Comprende los conceptos de velocidad y aceleración.
Un diagrama cartesiano consiste en dividir en cuatro partes un plano por medio de dos rectas perpendiculares entre sí. La recta horizontal se llama eje x y la vertical eje y; cada una se divide en partes iguales. Al punto de intersección se le denomina origen. En el plano, cada punto se ubica mediante dos coordenadas.
Dado que vivimos en un espacio tridimensional, cuando es necesario se emplea un sistema de coordenadas cartesianas con un eje z, que es perpendicular a los ejes x y y.
Un sistema de referencia es un conjunto de coordenadas que, además de ubicar un punto u objeto en un espacio geométrico, está relacionado con el tiempo y determina su posición, velocidad y aceleración en el espacio.
El tipo de movimiento más simple que podemos hallar es el movimiento uniforme. En este, el objeto se desplaza siempre igual, ni más rápido ni más lento. Con este movimiento, el objeto recorre distancias iguales en tiempos iguales.
Para un movimiento uniforme, el desplazamiento por unidad de tiempo se calcula al dividir la distancia que se desplaza entre el tiempo,al resultado se le llama rapidez del objeto. La velocidad queda determinada una vez que indicamos la dirección de movimiento. Aunque en nuestro lenguaje cotidiano usamos de manera indistinta los conceptos rapidez y velocidad, en realidad la velocidad no solo expresa la relación distancia-tiempo, sino que es más completa porque indica la dirección de movimiento. Esa relación se escribe de la siguiente manera.
Donde r es rapidez, d es la distancia de desplazamiento y t es el tiempo. La velocidad queda representada matemáticamente mediante la siguiente expresión.
Donde v es la velocidad, d es la distancia y t es el tiempo.
El velocímetro indica la velocidad instantánea; es decir, la velocidad de un objeto en un instante de su movimiento.
En general, los objetos no se mueven con velocidad uniforme o constante. La aceleración de un cuerpo se calcula con la siguiente expresión matemática.
Donde a es aceleración, vfvelocidad final, vi es velocidad inicial, y t es tiempo.
Es muy útil saber cómo se comporta la naturaleza y qué tipo de fenómenos se presentan en relación con el movimiento; de esta manera es posible explicar desde nuestro andar, hasta el vuelo de un avión o el lanzamiento de una nave espacial.
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En el siguiente enlace puedes repasar los conceptos velocidad y aceleración.
En un sistema de coordenadas se usan uno o más números denominados coordenadas. Con estas se puede determinar, de manera inequívoca, la posición de un punto o un objeto.
En un plano cartesiano, el eje horizontal se llama eje de las abscisas, y el eje vertical, eje de las ordenadas.
Un sistema de referencia inercial es aquel que se encuentra fijo respecto a un observador o que se mueve de manera uniforme; es decir, que no modifica su rapidez con el paso del tiempo.
Un objeto se mueve si en momentos diferentes lo observamos en posiciones distintas; es decir, su posición cambia conforme transcurre el tiempo.
La rapidez indica la distancia que se recorre en un tiempo determinado.
Para determinar los desplazamientos de un objeto móvil es necesario medir distancias; posteriormente estas pueden localizarse en una recta numerada representada en un papel. También es necesario medir el tiempo.
En el plano coordenado, el tiempo suele escribirse en el eje x y la posición en el eje y; así, el desplazamiento del móvil queda determinado por parejas de coordenadas (x, y).
El velocímetro indica la velocidad instantánea; es decir, la velocidad de un objeto en un instante de su movimiento.
Se dice que, si el objeto cambia, su velocidad en el tiempo tiene un movimiento acelerado; es decir, cuando el cuerpo o el objeto no recorre distancias iguales en tiempos iguales.
Un objeto en caída libre incrementa su velocidad conforme va cayendo; constituye el típico ejemplo de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA).
Energía cinética y potencial
Analiza la energía mecánica (cinética y potencial) y describe casos donde se conserva.
La energía se relaciona con la capacidad para efectuar alguna acción, y puede estar almacenada o manifestarse de diferentes formas. En física, la energía está estrechamente relacionada con el concepto trabajo.
