Conceptos Fundamentales de la Física Clásica: Mecánica, Energía y Fluidos

Mecánica Clásica: Estática y Dinámica

Estática

La Estática describe las condiciones bajo las cuales se encuentran las Fuerzas (F) que actúan sobre un cuerpo. Solo estudia las fuerzas exteriores.

Materia en Equilibrio

Se produce cuando dos o más fuerzas que se aplican a un cuerpo no modifican su estado de reposo o movimiento.

Clasificación de Fuerzas

• Fuerzas de contacto.
• Fuerzas de campo (larga distancia).

Sistema de Fuerzas

Conjunto de fuerzas exteriores que actúan sobre un sistema material (pueden ser estáticos o dinámicos).

Dinámica

La Dinámica estudia el movimiento teniendo presente las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.

Principios Fundamentales de la Dinámica

Estos principios describen el comportamiento de los cuerpos en relación con las fuerzas aplicadas:

1. Es necesaria una fuerza exterior para mover un cuerpo, pero no para conservar su movimiento.
2. Los estados naturales de un cuerpo son: reposo, Movimiento Rectilíneo (MR) y Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU).
3. Tendencia de los cuerpos a mantener su estado natural (Inercia).
4. La interacción con otros cuerpos vence la inercia.

Principio de la Masa (Segunda Ley de Newton)

Toda fuerza aplicada sobre un cuerpo que no esté equilibrada produce una aceleración proporcional a dicha fuerza. (Importante: Diferencia entre masa y peso).

Trabajo y Energía

Trabajo Mecánico (L)

Es el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida en la misma dirección de la fuerza. La fórmula es: L = F · d.

Definición y Condiciones del Trabajo

El trabajo es una magnitud escalar que indica el aspecto de la transformación de la Energía (E) en un cuerpo en movimiento.

Condiciones necesarias para que exista trabajo:

1. Que haya fuerza y desplazamiento.
2. Que la dirección de la fuerza y el desplazamiento no sean perpendiculares (deben tener una componente en común).

La Unidad de Trabajo en el Sistema Internacional es el Joule (J).

Energía (E)

Capacidad que tiene un cuerpo de producir trabajo. Se clasifica en:

• Energía Cinética: Asociada al estado de movimiento.
• Energía Potencial: Asociada a la posición.

Termodinámica Básica

Diferencia entre Calor y Temperatura

La Temperatura depende del estado físico del material y es la descripción cuantitativa de su calidez o frialdad, la cual se modifica por consecuencia del calor.

El Calor es una transferencia de energía de un cuerpo a otro, causada por la variación o diferencia de la temperatura. Es energía en tránsito.

Calor Específico

Cantidad de calor necesario para variar en un grado la temperatura de una unidad de masa de la sustancia.

Mecánica de Fluidos

Presión (P)

Fuerza aplicada por unidad de superficie.

Teorema de la Hidrostática

La diferencia de presión entre dos puntos de una masa líquida es igual al producto entre el Peso Específico (Pe) del líquido por la diferencia de profundidad de los puntos. La fórmula es: P₂ - P₁ = h · Pe.

Principio de Pascal

La presión aplicada a un fluido confinado se transmite con la misma magnitud a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente que lo contienen.

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en el seno de un líquido sufre un Empuje (E) de abajo hacia arriba igual al peso del líquido desalojado o desplazado por el cuerpo. La fórmula es: E = V · Pe (donde V es el volumen desalojado).

Condiciones de Flotación

Siendo P el peso del cuerpo y E el empuje:

• Si P > E: El cuerpo se hunde.
• Si P = E: El cuerpo está en equilibrio (sumergido).
• Si P < E: El cuerpo asciende.
• Si P = E: El cuerpo flota (parcialmente sumergido).

Línea de Flujo

Trayectoria que describe un elemento del fluido en movimiento. Se clasifica en:

• Flujo laminar.
• Flujo turbulento.

Principio de Bernoulli

Relaciona la presión con la rapidez del fluido y la elevación para un flujo ideal (fluido no viscoso e incompresible). Establece que la suma de la Presión Hidrostática, la Energía Cinética por unidad de volumen y la Energía Potencial Gravitatoria por unidad de volumen es constante durante todo el circuito.