principios bÁsicos de fÍsica y quÍmica · a medida que esto sucedía se denominó física....
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PRINCIPIOS BÁSICOS DE FÍSICA
Y QUÍMICA LICENCIATURA EN CRIMINALÍSTICA
UNIVERSIDAD TRES CULTURAS
TEMAS Y SUBTEMAS:
1. QUÍMICA, FÍSICA Y CRIMINALÍSTICA
1.1. CONCEPTOS
FÍSICA
La Física es la ciencia que observa la Naturaleza, y trata de describir las leyes que
la gobiernan mediante expresiones matemáticas.
Hasta mediados del siglo xix había textos y cursos en lo que se venía llamando
Filosofía natural o experimental. Con este nombre se reconocía el contraste
existente entre materias que dependían de experimentos y otras, tales como
Literatura o Religión, que no. A medida que se acumulaban los resultados y las
conclusiones de la Filosofía experimental, empezó a ser difícil para una sola
persona trabajar en todo el campo, entonces aparecieron las subdivisiones.
Bastante antes de 1850, la Química, la Astronomía, la Geología y otras disciplinas
similares se separaron como ciencias independientes. El núcleo que fue quedando
a medida que esto sucedía se denominó Física. Debido a su carácter central
respecto a otras ciencias, la comprensión de la Física se requiere en muchas otras
disciplinas.
La Física es una ciencia cuantitativa que incluye mecánica, fenómenos térmicos,
electricidad y magnetismo, óptica y sonido. Estas materias son parte de la Física
clásica. Si en la resolución de un problema físico deben considerarse velocidades
cercanas a la de la luz o tamaños comparables a los de un átomo, entonces se
deben tener en cuenta los principios o leyes de la Física moderna, esto es, los
descubrimientos del siglo xx. Estos principios incluyen la relatividad y la mecánica
cuántica.
No es difícil reconocer que vivimos en un mundo científico y tecnológico; la física es
una parte fundamental de nuestro mundo que influye en nuestra sociedad a
cualquier escala, pues abarca desde lo infinitamente grande, la astrofísica, a lo
infinitamente pequeño, la física de las partículas elementales. Por ello no debe
extrañar la presencia de la física en todo lo que ha representado progreso científico
y técnico.
QUÍMICA
Ciencia que estudia la composición y propiedades de las sustancias y las reacciones
por las que unas sustancias se transforman en otras.
CRIMINALÍSTICA
La Criminalística es una ciencia auxiliar del Derecho Penal cuya actividad principal
se centra en descubrir, explicar y probar los delitos que se encuentran bajo
investigación
.
1.2. LA QUÍMICA Y LA FÍSICA EN LA CRIMINALÍSTICA
APLICACIÓN DE LA FÍSICA EN LA INVESTIGACIÓN CRIMINAL
El estudio del movimiento de los cuerpos y sus causas, o bien el equilibrio para
resolver, entre otros, los problemas que plantea el estudio técnico delos hechos de
Transito. La aportación de los principios de la óptica, base de la microscopia y la
fotografía, para observar la materia sensible microscópico y para fijar
fotográficamente todo lo observado. La aportación de los principios del espectro
electromagnético, fundamento del espectrofotómetro ultravioleta para el examen del
material sensible microscópico de naturaleza inorgánica y del espectrofotómetro
infrarrojo, para el examen del material sensible microscópico de naturaleza orgánica
Espectrofotómetro La aportación de los principios de Física Atómica, fundamento
del espectrógrafo de masas, para el análisis de micro material sensible.
Un ejemplo; el fenómeno de la fricción. La simple observación permite apreciar que
dos cuerpos deslizándose en contacto uno contra el otro ejercen una fuerza
recíproca, que tiende a frenar su movimiento. El fenómeno de la fricción esta
físicamente definido por la Ley de Coulomb, que establece que la fuerza de fricción
Fr es proporcional a la fuerza normal P existente entre ambos cuerpos.
Formalmente de expresa como Fr = f x P Donde f es un coeficiente de
proporcionalidad, que depende dela naturaleza de los materiales y las superficies
en contacto, delas condiciones del medio ambiente (humedad, temperatura, etc). El
coeficiente de proporcionalidad f puede ser constante en determinadas
circunstancias o variar con determinadas condiciones
La Ley de Coulomb es universal y se aplicará a todos los casos de interacción de
cuerpos sólidos en movimiento
relativo. Es tan aplicable al caso del buje con el eje en una rueda o volante, como al
estudio de la interacción de un neumático sobre un pavimento, en un
desplazamiento anormal de un automotor. En una ley universal de la Física.
Determinar el valor del coeficiente de proporcionalidad f para una circunstancia
determinada, es un problema tecnológico, aún, cuando en su determinación se
utilizan recursos experimentales de la física. Sobre todo, si se trata de condicionar,
de predeterminar ese valor a determinados requerimientos (la resistencia del ala del
trasbordador al calentamiento, la adherencia del vehículo en situaciones críticas,
etc.).
Dentro de la criminalística encontramos diversas áreas, en las cuales cada una se
enfoca al estudio delas evidencias correspondientes, o de un hecho en particular
dentro de dicha área, por ejemplo:
•Criminalística de campo Hematología forense
•Balística
•Tránsito terrestre
Balística es la ciencia que tiene por objeto el cálculo Del alcance, dirección y
comportamiento de los proyectiles, para lo cual sin duda se apoya de la Física y sus
metodologías. Metodologías entre las cuales se destacan, caída libre de cuerpos,
tiro vertical, tiro parabólico, etc.
Para un problema común en balística, como lo es el conocer el punto de origen de
un disparo de arma de fuego, es necesario utilizar los conocimientos físicos de
funciones trigonométricas, teoremas tales como Pitágoras y trigonometría en
general, es por ello que resulta fundamental aplicar la física dentro de la
criminalística, y queda en claro que se aplica en distintas áreas. En el problema solo
se conoce lo material, es decir los orificios de entrada y salida y con ello se puede
generar información suficiente para conocer el origen, solo basta con trazar una
línea recta desde el punto del orificio de salida hacia afuera de la pared, y a partir
de ahí obtendremos un triángulo rectángulo, así sacaremos las medidas de dicho
triangulo y después su ángulo en materia de estudio y obtendremos el ángulo de
disparo
Ejemplo. grafico Orificio de entrada Orificio de salida Atura desde el piso ala
horizontal(1.10 ms
Criminalística de campo
Por parte de la criminalística de campo, tenemos que es la encargada de aplicar los
conocimientos, métodos y técnicas con objeto de proteger, observar y fijar el lugar
de los hechos. Para fijar el lugar de los hechos se realizan métodos de medición,
tales como el de transportador brújula y cinta métrica, métodos que requieren la
aplicación de la física Tránsito terrestre.
Es la parte de la Criminalística que se ocupa de la investigación técnico-científica
de los hechos de tránsito. Utiliza fundamentalmente los conocimientos físico-
matemáticos. El perito en tránsito terrestre dictaminará la Dirección que llevaban los
vehículos, la forma del choque, el lugar, la velocidad a que eran conducidos y la
causa probable de siniestro. También a él, le compete establecer cuál de los
conductores fue el que hizo caso omiso delas señalizaciones
13. Dentro de las prácticas comunes para los peritos en tránsito terrestre se
encuentran: determinar la velocidad de circulación, determinación de la dinámica de
hechos y campos visuales y recorridos. Actividades para las cuales implica sus
estudios físicos
14. Hematología forense Esta ciencia determina e interpreta el mecanismo de
producción de las manchas de sangre, mediante un estudio meticuloso se podrá
obtener información precisa de la forma como se produjeron los hechos. Se podrá
determinar posición de la víctima y del agresor, los movimientos realizados en el
sitio de suceso. Dentro de las actividades comunes que realiza el perito en esta
área, encontramos el análisis de manchas de sangre por proyección, por goteo de
altura y por escurrimiento
1.3. EL MÉTODO CIENTÍFICO EN LA QUÍMICA Y LA FÍSICA
La ciencia es un conjunto de conocimientos que obtenemos del mundo en que
vivimos, esto quiere decir que el simple conocimiento actual se entiende como
una actitud frente a la interpretación de los fenómenos naturales que ocurren en
el universo que nos rodea.
El hombre ha podido resolver muchos problemas gracias a la ciencia la cual se
ha desarrollado gradualmente a través de los siglos, fue evolucionando de la
historia de la humanidad con la participación de muchos hombres y
civilizaciones como: Egipcia, Griega, Mesopotámica.
A todo esto, decimos que el método científico es una serie ordenada de
procedimientos que hace uso la investigación científica para observar
la extensión de nuestros conocimientos.
Los pasos del método científico, en línea general son:
Observación de un fenómeno
Formulación de una pregunta
Análisis del Fenómeno
Construcción de la hipótesis con el intento de explicarlo
Poner a prueba la hipótesis con experimentos
Si la hipótesis era correcta, se escribe un informe y se planea una conclusión.
En el caso de no ser cierta, o parcialmente correcta, se vuelve a formular la
hipótesis y se vuelve a poner a prueba.
Una vez concluido el proceso se pasa a la aplicación de los resultados.
Como hemos visto, es de fundamental importancia la aplicación de un método
para garantizar la reproducibilidad de un determinado experimento. Es de tal
importancia también la falsabilidad, es decir, la capacidad de una teoría de ser
sometida a potenciales pruebas que la contradigan. Bajo este concepto no existe
en la ciencia el “conocimiento perfecto”.
“La química no se conforma con enunciar leyes descriptivas más o menos
conectadas entre sí. Después que ha determinado “como” se comporta la
naturaleza procura indagar las causas que motivan dicho comportamiento. Para
saber “porque” se producen los fenómenos, imagina una interpretación racional
y coherente: fórmula una teoría. Las teorías exponen en forma clara el
funcionamiento íntimo del mundo concreto, señalando las probables pautas de
su accionar.
1.4. IMPORTANCIA DE LA FÍSICA DENTRO DE LA CRIMINALÍSTICA
Considerando que la criminalística es una ciencia cuyo propósito es determinar
la veracidad de los indicios por medio de un proceso de evaluación, basado en
la ciencia, de todo el material levantado en el lugar de investigación y que está
relacionado con un hecho delictivo, entonces resulta que, los objetivos generales
de la criminalística, son, investigar, descubrir y verificar de manera científica el
grado de participación y valoración del material...
