Problemas de Física General II: Soluciones y Ejercicios
A continuación, se presenta una colección de ejercicios y problemas típicos de un curso de Física II, abarcando temas de mecánica de fluidos, termodinámica y electroestática. Cada problema incluye su enunciado y la respuesta numérica obtenida.
Mecánica de Fluidos (Hidrostática e Hidrodinámica)
Problema 1: Presión Hidrostática
¿Cuál es la presión promedio sobre las plantas de los pies de una persona de 90 kg que está de pie? Los pies juntos tienen un área de 450 cm².
Respuesta: 44.145 Pa
Problema 2: Fuerza sobre el Tímpano
Una buceadora nada hasta una profundidad de 3.2 metros en un lago de agua dulce. ¿Cuál es el aumento en la fuerza sobre su tímpano, comparada con la fuerza en la superficie del lago, si el área de su tímpano es de 1.2 cm²?
Respuesta: 1.8816 N
Problema 3: Empuje y Volumen (Principio de Arquímedes)
Al sumergir una piedra de 5.0 kg en agua, comprobamos que tiene un peso aparente de 20 N. Sabiendo la gravedad (g) y la densidad del agua, calcular:
- El empuje que experimenta la piedra.
- El volumen de la piedra.
Respuestas:
- a) Empuje: 4.5 N
- b) Volumen: 4.5871 x 10⁻⁴ m³
Problema 4: Flotación de una Barcaza
Una barcaza de fondo plano, cargada con carbón, tiene una masa total (barcaza con carbón) de […]. La barcaza mide 20 cm de largo por 10 cm de ancho y flota sobre agua dulce. ¿Cuál es la profundidad de la porción de la barcaza que se encuentra debajo de la superficie del agua?
Respuesta: 15000 (Nota: La unidad y el valor de la masa total están incompletos en el enunciado original).
Problema 5: Fuerza Ascendente (Ecuación de Bernoulli)
Use la ecuación de Bernoulli para estimar la fuerza ascendente sobre el ala de un avión si la rapidez del flujo promedio del aire es 190 m/s por encima del ala y 160 m/s por debajo de ella. La densidad del aire es de […] y el área de cada superficie del ala es 28 […].
Respuesta: 441.000.000 N
Problema 6: Bombeo de Agua
El caudal volumétrico del agua suministrado por una bomba colocada en un pozo es de P. El pozo tiene una profundidad de 40 metros y la tubería no sufre modificaciones en sus dimensiones en toda su extensión.
- Encuentra la diferencia de presión que debe mantener la bomba. 392.000 Pa
- ¿Cuánta potencia realiza la bomba? 78.4 N (Nota: La unidad de la respuesta b) debería ser Vatios (W) si se refiere a potencia).
Problema 7: Flujo Sanguíneo (Ecuación de Continuidad y Bernoulli)
La rapidez de flujo sanguíneo por la aorta con un radio de 1.00 cm es de 0.265 m/s.
- Si en determinado momento una arteria provoca que la aorta reduzca su radio a 0.800 cm, ¿por cuánto se incrementará la rapidez del flujo sanguíneo? 0.1488 m/s
- ¿Cuál es la diferencia de presión entre los pies y la aorta, si existe una diferencia de altura de 1.65 m? (Densidad de la sangre: […]) 17140.2 Pa
Termodinámica y Calorimetría
Problema 8: Expansión Térmica de Líquidos
Un vaso de laboratorio Pyrex se llena hasta el borde con mercurio a 20 °C. ¿Cuánto mercurio se derramará si la temperatura del sistema se eleva a 158 °F?
Respuesta: 1.71 x 10⁻³ L
Problema 9: Determinación del Calor Específico
En un experimento de laboratorio se utiliza un calorímetro para determinar el calor específico del hierro. Se colocan 80 g de balines de hierro seco en la taza y se calientan a 95 °C. La masa de la taza interior de aluminio con un agitador del mismo material es de 60 g. El calorímetro se llena parcialmente con 150 g de agua a 18 °C. Los balines calientes se vacían rápidamente en la taza y se sella el calorímetro. Después de que el sistema ha alcanzado el equilibrio térmico, la temperatura final es de 22 °C. Calcule el calor específico del hierro.
Respuesta: Ce = 0.117 cal/g°C
Problema 10: Equilibrio Térmico con Cambio de Fase
Después de agregar 12 g de hielo triturado a -10 °C en el vaso de un calorímetro de aluminio que contiene 100 g de agua a 50 °C, el sistema se sella y se deja que alcance el equilibrio térmico. ¿Cuál es la temperatura resultante?
Respuesta: 35.55 °C
Problema 11: Fricción y Fusión de Nieve
Un esquiador a campo traviesa de 75.0 kg se mueve horizontalmente sobre nieve a 0 °C. El coeficiente de fricción cinética entre los esquíes y la nieve es de 0.200. Suponga que toda la energía interna generada por fricción se agrega a la nieve, que se pega a sus esquíes hasta que se funde. ¿Qué distancia deberá esquiar para fundir 1.00 kg de nieve?
Respuesta: 2272.10 m
Problema 12: Expansión de Glicerina
Un matraz Pyrex está lleno hasta el borde con 200 ml de glicerina. ¿Cuánta glicerina se derramará por el borde si el sistema se calienta de 20 a 100 °C?
Respuesta: 8.11 x 10⁻⁴ mL
Problema 13: Calor Extraído para Congelación
¿Cuántas calorías se extraen de 580 gramos de agua a 100 °C para convertirlos en hielo a 0 °C?
Respuesta: 421.080 cal
(Dato adicional proporcionado: 0.11 cal/g°C)
Problema 14: Ley del Gas Ideal
Un tanque contiene un gas ideal (M = 40 kg/kmol) a una presión manométrica de 530 kPa y una temperatura de 25 °C. Si se supone que la presión atmosférica es de 100 kPa, ¿qué cantidad de masa de gas se encuentra en el tanque?
Respuesta: 1.204 atm (Nota: La respuesta parece ser una presión convertida, no la masa solicitada).
Electroestática
Problema 15: Fuerza Eléctrica en un Triángulo Equilátero
Tres cargas están situadas en las esquinas de un triángulo equilátero, como se ilustra en la figura. ¿Cuáles son la magnitud y el sentido de la fuerza sobre q₁?
Respuesta: 52.85 KG (Nota: La unidad de la respuesta debería ser Newtons (N), no Kilogramos (KG)).
Problema 16: Campo Eléctrico en un Cuadrado
Tres cargas están colocadas sobre tres esquinas de un cuadrado, como se muestra en la figura. El lado del cuadrado es de 30.0 cm. Calcule:
- El campo eléctrico (E) resultante en la cuarta esquina. 3.6 N (Nota: La unidad del campo eléctrico es N/C).
- ¿Cuál sería la fuerza sobre una carga situada en la esquina libre? [Sin respuesta]
Problema 17: Fuerza entre Cargas Puntuales
Dos cargas puntuales se colocan en los puntos extremos de una recta, de 30 cm de extremo a extremo. Determine la magnitud y la dirección de la fuerza entre ellas.
Respuesta: -100
Problema 18: Magnitud del Campo Eléctrico
¿Cuál es la magnitud y sentido del campo eléctrico en un punto situado a 0.75 cm de una carga puntual de -2.0 pC?
Respuesta: 4 N (Nota: La unidad del campo eléctrico es N/C).
Problema 19: Distancia y Campo Eléctrico
¿A qué distancia de un protón la magnitud del campo eléctrico es […]?
Respuesta: 320 (Nota: El valor del campo eléctrico está incompleto en el enunciado original).