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Tema 0. fundamentos de mecánica

Tema 0. fundamentos de mecánica. 1. Magnitudes escalares y vectoriales. MAGNITUD ESCALAR: DEFINIDA POR NÚMERO Y UNIDAD MASA, TIEMPO, VOLUMEN, ENERGÍA, … (4 kg, 67 s, 5 L, 900 J) MAGNITUD VECTORIAL: DEFINIDA POR VECTORES MÓDULO: Longitud del vector

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Tema 0. fundamentos de mecánica

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  1. Tema 0. fundamentos de mecánica

  2. 1. Magnitudes escalares y vectoriales • MAGNITUD ESCALAR: DEFINIDA POR NÚMERO Y UNIDAD • MASA, TIEMPO, VOLUMEN, ENERGÍA, … (4 kg, 67 s, 5 L, 900 J) • MAGNITUD VECTORIAL: DEFINIDA POR VECTORES • MÓDULO: Longitud del vector • DIRECCIÓN: Recta sobre la que se apoya el vector • SENTIDO: Hacia donde señala la flecha • PUNTO DE APLICACIÓN: Origen de la flecha

  3. OPERACIONES CON VECTORES • SUMA: se suman las componentes x, y y z por separado. • A = Axi + Ayj + Azk • B = Bxi + Byj + Bzk • El vector resultante es • R = A + B = (Ax + Bx)i + (Ay + By)j + (Az + Bz)k

  4. OPERACIONES CON VECTORES • RESTA: se restan las componentes x, y y z por separado. • A = Axi + Ayj + Azk • B = Bxi + Byj + Bzk • El vector resultante es • R = A -B = (Ax - Bx)i + (Ay - By)j + (Az - Bz)k

  5. OPERACIONES CON VECTORES • OPUESTO: El opuesto a un vector A es otro vector (-A) de igual módulo y dirección y de sentido opuesto • A = Axi + Ayj + Azk • (-A)= (-Ax)i + (-Ay)j + (-Az)k • PRODUCTO DE UN VECTOR POR UN ESCALAR: • n·(A)= n(Ax)i + n(Ay)j + n(Az)k

  6. Componentes cartesianas de un vector • TODO VECTOR “A” ES SUMA DE SUS COMPONENTES. CASO MÁS IMPORTANTE: LAS COMPONENTES SON PERPENDICULARES FORMANDO UN SISTEMA DE EJES CARTESIANOS x ,y y z • A = Axi + Ayj + Azk • CUALQUIER VECTOR DEL ESPACIO EN COORDENADAS CARTESIANAS PUEDE ESCRIBIRSE COMO COMBINACIÓN LINEAL DE LOS VECTORES UNITARIOS i, j Y k.

  7. Componentes cartesianas de un vector

  8. Módulo de un vector • A = Axi + Ayj + Azk  • VECTOR UNITARIO  SU MÓDULO ES LA UNIDAD: • COMPONENETES CARTESIANAS DE UN VECTOR UNITARIO:

  9. 2. PRODUCTO ESCALAR • PRODUCTO DEL MÓDULO DE UN VECTOR POR LA PROYECCIÓN DEL OTRO SOBRE ÉL • SE DEFINE COMO PRODUCTO DE LOS MÓDULOS POR EL COSENO DEL ÁNGULO MENOR QUE FORMAN SUS DIRECCIONES

  10. 2. PRODUCTO ESCALAR • ES CONMUTATIVO: • PODEMOS EXPRESARLO EN FUNCIÓN DE SUS COORDENADAS CARTESIANAS: ya que se cumple que • PRODUCTO ESCALAR DE UN VECTOR CONSIGO MISMO: • PERMITE CALCULAR EL ÁNGULO QUE FORMAN DOS VECTORES A PARTIR DE SUS COORDENADAS CARTESIANAS:

