Experimento de Fisica

Difusión de tinta en agua

Para realizar nuestro experimento necesitamos un recipiente con agua fría, otro con agua caliente y tinta.

Si dejamos caer una gota de tinta en el recipiente con agua fría vemos que la tinta se difunde lentamente. Si a la vez dejamos caer una gota de tinta en el recipiente con agua caliente vemos que la tinta se mezcla con el agua con mayor rapidez.

Explicación:

Si se deja caer una gota de tinta en un recipiente con agua se observa que la tinta se difunde por el agua al cabo de un tiempo. Este fenómeno se debe al movimiento aleatorio de las moléculas de agua y se denomina difusión.

La teoría cinética considera que las moléculas de agua poseen un movimiento aleatorio que aumenta con la temperatura. Por tanto, en el recipiente con agua caliente las moléculas de agua se mueven con mayor velocidad que en el recipiente con agua fría. 

Si las moléculas se mueven con mayor velocidad aumentan los choques con las partículas que forman la tinta y se produce la difusión con mayor rapidez.

5.2.- SEGUNDO EXPERIMENTO
Material
-Una taza de cristal
-Agua
-Una pelota de ping-pong o parecida

Este experimento consiste en colocar agua en la taza sin llenarla para luego colocar una pelota en ella,  para demostrar que la pelota sigue la tensión superficial hacia el borde, luego se llena la taza casi a tirarse y se coloca la pelota de nuevo, esta seguirá la tensión superficial la cual la guiará hacia el centro de la taza.

En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.1 Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.

5.- EXPERIMENTOS

5.1.-PRIMER EXPERIMENTO
Material
- Un vaso de cristal
- Dos tenedores iguales
- Un palillo de madera

Este experimento consiste en entrelazar los dos tenedores, para posteriormente atorar con un extremo de un palillo de madero entre los dientes del los tenedores y con el otro extremo del palillo dejar caer el peso tocando la orilla de la boca del vaso de cristal.

Esto hace que  Un cuerpo se encuentra en estado de equilibrio traslacional si, y solo si. La suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre el es igual a cero.

4.3.- Polarización

Polarización es el proceso por el cual las oscilaciones transversales de un movimiento ondulatorio están confinadas a un patrón definido.

Se considera un ejemplo mecánico a partir de ondas transversales que se forman en una cuerda que se esta vibrando. Si la fuente de la onda hace que casa partícula de la cuerda vibre hacia arriba y hacia abajo en un mismo plano, las ondas están polarizadas en un plano. Si la cuerda vibra de tal manera que cada partícula se mueve al azar, en todos los ángulos posibles, las ondas no están polarizadas.

Polarizacion de una onda transversal

La polarización de una onda transversa considerando que la cuerda pasa por una rejilla. Las vibraciones no polarizadas pasan atreves de la rejilla A y emergen polarizadas en un plano vertical. Esta rejilla recibe el nombre de polarizador. Únicamente las ondas con vibraciones verticales pueden pasar atreves de la rejilla; las demás vibraciones son bloqueadas. LA regilla B se llama analizador por que puede usarse para probar si las ondas que llegan están polarizadas en un plano.

4.2.- Interferencia y Difracción

INTERFERENCIA

Cuando dos o mas ondas existen simultáneamente en el mismo medio

Hay dos tipos:

Interferencia constructiva

interferencia destructiva

DIFRACCIÓN

Es un fenómeno que se manifiesta cuando dos ondas pasan a través de una abertura o por el borde de un obstáculo, siempre se reflexionan en cierta medida hacia la región que no esta directamente expuesta a la fuente de luz, se considera la capacidad para reflectarse alrededor de los obstáculos que se encuentran en su trayectoria.

ejemplo cuando dos ondas acuosas inciden sobre una abertura estrecha

4.1.4.- Refracción Interna Total

La refracción interna total se presenta cuando la luz pasa, en forma oblicua, de un medio a otro de menor densidad óptica.

Considerar una fuente de luz sumergida en un medio. Observar los cuatro rayos A, B, C, D, que divergen de la fuente sumergida. El rayo A pasa por el medio 2 en dirección normal a la entre-cara. El ángulo de incidencia y el ángulo de refracción valen cero en este caso especial. El rayo B incide con un angulo1 y se refracta alejándose de la normal con el un angulo2. El angulo2 es mayor que el angulo1 por que el índice de refracción para el medio 1 es mayor que para el medio 2 (n1>n2). Cuando el ángulo de incidencia angulo1 aumenta, el ángulo de refracción angulo2 también aumenta hasta que el rayo refractado C emerge en forma tangencial a la superficie. El ángulo de incidencia ánguloC en el cuando esto ocurre, se conoce como el ángulo critico.

