FÍSICA 2: enero 2018

jueves, 25 de enero de 2018

CUESTIONARIO DE REPASO UNIDAD 1. PARTE 2

INSTRUCCIONES: SELECCIONE LA RESPUESTA CORRECTA EN CADA UNA DE LAS SIGUIENTES PREGUNTAS, NO OLVIDE ESCRIBIR SUS OPERACIONES.

CUESTIONARIO DE REPASO UNIDAD 1

NOMBRE DEL ALUMNO:_______________________________________________________

INSTRUCCIONES: CONTESTA LO QUE SE TE PIDE A CONTINUACION.

· ¿Qué estudia la hidráulica?

· ¿Qué es un fluido?

· Escribe dos propiedades de los fluidos:

· ¿Qué característica de los fluidos se refiere a la resistencia de un líquido para aumentar su superficie?. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero, desplazarse por la superficie del agua sin hundirse.

· ¿A qué se refiere la característica de los fluidos llamada capilaridad?

· ¿Qué es la hidrostática?

· ¿Qué es la densidad?

· Esta característica de los líquidos se define como: “la resistencia de un liquido a fluir”. ¿A qué característica se refiere?.

· ¿Qué es la presión?

· ¿Qué es la presión atmosférica?

· Si se aplica una fuerza “x” sobre una superficie de 50 m cuadrados y luego esa misma fuerza es aplicada sobre una de 25 m cuadrados, ¿en cual de las dos superficies existe mayor presión y porque?

· Explique la paradoja de Stevin

· Calcular la densidad de un trozo de hierro cuya masa es de 140 g y ocupa un volumen de 15.69 cm³.

· Para cuantificar la densidad de un aceite se midieron 10 cm³ y se determino su masa en un valor de 9.15 g. a) determine su densidad. B) después se mezclo el aceite con 10 cm³ de agua, después de un tiempo mencione que sustancia quedara arriba y cual abajo en el recipiente que los contiene y porque sucede esto.

· Calcular la densidad de un cuerpo rectangular que mide 12 cm de largo,16 cm de ancho y 22cm de alto y su masa es de 2550 g.

· Con un martillo se aplica una fuerza de 1128 kgf sobre un clavo cuya area es de 45 mm². Determine el valor de la presión que ejerce el calvo al introducirse en la pared, expresar el resultado en a)kgf/mm² y en b) Pascales (N/m²).

· Calcular la fuerza que debe aplicarse sobre un area de 0.98 m² para que exista una presión de 4120 pa.

· Calcular la presión hidrostática en el fondo de una alberca de 17m de profundidad si se sabe que la densidad del agua es de 1000 kg/m³

· Una persona que ejerce una presión de 0.45 kgf/cm² al dar el paso; si el area de uno de sus zapatos es de 220 cm³ calcule su peso en kg y en N.

· Calcular la profundidad a la que se encuentra sumergido un submarino en el mar, cuando soporta una presión de 7X10⁶ N/m². La densidad del agua del mar es de 1020 kg/m³.

· El empuje que recibe un cuerpo sumergido en un liquido tiene un valor igual al:

· La presión absoluta se obtiene al sumar las presiones:

· ¿Qué fuerza se obtendrá en el embolo mayor de una prensa hidráulica cuya area es de 100 cm² cuando en el embolo menor de area igual 15 cm² se aplica una fuerza de 200 N?

F=fA/a

BLOQUE 2. CALOR Y TEMPERATURA

CALOR

El calor es una cantidad de energía y es una expresión del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo.

Cuando el calor entra en un cuerpo se produce calentamiento y cuando sale, enfriamiento. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo

TEMPERATURA

La temperatura es la medida del calor de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede rendir).

DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo, esto no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

Como ya dijimos, el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía. El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y de su tipo. La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.

Por ejemplo, si hacemos hervir agua en dos recipientes de diferente tamaño, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100° C, pero el que tiene más agua posee mayor cantidad de calor.

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.

La temperatura no es energía sino una medida de ella; sin embargo, el calor sí es energía.

ESCALAS DE TEMPERATURA

CELSIUS: fue establecida en 1729 por el biólogo sueco Anders Celsius, se llama centigrada porque hay 100 divisiones entre sus dos puntos extremos, un de ellos es 0°c "punto de congelación del agua y nivel del mar", y el otro extremo es 100°c "punto de ebullición del agua, a nivel del mar".

FAHRENHEIT: fue establecida por Gabriel Daniel Fahrenheit quien en 1742 construyo el primer termómetro. la escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas no científicas y en ella el punto de congelación del agua se define como 32 °f y su punto de ebullición como 212 °f.

