Fuerza _:Aquella magnitud vectorial mediante la que se puede poner en movimiento un cuerpo, deformarlo o modificar su velocidad se la conoce bajo en nombre fuerza. Esta es capaz de transformar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo y se la mide en newtons (N).
Existen distintos tipos de fuerzas, algunos de ellos son:
Fuerza elástica: es la que logran ejercer los resortes que, fuera de su posición normal, es decir, cuando están comprimidos o estirados y logran ejercer fuerza, ya sea empujando o tironeando un cuerpo. Fuerza de rozamiento: es la fuerza de contacto que surge cuando un cuerpo es deslizado sobre una superficie y se opone a este movimiento. Dentro de esta fuerza encontramos dos tipos: las dinámicas y las estáticas. La fuerza estática establece la fuerza mínima que se precisa para mover un cuerpo. Esta fuerza es equivalente a la fuerza que se necesite para mover un cuerpo, aunque en sentido contrario. La fuerza que se opone al movimiento de un cuerpo es la de rozamiento dinámico. Fuerza normal: es aquella que ejerce una superficie cuando reacciona ante un cuerpo que se desliza sobre ella. Fuerza gravitatoria: es aquella fuerza de atracción que surge entre dos cuerpos. Esta fuerza está condicionada por la distancia y masa de ambos cuerpos y disminuye al cuadrado a medida que se incrementa la distancia. Dentro de este tipo de fuerza se encuentra el peso que es la fuerza gravitatoria que se ejerce por la aceleración del planeta, ya sea la Tierra o cualquier otro. Esta fuerza gravitatoria depende de la distancia y la gravedad en la que se encuentre el cuerpo. El par de reacción del peso se encuentra en el planeta. Fuerza electromagnética: es la que repercute sobre aquellos cuerpos que se encuentran eléctricamente cargado. Está presente en las transformaciones químicas y físicas tanto de átomos como de moléculas. Interacción nuclear fuerte: es la que logra mantener los componentes de los núcleos atómicos unidos. Actúa entre dos nucleones, neutrones o protones de forma indistinta y tiene mayor intensidad que la electromagnética. Interacción nuclear débil: es la que logra la desintegración beta de los neutrones, los neutrinos, son sólo sensibles a esta clase de interacción. Este tipo de fuerza tiene menor alcance que la interacción nuclear fuerte y su intensidad es menor a la electromagnética.
Cuando el movimiento se repite a intervalos de tiempo τ se
le llama periódico, y a intervalos iguales de tiempo, todas las variables del
movimiento (velocidad, aceleración, etc.), toman el mismo valor. El movimiento
periódico más simple es el armónico; frecuentemente se representa el movimiento
armónico como la proyección sobre una línea recta, de un punto que se mueve en
una circunferencia a velocidad constante: ω = velocidad angular o la frecuencia
circular, Т y f son el período y la frecuencia del movimiento armónico
usualmente medidos en segundos y ciclos por segundo, respectivamente. ωm =
frecuencia natural.
MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE (MAS)
Vamos a estudiar un movimiento llamado MAS, Movimiento
Armónico Simple. Para ello, empezaremos viendo una serie de definiciones
sencillas:
*Movimiento periódico: un movimiento se dice periódico
cuando a intervalos iguales de tiempo, todas las variables del movimiento
(velocidad, aceleración, etc.), toman el mismo valor.
*Movimiento oscilatorio: Son los movimientos periódicos en
los que la distancia del móvil al centro, pasa alternativamente por un valor
máximo y un mínimo.
*Movimiento vibratorio: Es un movimiento oscilatorio que
tiene su origen en el punto medio, de forma que las separaciones a ambos lados,
llamadas amplitudes, son iguales.
*Movimiento vibratorio armónico simple: es un movimiento
vibratorio con aceleración variable, producido por una fuerza que se origina
cuando el cuerpo se separa de su posición de equilibrio.
Un resorte cuando lo separamos de su posición de equilibrio,
estirándolo o comprimiéndolo, adquiere un movimiento vibratorio armónico
simple, pues la fuerza recuperadora de ese resorte es la que genera una
aceleración, la cual le confiere ese movimiento de vaivén.
