Fundamentos Esenciales de la Física: Conceptos Clave de Mecánica, Fluidos y Termodinámica

Mecánica: Estudio del Movimiento y las Fuerzas

Conceptos Fundamentales de la Mecánica

¿Qué es la Mecánica?: Es la ciencia que estudia el movimiento de un cuerpo bajo la influencia de fuerzas.
¿Qué es la Estática?: Es una rama de la física que estudia cómo actúan las fuerzas sobre los cuerpos en reposo (cuerpos quietos).
¿Qué es el Equilibrio?: Es el estado de un cuerpo cuando la suma de todas las fuerzas y momentos que actúan sobre él se contrarrestan, manteniéndolo en reposo sobre su base o punto de sustentación.

Masa y Fuerza

¿Qué es la Masa?: Es el fundamento de la materia.
Masa Pesada: Fundamento del peso o la atracción de las masas en los campos gravitatorios, sin movimiento.
Masa Inerte: Es la propiedad de oponerse a la variación del movimiento.
¿Qué es la Fuerza?: Es el principio motor del cambio de posición de un cuerpo, generando un resultado estático o dinámico.
Resultado Estático: Se ejerce una fuerza sobre un cuerpo que no tiene libertad de movimiento, ya sea empujándolo o tirando de él.
Resultado Dinámico: Se ejerce una fuerza sobre un cuerpo con total libertad de movimiento, transmitiéndole una aceleración.

Cinemática y Dinámica

Cinemática: Descripción del Movimiento

¿Qué es la Cinemática?: Describe propiamente los movimientos, sitúa a los cuerpos en el espacio y detalla sus movimientos basándose en los desplazamientos, las velocidades y las aceleraciones.
¿Qué es el Movimiento?: Se define como la variación de posición de un cuerpo en relación con otro cuerpo.
¿Qué es la Aceleración?: Es el incremento de velocidad en una fracción de tiempo determinada.

Tipos de Cambios en la Posición y Movimiento

Avanzando
Girando
Combinado

Tipos de Movimiento: Uniforme, No Uniforme (aceleración o desaceleración), Uniformemente Acelerado/Desacelerado, No Uniforme Acelerado/Desacelerado.

¿Qué es el Movimiento Uniforme?: Es uniforme mientras no interfiera en su recorrido ni aceleración ni desaceleración; su velocidad es, por lo tanto, constante.
¿Qué es el Movimiento No Uniforme?: Aquel que presenta aceleración al inicio y frenado (desaceleración) al final del movimiento.

Dinámica: Inercia, Trabajo y Energía

¿Qué es la Inercia?: Es la resistencia de los cuerpos a cambiar su estado de reposo o de movimiento sin la intervención de alguna fuerza.
¿Qué es la Dinámica?: Rama de la física que estudia las fuerzas que provocan el movimiento, incluyendo conceptos de trabajo y energía.
¿Qué es el Trabajo?: Es la acción de una fuerza con un objetivo. Ejemplos: trabajo de elevar, acelerar un objeto, de rozamiento, de dilatación o de presión.
¿Qué es la Energía?: Capacidad de realizar trabajo. Se produce, por ejemplo, cuando el cuerpo humano quema sustancias alimentarias para mantener funciones vitales, o cuando se mueve o habla.
Energía Potencial: Energía de reposo o disponible (ej. lípidos).
Energía Cinética: Energía asociada al movimiento. Las variables utilizadas en su estudio son masa, fuerza y energía.
¿Qué es la Potencia?: Trabajo que se desarrolla en un tiempo determinado.

Leyes Fundamentales de la Dinámica (Leyes de Newton)

Primera Ley de Newton (Ley de la Inercia): Todos los cuerpos, debido a su propia masa, se encuentran en reposo o en movimiento uniforme rectilíneo cuando no se ejerce ninguna fuerza neta sobre ellos.
Segunda Ley de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica): Existe una relación proporcional entre la magnitud de una fuerza, la masa que ha puesto en movimiento y la aceleración transmitida ($F=ma$).
Tercera Ley de Newton (Ley de Acción y Reacción): Cada acción provoca una reacción igual y opuesta a la ejercida.

