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La Energía interna que un cuerpo posee puede ser modificada intercambiando energía con el resto del Universo, dando lugar a cambios de temperatura en él y en el entorno. La termodinámica se ocupa de la dinámica de estos procesos. En esta sección se establece una conexión entre los conceptos de temperatura calor y energía interna. Se describen aspectos relacionados con los siguientes temas :
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Temperatura y Equilibrio Térmico
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Temperatura es una medida de la energía cinética de los átomos o moléculas que constituyen un objeto material cualquiera. Su medida se realiza a través de los cambios que experimentan algunas magnitudes físicas, cuando los cuerpos son sometidos a intercambios de energía térmica. Ejemplos de estas magnitudes son: el volumen, la presión, la resistencia eléctrica, y muchas otras que han dado lugar a diferentes formas de medir la temperatura. |
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En términos muy generales y aproximados, se puede decir que la temperatura es una magnitud proporcional a la energía cinética promedio que tienen las partículas, átomos o moléculas, que constituyen un cuerpo. Si todas las partículas de un cuerpo tuviesen la misma energía de movimiento la temperatura sería proporcional a esa energía. Cuando un cuerpo caliente entra en contacto con un cuerpo frío, se produce un intercambio de energía del cuerpo más caliente al más frío, debido a que las partículas del cuerpo caliente tienen más energía en promedio que las partículas del cuerpo frío.
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Puede ocurrir también que dos cuerpos que tienen igual temperatura entren en contacto, pero en movimiento uno respecto del otro, como cuando nos frotamos las manos o martillamos un clavo; aquí se produce un intercambio de energía entre las partículas de las superficies en contacto y por consiguiente un incremento de sus temperaturas. Para tener una mayor comprensión del concepto de temperatura es necesario profundizar en la teoría cinética del calor, tema que estudiarás en otro nivel.
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Equilibrio térmico . Con apoyo en el concepto de temperatura anteriormente descrito, se puede decir que dos cuerpos están en equilibrio térmico , cuando sus partículas no intercambian una cantidad neta de energía, siendo por consiguiente, iguales sus temperaturas. En este concepto se apoya la termodinámica para medir la temperatura de los cuerpos.
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¿Qué mide un termómetro? Un termómetro mide la temperatura, alcanzando el equilibrio térmico con el cuerpo al que se le quiere medir la temperatura.
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| ¿Cómo se hace un termómetro? |
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A este aparato se le conoce como Termoscopio de Galileo , por ser un aparato que solo detectaba los cambios de temperatura, pues no tenía una escala para medir con exactitud la temperatura, resultaba además inexacto por depender de la presión atmosférica, la cual experimenta variaciones de acuerdo a la hora del día, del clima del lugar y la altura sobre el nivel del mar. Se debe a Daniel Fahrenheit el invento de una forma de medir la temperatura en forma más confiable que el termoscopio de Galileo.
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Tipos de termómetros: Existen diferentes tipos de termómetros dependiendo de la propiedad o variable termométrica escogida.
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Termómetro de Gas a volumen constante: En este instrumento la variable que mide la temperatura es la presión de un gas que se mantiene a volumen constante. Se ha escogido este termómetro como patrón porque los valores de la temperatura que se obtienen con él son independientes del gas utilizado. |
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Pirómetro óptico: la temperatura del objeto (un horno por ejemplo) se obtiene comparando el color de la llama con el del filamento de una lámpara eléctrica.
La variable termométrica tiene que ver con la frecuencia de la luz, magnitud que determina el color de lo que vemos.
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Termómetro Metálico: En este caso se aprovecha la dilatación de dos varillas metálicas para medir la temperatura y la variable termométrica esta relacionada con el cambio de longitud de las dos varillas. El calentamiento hace que una espiral bimetálica se curve, moviendo la aguja que señala el valor de la temperatura. |
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Termómetro Clínico: debido al estrechamiento en la base del tubo capilar, la columna de Hg (Mercurio) no puede regresar al depósito. Por ello, este termómetro sigue indicando la temperatura de una persona, aunque ya no esté en contacto con ella. La variable utilizada para medir la temperatura es la longitud de la columna de mercurio. |
| Termómetro de Máxima y Mínima: este aparato indica, por medio de dos índices, las temperaturas máxima y mínima que se producen en cierto intervalo de tiempo. |
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Termómetro de Resistencia: En este termómetro se mide la temperatura de los cuerpos a través de los cambios que experimenta la resistencia de un material con la energía térmica. |
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Termómetro de par metálico: La variable para medir la temperatura es el voltaje generado en la unión de dos metales diferentes, el cual varía al cambiar la temperatura.
