El estudio de las leyes fundamentales de la Física ha sido dividido convencionalmente en las siguientes disciplinas: Mecánica, donde es estudiado el movimiento de los cuerpos a través de la introducción del concepto de partícula puntual y las leyes de Newton aplicadas a dichas partículas, introduciendo finalmente el concepto de campo gravitacional; Electromagnetismo, donde son estudiadas las interacciones electrostática y magnetostática, introduciendo los conceptos de potenciales y campos (de forma equivalente al campo gravitacional) y posteriormente la interacción electromagnética; Oscilaciones y Ondas, donde cabe estudiar los fenómenos ondulatorios, basándose en los conceptos de campo y potencial introducidos anteriormente. A diferencia de la descripción mecánica de los fenómenos Físicos, donde se involucra el movimiento macroscópico de partículas, en los fenómenos ondulatorios es importante comprender el transporte de energía y momento sin transporte de masa. El estudio de las oscilaciones mecánicas (con su analogía eléctrica) y la forma como estas oscilaciones generan las ondas elásticas (ondas en medios continuos: ondas en una cuerda, ondas sonoras, ondas sísmicas) es la forma más natural de iniciar el estudio de fenómenos ondulatorios. Posteriormente son estudiadas las ondas electromagnéticas, las cuales no necesitan de un medio material para propagarse (ondas de radio, ondas de TV, microondas, luz), pero cuya generación puede ser entendida a nivel microscópico por oscilaciones más complejas que las oscilaciones electromecánicas (como moléculas dipolares rotantes, dipolos eléctricos y magnéticos oscilantes, o partículas cargadas aceleradas). Este curso hace parte de la formación básica de estudiantes de ciencia e ingeniería, donde son estudiados y aplicados los fenómenos oscilatorios y ondulatorios, como en ingeniería ambiental donde los fenómenos de contaminación auditiva son comunes, ingeniería eléctrica, electrónica, mecatrónica y telecomunicaciones, donde el estudio de la generación y propagación de señales en fundamental, en Geología donde cada vez es más necesario estudiar la sub-superficie con técnicas no invasivas como el radar o las ondas sísmicas y en general en otras áreas donde las vibraciones, oscilaciones y ondas sean de interés.
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Learning objectives
- Cinemática de la rotación: velocidad angular y aceleración angular
- Energía cinética de rotación
- Cálculo del momento de inercia
- La segunda ley de newton en la rotación
- Aplicación de la segunda ley de newton en la rotación
- Objetos rodantes
- Naturaleza vectorial de la rotación
- Momento angular
- Conservación del momento angular
- Leyes de kepler
- Ley de la gravitación de newton
- Equilibrio estático y elasticidad
- Fluidos
- Presión en un fluido
- Flotación y principio de arquímedes
- Fluidos en movimiento
- Oscilaciones
- Movimiento armónico simple
- Energía del movimiento armónico simple
- Algunos sistemas oscilantes
- Oscilaciones amortiguadas
- Oscilaciones forzadas y resonancia
- Movimiento ondulatorio
- Superposición de ondas estacionarias
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Syllabus
Introducción
Estimados estudiantes,
Como parte del curso de matemáticas universitarias de primer año, es importante que tengan a su disposición los recursos adecuados para ayudarlos a comprender y dominar los conceptos y técnicas que se presentarán en el transcurso del semestre.
Es por eso que les recomiendo algunos de los libros más populares y ampliamente utilizados en cursos universitarios de cálculo diferencial e integral de primer año, los cuales han recibido críticas positivas por su claridad y enfoque pedagógico. Estos libros son:
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Syllabus
Estimados estudiantes,
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Es por eso que les recomiendo algunos de los libros más populares y ampliamente utilizados en cursos universitarios de cálculo diferencial e integral de primer año, los cuales han recibido críticas positivas por su claridad y enfoque pedagógico. Estos libros son:
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El movimiento circular uniforme se refiere a un movimiento en el que un objeto se desplaza en una trayectoria circular con una velocidad constante. En este tipo de movimiento, la aceleración es dirigida hacia el centro de la trayectoria y tiene una magnitud constante.