La Física por su lado se encarga de analizar las características de la energía, el
tiempo y la materia, así como también los vínculos que se establecen entre ellos.
Esta ciencia no desarrolla únicamente teorías:
también es una disciplina de experimentación.
Sus hallazgos, por lo tanto, pueden ser comprobados a través de experimentos.
Además sus teorías permiten establecer previsiones sobre pruebas que se
desarrollen en el futuro.
Esta disciplina científica puede dedicarse a describir las partículas más
pequeñas o a explicar cómo nace una estrella, por ejemplo. Galileo Galilei, Isaac
Newton y Albert Einstein han sido algunos de los físicos más reconocidos de la
historia.La relatividad (que toma en cuenta el campo del espacio-tiempo y las
interrelaciones de la gravedad), el electromagentismo (estudia la luz y otras
cuestiones electromagnéticas), la mecánica clásica (se centra en el
desplazamiento de los cuerpos) y la mecánica cuántica (especializada en el
universo atómico) forman parte de las teorías principales de la física.
1.5. DIVISIÓN DE LA QUÍMICA Y LA FÍSICA
DIVISIÓN DE LA FÍSICA
La Física se divide para su estudio en dos grandes grupos: la Física clásica y la
Física moderna. La primera estudia todos aquellos fenómenos de los cuales la
velocidad es muy pequeña comparada con la velocidad de propagación de la luz.
La segunda se encarga de todos aquellos fenómenos producidos a la velocidad de
la luz o con valores cercanos a ella. Esto debido a que la física clásica no describe
con precisión los fenómenos que se suceden a la velocidad de la luz.
La Física Clásica se compone entonces de:
Mecánica: estudia los fenómenos relacionados con el movimiento de los cuerpos.
Por ejemplo el movimiento de caída de un cuerpo, el movimiento de los planetas, el
choque de los automóviles, etc.
a) Estática: estudia a los cuerpos en equilibrio).
b) Dinámica: estudia las causas por las que los cuerpos ya no están en
equilibrio.
c) Cinemática: estudia los tipos de movimientos sin importar las causas.
Termodinámica: estudia los fenómenos térmicos. Por ejemplo, la variación de la
temperatura de un cuerpo, la fusión de un trozo de hielo, la dilatación de un cuerpo
caliente, etc.
Óptica: parte de la física que estudia los fenómenos visibles relacionados con la luz.
Por ejemplo, la formación de nuestra imagen en un espejo, la observación de un
objeto a través de de una lente, la descomposición de la luz solar en los colores del
arcoíris, etc.
Acústica: estudia los Sonido y fenómeno de la audición. Por ejemplo, la propagación
del sonido por medio de ondas, el ruido de una sirena, el sonido del motor de un
automóvil, etc.
Electromagnetismo: estudia la interacción de las corrientes eléctricas y los campos
magnéticos. Por ejemplo, las atracciones y repulsiones entre cuerpos electrizados
el funcionamiento de los diversos aparatos eléctricos, las propiedades de un imán,
la producción de un relámpago en una tempestad, etc.
La Física Moderna se divide en:
Física atómica: estudia la estructura atómica y molecular.
Física nuclear: estudia la constitución del núcleo atómico.
División de la Química
El campo de estudio de la Química es muy extenso. Por esta razón se la ha dividido en diversas ramas.
Química general.- Trata los principios teóricos como leyes, reglas y teorías que explican la composición y comportamiento de la materia y energía.
Química descriptiva.- Estudia la composición, propiedades y métodos de obtención de las distintas sustancias. Ésta a su vez se divide en:
Química orgánica.- Estudia los compuestos que contienen carbono en su estructura.
Química inorgánica.- Estudia la estructura, composición y reacciones químicas de las sustancias inorgánicas.
Química analítica.- Estudia los componentes de una muestra y la cantidad en que se encuentran. Puede ser:
Cualitativa.- Permite identificar la presencia de los componentes de una sustancia.
Cuantitativa.- Determina la cantidad que interviene en una sustancia.
Química aplicada.- Se refiere a la interacción de la Química con otras ciencias, como Física, Biología, Geología, Astronomía; y también con otras áreas del conocimiento, como medicina, agricultura,
ingeniería, veterinaria, mineralogía.
Bioquímica.- Estudia la composición química de las sustancias presentes en los seres vivos y sus reacciones químicas.
Fisicoquímica.- Estudia las propiedades físicas y los cambios que modifican la estructura de la materia.
Geoquímica.- Estudia la composición y estructura de los elementos químicos del planeta Tierra.
Petroquímica.- Estudia el petróleo y el gas natural como materia prima para la obtención de distintos productos químicos.
Agroquímica.- Estudia la utilización de productos químicos en la agricultura como, como abonos, herbicidas, etc. y de uso industrial de materias orgánicas procedentes de explotaciones agrarias:
como aceites, residuos, etc.
Astroquímica.- Estudia la composición química del material interestelar.
Mineralogía.- Estudia el comportamiento e interacción de los minerales.
1.6. ESTADOS DE LA MATERIA
La materia se presenta en tres estados de agregación molecular: gaseosa,
líquida y sólida. Brown menciona que las diferencias entre estos tres estados se
pueden explicar a través de la teoría cinética molecular, la cual establece que el
calor y el movimiento están relacionados con el comportamiento de las
moléculas y, además, explica las propiedades de los estados de la materia.
Por otra parte, Chang describe algunas características de los estados de
agregación molecular de la siguiente manera:
a) Los gases: Carecen de fuerzas de atracción intensas entre moléculas (fuerzas
intermoleculares), lo que le permite a un gas expandirse para llenar su recipiente.
Se pueden comprimir, es decir, al aplicarles una fuerza pueden disminuir su
volumen, las densidades son inferiores a las de líquidos y sólidos.
b) Los líquidos: Sus fuerzas de atracción intermoleculares son lo bastante fuertes
como para mantener juntas las moléculas. Así, los líquidos son mucho más
densos y mucho menos compresibles que los gases. A diferencia de los gases
los líquidos tienen un volumen definido, independientemente del tamaño y la
forma de su recipiente. Sin embargo, las fuerzas de atracción en los líquidos no
tienen la intensidad suficiente para evitar que las moléculas se muevan unas
respecto a otras.
c) Los sólidos: Sus fuerzas de atracción intermoleculares son lo bastante
intensas no solo para mantener muy juntas las moléculas, si no para fijarlas
prácticamente en su sitio. Los sólidos al igual que los líquidos, no son muy
compresibles, porque las moléculas no tienen mucho espacio libre entre ellas.
Es común que las moléculas ocupen posiciones en un patrón altamente regular.
Los sólidos que poseen estructuras muy ordenadas se clasifican como
cristalinos
2. FENÓMENOS FÍSICOS, EL MOVIMIENTO
2.1. MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE
Un movimiento armónico simple es el que describe una partícula sometida a una
fuerza restauradora proporcional a su desplazamiento. Se genera entonces un
movimiento periódico, es decir que se repite cada cierto intervalo de tiempo. No
todos los movimientos periódicos son armónicos. Para que lo sean, la fuerza
restauradora debe ser proporcional al desplazamiento.
El problema del oscilador armónico simple aparece con mucha frecuencia en Física,
ya que una masa en equilibrio bajo la acción de cualquier fuerza conservativa, en el
límite de movimientos pequeños, se comporta como un oscilador armónico simple.
En la siguiente animación se muestra el movimiento de una masa sujeta a un
muelle. Pinchando sobre ella y arrastrando se desplaza de su posición de equilibrio.
Con el mando puedes variar su frecuencia de oscilación.
A continuación se explica el movimiento que describe la masa bajo la acción de la
fuerza recuperadora del muelle.
La masa sujeta al muelle describe un movimiento oscilatorio. Para calcular su
aceleración utilizamos la Segunda Ley de Newton:
Definimos la frecuencia angular ω como:
Sus unidades en el SI son rad/s.
Posición, velocidad y aceleración
Para calcular la posición de la masa en función del tiempo habría que resolver la
ecuación diferencial anterior que relaciona la aceleración con el desplazamiento.
Sin embargo, para simplificar vamos a dar la solución. Derivándola dos veces se
demuestra fácilmente que satisface la Segunda Ley de Newton.
La constante A que aparece en la expresión anterior se denomina amplitud del
movimiento, y es el máximo desplazamiento de la masa con respecto a su posición
de equilibrio x = 0. Sus unidades en el SI son los metros (m).
El argumento del coseno es la fase y se mide en radianes.
δ es la constante de fase y viene determinada por las condiciones iniciales del
problema.
El tiempo que tarda la masa en efectuar una oscilación completa se
denomina periodo (T), y está relacionado con la frecuencia angular mediante la
expresión:
El número de oscilaciones que se realiza en un segundo se llama frecuencia ν y se
calcula como la inversa del periodo:
Se mide en s-1 o Herzios (Hz)
De la definición de frecuencia se obtiene que
La velocidad y la aceleración de una partícula que describe un movimiento armónico
simple se obtiene derivando la ecuación de la posición en función del tiempo.
Posición, velocidad y aceleración de una partícula que describe un movimiento
armónico simple. La fase en este caso es cero.
Energía
Si no existe rozamiento entre el suelo y la masa, la energía mecánica de esta última
se conserva. Ya se vio en el apartado de trabajo que la fuerza recuperadora del
muelle es una fuerza conservativa y se calculó su energía potencial asociada, que
es una parábola:
En la siguiente figura se ha representado la energía total, la energía potencial
elástica y la cinética para distintas posiciones de una partícula que describe un
movimiento armónico simple.
La energía mecánica se conserva, por lo que para cualquier valor de x la suma de
la energía cinética y potencial debe ser siempre:
.
2.2. CONSIDERACIONES ENERGÉTICAS
Las fuerzas involucradas en un movimiento armónico simple son centrales y, por
tanto, conservativas. En consecuencia, se puede definir un campo escalar llamado
energía potencial (Ep) asociado a la fuerza. Para hallar la expresión de la energía
potencial, basta con integrar la expresión de la fuerza (esto es extensible a todas
las fuerzas conservativas) y cambiarla de signo, obteniéndose para el caso
específico de un sistema de masa-resorte la siguiente expresión para la energía
potencial:
Ep = ½ K x2
La energía potencial alcanza su máximo en los extremos de la trayectoria y tiene
valor nulo (cero) en el punto x = 0, es decir el punto de equilibrio. La energía cinética
cambiará a lo largo de las oscilaciones pues lo hace la velocidad:
Ec = ½ mv2
La energía cinética es nula en -A o +A (v=0) y el valor máximo se alcanza en el
punto de equilibrio (máxima velocidad Aω). Sustituyendo la ecuación de velocidad
para el MAS podemos obtener la expresión para la energía cinética máxima como
sigue.
