Física Fundamental: Conceptos Clave y Fórmulas Esenciales de Mecánica, Fluidos y Ondas

Conceptos Fundamentales y Fórmulas Esenciales de Física

Este documento compila una serie de conceptos y fórmulas clave en diversas ramas de la física, desde la mecánica clásica hasta la dinámica de fluidos y las propiedades de las ondas.

Mecánica Clásica y Dinámica

• Producto Escalar (Punto): El resultado es una magnitud escalar.
• Producto Vectorial (Cruz): El resultado es una magnitud vectorial (magnitud y dirección).

Leyes de Newton y Fuerzas

• Segunda Ley de Newton: ΣF = m·a
• Peso: P = m·g (magnitud). En notación vectorial, el peso puede representarse como P = -mgj (en dirección vertical).
• Conversión de Unidades:
  • 1 Newton (N) = 0.1 kilogramo-fuerza (kgf)
  • 1 kilogramo-fuerza (kgf) = 9.8 N
• Fuerza de Fricción: F_r = μ·N (donde N es la fuerza normal, a menudo N = mg en superficies horizontales).

Trabajo y Energía

• Trabajo: W = F · ΔR (producto escalar de fuerza y desplazamiento).
• Energía Cinética: E_c = ½mv²
• Energía Potencial Gravitatoria: E_p = mgh
• Unidad de Energía (Joule): 1 Joule (J) = 1 N·m

Torque y Equilibrio

• Torque (Momento de Fuerza): τ = R × F (producto vectorial de la posición y la fuerza).
• Magnitud del Torque: |τ| = |R|·|F|senθ (donde θ es el ángulo entre R y F).
• Convención de Signos: El torque en sentido antihorario se considera positivo, y en sentido horario, negativo.

Palancas y Ventaja Mecánica

• Ventaja Mecánica (VM): VM = F_c/F_a (Fuerza de carga / Fuerza aplicada).
• Principio de la Palanca (Equilibrio): R_a·F_a = R_r·F_r (Radio del brazo de aplicación · Fuerza aplicada = Radio del brazo de resistencia · Fuerza de resistencia).
• Cálculo de Torque por Fuerza: τ₁ = r_a × F_a; τ₂ = r_r × F_r.
• Clasificación de Palancas:
  1. Clase 1: El punto de apoyo se encuentra entre la fuerza aplicada y la resistencia (ej. balancín, tijeras). Permite equilibrio.
  2. Clase 2: La resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza aplicada (ej. carretilla). Favorece la fuerza.
  3. Clase 3: La fuerza aplicada se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia (ej. caña de pescar). Favorece la velocidad.

Centro de Gravedad y Resistencia

• Centro de Gravedad (CG): Es el punto donde se considera que actúa la fuerza de gravedad sobre un cuerpo, es decir, su peso (mg).
• Centro de Rotación: Punto medio del diente donde estaba y donde quedó (contexto específico, posiblemente odontología o biomecánica).
• Centro de Resistencia: Similar al centro de gravedad, pero se aplica a cuerpos no libres o con restricciones.
• Traslación: Ocurre cuando la fuerza aplicada pasa por el centro de resistencia.
• Rotación: Ocurre cuando una fuerza es aplicada fuera del centro de resistencia.

Mecánica de Fluidos

Conceptos Fundamentales

• Densidad (ρ): ρ = m/V (masa / volumen). Unidad: kg/m³.
• Presión: P = Fuerza/Área. Unidad: Pascal (Pa) = N/m².
• Peso de un Fluido: P = m·g.

Hidrostática

• Presión Hidrostática: P_h = ρ·g·h.
  • Ejemplo: Presión atmosférica estándar (P₀) calculada con mercurio: P₀ = 13550 kg/m³ · 9.8 m/s² · 0.76 m ≈ 101292.4 Pa.
• Presión Total: P_total = P₀ + P_manométrica.
• Principio de Pascal: F₁/A₁ = F₂/A₂. Implica que F₂ = F₁ · (A₂/A₁).
• Principio de Arquímedes (Empuje): E = ρ_fluido · V_sumergido · g.
  • Relacionado con: m = ρV (masa) y W = m·g (peso).

Densidades Comunes

Dinámica de Fluidos

• Número de Reynolds (Re): Re = (2 · r · ρ · v) / η
  • Donde:
    • Re: Número de Reynolds (adimensional)
    • r: Radio del conducto (m)
    • ρ: Densidad del fluido (kg/m³)
    • v: Velocidad media del fluido (m/s)
    • η: Viscosidad dinámica del fluido (Pa·s o N·s/m²)
  • Cálculo de Velocidad: v = (Re · η) / (2 · r · ρ)
• Ecuación de Continuidad:
  • Caudal (Q): Q = Volumen / Tiempo.
  • Para un flujo incompresible: Q₁ = Q₂ ⇒ v₁ · A₁ = v₂ · A₂.
  • Donde A (o S) es el área de la sección transversal del tubo (ej. A = πr² para un tubo sanguíneo).

Ondas y Fenómenos Ondulatorios

Propiedades de las Ondas

• Una onda propaga solo energía, no materia.
• Ondas Mecánicas: Necesitan un medio para propagarse.
• Ondas Electromagnéticas: No necesitan un medio para propagarse (ej. luz).
• Longitud de Onda (λ): Distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos. Unidad: metros (m).
• Frecuencia (ƒ): ƒ = 1/T. Mide el número de repeticiones por unidad de tiempo. Unidades: 1/s, s^-1, Hertz (Hz).
• Periodo (T): T = 1/ƒ. Tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la onda. Unidad: segundos (s).
• Amplitud (A): Altura de una onda desde el punto medio hasta la altura máxima. Unidad: metros (m).
• Velocidad de Propagación (v): v = λ / T. Unidad: metros por segundo (m/s).

Espectro Electromagnético (Frecuencias en Hz)

Sonido

El sonido es un fenómeno físico que estimula la audición. Consiste en vibraciones que dependen del medio de transporte para su velocidad de propagación. Cualquier alteración de las propiedades del material hace variar su velocidad.

• Infrasonido: Frecuencias < 16 Hz
• Sonido Audible: Frecuencias entre 16 Hz y 20,000 Hz
• Ultrasonido: Frecuencias > 20,000 Hz

La velocidad del sonido en el aire es aproximadamente 331 m/s a 0°C. Por cada elevación de 1°C, la velocidad aumenta en 0.62 m/s.

Reflexión de la Luz

La ley de reflexión establece que el rayo incidente forma con la normal un ángulo de incidencia que es igual al ángulo que forma el rayo reflejado con la normal, conocido como ángulo de reflexión.