UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MEDICAS
ESCUELA DE MEDICINA
CATEDRA DE BIOFISICA
CONCEPTOS BASICOS
Magnitudes y medidas. Fuerza y
Energía
Unidad
de longitud: metro (m)
El metro
es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo
de 1/299 792 458 de segundo.
Unidad
de masa
El
kilogramo (kg) es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo,
adoptado por la tercera Conferencia General de Pesas y Medidas en 1901.
Unidad
de tiempo
El segundo
(s) es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a
la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo
de cesio 133. Esta definición se refiere al átomo de cesio en reposo, a una
tempartaura de 0 K.
Unidad
de intensidad de corriente eléctrica
El amperio
(A) es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos
conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular
despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío,
produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2·10-7 newton por metro
de longitud.
De aquí
resulta que la permeabilidad del vacío es μ0=4π·10-7H/m (henrio por metro)
Unidad
de temperatura termodinámica
El kelvin
(K), unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la
temperatura termodinámica del punto triple del agua.
Esta
definición se refiere a un agua de una composición isotópica definida por las
siguientes relaciones de cantidad de sustancia: 0,000 155 76 moles de 2H por
mol de 1H, 0,000 379 9 moles de 17O por mol de 16O y 0,0002 005 2 moles de de
18O por mol de 16O.
De aquí
resulta que la temperatura termodinámica del punto triple del agua es igual a
273,16 kelvin exactamente Ttpw=273,16 K.
Unidad
de cantidad de sustancia
El mol
(mol) es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades
elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Esta definición
se refiere a átomos de carbono 12 no ligados, en reposo y en su estado
fundamental.
Cuando se
emplee el mol, deben especificarse las unidades elementales, que pueden ser
átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos especificados
de tales partículas.
De aquí
resulta que la masa molar del carbono 12 es igual a 12 g por mol, exactamente
M(12C)=12 g/mol
Unidad
de intensidad luminosa
La candela
(cd) es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una
radiación monocromática de frecuencia 540·1012 hercios y cuya intensidad
energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián.
De aquí
resulta que la eficacia luminosa espectral de la radiación monocromática de
frecuencia igual a 540·1012 hercios es igual a 683 lúmenes por vatio,
exactamente K=683 lm/W=683 cd sr/W.
Unidades
SI derivadas
Las
unidades derivadas se forman a partir de productos de potencias de unidades
básicas. Las unidades derivadas coherentes son productos de potencias de
unidades básicas en las que no interviene ningún factor numérico más que el 1.
Las unidades básicas y las unidades derivadas coherentes del SI forman un
conjunto coherente, denominado conjunto de unidades SI coherentes.
El número
de magnitudes utilizadas en el campo científico no tiene límite; por tanto no
es posible establecer una lista completa de magnitudes y unidades derivadas.
Sin embargo, la tabla 2 presenta algunos ejemplos de magnitudes derivadas y las
unidades derivadas coherentes correspondientes, expresadas directamente en
función de las
unidades
básicas.
Leyes de Newton
Las Leyes
de Newton, también conocidas como Leyes
del movimiento de Newton,1son tres
principios a partir de los cuales se explican la mayor parte de los problemas
planteados por la dinámica, en particular aquellos relativos
al movimiento de los cuerpos. Revolucionaron los conceptos básicos de
la física y el movimiento de los cuerpos en el universo, en tanto que
Constituyen los cimientos no sólo de la dinámica clásica sino también
de la física clásica en general. Aunque incluyen ciertas definiciones y en
cierto sentido pueden verse como axiomas, Newton afirmó que estaban basadas en
observaciones y experimentos cuantitativos; ciertamente no pueden derivarse a
partir de otras relaciones más básicas. La demostración de su validez radica en
sus predicciones… La validez de esas predicciones fue verificada en todos y
cada uno de los casos durante más de dos siglos.
En
concreto, la relevancia de estas leyes radica en dos aspectos:
- Por
un lado, constituyen, junto con la transformación de Galileo, la base
de la mecánica clásica;
- Por
otro, al combinar estas leyes con la Ley de la gravitación universal,
se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler sobre el
movimiento planetario.
