Sistemas de Unidades.
Definición:
Un sistema de unidades es un conjunto de unidades de medida consistente, estándar y uniforme,que en general definen unas pocas unidades de medida a partir de las cuales se deriva el resto. Existen varios sistemas de unidades:
1. Sistema Internacional De Unidades (SI): es el sistema más usado, sus unidades básicas son: el metro, el kilogramo, el segundo, el amperio, el kelvin, la candela y el mol; las demás unidades son derivadas del Sistema Internacional.
- Sistema Métrico Decimal: El
primer sistema unificado de medidas.
- Sistema Cegesimal de Unidades
(CGS): Fue denominado así porque sus unidades básicas son el centímetro,
el gramo y el segundo. Fue creado como ampliación del sistema métrico para
usos científicos.
- Sistema Natural: Este es el
cual las unidades se escogen de forma que ciertas constantes físicas
valgan exactamente la unidad.
- Sistema Técnico de Unidades:
derivado del sistema métrico con unidades del anterior. Este sistema está
en desuso.
6. Sistema Anglosajón De Unidades: Este es el conjunto de las unidades no métricas que se utilizan actualmente como medida principal en Estados Unidos, existen ciertas discrepancias entre los sistemas de Estados Unidos y del Reino Unido (donde se llama el sistema imperial), e incluso sobre la diferencia de valores entre otros tiempos y ahora.
El trabajo que realiza la Fuerza Constante:
La fuerza constante, sucede cuando el valor del trabajo coincide con
el del área de un rectángulo, tal y como puede observarse en la figura.
El trabajo que realiza la Fuerza Variable:
El trabajo realizado por una fuerza variable se calcula dividiendo
el desplazamiento en pequeños tramos iguales, y suponer que la fuerza es
"más o menos" constante en dichos tramos. Sumando el área de todos
los tramos se obtiene, aproximadamente, el trabajo. Cuanto más estrechos sean
los rectángulos considerados, mejor será la aproximación. En el límite, cuando
el grosor de los rectángulos es infinitamente pequeño, la suma coincide con el
área bajo la curva.
La energía cinética:
Es la energía que posee un cuerpo a causa
de su movimiento. Se trata de la capacidad o trabajo que permite que un objeto
pase de estar en reposo, o quieto, a moverse a una determinada velocidad.
Un objeto que esté en reposo tendrá un
coeficiente de energía cinética equivalente a cero. Al ponerse en movimiento y
acelerar, este objeto irá aumentando su energía cinética y para que deje de
moverse y vuelva a su estado inicial, deberá recibir la misma cantidad de
energía que lo ha puesto en movimiento, pero esta vez negativa o contraria.
Hay que saber diferenciar entre la energía
cinética de traslación y la de rotación, aunque ambas se encuentran a menudo
combinadas en una energía cinética mixta.
La energía cinética (Ec): Esta depende de
la masa y la velocidad del cuerpo. Para calcularla, debes tener en cuenta que
la energía cinética se mide en Julios (J), la masa en kilogramos (kg) y la
velocidad en metros por segundo (m/s).
Su fórmula es la siguiente: Ec= ½ mv²
Aunque debes recordar que la energía cinética debe calcularse
de distintas maneras según las características del objeto, esto dependiendo de
su masa y velocidad, deberás usar las reglas de la mecánica clásica, de la mecánica relativista o de
la mecánica cuántica.
Un ejemplo de energía cinética:
Pongamos que estamos en clase de
astronomía y queremos encestar una bola de papel dentro de la papelera. Tras
calcular las distancias, la fuerza y la trayectoria, tendremos que aplicar una
cierta cantidad de energía cinética en la bola para hacer que se mueva desde
nuestra mano hasta la papelera. Para esto debemos lanzarla.
Al salir de nuestra mano, la bola de papel
empezará a acelerar y su coeficiente de energía pasará de cero (cuando la
teníamos quieta en nuestra mano) a X, según la velocidad que alcance.
En un lanzamiento bombeado, la bola alcanzará su coeficiente de energía cinética más elevado en el momento en que alcance su punto más alto. A partir de ahí, al comenzar su descenso idealmente hacia la papelera, su fuerza cinética comenzará a reducirse mientras va a ser atraída por la gravedad y se transforma en energía potencial.
Teorema del Trabajo y la Energía (TTE):
Establece que el trabajo hecho por la fuerza neta aplicada
sobre una partícula provoca un cambio en su energía cinética, juega un rol muy
importante en Mecánica. Recordemos, no obstante, que éste no es un principio
básico o general, sino que está basado en la definición de trabajo y en la
segunda ley de Newton.
El teorema del trabajo y la energía relaciona estos dos conceptos:
El trabajo efectuado por la fuerza neta
sobre una partícula es igual al cambio de energía cinética de la partícula:
W = ∆K = K(2) - K(1)
Este teorema facilita muchos cálculos de
problemas que involucran éstas propiedades.