  11. Propiedades deducidas del producto escalar

  12. PRODUCTO vectorial • PRODUCTO DE DOS VECTORES CUYO RESULTADO ES OTRO VECTOR CON LAS SIGUIENTES CARACTERÍSTICAS: • SU MÓDULO ES EL PRODUCTO DE LOS DOS MÓDULOS POR EL SENO DEL ÁNGULO QUE FORMAN • SU DIRECCIÓN ES PERPENDICULAR AL PLANO FORMADO POR LOS DOS VECTORES • SU SENTIDO DE AVANCE ES EL DE UN SACACORCHOS QUE GIRE DE p A q POR EL CAMINO MÁS CORTO

  13. 3. PRODUCTO vectorial

  14. Propiedades deducidas del producto VECTORIAL

  15. Producto vectorial en coordenadas cartesianas

  16. Producto vectorial en coordenadas cartesianas Ejemplo El producto vectorial de los vectores y se calcula del siguiente modo: Expandiendo el determinante: Puede verificarse fácilmente que es ortogonal a los vectores a y b efectuando el producto escalar y comprobando que éste es nulo (condición de perpendicularidad de vectores)

  17. Magnitudes que se obtienen mediante el producto vectorial • MOMENTO DE UNA FUERZA F APLICADA SOBRE UN PUNTO P  M = r x F • MOMENTO ANGULAR DE UNA PARTÍCULA DE MASA m QUE SE MUEVE CON VELOCIDAD v : L0 = r x mv = r x p DONDE r ES EL VECTOR POSICIÓN QUE VA DESDE EL ORIGEN HASTA EL COMIENZO DEL OTRO VECTOR

  18. observando que 4. CÁLCULO DIFERENCIAL VELOCIDAD MEDIA: VELOCIDAD INSTANTÁNEA: CONCEPTO DE DERIVADA: Desarrollado por Leibniz y Newton DEFINICIÓN: La derivada de una función y respecto de la variable x es el límite de esta razón cuando Dx0. Se representa como y’ ,f’(x) o dy/dx ¡¡¡DAR TABLA DE DERIVADAS!!!

  19. Interpretación geométrica • INTERPRETACIÓN GEOMÉTRICA: y = f(x). A cada valor de x le corresponde un valor de y = f(x), que se asocia al punto P (x,y). Al aumentar la variable x en Dx, la función también se ve incrementada en y+Dy=f(x+Dx). A estos nuevos valores les corresponde en la curva el punto B (x+Dx, y+Dy)

  20. EJERCICIOS • LLEGADOS A ESTE PUNTO SE PUEDEN HACER LOS EJERCICIOS DEL 1 AL 7 DEL TEMA 0 (excepto el 4)

  21. 5. CINEMÁTICA DEL PUNTO MATERIAL • CINEMÁTICA DESCRIBE EL MOVIMIENTO DE LOS CUERPOS SIN BUSCAR SU ORIGEN • CONCEPTO DEL SISTEMA DE REFERENCIA: LA FÍSICA MODERNA NO ACEPTA EL ESPACIO Y TIEMPO ABSOLUTOS TODOS LOS MOVIMIENTOS SON RELATIVOS. ASÍ, PARA DESCRIBIR UN MOVIMIENTO, NECESITO UN SISTEMA DE REFERENCIA, QUE SUELE SER UN SISTEMA DE EJES CARTESIANOS EN CUYO ORIGEN ESTÁ EL OBSERVADOR

  22. MAGNITUDES CINEMÁTICAS 1. TRAYECTORIA: Línea formada por las sucesivas posiciones de un móvil. Tipos de movimiento: 1. RECTILÍNEO TRAYECTORIA = LÍNEA RECTA 2. CURVILÍNEO  TRAYECTORIA = CURVA (CIRCULARES, PARABÓLICOS, ELÍPTICOS,…) ECUACIONES PARAMÉTRICAS: Relaciones matemáticas que relacionan las coordenadas espaciales con el tiempo  x = x(t); y = y(t); z = z(t)

  23. MAGNITUDES CINEMÁTICAS 2. VECTOR POSICIÓN: Vector cuyo punto de aplicación es el origen de coordenadas y cuyo extremo es la posición del móvil en cada instante r= OP = x i + y j + z k r = r(t) = x(t) i + y(t) j + z(t) k La distancia al origen de coordenadas es el módulo de este vector: OP = r = │r│=

