1 Lic. Pedro G. Ramírez GutiérrezBienvenidos A Física 1 Lic. Pedro G. Ramírez Gutiérrez
2 Magnitudes para el estudio de la MecánicaFundamental Dimensión Sistema Internacional SI (MKS) Segesimal CGS Inglés Longitud L Metro m Centímetro Cm Pie ft Masa M Kilogramo Kg Gramo gr slug Tiempo T Segundo S Pedro G. Ramírez Gutiérrez
3 MAGNITUD Elemento Físico Puede ser Vectorial Escalar medir Si poseeEs cualquier Elemento Físico Puede ser Que se puede Vectorial Escalar medir Si posee Que es lo mismo Si solo posee Una Un comparar Valor numérico Y una Unidad Dirección Sentido Con un Patrón Establecido Pedro G. Ramírez Gutiérrez
4 Cantidades Escalares Algunas cantidades pueden ser descritas totalmente por un número y una unidad de medida 50 Km Camarones En el grafico se puede observar la leyenda 50 Km Esta magnitud se expresa con solo un número y una unidad Las cantidades que se definen con un número y una unidad se llaman CANTIDADES ESCALARES Pedro G. Ramírez Gutiérrez
5 Operaciones con las Cantidades EscalaresA las cantidades escalares que se miden con las misma unidades, se les puede aplicar las reglas de las operaciones de la aritmética. 50 Km + 72 Km + 26 Km = 148 Km 55 Gl – 30 Gl = 25 Gl. “El Hombre no es víctima de las circunstancias, él crea sus propias circunstancias Pedro G. Ramírez Gutiérrez
6 Cantidades VectorialesOtras cantidades físicas, como el desplazamiento, la velocidad, la fuerza, etc., además de un número y una unidad, también tienen dirección y sentido. Estas cantidades se llaman VECTORIALES o VECTOR En algunos casos la dirección y el sentido quedan determinados por un ángulo y un punto cardinal Rumbo Norte Rumbo Noreste Rumbo Este Pedro G. Ramírez Gutiérrez
7 Dirección y Sentido de los VectoresPlano cartesiano Vector Dirección y Sentido NO Sentido E N S O Plano Cartesiano Vector Vector NE Sentido 120º Dirección 30º Dirección Pedro G. Ramírez Gutiérrez
8 Representación Gráfica de VectoresLos vectores se representan gráficamente por una flecha Una flecha representa una magnitud por su tamaño Una flecha tiene dirección: es el ángulo que forma con el eje positivo X Una flecha tiene sentido: lo indica la saeta de su extremo final. Pedro G. Ramírez Gutiérrez
9 La Fuerza y su representación VectorialDetener Deformar Tirar Empujar Mover A todas estas acciones de deformar, tirar, empujar, mover, detener, se les llama FUERZA
10 Condición para que exista fuerzaEn la diapositiva anterior observamos lo siguiente: DEFORMAR: el monacho acciona sobre el telón. TIRAR: el monacho acciona sobre la tapa del buzón. EMPUJAR: el monacho acciona sobre el morral. MOVER: los monachos actúan sobre los trompos. DETENER: el monacho actúa sobre la cuerda y la cuerda sobre la bomba. “Podemos concluir que para que exista fuerza deben interactuar, mínimo, dos cuerpos.” Pedro G. Ramírez Gutiérrez
11 El Peso es una Fuerza Observe que el peso de los discos deforma la barra. W El peso de los cuerpos tiene dirección vertical y siempre tiene sentido hacia abajo porque es la fuerza con que la tierra los atrae. Toda fuerza es un vector porque tiene magnitud, sentido y dirección, por eso se representa con una flecha. Pedro G. Ramírez Gutiérrez