Ejemplo:
Una bala de 20 g choca contra un blanco de fango, como se
muestra en la figura, y penetra una distancia de 6 cm antes de detenerse.
Calcule la fuerza de frenado F, si la velocidad de entrada fue de 80 m/s.
Se tienen como datos la rapidez inicial y la rapidez final,
además de la masa de la bala como la cantidad desplazada mientras se le aplica
la fuerza. Por el teorema del trabajo y la energía se puede encontrar el valor
de esa fuerza:
La rapidez v(2) es el estado final (0 m/s), y la rapidez v(1) es el estado
inicial antes de entrar al banco de fango (80 m/s). La masa de la bala es 20 g
= 0.02 Kg. Entonces:
Esto es igual al trabajo neto efectuado por todas las fuerzas.
En este caso, la única fuerza que actúa es la que detiene a la bala (la
fricción del fluido viscoso):
W = F*d = ∆K = - 64 J
Con d
= 6 cm = 0.06 m:
F = - 64 J / 0.06 m = - 1066.67 N
Note que el signo negativo indica que la fuerza tiene sentido
opuesto al desplazamiento (como en la definición de trabajo).
La Potencia:
La potencia se mide en watts (W) unidad que rinde homenaje al inventor escocés James Watt y equivale a un julio (J) de trabajo realizado por segundo (s), es decir:
W = J/s
En el sistema anglosajón de medidas, esta
unidad es reemplazada por los caballos de fuerza (hp).
La habilidad para comprender y medir la
potencia con precisión fue un factor determinante en el desarrollo de los
primeros motores a vapor, aparato sobre el cual se sostuvo la Revolución
Industrial. En nuestros días en cambio, suele estar asociada a la electricidad
y a otro tipo de recursos energéticos modernos, pues también puede designar la
cantidad de energía transmitida.
Existen los siguientes tipos de potencia:
1. Potencia mecánica:
Aquella que se deriva de la aplicación de una fuerza sobre un sólido rígido, o
bien un sólido deformable.
2. Potencia eléctrica: En
lugar de trabajo, se refiere a la cantidad de energía transmitida por unidad de
tiempo en un sistema o circuito.
3. Potencia calorífica: Se
refiere a la cantidad de calor que un cuerpo libera al medio ambiente por
unidad de tiempo.
4. Potencia sonora: Se
entiende como la cantidad de energía que una onda sonora transporta por unidad
de tiempo a través de una superficie determinada.
Fórmulas de potencia:
La potencia se calcula, en términos
generales, de acuerdo a la fórmula siguiente:
P = ΔE/ Δt
ΔE representa el
cambio de energía o la variación de trabajo.
Δt representa el
tiempo medido en segundos.
Sin embargo, cada tipo de potencia se
expresa mediante su propia formulación, por ejemplo:
1. Potencia mecánica: P(t)
= F.v: Aunque si existe una rotación del sólido y las fuerzas aplicadas alteran
su velocidad angular, utilizaremos P(t) = F.v + M.ω en su lugar. F y M serán la
fuerza resultante y el momento resultante, respectivamente; mientras que V y ω
serán la velocidad del punto sobre el cual se calculó la resultante, y la
velocidad angular del cuerpo.
2. Potencia eléctrica: P(t)
= I(t). V(t): Donde I es la corriente circulando, medida en amperios, y V es la
diferencia de potencial (la caída de voltaje) medida en voltios. En caso de que
se trate de una resistencia en lugar de un conductor de electricidad, la
fórmula a emplear será P = I2R = V2/R, donde R es la resistencia del material,
medida en ohmios.
3. Potencia calorífica. P =
E/t: Donde E es la energía calórica proporcionada, medida en julios (J). Nótese
cómo ello es indiferente a los grados de calor.
4. Potencia sonora. PS =
ʃIs dS: Donde Is es la intensidad sonora y dS el elemento alcanzado por la
onda.
Ejemplos de potencia:
Potencia para mover una masa:
Deseamos subir 100 kg de materiales de
construcción al séptimo piso de un edificio en construcción, es decir, a unos
20 metros del suelo. Deseamos hacerlo empleando una grúa y en 4 segundos de
tiempo, así que debemos averiguar la potencia necesaria de la misma.
Para utilizar la fórmula P = w/t, debemos
calcular el trabajo realizado por la grúa primero. Para eso utilizamos la
fórmula W = F. d. cos a = 100 x 9,8 x 20 x 1 = 19.600 N. Entonces: P = 19.600 N
/ 4 s, o sea, que la potencia de la grúa habrá de ser de 4900 W.
Potencia que disipa una resistencia:
Debemos calcular la cantidad de potencia
que disipa una resistencia eléctrica de 10 ohmios, cuando la atravesamos con
una corriente de 10 amperios. Aplicamos en este caso la fórmula P = R x I2, de
la siguiente manera: P = 10 x 102, lo cual arroja como resultado una potencia
disipada de 1000 watts.
No hay comentarios:
Publicar un comentario