  24. MAGNITUDES CINEMÁTICAS 3. VECTOR DESPLAZAMIENTO: Es la diferencia entre dos vectores posición Dr= P1P2 = r2 – r1 = (x2-x1)i + (y2 –y1)j + (z2-z1)k El desplazamiento espacial es el módulo del vector Dr P1P2 =

  25. MAGNITUDES CINEMÁTICAS 4. ESPACIO RECORRIDO: LONGITUD DEL TRAMO DE TRAYECTORIA DESCRITO EN UN TIEMPO DETERMINADO. NO SUELE COINCIDIR CON EL DESPLAZAMIENTO ESPACIAL (QUE ES UN SEGMENTO RECTO) A NO SER QUE TENGAMOS UN MOVIMIENTO RECTILÍNEO DE SENTIDO CONSTANTE s = s(t) Ds = s2 – s1

  26. MAGNITUDES CINEMÁTICAS ESPACIO RECORRIDO (--) vS VECTOR DESPLAZAMIENTO (--) VECTOR POSICIÓN

  27. MAGNITUDES CINEMÁTICAS 5. VELOCIDAD: MIDE EL RITMO TEMPORAL AL QUE SE PRODUCEN LOS CAMBIOS DE POSICIÓN. AL DERIVAR EL VECTOR POSICIÓN RESPECTO DEL TIEMPO OBTENEMOS LA VELOCIDAD: 6. CELERIDAD: MAGNITUD ESCALAR QUE MIDE LA RAPIDEZ CON QUE SE DESPLAZA EL MÓVIL SOBRE LA TRAYECTORIA. EN MOVIMIENTOS CURVOS cm ≠ vm

  28. MAGNITUDES CINEMÁTICAS 7. ACELERACIÓN: MIDE LOS CAMBIOS DE VELOCIDAD RESPECTO DEL TIEMPO. AL DERIVAR EL VECTOR VELOCIDAD RESPECTO DEL TIEMPO OBTENEMOS LA ACELERACIÓN: COMPONENTES INTRÍNSECAS DE LA ACELERACIÓN: a = at +an

  29. MAGNITUDES CINEMÁTICAS • ACELERACIÓN TANGENCIAL (cambia el módulo de v mientras que la dirección ut se mantiene constante): • ACELERACIÓN NORMAL (cambia la dirección de v mientras que el módulo se mantiene constante):

  30. 6.Cinemática de los movimientos simples • MRU DESPLAZAMIENTO EN LÍNEA RECTA CON VELOCIDAD CONSTANTE. CARACTERÍSTICAS: 1. Trayectoria: Línea recta con sentido constante 2. Velocidad: Constante en valor, dirección y sentido 3. Aceleración: Nula ECUACIONES

  31. 6.Cinemática de los movimientos simples • MRUA DESPLAZAMIENTO EN LÍNEA RECTA CON VELOCIDAD VARIABLE Y ACELERACIÓN CONSTANTE. CARACTERÍSTICAS: 1. Trayectoria: Línea recta 2. Velocidad: Constante en dirección pero variable en sentido y módulo 3. Aceleración: an=0; at = cte en valor, dirección y sentido ECUACIONES

  32. 6.Cinemática de los movimientos simples • CAÍDA LIBRE MRUA CON LAS SIGUIENTES CARACTERÍSTICAS: 1. Trayectoria: Línea recta vertical descendente 2. Velocidad: Constante en dirección y sentido. Su módulo aumenta desde v0. 3. Aceleración: an=0; at = -g ECUACIONES

  33. 6.Cinemática de los movimientos simples • CAÍDA DE CUERPOS LANZADOS ECUACIONES

  34. 6.Cinemática de los movimientos simples • MCU EL RECORRIDO ES UNA CIRCUNFERENCIA PERO LA CELERIDAD ES CONSTANTE. CARACTERÍSTICAS: 1. Trayectoria: Circunferencia recorrida siempre en igual sentido 2. Velocidad: Cambia continuamente de dirección pero es constante en su módulo 3. Aceleración: an=cte; at = 0 ECUACIONES