12 Unidad de medida de la FuerzaLa unidad con que se mide la fuerza en el SI es Kg·m/s2. A esta unidad se le ha dado el nombre de Newton (N) en honor al físico y matemático inglés ISAAC NEWTON por haber descubierto las leyes del movimiento. En el sistema ingles la fuerza se mide en libras (lb) La fuerza es una magnitud deriva de las tres fundamentales cuya ecuación dimensional es: M·L·T-2 Pedro G. Ramírez Gutiérrez
13 Suma de Vectores Con los vectores, como cualquier otra magnitud, se pueden realizar operaciones matemáticas. Existen varios métodos para sumar vectores: Suma Geométrica: es un procedimiento que consiste en desplazar los vectores, uno a continuación del otro, respetando de cada uno su dirección y sentido C A B C B A Pedro G. Ramírez Gutiérrez A + B + C
14 Suma de Vectores Igual a CeroDados los vectores: A B E D C Para sumarlos procedemos como en el caso anterior: C Observe que el polígono se cierra A B Cuando un polígono se cierra al sumar vectores, la suma Vectorial es igual a Cero. E D Pedro G. Ramírez Gutiérrez
15 Vectores de Igual SentidoObserve la siguiente situación: F1 Se requiere mover el bus F2 F3 F1 no mueve el bus F1 más F2 tampoco mueven el bus Las tres fuerzas aplicadas al tiempo hacen que el bus se mueva Podemos concluir que cuando las fuerzas tienen igual Sentido se suman como cantidades escalares Pedro G. Ramírez Gutiérrez
16 Vectores con Sentido ContrarioLas tres imágenes presentan fuerzas de sentido contrario: El perro tira hacia delante y el niño hacia atrás, pero el perro avanza. ¿por qué? La cometa tira hacia arriba y el niño hacia abajo. No hay avance. ¿por qué? El pez tira hacia abajo y el pescador hacia arriba, el pez sale. ¿por qué? Concluimos que cuando dos vectores tienen sentido opuesto se restan como escalares. Pedro G. Ramírez Gutiérrez
17 Ejercicios para recordarSobre un bloque de 200 Kg de masa, colocado sobre una mesa que produce una fuerza de fricción FR = 45 N, se aplican dos fuerzas F1 y F2 como nos indica la siguiente gráfica. F2 = 95 N F1= 100 N FR = 45 N La fuerza neta que actúa sobre el bloque es la indicada en: 240 N 240 N 150 N 150 N
18 Ejercicios para recordarSobre un bloque de 200 Kg de masa, colocado sobre una mesa que produce una fuerza de fricción FR = 45 N, se aplican dos fuerzas F1 y F2 como nos indica la siguiente gráfica. F1= 100 N F2 = 95 N FR = 45 N La fuerza neta que actúa sobre el bloque es la indicada en: 195 N 195 N 50 N 50 N
19 Suma de Vectores RectangularesDos Vectores son rectangulares cuando forman un ángulo de 90º, es decir, cuando son perpendiculares. B B 2 N B + A = F Ejemplo: Se necesita mover el bloque A 2 N B + A = F A ¿Cómo se suman estas fuerzas? 1º : Trazamos paralelas a cada Fuerza, por el extremo de la otra, para formar un paralelogramo y luego trazamos la diagonal, la cual es la suma de los dos vectores. 2º : Para calcular la fuerza neta aplicamos el teorema de Pitágoras