El sistema tiene dos uniones metálicas: una es usada como sensor de la temperatura y la otra es mantenida a una temperatura de referencia. Este termómetro es muy exacto y se puede utilizar para muchas aplicaciones donde otros resultan limitados.
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Andrés Celsius
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Escalas de Temperatura. En el en año 1714, un fabricante de instrumentos holandés de nombre Daniel Fahrenheit, construyó un termómetro de mercurio que indicaba 32° para la temperatura de congelación del agua y 212° para la temperatura de ebullición, más tarde, en 1741, un astrónomo sueco de nombre Andrés Celsius diseño una nueva escala, llamada escala Celsius en la cual 100° correspondía al punto de congelamiento del agua y 0° al de ebullición. Al cabo de unos años esto fue invertido y al punto de ebullición le fue asignado el valor de 100°. Estas dos escalas se llamadas hoy día, Fahrenheit y Celsius respectivamente.
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Para convertir de una escala a otra puede utilizarse la ecuación: 
Donde C representa la temperatura en grados Celsius y F la temperatura en grados Fahrenheit.
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Temperatura Absoluta Un termómetro de alcohol y un termómetro de mercurio aunque coincidan al medir la temperatura del punto de congelación y el de ebullición del agua, difieren al medir cualquier temperatura intermedia. Dependiendo del termómetro y de la escala de temperatura que utilice, los valores de la temperatura que un determinado termómetro puede medir para un mismo fenómeno, son diferentes; y como en el caso mencionado al principio del párrafo, termómetros calibrados en la misma escala, difieren en el valor medido cuando las sustancias o las variables termométricas son distintas.
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Sin embargo, es posible definir una escala de temperatura independiente de la sustancia que se utilice y que refleje con mayor cercanía el concepto de temperatura como medida de la energía de las partículas. Esta es la escala absoluta de temperatura, en la cual existe un cero absoluto por debajo del cual no existe ninguna temperatura y corresponde a un estado en el cual la energía de las partículas, átomos o moléculas, es mínima. Para medir en esta escala de temperaturas se utiliza un termómetro de gas a volumen constante , el cual utiliza como sustancia termométrica, un gas en un estado particular llamado gas ideal. En esta escala, se le asigna al estado en el cual coexisten: el agua líquida, el hielo y el vapor de agua, llamado punto triple del agua, una temperatura igual a 273,16. La razón de esto se debe a que este estado sólo ocurre a una temperatura y presión específica. A la unidad de temperatura de esta escala se le llama Kelvin y se denota con la letra K (no °K) y es la unidad de temperatura adoptada por el sistema internacional de medidas. El tamaño de un kelvin es igual al tamaño de un grado centígrado, de tal manera que para convertir grados centígrados a Kelvin se le suma la cantidad 273.16 a la temperatura en grados centígrados y el resultado será la temperatura en kelvin, es decir: T=Tc + 27316.
Calor, Energía Interna y Trabajo
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Fenómenos térmicos.
Cuando tenemos frío en nuestras manos podemos hacer dos cosas para calentarlas, una de ellas, es acercarlas a un objeto que esté más caliente que nosotros y otra, frotar las manos entre si. En el primer caso, el calentamiento se produce por el contacto o la cercanía de un objeto más caliente que nosotros mismos, pero en el segundo caso, no hay objetos más calientes que nosotros, son nuestras manos a la misma Temperatura.
De manera similar podemos calentar un clavo de dos formas distintas: o metiéndolo en el fuego o golpeándolo con un martillo. En un caso el clavo es calentado por algo más caliente que él y en el otro por los golpes o por fricción entre las partes. En el lenguaje común se habla de Calor suministrado en ambos casos; sin embargo, en el lenguaje de la Física la descripción se hace con el concepto de energía. Según esta visión, todos los cuerpos tienen una energía, llamada energía interna, que puede ser alterada interactuando con su entorno; cuando la interacción ocurre por contacto con un cuerpo más caliente o más frío se habla de energía calórica, y cuando ocurre por fricción o por golpes con otro objeto material, como el caso del martillo y el clavo, se habla de energía mecánica o trabajo .
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| La imagen animada ilustra, en forma aproximada, como ocurre el intercambio de energía cuando dos cuerpos están a diferentes temperaturas. El color naranja está asociado con una temperatura más alta que el color verde. El color amarillo representa una temperatura intermedia alcanzada por los dos cuerpos después de intercambiar energía calórica y obtener el equilibrio térmico (igual temperatura) |
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En el lenguaje común se habla del Calor suministrado en ambos casos, sin dar ninguna explicación sobre la naturaleza del Calor pero como se dice en la Evolución Histórica del Concepto de Calor , este concepto ha experimentado cambios en el ámbito de la Física, pasando a formar parte de un lenguaje diferente, el lenguaje de la energía: Según esta visión, en ambos casos los cuerpos que interactúan intercambian energía, produciéndose cambios en la temperatura a consecuencia de ellos. |
En este tipo de fenómenos, denominados térmicos debido a la importancia que tiene la temperatura en ellos, es necesario definir una magnitud física llamada energía interna, para describir en forma coherente lo que ocurre. |
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¿Qué es la Energía Interna?