Ejemplo Resorte:
Observando el movimiento del resorte, vemos que se desplaza
entre dos puntos, desde la máxima compresión hasta la máxima elongación,
pasando por un punto medio, de equilibrio. La distancia desde el punto medio a
cualquiera de los extremos la llamamos AMPLITUD y la representamos por A.
-La posición que ocupa la bola roja en cada momento con
respecto al punto central la conocemos como ELONGACIÓN, x.
-El tiempo en realizar una oscilación completa es el
PERÍODO, representado por T y medido en segundos.
-La FRECUENCIA es el número de oscilaciones por segundo que
realiza y la representamos por n.
Para definir el movimiento tenemos que calcular su ecuación,
donde veremos la relación entre las magnitudes que intervienen e influyen sobre
él. Como cualquier movimiento, debemos encontrar una ecuación que nos relacione
la posición (x) con el tiempo, es decir, encontrar la expresión de la posición
en función del tiempo. Para ello vamos a partir de dos leyes muy conocidas en
Física:
- Ley de Hooke: que determina que la fuerza recuperadora del
resorte es proporcional a la posición y de signo contrario. La expresión de la
ley es:
F = - Kx
- La 2ª ley de Newton: que nos viene a decir que toda
aceleración tiene su origen en una fuerza. esto lo expresamos con la conocida:
F = ma
Es obvio que la fuerza recuperadora del resorte es la que
origina la aceleración del movimiento, lo que supone que ambas fuerzas,
expresadas arriba, son iguales. Luego:
donde hemos expresado la aceleración como la segunda
derivada de la posición con respecto al tiempo. A partir de esta ecuación
encontramos dos soluciones para el valor de la posición en función del tiempo:
x = A sen(wt + q) y x
= A cos(wt + q)
siendo x la elongación, A la amplitud, w la pulsación o
frecuencia angular y q el desfase, que nos indica la discrepancia entre el
origen de espacios (pinto donde empezamos a medir el espacio) y el origen de
tiempos.
El valor de la frecuencia angular está relacionado con la
constante recuperadora por la ecuación que viene a continuación:
Movimiento Pendular
El movimiento de un péndulo corresponde al tipo de movimiento
llamado M. A. S., o sea, Movimiento vibratorio Armónico Simple. El movimiento
de un péndulo es periódico, pues sus variables se repiten de forma constante
tras un cierto tiempo. La velocidad del péndulo en su movimiento adopta
posiciones máximas en el centro y mínimas en los extremos; solo nos interesan
los valores absolutos de los módulos de las velocidades.
*Movimiento oscilatorio: Son los movimientos periódicos en
los que la distancia del móvil al centro, pasa alternativamente por un valor
máximo y un mínimo. Evidentemente el movimiento del péndulo es oscilatorio,
observamos un punto de máxima separación (coincide con el valor de mínima
velocidad) y un mínimo en el centro (máxima velocidad).
*Movimiento vibratorio: Es un movimiento oscilatorio que tiene
su origen en el punto medio, de forma que las separaciones a ambos lados,
llamadas amplitudes, son iguales; el péndulo cumple esta condición, por
consiguiente, podemos afirmar que el péndulo posee un movimiento vibratorio
APLICACIÓN: Comprobación Experimental del Movimiento de Giro
de la Tierra
El hombre, desde su existencia, ha necesitado la energía para sobrevivir. Pero… ¿qué es? ¿Por qué tiene tanta importancia la energía? ¿Por qué es importante el ahorro energético?
La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es decir, la energía es la capacidad de hacer funcionar las cosas.
La unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energía es el Joule (J).
2. Tipos de energía
Energía mecánica
Energía interna
Energía eléctrica
Energía térmica
Energía electromagnética
Energía química
La energía nuclear
3. Propiedades de la energía
4. Transferencia de energía
Trabajo
Ondas
Calor
La energía se manifiesta de diferentes maneras, recibiendo así diferentes denominaciones según las acciones y los cambios que puede provocar.