Para describir el movimiento circular uniforme, se utilizan las siguientes ecuaciones:
Ecuación de la velocidad angular: La velocidad angular (ω) representa la rapidez a la que el objeto rota alrededor de la trayectoria circular y se mide en radianes por segundo (rad/s). La ecuación para la velocidad angular es:
ω = Δθ / Δt
Donde:
ω es la velocidad angular.
Δθ es el cambio en el ángulo en radianes.
Δt es el cambio en el tiempo en segundos.
Ecuación de la velocidad tangencial: La velocidad tangencial (v) es la velocidad a la que el objeto se desplaza a lo largo de la trayectoria circular. La ecuación para la velocidad tangencial es:
v = r * ω
Donde:
v es la velocidad tangencial.
r es el radio de la trayectoria circular.
ω es la velocidad angular.
Ecuación de la aceleración centrípeta: La aceleración centrípeta (a) es la aceleración dirigida hacia el centro de la trayectoria circular y tiene una magnitud constante. La ecuación para la aceleración centrípeta es:
a = v² / r
Donde:
a es la aceleración centrípeta.
v es la velocidad tangencial.
r es el radio de la trayectoria circular.
Estas ecuaciones son fundamentales para describir el movimiento circular uniforme y relacionar la velocidad angular, velocidad tangencial y aceleración centrípeta en un sistema circular.
El número π (pi) es una constante matemática que representa la relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro. Surge de manera inherente en la geometría y ha sido estudiado y utilizado por matemáticos durante siglos.
La relación entre la circunferencia (C) de un círculo y su diámetro (d) se expresa matemáticamente como:
C = π * d
Dado que el valor de π es constante, independiente del tamaño del círculo, su valor se ha determinado con precisión a través de diversos métodos y aproximaciones a lo largo de la historia.
La historia del descubrimiento de π se remonta a la antigüedad. Los antiguos egipcios y babilonios ya conocían aproximaciones de π, aunque no se tenía un valor exacto. Sin embargo, la aproximación más precisa antes de la era moderna se atribuye a los matemáticos griegos.
El matemático griego Arquímedes (287 a.C. - 212 a.C.) fue uno de los primeros en utilizar un enfoque geométrico para calcular una estimación de π. Utilizó polígonos regulares inscritos y circunscritos en una circunferencia para calcular límites superior e inferior de π. Arquímedes demostró que π se encuentra entre 3 1/7 (aproximación inferior) y 3 10/71 (aproximación superior).
Con el avance de la matemática y los métodos de cálculo, se han desarrollado diversas fórmulas y algoritmos para calcular π con mayor precisión. El uso de computadoras ha permitido calcular millones e incluso billones de decimales de π.
En la actualidad, π es una constante matemática bien conocida y se utiliza en una amplia gama de campos científicos y técnicos, como la física, la ingeniería, la estadística y muchas otras disciplinas. Además, π tiene propiedades matemáticas interesantes y es objeto de estudio en teoría de números y análisis matemático.
Para demostrar la ecuación de la aceleración centrípeta, partiremos de la definición de aceleración centrípeta y utilizaremos conceptos básicos de cinemática y geometría.
La aceleración centrípeta (a) es la aceleración experimentada por un objeto en movimiento circular uniforme y está dirigida hacia el centro de la trayectoria circular. La aceleración centrípeta se define como la tasa de cambio de la velocidad tangencial (v) con respecto al tiempo (t):
a = dv/dt
Para simplificar la demostración, asumiremos que el objeto se mueve en una trayectoria circular de radio r.