20 La gota horada la piedra, no por su fuerza, sino por su constancia.Ejemplo: ¿Cuál es la resultante de una fuerza de 5 N dirigida horizontalmente a la derecha y una de 12 N dirigida verticalmente hacia abajo? β 5 N Trazamos paralelas a las dos fuerzas para formar un rectángulo 12 N θ FN Trazamos la diagonal del rectángulo que es la fuerza resultante Aplicamos el teorema de Pitágoras )2 N 12 ( + ) 5 = F 2 2 N 144 + 25 = 2 N 169 = N 13 = ¿ Cómo podemos conocer la dirección de la fuerza neta? La gota horada la piedra, no por su fuerza, sino por su constancia. OVIDIO
21 ¿Cómo calcular la dirección?β 5 N 12 N FN Sabemos que la dirección de un vector es el ángulo positivo que forma el con el eje X, para el caso β. θ Pero podemos calcular el ángulo θ y luego por sustracción calcular el ángulo β, porque β + θ = 360º 4 , 2 = N 5 12 θ Tan ⇨ Tan-1 2,4 = 67, θ = 67,38º por lo tanto β = 360º - 67,38º = 292,62º Estas unidades se pueden convertir a grados, minutos y segundos así: 67, º ‘ “ 67º 22’ 48’’ Este es el valor del ángulo θ β = 360º - θ = 360º - 67º 22’ 48” = 292º 37’ 12” 360 º ‘ “ - 67 º ‘ “ 22 º ‘ “ 48 º ‘ “ =
22 Teorema del Seno “En todo triángulo la medida de los lados es directamente proporcional a los senos de los ángulos opuestos”. B b SenB = A a SenA C c SenC = Esta proporción se puede convertir en tres equivalentes, así: SenC c = SenA a SenC c = SenB b SenB b = SenA a Mediante este teorema podes sumar vectores de dos en dos, aplicando el método del triángulo obtusángulo. La esperanza debe fundarse en la razón, porque la fantasía se funda en la locura. CLEMENCEAU
23 Ejemplo cm. 55 , 3 ≈ c cm. 9 , 4 ≈ b 30º Sen 125º x cm. 3 = b 25º SenA C B c a b En el triángulo ABC, se conocen el ∠ A = 25º, ∠ C = 30º y a = 3 cm. Calculemos los elementos que faltan conocer: a, c y ∠ B Solución: Sabemos que la suma de las medidas de los ángulos interiores de un triángulo es 180º, por lo tanto: ∠ B + 25º + 30º = 180º Despejando: ∠ B = 180º - 25º - 30º ⇨ ∠ B = 125º Ahora aplicamos el teorema del seno: 25º Sen 30º x cm. 3 = c Despejando: cm. 55 , 3 ≈ c 30º Sen cm. 3 = 125º b 30º Sen 125º x cm. 3 = b cm. 9 , 4 ≈ b
24 El hombre fuerte crea sus acontecimientos; el débil sufreTeorema del Coseno “En todo triángulo el cuadrado de uno de los lados es igual a la suma de los cuadrados de los otros dos lados menos el doble producto de dichos lados por el coseno del ángulo que forman” A B C c b a a2 b2 + c2 - 2bcCosA = - 2acCosB b2 = a2 + c2 c2 = a2 + b2 - 2abCosC El hombre fuerte crea sus acontecimientos; el débil sufre los que le impone el destino. ALFRED DE VIGNY
25 Uso de los teoremas Seno y Coseno en VectoresCalcular la fuerza que mueve el cuerpo F1=30 N 40º F2=35 N Dos vectores que forman ángulos diferentes de 90º se suman de dos maneras: Por el método del paralelogramo o por el método del triángulo. Método del Triángulo Método del Paralelogramo F1=30 N FN = F1 + F2 40º FN = F1 + F2 F2=35 N F1=30 N F2=35 N
26 Cálculo de la Fuerza NetaEn el método del Paralelogramo observe: F1=30 N Si prolongamos F2 FN = F1 + F2 40º 140º El triángulo formado por FN, F2 y la paralela de F1, en el paralelogramo, es congruente con el triángulo formado por FN, F1 y F2 40º F2=35 N En el método del triángulo observe: FN = F1 + F2 F1=30 N 140º Se puede concluir que: 40º F2=35 N El método del triángulo es un caso especial del método del paralelogramo y por lo tanto por cualquiera de los dos se pueden hace los cálculos.