Máquinas Simples: Palancas y Poleas

La Palanca

Es un segmento rígido que posee un punto fijo (fulcro) alrededor del cual puede ocurrir la rotación cuando se aplica sobre ella una fuerza externa o interna.

Elementos de la Palanca

F (Fulcro): Punto de apoyo o centro de rotación.
R (Resistencia): Carga a vencer o equilibrar.
P (Potencia): Fuerza que hay que generar para vencer o equilibrar la resistencia.
BR (Brazo de Resistencia): Distancia del fulcro (eje de rotación) al punto de aplicación de la resistencia.
BP (Brazo de Potencia): Distancia del fulcro al punto de aplicación de la potencia.

Ventaja y Desventaja Mecánica

Ventaja Mecánica: A medida que el Brazo de Potencia (BP) es mayor que el Brazo de Resistencia (BR), será menor la fuerza que tenemos que aplicar para vencer la resistencia.
Desventaja Mecánica: Ocurre cuando el Brazo de Potencia (BP) es menor respecto al Brazo de Resistencia (BR).

Clasificación de las Palancas

Palancas de Primer Género: El fulcro se encuentra entre la resistencia y la potencia.
Palancas de Segundo Género: El fulcro está en un extremo y la resistencia se encuentra entre el fulcro y la potencia.
Palancas de Tercer Género (o Interpotente): La potencia se aplica en un punto entre el fulcro y la resistencia (palancas de velocidad).

La Polea

Las poleas se utilizan para cambiar la dirección de una fuerza o para aumentar o disminuir la magnitud de la fuerza. En el cuerpo humano, más de tres prominencias óseas actúan como poleas.

Funciones de las Poleas (en el cuerpo)

Desviar la dirección de la fuerza.
Aumentar la ventaja mecánica del músculo (ej. la rótula modifica la trayectoria de las fibras musculares).

Polea Sencilla: Su propósito es cambiar la línea de acción de una fuerza.
Poleas Móviles: Este sistema de poleas distribuye el peso que se está levantando a través de un número de cuerdas, proveyendo ventaja mecánica.

Fluidos e Hidrostática

Definición de Fluidos

¿Qué son los Fluidos?: Conjunto de sustancias donde existe poca fuerza de atracción entre sus moléculas, careciendo de rigidez y elasticidad.
Fluidos Corporales: Son aquellas sustancias que pueden fluir o que se producen en el interior de los seres vivos, pudiendo ser líquidos o gases. Ejemplos: lágrima, moco, orina, saliva, flema.

Presión y Principios Hidrostáticos

¿Qué es la Presión?: Acto y resultado de comprimir.
Presión Promedio (o Media): Presión medida cuando el fluido está en reposo. La presión media coincide con la presión hidrostática.
¿Qué es la Presión Atmosférica?: Es la fuerza que ejerce la enorme cantidad de aire atmosférico sobre la superficie terrestre.
¿Qué son los Sólidos?: Generan presión solo hacia abajo.
¿Qué son los Líquidos?: Generan presión hacia todos los costados y hacia abajo.
¿Qué son los Gases?: Generan presión por todo su alrededor, en todas direcciones.
¿Qué es la Presión Hidrostática?: Es la rama de la mecánica que se especializa en el equilibrio de los fluidos.
Principio de Arquímedes: Todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascensional igual al peso del fluido desplazado.

Termodinámica y Calorimetría

Conceptos de Calor y Medición

¿Qué es la Calorimetría?: Es la parte de la física que se encarga de medir la cantidad de calor generada o perdida en ciertos procesos físicos o químicos. Cuando hay un cuerpo que transmite calor, hay otro que lo recibe.
Cuerpo: El calor y sus medidas.
Procesos Físicos: Cambios que no forman nuevas sustancias ni alteran sus propiedades químicas.
Procesos Químicos: Cambios que presentan las sustancias, donde pierden sus características originales y generan nuevas sustancias.
¿Qué es el Calor?: Es la energía que siente un ser vivo ante una temperatura (energía transferida debido a una diferencia de temperatura).
Capacidad Calorífica: Cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1 grado centígrado.
Calor Generado o Perdido: La cantidad de calor que el cuerpo intercambia y la variación de temperatura que sufre en este intercambio.