Mecánica: fuerza y ondas

[pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8]

Física

SEMANA 1

Mecánica: fuerza y ondas

Todos los derechos de autor son de la exclusiva propiedad de IACC o de los otorgantes de sus licencias. No está permitido copiar, reproducir, reeditar, descargar, publicar, emitir, difundir, poner a disposición del público ni utilizar los contenidos para fines comerciales de ninguna clase.

[pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13]

APRENDIZAJE ESPERADO

∙        Identificar el concepto básico de fuerza.

∙        Calcular  una  determinada  fuerza  en  un  sistema  dinámico, utilizando procedimientos matemáticos.

∙        Identificar los conceptos relacionados a ondas y sonido.

∙        Interpretar mediante ejemplos de la vida cotidiana, las ondas y los tipos de ondas.

[pic 14]

APRENDIZAJE ESPERADO..................................................................................................................... 2

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 4

1.        FUERZA ........................................................................................................................................ 5

1.1        Definición ........................................................................................................................ 5

1.2        LA FUERZA COMO VECTOR.............................................................................................. 5

1.3        UNIDAD EN EL SISTEMA MKS .......................................................................................... 6

1.4        CÁLCULO DE FUERZAS EN UN SISTEMA DINÁMICO ........................................................ 7

2.        DFINICIÓN DE ONDAS Y SONIDO............................................................................................... 10

2.1        ONDAS ........................................................................................................................... 10

2.2        EJEMPLOS ...................................................................................................................... 10

2.3        ONDAS MECÁNICAS ...................................................................................................... 12

2.4        EL SONIDO ..................................................................................................................... 12

COMENTARIO FINAL.......................................................................................................................... 17

REFERENCIAS ..................................................................................................................................... 18

INTRODUCCIÓN

En ingeniería y sus ramas existen diferentes conceptos físicos, por lo que siempre es importante poder estar familiarizado con ellos. En esta semana son dos los temas a tratar: primero se hará una introducción al concepto de fuerza y luego una descripción de las ondas.

La fuerza es un concepto fundamental en física que ayuda a entender el movimiento. En este documento se explicará cómo hacer uso de vectores para describir la fuerza, lo que será útil para determinar la magnitud de una fuerza y calcular fuerzas equivalentes en un sistema dinámico.

Las ondas son uno de los fenómenos más fascinantes en física y el poder entenderlas y modelarlas ha sido un trabajo de cientos de años, ya que es una temática que es transversal  a  muchas  ramas  de  la  física, desde la física newtoniana hasta la mecánica cuántica, pasando por el electromagnetismo o la termodinámica. En este documento se hará una descripción de las ideas fundamentales detrás de una onda, se mencionarán los tipos más relevantes y se revisarán ejemplos que ayuden a su comprensión.

1. FUERZA

1.1 DEFINICIÓN

La fuerza es una magnitud física y probablemente el más fundamental de los conceptos científicos que se utiliza para describir muchos de los fenómenos de la naturaleza. La fuerza por sí sola no existe y es necesaria la presencia de un objeto, una masa, para que esta se manifieste. La fuerza es una magnitud vectorial, es decir, posee magnitud o módulo, dirección y sentido, por tal razón, para un procedimiento matemático adecuado es necesario el uso de los vectores.

1.2 LA FUERZA COMO VECTOR

Como ya ha sido mencionado, la fuerza es un vector, por ende, todo lo que se ha revisado sobre vectores es aplicable a las fuerzas, en particular, lo que se ha visto de suma de vectores y módulo.

Un instrumento utilizado para medir la magnitud o módulo de una fuerza es el dinamómetro. La figura 1 muestra un ejemplo de cómo interactúa este instrumento con diferentes fuerzas y se puede ver que para el último ejemplo de la figura la fuerza F3 es la suma vectorial de las fuerzas F1 y F2.

Figura 1. Gráfica de cómo se suman las fuerzas.

[pic 15][pic 16]

El cálculo de la fuerza  𝑭⃗ � sería 𝑭⃗ � = 𝑭⃗ � + 𝑭⃗ �[pic 17][pic 18][pic 19]

Si  quieres  profundizar  en el  tema  vectores,  te  invitamos  a revisar el material complementario, disponible en plataforma.

1.3 UNIDAD EN EL SISTEMA MKS

El sistema MKS se refiere a trabajar con las unidades metro (m), kilogramos (kg) y segundos (s), es decir, las siglas MKS son las letras iniciales de metro, segundo y kilogramo, y a pesar de que las siglas sean mayúsculas no quiere decir que se simbolice en mayúscula la unidad, solo se simbolizan en mayúsculas las unidades que se refieran a nombres propios, como es el caso de Newton, que es la unidad de la fuerza y se simboliza con la ene (N) mayúscula.

Por ejemplo: la unidad de la masa (𝑘��) multiplicado por la unidad de la aceleracion (��⁄��2 ) da como igualdad la unidad de la fuerza (��). Se cumple siempre y cuando trabajemos en el sistema

MKS como lo muestra la siguiente ecuación:

1𝑘�� ∗ ��⁄��2  = 1 𝑁

Debido a la gigante contribución que Isaac Newton hizo a la física y a la ciencia es que la unidad de

medida de la fuerza es el Newton y se designa, como se ha mencionado, con el símbolo N.

Como ya ha sido señalado, cuando se hace referencia a una fuerza no basta con decir su magnitud (1N, 3N o 8N, por ejemplo), sino que también es necesario indicar la dirección que esta tiene (hacia arriba, hacia abajo, derecha, izquierda, 30 grados hacia arriba, por ejemplo). Es por ello que es usual representar a la fuerza por medio de componentes (eje X, eje Y) al igual que los vectores y lo que antes era el tamaño del vector (módulo) ahora es interpretado como la magnitud de la fuerza.

1.4 CÁLCULO DE FUERZAS EN UN SISTEMA DINÁMICO

A continuación se resolverán algunos ejercicios sobre fuerza en los que se aplicarán los conceptos vistos sobre vectores.

Ejercicio

Suponga que se tienen tres fuerzas 𝑭⃗ � , 𝑭⃗⃗ � y⃗⃗𝑭⃗ � en donde 𝑭⃗ � = (2 N,-4 N),⃗⃗𝑭⃗ � = (-2 N, 1 N) y 𝑭⃗⃗ � = (-

1 N, 6 N). Determine la fuerza total. Entregue componentes (eje X, eje Y) y magnitud.

Desarrollo:

Al igual que como se hace con vectores, se debe sumar por componentes, esto es:

𝑭⃗ 𝑻 = 𝑭⃗⃗ � + 𝑭⃗ � + 𝑭⃗⃗ � = (2[N], −4[N]) + (−2[N], 1[N]) + (−1[N], 6[N]) =

...