Curso de Física I

Curso de Física I
Introducción a la mecánica
Prof. Jesús Hernández Trujillo
Facultad de Química, UNAM
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 1
Campo de estudio de la Física
Definición:
La Física es la ciencia que estudia
la materia y sus interacciones
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 2
Campo de estudio de la Física
Definición:
La Física es la ciencia que estudia
la materia y sus interacciones
Abarca por ejemplo:
Quarks
Electrones
Moléculas
Objetos macroscópicos
Galaxias
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 2
Campo de estudio de la Física
Definición:
La Física es la ciencia que estudia
la materia y sus interacciones
Abarca por ejemplo:
Quarks
Electrones
Moléculas
Objetos macroscópicos
Galaxias
La Física es el estudio de la naturaleza
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 2
Ramas de la Física
Mecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánica
newtoniana).
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la Física
Mecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánica
newtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas y
magnéticas y sus efectos.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la Física
Mecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánica
newtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas y
magnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de la
materia y la interacción con sus alrededores; la conversión de
energía en un proceso.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la Física
Mecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánica
newtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas y
magnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de la
materia y la interacción con sus alrededores; la conversión de
energía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la Física
Mecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánica
newtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas y
magnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de la
materia y la interacción con sus alrededores; la conversión de
energía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Óptica: Estudio de la luz.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la Física
Mecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánica
newtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas y
magnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de la
materia y la interacción con sus alrededores; la conversión de
energía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Óptica: Estudio de la luz.
Relatividad: Estudio del movimiento de los objetos con
velocidad comparable a la de la luz
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la Física
Mecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánica
newtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas y
magnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de la
materia y la interacción con sus alrededores; la conversión de
energía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Óptica: Estudio de la luz.
Relatividad: Estudio del movimiento de los objetos con
velocidad comparable a la de la luz
Mecánica cuántica: Estudio de los fenómenos a nivel
microscópico.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Las diferentes ramas se relacionan entre sí.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 4
Las diferentes ramas se relacionan entre sí.
La clasificación se basa en
(a) Escala
(b) Tipo de interacciones
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 4
Las diferentes ramas se relacionan entre sí.
La clasificación se basa en
(a) Escala
(b) Tipo de interacciones
Estudiaremos mecánica clásica, donde se definen
conceptos como
(a) Fuerza
(b) Trabajo
(c) Energía
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 4
Las diferentes ramas se relacionan entre sí.
La clasificación se basa en
(a) Escala
(b) Tipo de interacciones
Estudiaremos mecánica clásica, donde se definen
conceptos como
(a) Fuerza
(b) Trabajo
(c) Energía
Estos conceptos son relevantes en Química.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 4
Cinemática
Proporciona los conceptos necesarios para describir el
movimiento
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
Cinemática
Proporciona los conceptos necesarios para describir el
movimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que se
formulan las leyes de Newton
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
Cinemática
Proporciona los conceptos necesarios para describir el
movimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que se
formulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica con
la ubicación de cada punto.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
Cinemática
Proporciona los conceptos necesarios para describir el
movimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que se
formulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica con
la ubicación de cada punto.
Para lograrlo, se utiliza un sistema de coordenadas
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
Cinemática
Proporciona los conceptos necesarios para describir el
movimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que se
formulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica con
la ubicación de cada punto.
Para lograrlo, se utiliza un sistema de coordenadas
En ℜ3 (mov. en el espacio tridimensional), a cada punto se
le asocian 3 números reales llamados coordenadas.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
Cinemática
Proporciona los conceptos necesarios para describir el
movimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que se
formulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica con
la ubicación de cada punto.
Para lograrlo, se utiliza un sistema de coordenadas
En ℜ3 (mov. en el espacio tridimensional), a cada punto se
le asocian 3 números reales llamados coordenadas.
En ℜ y ℜ2 (mov. en línea recta o en un plano), a cada
punto se le asocian 1 y 2 coordenadas, respectivamente.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
Aproximación de partícula: Un objeto se ubica en un punto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 6
Aproximación de partícula: Un objeto se ubica en un punto
A veces, esta aproximación no es suficiente
(ejemplo: rotación interna)
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 6
Aproximación de partícula: Un objeto se ubica en un punto
A veces, esta aproximación no es suficiente
(ejemplo: rotación interna)
El movimiento de un objeto se representa mediante la
ecuación de una trayectoria. En ℜ3 :
r̄(t) = (x(t), y(t), z(t)) = x(t)ı̂ + y(t)̂ + z(t)k̂
t es la cuantificación del concepto de tiempo
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 6
Gráficamente:
z
r̄(t)
y
x
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 7
Velocidad: razón de cambio de
la posición respecto al tiempo:
Gráficamente:
z
v̄(t) =
dr̄(t)
dt
=
d x(t) d y(t) d z(t)
,
,
dt
dt
dt
r̄(t)
v̄(t)
y
x
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 7
Velocidad: razón de cambio de
la posición respecto al tiempo:
Gráficamente:
z
v̄(t) =
r̄(t)
v̄(t)
ā(t)
y
x
dr̄(t)
dt
=
d x(t) d y(t) d z(t)
,
,
dt
dt
dt
aceleración: razón de cambio
de la velocidad respecto al
tiempo:
d vx (t) d vy (t) d vz (t)
=
,
,
ā(t) =
dt
dt
dt
dt
2
d x(t) d2 y(t) d2 z(t)
=
,
,
2
2
dt
dt
dt2
dv̄(t)
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 7
Dinámica
Es el estudio de las causas del movimiento
El análisis se realiza mediante las leyes de Newton
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 8
Dinámica
Es el estudio de las causas del movimiento
El análisis se realiza mediante las leyes de Newton
Ejemplo:
Un objeto se mueve sobre una superficie horizontal.