Las 3
Leyes físicas, junto con la Ley de Gravitación Universal formuladas por Sir
Isaac Newton, son la base fundamental de la Física Moderna.
Así, las
Leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros, como
los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, así
como toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas.
Su
formulación matemática fue publicada por Isaac Newton en 1687 en
su obra PhilosophiaeNaturalis
Principia Mathematica.
No
obstante, la dinámica de Newton, también llamada dinámica clásica, sólo se cumple en los sistemas de
referencia inerciales; es decir, sólo es aplicable a cuerpos cuya velocidad
dista considerablemente de la velocidad de la luz (que no se acerquen
a los 300,000 km/s); la razón estriba en que cuanto más cerca esté un cuerpo de
alcanzar esa velocidad (lo que ocurriría en los sistemas de referencia
no-inerciales), más posibilidades hay de que incidan sobre el mismo una serie
de fenómenos denominados efectos
relativistas o fuerzas ficticias, que añaden términos suplementarios
capaces de explicar el movimiento de un sistema cerrado de partículas clásicas
que interactúan entre sí. El estudio de estos efectos (aumento de la masa y
contracción de la longitud, fundamentalmente) corresponde a la teoría de
la relatividad especial, enunciada por Albert Einstein en 1905.
Las leyes
De manera
Generalizada, las 3 leyes de Sir Isaac Newton son:
|
Primera Ley o Ley de Inercia
|
Todo
cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a
menos que otros cuerpos actúen sobre él.
|
|
Segunda ley o Principio Fundamental de la Dinámica
|
La
fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su
aceleración.
|
|
Tercera ley o Principio de acción-reacción
|
Cuando
un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una
fuerza igual y de sentido opuesto.
|
PRIMERA
LEY O LEY DE LA INERCIA
La primera
ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede
mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que:
Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y
rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas
sobre él.
La primera
ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un
cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en
línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale
a velocidad cero).
Como
sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cuál sea el observador
que describa el movimiento.
Así, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando
lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el
tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran
velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual
referir el movimiento.
SEGUNDA
LEY DE NEWTON O LEY DE FUERZA
La segunda
ley del movimiento de Newton dice que
el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y
ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime.
La Primera
ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es
necesario que exista algoque
provoque dicho cambio. Ese algo es
lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos
sobre otros.
La Segunda
ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice
que la fuerza neta aplicada sobre
un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La
constante de proporcionalidad es la masa
del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente
manera:
F = m a
Tanto la
fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además
de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de
Newton debe expresarse como:
F = m a
La unidad
de fuerza en el Sistema
Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo
de un
kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2,
o sea,
1 N = 1 Kg · 1 m/s2
3RA
LEY DE NEWTON: LEY DE LA ACCIÓN Y REACCIÓN
La tercera ley de
Newton es completamente original (pues las dos primeras ya habían sido
propuestas de otras maneras por Galileo, Hooke y Huygens) y hace de las
leyes de la mecánica un conjunto lógico y completo.Expone que por cada fuerza
que actúa sobre un cuerpo (empuje), este realiza
una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que
la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta,
siempre se presentan en pares de igual magnitud y de dirección, pero con
sentido opuesto.
Este principio
presupone que la interacción entre dos partículas se propaga instantáneamente
en el espacio (lo cual requeriría velocidad infinita), y en su formulación
original no es válido para fuerzas electromagnéticas puesto que estas no se
propagan por el espacio de modo instantáneo sino que lo hacen a velocidad
finita "c".
Es importante
observar que este principio relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al
mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus
masas. Por lo demás, cada una de esas fuerzas obedece por separado a la segunda
ley. Junto con las anteriores leyes, ésta permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y del momento angular.
Este principio presupone que la interacción entre dos
partículas se propaga instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría
velocidad infinita), y en su formulación original no es válido para fuerzas
electromagnéticas puesto que estas no se propagan por el espacio de modo
instantáneo sino que lo hacen a velocidad finita “c”.
