Física para todos

TEMAS QUE SE VERÁN EN ESTE APARTADO:

1.-ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

2.-ELASTICIDAD

3.-HIDROSTÀTICA

4.-PRESIÓN

5.-PRESIÓN HIDROSTÀTICA

6.-PRENSA HIDRÁULICA

7.-DENSIDAD Y PESO ESPECIFICO

8.-EMPUJE

1.-ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

¿QUE SON LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN?

¿PARA QUE SIRVEN?

¿CUAL ES SU FUNCIÓN?

ESTADO SOLIDO, LIQUIDO, GASEOSO Y PLASMÁTICO.

¿QUE SON LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN?

En física y química se observa que, para cualquier sustancia o mezcla, modificando sus condiciones de temperatura o presión , pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.

Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes; los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, llamados fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática.

También son posibles otros estados que no se producen de forma natural en nuestro entorno, por ejemplo:condensado de condensado de Bose-Einstein, condensado fermiònico y estrellas de neutrones. Se cree que también son posibles otros, como el plasma de quark-gluón.

BUENO YA HABIENDO DEFINIDO LO QUE SON LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN ES NECESARIO DEFINIR CADA ESTADO COMENCEMOS:

ESTADO SÓLIDO

Los objetos en estado sólido se presentan como cuerpos de forma definida; sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras estrechas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son calificados generalmente como duros así como resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión.

En los sólidos cristalinos, la presencia de espacios intermoleculares pequeños da paso a la intervención de las fuerzas de enlace, que ubican a las celdillas en formas geométricas. En los amorfos o vítreos, por el contrario, las partículas que los constituyen carecen de una estructura ordenada.

Las sustancias en estado sólido suelen presentar algunas de las siguientes características:

Cohesión elevada.

Tienen una forma definida y memoria de forma, presentando fuerzas elásticas restitutivas si se deforman fuera de su configuración original.
A efectos prácticos son incompresibles.
Resistencia a la fragmentación.
Fluidez muy baja o nula.
Algunos de ellos se subliman.

ESTADO LIQUIDO

Si se incrementa la temperatura de un sólido, este va perdiendo forma hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:

Cohesión menor.
Poseen movimiento de energía cinética.
Son fluidos, no poseen forma definida, ni memoria de forma por lo que toman la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.
En el frío se contrae (exceptuando el agua).
Posee fluidez a través de pequeños orificios.
Puede presentar difusión.
Son poco compresibles.

ESTADO GASEOSO

Se denomina gas al estado de agregación de la materia compuesto principalmente por moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, lo que hace que los gases no tengan volumen y forma definida, y se expandan libremente hasta llenar el recipiente que los contiene. Su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos, y las fuerzas gravitatorias y de atracción entre sus moléculas resultan insignificantes. En algunos diccionarios el término gas es considerado como sinónimo de vapor, aunque no hay que confundir sus conceptos: vapor se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante.

Dependiendo de sus contenidos de energía o de las fuerzas que actúan, la materia puede estar en un estado o en otro diferente: se ha hablado durante la historia, de un gas ideal o de un sólido cristalino perfecto, pero ambos son modelos límites ideales y, por tanto, no tienen existencia real.^{[cita requerida]}

En los gases reales no existe un desorden total y absoluto, aunque sí un desorden más o menos grande.

En un gas, las moléculas están en estado de caos y muestran poca respuesta a la gravedad. Se mueven tan rápidamente que se liberan unas de otras. Ocupan entonces un volumen mucho mayor que en los otros estados porque dejan espacios libres intermedios y están enormemente separadas unas de otras. Por eso es tan fácil comprimir un gas, lo que significa, en este caso, disminuir la distancia entre moléculas. El gas carece de forma y de volumen, porque se comprende que donde tenga espacio libre allí irán sus moléculas errantes y el gas se expandirá hasta llenar por completo cualquier recipiente.

El estado gaseoso presenta las siguientes características:

Cohesión casi nula.
No tienen forma definida.
Su volumen es variable

ESTADO PLASMÁTICO

El plasma es un gas ionizado, es decir que los átomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por aniones y cationes (iones con carga negativa y positiva, respectivamente), separados entre sí y libres, por eso es un excelente conductor. Un ejemplo muy claro es el Sol.