La velocidad tangencial (v) en un movimiento circular uniforme está relacionada con la velocidad angular (ω) y el radio (r) mediante la ecuación:
v = r * ω
Derivamos esta ecuación con respecto al tiempo para obtener la tasa de cambio de la velocidad tangencial:
dv/dt = r * dω/dt
Ahora, utilizaremos la ecuación de la velocidad angular ω = Δθ / Δt, donde Δθ es el cambio en el ángulo en un tiempo Δt. Si consideramos que el objeto completa una vuelta completa (2π radianes) en un tiempo T, podemos expresar la velocidad angular como:
ω = (2π rad) / T
Sustituyendo esta expresión en la ecuación anterior, obtenemos:
dv/dt = r * (2π / T)
Ahora, recordemos que la velocidad tangencial (v) es igual a la distancia recorrida (C) dividida por el tiempo (T):
v = C / T
Pero la distancia recorrida en una trayectoria circular es igual a la circunferencia del círculo (C = 2πr). Sustituyendo esto en la ecuación, tenemos:
v = (2πr) / T
Ahora podemos reescribir la ecuación de la tasa de cambio de la velocidad tangencial (dv/dt) como:
dv/dt = (r/T) * (2π)
Comparando esta ecuación con la ecuación obtenida anteriormente para dv/dt, podemos concluir que:
(r/T) * (2π) = r * (2π / T)
Esto nos lleva a:
(r/T) * (2π) = r * (dω/dt)
Cancelando r y 2π en ambos lados de la ecuación, obtenemos:
(dω/dt) = (r/T)
La derivada de la velocidad angular con respecto al tiempo (dω/dt) es la aceleración angular (α). Entonces, podemos reescribir la ecuación como:
α = (r/T)
Dado que el tiempo necesario para completar una vuelta (T) es igual a 2π dividido por la velocidad angular (ω = 2π/T), podemos sustituir T en la ecuación:
α = (r / (2π/ω))
Simplificando la expresión, obtenemos:
α = (r * ω) / (2π)
Pero recordemos que la velocidad tangencial (v) es igual a r * ω. Entonces, podemos reemplazar r * ω en la ecuación:
α = v / (2π)
Finalmente, si recordamos que la aceleración centrípeta (a) es igual a la aceleración angular (α) multiplicada por r, podemos escribir la ecuación de la aceleración centrípeta:
a = v² / r
Esta es la ecuación de la aceleración centrípeta en un movimiento circular uniforme.
La velocidad angular media (ω̄), también conocida como frecuencia angular, representa la rapidez promedio a la que un objeto rota alrededor de una trayectoria circular en un determinado intervalo de tiempo. Podemos demostrar la relación entre la velocidad angular media y el período utilizando la siguiente demostración:
La velocidad angular (ω) se define como el cambio en el ángulo (Δθ) dividido por el cambio en el tiempo (Δt):
ω = Δθ / Δt
Para obtener la velocidad angular media, consideremos un objeto que completa una vuelta completa (2π radianes) en un período T.
El ángulo total recorrido por el objeto en un período T es igual a 2π radianes. Por lo tanto, Δθ = 2π radianes.
El tiempo total para completar una vuelta es el período T. Entonces, Δt = T.
Sustituyendo estos valores en la ecuación de la velocidad angular, obtenemos:
ω = (2π rad) / T
Esta es la velocidad angular instantánea para una vuelta completa.
Para obtener la velocidad angular media (ω̄), promediamos la velocidad angular en un intervalo de tiempo T. Es decir, dividimos el cambio total en el ángulo (2π radianes) por el período T:
ω̄ = (2π rad) / T
Esta es la relación entre la velocidad angular media y el período. La velocidad angular media es igual a 2π dividido por el período.
La frecuencia angular (f) es el recíproco del período T:
f = 1 / T
Podemos reescribir la ecuación de la velocidad angular media en términos de frecuencia angular:
ω̄ = 2πf
Por lo tanto, la velocidad angular media es igual a 2π veces la frecuencia angular.
Esta relación muestra cómo la velocidad angular media está relacionada con el período y la frecuencia angular en un movimiento circular.
La aceleración angular (α) se define como el cambio en la velocidad angular (Δω) dividido por el cambio en el tiempo (Δt):
α = Δω / Δt
Para obtener la aceleración angular media, consideremos un objeto que experimenta un cambio total en la velocidad angular de Δω en un intervalo de tiempo de Δt.