Es
importante observar que este principio de acción y reacción relaciona dos
fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos
aceleraciones diferentes, según sean sus masas. Por lo demás, cada una de esas
fuerzas obedece por separado a la segunda ley. Junto con las anteriores leyes,
ésta permite enunciar los principios de conservación del momento
lineal y del momento angular.
Líquidos. Mecánica de los Fluidos.
Ley de STOKES.
Los fluidos se definen como aquellas sustancias que son incapaces de
resistir esfuerzos cortantes. Cuando sometemos un cuerpo sólido a la acción de
un sistema de esfuerzos cortantes, experimenta una deformación bien definida;
por el contrario, los fluidos se deforman continuamente bajo la acción de los
esfuerzos cortantes. De una forma muy general, podemos clasificar los fluidos
de acuerdo con la relación existente entre el esfuerzo cortante aplicado y la
velocidad de deformación que se produce en el fluido en: newtonianos y no
newtonianos
Los fluidos reales se distinguen de los ideales en que poseen una cierta viscosidad, es decir, un rozamiento interior que origina tensiones tangenciales entre los filetes fluidos. Cuando un elemento de fluido se mueve respecto a los elementos contiguos, este movimiento es obstaculizado por la existencia de esfuerzos tangenciales o cortantes que tienden a disminuir la velocidad relativa del elemento considerado con respecto a los elementos contiguos.
Podemos considerar la viscosidad como una especie de rozamiento interno en los fluidos, en virtud del cual aparecen esfuerzos cortantes sobre la superficie de un elemento de fluido en movimiento relativo respecto al resto del fluido. Tanto los líquidos como los gases presentan viscosidad, aunque los primeros son mucho más viscosos que los segundosAdemas de esto los fluidos reales tambien poseen una cierta COMPRESIBILIDAD (los fluidos pueden dividirse el dos tipos COMPRESIBLES E INCOMPRESIBLES)
Los fluidos newtonianos, están basados en la ley de newton de los fluidos y que dice que el esfuerzo tangencial es proporcional a la tasa de variación de la velocidad, con una alta influencia de la temperatura, en otras palabras obedecen a un cambio en la viscosidad, newtonianos: agua, aceites….
Los que no
la cumplen se llaman no
newtonianos, no newtonianos: seudoplasticos, elastómeros, resinas,
gelatinas, etc.
FLUIDO
NEWTONIANO:
Un fluido
newtoniano es un fluido con viscosidad en que las tensiones tangenciales de
rozamiento son directamente proporcionales al gradiente de velocidades.
Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo
condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina y algunos aceites minerales .
VISCOSIDAD:
La
viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la
viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a
deslizar sobre otra.
LEY
DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON
Un fluido
se diferencia de un sólido por su comportamiento cuando este se somete a un
esfuerzo ( fuerza por unidad de área) o fuerza aplicada. Un sólido elástico se
deforma en una magnitud proporcional similar al esfuerzo aplicado. Sin embargo,
cuando un fluido se somete a un esfuerzo aplicado similar continúa
deformándose, esto es, cuando fluye a una velocidad que aumenta con el esfuerzo
creciente, el fluido exhibe resistencia a este esfuerzo. La viscosidad es la
propiedad de un fluido que da lugar a fuerzas que se oponen al movimiento
relativo de capas adyacentes en el fluido y tambien es el rozamiento que poseen
los liquidos.
Cuando se piensa en un líquido con viscosidad nos tenemos que imaginar que hablamos de miel, de glicerina, de caramelo derretido o similares. Un ejemplo muy claro se observa al momento de virar un frasco que contiene miel y al mismo tiempo, un frasco que contiene agua, a la miel le cuesta trabajo y tiempo al tratar de llegar al filo, esta se pega en las paredes y baja muy lentamente de modo contrario a lo que pasa con el agua ya que ésta va a fluir rápidamente por el vaso y en pocos segundos alcanzará su borde.