El trabajo se relaciona con fuerza aplicada a un objeto y el desplazamiento causado por dicha fuerza, es decir:
Si pasas treinta minutos de pie cargando tu mochila, no habrás efectuado trabajo, aun cuando te sientas muy cansado; en cambio, si vas de tu casa al parque en bici, efectúas trabajo. Si juegas futbol con tus amigos también haces trabajo, ya que ejerces una fuerza sobre el balón y logras que este se desplace o, por el contrario, si lo frenas cuando se está moviendo.
Si una persona o un objeto puede hacer trabajo es porque posee energía.
Según la segunda ley del movimiento de Newton, la fuerza imprime aceleración a un objeto de acuerdo con su masa, de manera que el trabajo se relaciona con la masa, la aceleración y el desplazamiento del objeto.
El trabajo puede acelerar o desacelerar al objeto. Por ejemplo, el rozamiento o la fricción es una fuerza que se opone al movimiento, de manera que el objeto se frena por efecto del trabajo de rozamiento que se hace sobre él; si no se continúa aplicando una fuerza, el objeto se detiene.
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El trabajo total que actúa sobre el objeto es igual al cambio en la energía de movimiento o energía cinética causado por las fuerzas que se ejercen sobre él.
Trabajo total = Cambio en la energía cinética
La cantidad de trabajo que pueda efectuar dependerá de la masa y de la velocidad del objeto. Matemáticamente, la energía cinética (EC) se puede expresar de la siguiente manera.
Además de la energía cinética, existe la energía potencial. A diferencia de la cinética, se puede decir que la energía potencial (EP) está almacenada y, por tanto, no se manifiesta.
Al dejarse caer desde una altura distinta a su nivel de reposo original, la energía potencial se transforma de inmediato en energía cinética y el trabajo es observable.La energía potencial gravitacional puede calcularse con la siguiente expresión.
Una persona que se lanza del bungee tendrá mayor energía potencial a mayor altura.
En la disciplina deportiva de tiro con arco se aprovecha la energía potencial elástica del arco. En una “montaña rusa” la energía potencial se convierte en cinética; sin embargo, hay pérdidas de energía por la fricción.
Los automóviles utilizan la energía almacenada en el combustible y la transforman en energía cinética para poder moverse; si el auto es eléctrico, aprovechará la energía almacenada en las baterías que lo abastecen. Los seres humanos podemos vivir y hacer nuestras actividades diarias debido a la energía que obtenemos de los alimentos.
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Ejemplo de la energía cinética y potencial en una “montaña rusa”.
La aceleración indica que hay un cambio de velocidad, de manera que el trabajo que efectúa una fuerza sobre un objeto implica que tuvo un cambio de movimiento relacionado con alteraciones en su velocidad.
La energía cinética de un objeto es la que posee por estar en movimiento, la cual le da la capacidad para hacer un trabajo.
La energía potencial es una medida del trabajo que el objeto podría realizar por estar en una posición determinada.
Cuando un objeto es levantado a una altura (h) dada adquiere energía potencial gravitacional. Dependiendo de la altura que haya alcanzado el objeto, una vez que se le suelte tendrá la capacidad de efectuar mayor o menor trabajo.
g es la constante gravitacional y tiene un valor de 9.8 m/s2.
Además de la energía potencial gravitacional, también existe la energía potencial elástica y la energía potencial química. Un ejemplo de la elástica es el tiro con arco, mientras que una pila es de la química.
Estados de agregación de la materia
Explica los estados y cambios de estado de agregación de la materia, con base en el modelo de partículas
Además de la importancia del agua para los seres humanos y sus actividades y, en general para todos los seres vivos, esta sustancia es muy peculiar. Por ejemplo, es la única que se encuentra en la naturaleza en los tres estados de agregación.
En la Tierra, toda la materia está en alguno de los tres estados de agregación o fases de la materia: gaseoso, líquido o sólido. Existen otros estados que solo se presentan en condiciones muy específicas.
El ciclo del agua es un proceso natural que la purifica.
Desde un punto de vista macroscópico, cada estado de agregación tiene características particulares que lo distinguen de los demás.
El aire está en todos lados, no se va al piso ni al techo o tiene preferencia por cierta esquina del salón. Esta es una característica de los gases: ocupan todo el volumen de los recipientes que los contienen; es decir, son amorfos y adoptan la forma del recipiente que los contiene.