La velocidad angular inicial es ω₁, y la velocidad angular final es ω₂. Por lo tanto, el cambio en la velocidad angular es Δω = ω₂ - ω₁.
El tiempo total transcurrido es Δt.
Sustituyendo estos valores en la ecuación de la aceleración angular, obtenemos:
α = (ω₂ - ω₁) / Δt
Esta es la aceleración angular instantánea para el intervalo de tiempo Δt.
Para obtener la aceleración angular media (ᾱ), promediamos la aceleración angular en un intervalo de tiempo Δt. Es decir, dividimos el cambio total en la velocidad angular (Δω) por el intervalo de tiempo Δt:
ᾱ = Δω / Δt
Sustituyendo el valor de Δω, obtenemos:
ᾱ = (ω₂ - ω₁) / Δt
Esta es la relación entre la aceleración angular media y el cambio en la velocidad angular.
Si consideramos que ω₁ es la velocidad angular inicial y ω₂ es la velocidad angular final, podemos reescribir la ecuación como:
ᾱ = (ω - ω₀) / Δt
Donde ω₀ es la velocidad angular inicial y ω es la velocidad angular final.
Esta ecuación muestra cómo la aceleración angular media está relacionada con el cambio en la velocidad angular en un intervalo de tiempo. La aceleración angular media es igual al cambio en la velocidad angular dividido por el intervalo de tiempo.
Cuando un objeto está sometido a una rotación con aceleración angular constante, se pueden utilizar las siguientes ecuaciones para describir su movimiento:
Ecuación de la velocidad angular: La velocidad angular (ω) en función del tiempo (t) se puede calcular mediante la ecuación:
ω = ω₀ + αt
Donde:
ω es la velocidad angular en un tiempo t.
ω₀ es la velocidad angular inicial.
α es la aceleración angular constante.
t es el tiempo transcurrido.
Ecuación del ángulo rotado: El ángulo rotado (θ) en función del tiempo (t) se puede calcular mediante la ecuación:
θ = θ₀ + ω₀t + (1/2)αt²
Donde:
θ es el ángulo rotado en un tiempo t.
θ₀ es el ángulo inicial.
ω₀ es la velocidad angular inicial.
α es la aceleración angular constante.
t es el tiempo transcurrido.
Ecuación de la velocidad tangencial: La velocidad tangencial (v) en función del tiempo (t) se puede calcular multiplicando la velocidad angular (ω) por el radio (r) de la trayectoria circular:
v = rω
Donde:
v es la velocidad tangencial en un tiempo t.
r es el radio de la trayectoria circular.
ω es la velocidad angular en un tiempo t.
Ecuación de la aceleración tangencial: La aceleración tangencial (at) en función del tiempo (t) se puede calcular multiplicando la aceleración angular (α) por el radio (r) de la trayectoria circular:
at = rα
Donde:
at es la aceleración tangencial en un tiempo t.
r es el radio de la trayectoria circular.
α es la aceleración angular constante.
Estas ecuaciones son válidas cuando la aceleración angular se mantiene constante durante todo el movimiento de rotación. Permiten relacionar la velocidad angular, el ángulo rotado, la velocidad tangencial y la aceleración tangencial en un sistema de rotación.
Momento de inercia: El momento de inercia (I) es una medida de la resistencia que presenta un objeto a cambiar su estado de rotación. Depende tanto de la masa del objeto como de su distribución de masa con respecto al eje de rotación. Se puede pensar en el momento de inercia como una especie de "inercia rotacional".
El momento de inercia se calcula utilizando la fórmula:
I = ∫ r^2 dm
Donde:
I es el momento de inercia.
r es la distancia desde el eje de rotación al elemento de masa dm.
dm es un elemento infinitesimal de masa del objeto.
El momento de inercia varía dependiendo del eje de rotación utilizado. Por ejemplo, un objeto puede tener un momento de inercia diferente si se rota alrededor de un eje que pasa por su centro de masa en comparación con un eje que pasa por un extremo.