El ángulo crítico es el ángulo de incidencia límite en un medio más denso, que da por resultado un ángulo de refracción de 90 grados.

Un rayo que se aproxime a la superficie con un ángulo mayor que el ángulo critico es reflejado de nuevo al interior del medio 1. El rayo D no pasa al medio de arriba, si no que en la entre cara se refleja internamente en forma total. Este tipo de reflexión obedece a las mismas leyes.

4.1.3.- Lentes, Espejos y Prismas

Lentes

Un lente es un dispositivo transparente mediante el cual la luz converge o diverge hacia o desde un punto focal. Las lentes se utilizan abundantemente en el diseño de muchos instrumentos industriales, por lo cual es muy útil comprender como se forman las imágenes en ellas.

Tipos de lentes

* Lentes Convergentes *

Una Lente Convergente es la que refracta y converge la luz paralela hacia un punto focal situado más allá de la lente.

Tipos de lentes convergentes: 1- Biconvexa 2-Planoconvexa 3-Menisco Convergente

* Lentes Divergentes *

Lentes Divergentes es la que refracta y diverge luz paralela a partir de un punto situado frente a la lente.

Tipos de Lentes Divergentes: 1- Biconcava 2-Planoconcava 3-Menisco Divergente

Espejos

Un espejo es una superficie muy pulida que forma imágenes a causa de la reflexión espectacular de la luz. La imagen reflejada parece estar a la misma distancia, detrás del espejo, que la distancia a la cual se encuentra colocado el objeto real delante del espejo.

Construcción de la imagen de un objeto puntual formada por un espejo plano.

La imagen I formada por los rayos emitidos desde el punto O. Se han trazado cuatro rayos luminosos que parten de la fuente puntual de luz. El rayo luminoso OV es reflejado sobre si mismo por el espejo. Puesto que la luz reflejada parece haber recorrido la misma distancia que la luz incidente, la imagen se forma de una distancia igual, detrás del espejo, cuando se observa a lo largo de la normal superficie de reflexión. Cuando la luz reflejada se ve en el espejo desde cierto angulo, la conclusión es la misma: La distancia de la imagen q es igual a la distancia del objeto p, esto por que los ángulos de ambos lados son iguales.

Prismas

Un prisma es un objeto capaz de refractar, reflejar y descomponer la luz en los colores del arcoiris. Generalmente, estos objetos tienen la forma de un prisma triangular, de ahí su nombre.

Cuando la luz atraviesa un prisma —un objeto transparente con superficies planas y pulidas no paralelas—, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro.

De acuerdo con la ley de Snell, cuando la luz pasa del aire al vidrio del prisma disminuye su velocidad, desviando su trayectoria y formando un ángulo con respecto a la interface. Como consecuencia, se refleja o se refracta la luz. El ángulo de incidencia del haz de luz y los índices de refracción del prisma y el aire determinan la cantidad de luz que será reflejada, la cantidad que será refractada o si sucederá exclusivamente alguna de las dos cosas.

• Los prismas reflectivos son los que únicamente reflejan la luz, como son más fáciles de elaborar que los espejos, se utilizan en instrumentos ópticos como los prismáticos, los monoculares y otros.
• Los prismas dispersivos son usados para descomponer la luz en el espectro del arcoiris, porque el índice de refracción depende de la frecuencia, la luz blanca entrando al prisma es una mezcla de diferentes frecuencias y cada una se desvía de manera diferente. La luz azul es disminuida a menor velocidad que la luz roja.
• Los prismas polarizantes separan cada haz de luz en componentes de variante polarización.

4.1.2.- Principio de Fermat

El principio de Fermat establece que un rayo de luz viaja entre dos puntos a velocidad constante demorando el mínimo tiempo posible.

A partir de este principio de tiempo mínimo de Fermat, se pueden obtener las leyes de reflexión y la de refracción.

REFLEXIÓN

REFRACCIÓN

4.1.1.- Principio de Huygens

Huygens explico la propagación de la luz en términos del movimiento de una perturbación a través de la distancia entre una fuente y el ojo. Baso su argumento en un principio sencillo que es útil para describir la propagación de la luz. Suponga que se deja caer una piedra en un estanque de agua en reposo. Se produce una perturbación que se mueve en una serie de ondas concéntricas, alejándose al fondo del estanque. Este ejemplo indujo a Huygens a postular que las perturbaciones que se producen a todos los puntos a lo largo de un frente de ondas en movimiento en un instante determinado, pueden considerarse como fuentes para el frente de ondas en el siguiente instante.