Ec max = ½ ω2A2
Como sólo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica (suma de la energía
cinética y potencial) permanece constante.
Ec + Ep = Em
Finalmente, al ser la energía mecánica constante, puede calcularse fácilmente
considerando los casos en los que la velocidad de la partícula es nula y por lo tanto
la energía potencial es máxima, es decir, en los puntos x = − A y x = A. Se obtiene
entonces que,
Em = Ep max + 0 = ½ KA2
O también cuando la velocidad de la partícula es máxima y la energía potencial nula,
en el punto de equilibrio x = 0
Em = 0 + Ec max = ½ ω2A2
2.3. FUERZA Y SUS EFECTOS
En física denominamos fuerza a toda acción capaz de producir cambios en
el movimiento o en la estructura de un cuerpo. En este apartado vamos a desarrollar
esta idea que está detrás, por ejemplo, de la tecnología que usamos para viajar en
coche o bicicleta, pero también detrás de gestos tan cotidianos como empujar el
carrito de la compra. Para ello estudiaremos:
qué son las fuerzas
sus unidades de medida
cómo las representamos gráficamente
cómo se producen (sus causas) y cuáles pueden ser sus efectos
¿Estás preparado para el esfuerzo?
Concepto de fuerza
Imagina que empujas con tu dedo una bola en reposo sobre una mesa de billar. Tu
intuición probablemente te dice que le estás dando "fuerza" a la bola. De una
manera más formal podemos decir que le estamos aplicando una fuerza a la bola.
¿Qué ocurrirá entonces? Lo más probable es que nuestra bola empiece a moverse,
pero si esta fuese, por ejemplo, un globo de agua también podría suceder que se
deformase y nuestro dedo fuese "engullido" por el mismo.
Efectos de una fuerza
Cuando comienzas una partida de billar aplicas, con el taco, una fuerza sobre la
bola blanca (cue ball ). Esta fuerza termina propagándose al resto de bolas del
juego, inicialmente en reposo, poniéndolas a todas en movimiento.
Definimos una fuerza como toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de
movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación en él. Una fuerza es la
interacción de un cuerpo con algo externo a él y es una magnitud
vectorial caracterizada por poseer módulo, dirección, sentido y punto de aplicación
o punto origen.
La unidad en el Sistema Internacional es el Newton (N). Un Newton es la fuerza
que, al aplicarse sobre una masa de un kilogramo (Kg), le provoca una aceleración
de un metro por segundo al cuadrado (m/s2).
Históricamente el estudio del movimiento de los cuerpos y su causa ha fascinado al
hombre desde la antigüedad. Aristóteles (284 - 322 a.C. ), uno de los sabios más
importantes de la antigua Grecia, fue uno de los principales precursores de este
estudio, manteniéndose sus ideas vigentes durante toda la Edad Media.
Posteriormente Galileo (1564 - 1642) fue capaz de describir de manera matemática
el movimiento (famoso es el principio de relatividad de Galileo), pero no analizó
las causas del mismo. Años después fue Isaac Newton (1643 - 1727) quien,
basándose en las ideas de Galileo, determinó las causas del mismo: las fuerzas.
Otras unidades de medida
Además del newton, existen otras unidades menos utilizadas:
dina (dyn). Se trata de la fuerza que, aplicada a una masa de un gramo, le
proporciona una aceleración de un centímetro por segundo al cuadrado
(cm/s2) o Gal. Es una unidad del Sistema Cegesimal de Unidades. 1 d = 10-
5 N
kilopondio (kp) o kilogramo-fuerza (kgf). Es lo que pesa una masa de 1 kg en
la superficie terrestre. Dicho de otro modo, es la fuerza ejercida sobre una
masa de 1 kg por la gravedad en la superficie terrestre (9,81 m/s2). Es la
unidad del Sistema Técnico de Unidades. 1 kp = 9.8 N
poundal (pdl). Se trata de la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1
libra a un pié por segundo al cuadrado. Se trata de una unidad especializada
del sistema anglosajón de unidades, de ahí que utilice el pie (1 pie = 30.48
cm) como unidad de longitud para su definición. 1 pdl = 0.1382550 N
libra fuerza (lbf). Se trata de la fuerza gravitacional ejercida sobre una masa
de una libra (0.45359237 kg.) sobre una idealizada superficie de la Tierra. Se
trata también de una unidad especializada del sistema anglosajón de
unidades. 1 lbf = 4,448222 N
KIP. Es otra unidad más del sistema anglosajón de unidades. Equivale a mil
libras, es decir, 1 KIP = 1000 lbf, y por tanto 1 KIP = 4448,222 N
Representación de fuerzas
Anteriormente hemos definido la fuerza como una magnitud vectorial, y por
tanto son representadas como vectores. Efectivamente, como puedes observar en
la siguiente imagen, la dirección y el sentido de la fuerza debe ser tenida en cuenta
para poder predecir sus efectos.
Observa que una de las características señaladas de las fuerzas ha sido el punto
origen, también conocido como punto de aplicación. Se trata del punto del espacio
en el que la fuerza es aplicada, y por tanto, los efectos que produce la fuerza en un
cuerpo puede variar en función del mismo. En cualquier caso, en este nivel nos
centraremos en objetos puntuales, y por tanto aplicar una fuerza a un cuerpo es
aplicarla en su único punto.
Por otro lado las fuerzas, como vectores que son, pueden ser descompuestas. Esto
nos permitirá, por ejemplo, observar los efectos que producen en el espacio en cada
dimensión (eje) por separado.
Efectos de las Fuerzas
Las fuerzas surgen a partir de las interacciones entre los cuerpos. Observa la
siguiente imagen.
Recuerda, cada interacción lleva asociada una pareja de fuerzas. A este principio
se le conoce como ley de acción y reacción.
Según la distancia a la que interaccionen los cuerpos, podemos distinguir
claramente dos tipos:
Interacción por contacto. Las fuerzas surgen al ponerse en contacto dos o
más cuerpos. Por ejemplo, cuando hay un choque o cuando empujas una
puerta.
Interacción a distancia. Los cuerpos, aunque no estén en contacto, ejercen
una fuerza sobre los otros. Por ejemplo, la fuerza de atracción de un imán
hacia algo metálico, o la propia fuerza de la gravedad que la Tierra ejerce
sobre la luna, y viceversa.
Adicionalmente, los efectos que producen las fuerzas se pueden resumir en dos
tipos:
Dinámicos. Producen cambios en la velocidad (módulo, dirección o sentido)
del cuerpo sobre el que actúan. Por ejemplo, si aplicas y mantienes durante
cierto tiempo la misma fuerza al carrito de la compra, este irá aumentando de
manera paulatina su velocidad. Para entender los efectos dinámicos de las
fuerzas son de particular utilidad las leyes de Newton. Por otro lado, ten
presente que si la dirección de la fuerza que se aplica a un cuerpo libre no
pasa por su centro de gravedad, le producirá un movimiento de rotación (giro)
y un movimiento de traslación (desplazamiento). Es lo que ocurre cuando
golpeas un balón con el pié justo por el borde y no por el centro. En cualquier
caso, en este tema nos centraremos en cuerpos puntuales, y por tanto solo
consideraremos los movimientos de traslación. Si deseas ampliar
información sobre este particular, visita el tema dedicado al sólido rígido
La segunda ley de Newton nos permite conocer la aceleración que adquiere un
cuerpo cuando actúa una fuerza o un conjunto de fuerzas sobre él.
Elásticos. Producen cambios en la estructura del cuerpo sobre el que actúan.
Por ejemplo, para forjar una espada, se suelen aplicar diversos tipos de
fuerzas a un pedazo de acero incandescente.
2.4. CENTRO DE GRAVEDAD
Es el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que
actúan sobre las distintas masas materiales de un cuerpo, de tal forma que el
momento respecto a cualquier punto de esta resultante aplicada en el centro de
gravedad es el mismo que el producido por los pesos de todas las masas materiales
que constituyen dicho cuerpo. En otras palabras, el centro de gravedad de un
cuerpo es el punto respecto al cual las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los
diferentes puntos materiales que constituyen el cuerpo producen un momento
resultante nulo (dicho punto no necesariamente corresponde a un punto material
del cuerpo, ya que puede estar situado fuera de él. En el caso de una esfera hueca,
el CG está situado en el centro de la esfera que, obviamente, no pertenece al
cuerpo).
Conceptos relacionados a centro de gravedad:
Por ejemplo, si consideramos dos puntos materiales A y B, cuyas masas respectivas
valgan m1 y m2; además los suponemos rígidamente unidos por una varilla de masa
despreciable, a fin de poder considerarlos como formando parte de un cuerpo sólido.
La gravedad ejerce sobre dichos puntos sendas fuerzas paralelas m1g y m2g que
admiten una resultante cuyo punto de aplicación recibe el nombre de centro de
gravedad o centroide.
En otras palabras, el centro de gravedad de un cuerpo es el punto de aplicación de
la resultante de todas las fuerzas que la gravedad ejerce sobre los diferentes puntos
materiales que constituyen el cuerpo.
Centro de masa y centro de gravedad: El centro de masas coincide con el centro de
gravedad sólo si el campo gravitatorio es uniforme; es decir, viene dado en todos
los puntos del campo gravitatorio por un vector de magnitud y dirección constante.
Centro geométrico y centro de masa: El centro de geométrico de un cuerpo material
coincide con el centro de masa si el objeto es homogéneo (densidaduniforme) o si
la distribución de materia en el objeto tiene ciertas propiedades, tales como simetría.
Propiedades del centro de gravedad:
Un objeto apoyado sobre una base plana estará en equilibrio estable si la vertical
que pasa por el centro de gravedad corta a la base de apoyo. Lo expresamos
diciendo que el CG cae dentro de la base de apoyo.
Además, si el cuerpo se aleja algo de la posición de equilibrio, aparecerá un
momento restaurador y recuperará la posición de equilibrio inicial. No obstante, si
se aleja más de la posición de equilibrio, el centro de gravedad puede caer fuera de
la base de apoyo y, en estas condiciones, no habrá un momento restaurador y el
cuerpo abandona definitivamente la posición de equilibrio inicial mediante una
rotación que le llevará a una nueva posición de equilibrio.