KELVIN: es la escala termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °c. la magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por k, se define como igual a un grado celsius. fue establecida por convenio internacional, es la unidad de temperatura del sistema internacional de unidades. inventada por el matemático y físico británico William Thompson lora kelvin. en esta escala el cero es la temperatura a la cual cesa la actividad cinética molecular y la temperatura más pequeña que se puede medir.

"EL CERO ABSOLUTO"

es la temperatura mas baja posible. a esta temperatura el nivel de energía del sistema es el mas bajo por lo que las partículas, según la mecánica cuántica, el cero absoluto debe tener una energía residual, llamada energía de punto cero, para poder así cumplir de la indeterminación de Heidelberg. el cero absoluto sirve de punto de partida tanto para la escala de kelvin como para la escala de Rankin. el cero absoluto se logra cuando deseamos medir una temperatura que esta por debajo de 0°c.

FORMAS DE PROPAGACION DE CALOR

La energía calorífica se transmite de unos cuerpos a otros por efecto de una diferencia de temperatura. Se puede propagar por conducción, convección y radiación.

"CONDUCCION"

De manera general en los sólidos es la forma como viaja el calor, por su conductividad térmica, se clasifican en conductores o aislantes y son los metales los mejores conductores.

EJEMPLOS:

Cuando se calienta un sartén, el flujo de calor en el se propaga hasta el mango por conducción.

En los sólidos como una barrilla de fierro, si se calienta el calor se propaga por conducción.

Las paredes de una casa están construidas de metales que estos tienen conductividad térmica constante y no dependen de posicion o de temperatura.

"CONVECCION"

cuando en influido existen dos extremos con temperatura diferente, como en un vaso con agua caliente al que se agrega agua fría, el agua caliente sube produciendo corrientes llamadas de convección, las cuales desplaza a las masas de agua fría hasta que la temperatura se equilibra.

EJEMPLOS:

Al calentar un líquido apreciamos un movimiento: la parte caliente se mueve hacia arriba y la fría hacia abajo, esto se debe a la convección.

Otro ejemplo seria el refrigerador: la sustancia refrigerante circula por los conductores, el color azul nos indica la temperatura baja y el rojo la temperatura alta.

Las corrientes de convección forzada hacen que circule el agua caliente y que se regrese al horno, la habitación se calienta debido a las corrientes de convección natural en el aire.

"RADIACION"

cuando el calor se transporta por ondas electromagnéticas incluso, a través del vacio puede viajar. es el caso de la radiación infrarroja y ultravioleta, del calor que del sol que viaja junto a la luz solar. todos los cuerpos irradian calor, y los cuerpos de color blanco lo rechazan y los de color negro lo absorben.

EJEMPLOS:

El foco también emite calor en forma de radiación por medio de ondas de luz.

En el vacio y a veces en algunos gases como el aire, la energía calorífica se propaga por radiación.

La luz que nos llega del sol transporta calor o energía por medio de radiación.

EJEMPLOS DE CONVERSION DE ESCALAS DE TEMPERATURA

EJERCICIOS
INSTRUCCIONES: CONVIERTA A LA ESCALA QUE SE INDICA LAS SIGUIENTES MEDICIONES DE TEMPERATURA, NO OLVIDE ANOTAR SUS OPERACIONES:

RESUMEN DE LA HIDRODINAMICA

HIDRODINAMICA

INTRODUCCION.

La hidrodinámica es la parte de la hidráulica que estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento. Para ello considera, entre otras cosas: la velocidad, la presión, el flujo y el gasto del líquido. En el estudio de la hidrodinámica, el teorema de Bernoulli, que trata de la Ley de la Conservación de la Energía, es de primordial importancia, pues señala que la suma de las energías cinética, potencial y de presión de un líquido en movimiento en un punto determinado es igual a la de otro punto cualquiera. La mecánica de los fluidos investiga las propiedades de un fluido ideal sin fricción y también estudia las características de un fluido viscoso en el cual se presenta fricción. Un fluido es compresible cuando su densidad varia de acuerdo con la presión que recibe; tal es el caso del aire y otros gases estudiados por la aerodinámica. La hidrodinámica investiga fundamentalmente a los fluidos incompresibles, es decir, a los líquidos, pues su densidad casi no varía cuando cambia la presión ejercida sobre ellos.

APLICACIONES

Las aplicaciones de la hidrodinámica se evidencian en el diseño de canales, puertos, presas, cascos de barcos, hélices. turbinas y ductos en general con objeto de facilitar el estudio de los líquidos en movimiento, generalmente se hacen las siguientes suposiciones:

1. Los líquidos son completamente incompresibles.

2. Se considera despreciable la viscosidad. Es decir, se supone que los líquidos son ideales, por ello no presentan resistencia al flujo, lo cual permite depreciar las pérdidas de energía mecánica producidas por su viscosidad; pues, como sabemos, durante el movimiento se generan fuerzas tangenciales entre las diferentes capas de un líquido.