Si consideramos un fluido sea líquido o gas, que se encuentra contenido entre dos grandes láminas planas y paralelas, de área A, separadas entre sí por una distancia pequeña Y. Supongamos que inicialmente el sistema se encuentra en reposo, pero que al cabo del tiempo t = 0, la lámina inferior se pone en movimiento en dirección al eje X, con una velocidad constante V. A medida que transcurre el tiempo el fluido gana cantidad de movimiento, y, finalmente se establece el perfil de velocidad en régimen estacionario. Una vez alcanzado dicho estado estacionario de movimiento, es preciso aplicar una fuerza constante F para conservar el movimiento de la lámina inferior
Cuando se piensa en un líquido con viscosidad nos tenemos que imaginar que hablamos de miel, de glicerina, de caramelo derretido o similares. Un ejemplo muy claro se observa al momento de virar un frasco que contiene miel y al mismo tiempo, un frasco que contiene agua, a la miel le cuesta trabajo y tiempo al tratar de llegar al filo, esta se pega en las paredes y baja muy lentamente de modo contrario a lo que pasa con el agua ya que ésta va a fluir rápidamente por el vaso y en pocos segundos alcanzará su borde.
Si consideramos un fluido sea líquido o gas, que se encuentra contenido entre dos grandes láminas planas y paralelas, de área A, separadas entre sí por una distancia pequeña Y. Supongamos que inicialmente el sistema se encuentra en reposo, pero que al cabo del tiempo t = 0, la lámina inferior se pone en movimiento en dirección al eje X, con una velocidad constante V. A medida que transcurre el tiempo el fluido gana cantidad de movimiento, y, finalmente se establece el perfil de velocidad en régimen estacionario. Una vez alcanzado dicho estado estacionario de movimiento, es preciso aplicar una fuerza constante F para conservar el movimiento de la lámina inferior
Al
comienzo hemos definido los fluidos como aquellas sustancias que son incapaces
de resistir esfuerzos cortantes. Cuandoso metemos un cuerpo sólido a la acción
de un sistema de esfuerzos cortantes, experimenta una deformación bien
definida; por el contrario, los fluidos se deforman continuamente bajo la
acción de los esfuerzos cortantes
Ley de Stokes
Ley de Stokes se refiere a la fuerza de
fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes tras resolver un
caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas
esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas. La ley de Stokes puede
escribirse como:
donde R es el
radio de la esfera, v su velocidad y η la viscosidad del fluido.
La condición de
bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y
el medio inferior a un cierto valor crítico. En estas condiciones la
resistencia que ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de
rozamiento que se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a
partir de la capa límite adherida al cuerpo. La ley de Stokes se ha comprobado
experimentalmente en multitud de fluidos y condiciones.
La ley de Stokes
es el principio usado en los viscosímetros de bola en caída libre, en los cuales el fluido está estacionario en un
tubo vertical de vidrio y una esfera, de tamaño y densidad conocidas, desciende
a través del líquido. Si la bola ha sido seleccionada correctamente alcanzará
la velocidad terminal, la cual puede ser medida por el tiempo que pasa entre
dos marcas de un tubo. A veces se usan sensores electrónicos para fluidos
opacos. Conociendo las densidades de la esfera, el líquido y la velocidad de
caída se puede calcular la viscosidad a partir de la fórmula de la ley de
Stokes. Para mejorar la precisión del experimento se utilizan varias bolas. La
técnica es usada en la industria para verificar la viscosidad de los productos,
en caso como la glicerina o el sirope.
La importancia de
la ley de Stokes está ilustrada en el hecho de que ha jugado un papel crítico
en la investigación de al menos 3 Premios Nobel.
La ley de Stokes
también es importante para la compresión del movimiento de microorganismos en
un fluido, así como los procesos de sedimentación debido a la gravedad de
pequeñas partículas y organismos en medios acuáticos.También es usado para
determinar el porcentaje de granulometría muy fina de un suelo mediante el ensayo de sedimentación.
En la atmósfera,
la misma teoría puede ser usada para explicar porque las gotas de agua (o los
cristales de hielo) pueden permanecer suspendidos en el aire (como nubes) hasta
que consiguen un tamaño crítico para empezar a caer como lluvia (o granizo o
nieve). Usos similares de la ecuación pueden ser usados para estudiar el
principio de asentamiento de partículas finas en agua u otros fluidos.
Autores:
Daniel Bautista
Stefany Guerrero
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