Energía en el movimiento de rotación: En el movimiento de rotación, la energía también desempeña un papel importante. Hay dos formas principales de energía asociadas con el movimiento de rotación: la energía cinética rotacional y la energía potencial gravitatoria o elástica.
Energía cinética rotacional (K): La energía cinética rotacional es la energía asociada con el movimiento de rotación de un objeto. Se calcula utilizando la fórmula:
K = (1/2) I ω²
Donde:
K es la energía cinética rotacional.
I es el momento de inercia del objeto.
ω es la velocidad angular del objeto.
La energía cinética rotacional depende tanto del momento de inercia como de la velocidad angular del objeto.
Energía potencial en el movimiento de rotación: En algunos casos, el movimiento de rotación puede estar influenciado por fuerzas de tipo gravitatorio o elástico. En tales situaciones, puede haber una energía potencial asociada con el objeto. La forma específica de la energía potencial variará según las fuerzas involucradas y el sistema en cuestión.
Es importante tener en cuenta que, en un sistema aislado sin fuerzas externas, la energía total (suma de la energía cinética rotacional y la energía potencial) se conserva.
En resumen, el momento de inercia describe la distribución de masa y la resistencia a la rotación de un objeto, mientras que la energía cinética rotacional y la energía potencial están relacionadas con la cantidad de movimiento rotacional y las fuerzas presentes en el sistema de rotación.
La hélice de un barco gira a 1900 rpm a). Calcule la velocidad angular de la hélice en rad/s b). ¿Cuántos segundos tarda la hélice en girar 35°?.
a). ¿Qué ángulo en radianes es subtendido por un arco de 1.50m en la circunferencia de un círculo cuyo radio mide 2.50m? ¿Cuánto es esto en grados? b). Un arco de 14cm de longitud es la circunferencia de un circulo subtiende un ángulo de 128° ¿ Qué radio tiene el circulo? c). El ángulo entre dos radios de un círculo de 1.50cm de radio mide 0.7 rad ¿Qué longitud tiene el arco delimitado en la circunferencia?
La velocidad angular de una rueda obedece a la relación w(t) = 2.75 + 1.50t² a). Cuál es la aceleración angular instantánea en t = 0 y t= 5 s b). ¿Qué ángulo gira la rueda durante los primeros 2 segundos?
La rueda de una máquina tiene una velocidad angular inicial de 1.50 rad/s a). Si su aceleración angular es constante e igual a 0.3 rad/s², ¿Qué velocidad angular tiene en t = 2.5 s? b). ¿Qué ángulo gira la rueda entre t = 0 y t = 2.5 s?
Una rueda de bicicleta disminuye su velocidad angular uniformemente de 500 a 200 rev/min en 4.0 s a). Calcule la aceleración angular en rev/s² y el número de revoluciones que efectuó la rueda en el intervalo de 4.0 s. b). ¿Cuántos segundos más tardará la rueda en detenerse, si la aceleración angular se mantiene constante en el valor calculado en el inciso a). ?
Una hélice gira con aceleración angular constante de 1.5 rad/s² ¿Cuánto tiempo tarda en alcanzar una velocidad angular de 36 rad/s, partiendo del reposo? b). Cuantas revoluciones giran las aspas en ese tiempo?
Una rueda gira con aceleración angular constante de 2.25 rad/s². Después de 4.0 s ha girado un ángulo de 60rad. ¿Cuál era su velocidad angular al iniciar el intervalo de 4.0 s?
Una rueda de diámetro 40cm parte del reposo y gira con una aceleración angular constante de 3.0 rad/s²: En el instante en que la rueda ha completado su segunda revolución, calcule la aceleración radial de un punto en el borde de dos maneras a). Usando la relación a radial = w²r b). a radial = v²/r.
Usted levanta una caja desde el suelo con un eje giratorio cilíndrico. La caja pesa 800N y la altura 78 m. a). Qué diámetro debe tener el eje para levantar la caja con un rapidez constante de 2.00 cm/s mientras gira a 7.5 rpm? b). Si el eje debe impartir a la caja una aceleración hacia arriba de 0.4 m/s² ¿Qué aceleración angular debe tener el eje?