Cálculo del centro de gravedad:
El centro de gravedad de un cuerpo K viene dado por el único vector que cumple
que:
Para un campo gravitatorio uniforme, es decir, uno en que el vector de campo
gravitatorio es el mismo en todos los puntos, la definición anterior se reduce a una
equivalente a la definición del centro de masas.
Para el campo gravitatorio creado por un cuerpo másico cuya distancia al objeto
considerado sea muy grande comparado con las dimensiones del cuerpo másico y
del propio objeto, el centro de gravedad.
2.5. TRABAJO Y ENERGÍA
Se denomina trabajo infinitesimal, al producto escalar del vector fuerza por el vector
desplazamiento.
Donde Ft es la componente de la fuerza a lo largo del desplazamiento, ds es el módulo del vector
desplazamiento dr, y q el ángulo que forma el vector fuerza con el vector desplazamiento.
El trabajo total a lo largo de la trayectoria entre los puntos A y B es la suma de todos los trabajos
infinitesimales
Su significado geométrico es el área bajo la representación gráfica de
la función que relaciona la componente tangencial de la fuerza Ft, y el
desplazamiento s.
Ejemplo: Calcular el trabajo necesario para estirar un muelle 5 cm, si la constante del muelle es
1000 N/m.
La fuerza necesaria para deformar un muelle es F=1000·x N, donde x es la deformación. El trabajo
de esta fuerza se calcula mediante la integral
El área del triángulo de la figura es (0.05·50)/2=1.25 J
Cuando la fuerza es constante, el trabajo se obtiene multiplicando la componente de la fuerza a lo
largo del desplazamiento por el desplazamiento.
W=Ft·s
Ejemplo:
Calcular el trabajo de una fuerza constante de 12 N, cuyo punto de aplicación se traslada 7 m, si el
ángulo entre las direcciones de la fuerza y del desplazamiento son 0º, 60º, 90º, 135º, 180º.
Si la fuerza y el desplazamiento tienen el mismo sentido, el trabajo es positivo
Si la fuerza y el desplazamiento tienen sentidos contrarios, el trabajo es negativo
Si la fuerza es perpendicular al desplazamiento, el trabajo es nulo.
Concepto de energía cinética
Supongamos que F es la resultante de las fuerzas que actúan sobre una partícula de masa m. El
trabajo de dicha fuerza es igual a la diferencia entre el valor final y el valor inicial de la energía
cinética de la partícula.
En la primera línea hemos aplicado la segunda ley de Newton; la componente tangencial de la
fuerza es igual a la masa por la aceleración tangencial.
En la segunda línea, la aceleración tangencial at es igual a la derivada del módulo de la velocidad, y
el cociente entre el desplazamiento ds y el tiempo dt que tarda en desplazarse es igual a la
velocidad v del móvil.
Se define energía cinética como la expresión
El teorema del trabajo-energía indica que el trabajo de la resultante de las fuerzas que actúa sobre
una partícula modifica su energía cinética.
Ejemplo: Hallar la velocidad con la que sale una bala después de atravesar una tabla de 7 cm de
espesor y que opone una resistencia constante de F=1800 N. La velocidad inicial de la bala es de
450 m/s y su masa es de 15 g.
El trabajo realizado por la fuerza F es -1800·0.07=-126 J
La velocidad final v es
Fuerza conservativa. Energía potencial
Un fuerza es conservativa cuando el trabajo de dicha fuerza es igual a la diferencia entre los
valores inicial y final de una función que solo depende de las coordenadas. A dicha función se le
denomina energía potencial.
El trabajo de una fuerza conservativa no depende del camino seguido para ir del punto A al punto
B.
El trabajo de una fuerza conservativa a lo largo de un camino cerrado es cero.
Ejemplo
Sobre una partícula actúa la fuerza F=2xyi+x2j N
Calcular el trabajo efectuado por la fuerza a lo largo del camino
cerrado ABCA.
La curva AB es el tramo de parábola y=x2/3.
BC es el segmento de la recta que pasa por los puntos (0,1) y
(3,3) y
CA es la porción del eje Y que va desde el origen al punto
(0,1)
El trabajo infinitesimal dW es el producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento
dW=F·dr=(Fxi+Fyj)·(dxi+dyj)=Fxdx+Fydy
Las variables x e y se relacionan a través de la ecuación de la
trayectoria y=f(x), y los desplazamientos infinitesimales dx y dy se
relacionan a través de la interpretación geométrica de la
derivada dy=f’(x)·dx. Donde f’(x) quiere decir, derivada de la
función f(x) con respecto a x.
Vamos a calcular el trabajo en cada unos de los tramos y el trabajo total en el camino cerrado.
Tramo AB
Trayectoria y=x2/3, dy=(2/3)x·dx.
Tramo BC
La trayectoria es la recta que pasa por los puntos (0,1) y (3,3). Se trata de una recta de pendiente
2/3 y cuya ordenada en el origen es 1.
y=(2/3)x+1, dy=(2/3)·dx
Tramo CD
La trayectoria es la recta x=0, dx=0, La fuerza F=0 y por tanto, el trabajo WCA=0
El trabajo total
WABCA=WAB+WBC+WCA=27+(-27)+0=0
El peso es una fuerza conservativa
Calculemos el trabajo de la fuerza peso F=-mg j cuando el cuerpo se desplaza desde la posición A
cuya ordenada es yA hasta la posición B cuya ordenada es yB.
La energía potencial Ep correspondiente a la fuerza conservativa peso tiene la forma funcional
Donde c es una constante aditiva que nos permite establecer el nivel cero de la energía potencial.
La fuerza que ejerce un muelle es conservativa
Como vemos en la figura cuando un muelle se deforma x, ejerce una fuerza sobre la partícula
proporcional a la deformación x y de signo contraria a ésta.
Para x>0, F=-kx
Para x<0, F=kx
El trabajo de esta fuerza es, cuando la partícula se desplaza desde la posición xA a la posición xB es
La función energía potencial Ep correspondiente a la fuerza conservativa F vale
El nivel cero de energía potencial se establece del siguiente modo: cuando la deformación es
cero x=0, el valor de la energía potencial se toma cero, Ep=0, de modo que la constante aditiva
vale c=0.
Principio de conservación de la energía
Si solamente una fuerza conservativa F actúa sobre una partícula, el trabajo de dicha fuerza es
igual a la diferencia entre el valor inicial y final de la energía potencial
Como hemos visto en el apartado anterior, el trabajo de la resultante de las fuerzas que actúa
sobre la partícula es igual a la diferencia entre el valor final e inicial de la energía cinética.
Igualando ambos trabajos, obtenemos la expresión del principio de conservación de la energía
EkA+EpA=EkB+EpB
La energía mecánica de la partícula (suma de la energía potencial más cinética) es constante en
todos los puntos de su trayectoria.
Comprobación del principio de conservación de la energía
Un cuerpo de 2 kg se deja caer desde una altura de 3 m. Calcular
1. La velocidad del cuerpo cuando está a 1 m de altura y cuando llega al
suelo, aplicando las fórmulas del movimiento rectilíneo uniformemente
acelerado
2. La energía cinética potencial y total en dichas posiciones
Tomar g=10 m/s2
Posición inicial x=3 m, v=0.
Ep=2·10·3=60 J, Ek=0, EA=Ek+Ep=60 J
Cuando x=1 m
Ep=2·10·1=20 J, Ek=40, EB=Ek+Ep=60 J
Cuando x=0 m
Ep=2·10·0=0 J, Ek=60, EC=Ek+Ep=60 J
La energía total del cuerpo es constante. La energía potencial disminuye y la energía cinética
aumenta.
Fuerzas no conservativas
Para darnos cuenta del significado de una fuerza no conservativa, vamos a compararla con la
fuerza conservativa peso.
El peso es una fuerza conservativa.
Calculemos el trabajo de la fuerza peso cuando la partícula se traslada de A hacia B, y a
continuación cuando se traslada de B hacia A.
WAB=mg x
WBA=-mg x
El trabajo total a lo largo el camino cerrado A-B-A, WABA es
cero.
La fuerza de rozamiento es una fuerza no conservativa
Cuando la partícula se mueve de A hacia B, o de B hacia A la fuerza de rozamiento es opuesta al
movimiento, el trabajo es negativo por que la fuerza es de signo contrario al desplazamiento
WAB=-Fr x
WBA=-Fr x
El trabajo total a lo largo del camino
cerrado A-B-A, WABA es distinto de cero
WABA=-2Fr x
Balance de energía
En general, sobre una partícula actúan fuerzas conservativas Fc y no conservativas Fnc. El trabajo de
la resultante de las fuerzas que actúan sobre la partícula es igual a la diferencia entre la energía
cinética final menos la inicial.
El trabajo de las fuerzas conservativas es igual a la diferencia entre la energía potencial inicial y la
final
Aplicando la propiedad distributiva del producto escalar obtenemos que
El trabajo de una fuerza no conservativa modifica la energía mecánica (cinética más potencial) de
la partícula.
Ejemplo 1:
Un bloque de masa 0.2 kg inicia su movimiento hacia arriba, sobre un plano de 30º de inclinación,
con una velocidad inicial de 12 m/s. Si el coeficiente de rozamiento entre el bloque y el plano es
0.16. Determinar:
la longitud x que recorre el bloque a lo largo del plano hasta que se para
la velocidad v que tendrá el bloque al regresar a la base del plano
Cuando el cuerpo asciende por el plano inclinado
La energía del cuerpo en A es EA=½0.2·122=14.4 J
La energía del cuerpo en B es EB=0.2·9.8·h=1.96·h =0.98·x J
El trabajo de la fuerza de rozamiento cuando el cuerpo se desplaza de A a B es
W=-Fr·x=-μ·mg·cosθ·x=-0.16·0.2·9.8·cos30·x=-0.272·x J
De la ecuación del balance energético W=EB-EA, despejamos x=11.5 m, h=x·sen30º=5.75 m
Cuando el cuerpo desciende
La energía del cuerpo en B es EB=0.2·9.8·h=1.96·h =0.98·x=0.98·11.5=11.28 J
La energía del cuerpo en la base del plano EA==½0.2·v2
El trabajo de la fuerza de rozamiento cuando el cuerpo se desplaza de B a A es
W=-Fr·x=-μ·mg·cosθ·x=-0.16·0.2·9.8·cos30·11.5=-3.12 J
De la ecuación del balance energético W=EA-EB, despejamos v=9.03 m/s.
