Fundamentos de Física: Fuerza, Movimiento y Presión en Fluidos

Fuerza

Fuerza es toda causa capaz de producir deformaciones en un cuerpo o modificar su estado de reposo o de movimiento, es decir, producir en él una aceleración. 1 kg-f = 9,8 N.

Ley de Hooke

La deformación que experimenta un material elástico (un muelle) es directamente proporcional a la fuerza que se ejerce sobre él. La expresión matemática de la ley de Hooke es: F = k ⋅ Δl

(F es la fuerza que se ejerce sobre el muelle y se mide en N, Δl es el alargamiento que experimenta el muelle, que es la diferencia entre su longitud, l, al aplicarle la fuerza, y la longitud, l₀, que tiene sin la acción de la fuerza. Por tanto, Δl = l - l₀ y se mide en m. Y k es una constante de proporcionalidad, llamada constante elástica del muelle. Su unidad en el SI es el N/m.

Tipos de Palancas

• Primer género: Se caracterizan porque tienen el fulcro entre la fuerza motriz y la resistencia. (tijeras, pinzas de ropa)
• Segundo género: La resistencia está entre el fulcro y la fuerza motriz (cascanueces).
• Tercer género: La fuerza motriz está entre el fulcro y la resistencia (pinzas de depilar).

Ley de la Palanca

F ⋅ d_F = R ⋅ d_R

F ⋅ d_F = (m ⋅ g) ⋅ d_R (F = fuerza motriz, d_F = brazo de la fuerza motriz, R = resistencia, d_R = brazo de la resistencia)

Segunda Ley de Newton o Principio Fundamental

Establece que la resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es igual al producto de su masa por la aceleración.

F = m ⋅ a

Peso

F = P = m ⋅ g

Fuerza Elástica

F_e = -k ⋅ Δl

Fuerza Centrípeta

F_c = m ⋅ a_c --> F_c = m ⋅ v² / r --> F_c = m ⋅ ω² ⋅ r

ω = rad/s (1 vuelta = 2 ⋅ π radianes)

Fuerza de Rozamiento

F_R = μ ⋅ N // F_R (horizontal) = μ ⋅ m ⋅ g. (Por ejemplo, si te piden la velocidad al cabo de x tiempo = v = V₀ + a ⋅ t)

Plano Inclinado

P_x = P ⋅ sen α // P_y = P ⋅ cos α

Presión

Presión = fuerza / superficie (p = F / S) Se mide en pascales que es igual a N/m².

Ley Fundamental de la Hidrostática

Vamos a calcular la presión que ejerce un fluido en un punto de su interior. Para ello, consideramos una columna de líquido de altura h, igual a la profundidad del punto analizado, y cuya base tiene un área de S. Tenemos que:

• El volumen de líquido en la columna es: V = S ⋅ h.
• La masa del líquido, m, está relacionada con su volumen, V, y su densidad, d, mediante la expresión: m = V ⋅ d.

La fuerza que ejerce el líquido en la base de la columna será el peso, P, del líquido contenido en ella:

P = m ⋅ g --> P = V ⋅ d ⋅ g --> P = S ⋅ h ⋅ d ⋅ g

Para determinar la ecuación que relaciona la presión en un punto B respecto a otro punto A:

P_B - P_A = d ⋅ g ⋅ (h_B - h_A) --> Δp = d ⋅ g ⋅ h_AB (ecuación fundamental de la hidrostática).

Ley fundamental de la hidrostática: Entre dos puntos de un fluido homogéneo e incomprensible existe una diferencia de presión, Δp, igual al producto de la densidad por la aceleración de la gravedad y por la diferencia de altura entre ellos.

Principio de Pascal y sus Aplicaciones

P_A = p₀ + d ⋅ g ⋅ h, siendo p₀ la presión en la superficie libre del líquido y h la profundidad.

Se conoce como el principio de Pascal: La presión aplicada en un punto cualquiera de un fluido incomprensible se transmite sin variación a todos los puntos de este.

Aplicaciones del principio de Pascal: Prensa hidráulica. Es un dispositivo que permite multiplicar la acción de una fuerza por un factor que es la relación entre las áreas del émbolo grande y el émbolo pequeño.

P_A = P_B --> F_A / S_A = F_B / S_B /// S_A = S_B ⋅ F_A / F_B /// S_B = S_A ⋅ F_B / F_A /// F_A = S_A ⋅ F_B / S_B /// F_B = F_A ⋅ S_B / S_A

Principio de Arquímedes

Dice que todo cuerpo sumergido, parcial o totalmente, en un fluido experimenta un empuje vertical y ascendente igual al peso del fluido desalojado.