3. El flujo de los líquidos se supone estacionario o de régimen estable. Esto sucede cuandó la velocidad de toda partícula del líquido es igual al pasar por el mismo punto.

GASTO Y FLUJO

Gasto: cantidad o volumen de fluido que pasa a través de un conducto, y el tiempo que tarda en fluir, puede calcularse también si se considera la velocidad que lleva el líquido y se conoce el área de la sección transversal de la tubería.

Flujo: es la cantidad de masa del fluido que fluye a través de una tubería en un segundo, también se define como la densidad de un cuerpo, es la relación que existe entre la masa y el volumen.

Formula para gasto:

donde:

G= gasto expresado en m^3/s

v= Volumen del líquido en m^3

t= tiempo expresado en segundos

FORMULA PARA EL FLUJO:

F=m/t

donde:

F= flujo

m= masa del líquido en kg

t= tiempo en segundos

ó también podemos usar:

F=pG

donde:

F= flujo en Kg/s

p= Densidad en Kg/m^3

G= gasto en m^3/s

Por lo tanto la Ecuación de Continuidad dice que la cantidad de liquido que pasa por un punto de una tubería, es la misma de que pasa por otro punto de la misma aunque tenga diferente área.

EJEMPLOS:

Problema 1.- Calcular el gasto de agua que pasa a través de una tubería al fluir $\displaystyle 1.8{{m}^{3}}$ en medio minuto.

Solución: Lo primero que haremos será analizar nuestros datos:

G = ?

V = $\displaystyle 1.8{{m}^{3}}$

t = $\displaystyle 0.5\min \left( \frac{60s}{1\min } \right)=30s$

Aplicando la fórmula de Gasto:

$\displaystyle G=\frac{1.8{{m}^{3}}}{30s}=0.06\frac{{{m}^{3}}}{s}$

Problema 2.- Calcular el tiempo que tardará en llenarse un tanque cuya capacidad es de 8 m^3 al suministrarle un gasto de 60 l/s

Solución: Coloquemos nuestros datos:

t = ?

V = 8 m^3

G = 60 l/s

No podemos manejar el gasto con unidades de (litro/segundo) , por lo que debemos de convertir esos litros a metros cúbicos, el factor de conversión es 1 metro cúbico = 1000 litros.

$\displaystyle G=60\frac{l}{s}\left( \frac{1{{m}^{3}}}{1000l} \right)=0.06\frac{{{m}^{3}}}{s}$

Una vez teniendo el Gasto en las unidades del SI (Sistema Internacional), ahora es momento de ver la fórmula a utilizar:

$\displaystyle G=\frac{V}{t}$

Despejando al tiempo “t”

$\displaystyle t=\frac{V}{G}$

Sustituyendo

$\displaystyle t=\frac{V}{G}=\frac{8{{m}^{3}}}{0.06\frac{{{m}^{3}}}{s}}=133.33s$

Algo aproximado a los 2 minutos con 22 segundos

Problema 3.- Determinar el diámetro que debe tener una tubería, para que el gasto sea de 0.5 m^3/s a una velocidad de 6 m/s .

Solución: Bien, este problema requiere de un análisis más minucioso a los ejercicios anteriores, pero partamos de nuestros datos:

d = ?

G = 0.5 m^3/s

v = 6 m/s

Hay una fórmula del gasto que menciona la relación entre la velocidad y el área, por lo que usaremos esa:

$\displaystyle G=vA$

Vamos a despejar al “área” ya que de ahí podremos calcular el diámetro circular de la tubería.

$\displaystyle A=\frac{G}{v}$

Sustituyendo datos en la fórmula:

$\displaystyle A=\frac{G}{v}=\frac{0.5\frac{{{m}^{3}}}{s}}{6\frac{m}{s}}=0.0833{{m}^{2}}$

Pero si nos referimos al área de un círculo, sabemos que:

$\displaystyle A=\frac{\pi {{d}^{2}}}{4}$

Despejando al “diámetro”

$\displaystyle d=\sqrt{\frac{4A}{\pi }}$

Ahora es momento de obtener el diámetro en la fórmula:

$\displaystyle d=\sqrt{\frac{4\left( 0.0833 \right)}{\pi }}=0.326m$

Lo que nos da un diámetro de 0.326 metros.

TEOREMA DE BERNOULLI
El físico suizo Bernoulli descubrió que la presión de un liquido que fluye por una tubería es baja si su velocidad es alta y su presion es alta si su velocidad es baja, por tanto, la Ley de la Conservación de la Energía también se cumple cuando los líquidos están en movimiento. Con base en sus estudios, Bernoulli enunció el siguiente teorema que lleva su nombre: En un liquido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de las energías cinétíca, potencial y de presion que tiene el líquido en un punto, es a la suma de estas energías en otro punto cualquiera.

