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Programa de “Fundamentos Físicos de la Ingeniería” Curso 2005 - 06

Titulación: Ingeniero Industrial Carácter: Troncal (13,5 créditos) Curso: Primero. Duración: Anual

1. Profesorado

El contenido anual de esta asignatura se organiza en dos partes independientes de carácter teórico-práctico desarrolladas en sendos cuatrimestres, y en prácticas de laboratorio dotadas con 1,5 créditos del total con que cuenta la asignatura. A continuación se indican los profesores que impartirán la docencia de “Fundamentos Físicos de la Ingeniería” en el curso 2005-2006 durante cada uno de los cuatrimestres, y se describen de forma breve los contenidos de la parte correspondiente estructurados en bloques temáticos:

♦ Primera parte (primer cuatrimestre): MECÁNICA

Profesores:

• D. Jaime Gutiérrez Benítez (CEU) (Responsable de la asignatura) • D. Enrique Drake Moyano (TU) • Dª. Blanca María Gómez Tubío (TU)

Bloques temáticos:

• Álgebra vectorial. • Cinemática. • Dinámica. • Estática.

♦ Segunda parte (segundo cuatrimestre)

Profesores:

• D. Joaquín Bernal Méndez (TU) • Dª. Ana María Marco Ramírez (TEU) • D. José Martínez Monasterio (PA)

Bloques temáticos:

• Oscilaciones y ondas. • Electricidad y magnetismo. • Termodinámica.

Dpto. Física Aplicada III Programa: “Fundamentos Físicos de la Ingeniería”

Ingeniero Industrial. Curso 2005-06 pg. 2/9

♦ Prácticas de laboratorio

Profesores:

• D. Jaime Gutiérrez Benítez (CEU) • D. Enrique Drake Moyano (TU) • D. Emilio Gómez González (TU). Responsable de prácticas de laboratorio. • D. Alberto Casado Rodríguez (TU) • D. Manuel Toscano Jiménez (TEU) • D. José Martínez Monasterio (PA)

2. Objetivos

“Fundamentos Físicos de la Ingeniería” es una asignatura del primer curso de la Titulación de Ingeniero Industrial del Plan de Estudios de 1998, se imparte en la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla, posee carácter troncal y duración anual. Constituye una introducción a las disciplinas científicas englobadas dentro del extenso conjunto de conocimientos que comprende la Física. Dado su carácter global, el principal objetivo es poner de manifiesto los fundamentos y aspectos generales de esta ciencia. Se pretende que el desarrollo de los contenidos indicados en este programa se lleve a cabo con el rigor y profundidad adecuados al nivel académico donde se encuentra la asignatura. Por otra parte, al impartirse en primer curso, es conveniente establecer como segundo objetivo que su desarrollo sirva para homogeneizar los conocimientos de Física de los alumnos que se disponen a iniciar la Titulación de Ingeniero Industrial.

3. Requisitos académicos El carácter homogeneizador que se pretende dar a la asignatura obliga a que el temario sea lo más auto

contenido posible. En consecuencia, no se requieren conocimientos específicos previos sobre las materias a tratar, salvo aquellos exigibles a todo alumno que haya completado la etapa preuniversitaria de su proceso de formación académica. En este sentido, puede ser conveniente que el alumno ponga al día sus conocimientos sobre Álgebra y Cálculo.

4. Criterios de evaluación CRITERIOS GENERALES 1 Como elementos fundamentales a considerar en la evaluación, se señala por un lado el grado de

conocimiento de los contenidos indicados en el temario de este programa y por otro la formación característica de la materia en cuanto a hábitos de razonamiento, métodos de cálculo, vocabulario apropiado, destreza en el análisis y resolución de problemas, aplicación correcta de las leyes de la Física y adecuado empleo del análisis dimensional y de las unidades de medida especialmente del Sistema Internacional



2 Prácticas de laboratorio. Será requisito imprescindible para superar la asignatura, haber asistido, realizado y aprobado las prácticas de laboratorio. Los alumnos aprobados obtendrán una bonificación comprendida entre 0 y 1 punto, que se aplicará al calcular la nota final de la asignatura siempre que ésta alcance el 4.5 y respetándose los mínimos estipulados mas adelante. El valor de esta bonificación será proporcional a la nota de prácticas de laboratorio, de acuerdo con la expresión: Bonificación=(NotaPrácticas-5)/5