Encontramos los siguientes tipos de energía:
La energía mecánica relacionada con la posición y el movimiento del cuerpo, y que se divide en estas dos formas:
Energía cinética, que se manifiesta cuando los cuerpos se mueven. Es decir, es la energía asociada a la velocidad de cada cuerpo. Se calcula con la fórmula:
E c= ½ m • v 2
Donde m es la masa (Kg), v la velocidad (m/s) y E c la energía cinética (J=Kg·m 2 /s 2 )
Energía potencial, que hace referencia a la posición que ocupa una masa en el espacio. Su fórmula es:
E p= m • g • h
Donde m es la masa (Kg), g la gravedad de la Tierra (9,81 m/s 2 ), h= la altura (m) y E p la energía potencial (J=Kg·m 2 /s 2 ).
La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial de un cuerpo. Su fórmula es:
E m = E p + E c
Donde E m es la energía mecánica (J), E p la energía potencial (J) y E c la energía cinética (J).
La energía interna se manifiesta a partir de la temperatura. Cuanto más caliente esté un cuerpo, más energía tendrá.
Las radiaciones que provoca el Sol son un ejemplo de ondas electromagnéticas que se manifiestan en forma de luz, radiación infrarroja u ondas de radio.
La energía química se manifiesta en determinadas reacciones químicas.
Ésta se produce cuando los núcleos de los átomos se rompen (fisión) o se unen (fusión).
La energía tiene 4 propiedades básicas:
Se transforma. La energía no se crea, sino que se transforma, siendo durante esta transformación cuando se ponen de manifiesto las diferentes formas de energía.
Se conserva. Al final de cualquier proceso de transformación energética nunca puede haber más o menos energía que la que había al principio, siempre se mantiene. La energía no se destruye.
Se transfiere. La energía pasa de un cuerpo a otro en forma de calor, ondas o trabajo.
Se degrada. Solo una parte de la energía transformada es capaz de producir trabajo y la otra se pierde en forma de calor o ruido (vibraciones mecánicas no deseadas).
Hay tres formas de transferir energía de un cuerpo a otro:
Cuando se realiza un trabajo se pasa energía a un cuerpo que cambia de una posición aotra.
Por ejemplo, si en casa desplazamos una caja, estamos realizando un trabajo para que su posición varíe.
Las ondas son la propagación de perturbaciones de ciertas características, como el campo eléctrico, el magnetismo o la presión, y que se propagan a través del espacio transmitiendo energía.
Es un tipo de energía que se manifiesta cuando se transfiere energía de un cuerpo caliente a otro cuerpo más frío. Sin embargo, no siempre viaja de la misma manera, existiendo tres formas diferentes de transferencia energética:
Conducción: cuando se calienta un extremo de un material, sus partículas vibran y chocan con las partículas vecinas, transmitiéndoles parte de su energía.
Radiación: el calor se propaga a través de ondas de radiación infrarroja (ondas que se propagan a través del vacío y a la velocidad de la luz).
Convección: que es propia de fluidos (líquidos o gaseosos) en movimiento.
La Normalidad (N) o Concentración Normal de una disolución es el número de Equivalentes Químicos (EQ) o equivalentes-gramo de soluto por litro de disolución:
Normalidad (N) =
nº EQ (equivalentes-gramo)
Litros de disolución .
Cálculo del nº de Equivalentes Químicos (EQ):
EQ de un ácido = Peso molecular / nº de H+→ EQ de H2SO4 = 98 / 2 = 49 gramos
EQ de una base = Peso molecular / nº de OH- → EQ de NaOH = 40 / 1 = 40 gramos
EQ de una sal = Peso molecular / carga del catión o anión → EQ de Na2CO3= 106 / 2 = 53 gramos
La Normalidad (N)por lo tanto mide la concentración de una disolución de manera similar a la Molaridad (M). De hecho N = M cuando en los casos anteriores el nº de H+ , OH- o la carga de los iones es igual a 1.