Para comprender los fenómenos térmicos es necesario imaginar los cuerpos materiales como almacenes de partículas dotadas de movimiento de diferentes tipos: vibración, rotación y traslación. Cada uno de estos movimientos pueden ser transferidos a otra partícula que no lo tenga, mediante algún tipo de interacción, como por ejemplo choques o acciones ejercidas a distancia. Se dice en estos casos que las partículas tienen energía, la cual puede ser aumentada o disminuida, aumentando cualquiera de estos tipos de movimientos o todos a la vez.
| Vibración |
Rotación |
Traslación |
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La Energía Total de un objeto material depende del número de partículas que tenga, de la energía cinética de cada una de ellas y de la energía proveniente de las interacciones entre ellas. Esta energía total es la Energía Interna que tiene el cuerpo. |
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Esto quiere decir que un objeto material tiene mucha energía interna por tres razones: o porque tiene muchas partículas o átomos componentes, o porque sus átomos o partículas componentes tienen una energía muy alta., o ambas cosas a la vez, como ocurre en el caso de una estrella.
Desde este punto de vista cuando calentamos un clavo ya sea con una vela o martillándolo, lo que se hace es incrementar la energía de sus partículas componentes, aumentando de esta manera su energía interna.
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¿Qué es el Calor?
Cuando se transfiere energía de un cuerpo a otro porque las temperaturas de los cuerpos son diferentes se dice que se ha transferido energía calórica o calor. La energía calórica o calor fluye de los cuerpos más calientes hacia los más fríos. Para entender cómo ocurre esto, es necesario apoyarse en el concepto deTemperatura. |
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Actualmente se habla de calor en Física solamente en aquellos casos donde se transfiere energía por diferencia de temperatura, las otras situaciones donde se produce calentamiento hay que explicarlas sin uso del término calor, como es el caso del calentamiento del clavo por efecto del martilleo sobre él.
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Variación de la energía interna efectuando trabajo mecánico. Otra forma de calentar o enfriar un cuerpo es por medio del trabajo mecánico, ejemplos de esto ocurren cuando nos frotamos las manos para calentarlas, cuando nos lanzamos por un tobogán largo, cuando se martilla un clavo, cuando se pule la superficie de un carro y un sin número de otras experiencias donde los cuerpos se calientan por el mero roce entre sus partes, pero en ninguno de esos casos, el calentamiento de los cuerpos ocurre por el contacto con una fuente a más alta temperatura. |
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Se habla de trabajo mecánico porque se aplica una fuerza sobre los cuerpos y se produce un desplazamiento de ellos a consecuencia de esa fuerza. El Trabajo mecánico se mide a través del producto de la componente de la fuerza que actúa en un cuerpo en la dirección del desplazamiento, multiplicada por el desplazamiento, es decir:
Trabajo = Fuerza D* Desplazamiento
Donde Fuerza D, es la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.
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Para entender cómo ocurre la transferencia de energía, es necesario imaginar las superficies de los cuerpos en contacto y pensar que las partículas o átomos de una superficie están interactuando con los átomos de la otra, transfiriéndose así el movimiento producido por las fuerzas que actúan sobre ambos materiales.
En estos casos la energía interna de ambos cuerpos aumenta porque aumentó su temperatura, es decir aumentó la energía de sus partículas, a consecuencia del roce entre los cuerpos.
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Fenómenos relacionados con la Variación de Energía Interna.
Expansión o Dilatación térmica:
Cuando un cuerpo es calentado de cualquier forma ya sea mediante el trabajo o mediante el calor, se produce un incremento de la energía interna del cuerpo, que da lugar a que sus átomos o moléculas se alejen entre sí, produciendo una expansión del material en la mayoría de los casos y por consiguiente una disminución de su densidad, es decir una disminución de la masa del material por cada unidad de volumen ocupado. |
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En las siguientes figuras se muestran diferentes formas de mostrar la expansión térmica dependiendo del estado físico de la materia.