3 Exámenes parciales. Al finalizar cada cuatrimestre se evaluará al alumno de la parte del temario

desarrollado durante este tiempo. Una vez finalizado el segundo cuatrimestre, se procederá a calificar globalmente a los alumnos que hayan superado la asignatura mediante estas pruebas parciales. La calificación de cualquiera de esas partes o de ambas, con nota mayor o igual que cinco, supondrá la superación de la materia correspondiente hasta la convocatoria de septiembre. La calificación de cualquiera de esas partes con nota mayor o igual que 4.5 puntos se guardará hasta la convocatoria de septiembre.

4 Convocatorias ordinarias. En cada convocatoria tendrá lugar un examen compuesto de dos partes,

que evaluarán respectivamente los contenidos del temario impartidos durante el primer y segundo cuatrimestre. En la convocatoria de febrero el alumno ha de examinarse obligatoriamente de las dos partes. En las de junio y septiembre el alumno podrá optar a presentarse solo a las partes donde la nota alcanzada, durante el curso que transcurre, sea inferior a 4.5 puntos. (no obstante para aprobar la asignatura es preciso alcanzar una calificación global igual o mayor que cinco). Caso de haber superado, durante el curso que transcurre y con anterioridad a la convocatoria que se celebra, alguna o ambas pruebas parciales (convocatoria de Junio y Septiembre) el alumno no tiene obligación, aunque sí derecho a presentarse a estas pruebas. Los criterios específicos de evaluación de cada parte se establecerán a continuación. En ningún caso se guardará la nota de una de las partes del examen de la convocatoria de Junio para Septiembre.

5 Calificación global. Cuando la nota del alumno en cualquiera de las dos partes del temario

señaladas anteriormente, sea inferior a 4.5 puntos ó no hubiese aprobado las prácticas de laboratorio, la calificación global será suspenso y se le asignará la menor de las notas numéricas obtenidas. En el caso de merecer 4.5 ó más puntos en cada una de las dos partes indicadas en el temario y haber aprobado las prácticas de laboratorio, la calificación global será la media aritmética de las referidas partes mas la contribución de las prácticas (la asignatura se considerará superada cuando se alcance al menos cinco puntos). Este método para obtener la calificación global, comprendida entre 0 y 10 puntos, se aplicará cuando se trate de obtener la nota final, ya sea en convocatorias ordinarias, extraordinarias o por parciales.

CRITERIOS ESPECÍFICOS

♦ Primera parte: MECÁNICA

• El examen se puntuará desde cero a diez y constará de diversos ejercicios ó cuestiones teórico-prácticas.

• En el propio enunciado de cada ejercicio de teoría, cuestión y/o problema se asignará su valoración numérica.

• En cada examen podrá incluirse un ejercicio de tipo “test”, compuesto por preguntas y respuestas múltiples. La valoración se obtendrá sumando los puntos debidos a los aciertos y descontando los erróneos.

• En cada ejercicio del examen, se podrá incluir algún apartado de carácter elemental cuya completa superación, sea imprescindible para obtener puntuación en dicho ejercicio.

• La calificación de esta primera parte será la suma de las notas alcanzadas en cada ejercicio.



♦ Segunda parte

• El examen constará de ejercicios de teoría (puntuación de 0 a 5 puntos) y de problemas (puntuación de 0 a 5 puntos).

• Para superar esta prueba, será imprescindible obtener al menos, un punto en el conjunto de ejercicios de teoría y otro punto en los ejercicios prácticos ó de problemas.

• Calificación. Si el alumno alcanza las dos notas mínimas indicadas en el apartado anterior su calificación será la suma de las notas de cada uno de los ejercicios. Cuando el alumno no obtenga alguna de las referidas notas mínimas, su calificación será suspenso y su nota numérica la menor entre las de teoría y problemas.