TEOREMA DE TORRICELLI

El teorema de Torricelli es una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad. A partir del teorema de Torricelli se puede calcular el caudal de salida de un líquido por un orificio. “La velocidad de un líquido en una vasija abierta, por un orificio, es la que tendría un cuerpo cualquiera, cayendo libremente en el vacío desde el nivel del líquido hasta el centro de gravedad del orificio”.

TUBO DE PITOT

El tubo de Pitot se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento, presión remanente opresión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica).

Lo inventó el ingeniero francés Henri Pitot en 1732. Lo modificó Henry Darcy, en 1858. Se utiliza mucho para medir la velocidad del viento en aparatos aéreos y para cuantificar las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales.

Mide la velocidad en un punto dado de la corriente de flujo, no la media de la velocidad del viento.

TUBO DE VENTURI

El Tubo de Venturi fue creado por el físico e inventor italiano Giovanni Battista Venturi. Según él este era un dispositivo para medir el gasto de un fluido, es decir, la cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una diferencia de presión entre el lugar por donde entra la corriente y el punto, calibrable, de mínima sección del tubo, en donde su parte ancha final actúa como difusor.

Problema 4.- Por una tubería fluyen 2300 litros de agua en un minuto, calcular:

Dato: densidad del agua 1000 kg/m^3

a) El gasto

b) El flujo

Solución: Bien, lo primero es tomar los datos que nos aporta el problema, así que:

G = ?

F = ?

V = 2300 litros

t = 1 minuto = 60 segundos

Necesitamos convertir los 2300 litros a metros cúbicos, para ello recurrimos a nuestro factor de conversión.

$\displaystyle V=2300l\left( \frac{1{{m}^{3}}}{1000l} \right)=2.3{{m}^{3}}$

Ahora si podemos calcular el gasto:

$\displaystyle G=\frac{2.3{{m}^{3}}}{60s}=0.0383\frac{{{m}^{3}}}{s}$

Teniendo el gasto, pasemos a calcular el flujo, que es el producto del gasto por la densidad del líquido.

$\displaystyle F=G\rho =(0.0383\frac{{{m}^{3}}}{s})(1000\frac{kg}{{{m}^{3}}})=38.3\frac{kg}{s}$

Lo que equivale a tener 38.3 kilogramos de agua por cada segundo.

EJERCICIOS

1.- Calcular el gasto de agua por una tubería al circular 1.5 m³ en ¼ de minuto.

2.- Calcular el tiempo que tardara en llenarse un tanque cuya capacidad es de 10 m³ al suministrarle un gasto de 40 litros/s.

3.-Calcular el gasto de agua por una tubería de diámetro igual 5.08 cm, cuando la velocidad del líquido es de 4 m/s.

4.- Por una tubería fluyen 1800 litros de agua en 1 minuto, calcular;

a) gasto

b) flujo

5.-Por una tubería fluye 1800 litros de agua en un minuto, calcular:

A) Gasto

B) Flujo

6.- Una llave tiene una sección de 4cm2 y proporciona un volumen de 30L en un minuto. Calcular a que equivale el gasto y la velocidad del líquido.

7.-Calcular el gasto del agua por una tubería, así como el flujo, al circular 4 m³ en 0.5 minutos.

8.-Para llenar un tanque de almacenamiento de gasolina se envió un gasto de 0.1 m³/s durante un tiempo de 200 s. ¿Qué volumen tienen el tanque?

9.- Calcular el tiempo que tardará en llenarse una alberca, cuya capacidad es de 400 m³, si se alimenta recibiendo un gasto de 10 l/s. Dar la respuesta en minutos y horas.

10.-Determine el gasto de petróleo crudo que circula por una tubería de área = 0.05 m² de sección transversal y la velocidad del líquido es de 2m/s.

11.-¿Cuál es el gasto de agua en una tubería que tiene un diámetro de 3.81 cm, cuando la velocidad del líquido es de 1.8 m/s?

12.-Calcular el diámetro que debe tener una tubería, para que el gasto sea de 0.03m³/s a una velocidad de 1 m/s.

13.-Por una tubería de 3.81 cm de diámetro circula agua a una velocidad de 3 m/s en una parte de la tubería hay un estrechamiento y el diámetro es de 2.54 cm. ¿Qué velocidad lleva el agua en ese punto?

14.-Por una tubería de 4 cm de diámetro, circula agua a una velocidad de 1.6 m/s. Calcular la velocidad que llevará el agua al pasar por un estrechamiento de la tubería donde el diámetro es de 2 cm.