UNIDAD I
1.1 MAGNITUDES Y MEDIDAS
1.1.1
MAGNITUD
Es todo aquello que se puede
medir, que se puede representar por un número y que puede ser estudiado en las
ciencias experimentales (que son las que observan, miden, representan, obtienen
leyes, etc.). Para estudiar un movimiento
debemos conocer la posición, la velocidad, el tiempo, etc. Todos estos
conceptos son magnitudes. Para cada magnitud definimos una unidad. Mediante el
proceso de medida le asignamos unos valores (números) a esas unidades. La
medida es ese número acompañado de la unidad.
Magnitudes
|
Símbolo
|
Longitud
|
x
|
Masa
|
m
|
Tiempo
|
t
|
Temperatura
|
T
|
Intensidad de
corriente eléctrica
|
I,i
|
Intensidad
luminosa
|
I
|
Cantidad de
materia
|
mol
|
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1.1.2
MEDIDA
Es comparar la magnitud con otra
similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene. Para la
física y la química, en su calidad de ciencias experimentales, la medida
constituye una operación fundamental. Sus descripciones del mundo físico se
refieren a magnitudes o propiedades medibles. Las unidades, como cantidades de
referencia a efectos de comparación, forman parte de los resultados de las
medidas. Cada dato experimental se acompaña de su error o, al menos, se
escriben sus cifras de tal modo que reflejen la precisión de la correspondiente
medida.
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1.2 FUERZA Y
ENERGÍA
Conceptualmente,
energía es la capacidad para realizar un trabajo o para transferir calor; la
energía a su vez se presenta como energía calórica, energía mecánica, energía
química, energía eléctrica y energía radiante; estos tipos de energía pueden
ser además potencial o cinética. La energía potencial es la que posee una sustancia
debido a su posición espacial o composición química y la energía cinética es la
que posee una sustancia debido a su movimiento.
1.2.2 FUERZA
De modo natural,
todos los cuerpos ejercen interacciones entre sí. Al hacerlo, producen efectos
que pueden cambiar la forma de algunos o pueden moverlos o detenerlos.
La magnitud de
estas interacciones se puede medir utilizando el concepto de fuerza, la cual podemos definir así:
“Fuerza es la
interacción entre dos cuerpos, que produce cambios ya sea en la forma o en el
estado (reposo o movimiento) de ellos.”
Las leyes que rigen el
comportamiento de las fuerzas las enunció Newton y hoy se conocen como Las tres leyes de Newton y conforman
los Principios de la Dinámica.
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1.3 ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE
LOS TEJIDOS HUMANOS
El
ser humano es un organismo eucarióticas lo cual significa que tiene un núcleo
definido, a diferencia de los procarióticas que no tiene el material
hereditario encerrado en una membrada, por lo que su cromosoma esta libre en el
citoplasma. Los seres humanos están formados por muchas células ósea son
pluricelulares, las células que poseen características en común y funciones
similares tienen a unirse para formar niveles de organización bastante
complejos como los tejidos.
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1.4
LEYES DE NEWTON
Las Leyes de Newton, también
conocidas como Leyes del movimiento de Newton, son
tres principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas
planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos
al movimiento de los cuerpos. Revolucionaron los conceptos básicos de
la física y el movimiento de los cuerpos en el universo, en tanto que:
“Constituyen
los cimientos no sólo de la dinámica clásica sino también de la física clásica
en general. Aunque incluyen ciertas definiciones y en cierto sentido pueden
verse como axiomas, Newton afirmó que estaban basadas en observaciones y
experimentos cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a partir de otras
relaciones más básicas. La demostración de su validez radica en sus
predicciones… La validez de esas predicciones fue verificada en todos y cada
uno de los casos durante más de dos siglos.”
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1.5 RESISTENCIA Y ESTRUCTURA DE
LOS HUESOS
Los huesos
del esqueleto humano presentan la siguiente estructura desde fuera hacia
dentro:
a)
el borde externo
del hueso está rodeado por el periostio.
b)
Le sigue la sustancia
ósea con la sustancia cortical externa. Ésta conforma
la zona exterior fija del hueso.
c)
Siguiendo hacia
dentro en la anatomía del hueso, a continuación aparece el tejido óseo
(sustancia esponjosa).
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1.6 CONTRACCIÓN MUSCULAR
El
término "contracción" Significa "juntar",
"acortar".
La contracción
muscular siempre es un acto voluntario, que se ejecuta cuando el
hombre tiene necesidad de tomar o acercarse a un objeto o por una reacción
defensiva. En muchas ocasiones, cuando la reacción es defensiva, el acto
se reduce a la acción de los mecanismos reflejos; pero cuando la acción
muscular se realiza por el deseo o la necesidad de tomar o acercarse a objetos,
personas o por motivos de trabajo, esta actividad es dirigida y controlada por
el cerebro.
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1.7 BIOMECÁNICA DE LA MARCHA
La marcha es un
proceso de locomoción en el que el nuestro cuerpo estando de pie, se desplaza
de un lugar a otro, siendo su peso soportado de forma alternante por
ambos miembros inferiores.