En la baja Atmósfera terrestre, cualquier átomo que pierde un electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida) se dice que está ionizado. Pero a altas temperaturas es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos, (ley de los gases ideales) y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente violentas para liberar los electrones. En la atmósfera solar, una gran parte de los átomos están permanentemente «ionizados» por estas colisiones y el gas se comporta como un plasma.

A diferencia de los gases fríos (por ejemplo, el aire a temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos magnéticos. La lámpara fluorescente, contiene plasma (su componente principal es vapor de mercurio) que calienta y agita la electricidad, mediante la línea de fuerza a la que está conectada la lámpara.

La línea, positivo eléctricamente un extremo y negativo, causa que los iones positivos se aceleren hacia el extremo negativo, y que los electrones negativos vayan hacia el extremo positivo. Las partículas aceleradas ganan energía, colisionan con los átomos, expulsan electrones adicionales y mantienen el plasma, aunque se recombinen partículas. Las colisiones también hacen que los átomos emitan luz y esta forma de luz es más eficiente que las lámparas tradicionales. Los letreros de neón y las luces urbanas funcionan por un principio similar y también se usaron en electrónicas.

Propiedades del plasma: Hay que decir que hay 2 tipos de plasma, fríos y calientes:

En los plasmas fríos, los átomos se encuentran a temperatura ambiente y son los electrones los que se aceleran hasta alcanzar una temperatura de 5000 °C. Pero como los iones, que son muchísimo más masivos, están a temperatura ambiente, no queman al tocarlos.

En los plasmas calientes, la ionización se produce por los choques de los átomos entre sí. Lo que hace es calentar un gas mucho y por los propios choques de los átomos entre sí se ionizan. Estos mismos átomos ionizados también capturan electrones y en ese proceso se genera luz (por eso el Sol brilla, y brilla el fuego, y brillan los plasmas de los laboratorios).

ELASTICIDAD

En física el término elasticidad designa la propiedad

mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.

La elasticidad, es una propiedad mecánica de los sistemas, decimos que un material es elástico cuando al aplicarle una fuerza, se deforma, y, al dejar de aplicar la fuerza, vuelve a su forma original.

Los materiales que al ser deformados y dejar de aplicar la fuerza, no vuelven a su forma original, se llaman inelásticos o plásticos.

Son materiales elásticos, un resorte, una gomita elástica, la piel, los músculos, entre otros.

Materiales plásticos, son por ejemplo un chicle, plastilina, cemento...

Todos los materiales elásticos tienen un límite de elasticidad, lo cual significa que si aplicamos una fuerza mayor al límite de elasticidad, el material queda deformado o se rompe.

Las partículas se mantienen unidas por fuerzas de atracción entre ellas, las que hacen que al separarlas vuelvan a su lugar, pero si las separamos demasiado, éstas fuerzas no son suficientes para volver a unirlas. El límite elasticidad depende de cada material.

La elasticidad es estudiada por la teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas exteriores.

La elasticidad es estudiada por la teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas exteriores.

La elasticidad es estudiada por la teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas exteriores.

La elasticidad es estudiada por la teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas exteriores.

La elasticidad es estudiada por la teoría de la elasticidad, que a su vez es parte de la mecánica de sólidos deformables. La teoría de la elasticidad (TE) como la mecánica de sólidos (MS) deformables describe cómo un sólido (o fluido totalmente confinado) se mueve y deforma como respuesta a fuerzas exteriores.

problemas:

HIDROSTÀTICA

La hidrostática o estática de fluidos es la parte de la física que estudia los fluidos en reposo.

Se denominan fluidos los cuerpos que no tienen forma propia, sino que se adaptan a la forma de la vasija que los contiene, son líquidos o gases.

Los líquidos tiene forma variable, volumen constante, son poco compresibles, y ejercen, a causa de su peso, presiones sobre las paredes del recipiente que los contienen.

Se deforman con facilidad y su superficie libre tiene forma definida. Los gases no tienen volumen constante y son fácilmente compresibles.