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Dilatación de los Gases
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Dilatación de los líquidos por el Calor
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Dilatación lineal de una barra sólida
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Convección
Cuando calentamos agua en una olla, el fondo de la olla es calentado por una fuente de energía térmica, transmitiendo esta energía al agua que está en contacto con él. Esta agua sube hacia la parte superior, mientras el agua fría que está en la parte superior baja hasta al fondo para ser calentada, este proceso continua hasta que toda el agua alcanza una temperatura igual y comienza a hervir
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| Un fenómeno similar ocurre con el aire de la atmósfera, el cual es calentado por la superficie de la Tierra cuando la energía proveniente del Sol incide sobre ella, originando así las llamadas corrientes térmicas o termales de la atmósfera en las que se apoyan algunas aves para ascender en el aire sin tener que agitar las alas. |
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El complejo sistema de vientos que existe en la atmósfera ocurre de manera similar.
A este tipo de movimiento se llama convección natural o simplemente movimiento convectivo. Ocurre en los fluidos (gases y líquidos), mientras se mantenga una diferencia de temperatura entre partes de él.
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Conductividad Térmica. Si tomas un clavo de hierro largo por un extremo y la acercas al fuego, sentirás que al cabo de un pequeño lapso de tiempo se pondrá caliente en el extremo que estás sosteniendo. |
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Cuando se calienta un material, el incremento de la energía interna se propaga en el material, de la parte más caliente a la más fría y poco a poco se va calentando todo el material. En algunos materiales este movimiento de la energía ocurre con mayor rapidez que en otros, clasificándose los materiales en malos y buenos conductores de la energía térmica; en general, los buenos conductores de la electricidad son muy buenos conductores de la energía térmica.
Radiación.
La radiación es otra manera de aumentar la energía interna de un cuerpo o de disminuirla. Esta energía proviene de las cargas eléctricas que contienen los átomos en vibración, produciéndose una onda electromagnética que se propaga en el espacio y que transporta la energía. Es ésta la forma como nos llega energía del Sol o de las lámparas incandescentes, produciendo un incremento de la energía interna de los cuerpos que la reciben. Sin embargo no es exclusiva de estos cuerpos, pues todo cuerpo caliente emite energía en forma de radiación electromagnética, como ocurre con nosotros los humanos o los animales, la cual puede ser detectada por instrumentos especiales, como las gafas de visión nocturna para uso militar. La energía emitida por un cuerpo en forma de radiación depende de cuarta potencia de su temperatura absoluta y de la superficie del mismo. (ver página recomendada)
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Cambios de Estado.
Cuando se calienta agua hasta hacerla hervir se transforma en vapor de agua o cuando el hielo se calienta llega un momento en que empieza a derretirse y se transforma en agua líquida; en estos casos se dice que se ha producido un cambio de estado físico. Se habla de cambios de estado cuando la materia experimenta cambios en su estructura física.
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| No son estos los únicos cambios de estado que se pueden producir en la naturaleza, existen otros, como por ejemplo, el que experimenta el hielo seco que utilizan los carritos de helados para mantenerlos a baja temperatura; esta sustancia es dióxido de Carbono en estado sólido el cual se transforma a vapor a temperatura ambiente, cambio de estado conocido como sublimación. |
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Para provocar un cambio de estado es necesario suministrar o quitar energía, aumentando o disminuyendo la energía interna del objeto al cual se le va a producir el cambio de estado. La energía intercambiada altera la energía de las moléculas o átomos del material, modificando así su capacidad de moverse con más o menos libertad. La libertad de movimiento aumenta al pasar de estado sólido a líquido, de igual manera al pasar de líquido a gas y en los procesos inversos ocurre lo contrario. Cuando ocurre un cambio de estado la temperatura, es decir la energía promedio por átomo o molécula permanece constante mientras dure el proceso, la energía que se intercambie durante los cambios de estado, se emplea en alterar la fuerza con que se encuentran ligadas las moléculas unas con otras, aumentando o disminuyendo su libertad de movimiento.
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Tipos de cambios de estado.
1) Fusión: Pasaje del estado sólido a líquido.
2) Solidificación: Pasaje del estado líquido a sólido.
3) Ebullición: Pasaje del estado líquido a vapor o gas.
4) Condensación: Pasaje de vapor a líquido.
5) Evaporación: desprendimiento de moléculas de una sustancia líquida en forma de vapor sin que la sustancia esté en el punto de ebullición.
6) Sublimación: pasaje de una sustancia en estado sólido a vapor.
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Existen otros cambios en la estructura que son catalogados como cambios de fase que no son mencionados aquí por no estar dentro de los objetivos de este material
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Mecánica es el estudio del movimiento, su causas y consecuencias En esta sección encontrarás algunos conceptos básicos de mecánica necesarios para en el estudio de ella, tales como posición, desplazamiento, rapidez, velocidad, aceleración y fuerza orientados hacia el estudio del movimiento lineal. Se desarrollan los temas:
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La posición de un objeto es aquella información que permite localizarlo en el espacio en un instante de tiempo determinado.
