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Curso de Física I
Introducción a la mecánica
Prof. Jesús Hernández TrujilloFacultad de Química, UNAM
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 1
Campo de estudio de la FísicaDefinición:
La Física es la ciencia que estudiala materia y sus interacciones
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 2
Campo de estudio de la FísicaDefinición:
La Física es la ciencia que estudiala 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 FísicaDefinición:
La Física es la ciencia que estudiala 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 FísicaMecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánicanewtoniana).
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la FísicaMecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánicanewtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas ymagnéticas y sus efectos.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la FísicaMecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánicanewtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas ymagnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de lamateria y la interacción con sus alrededores; la conversión deenergía en un proceso.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la FísicaMecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánicanewtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas ymagnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de lamateria y la interacción con sus alrededores; la conversión deenergía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la FísicaMecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánicanewtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas ymagnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de lamateria y la interacción con sus alrededores; la conversión deenergía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Óptica: Estudio de la luz.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la FísicaMecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánicanewtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas ymagnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de lamateria y la interacción con sus alrededores; la conversión deenergía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Óptica: Estudio de la luz.
Relatividad: Estudio del movimiento de los objetos convelocidad comparable a la de la luz
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 3
Ramas de la FísicaMecánica clásica: Estudio del movimiento de un objeto
material y de las interacciones que lo originan. (mecánicanewtoniana).
Electromagnetismo: Estudio de las fuerzas eléctricas ymagnéticas y sus efectos.
Termodinámica: Estudio de las propiedades generales de lamateria y la interacción con sus alrededores; la conversión deenergía en un proceso.
Acústica: Estudio del sonido.
Óptica: Estudio de la luz.
Relatividad: Estudio del movimiento de los objetos convelocidad comparable a la de la luz
Mecánica cuántica: Estudio de los fenómenos a nivelmicroscópico.
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 definenconceptos 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 definenconceptos como
(a) Fuerza(b) Trabajo(c) Energía
Estos conceptos son relevantes en Química.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 4
CinemáticaProporciona los conceptos necesarios para describir elmovimiento
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
CinemáticaProporciona los conceptos necesarios para describir elmovimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que seformulan las leyes de Newton
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
CinemáticaProporciona los conceptos necesarios para describir elmovimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que seformulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica conla ubicación de cada punto.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
CinemáticaProporciona los conceptos necesarios para describir elmovimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que seformulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica conla ubicación de cada punto.
Para lograrlo, se utiliza un sistema de coordenadas
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
CinemáticaProporciona los conceptos necesarios para describir elmovimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que seformulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica conla ubicación de cada punto.
Para lograrlo, se utiliza un sistema de coordenadas
En ℜ3 (mov. en el espacio tridimensional), a cada punto sele asocian 3 números reales llamados coordenadas.
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 5
CinemáticaProporciona los conceptos necesarios para describir elmovimiento
Las matemáticas proporcionan el lenguaje en que seformulan las leyes de Newton
La posición de un objeto en movimiento se especifica conla ubicación de cada punto.
Para lograrlo, se utiliza un sistema de coordenadas
En ℜ3 (mov. en el espacio tridimensional), a cada punto sele asocian 3 números reales llamados coordenadas.
En ℜ y ℜ2 (mov. en línea recta o en un plano), a cadapunto 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 laecuación de una trayectoria. En ℜ3:
r(t) = (x(t), y(t), z(t)) = x(t)ı + y(t) + z(t)k
t es la cuantificación del concepto de tiempo
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 6
Gráficamente:
x
y
z
r(t)
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 7
Gráficamente:
x
y
z
r(t)
v(t)
v(t) =dr(t)
dt=
(
dx(t)
dt,d y(t)
dt,d z(t)
dt
)
Velocidad : razón de cambio dela posición respecto al tiempo:
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 7
Gráficamente:
x
y
z
r(t)
v(t)a(t)
v(t) =dr(t)
dt=
(
dx(t)
dt,d y(t)
dt,d z(t)
dt
)
Velocidad : razón de cambio dela posición respecto al tiempo:
aceleración : razón de cambiode la velocidad respecto altiempo:
a(t) =dv(t)
dt=
(
d vx(t)
dt,d vy(t)
dt,d vz(t)
dt
)
=
(
d2 x(t)
dt2,d2 y(t)
dt2,d2 z(t)
dt2
)
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 7
DinámicaEs el estudio de las causas del movimiento
El análisis se realiza mediante las leyes de Newton
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 8
DinámicaEs 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
DinámicaEs 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:
Aumenta su rapidez
Pelota cuesta arriba:
Disminuye su rapidez
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 10
Ejemplo:
Pelota cuesta abajo:
Aumenta su rapidez
Pelota cuesta arriba:
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:
v
¿Cambia su rapidez?
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 11
En el siguiente caso, no hay inclinación:
v
¿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:
v
¿Cambia su rapidez?
Dos casos:
1) Cambia −→ Hay fricción
2) No cambia −→ No hay fricción Cuando no actúauna fuerza, el objetose mueve en línearecta
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 lafuerza 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 lafuerza que actúa sobre el objeto
La fuerza puede originarse por la combinación devarias de ellas (fuerza resultante).
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 12
Primera ley de NewtonLey de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo omovimiento en línea recta tiende a permaneceren reposo o movimiento, respectivamente
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 13
Primera ley de NewtonLey de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo omovimiento en línea recta tiende a permaneceren reposo o movimiento, respectivamente
Sólo una fuerza puede cambiar el estado de movimiento deun objeto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 13
Primera ley de NewtonLey de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo omovimiento en línea recta tiende a permaneceren reposo o movimiento, respectivamente
Sólo una fuerza puede cambiar el estado de movimiento deun objeto
Un objeto con más masa tiene más inercia (es necesariauna fuerza más grande para cambiar su estado demovimiento)
La masa es la medida de la inercia de un objeto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 13
Primera ley de NewtonLey de inercia:
Un cuerpo que se encuentra en reposo omovimiento en línea recta tiende a permaneceren reposo o movimiento, respectivamente
Sólo una fuerza puede cambiar el estado de movimiento deun objeto
Un objeto con más masa tiene más inercia (es necesariauna fuerza más grande para cambiar su estado demovimiento)
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 NewtonDado que la masa es la medida de la inercia, la masa seresiste a la aceleración.
Es decir
La aceleración es inversamenteproporcional a la masa
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 14
Segunda ley de NewtonDado que la masa es la medida de la inercia, la masa seresiste a la aceleración.
Es decir
La aceleración es inversamenteproporcional a la masa
Segunda ley de Newton:
La aceleración que adquiere un objeto debido ala acción de una fuerza resultante es directamenteproporcional a la magnitud de esa fuerza, tiene lamisma dirección , y es inversamente proporcionala la masa del objeto
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 14
aceleración ∼fuerza resultante
masa=
F
m
a =
(
1
m
)
F
o bien:
F = ma
Recuerda: a y F son cantidad vectoriales
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 15
¿Por qué estudiar física enlas carreras de química?
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 16
Aplicaciones de la física en:
Fisicoquímica Proporciona los fundamentos físicos de laquímicaPor ejemplo, en termodinámica:
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 17
Aplicaciones de la física en:
Ingeniería química Aplica losprincipios físicos y quími-cos al desarrollo, diseñoy operación de procesosindustriales
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 18
Aplicaciones de la física en:
Biología
En la biofísica se aplican los principios físicos a la biología.
Ejemplo: la fotosíntesis
Introducción a la mecánica/Jesús HT– p. 19
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