La hidrostática es la rama de la mecánica de "TIERRA" o de la hidráulica que estudia los fluidos incompresibles en estado de equilibrio

PRESIÓN

La presión (símbolo p) es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando uniformemente en un metro cuadrado (m²). En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi) que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

PRESIÓN HIDROSTÀTICA

La presión en un fluido es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido, en algunos casos especiales esta presión coincide con la presión media o incluso con la presión hidrostática. Todas las presiones representan una medida de la energía potencial por unidad de volumen en un fluido. Para definir con mayor propiedad el concepto de presión en un fluido se distinguen habitualmente varias formas de medir la presión:

La presión media, o promedio de las presiones según diferentes direcciones en un fluido, cuando el fluido está en reposo esta presión media coincide con la presión hidrostática.
La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este. Se define por la fórmula

donde

es la presión hidrostática,

es el peso específico y

profundidad bajo la superficie del fluido.
La presión hidrodinámica es la presión termodinámica dependiente de la dirección considerada alrededor de un punto que dependerá además del peso del fluido, el estado de movimiento del mismo.

PROBLEMAS DE PRESIÓN HIDROSTÀTICA

PRENSA HIDRÁULICA

La prensa hidráulica es un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferentes áreas que, mediante una pequeña fuerza sobre el pistón de menor área, permite obtener una fuerza mayor en el pistón de mayor área. Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores.

El rendimiento de la prensa hidráulica guarda similitudes con el de la palanca, pues se obtienen fuerzas mayores que las ejercidas pero se aminora la velocidad y la longitud de desplazamiento, en similar proporción.En el siglo XVII, en Francia, el matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente al principio mediante el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad en todas direcciones. Gracias a este principio se pueden obtener fuerzas muy grandes utilizando otras relativamente pequeñas. Uno de los aparatos más comunes para alcanzar lo anteriormente mencionado es la prensa hidráulica, la cual está basada en el principio de Pascal.

Experimenta y Aprende

S1 (m2) = 2.00

S2 (m2) = 1.00

F2 (N) = 0.00

F1 = 0.00 N

Prensa hidráulica

En la figura se muestra una prensa hidráulica. Arrastra el deslizador para cambiar el valor de la fuerza que se aplica en el émbolo pequeño (F2) y observa como se crea una fuerza (F1) de mayor intesidad en el émbolo de mayor superficie.

Si arrastras los deslizadores de ambas superficies puedes ver como cambia el valor de F1. Si haces que el émbolo sobre el que se aplica la fuerza F2, sea mayor que el embolo de F1, obtendremos el efecto contrario, es decir una fuerza de menor intensidad.

Comprueba en cualquier caso, que:

F 1 = F 2 \cdot S 1 S 2

DENSIDAD Y PESO ESPECIFICO

DENSIDAD:

La densidad, es una de las propiedades más características de cada sustancia.

Es a masa de la unidad de volumen.

Se obtiene dividiendo una masa conocida de la sustancia entre el volumen que ocupa.

Llamando m a la masa, y v al volumen, la densidad, d, vale:

d= m/v.

Unidades.

En el Sistema Internacional la unidad de densidad es el kg (Unidad de masa) entre el m3 (unidad de volumen). Es decir, el kg/cm3

Sin embargo es muy frecuente expresar la densidad en g/cm3 (Unidad cegesimal).

PESO ESPECÍFICO.

El peso específico de una sustancia es el peso de la unidad de volumen.

Se obtiene dividiendo un peso conocido de la sustancia entre el volumen que ocupa.

Llamando p al peso y v al volumen, el peso específico, Pc, vale:

Pc= p/v

Unidades.

Sistema Internacional.

La unidad de peso específico es el N/m3; es decir, el newton (Unidad de fuerza y, por tanto, de peso) entre el m3 (Unidad de volumen).

Sistema Técnico.

Se emplean el kp/m3 y el kp/dm3.

Sistema Cegesimal.

Se utilizaría la dina/cm3, que corresponde a la unidad del sistema internacional.

RELACIÓN ENTRE EL PESO ESPECÍFICO Y LA DENSIDAD.