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Importancia del concepto de posición
Una de las inquietudes más antiguas del hombre fue la observación del cielo, la interpretación de lo que allí ocurría representó un misterio en el pasado y aún hoy día lo sigue siendo; el hombre observó la influencia de los astros sobre su vida y sobre la naturaleza en general, de allí fue naciendo un cuerpo de conocimiento que con el pasar del tiempo ha dado lugar a importantes teorías y precisiones sobre el mundo sideral. Como resultado de estas observaciones se determinó con rigurosa exactitud, la posición del Sol, la Luna y los demás cuerpos celestes cada día del año; así nacieron los primeros astrónomos y observatorios astronómicos de los cuales han quedado vestigios importantes en diferentes culturas ya desaparecidas
¿Qué es el desplazamiento?
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Moverse es desplazarse y desplazarse es cambiar de posición. Una manera de darse cuenta del movimiento de un cuerpo es a través del cambio de posición. Si un cuerpo material cambia su posición con respecto a otro escogido como referencia, se puede afirmar que ese cuerpo se ha desplazado.
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Hoy día se sabe que el polo Norte celeste, parte de la bóveda celeste que está encima del polo norte se mueve en un pequeño círculo y vuelve a su posición original cada 26.000 años, de igual manera observando las estrellas, justo antes del amanecer y justo antes de la puesta del Sol se puede ver que éste cambia lentamente su posición respecto a las estrellas cada día, volviendo a su punto de partida después de 365 días y cuarto.
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Los movimientos de las estrellas, del Sol y de los planetas (vínculo con la Historia) han sido detectados observando los cambios de posición de estos objetos en el cielo durante períodos relativamente largos de tiempo, la observación de estos desplazamientos ha permitido al hombre diferenciar estrellas de planetas, determinar planetas en otras estrellas, separar galaxias de otros astros, estudiar la influencia del movimiento del Sol sobre el clima de nuestro planeta y otros fenómenos importantes que tienen que ver con el movimiento de la Tierra en el cielo, ampliando así el conocimiento sobre el Universo donde él habita.
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Podemos distinguir al observar el movimiento de dos carros en la calle, cuál de ellos se mueve más rápido y cuál se mueve más lento. La base de nuestra afirmación está apoyada en una comparación casi inconsciente que hacemos de los dos movimientos, un movimiento es tomado como patrón o referencia para medir la rapidez del otro y los resultados de tal comparación pueden ser: o más rápido que, o menos rápido que, o igual que; Un observador diría que uno de los vehículos recorre: o más distancia, o menos distancia, o igual distancia que el otro en el mismo intervalo de tiempo.
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Rapidez es eso: distancia recorrida por unidad de tiempo (sean cuales sean las unidades que se utilicen para medir el tiempo y la distancia). Desde la antigüedad el hombre ha desarrollado todo tipo de ingenios para medir la distancia, desde la vara hasta la cinta métrica de hoy día, pasando por mecanismos interesantes como el Odómetro de Hero hasta el cuentakilómetros de un carro. De igual manera lo ha hecho con el tiempo, utilizando desde la duración del día, las fases de la Luna, la revolución solar hasta la oscilación de un átomo para construir los precisos relojes atómicos.
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Tipos de rapidez
Un objeto material cualquiera puede moverse de diferentes maneras, puede hacerlo con una rapidez constante o variable, puede moverse en línea recta o curva, puede ir y venir en una dirección determinada, etc. Son prácticamente infinitas las formas de moverse, sin embargo hay dos tipos de rapidez para describirlos. Una es la rapidez que en cada instante de tiempo tienen los cuerpos cuando se mueven en un cierto intervalo de tiempo, y otra la que nos informa sobre la rapidez con que ocurrió todo el proceso en ese intervalo de tiempo. La primera se llama rapidez instantánea y la segunda se llama rapidez promedio o rapidez media.
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En la siguiente animación se observan un camión y una moto desplazándose a lo largo de una calle. El camión se desplaza con rapidez variable y la moto se desplaza con rapidez constante. En este caso la rapidez media del camión es igual a la de la moto pues ambos parten al mismo tiempo y llegan simultáneamente al final de la calle.
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Definición de rapidez media:
Rapidez media es el cociente entre la distancia recorrida por un objeto material y el intervalo de tiempo empleado en recorrer esa distancia. Operacionalmente es:
Esta definición es válida para cualquier tipo de movimiento curvo o rectilíneo.
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Definición de rapidez instantánea.
Existen movimientos con desplazamientos variables por unidad de tiempo, se dice en estos casos que la rapidez es variable en el tiempo. La rapidez instantánea se refiere a la rapidez que en cada instante tiene un cuerpo en este tipo de movimientos. Parece contradictorio hablar de algo que se está moviendo en un instante de tiempo, pues para que haya movimiento es necesario que haya desplazamiento y esto ocurre al transcurrir el tiempo. El concepto se refiere a la rapidez que el objeto tiene en intervalos de tiempo tan cortos ( ¡casi cero! ) que se puede considerar que la rapidez se mantiene constante en ese intervalo.