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Objetos pequeños de masa m están sujetos en los extremos y en el centro de una varilla de longitud L y masa despreciable. Calcule el momento de inercia del sistema alrededor de un eje perpendicular a la varilla y que pasa por a). El centro de la varilla y b). Un punto a un cuarto de su longitud a partir de un extremo.
La hélice de un barco tiene 2.08m de longitud y masa de 117kg, y gira a 2400 rpm alrededor de un eje que pasa por su centro. ¿Qué energía cinética de rotación tiene? b). Suponga que, debido a restricciones de peso, usted tuviera que reducir la masa de la hélice al 75% de su masa original, pero siguiera requiriendo el mismo tamaño y la misma energía cinética. ¿Cuál tendría que ser su rapidez angular en rpm?
Si un objeto en una superficie horizontal sin fricción se une a un resorte, se desplaza y después se suelta, oscilará. Si se desplaza 0.120 m a partir de su posición de equilibrio y se suelta con rapidez inicial cero, luego de 0.800 s su desplazamiento es de 0.120 m en el lado opuesto, habiendo pasado la posición de equilibrio una vez durante este intervalo. Calcule a) la amplitud, b) el periodo y c) la frecuencia.
La punta de un diapasón efectúa 440 vibraciones completas en 0.500 s. Calcule la frecuencia angular y el periodo del movimiento.
En la figura se muestra el desplazamiento de un objeto oscilante en función del tiempo. Calcule a) la frecuencia, b) la amplitud, c) el periodo y d) la frecuencia angular de este movimiento.
Una pieza de una máquina está en MAS con frecuencia de 5.00 Hz y amplitud de 1.80 cm. ¿Cuánto tarda la pieza en ir de x = 0 a x =-1.80 cm?
En un laboratorio de física, se conecta un deslizador de riel de aire de 0.200 kg al extremo de un resorte ideal de masa despreciable y se pone a oscilar. El tiempo transcurrido entre la primera vez que el deslizador pasa por la posición de equilibrio y la segunda vez que pasa por este punto es de 2.60 s. Determine la constante de fuerza del resorte.
Un cuerpo de masa desconocida se une a un resorte ideal con constante de fuerza de 120 Nm. Se observa que vibra con una frecuencia de 6.00 Hz. Calcule a) el periodo del movimiento; b) la frecuencia angular, y c) la masa del cuerpo.
La sirena de una patrulla emite una onda sinusoidal con una frecuencia fS = 300 Hz. La rapidez del sonido es de 340 ms y el aire está tranquilo. a) Calcule la longitud de onda de las ondas de la sirena si está en reposo. b) Si la sirena se mueve a 30 ms, calcule las longitudes de onda para las ondas enfrente y atrás de la fuente.
Si un receptor L está en reposo y la sirena del ejemplo 16.14 se aleja de L a 30 ms, ¿qué frecuencia oye el receptor?
Hola queridos estudiantes! Hoy es un gran día evaluativo para todos ustedes. Se van a probar y demostrar que han comprendido cada uno de los temas vistos es clase. Estoy muy satisfecho con su trabajo y dedicación, pero como todo en la vida se requiere de una metodología educativa que nos permita aprender, repetir, probar y por último evaluar.
Es momento de de decirse así mismo, ¡Yo Puedo! y demostrar de que estamos hechos. No tengan miedo y nunca den un paso atrás, solo los débiles de carácter no enfrentar las adversidades y los retos, pero creo fielmente que si llegaste hasta esta parte del curso es que estas preparado para este reto.
Se que eres un guerrero y puedes dar cada día más de ti mismo.
Nuevamente de invito a que reflexiones y te pruebes para que te demuestres a ti mismo de que estas hecho!
Héctor Aristizabal.
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Curso fundamentos ondas y oscilaciones
Sección de repaso de física mecánica 1.
Ayudan a aplicar los conceptos.
Lecciones fáciles de seguir y entender.
Abarca temas clave de ondas y oscilaciones.
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