Aunque los líquidos, al igual que los gases, adoptan la forma del recipiente que los contiene, no se expanden ni comprimen con facilidad, y tienen volumen definido.
Por su parte, los sólidos tienen forma definida y dureza; no fluyen de la misma manera que los gases o los líquidos; tienen rigidez y pueden ser frágiles (romperse en varios fragmentos); además, no pueden comprimirse. Debido a estas propiedades es que la mayoría de las herramientas que usamos son sólidas.
En la vida diaria, toda la materia se encuentra en alguno de estos tres estados de agregación, solo en uno de ellos no hay estados intermedios. Debido a las propiedades de cada material puede haber dificultad para saber en qué estado de la materia se encuentra, sobre todo cuando se trata de mezclas.
Cuando las partículas del sólido son muy pequeñas se comportan como líquidos porque fluyen, pero cada grano de arena tiene forma definida, no es compresible ni fluye.
Para comprender por qué la materia se comporta de cierta manera de acuerdo con su estado de agregación, es necesario entender cómo está constituida y sus características.
De acuerdo con el modelo cinético de partículas, en el estado gaseoso las partículas se encuentran muy separadas y hay una gran distancia entre ellas.
Entre las partículas hay mucho espacio vacío y pueden desplazarse libremente, su única restricción son las paredes del recipiente, por ello adquieren la forma que este tiene.
Las flechas representan los vectores de velocidad de cada partícula.
En el estado líquido las fuerzas de atracción entre las partículas son mayores que en el estado gaseoso, presentan mayor cohesión y por eso están en estado condensado; sin embargo, dada su libertad de movimiento, adquieren la forma del recipiente que los contiene, pero su volumen es constante.
El agua es muy particular, en estado líquido las partículas están más juntas que en estado sólido, por eso el agua es más densa que el hielo y este flota.
El estado sólido es el más restringido, las partículas se encuentran muy juntas, esto hace que los sólidos sean incompresibles. Las fuerzas de atracción son muy fuertes, por lo que no pueden desplazarse libremente, solo vibran, por ello tienen volumen y forma definida.
Las partículas de algunos sólidos pueden estar muy ordenadas, como en el aluminio, en este caso se denominan cristales.
Se puede pasar de sólido a gas sin pasar por el estado líquido, a esto se le llama sublimación, y al proceso contrario se le denomina sublimación inversa oregresiva.
Paso de un estado de agregación a otro: condensación, evaporación, sublimación, fusión y solidificación
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En este enlace encontrarás las características de cada uno de los tres estados de la materia.
La materia en estado gaseoso se expande hasta ocupar todo el volumen de un recipiente, pero también puede comprimirse.
Aunque algunos materiales en estado gaseoso tienen color, por lo general, los gases con los que tenemos contacto no son visibles.
Si un gas está contenido en un recipiente de paredes flexibles se pueden hacer figuras.
Tanto gases como líquidos fluyen, no tienen forma definida y adoptan la del recipiente que los contiene.
La magnitud de las fuerzas que actúan entre las partículas de un gas es pequeña; es decir, las partículas no se atraen entre sí.
Lo que define el estado de agregación de un material es su masa y la atracción entre las partículas que lo conforman.
De acuerdo con las condiciones ambientales, toda materia puede estar en cualquiera de los tres estados de agregación y pasar de un estado al otro.
Si las partículas tienen mucha masa, por gravedad, tenderán a encontrarse en estados condensados como el líquido y el sólido; si son ligeras, tenderán al estado gaseoso.
Si las partículas se atraen fuertemente, también tenderán al estado líquido o sólido; pero si casi no se atraen, lo harán al gaseoso.
Los puntos de fusión y de ebullición son específicos para cada sustancia; de hecho, se utilizan para identificarlas si son desconocidas o se miden para verificar su pureza, ya que las impurezas alteran estos valores.
La atmósfera ejerce una presión hacia el centro de la Tierra que impide a las partículas de un líquido salir de la fase condensada. Si te encuentras en el nivel del mar, la presión es de 1 atmósfera; pero, a mayor altitud, la presión atmosférica es menor, por lo cual las partículas pueden dejar la fase condensada con más facilidad.