  35. 7. CÁLCULO INTEGRAL • Si F(x) es una función primitiva de f(x), la expresión F(x)+C se llama integral definida de f(x) y se designa como ∫f(x)dx • ∫f(x)dx = F(x)+C • Este caso es el inverso del cálculo de una derivada: f(x) = dF(x)/dx. • TABLA DE INTEGRALES: ∫dx = x+ C ∫kdx = kx + C

  36. 7. CÁLCULO INTEGRAL • INTEGRAL DEFINIDA: ES EL ÁREA LIMITADA POR UNA CURVA. • Dividimos el área en pequeños rectángulos. El cálculo será más aproximado cuanto más pequeña sea la base. • La relación entre el área y el cálculo integral viene dada por la regla de Barrow:

  37. 8. Dinámica del punto material • LA DINÁMICA SE ENCARGA DE BUSCAR EL ORIGEN DE LOS MOVIMIENTOS. • LEYES DE NEWTON: • PRIMERA LEY DE LA DINÁMICA: PRINCIPIO DE INERCIA Todo cuerpo mantiene su estado de movimiento a no ser que actúe una fuerza sobre él • SEGUNDA LEY DE LA DINÁMICA: PRINCIPIO FUNDAMENTAL La aceleración que experimenta un cuerpo es proporcional a las fuerzas a las que está sometido. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo

  38. 8. DINÁMICA DEL PUNTO MATERIAL • TERCERA LEY DE LA DINÁMICA: PRINCIPIO DE ACCIÓN Y REACCIÓN Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, el segundo realiza simultáneamente otra fuerza sobre el primero, de igual módulo y dirección, pero de sentido contrario. • A TENER EN CUENTA • Acción y reacción son dos procesos simultáneos (no consecutivos) • Las dos fuerzas no se anulan entre sí porque actúan sobre cuerpos ≠ • Fuerzas iguales no implican efectos iguales. Las consecuencias de cada una dependen de su masa

  39. 8.1. estudio dinámico de algunos movimientos simples • MRU NO TIENE ACELERACIÓN, POR LO QUE Fresultante = 0 • MRUA  an = 0 y at = cte  a = cte. ASÍ, COMO a = cte ; m = cte  Fresultante = cte • MCU  at = 0 y an = cte  ACELERACIÓN CONSTANTE SÓLO EN MÓDULO, PERO NO EN DIRECCIÓN. LA FUERZA QUE PRODUCE UN MCU ES UNA FUERZA CENTRÍPETA PERPENDICULAR AL VECTOR VELOCIDAD Y DIRIGIDA AL CENTRO DE LA CIRCUNFERENCIA

  40. Dinámica del punto material • CANTIDAD DE MOVIMIENTO O MOMENTO LINEAL: ES EL PRODUCTO DE LA MASA DE UN CUERPO POR SU VELOCIDAD • TIENE LA MISMA DIRECCIÓN Y SENTIDO QUE v • EN EL S.I. SE EXPRESA EN kg·m/s • EXPRESIÓN DE LA 2ª LEY DE LA DINÁMICA EN FUNCIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO: • Así, si la fuerza F total es nula, eso quiere decir que dp/dt =0, por tanto, p = cte  EN TODO CUERPO AISLADO, LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO SE CONSERVA

  41. Dinámica del punto material • IMPULSO MECÁNICO: INDICA QUE EL EFECTO DE UNA FUERZA SOBRE EL ESTADO DE MOVIMIENTO DE UN CUERPO DEPENDE DEL TIEMPO DURANTE EL QUE ACTÚA

  42. Dinámica del punto material • TEOREMA DEL IMPULSO: RELACIONA EL IMPULSO COMUNICADO A UN CUERPO CON LA VARIACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO QUE EXPERIMENTA: • SI LA FUERZA ES CONSTANTE Y PARALELA A LA ACELERACIÓN:

  43. Dinámica del punto material • TRABAJO: RELACIONA EL MOVIMIENTO CON LA ENERGÍA • ES EL PRODUCTO ESCALAR DE LA FUERZA Y EL DESPLAZAMIENTO • EN EL S.I. SE MIDE EN J • SI TENEMOS UN MOVIMIENTO NO RECTILÍNEO Y/O UNA FUERZA VARIABLE:

  44. Dinámica del punto material • TRABAJO DE LAS FUERZAS CONSERVATIVAS: UNA FUERZA CONSERVATIVA ES AQUELLA CUYO TRABAJO SOBRE UN OBJETO EN MOVIMIENTO ENTRE DOS PUNTOS ES INDEPENDIENTE DE LA TRAYECTORIA QUE EL OBJETO TOME ENTRE ESOS DOS PUNTOS • LA FUNCIÓN U ES CARACTERÍSTICA DE CADA FUERZA CONSERVATIVA. A PARTIR DE ELLA SE DEFINE LA ENERGÍA POTENCIAL ASOCIADA A UN TIPO CONCRETO DE FUERZA • PARA UNA FUERZA NO CONSERVATIVA EL TRABAJO DEPENDE DE LA TRAYECTORIA DEL OBJETO

  45. 9. ENERGÍA MECÁNICA DEL PUNTO MATERIAL • TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS: “El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un punto material es igual a la variación de su energía cinética” • TEOREMA DEL TRABAJO O DE LA ENERGÍA POTENCIAL: “El trabajo realizado por una fuerza conservativa que actúa sobre un punto es independiente del camino y coincide con el opuesto de la variación de la energía potencial asociada a dicha fuerza (DU=DEp)

  46. 9. ENERGÍA MECÁNICA DEL PUNTO MATERIAL • PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA: Em = Ec + Ep • SI TODAS LAS FUERZAS SON CONSERVATIVAS: • CUANDO TODAS LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE UN PUNTO MATERIAL SON CONSERVATIVAS: DEm = 0. SI EXISTEN FUERZAS NO CONSERVATIVAS (p.e. rozamiento), W = DEc +DEp = DEm

  47. 10. Dinámica del sólido rígido • CUERPO FORMADO POR CONJUNTO DE PUNTOS MATERIALES CUYAS DISTANCIAS PERMANECEN CONSTANTES AÚN BAJO LA ACCIÓN DE FUERZAS EXTERIORES • SÓLIDO RÍGIDO DISCRETO:FORMADO POR UN NÚMERO FINITO DE PARTÍCULAS DISTINGUIBLES QUE OCUPAN POSICIONES NO CONTIGUAS (p.e., 4 piedrecitas pequeñas) • SÓLIDO RÍGIDO CONTINUO: FORMADO POR UN NÚMERO INFINITO DE PARTÍCULAS ELEMENTALES NO DISTINGUIBLES. DISTRIBUCIÓN DE MASAS CONTINUA DENTRO DEL SÓLIDO (p.e., una piedra grande)

  48. 10. Dinámica del sólido rígido • CENTRO DE MASAS: CENTRO DE SIMETRÍA DE LA DISTRIBUCIÓN DE MASAS DE UN SISTEMA. • PARA UN SISTEMA DISCRETO: • PARA UN SISTEMA CONTINUO: LAS SUMAS SE REEMPLAZAN POR INTEGRALES

  49. 10. Dinámica del sólido rígido • MOVIMIENTOS DEL SÓLIDO RÍGIDO: CONSERVA SU FORMA DURANTE EL MOVIMIENTO • TRASLACIÓN: TODAS LAS PARTÍCULAS DESCRIBEN TRAYECTORIAS PARALELAS • ROTACIÓN: TODAS LAS PARTÍCULAS DESCRIBEN CIRCUNFERENCIAS ALREDEDOR DE UN EJE DE ROTACIÓN • PARA PRODUCIR ROTACIÓN NECESITO PAR DE FUERZAS: Sistema formado por dos fuerzas paralelas de igual valor que actúan sobre un cuerpo en sentido contrario y sobre líneas de acción distintas • CUANDO UN PAR DE FUERZAS ACTÚA SOBRE UN SÓLIDO RÍGIDO EN REPOSO, PROVOCA MOVIMIENTO DE ROTACIÓN PURO. LA INFLUENCIA DEL PAR DE FUERZAS DEPENDE DE. • EL VALOR DE LAS FUERZAS • LA SEPARACIÓN ENTRE ELLAS Cuantificable con el Momento

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