¿Cuál es la causa de su movimiento?
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 8
Dinámica
Es el estudio de las causas del movimiento
El análisis se realiza mediante las leyes de Newton
Ejemplo:
Un objeto se mueve sobre una superficie horizontal.
¿Cuál es la causa de su movimiento?
Si está en reposo, ¿puede empezar a moverse por sí solo?
El objeto sólo se moverá si interactúa con los alrededores
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 8
interacción
←→
fuerza
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 9
Ejemplo:
Pelota cuesta abajo:
Pelota cuesta arriba:
Aumenta su rapidez
Disminuye su rapidez
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 10
Ejemplo:
Pelota cuesta abajo:
Pelota cuesta arriba:
Aumenta su rapidez
Disminuye su rapidez
Una fuerza actúa sobre la pelota
(la gravedad)
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 10
En el siguiente caso, no hay inclinación:
v̄
¿Cambia su rapidez?
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 11
En el siguiente caso, no hay inclinación:
v̄
¿Cambia su rapidez?
Dos casos:
1) Cambia −→ Hay fricción
2) No cambia −→ No hay fricción
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 11
En el siguiente caso, no hay inclinación:
v̄
¿Cambia su rapidez?
Dos casos:
1) Cambia −→ Hay fricción
2) No cambia −→ No hay fricción
Cuando no actúa
una fuerza, el objeto
se mueve en línea
recta
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 11
Una fuerza causa una aceleración.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 12
Una fuerza causa una aceleración.
La aceleración describe cómo cambia la velocidad.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 12
Una fuerza causa una aceleración.
La aceleración describe cómo cambia la velocidad.
Además:
La aceleración es proporcional a la
fuerza que actúa sobre el objeto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 12
Una fuerza causa una aceleración.
La aceleración describe cómo cambia la velocidad.
Además:
La aceleración es proporcional a la
fuerza que actúa sobre el objeto
La fuerza puede originarse por la combinación de
varias de ellas (fuerza resultante).
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 12
Primera ley de Newton
Ley de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo o
movimiento en línea recta tiende a permanecer
en reposo o movimiento, respectivamente
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 13
Primera ley de Newton
Ley de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo o
movimiento en línea recta tiende a permanecer
en reposo o movimiento, respectivamente
Sólo una fuerza puede cambiar el estado de movimiento de
un objeto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 13
Primera ley de Newton
Ley de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo o
movimiento en línea recta tiende a permanecer
en reposo o movimiento, respectivamente
Sólo una fuerza puede cambiar el estado de movimiento de
un objeto
Un objeto con más masa tiene más inercia (es necesaria
una fuerza más grande para cambiar su estado de
movimiento)
La masa es la medida de la inercia de un objeto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 13
Primera ley de Newton
Ley de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo o
movimiento en línea recta tiende a permanecer
en reposo o movimiento, respectivamente
Sólo una fuerza puede cambiar el estado de movimiento de
un objeto
Un objeto con más masa tiene más inercia (es necesaria
una fuerza más grande para cambiar su estado de
movimiento)
La masa es la medida de la inercia de un objeto
masa 6= peso
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 13
Segunda ley de Newton
Dado que la masa es la medida de la inercia, la masa se
resiste a la aceleración.
Es decir
La aceleración es inversamente
proporcional a la masa
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 14
Segunda ley de Newton
Dado que la masa es la medida de la inercia, la masa se
resiste a la aceleración.
Es decir
La aceleración es inversamente
proporcional a la masa
Segunda ley de Newton:
La aceleración que adquiere un objeto debido a
la acción de una fuerza resultante es directamente
proporcional a la magnitud de esa fuerza, tiene la
misma dirección , y es inversamente proporcional
a la masa del objeto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 14
aceleración ∼
fuerza resultante
masa
ā =
1
m
=
F
m
F̄
o bien:
F̄ = mā
Recuerda: ā y F̄ son cantidad vectoriales
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 15
¿Por qué estudiar física en
las carreras de química?
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 16
Aplicaciones de la física en:
Fisicoquímica
Proporciona los fundamentos físicos de la
química
Por ejemplo, en termodinámica:
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Aplicaciones de la física en:
Aplica
los
principios físicos y químicos al desarrollo, diseño
y operación de procesos
industriales
Ingeniería química
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Aplicaciones de la física en:
Biología
En la biofísica se aplican los principios físicos a la biología.
Ejemplo:
la fotosíntesis
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Ejemplos adicionales:
Metrología
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 20
Ejemplos adicionales:
Electroquímica
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 21
Ejemplos adicionales:
Electroforesis
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 22
Ejemplos adicionales:
Cristales líquidos
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 23
Ejemplos adicionales:
Microscopio de fuerza atómica
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 24
Algunas revistas técnicas:
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 25
Algunas revistas técnicas:
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 25
Algunas revistas técnicas:
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 25
Algunas revistas técnicas:
l
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 25