Ejemplos de Normalidad:
Ejemplo 1: Calcular la normalidad y la molaridad de 50 gramos de Na2CO3 en 100 ml de disolución:
Normalidad (N):
Peso molecular del Na2CO3 = 106
Equivalente del Na2CO3 = peso molecular / nº de carga del catión de la sal = 106 / 2 = 53
nº de Equivalentes en 50 g de Na2CO3 = 50 / 53 = 0,94
N = nº de Equivalentes / litros de disolución = 0,94 / 0,1 = 9,4 N
Molaridad (M):
Moles de soluto = masa soluto / peso molecular = 50 / 106 = 0,47 moles
M = moles soluto / litros disolución = 0,47 / 0,1 = 4,7 M (M = N/2 en este caso)
Ejemplo 2: Calcular la normalidad de 20 gramos de hidróxido de berilio Be(OH)2 en 700 ml de disolución:
Peso molecular del Be(OH)2 = 43
En una disolución el hidróxido de berilio se disocia de la siguiente forma: Be(OH)2 → Be+2+ 2OH-
La Molalidad (m) o Concentración Molal es el número de moles de soluto que están disueltos en 1 kilogramo de disolvente. La Molalidad de una disolución viene determinada por la siguiente fórmula:
Molalidad (m) =
n(nº de moles de soluto)
·
Kilogramos de disolvente .
La molalidad se expresa en las unidades (moles/Kg).
La ventaja de usar la molalidad en lugar de molaridad (moles soluto / volumen disolución) es debido a que el volumen de una disolución varía con la temperatura y de la presión. Como la molalidad no tiene en cuenta el volumen, puede medir la concentración con mayor preción.
En el laboratorio, para medir la molalidad se emplea un vaso de precipitados y pesando con una balanza analítica, previo peso del vaso vacío para restárselo.
Ejemplos de Molalidad:
Ejemplo 1: calcular la molalidad de una disolución de ácido sulfúrico H2SO4 siendo la masa del disolvente de 600 gramos y la cantidad de ácido de 60 gramos.
Datos: peso molecular del H2SO4 = 98 gramos / mol.
En primer lugar calculamos el número de moles y a partir de ahí obtenemos la molalidad:
n de H2SO4 = masa / peso molecular =60 gramos / 98 gramos · mol-1 = 0,61 moles
m = n / masa disolvente = 0,61 moles / 0,6 kg = 1,02 molal
Ejemplo 2: calcular la molalidad de 20 gramos de un determinado soluto en1 litro de disolución acuosa. La masa molar del soluto es 249,7 g / mol.
Primero calculamos el nº de moles de soluto y a partir de ahí obtenemos la molalidad:
n de soluto = masa / peso molecular = 20gramos/ 249.7gramos· mol-1= 0,08 moles
masa de disolución: es una disolución acuosa por lo tanto 1 litro de disolvente = 1 kg.
m = n / masa disolvente = 0,08 moles / 1 kg = 0,08molal
Definición de Porcentaje Volumen a Volumen (%V/V):
El Porcentaje Volumen a Volumen (% V/V), Porcentaje en Volumen, Fracción en Volmen, Tanto por Ciento en Volumen o Fracción Volumétrica es una medida de la concentración que indica el volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de la solución:
El Porcentaje Volumen a Volumen de una disolución viene determinada por la siguiente fórmula:
% (V/V)=
Volumen de soluto
· 100
Volumen de la disolución .
Ejemplos de Porcentaje en Volumen:
Ejemplo 1: Calcular la concentración en porcentaje de volumen de 180 cm3de vinagre disueltos en 1,5 kg de agua.:
volumen del soluto = 180 cm3= 0,18 litros
volumen del disolvente = 1,5 litros (volumen de 1,5 kg de agua)
Volumen de la disolución = 0,18 + 1,5 = 1,68 litros
% en volumen = (volumen de soluto / volumen de disolución) · 100 = (0,18 / 1,68) · 100 = 10,7%
Ejemplo 2: Calcular el volumen necesario de un tinte líquido para que esté en 12% en volumen en una disolución con 1 kg de agua:
volumen del soluto = x
volumen del disolvente = 1 litro (volumen de 1 kg de agua)
Volumen de la disolución = x + 1
% en volumen = 12 % = (volumen de soluto / volumen de disolución) · 100 = (x / x + 1) · 100
Despejamos la incógnita:
12 = (x / x + 1) · 100
12 · (x + 1) = x · 100
12x + 12 = 100x
12 = 100x - 12x
12 = 88x
x = 12 / 88 = 0,136 litros
Necesitamos por lo tanto 0,136 litros de tinte para tener una concentración 12% en Peso