Ejemplo 2:
Una partícula de masa m desliza sobre una superficie en forma de cuarto de circunferencia de
radio R, tal como se muestra en la figura.
Las fuerzas que actúan sobre la partícula son:
El peso mg
La reacción de la superficie N, cuya dirección es radial
La fuerza de rozamiento Fr, cuya dirección es tangencial y cuyo sentido es opuesto a la
velocidad de la partícula.
Descomponiendo el peso mg, a lo largo de la dirección tangencial y normal, escribimos la ecuación
del movimiento de la partícula en la dirección tangencial
mat=mg·cosθ-Fr
Donde at=dv/dt es la componente tangencial de la aceleración. Escribimos en forma de ecuación
diferencial la ecuación del movimiento
Calculamos el trabajo Wr realizado por la fuerza de rozamiento. La fuerza de rozamiento es de
sentido contrario al desplazamiento
Teniendo en cuenta que el deslazamiento es un pequeño arco de
circunferencia dl=R·dθ y que
El trabajo realizado por la fuerza no conservativa Fr vale
Si el móvil parte del reposo v=0, en la posición θ=0. Cuando llega a la posición θ
La energía cinética se ha incrementado en mv2/2.
La energía potencial ha disminuido en mgRsenθ.
El trabajo de la fuerza de rozamiento es igual a la diferencia entre la energía final y la energía
inicial o bien, la suma de la variación de energía cinética más la variación de energía potencial.
El trabajo total de la fuerza de rozamiento cuando la partícula describe el cuarto de círculo es
2.6. LA ENERGÍA
La energía caracteriza la capacidad de los sistemas para cambiar sus propiedades
o las de otros sistemas, ya que ocurren cambios mediante la aplicación de fuerzas,
el calentamiento o la radiación.
En las múltiples actividades de los seres vivos sobre el planeta, incluidos los seres
humanos, interviene la energía.
El solo hecho de vivir: ingerir alimentos, respirar, trabajar, realizar ejercicios,
estudiar, implica transformar energía.
Los procesos ecológicos, de los que tanto se habla hoy día, representan
transferencias de energía entre los diferentes niveles tróficos.
El universo en su conjunto, con los movimientos de sus millones de soles, planetas
y galaxias, así como la Tierra misma, actúan y forman una majestuosa unidad,
donde se manifiestan diversas transformaciones de energía.
Algunos autores expresan, quizás con cierto sentido poético, que la energía es el
motor impulsor de todo proceso o fenómeno que ocurre en el Universo, y se entende
por esto que en cada fenómeno o proceso se originan cambios que en última
instancia propician transformaciones energéticas; esto abarca desde el movimiento
planetario hasta la explosión de una estrella supernova o la transición de un átomo
de un estado excitado de mayor energía a otro de menor energía con la
consecuente emisión de radiación electromagnética.
Durante la evolución de los seres humanos surgieron diversos fenómenos y
procesos que se daban a su alrededor, aunque no se podían explicar o comprender,
apreciaban cómo la fuerza de los vientos podía derribar un árbol durante una
tormenta, los efectos de las descargas eléctricas, o simplemente, cómo el Sol era
capaz de calentar sus cuerpos y proporcionarles iluminación durante el día.
En aquella remota época, los hombres contaban con dos fuentes principales de
energía: el Sol y los alimentos. El astro rey les proveía de luz y calor, y además les
permitía orientarse en el mundo circundante. Los alimentos, que eran tomados
directamente del medio, les proporcionaban la energía corporal necesaria para
realizar sus tareas cotidianas.
El descubrimiento del fuego y la habilidad para controlarlo, representó una auténtica
revolución en su capacidad para generar la energía que le permitiría calentarse y
cocinar los alimentos, debido a que desde sus orígenes, el hombre ha extraído,
transformado y transmitido la energía de unos cuerpos a otros para satisfacer sus
necesidades básicas. De esta forma nació la leña como gran fuente de energía.
Hace poco más de un siglo las principales fuentes de energía eran la fuerza de los
animales y la de los hombres y el calor obtenido al quemar la madera. El ingenio
humano también había desarrollado algunas máquinas con las que aprovechaba la
fuerza hidráulica para moler los cereales o preparar el hierro en las ferrerías, o la
fuerza del viento en los barcos de vela o los molinos de viento. Pero la gran
revolución ocurrió con la máquina de vapor, y desde entonces, el gran desarrollo de
la industria y la tecnología han cambiado, significativamente, las fuentes de energía
que mueven la sociedad moderna.
El desarrollo de un país está ligado a un creciente consumo de energía de
combustibles fósiles como el petróleo, carbón y gas natural.
Formas y fuentes de energía
Una de las propiedades de la energía es la de presentarse en diferentes formas.
Por ejemplo, al calentar agua empleando una hornilla de gas, la energía transmitida
al agua estaba inicialmente "almacenada" en el combustible utilizado. La energía
transmitida al agua provoca el incremento de su temperatura y que sus moléculas
aumenten la velocidad de su "movimiento". Además, como se conoce, en este
proceso una parte de la energía desprendida por el gas al combustionarse, se
trasmite por "radiación " al recipiente y al medio circundante.
En el ejemplo anterior se evidencia que la energía se pone de manifiesto a través
de los cambios. Sin embargo, aunque se pueden mencionar muchísimos otros
ejemplos de maneras en las que se presenta la energía, todas pueden agruparse
en tres formas principales, que son:
Energía potencial o almacenada: Este es el caso de la energía potencial gravitatoria
de las masas de agua que están a cierta altura en el embalse de una hidroeléctrica,
la energía potencial elástica almacenada en un resorte comprimido, la energía
química almacenada en la madera, la energía almacenada en el campo de las
fuerzas nucleares, o la energía almacenada en las placas tectónicas, la cual se
libera cuando estas reajustan sus posiciones y ocurre un terremoto. También incluye
la energía potencial del campo eléctrico.
Energía cinética, basada o relacionada con el movimiento: Es la energía que poseen
las olas del mar y también las masas de aire que se desplazan en la atmósfera
dando lugar a los vientos. Asimismo poseen energía cinética, en un caso, las masas
de agua y en otro, las masas de vapor que ponen en movimiento los generadores
de electricidad de las centrales hidroeléctricas, termoeléctricas y electronucleares.
Energía radiante: Aquí se puede mencionar la radiación solar, la radiación que
emana de un bombillo incandescente y la radiación del fondo cósmico de
microondas que llena todo el espacio, como huella indeleble de la gran explosión
que tuvo lugar en el universo hace unos quince mil millones de años.
Cuando un sistema, al interactuar con otros, entrega parte de su energía a través
del calentamiento, la radiación o la realización de trabajo, se dice que está actuando
como una fuente de energía.
Las fuentes energéticas primarias agotables son aquellas de las que existe una
cierta cantidad, limitada, se conozca o no tal cantidad. Ejemplos de estas fuentes
son los combustibles fósiles, la energía geotérmica y los llamados "combustibles
nucleares".
Por su parte, las fuentes energéticas primarias renovables, son aquellas cuya
disponibilidad se repite en el tiempo según períodos fijos o variables, y en
cantidades no necesariamente iguales.
En este grupo se encuentran la energía solar fotovoltaica, la energía solar térmica
y la energía de la biomasa, la energía eólica, entre otras.
El petróleo fuente energética primaria
Energía fotovoltaica
Enregía eólica
Energía solar térmica
Uso eficiente de la energía
Es imprescindible reducir la dependencia de nuestra economía del petróleo y los
combustibles fósiles. Es una tarea urgente, según muchos de los estudiosos del
ambiente, porque la amenaza del cambio climático global y otros problemas
ambientales son muy serios y porque, a medio plazo, no podemos seguir basando
nuestra forma de vida en una fuente de energía no renovable que se va agotando.
Además esto lo debemos hacer compatible, por un deber elemental de justicia, con
lograr el acceso a una vida más digna para todos los habitantes del Mundo.
Para lograr estos objetivos son muy importantes dos cosas:
Por una parte aprender a obtener energía, de forma económica y respetuosa con el
ambiente, de las fuentes alternativas de las que hemos hablado en páginas
anteriores.
Pero más importante aun, es aprender a usar eficientemente la energía. Usar
eficientemente la energía significa no emplearla en actividades innecesarias y
conseguir hacer las tareas con el mínimo consumo de energía posible. Desarrollar
tecnologías y sistemas de vida y trabajo que ahorren energía es lo más importante
para lograr un auténtico desarrollo, que se pueda llamar sostenible.
Por ejemplo, se puede ahorrar energía en los automóviles, tanto construyendo
motores más eficientes, que empleen menor cantidad de combustible por kilómetro,
como con hábitos de conducción más racionales, como conducir a menor velocidad
o sin aceleraciones bruscas.
Hacer un uso eficiente de la energía significa poder producir, a partir de una cierta
cantidad inicial de energía, la mayor porción posible de cambios en determinados
sistemas. En la valoración energética de un proceso dado, resulta muy útil el
concepto de rendimiento, el cual está relacionado con los cambios útiles que es
posible realizar a partir de cierta cantidad de energía disponible.
El ahorro de energía y la eficiencia energética están estrechamente relacionados
con el uso adecuado de los medios consumidores y a los hábitos de consumo
individuales. Al hablar de la eficiencia con que se emplea la energía, no es válido el
criterio de modo común aceptado de que "más vale que sobre y no que falte", ya
que en términos energéticos, de lo que se trata es de utilizar solo lo necesario.
Medidas prácticas para el ahorro de energía eléctrica
Apague los aparatos eléctricos cuando no se estén utilizando e igualmente
desconecte los que no tienen interruptor. Esto incluye los reguladores de voltaje,
backup, impresoras, scanner, televisores y vídeos.
Utilice todos los aparatos eléctricos de acuerdo con las recomendaciones de uso,
mantenimiento y seguridad que indique el fabricante.
Revise cuidadosamente los aparatos que al conectarse produzcan chispas o
calienten el cable. No los vuelva a usar antes de resolver el problema.
Desconecte los aparatos eléctricos desde la clavija o espiga, nunca hale el cable.