27 Cálculo de la Fuerza NetaComo sólo se conoce los vectores F1 y F2 y el ángulo formado por ellos, tenemos que utilizar el teorema del Coseno FN = F1 + F2 F1=30 N 140º 40º F2=35 N SenB b = SenA a SenC c = SenB b SenC c = SenA a - 2acCosB b2 = a2 + c2 a2 = b2 + c2 - 2bcCosA c2 a2 + b2 = - 2abCosC ¿Cuál de las seis ecuaciones anteriores podemos utilizar? 140 Cos F 2 _ + = 1 N Reemplazando ) 140º N)(Cos N)(30 35 ( 2 _ N) 30 + = F N
28 ¿Cómo calcular los ángulos?Se trata ahora de calcular los ángulos que hacen falta del triángulo F2=35 N F1=30 N FN = F1 + F2 40º 140º A B Como conocemos los tres lados y un ángulo, se puede aplicar el teorema del Seno. N 60 140º Sen x 30 = SenA Sen-1 ANS = 18,75º ⇨ ∠ B = 21,25º ∠ B = 180º - 140º - 18,75º
29 Componentes Rectangulares de un VectorF El vector F se puede descomponer en dos vectores que son sus proyecciones en los ejes de coordenadas Fy PROCEDIMIENTO: FX Se trazan perpendiculares a los ejes de coordenadas por los extremos del vector. 2. Los vectores Fx y Fy son las componentes rectangulares del vector F Cuando veas un gigante, examina antes la posición del sol, no vaya a ser la sombra de un pigmeo. Novalis
30 ¿Cómo calcular el valorde las Componentes? F FX FY El vector F forma con el eje X el ángulo agudo β FY La línea punteada perpendicular a X es congruente con FY por lo tanto la podemos reemplazar β Ahora tenemos un triángulo rectángulo formado por los vectores F (hipotenusa), FX (cateto adyacente al ∠ β) y FY (cateto opuesto al ∠ β) Luego FY = F sen β Por tanto FX = F Cos β Estas dos ecuaciones nos permiten calcular las componentes rectangulares de cualquier vector
31 Ejemplo Calcular las componentes rectangulares de una fuerza de 60 N que forma con la horizontal un ángulo de 75º 60 N FY FY Solución: Trazamos un esquema que interprete el problema 75º ¿Se puede aplicar el teorema de Pitágoras? FX Ahora aplicamos las ecuaciones anteriores Fy =F·Senθ FY = 60 N Sen 75º ≈ 58 N FX = F·Cosθ FY = 60 N Cos 75º ≈ 15,5 N
32 Aplicación de la descomposiciónde Vectores Se usa para sumar dos o más de dos vectores al mismo tiempo así: F F1 170º 30º 260º F2 Para sumar estos vectores se requiere descomponer cada uno de ellos en sus componentes rectangulares.
33 La imaginación es más importante que el conocimiento.Pasos: Sumemos 2 Vectores A = 15 N AY AY B = 13 N = 10,2 N BY 170º BY = 2,3 N 43º BX AX BX = 12,8 N AX = 10,9 N Descomponer los vectores en sus componentes rectangulares. 2. Calcular el valor de dichas componentes, mediante las ecuaciones AX = A·Cosθ y AY = A·Senθ. Este cálculo se hace por cada Vector. AX = 15 N·Cos 43º = 10,9 N AY = 15 N·Sen 43º = 10,2 N BX = 13 N·Cos 170º = 12,8 N BY = 13 N·Sen 170º = 2,3 N La imaginación es más importante que el conocimiento. Einstein
34 Pasos: Sumemos 2 Vectores N 6 , 12 = FN AX AY BX BY = 10,9 N = 10,2 Nθ X = - 1,9 N 3. Se suman algebraicamente los vectores de cada eje. X = AX – BX = 10,9 N – 12,8 N ⇨ X = - 1,9 N Y = AY + BY = 10,2 N + 2,3 N ⇨ Y = 12,5 N 4. Se suman los dos vectores rectangulares X y Y mediante el teorema de Pitágoras ∑ 2 x y N + = F N 6 , 12 = La dirección del FN, se calcula Utilizando la Tangente de