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TRATADO DE FÍSICA GENERAL ÍNDICE TEMÁTICO GENERAL Realidad - Materia Y Forma Macromundo Y Micromundo 1 4 MECÁNICA Cuerpos Fuerzas Principio de superposición de acciones Principio de acción y reacción Principio de inercia Conceptos de Cinemática y Dinámica de Partículas Algo sobre vectores Posición, Trayectoria, Velocidad Acción, Cantidad de movimiento, Fuerza e Impulso Aceleración 6 6 6 7 9 10 10 10 13 16 17 Estudio general del movimiento de una partícula El valor intrínseco de la representación vectorial En la montaña rusa Triedro intrínseco o triedro de Frenet Curvatura Ejemplo de curvas en el espacio Hélice Cicloides Curvaturas de la hélice Componentes tangencial y normal de la aceleración Ecuaciones del movimiento de una partícula 18 19 19 20 21 Movimiento de un cuerpo rígido Rotaciones Movimiento general del cuerpo rígido Movimiento variado general de un cuerpo rígido Movimiento relativo Teorema de adición de velocidades Velocidad de arrastre En la calesita Aceleración en el movimiento relativo Aceleración de Coriolis Solución de un problema numérico Efectos de las fuerzas de Coriolis Deriva de proyectiles – Vientos y corrientes marinas 28 29 30 32 32 33 34 34 35 35 37 22 23 24 25 27 37 Aplicación de números complejos al cálculo del movimiento plano 38 DINÁMICA Fuerza Masa Cantidad de movimiento Interacción de la materia Ley de conservación de la cantidad de movimiento Interacción entre cuerpos Centro de gravedad de un sistema de masas Acciones de las fuerzas Fuerzas exteriores e interiores a un sistema de masas Jugando al billar – Primera parte Efectos de las fuerzas Trabajo de una fuerza Energía de un sistema Tipos de energía Energía cinética - Teorema de la fuerza viva Energía potencial Sistemas de fuerzas conservativas Sistemas de fuerzas NO conservativas Principio de conservación de la energía Calor y Termodinámica Jugando al billar – Segunda parte Choque elástico y plástico Coeficiente de restitución Choque elástico Choque oblicuo Choque plástico 39 39 39 39 39 39 40 40 41 Mecánica de los cuerpos rígidos Concepto de cuerpo rígido Centro de masa de los cuerpos rígidos. Fuerza viva de los cuerpos rígidos Momento de inercia Cálculo del momento de inercia Crónicas del CNBA Cuerpos rígidos sometidos a fuerzas Resultante de un conjunto de fuerzas aplicadas a un cuerpo rígido Problema general en el espacio 53 53 54 55 55 56 56 57 41 41 42 43 43 44 44 45 45 46 47 49 50 50 51 52 53 58 58 Problema en el plano Método del polígono funicular Justificación del método del polígono funicular Momento de una fuerza con respecto a un punto Casos en que el momento de una fuerza con respecto a un punto es nulo Momento y Trabajo Momento de un sistema de fuerzas Momento de una cupla Composición de fuerzas paralelas aplicadas al cuerpo rígido Fuerzas concentradas y distribuídas 59 59 60 61 Gravedad Peso Centro de gravedad Ley de la gravedad Gravedad en la superficie de un cuerpo Alcance de la ley de gravitación Fuerzas a distancia – Campo y potencial gravitatorio Campo gravitatorio Teorema de Gauss Gravedad en acción Caída de los cuerpos – Masa inercial y gravitatoria Péndulo Péndulo matemático Fenómenos Giroscópicos Balanza Experiencia para determinar kG El problema del tiro Tiro en el vacío Tiro en el seno de un fluído En torno a la gravedad Transitando por la gravedad Escapando de la gravedad Energía asociada a la gravedad 67 67 68 68 70 71 71 72 73 73 74 74 77 79 82 83 85 85 86 88 89 91 93 61 61 62 63 64 65 PRINCIPIOS DE ESTÁTICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES Equilibrio del cuerpo rígido sometido a fuerzas 95 Estabilidad de sistemas cargados 96 Estática 96 Vínculos 96 Grados de libertad 97 Principio de los trabajos virtuales 99 Rozamiento Rozamiento de deslizamiento Caída por un plano inclinado Rozamiento entre muñón y cojinete sin lubricación Rozamiento de rodadura Trabajo de las fuerzas de rozamiento Equilibrio de cuerpos elásticos sometidos a esfuerzos Caso de cargas distribuídas Deformación de la materia debida a esfuerzos Ensayos de materiales Ley de Hooke Flexión Deformación del eje de una viga sometida a flexión. Línea elástica. Flecha máxima Corte Torsión MECÁNICA DE LOS FLUÍDOS Fluídos Generalidades Hidrostática Presión en un punto de una masa fluída Teorema general de la hidrostática Vasos comunicantes Principio de Arquímedes Cuerpos flotantes Estabilidad de cuerpos flotantes - Metacentro Algunas consecuencias del teorema general de la hidrostática Algunas máquinas hidráulicas Balanza hidrostática de Mohr Neumostática Gases – generalidades Ecuación de estado de gases ideales Termómetros absolutos La teoría cinética de los gases Presión sobre las paredes del recipiente Energía cinética media de las moléculas Distribución de las velocidades Modelo de Boltzmann – Estado y complexión Deducción de la ley de distribución de velocidades Relación entre velocidades estadísticas y temperatura 100 100 101 102 103 103 105 107 108 108 109 110 111 113 114 115 115 116 116 116 118 119 119 119 120 121 122 123 123 123 123 125 125 126 127 129 131 137 Generalización del concepto de gas Gases de fermiones y de bosones Gases de fermiones Distribución de Fermi-Dirac Fotones Distribución de Bose-Einstein para fotones Gases reales Fórmula de Van der Waals Presión en gases creada por campos gravitatorios o inerciales Presión atmosférica Experiencia de Torricelli Barómetros Bombas y compresores Manómetros Manómetros de tubo en U Manómetros cerrados de tubo en U Manómetros tipo Bourdon Manómetros piezoeléctricos. Sifón Equilibrio líquido-vapor CALOR Y TERMODINÁMICA Calor y Primer principio de la Termodinámica Generalidades Cantidad de calor – calor específico Calorímetro de agua Termómetro y temperatura Dilatación de los cuerpos por el calor Dilatación de los sólidos Coeficientes de dilatación lineal de algunos sólidos Dilatación de los líquidos Primer principio de la Termodinámica Trabajo Evolución isotérmica Energía interna y temperatura: Evolución a presión constante Evolución adiabática Trabajo en una evolución adiabática Evoluciones generalizadas – politrópicas Función Entalpía Trabajo de circulación Termoquímica - Calores de reacción 139 139 140 141 144 145 145 147 148 148 149 149 151 151 151 152 152 153 153 155 155 155 156 156 157 157 158 158 159 160 161 161 162 162 163 163 164 164 Segundo Principio de la Termodinámica Evoluciones: La máquina de Carnot Descripción y principio de funcionamiento de una máquina de vapor alternativa. Teorema de Carnot Ciclos reversibles – Función entropía Entropía e irreversibilidad Fluidodinámica Primer principio para sistemas abiertos Mecánica de los fluídos incompresibles (Hidrodinámica) Gasto – Ecuación de continuidad Noción de tubo de corriente Viscosidad de los fluídos Movimientos laminar y turbulento – Número de Reynolds Escurrimiento con pérdida de carga Pérdida de carga en movimiento laminar Resistencias locales Coeficiente de resistencia para movimiento turbulento Movimiento relativo entre sólido y fluído Fórmulas de Stokes y de Newton Máquinas hidráulicas Sustentación en alas Tensión Superficial en los Líquidos 194 Introducción 194 Resistencia de una membrana elástica a la deformación Tensión superficial Medición directa de la tensión superficial Equilibrio de una membrana líquida. Fórmula de Laplace Mojabilidad Capilaridad Algunas consecuencias del Segundo Principio Calor sensible y calor latente – Cambios de estado Ecuación de Clapeyron Termodinámica Química Las reacciones químicas La ecuación química. Velocidad de reacción y equilibrio. La ley de acción de las masas. 167 170 170 174 175 176 178 179 179 180 181 182 185 186 186 187 188 189 190 192 194 196 197 199 199 201 201 203 203 203 Transmisión del calor Conducción Transmisión del calor en una dimensión Conducción del calor en el espacio Convección Coeficientes de convección de algunos sistemas Pasaje de calor a través de una pared compuesta Proceso de enfriamiento o calentamiento 209 210 210 211 212 212 213 215 El tercer principio de la Termodinámica 218 Ciclos de máquinas térmicas reales Motores de combustión interna Motores a explosión Motores Diesel Máquinas frigoríficas Turbinas Turbinas de vapor Ciclo de Rankine de las Máquinas de Vapor Turbinas de gas Turbinas de retropropulsión, a chorro o “jet” Empuje en un motor a reacción 220 220 221 222 223 223 225 227 227 228 -o-o-o- PRÓLOGO ¿Era necesario otro libro de física? ¿No hay ya suficientes buenos textos con distintos niveles que cubren toda la materia? Ciertamente que sí, los hay excelentes, y creo que el presente no viene a llenar ningún vacío, salvo la necesidad personal de dejar algo escrito que trascienda a mis clases. Me movilizó también la propuesta del Padre Ignacio Marcenaro para que completara los textos de óptica y electricidad de años anteriores con los temas de la física de tercero y cuarto años. Acepté el desafío y trabajé intensamente casi dos años en este libro que abarca mecánica, calor y termodinámica. Fue una tarea ardua y a la vez agradable escribir, dibujar, revisar y modificar, tratando de hacer las cosas lo mejor posible. El resultado está en las páginas siguientes. Espero que el querido lector advierta la dedicación y cariño puestos en la obra, aproveche algún conocimiento o enseñanza y disculpe mis errores...y me los señale para corregirlos. Agradezco a autoridades y funcionarios del Colegio San Pablo que han contribuido a la edición y difusión de la obra, al Sr. Luis Millán por sus aportes bibliográficos y consejos, y a todo lector que señale errores y aporte sugerencias para futuras ediciones. Américo Luis Dini - septiembre de 2000