Es importante mantener en buen estado tanto la clavija como el enchufe.
Encienda la televisión sólo cuando realmente quiera ver un programa.
Mantenga bajos los niveles de iluminación en el lugar donde vea la televisión, así
evitará reflejos molestos y ahorrará energía.
Vigile las instalaciones y ubicación de los ventiladores de techo, ya que si se realiza
de manera inadecuada pueden resultar peligrosos y, además consumen una
cantidad de energía eléctrica sin resultados satisfactorios.
En el caso de los locales climatizados, limpie el filtro de su acondicionador de aire
cada quince días, los filtros sucios y los equipos saturados de polvo provocan que
el motor trabaje sobrecargado, consuma más electricidad y reduzca su utilidad.
Adecue la temperatura del acondicionador de aire a un grado de confort que no
obligue al uso de abrigos en el interior de los locales climatizados. Es aconsejable
que, de estar fría la habitación, se apague el acondicionador de aire y sólo se
encienda el ventilador; de esta manera el local se mantendrá fresco y no se gastará
tanta energía.
Desconecte el acondicionador de aire al salir del local.
Tape y selle todo tipo de hendiduras para asegurar que los locales climatizados
queden aislados (cambie vidrios rotos, selle orificios por los cuales pueda producirse
intercambio de aire con el exterior, etc.)
Mantener apagadas, o razonablemente tenues, las luces de los pasillos durante el
día.
3. LA TEMPERATURA, LA LUZ, LOS LÍQUIDOS, EL AÍRE Y LOS SONIDOS
3.1. Hidrostática
Cuando una parcela de fluido se encuentra en equilibrio, la resultante de las fuerzas
de volumen y de superficie que actúan sobre ella debe ser nula. Si expresamos esta
condición por unidad de volumen, esto significa que en el equilibrio se debe cumplir
f +∇⋅ = σ 0 (2.1) En un fluido en reposo el tensor de los esfuerzos tiene la forma σ δ
ij ij = −p , por lo tanto la condición (2.1) se escribe f = ∇p (2.2) Si la fuerza por unidad
de volumen f se debe a la gravedad tendremos f g = ρ . La ec. (2.2) se denomina
ecuación fundamental de la hidrostática. Principio de Arquímedes Sea un cuerpo de
volumen V limitado por la sup 2. Hidrostática 21 g e = −g z (2.7) implica que el
gradiente de la presión debe tener en todo punto la dirección z, o sea que en el
equilibrio ∂∂ ∂∂ px py / / = = 0 (si así no fuera existirían componentes del gradiente
de la presión que no podrían ser equilibrados por la gravedad). Por lo tanto resulta
que p pz = ( ) (2.8) y entonces la condición (2.6) se reduce a la forma escalar dp dz
= −ρg (2.9) Claramente, esta condición se puede satisfacer sólo si la densidad es
también función solamente de z: ρ ρ = ( )z (2.10) Un líquido cuya densidad depende
solamente de z se dice estratificado. Por ejemplo, en el mar, la temperatura y la
salinidad del agua dependen de z, y por lo tanto la densidad depende de z. La
condición de equilibrio (2.9) se puede cumplir cualquiera sea la estratificación de
densidad (2.10). Sin embargo, no todos estos equilibrios son estables, como
mostraremos ahora. Consideremos el caso de un líquido 2 de densidad ρ2 que
descansa sobre otro líquido 1 de densidad ρ1. La superficie que separa ambos
líquidos es horizontal y por lo tanto se satisface la condición de equilibrio. Vamos a
mostrar que este equilibrio es inestable si ρ ρ 2 1 > (como ocurre si tenemos agua
sobre aceite). y x z h a g Líquido 2 Líquido 1 l2 l1 A B Fig. 2.1. Estabilidad del
equilibrio de dos líquidos superpuestos. Por efecto de la perturbación de la interfaz,
el líquido 2 que ocupaba el volumen A ha descendido, pasando a ocupar el volumen
B. Recíprocamente, el líquido 1 que ocupaba el volumen B ha ascendido, pasando
a ocupar el volumen A. El equilibrio es inestable si ρ ρ 2 1 > pues la porción del
líquido 1 que ha subido, al hallarse rodeada de un fluido más denso, experimenta
una fuerza neta hacia arriba, a la vez que la porción del líquido 2 que ha bajado y
está dentro de un medio menos denso está sometida a una fuerza neta hacia abajo:
por lo tanto estas fuerzas tienden a acrecentar la amplitud de la perturbación. 2.
Hidrostática. Está claro que si ρ ρ 2 1 > , en virtud del Principio de Arquímedes,
sobre la porción A del líquido 1 que se ha desplazado hacia arriba (respecto del
equilibrio) actúa una fuerza neta dirigida hacia arriba. Análogamente, sobre la
porción B del líquido 2, que se ha desplazado hacia abajo, actúa una fuerza neta
dirigida hacia abajo. A los fines del cálculo vamos a suponer que el desplazamiento
vertical de la superficie de separación tiene la forma2 ( a,λ =cte.): δ πλ za x = sen( /
) 2 (2.11) El volumen (por unidad de longitud en la dirección y) de las porciones A y
B es δ λπ V a = / (2.12) Por lo tanto, debido a la deformación de la superficie de
separación, una porción del líquido 1, que antes de la deformación ocupaba el
elemento B, ha pasado a ocupar el elemento A. Viceversa, la porción del líquido 2,
que antes de la deformación ocupaba el elemento A, ha pasado a ocupar el
elemento B. Es decir, la perturbación consiste en el intercambio de los líquidos
contenidos en los elementos de volumen A y B. Como resultado de estos
desplazamientos la porción del líquido 2 que ha descendido ha sufrido una
disminución de su energía potencial3 , dada por δ δρ U m ga π π V ga 2 2 2 2 =−
=− 2 (2.13) mientras que la porción del líquido 1 que ha ascendido ha tenido un
aumento de energía potencial igual a δ δρ U m ga π π 1 V ga 2 1 2 = = 1 (2.14) La
variación neta de energía potencial del sistema es entonces δ δ δ δ ρρ UU U π = +
=− − 1 2 Vga 2 2 1 ( ) (2.15) Claramente, se tendrá δ ρρ U < > 0 2 1 si (2.16) lo que
significa que si el líquido más denso está encima del menos denso, el equilibrio no
corresponde a un mínimo de energía potencial. Por lo tanto el equilibrio es inestable
y se rompe espontáneamente: el líquido más pesado baja y el líquido más liviano
sube, hasta que terminan 2 Se ha supuesto esta particular forma de la perturbación
al solo objeto de fijar ideas. En realidad, se puede imaginar otro tipo de perfil
(triangular, rectangular, etc.) para las porciones A y B y el resultado es el mismo en
lo que concierne a la estabilidad o inestabilidad del equilibrio. 3 El factor 2/π
proviene del cálculo del desplazamiento del baricentro de la porción del fluido 2 que
se ha desplazado. 2. Hidrostática 23 por darse vuelta. La descripción detallada del
desarrollo de la inestabilidad es muy complicada, puesto que las ecuaciones que la
describen son no lineales y su evolución depende de la forma de la perturbación
inicial4 . Para una condición inicial de la forma (2.11) cuya amplitud a es infinitesimal,
al comienzo de la inestabilidad la perturbación conserva la forma sinusoidal y su
amplitud crece exponencialmente con el tiempo (etapa lineal). Pero cuando la
magnitud de la perturbación se hace apreciable, su forma deja de ser sinusoidal y
su velocidad de crecimiento alcanza un valor de saturación (etapa no lineal). En el
caso opuesto (líquido denso en el fondo y líquido menos denso arriba), tendremos
δ ρρ U > < 0 2 1 si (2.17) y por lo tanto el equilibrio es estable pues corresponde al
mínimo de la energía potencial. Si se perturba este estado, las fuerzas de empuje
tienden a restituir el equilibrio. De resultas de esto hay oscilaciones de la superficie
de separación, que se propagan en forma de ondas que se denominan ondas
internas de gravedad. No es difícil demostrar que la condición de estabilidad del
equilibrio para un líquido con una estratificación continua de densidad es d dz ρ < 0
(2.18) Las ondas internas que se producen cuando se perturba una estratificación
estable de este tipo son de gran interés en oceanografía.
3.2. ESTADOS DE LA MATERIA
Estados de agregación Todos los cuerpos están formados por materia, cualquiera
que sea su forma, tamaño o estado. La materia se nos presenta en tres estados
fundamentales de agregación:
•Sólido: azúcar, sal, hielo...
• Líquido: alcohol, agua, aceite...
• Gas: oxígeno, nitrógeno... Imagen 1. Los tres estados de la materia. Propiedades
de la materia La materia, en cualesquiera de sus estados, tiene una serie de
propiedades características como son la densidad, la dureza, el punto de fusión, la
temperatura, el volumen específico (volumen ocupado por la unidad de masa), el
punto de ebullición... que no dependen de la cantidad de materia considerada. Por
otra parte, hay otras propiedades como el volumen o la masa que sí dependen de
la cantidad que se tome. Lord Kelvin Era el año 1848 cuando un científico de Irlanda
del Norte llamado William Thomson (1824- 1907) propuso que para medir la
temperatura de los cuerpos se utilizase una nueva escala que comenzara a contar
justamente en el llamado cero absoluto Por entonces ya se había calculado que la
temperatura tiene un límite natural, por debajo del cual es imposible descender. Ese
límite estaba establecido en -273 ºC, o sea, a 273 ºC bajo cero. William Thomson
era profesor de física en la Universidad de Glasgow desde los veintidós años, a los
treinta y cuatro había sido nombrado sir y en 1892 decidieron nombrarle lord. Puesto
que desempeñó un papel importante en el tendido del primer cable transatlántico,
se pensó en adoptar para él el título de lord del Cable, pero finalmente el propio
interesado propuso que se lo concedieran como lord Kelvin, en recuerdo del
pequeño río sobre cuya ribera está asentada la Universidad de Glasgow Y así no
sólo ha pasado ese nombre a la histona de la física para identificar a William
Thomson, sino también para denominar la unidad de la escala absoluta de
temperaturas. Para pasar de la escala centígrada (o Celsius) a la escala absoluta
de Kelvin, basta sumar la cantidad de 273. Así, cuando tenemos una temperatura
de 25 ºC, su equivalente en la escala kelvin será 25 + 273 = 298 K. A1. La densidad
se mide de diferente forma según la materia se presente como un sólido, un líquido
o un gas. Investiga los métodos que se pueden seguir para calcular la densidad de
las substancias y, en concreto, mira los densímetros que aparecen en la fotografía
y explica su funcionamiento. Estados de la materia 58 FÍSICA Y QUÍMICA A las
primeras propiedades se las llama intensivas y a las segundas extensivas. Imagen
2. Las propiedades varían de una sustancia a otra La densidad y la temperatura son
propiedades intensivas de la materia. Una escala termométrica muy usada es la
escala Kelvin. En ella, se toma como origen el cero absoluto y cada grado equivale
a un grado centígrado. Lord Kelvin da nombre a esta escala termométrica
3.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS LÍQUIDOS
En los líquidos las moléculas están mas juntas. Apenas existe espacio entre las
moléculas. Por lo tanto es mas difícil de comprimir un liquido que un gas. Así que
los líquidos son mas densos que los gases.