♦ Prácticas de laboratorio • La calificación tendrá una puntuación de cero a diez puntos y se distinguirá entre los alumnos

monitores y el resto. • La evaluación de los alumnos monitores se efectuará atendiendo a las aptitudes mostradas en el

desarrollo de las sesiones y a las memorias de las tres prácticas que hayan realizado. • Los alumnos no monitores se calificarán atendiendo a la memoria de la práctica de la primera

sesión (0 a 2 puntos) y al examen final de prácticas (0 a 8 puntos). Éste versará sobre una práctica realizada por el alumno en cualquiera de las sesiones.

5. Metodología Docente

6. Programa

Temas de la primera parte (primer cuatrimestre)

MECÁNICA

0. ELEMENTOS DE METROLOGÍA1

Introducción. Magnitudes físicas y su medida. Definición directa e indirecta. Teoría de errores. Análisis dimensional. Sistemas de unidades. Sistema Internacional de unidades.

ÁLGEBRA VECTORIAL 1. VECTORES LIBRES EN E3

Magnitudes escalares y vectoriales. Definiciones: Equipolencia, Estructura de espacio vectorial. Producto escalar o interno. Producto vectorial o externo. Producto mixto. Componentes cartesianas de un vector. Doble producto vectorial. Producto escalar de dos productos vectoriales. Aplicaciones.

2. VECTORES DESLIZANTES

Introducción. Definiciones. Momentos. Sistema de vectores deslizantes: Resultante del sistema, Momentos, Invariantes, Eje central, Distribución del momento, Casos particulares. Equivalencia de

1 Se impartirá en las sesiones de Prácticas de Laboratorio



sistemas: Definición, Reducción de sistemas, Reducción canónica, Caso de invariante escalar nulo. Campo equiproyectivo.

3. VECTORES LIGADOS Definiciones. Virial respecto a un punto. Sistema de vectores ligados: Virial resultante. Equivalencia de sistemas. Sistemas de vectores paralelos ligados. Centro del sistema: aplicación al calculo de centros de gravedad.

CINEMÁTICA 4. CINEMÁTICA DEL PUNTO

Introducción. Trayectoria. Velocidad. Aceleración. Triedro intrínseco: Fórmulas de Frenet. Componentes intrínsecas de la velocidad y de la aceleración. Movimientos elementales: rectilíneo, circular, central, oscilatorio armónico; movimiento de un punto sobre una espiral logarítmica, oscilatorio amortiguado, helicoidal uniforme.

5. CINEMÁTICA DEL SÓLIDO INDEFORMABLE

Introducción. Condición cinemática de rigidez. Movimientos elementales: traslación y rotación. Movimiento helicoidal tangente. Axoides. Velocidad y aceleración en un sólido rígido.

6. MOVIMIENTO RELATIVO

Movimiento de un triedro. Composición de velocidades angulares. Composición de velocidades. Composición de aceleraciones angulares. Composición de aceleraciones. Teorema de Coriolis. Movimiento de sólidos materiales en contacto. Cadenas cinemáticas de varios sólidos: aplicaciones

7. MOVIMIENTO PLANO Definiciones y propiedades. Centro instantáneo de rotación. Movimiento del C.I.R. Cálculo gráfico de velocidades. Aceleración.

DINÁMICA 8. DINÁMICA DEL PUNTO MATERIAL LIBRE

Introducción. Principios de la dinámica. Ecuaciones del movimiento. Teoremas del momento lineal, momento cinético y energía mecánica. Teoremas de conservación. Dinámica en sistemas de referencia no inerciales.

9. MOVIMIENTO RECTILÍNEO DEL PUNTO LIBRE

Introducción. Aplicaciones: Fuerza función del tiempo. Fuerza función de la posición. Fuerza función de la velocidad.

10. DINÁMICA DEL PUNTO MATERIAL VINCULADO

Introducción. Concepto de enlace. Clasificación. Grados de libertad. Principio de liberación. Movimiento de un punto sobre una superficie y sobre una curva.

11. APROXIMACIÓN A LA DINÁMICA DE LOS ROTORES

Introducción. Momento de inercia. Energía cinética. Momento cinético. Segunda ley de Newton para la rotación de un sólido con un eje fijo.