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De hecho una manera de medirlo se basa en esta idea, la rapidez se deriva del cociente entre un desplazamiento muy pequeño y el intervalo correspondiente de tiempo, el cual será muy pequeño también..
Si un cuerpo se mueve con rapidez constante, la rapidez media e instantánea coincidirán en valor numérico aunque ambos conceptos tengan significados diferentes |
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Significado de la rapidez media.
En la figura se muestra una vista área de el camino seguido por un móvil(carro, persona, animal, avión, cohete, etc), el cual partiendo del punto A llega al punto B en 4 minutos. Luego avanza de B a C y tarda 5 minutos en hacerlo. Finalmente avanza de C a D y tarda 7 minutos en recorrer ese tramo. Cada trayecto recto del camino tiene la misma longitud y es igual a 200 metros.
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La longitud completa del camino desde A hasta D es de 12 km. y el tiempo empleado en recorrerlo es de 7 horas, la rapidez media para este trayecto es:
Este resultado nos dice que si el móvil se desplaza con una rapidez constante de 2,25 km/hora recorrerá el trayecto completo de 600 metros en 16 minutos. Aunque el movimiento haya sido con rapidez variable, la rapidez promedio o media nos da información global sobre la rapidez del movimiento.
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¿Cómo se mide la rapidez?
Cada fenómeno requiere de un diseño particular y especial para medir la rapidez. No es lo mismo medir la rapidez del viento que la rapidez de un carro o la de la Luz. A continuación algunos ejemplos sobre la medida de la rapidez.
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¿Qué es la velocidad?
Tubo de Pitot
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En el estudio del movimiento no sólo es importante conocer qué tan rápido es éste, sino también conocer su dirección. Esta información se agrupa en un concepto definido en la Física como Velocidad.
¿Cómo se puede determinar la dirección del viento?
En la sección ¿Qué es la rapidez? se mostró como medir la rapidez instantánea del viento, en está sección se muestra con qué instrumento se puede determinar la dirección de la velocidad.
La veleta.
La veleta sirve para indicar la dirección del viento. Te invito para que construyas tu propiaveleta.
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¿Qué es la velocidad?
Es una Magnitud vectorial que se ha definido para describir no solamente la rapidez con la que se mueve un cuerpo sino también la dirección en que lo hace, determinando la dirección por medio del ángulo formado por dos semi-rectas, una de ellas tomada como referencia y la otra paralela al desplazamiento.
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En la figura el avión se dirige a 10 m/s (rapidez) en la dirección 45° al Nor-Este. En este caso una de las semi-rectas es paralela al Ecuador y la otra es paralela al desplazamiento del avión.
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La velocidad, además, es una magnitud relativa al sistema de referencia desde el cual se observa el movimiento, por consiguiente distintos observadores de un mismo movimiento medirán velocidades diferentes de acuerdo a su plataforma de observación, obteniendo no solamente rapideces diferentes, sino también direcciones diferentes.
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Para aumentar la comprensión de esta idea, imagine que está Ud. sentado en una rueda de parque y tiene enfrente a un compañero/a de clase con el cual juegan a lanzarse una pelota. Si la rueda de parque está detenida, no tendrán problema alguno en atrapar la pelota; pero si alguien pone la rueda en movimiento, surgirá una dificultad para alcanzarla, aunque el lanzador apunte directamente al receptor. Dependiendo del sentido en que gire la rueda, tendrán que lanzarla a un costado o a otro para que el contrario pueda recibirla. Por otra parte, tendrán Uds. la percepción de que la pelota ¡realiza una curva extraña!, versión que no coincidirá con la de un observador externo en tierra. Esa diferencia de opiniones, es una muestra de la relatividad del movimiento. (Practica este juego en el parque y comprueba lo que aquí se dice)
Tipos de velocidad.
Un objeto material cualquiera puede moverse de diferentes maneras, puede hacerlo con una rapidez constante o variable, puede moverse en línea recta o curva, puede ir y venir en una dirección determinada, etc. Aunque son prácticamente infinitas las formas de moverse, sólo hay dos tipos de velocidad para describirlos, la velocidad que en cada instante de tiempo tienen los cuerpos cuando se mueven en un cierto intervalo de tiempo y, una velocidad que da cuenta de la rapidez con que ocurrió todo el proceso en ese intervalo de tiempo y de la dirección espacial efectiva en la cual ocurrió. La primera se llama velocidad instantánea y la segunda se llama velocidad promedio o velocidad media.