Las moléculas se mantienen unidas por distintas fuerzas de atracción. Pueden
moverse con libertad, por ello, un liquido puede fluir y derramarse. Un liquido puede
tomar la forma del recipiente que lo contiene.
La conversión de un gas en un liquido o solido requiere que las moléculas se
aproximen unas con otras. Esto se puede lograr aumentado la presión sobre el gas,
o calentándolo.
Si tratamos de convertir un solido en un liquido o gas, se requiere un calentamiento
o reducción de la presión. Ya que de esta forma las moléculas adoptarían un mayor
movimiento.
Las transformaciones de un estado a otro se denominan cambios de fase. Estos
cambios son transformaciones físicas que se distinguen por el cambio del orden
molecular.
Una fase se define como porción de la materia con propiedades uniformes. O bien,
porción de un sistema separado de los otros por limites físicos.
Fuerzas Distancias Orden Propiedades
Gas Despreciables frente a
la agitación térmica
Largas y
desiguales
Continuo
movimiento al
azar
Volumen variables, bajas
densidades, fluidos, se difunden
con rapidez
Liquido Intermedias.
Fuerzas de Van Der
Waals
Cortas y
desiguales
Semiorden Volúmenes fijos, fluidos, altas
densidades, se difunden a través
de otros líquidos.
Solido Grandes frente a la
agitación térmica
Cortas e
Iguales
Elevado orden Volúmenes fijos, no son fluidos,
tienen altas densidades, difunden
lentamente.
3.4. Las propiedades y características de los líquidos están determinadas por las fuerzas
intermoleculares del mismo.
3.5. PRESIÓN
Se llama Presión, a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en
relación de peso o fuerza. La presión técnicamente se refiere a dos tipos
fundamentales, opresión y compresión, la opresión es comúnmente asociada a la
falta de libertad de un sujeto para movilizarse con plena independencia, y la
compresión se refiere al esfuerzo o impedimento que realiza un cuerpo sobre otro
impidiendo su salida de algún sitio.
La presión es aplicada en términos científicos, por ejemplo en la química, la presión
de cierto vapor o gas puede provocar la ruptura de algún reactor, asi como también
en algún instrumento de medición puede arrojar datos relevantes de cualquier
estudio. La presión es básicamente usada para determinar procesos en los que la
temperatura juega un papel fundamental en la realización de algún experimento
con una reacción química.
3.6. EL AÍRE
Se denomina aire a la mezcla homogénea de gases que constituye la atmósfera
terrestre, que permanecen alrededor del planeta Tierra por acción de la fuerza de
gravedad. El aire es esencial para la vida en el planeta y transparente a simple vista.
Es una combinación de gases en proporciones ligeramente variables, compuesto
por 78,09 % de nitrógeno, 20,95 % de oxígeno, 0,93 % de argón, 0,04 % de dióxido
de carbono y pequeñas cantidades de otros gases. El aire también contiene una
cantidad variable de vapor de agua, en promedio alrededor del 1 % al nivel del mar
y del 0,4 % en toda la atmósfera
3.7. EL SONIDO
3.8. Temperatura
3.9. La luz
4. SISTEMA MÉTRICO Y LA MEDICIÓN
4.1. CONCEPTO DE MEDICIÓN
MEDIR
Definición 1
Es determinar la dimensión de la magnitud de una variable en relación con una
unidad de medida preestablecida y convencional.
Se conocen algunos sistemas convencionales para establecer las unidades de
medida: El Sistema Internacional y el Sistema Inglés.
Definición 2
Es comparar la cantidad desconocida que queremos determinar y una cantidad
conocida de la misma magnitud, que elegimos como unidad. Teniendo como punto
de referencia dos cosas: un objeto (lo que se quiere medir) y una unidad de medida
ya establecida ya sea en Sistema Inglés, Sistema Internacional, o una unidad
arbitraria.
Al resultado de medir lo llamamos Medida.
Cuando medimos algo se debe hacer con gran cuidado, para evitar alterar el
sistema que observamos. Por otro lado, no hemos de perder de vista que las
medidas se realizan con algún tipo de error, debido a imperfecciones del
instrumental o a limitaciones del medidor, errores experimentales, por eso, se ha de
realizar la medida de forma que la alteración producida sea mucho menor que el
error experimental que se pueda cometer.
UNIDAD DE MEDIDA
Una unidad de medida es una cantidad estandarizada de una determinada magnitud
física. En general, una unidad de medida toma su valor a partir de un patrón o de
una composición de otras unidades definidas previamente. Las primeras se
conocen como unidades básicas o de base (o, no muy correctamente,
fundamentales), mientras que las segundas se llaman unidades derivadas. Un
conjunto consistente de unidades de medida en el que ninguna magnitud tenga más
de una unidad asociada es denominado sistema de unidades.
Todas las unidades denotan cantidades escalares. En el caso de las magnitudes
vectoriales, se interpreta que cada uno de los componentes está expresado en la
unidad indicada.
Sistema Internacional ( S.I.)
Este nombre se adoptó en el año 1960 en la XI Conferencia General de Pesos y
Medidas, celebrada en París buscando en él un sistema universal, unificado y
coherente que toma como Magnitudes fundamentales: Longitud, Masa, Tiempo,
Intensidad de corriente eléctrica, Temperatura termodinámica, Cantidad de
sustancia, Intensidad luminosa. Toma además como magnitudes complementarias:
ángulo plano y ángulo sólido.
Tipos de unidades de medidas
1. Unidades de capacidad
2. Unidades de densidad
3. Unidades de energía
4. Unidades de fuerza
5. Unidades de longitud
6. Unidades de masa
7. Unidades de peso específico
8. Unidades de potencia
9. Unidades de presión
10. Unidades de superficie
11. Unidades de temperatura
12. Unidades de tiempo
13. Unidades de velocidad
14. Unidades de viscosidad
15. Unidades de volumen
16. Unidades eléctricas
4.2. SISTEMA MÉTRICO DECIMAL
En el pasado cada país y en algunos casos cada región usaba unidades de medidas
diferentes, esta diversidad dificultó las relaciones comerciales entre los pueblos.
Para acabar con esas dificultades, en 1791, tras la Revolución Francesa, la
Academia de Ciencias de París propuso el Sistema Métrico Decimal.
Progresivamente fue adoptado por todos los países, a excepción de los de habla
inglesa, que se rigen por el Sistema Inglés o Sistema Imperial Británico.
En España su empleo se hizo oficial desde 1849, aunque sobre todo en el ámbito
agrario ha coexistido con las medidas tradicionales.
El sistema métrico decimal de la Revolución Francesa se ha convertido hoy en día
en un sistema más moderno, más universal y más completo, conocido como
Sistema Internacional de Unidades.
Sistema Métrico Decimal es un sistema de unidades en el cual los múltiplos y
submúltiplos de una unidad de medida están relacionadas entre sí por múltiplos o
submúltiplos de 10 .
El Sistema Métrico Decimal lo utilizamos para medir las siguientes magnitudes :
Longitud, el largo de las cosas.
Medidas de longitud
La unidad de las medidas de longitud es el metro (m).
Los múltiplos del metro se forman anteponiendo a la palabra metro, los prefijos
griegos Deca, Hecto y Kilo, que significan diez, cien y mil, respectivamente.
Los submúltipos del metro se forman anteponiendo los prefijos griegos deci, centi y
mili, que significan décima, centésima y milésima parte, respectivamente.
Los múltiplos y submúltiplos del metro aumentan y disminuyen de diez en diez , y
son:
Kilómetro (Km)
Hectómetro (Hm)
Decámetro (Dm)
metro (m)
decímetro (dm)
centímetro (cm)
milímetro (mm)
Medidas de masa (peso).
La unidad de las medidas de masa (peso) es el gramo .
Los múltiplos y submúltiplos del gramo aumentan y disminuyen de diez en diez y
son:
Kilógramo (Kg)
Hectógramo (Hg)
Decágramo (Dg)
gramo (g)
decígramo (dg)
centígramo (cg)
milígramo (mg)
Medidas de capacidad
La unidad de las medidas de capacidad es el litro.
Los múltiplos y submúltiplos del litro aumentan y disminuyen de diez en diez y son:
Kilólitro (Kl)
Hectólitro (Hl)
decálitro (Dl)
litro (l)
decílitro (dl)
centílitro (cl)
milílitro (ml)
Medidas de superficie
La unidad de las medidas de superficie es el metro cuadrado (m 2 ), que
corresponde a un cuadrado que tiene de lado un metro lineal.
Los múltiplos y submúltiplos del m 2 aumentan y disminuyen de cien en cien y son:
Kilómetro cuadrado (Km 2 )
Hectómetro cuadrado (Hm 2 )
Decámetro cuadrado (Dm 2 )
metro cuadrado (m 2 )
decímetro cuadrado (dm 2 )
centímetro cuadrado (cm 2 )
milímetro cuadrado (mm 2 ).
4.3. CONCEPTO DE DENSIDAD
Qué es densidad?
Una de las propiedades de los sólidos, así como de los líquidos e incluso de los
gases es la medida del grado de compactación de un material: su densidad .
Bloques de plomo y de corcho.
La densidad es una medida de cuánto material se encuentra comprimido en un
espacio determinado; es la cantidad de masa por unidad de volumen .
Probablemente a veces hemos escuchado hablar de densidad de la materia o de la
densidad de un bosque o de la densidad poblacional.