ESTÁTICA 12. ESTÁTICA DEL PUNTO MATERIAL.



Introducción y definiciones. Leyes de la estática para el punto material libre. Caso del punto material vinculado. Equilibrio de un punto sobre una superficie y sobre una curva.

13. ESTÁTICA DEL SÓLIDO INDEFORMABLE Condición estática de rigidez. Leyes de la Estática para el sólido rígido libre. Caso del sólido vinculado: Principio de liberación. Estudio de vínculos externos entre sólidos materiales: contacto puntual liso y entre pares de enlace. Sistemas planos. Cadena de sólidos: principio de fragmentación.

14. CONTACTOS REALES ENTRE SÓLIDOS: ROZAMIENTO SECO DE COULOMB.

Introducción a la tribología. Rozamiento por deslizamiento. Leyes de Coulomb del rozamiento seco. Rozamiento por pivotamiento. Resistencia a la rodadura. Deslizamiento inminente y vuelco inminente. Aplicación a máquinas simples.

15. FUERZAS INTERNAS Introducción. Fuerza internas en una viga. Relaciones entre solicitaciones y fuerzas externas. Convenio de Signos. Equilibrio de una rebanada. Diagramas.

16. ESTRUCTURAS ISOSTÁTICAS ARTICULADAS

Introducción. Estructuras articuladas planas. Grado de hiperestaticidad. Método de los nudos, Cremona y método de las secciones.

17. CABLES

Introducción. Principio de solidificación de Cauchy. Ecuaciones de equilibrio del hilo. Catenaria. Puente colgante. Cable sometido a fuerzas discretas.

Temas de la segunda parte (segundo cuatrimestre)

OSCILACIONES Y ONDAS

1. MOVIMIENTO OSCILATORIO Movimiento armónico simple. Representación matemática del MAS: fase, periodo y frecuencia.

Energía del MAS. Sistemas oscilantes: péndulo simple y péndulo físico. Oscilaciones amortiguadas y forzadas.

2. ONDAS

Ondas mecánicas. Ondas transversales y longitudinales. Función de onda. Ondas sinusoidales: ecuación de onda lineal. Ondas sinusoidales en una cuerda: velocidad y energía transmitida. Ondas de sonido. Efecto Doppler. Superposición de ondas: principio de superposición.

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

3. FUERZAS ELÉCTRICAS Y CAMPO ELÉCTRICO Introducción. Carga eléctrica: propiedades. Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Campo eléctrico de

distribuciones continuas de carga. Líneas de campo eléctrico. Movimiento de cargas en el seno de un campo eléctrico. Teorema de Gauss. Aplicaciones del Teorema de Gauss.



4. POTENCIAL ELÉCTRICO

Diferencia de potencial y potencial en un punto. Diferencia de potencial en un campo eléctrico uniforme. Potencial de un sistema de cargas puntuales. Determinación del campo eléctrico a partir del potencial. Potencial de distribuciones continuas de carga.

5. CORRIENTE ELÉCTRICA

Corriente eléctrica y densidad de corriente. Resistencia y ley de Ohm.

6. CAMPO MAGNÉTICO El campo magnético. Fuerza del campo magnético sobre cargas. Movimiento de una carga puntual

en un campo magnético. Fuerza del campo magnético sobre corrientes. Par sobre espiras. Ley de Biot-Savart. Ley de Ampère.

TERMODINÁMICA

7. CONCEPTOS FUNDAMENTALES Sistema y entorno. Criterios macroscópico y microscópico. Coordenadas termodinámicas.

Equilibrio: ecuación de estado. Procesos termodinámicos. Diagramas de estado.

8. TEMPERATURA Y PRINCIPIO CERO Principio cero. Temperatura. Escalas termométricas. Termómetro de gas a volumen constante.

(Dilatación térmica).

9. PRIMER PRINCIPIO Concepto de calor. Calor y energía interna. Calor específico: calorimetría. Calor latente y cambios

de fase. Cálculo y representación del trabajo en los procesos termodinámicos. Primer principio. Aplicaciones del Primer principio.