Se define primero la velocidad media por ser más simple que la velocidad instantánea. En la figura el cuerpo que se mueve en línea recta lo hace con la velocidad media del movimiento realizado por el cuerpo en la trayectoria curva. La dirección de la velocidad media es la de la línea recta entre los puntos y la dirección de la velocidad instantánea está representada por el segmento tangente a la curva en cada punto de ella.
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Velocidad media.
La magnitud de la velocidad media es el cociente entre el número que representa la magnitud del desplazamiento durante un intervalo de tiempo y el número que representa al intervalo de tiempo transcurrido:
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Velocidad instantánea.
Definir la velocidad en un instante de tiempo parece contradictorio, pues cuando un objeto se desplaza necesariamente ha transcurrido el tiempo, pero en cambio el término instantáneo parece indicar lo contrario. La definición rigurosa de velocidad instantánea escapa del alcance de este trabajo, pero explicaremos aquí el proceso para medirla en forma aproximada.
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Cuando un cuerpo se mueve con velocidad variable y se quiere medir la velocidad en un determinado instante de tiempo del movimiento, se hace el cociente entre un desplazamiento muy corto y el intervalo de tiempo empleado en recorrerlo, tomando como parte del intervalo de tiempo al instante de interés, este resultado es tan sólo aproximado, pues lo corto de un intervalo de tiempo o de una distancia depende de la capacidad de los instrumentos desarrollados hoy en día para medirlos. |
Significado de la velocidad media.
Para comprender el significado de la velocidad media se estudiará el siguiente caso.
Una persona sale de paseo en carro desde la ciudad donde vive a un pueblo cercano, en el camino se estaciona para echar gasolina, avanza hasta un puesto de comida y se detiene de nuevo para comer, se desvía del camino por un camino con muchas curvas y luego regresa al camino principal que es recto, luego avanza hasta que llega a su destino. El cuenta kilómetros marca 70 km de recorrido, entre la ciudad y el pueblo hay una distancia de 50 km en línea recta y tarda 1 hora en hacer el viaje.
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Este es un movimiento realizado con velocidad variable: al comenzar el paseo, el carro parte del reposo, luego se detiene a comer o a echar gasolina entonces su rapidez se reduce a cero, cuando aborda la parte curva del camino tiene que cambiar de dirección constantemente y al final al llegar a su destino se detiene de nuevo. El desplazamiento efectivo en este viaje fue de 50 km. y fue recorrido en 1 hora, por consiguiente la magnitud de la velocidad media es de 50km/hora y su dirección es la de la línea recta que une la ciudad con el pueblo. Si el vehículo pudiese moverse en línea recta de la ciudad al pueblo con una rapidez constante de 50km/hora emplearía el mismo tiempo, es decir una hora. ¿Cuál fue la rapidez media del movimiento y qué significa? Para contestar esta pregunta recuerda que la rapidez no es un vector y que rapidez media no es lo mismo que la magnitud de la velocidad media.
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Aceleración
Significa cambio de la velocidad en el tiempo. Siempre que la velocidad de un cuerpo cambia al transcurrir el tiempo, ya sea porque cambia su magnitud o su dirección o ambas cosas a la vez, se puede afirmar que existe aceleración. (Ver página recomendada: relacionados con la aceleración) |
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La caída libre.
La caída libre es un fenómeno relacionado con la aceleración, fue un problema importante desde la antigüedad y su comprensión ha evolucionado a lo largo de la historia. Los cimientos de su explicación tal cual como se entiende hoy día fueron establecidos por Galileo Galilei (1564-1642), afirmando para la posteridad que para pequeñas alturas, todos los cuerpos caen en la Tierra con la misma aceleración si se ignora la resistencia del aire. |
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Historia del Ascensor
A pesar de que las grúas y ascensores primitivos, accionados con energía humana y animal o con norias de agua, estaban en uso ya en el siglo III a.C., el ascensor moderno es en gran parte un producto del siglo XIX. La mayoría de los elevadores del siglo XIX eran accionados por una máquina de vapor, ya fuera directamente o a través de algún tipo de tracción hidráulica.
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A principios del siglo XIX los ascensores de pistón hidráulico ya se usaban en algunas fábricas europeas. En este modelo la cabina estaba montada sobre un émbolo de acero hueco que caía en una perforación cilíndrica en el suelo. El agua forzada dentro del cilindro a presión subía el émbolo y la cabina, que caían debido a la gravedad cuando el agua se liberaba de dicha presión. En las primeras instalaciones la válvula principal para controlar la corriente de agua se manejaba de forma manual mediante sistemas de cuerdas que funcionaban verticalmente a través de la cabina. El control de palanca y las válvulas piloto que regulaban la aceleración y la deceleración fueron mejoras posteriores.
