción. Si la fricción o la resistencia del aire están presentes, entonces la pérdida de energía debe darse como dato o calcularse. Con frecuencia, la pérdida de energía al realizar un trabajo contra la fricción es simplemente el producto de la fuerza de fricción f por el desplazamiento x. Recuerde que f = μk n

6. Escriba la ecuación de la conservación de la energía y despeje la incógnita.



Recuerde utilizar el valor absoluto de la pérdida de energía cuando aplique la relación anterior. El trabajo real contra la fricción siempre es negativo, pero en este caso se está tomando en cuenta como una pérdida.


CONCLUSIONES
Concluyo que es muy importante conocer cómo es que en la vida cotidiana vivimos transformaciones de energía constantemente. En todas las transformaciones la energía cambia de forma, pero la cantidad total de energía se mantiene constante. Esta es una de las características fundamentales de la energía. En cada transformación la energía pierde la capacidad para realizar nuevas transformaciones, es increíble como es que podemos llegar a pensar que el hecho de caernos no solo es por ser “torpes” sino que puede ser que exista otra causa más la física, como es que alguien pudo hacer magia frente a nuestros ojos, cuando en realidad muchas de estas cuestiones tienen una explicación conociendo una sencilla ley “Conservación de la energía”, he llega a entender cosas que antes podían parecer inexplicables.


OPINIÓN
Considero que cada uno de los temas para realizar este blog fue además de ser muy interesante, muy educativo aprender más cosas de las que antes uno no es consiente del maravilloso funcionamiento que tiene una gran máquina y espero que puedan saber cual es, ya que con sin ella no podríamos hacer nada y hablo de la “Gran máquina huma”, es increíble poder descifrar entender y comprender como desde nuestro cuerpo se pueden comprender estos temas.

Además de que nunca había creado un blog y la verdad es que es más difícil de lo que yo pensaba, ya que no quedo como lo había propuesto durante 9 días el blog y creo que me falta mucho por aprehender en todos los sentidos.
BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES ELECTRÓNICAS
*** Tomo I Física para ciencias e ingeniería, Serway - Beichner, quinta edicion,
Editorial Mc Graw Hill
*** Física conceptual, Paul G. Hewitt, segunda edición, Editorial Addison Wesley
Longman
*** Lecciones de Física, Felix - Oyarzabal - Velasco, Editorial CECSA
*** Libro electrónico Física conceptos y aplicaciones, Paul E Tippens, septima edicón
Editorial Mc Graw Hill