El principio de Huygens establece:

Cada punto de un frente de onda que avanza puede considerarse una fuente de ondas secundarias llamadas pequeñas ondas. La nueva posición de ondas del frente de onda envuelve a las pequeñas ondas emitidas desde todos los puntos del frente de inda en su posición previa.

Principio de Huygens

Para una onda esferica

Para una onda plana

4.1.- Óptica Geométrica

La óptica geométrica se fundamenta en la teoría de los rayos de luz, la cual considera que cualquier objeto visible emite rayos rectos de luz en cada punto de él y en todas direcciones a su alrededor. Cuando estos rayos inciden sobre otros cuerpos pueden ser absorbidos, reflejados o desviados, pero si penetran en el ojo estimularan el sentido de la vista.

Dentro de esta rama de la óptica se estudian fenómenos importantes como lo son:

• Principio de Huygens.
• Principio de Fermat.
• Lentes, espejos y prismas.
• Reflexión interna total.

4.- Óptica

La Óptica se encarga de estudiar el comportamiento de la luz. Es, también, una de las ramas más antiguas: los fenómenos de reflexión y refracción se conocen desde la antigüedad, y genios como Newton dedicaron grandes esfuerzos a su estudio. La historia de la óptica cambió radicalmente con Maxwell, que relacionó la luz con las ondas electromagnéticas, dando lugar a la óptica física.

3.2.- Trabajo y Energía

Trabajo

Para que se realice un trabajo se deben cumplir tres requisitos:

1. Debe haber una fuerza aplicada.
2. La fuerza debe actuar a través de cierta distancia, llamada desplazamiento.
3. La fuerza debe tener una componente a lo largo del desplazamiento.

Trabajo es una cantidad escalar igual al producto de las magnitudes del desplazamiento y de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento

Trabajo= componente de la fuerza X desplazamiento

Trabajo= Fxs

El Trabajo también se puede expresar en función del angulo formado entre F y s:

Trabajo= (F cos ) s

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Ejemplo

¿Qué trabajo realiza una fuerza de 60 N al arrastrar un bloque atraves de una distancia de 50 metros, cuando la fuerza es transmitida a través de una cuerda que forma un angulo de 30° con la horizontal?

Solución:

Primero debemos determinar la componente Fx de la fuerza F de 60 N. Solo esta componente contribuye al trabajo. Esto se representa gráficamente dibujando a escala un vector de 60 N a un angulo de 30°. Midiendo Fx y convirtiéndola en newton se obtiene

Fx=52.0 N

Se puede hacer el mismo calculo por trigonometría utilizando la función coseno.

Fx=(60 N)(cos 30°)=52.0 N

Ahora aplicando la ecuación, se obtiene el trabajo:

Trabajo= FXs=(52.0 N)(50 m)

=2600 N . m

Energía

Energía cinética Ek: Energía que tiene un cuerpo en virtud de su movimiento.

Energia potencial Ep: Energía que tiene un sistema en virtud de su posición o condición.

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Problemas resueltos 

 

Ejemplo 1

Calcular la energía cinética de un mazo de 4 kg en el instante en que su velocidad es 24 m/s.

Solución:

Resultado = 1152 M . m = 1152 J

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Ejemplo 2

Una unidad comercial de aire acondicionado de 800 lb es elevada por medio de un montacargas a 22 ft sobre el piso. ¿Cuál es la energía potencial con respecto al piso?

Solución:

Resultado=17 600 ft . lb

3.1.- Segunda Ley de Newton

Siempre que una fuerza no equilibrada actúa sobre un cuerpo, en la dirección de la fuerza se produce una aceleración, que es directamente proporcional a la masa del cuerpo.

Formula Fuerza resultante=masa X aceleración F=ma

Unidades SI ----------> Fuerza (N)=Masa(kg) X Aceleración (m/s²)

Se a definido una nueva unidad de masa a partir de las unidades elegidas de libra (lb) para fuerza, y pies por segundo cuadrado (ft/s²) para la aceleración, se llama slug.

Unidades SUEU -----------> Fuerza (lb)=masa (slugs) X aceleración (ft/s²)

En cualquier sistema de unidades:

1. La masa de una partícula es igual a su peso dividido entre la aceleración de la gravedad.
2. El peso tiene las mismas unidades que la unidad de fuerza
3. La aceleración de la gravedad tiene las mismas unidades que la aceleración

            Peso=masa x Gravedad-----> w=mg  Por lo tanto

_______________________________________________________________________________

Problemas resueltos

ejemplo 1

¿Qué aceleración le impartirá una fuerza de 20 N a un cuerpo de 10 kg?