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En el precursor del ascensor de tracción moderno las cuerdas de elevación pasaban a través de una rueda dirigida por correas, o polea, para hacer contrapeso en las guías. La fuerza descendente que ejercen los dos pesos sostenía la cuerda estirada contra su polea, creando la suficiente fricción adhesiva o tracción entre las dos como para que la polea siguiera tirando de la cuerda.
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En 1853 el inventor y fabricante estadounidense Elisha Otis exhibió un ascensor equipado con un dispositivo (llamado seguro) para parar la caída de la cabina si la cuerda de izado se rompía. En ese caso, un resorte haría funcionar dos trinquetes sobre la cabina, forzándolos a engancharse a los soportes de los lados del hueco, así como al soporte de la cabina.
Fuerza, Leyes de Newton y Fuerza de empuje
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La gran síntesis sobre el movimiento, a velocidades más pequeñas que la de la Luz, fue realizada por Isaac Newton y expuesta en tres leyes de aparente sencillez que aplicadas a cualquier cuerpo moviéndose o en reposo puede describir su comportamiento.
Fuerza y Leyes de Newton y por qué los barcos flotan.
Para comprender el movimiento de los cuerpos materiales es necesario considerar que éstos no se pueden aislar del resto del universo; debemos considerar por el contrario su interacción con el resto del Universo.
Las Leyes de Newton son un intento de describir esas interacciones de manera general y en cada una de ellas está presente el concepto de interacción entre cuerpos diferentes y lo que ellas describen son las consecuencias de esas interacciones.
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Se expondrán aquí las leyes de Newton tal cual él las escribió y las interpretaciones que hacemos de ellas desde un punto de vista posterior a Newton haciendo énfasis en el concepto de interacción. |
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Primera Ley de Newton.
“ Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser en tanto que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado”.
Interpretando esta ley se puede decir que todo cuerpo estará en equilibrio, a menos que, por causa de la interacción con otro u otros cuerpos el equilibrio se rompa. Se entiende el equilibrio como un estado donde el cuerpo está en reposo o, se mueve con velocidad constante y ello ocurre porque las influencias externas están balanceadas o neutralizadas.
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Segunda Ley de Newton.
“El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime”
Esta afirmación de Newton fue modificada posteriormente por el matemático suizo Leonardo Euler quien le dio la forma que hoy conocemos y que podemos enunciar así: La fuerza no equilibrada o resultante actuando sobre un cuerpo es igual al producto de la masa por su aceleración.
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Interpretando esta ley se puede decir que cuando un objeto material es desequilibrado por la acción de otros cuerpos, es decir cuando su velocidad varía o es acelerado por otros:. La intensidad de la interacción es medida por medio del producto de la masa por la aceleración y a ese producto lo denominamos fuerza.
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Tercera Ley de Newton.
“Con toda acción siempre ocurre una reacción igual y contraria: O sea, las acciones mutuas siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas”.
Esta ley describe lo que ocurre entre dos cuerpos que interactúan entre si y la interpretamos de la siguiente manera: la interacción entre dos cuerpos, medida a través de la fuerza, es la misma para ambos cuerpos interactuando, pero las aceleraciones que adquieren, aunque están en la misma dirección, son de sentidos opuestos.
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Aplicación: La Fuerza de Empuje
Una pelota flotando en un tanque lleno de agua está en equilibrio. Sin embargo, si no existiera el agua, la pelota descendería hasta el fondo del tanque como ocurre con cualquier cuerpo en la Tierra. El hecho de que permanezca en reposo en el agua, significa que la caída está neutralizada por la presencia del agua: la acción del agua es contraria a la acción de la gravedad., y en el punto donde la pelota está en reposo, ambas acciones se equilibran. Si la pelota es sumergida por la acción de una fuerza adicional(la mano), la acción del agua hacia arriba se hace mayor, y al soltarla, sube, sale del agua y cae de nuevo, oscilando hasta que adquiere la posición inicial. Empuje se llama a la acción que ejerce el agua hacia arriba y Peso se llama a la acción que ejerce la Tierra hacia abajo.
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Arquímedes un sabio de la antigua Grecia estudio y descubrió aspectos muy importantes sobre El Empuje. Esta acción dijo él, es igual al peso del volumen de agua que el cuerpo desaloja con su parte sumergida. Hoy día, gracias a Arquímedes podemos entender porque un barco construido con acero puede flotar en el agua., aunque sabemos que el acero se hunde en ella.
Explicación: Si el cuerpo se deforma de tal manera que aumente su volumen, entonces se puede aumentar el volumen de agua desalojada y por consiguiente el Empuje. Cuando un barco flota su peso es igual al peso del volumen de agua desalojado.
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