Mientras el cuerpo
se desplaza sobre la pierna de soporte, la otra pierna se balancea hacia
delante como preparación para el siguiente apoyo. Uno de los pies se encuentra
siempre en el suelo y, en el período de transferencia de peso del cuerpo de la
pierna retrasada a la adelantada, existe un breve intervalo de tiempo durante
el cual ambos pies descansan sobre el suelo.
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1.8 ESTADOS
DE LA MATERIA
La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso.
Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.
La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:
Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.
La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:
- Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.
- Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.
- Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
Sin embargo, según
Eduardo J. Bottani, et. al, (Química General, pág. 93), “algunos científicos
estudiando el comportamiento de la materia en condiciones extraordinarias, muy
altas presiones y temperaturas o muy bajas temperaturas, han encontrado
comportamientos anómalos que les permitieron postular la existencia de otros
estados de agregación. Entre ellos están el plasma, fluidos supercríticos,
estados bidimensionales y estados unidimensionales.”
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1.9 LÍQUIDOS
Los líquidos, al igual que los
sólidos, tienen volumen constante.
En los líquidos las partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por esta razón
las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de
partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las
colisiones y fricciones entre ellas.
Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad.
En los líquidos el movimiento es
desordenado, pero existen asociaciones de varias partículas que, como si fueran
una, se mueven al unísono. Al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las partículas (su energía).
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1.9.1 MECÁNICA DE LOS FLUIDOS
Parte de la Física
que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de
las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica
de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la
ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones
navales y la oceanografía.
La mecánica de
fluidos puede subdividirse en dos campos principales: La estática de fluidos, o
hidrostática, que se ocupa de fluidos en reposo, y la
dinámica de fluidos, que trata de fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de
los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es
esencialmente incompresible. La aerodinámica, o
dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios
de velocidad y presión son suficientemente grandes para que sea necesario
incluir los efectos de compresibilidad.
Entre las
aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas,
los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la
utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.
CONCEPTOS INHERENTES
Fluido: sustancia
capaz de fluir, el término comprende líquidos y gases.
Volumen (V): En matemáticas, medida del espacio ocupado por un
cuerpo sólido. El volumen se mide en unidades cúbicas, como metros cúbicos o
centímetros cúbicos en el sistema métrico decimal de pesos y medidas. El
volumen también se expresa a veces en unidades de medida de líquidos, como
litros:
1 ls
= 1 dm³
Densidad (δ ): relación entre la masa (m) y
el volumen que ocupa.
δ =
m/V [kg/m³; g/cm³]
Peso específico (ρ): relación entre el peso (P) y
el volumen que ocupa.
ρ = P/V [N/m³;
kg/m³; gr/cm³]
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1.9.2 LEY DE STOKES
El movimiento de un cuerpo en un
medio viscoso es influenciado por la acción de una fuerza viscosa, Fv,
proporcional a la velocidad, v, es definida por la relación Fv = bv,
conocida como Ley de Stokes. En el caso de esferas en velocidades bajas Fv =
6pηrv, siendo r el radio de la esfera y η el coeficiente de viscosidad del
medio. Si una esfera de densidad mayor que la de un líquido fuese soltada en la
superficie del mismo, en el instante inicial la velocidad es cero, pero la
fuerza resultante acelera la esfera de forma que su velocidad va aumentando
pero de forma NO uniforme.
Se puede verificar
que la velocidad aumenta no uniformemente con el tiempo pero alcanza un valor límite,
que ocurre cuando la fuerza resultante fuese nula. Las tres fuerzas que actúan
sobre la esfera están representadas en la figura 1 y son además e la fuerza
viscosa, el peso de la esfera, P y el empuje, E. Igualando la resultante de
esas tres fuerzas a cero obtenemos la velocidad límite VL.
Donde ρ y ρ’
son las densidades de la esfera y del medio respectivamente y g es la
aceleración de la gravedad (9,81 cm s-2).
Fuerzas que actúan en una esfera en un medio viscoso.
1.9.3 ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS O HIDROSTÁTICA
Una
característica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza
ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas direcciones.
Si las fuerzas fueran desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección
de la fuerza resultante.
De ello se
deduce que la fuerza por unidad de superficie (Presión) que el fluido ejerce
contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es
perpendicular a la pared en cada punto. Si la presión no fuera perpendicular,
la fuerza tendría una componente tangencial no equilibrada y el fluido se
movería a lo largo de la pared. Este concepto se conoce como principio de
Pascal.
Todos los líquidos
pesan, por ello cuando están contenidas en un recipiente las capas superiores
oprimen a las inferiores, generándose una presión debida al peso. La presión en
un punto determinado del líquido deberá depender entonces de la altura de la
columna de líquido que tenga por encima de él.
La hidrostática o estática de los
fluidos tiene muchas aplicaciones prácticas: la Torre Eiffel, en la fotografía,
descansa sobre 16 pistones de prensas hidráulicas.
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1.9.4 PRINCIPIOS DE PASCAL Y
ARQUÍMIDES
1.9.4.1 PRINCIPIOS DE PASCAL
La presión aplicada a un fluido
contenido en un recipiente se transmite íntegramente a toda porción de dicho
fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene, siempre que se puedan
despreciar las diferencias de presión debidas al peso del fluido. Este
principio tiene aplicaciones muy importantes en hidráulica.
1.9.4.2 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
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