10. EL GAS IDEAL

Descripción macroscópica del gas ideal: ecuación de estado. Capacidades caloríficas de los gases ideales. Ley de Mayer. Transformaciones de un gas ideal. Ecuación de Poisson.

11. SEGUNDO PRINCIPIO

Introducción. Máquinas térmicas: enunciado de Kelvin-Planck. Procesos reversibles e irreversibles. La máquina de Carnot. Teorema de Carnot. Bombas de calor y Refrigeradores: enunciado de Clausius. Equivalencia entre los enunciados. (Temperatura Termodinámica).

12. ENTROPÍA

Desigualdad de Clausis: Entropía. Entropía del gas ideal. Entropía e irreversibilidad. Incremento de entropía en procesos irreversibles. (Entropía y desorden). (Tercer principio).

13. CICLOS TERMODINÁMICOS

Ciclos de potencia de vapor: ciclo de Rankine. Ciclos de potencia de gas: ciclos Otto y Diesel.



7. Bibliografía

Bibliografía para el primer cuatrimestre • Bedford, A. y Fowler, W.; “Mecánica para ingenieros”; Ed. Addison-Wesley Iberoamericana (1996). • Beer, F. P. y Johnston, E.R.; “Mecánica vectorial para ingenieros. Estática”; Ed. McGraw-Hill (1997). • Beer, F. P. y Johnston, E.R.; “Mecánica vectorial para ingenieros. Dinámica”; Ed. McGraw-Hill, (1990).

• Díaz Carril, R. y Fano,J.; “Mecánica: Problemas explicados”; Editorial Júcar (1987). • Diaz Carril, R. Y Prieto J.L.; “Física: ejercicios explicados”, Editorial Júcar (1987). • González, F.A.; “La Física en Problemas”; Editorial Tebar Flores (1995). • Hervás, P., Rodríguez Danta, M. y Martínez, J.; “Cuadernos de Mecánica: Cinemática y Tensores “.

Universidad de Sevilla (1989). • Juana, J. M. de; “Física General”; Editorial Alhambra Universidad (1985). • Ortiz Berrocal, L.; “Cinemática”; Editorial Litoprint. • Prieto Alberca, M.; “Cinemática y Estática”; Editorial PRIAL. • Riley-Sturges; “Ingeniería mecánica. Estática”; Editorial Reverté (1996). • Sandor, B. I.; “Ingeniería mecánica: Estática y Dinámica” (2 tomos); Editorial

Prentice Hall (1989). • Shames, I. H.; “Mecánica para Ingenieros. Estática y Dinámica” (2 Tomos); Editorial Prentice Hall

(1998).

• William, F. R. y Leroy, D.; “Ingeniería mecánica (Estática y Dinámica)”; Editorial Addison-Wesley Iberoamericana.

• Wittenbauer, F.; “Problemas en Mecánica General y Aplicada”; Editorial LABOR, S.A.

Bibliografía para el segundo cuatrimestre

• Tipler, P.A. & Mosca, G.; “Física para la ciencia y la tecnología” (6 volúmenes) Volúmenes 1B (Oscilaciones y ondas), 1C (Termodinámica) y 2A (Electricidad y magnetismo); Editorial Reverté;

5º Edición (2005). • Serway, R.A. & Jewett, J.W.; “Física”; Editorial Thomson; 3ª Edición (2003). • Halliday, D. & Resnick, R. & Walter, J.; “Fundamentos de Física” (versión extendida) ; Editorial

Cecsa; 3ª Edición (2001).

• Tipler, P.A.; “Física para la ciencia y la tecnología”; Editorial Reverté; 4ª Edición (1999).



8. Prácticas

1. Medidas geométricas. Errores de medida.

2. Caída libre

3. Leyes de Newton

4. Momentos de inercia y Teorema de Steiner

5. El péndulo físico

6. Péndulos acoplados

7. Oscilaciones forzadas

8. Precesión del giróscopo

12. Ecuación de estado de gases ideales

16. Ley de Hooke

18. Conservación de la energía mecánica: disco de Maxwell

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