El peso específico y la densidad son evidentemente magnitudes distintas como se ha podido comparar a través de las deficiniones que se dieron en la parte de arriba, pero entre ellas hay una íntima relación, que se va a describir a continuación.

Se recordará que el peso de un cuerpo es igual a su masa por la aceleración de la gravedad:

P= m . g

Pues bien, sustituyendo esta expresión en la definición del peso específico y recordando que la densidad es la razon m/V, queda:

Pe= p/v= m.g /V = m/V . g = d.g

El peso específico de una sustancia es igual a su densidad por la aceleración de la gravedad.

Como hemos mencionado las unidades, la unidad clásica de densidad (g/cm3) tiene la ventaja de ser un número pequeño y fácil de utilizar.

Lo mismo puede decirse del kp/cm3 como unidad de peso específico, con la ventaja de que numéricamente, coinciden la densidad expresada en g/cm3 con el peso específico expresado en kp/dm3.

VALORES DE DENSIDADES.

Aluminio:

Densidad (kg/m3): 2698,4; (20 ºC)

Plástico:

Densidad (0,910 g/cc) plástico.

Polietileno:

El polietileno, un plástico más común, se recalienta a .160°C de los mas livianos con una densidad de 0,905 gr.

Vidrio:

Densidad= 650 °C (1200 °F).

PROBLEMAS

Ejemplos de ejercicios

Ejemplos de ejercicios:

1.- 0.5 kg de alcohol etílico ocupan un volumen de 0.633 cm3. Calcular su densidad y peso específico.

Datos:

M = 0.5kg P = m/V Pe = pg

V = 0.633 cm3 P = 0.5 kg/ 6.33*10-7 m3 Pe = (789889.41 kg/ m3)(9.81 m/s2)

= 6.33*10-7 m3 P = 789889.41 kg/ m3 Pe = 7748815.11 nw/ m3

2.- ¿Cuántos m3 ocuparán 1000 kg de aceite de linaza, si este tiene una densidad de 940 kg/ m3?

Datos:

M = 1000kg P = m/V

P = 940 kg/m3 V = m / p

V = ? V= 1000kg / 940 kg/m3

V = 1.063 m3

3.- Determine la masa de un cubo de 5 cm de arista si el material con que está construido es de cobre.

Datos:

V = 5cm = 0.05 m P = m/V

V = 1.25x10-4 M = pv

P = 8960kg/m3 M = (8960kg/m3)(1.25x10-4)

M = ? M = 1.12 kg/m3

4.- Un objeto tiene una masa de 128.5 kg y un volumen de 3.25 m3
a) ¿Cuál es su densidad?
b) ¿Cuál es su peso específico?

Datos:

M = 128.5kg P = m/v Pe = pg

V = 3.25m3 P = 128.5kg / 3.25 m3 Pe = (39.53kg/m3)(9.81m/s2)

P = ? P = 39.53 kg/m3 Pe= 387.78 Nw/m3

Pe = ?

5.- Un objeto tiene una masa de 2190 kg.
a) ¿Cuál es el peso del objeto?
b) Si el volumen que ocupó es de 0.75 m3, ¿Cuál es su peso específico?

Datos:

M = 2190kg W = mg Pe = w/v

W = ? W= (2190kg)(9.81m/s2) Pe = 21483.9Nw/0.7m3

Pe = ? W= 21483.9 Nw Pe = 28045.2 Nw/m3

V = 0.75m3

EMPUJE:

El empuje es una fuerza de reacción descrita cuantitativamente por la tercera ley de Newton. Cuando un sistema expele o acelera masa en una dirección (acción), la masa acelerada causará una fuerza igual en dirección contraria (reacción). Matemáticamente esto significa que la fuerza total experimentada por un sistema se acelera con una masa m que es igual y opuesto a m veces la aceleración a, experimentada por la masa:

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esta fuerza1 recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SI). El principio de Arquímedes se formula así:

o bien:

donde E es el empuje, ρf es la densidad del fluido, V el «volumen de fluido desplazado» por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa. De este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales y descrito de modo simplificado ) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.