F= ma o a=F/m

a= 20 N / 10 kg = 2 m/s²

Resultado= aceleración= 2 m/s²

^{_____________________________________________________}

ejemplo 2

¿Qué fuerza resultante le impartirá a un cuerpo de 32 lb una aceleración de 5 ft/s2?

Solución:

Para calcular la fuerza resultante, primero debemos determinar la masa del cuerpo a partir del peso que aparece como dato.

Entonces,

F= ma = (1 slug)(5 ft/s2)=5 lb

Resultado= Fuerza resultante= 5 lb

^{_____________________________________________________}

ejemplo 3

¿Cuál es la masa de un cuerpo si una fuerza de 60 N le imparte una aceleración de 4 m/s2?

Solución:

A partir de la ley de Newton despejamos m, y queda

Resultado= masa= 15 kg

3.- Cinética

La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Esta definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee . Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética.

La cinética se manifiesta en el entorno por medio del:

• Segunda ley de newton.
• Trabajo y la energía.

2.5.- Movimiento Circular

El movimiento circular es el que se basa en un eje de giro y radio constante, por lo cual la trayectoria es una circunferencia. Si, además, la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular constante.

La velocidad lineal v de un objeto con movimiento circular se calcula a partir  del periodo T o de la frecuencia f:

La aceleración centrípeta a_c se calcula a partir de la velocidad lineal, el periodo o la frecuencia de la forma siguiente:

La fuerza centrípeta F_c es igual al producto de la masa m por la aceleración centrípeta ac esta dada por:

2.4.- Movimiento de Proyectiles

Movimiento de proyectiles es cuando un cuerpo se lanza libre en un  campo gravitacional en una dirección no vertical.

Un objeto que se lanza al espacio son fuerza de propulsión propia recibe el nombre proyectil. Si se desprecia la resistencia por el aire, la única fuerza que actúa sobre el proyectil es su peso, W, que hace que su trayectoria se desvié de la línea recta. El proyectil experimenta una aceleración constante hacia abajo por efecto de la gravedad.   

Considerando que el movimiento de un proyectil lanzado horizontalmente en un campo gravitacional.

La velocidad horizontal es constante y la velocidad vertical es inicialmente igual a cero. Por lo tanto, se determinan los desplazamientos de la siguiente manera:

Desplazamiento Horizontal 

Desplazamiento Vertical 

La velocidad final se obtiene partiendo de los componentes horizontal y vertical:

Velocidad Horizontal 

Velocidad Vertical 

---

Problema resuelto

Ejemplo

Un proyectil se lanza con una velocidad inicial de 400 ft/s con un ángulo de 30º por encima de la horizontal.

1 )- Cual es el tiempo necesario para que alcance su altura máxima?

Solución:

El punto máximo de la trayectoria del proyectil, la componente y de su velocidad es igual a cero. Así, el tiempo para llegar a esa altura se calcula a partir de

Sustituyendo los datos V0y y g, obtenemos

0= 200 ft/s + (-32 ft/s²)t

De donde

t=(200 ft/s)/(32 ft/s²) = 6.25s

Resultado= Alcance máximo en 6.25 segundos

2 )- Cual es el recorrido que hace el proyectil?

Solución:

El alcance del proyectil puede calcularse tomando en cuenta que el tiempo total t’ del vuelo total es igual a dos veces el tiempo que tarda en llegar al punto mas alto.

t’=2t=(2)(6.25 s) = 12.5 s

y el alcance es
R= V0xt’=(346 ft/s)(12.5 s)
=4325 ft

Resultado = Por lo tanto, el proyectil se eleva durante 6.25 s hasta una altura de 625 ft, y luego cae hacia el suelo a una distancia de 4325 ft respecto al punto de partida. 

2.3.- Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado

En la mayoría de los casos la velocidad de un objeto cambia mientras este se mueve. La razón a la que cambia la velocidad con respecto al tiempo se le llama aceleración.

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Problema resuelto

Ejemplo

Un automóvil se mueve con aceleración uniforme, desde una rapidez inicial de 12 m/s hasta una rapidez final de 22 m/s. si el incremento en la velocidad requiere 5 s,

1 )- Que aceleración hay?

Solución:

Resultado= La aceleracion es 2m/s²

2.2.- Movimiento Rectilíneo Uniforme

MRU se efectúa cuando un móvil sigue una trayectoria recta en la cual realiza desplazamientos iguales en tiempos iguales por lo tanto la velocidad permanece constante.