Supongamos que vamos a ver un partido de fútbol y nos damos cuenta de que en
las galerías del estadio hay muy poca gente. Si dividimos todos los asientos
disponibles por el número total de asistentes tendremos como resultado un valor
numérico grande, donde habrá más de un asiento por cada persona presente. Si el
estadio está lleno totalmente, en la división propuesta tendríamos un valor numérico
menor, si no sobran asientos, la división sería uno y significaría que hay un asiento
por persona.
Dividir un espacio disponible por el número de personas presentes nos refleja el
concepto de densidad poblacional . También sabemos que Santiago tiene más
densidad poblacional que la ciudad de Limache. Eso significa que en Santiago hay
más personas por metro cuadrado de superficie que en Limache. En los textos de
geografía suele darse información sobre densidad de la población en diversas
ciudades del país y del planeta.
Es altamente probable que en un bosque de pinos, que a futuro será madera, la
densidad de los pinos plantados sea mayor que el de una plaza de una ciudad. Si
contamos los pinos que hay en un cuadrado de 50 metros de lado, probablemente
en el bosque hay más pinos que en la plaza. Entonces diríamos que el bosque tiene
mayor densidad de árboles plantados que la plaza de la ciudad.
Unidades de materia en cada cuerpo.
Ahora bien, un cuerpo está formado por materia y cada punto que contiene vendría
a representar la unidad de la materia. Por mucho tiempo se consideró que el átomo
era la unidad de la materia, ahora se sabe que no lo es, pero por ahora es
conveniente que hablemos del átomo como unidad de la materia.
Una pequeña colección de átomos da origen a una molécula. Y una gran colección
de moléculas da lugar a un cuerpo de algún tipo de sustancia. Las moléculas, con
su respectivo tamaño y número de átomos, son diferentes para cada sustancia.
En Física tenemos que trabajar con cuerpos que tienen materia, por lo tanto cada
unidad de materia podría significar una molécula o un átomo. Si el cuerpo es una
sustancia pura, de un solo elemento (como un trozo de aluminio puro por ejemplo),
entonces cada unidad material será un átomo, pero si el cuerpo es una sustancia
compuesta (como un trozo de bronce por ejemplo), cada unidad material podrá
considerarse como una molécula.
Cuántas unidades de materia hay en un cuerpo con determinado volumen
determinan el concepto de densidad .
Como cada unidad material representa un átomo o molécula y estos tienen masa,
la que se mide en gramos o en kilogramos, entonces la densidad de una materia
representa cuántos gramos o kilogramos hay por unidad de volumen.
Hay sustancias que tienen más átomos por unidad de volumen que otros, en
consecuencia tienen más gramos, o kilogramos, por unidad de volumen. Por lo
tanto, hay sustancias que tienen más densidad que otros.
La densidad del agua, por ejemplo, es de 1 gr/cm 3 . Esto significa que si tomamos
un cubo de 1 cm de lado y lo llenamos de agua, el agua contenida en ese cubo
tendrá una masa de un gramo.
La densidad del mercurio, otro ejemplo, es de 13,6 gr/cm 3 . Esto significa que en un
cubo de 1 cm de lado lleno con mercurio se tiene una masa de 13,6 gramos.
Los cuerpos sólidos suelen tener mayor densidad que los líquidos y éstos tienen
mayor densidad que los gases.
Lo anterior está dado por el hecho de que en un gas las partículas que lo componen
están menos cohesionadas, en términos vulgares esto significa que están más
separados. En los líquidos hay mayor cohesión y en los sólidos la cohesión es
mayor aún.
Y, entre los sólidos, hay sustancias que tienen diferentes densidades, por ejemplo:
el plomo es de mayor densidad que el aluminio. Lo mismo ocurre entre los líquidos
y entre los gases.
En general cada sustancia, pura o compuesta, tiene diferente densidad.
5. TEORÍA ATÓMICA Y LA TABLA PERIÓDICA
5.1. Teoría de Dalton
5.2. Otras teorías de la estructura del átomo
5.3. Estructura del átomo
5.4. Tabla periódica
6. IONES Y MOLÉCULAS
6.1. Nomenclatura de compuestos químicos inorgánicos
6.2. Compuestos iónicos
6.3. Óxidos
6.4. Ácidos
7. ENLACES QUÍMICOS
7.1. Símbolos de Lewis
7.2. Enlaces iónicos
7.3. Enlaces covalentes
7.4. Números de oxidación
8. ESTEQUIOMETRÍA
8.1. Ley de la conservación de la masa
8.2. Ley de las proporciones constantes
8.3. Ley de las proporciones múltiples
8.4. Ecuaciones químicas
8.5. Reacciones químicas
8.6. Balance de ecuaciones
9. QUÍMICA INORGÁNICA
9.1. NOMENCLATURA QUÍMICA INORGÁNICA
Nomenclatura de alcanos: Son compuestos de carbono e hidrógeno formados
por enlaces simples carbono-carbono y carbono-hidrógeno. Los alcanos tienen de
fórmula molecular CnH2n+2, donde n representa el número de átomos de carbono.
Se nombran mediante prefijos que indican el número de hidrógenos de la cadena
(met, et, prop, but, pent, hex, hept, oct, non, dec, undec), seguido del sufijo -ano.
Nomenclatura de cicloalcanos: Forman cadenas cerradas o anillos. Se clasifican
en monocíclicos si constan de un sólo anillo y policíclicos si
tienen dos o más. Se nombran de forma análoga a los
hidrocarburos lineales, anteponiendo la palabra ciclo- al
nombre del alcano lineal de igual número de carbonos,
(ciclopropano, ciclobutano, ciclopentano, ciclohexano....).
Nomenclatura de alquenos: Son compuestos hidrocarbonados con uno o más
dobles enlaces entre átomos de carbono. Su fórmula molecular es CnH2n, con n ≥
2. Se nombran con los mismos prefijos que los alcanos, cambiando la terminación
-ano por -eno, (eteno, propeno, 1-buteno).
Para nombrar los alquenos se toma como cadena principal la de mayor longitud
que contenga el doble enlace y se termina en -eno. La posición del doble enlace
se indica mediante un localizador.
Nomenclatura de alquinos: Los alquinos son compuestos
que contienen al menos un triple enlace. Con un triple enlace
cumplen la fórmula CnH2n-2 con n ≥ 2. Se nombran
terminando en -ino el nombre del alcano de igual número de
carbonos. La numeración parte del extremo que permite
asignar los localizadores más bajos al triple enlace.
Nomenclatura del benceno y derivados: El benceno es un hidrocarburo con
propiedades muy diferentes a los cicloalquenos. Se llaman compuestos aromáticos
ya que forman parte de los componentes aromáticos presentes en bálsamos y
aceites esenciales. Se nombran las cadenas laterales como sustituyentes y se
termina el nombre con la palabra benceno, (metilbenceno, clorobenceno,
nitrobenceno).
Nomenclatura de alcoholes: Se forman al cambiar
hidrógenos (-H) en alcanos por grupos hidroxilo (-OH). Se
nombran terminando en -ol al hidrocarburo con igual número
de carbonos, e indicando con un localizador la posición que
ocupa el grupo -OH. Cuando actúan como sustituyentes se
nombran como hidroxi-
Nomenclatura de éteres: Los éteres se forman por unión de dos grupos alquilo
(-R), o arilo (-Ar), a un oxígeno (-O-). Se nombran los dos radicales por orden
alfabético y se termina con la palabra éter, (metiletil éter). También se puede utilizar
el prefijo oxi interpuesto entre los radicales, (metoxietano).
Nomenclatura de aldehídos y cetonas: Los aldehídos se
nombran cambiando la terminación -o de los alcanos por -al.
Cuando hay un grupo prioritario se nombran como oxo- o
formil-. El grupo aldehído unido a un ciclo se denomina -
carbaldehído. En las cetonas se cambia la terminación -o del
hidrocarburo con igual número de carbonos por -ona. Cuando actúan como
sustituyentes al igual que los aldehídos se emplea el prefijo -oxo.
Nomenclatura de ácidos carboxílicos: Los ácidos carboxílicos son compuestos
que contienen en el extremo de la cadena el grupo carboxílico, -COOH.
La nomenclatura sistemática los nombra anteponiendo la palabra ácido al
hidrocarburo del que proceden y cambiando la terminación -o por -oico. Cuando
están unidos a ciclos se termina el nombre del ciclo en -carboxílico.
Nomenclatura de ésteres: Los ésteres se forman por
reacción de un ácido y un alcohol. La nomenclatura
sistemática los nombra como sales, terminando en -ato el
nombre del ácido carboxílico del que provienen, seguido del
nombre del radical.
Cuando actúan como sustituyentes se nombran como alcoxicarbonil- y si van
unidos a ciclos -carboxilato de alquilo.
Nomenclatura de anhídridos: Los anhídridos carboxílicos proceden de la
condensación con pérdida de agua entre dos moléculas de ácidos carboxílicos. Se
nombran con la palabra anhídrido seguida del nombre del ácido del que provienen.
También podemos encontrarnos con anhídridos mixtos que provienen de condensar
dos ácidos diferentes.
Nomenclatura de Haluros de ácido: Son compuestos en los
que se sustituye el grupo -OH de ácido carboxílico por un
halógeno -X. Se nombran como sales de los halógenos,
cambiando la terminación -oico del ácido por -oilo, (cloruro de
metanoilo). Cuando actúan como sustituyentes se llaman,
clorocarbonil- y si van unidos a ciclos cloruro de .........carbonilo.
Nomenclatura de aminas: Las aminas son compuestos que se forman al sustituir
uno o más hidrógenos del amoniaco por grupos arilo o alquilo. Se clasifican en
primarias, secundarias o terciarias según se sustituya uno, dos o tres de los
hidrógenos. Se nombran terminando el nombre del alcano del que derivan en -
amina.
Nomenclatura de amidas: Las amidas se obtienen por sustitución del grupo -OH
del ácido carboxílico por -NH2. Se nombran cambiando la terminación -oico del
ácido carboxílico por -amida. El grupo amida unido a ciclos se denomina -
carboxamida y como sustituyente -carbamoíl.
Nomenclatura de nitrilos: Proceden de sustituir el
hidrógeno del HCN por grupos arilo o alquilo. Se nombran
añadiendo el sufijo -nitrilo al nombre del alcano de igual
número de carbonos. Cuando actúan como sustituyentes se
emplea el prefijo -ciano y cuando están unidos a ciclos -carbonitrilo