Para determinar la velocidad del MRU es necesario utilizar la siguiente formula.

2.1 Conceptos Básicos

Los elementos básicos de la Cinemática son:

Espacio:

En la mecánica clásica se admite la existencia de un espacio absoluto. Este espacio es el escenario donde ocurren todos los fenómenos físicos, y se supone que todas las leyes de la física se cumplen rigurosamente en todas las regiones de ese espacio.

Tiempo:

la Mecánica Clásica admite la existencia de un tiempo absoluto que transcurre del mismo modo en todas las regiones del universo y que es independiente de la existencia de los objetos materiales y de la ocurrencia de los fenómenos físicos.

Móvil:

El móvil más simple que podemos considerar es el punto material o partícula que es la que llevara acabo las representaciones de cada evento.

2.- Cinemática

Es la rama de la mecánica clásica que estudia las leyes del movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta las causas que lo producen, limitándose esencialmente, al estudio de la trayectoria en función del tiempo.

En la cinemática se utiliza un sistema de coordenadas para describir las trayectorias, denominado sistemas de referencia. La velocidad es el ritmo con que cambia la posición un cuerpo. La aceleración es el ritmo con que cambia su velocidad. La velocidad y la aceleración son las dos principales cantidades que describen cómo cambia su posición en función del tiempo.

1.4.1.- Primera Ley de Newton.

Un cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, a menos que una fuerza externa no equilibrada actué sobre él.

Fuerzas en equilibrio.

 Independientemente del orden en que se sumen los vectores, su resultante siempre es cero. El extremo del último vector siempre termina en el origen del primer vector.  

1.4.-Condiciones de equilibrio.

Existe una condición de equilibrio cuando la resultante de todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto es cero.  Cada fuerza externa se equilibra con la suma de todas las demás fuerzas externas cuando existe equilibrio.

La condición para que un cuerpo este en equilibrio es:

La ecuación representa un enunciado matemático de la primera condición de equilibrio:

"Un cuerpo se encuentra en estado de equilibrio traslacional si, y solo si. La suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre el es igual a cero".

1.3.2.- En el espacio

una fuerza F en el espacio tridimensional se puede descomponer en componentes rectangulares Fx , Fy  y  Fz. Denotado por:                    

Una fuerza de F se puede descomponer en una componente vertical Fy  y una componente horizontal Fh.

*Las componentes escalares correspondientes son: 

    

Fy= F cos θy       Fh= F sen  θy

*Fh se puede descomponer en dos componentes rectangulares Fx y Fz a lo largo de las ejes x  y  z respectivamente.

1.3.1.- En el plano

Todo vector se puede expresar como la suma de otros dos vectores a los cuales se les denomina componentes. Cuando las componentes forman un ángulo recto, se les llama componentes rectangulares.

Las componentes rectangulares de una fuerza en el plano, son todos los vectores coplanares que se encuentran delimitados por las coordenadas “X” e “Y”.

Las componentes rectangulares cumplen las siguientes relaciones.

1.3.- Componentes rectangulares de una fuerza

 Para determinar los componentes rectangulares de una fuerza se hace uso de la trigonometría del triángulo rectángulo simple, aplicando el conocimiento del teorema de Pitágoras. 

Los métodos trigonométricos pueden mejorar la precisión y la rapidez para encontrar los componentes de un vector. En la mayoría de los casos es, es útil utilizar ejes x y e imaginarios cuando se trabaja con vectores en forma analítica.

Los componentes de un vector en términos de magnitud F y su dirección

1.2.- Resultante de fuerzas coplanares

Las fuerzas se representan matemáticamente por vectores, ya que estos se definen como expresiones matemáticas de tienen una magnitud, dirección y sentido.

Las fuerzas coplanares, se encuentran en un mismo plano y en 2 ejes, a diferencia de las no coplanares que se encuentran en mas de un plano, es decir en 3 ejes.

Resultante de un sistema de vectores

 El resultante de un sistema de vectores es el vector que produce por si mismo, igual efecto que los demás vectores del sistema. Por  lo que el vector resultante es aquel capaz de sustituir un sistema de vectores.

La fuerza resultante es la fuerza individual que produce el mismo efecto tanto en la magnitud como en la dirección que dos o más fuerzas concurrentes

La equilibrante de un sistema de vectores, es el vector encargado de equilibrar el sistema. Tiene la misma magnitud y dirección que la resultante, pero con sentido contrario.