Física(1º Curso de Ciencias Ambientales)

Introducción

Profesores• Dr. Andrew S. Kowalski (“Andy”)

– andyk@ugr.es– http://www.ugr.es/~andyk

• Docencia�Física

– Tutoría • L, M, V de 09:00 a 11:00 • Edificio VIII (Física)• 2ª planta, Despacho 103

• Keshwad Shahrivar– kshahrivar@ugr.es– Tutoría

• M de 15:00 a 16:00 • Edificio VIII (Física)• Planta baja, Despacho PIF

• Ibán Naveros Mesa– inaveros@ugr.es– Tutoría

• X 11:00 – 12:00 y 17:00 – 18:00• Edificio VIII (Física) • 2ª planta, Despacho 100

Sobre las lecciones• Hoy

– Materia de repaso (se supone que lo sabéis) • Si no es así: ¡ a revisar !• Si no acabo a tiempo, pienso dejarlo

– Solo hay que apuntar• http://www.ugr.es/~andyk (Docencia/Física)• Cosas administrativas

• En general– Los ficheros PDF se pueden imprimir de antemano– Limita la necesidad de apuntar mucho

• Es mejor participar, que apuntar

Esquema

• Física– Profesor, Admin., Programa, Evaluación, etc.

• El Método Científico

• Magnitudes Físicas– Unidades

– Escalares, Vectores, etc.

Cosas Administrativas• Clases de teoría

– Lecciones aquí en PPT (y http://.........pdf)– Relaciones de problemas– Examen parcial, 2ª semana de noviembre1

• Relaciones de problemas (fin de cada tema)• Trabajos (a desarrollar en casa y entregar)• Clases de Prácticas (24 octubre – 21 noviembre)

– Tres grupos en el Laboratorio General de Física I• B1 - Los viernes 18:00-20:00 (Keshwad)• B2 - Los martes 18:00-20:00 (Keshwad)• B3 - Los miércoles 18:00-20:00 (Ibán)

– Guiones: se distribuirán en octubreNecesito información de los alumnos

1. Delegado =__________2. Horas/Fechas exámenes

“Seminarios” (Teoría de Errores)

• Los jueves, de 13:00-14:00 en el Aula C12– Teoría, y asignación de los sub-grupos

• Sesión 1, 28 de septiembre (Ibán)• Sesión 2, 5 de octubre; (Ibán y Keshwad)

– Prácticar• Sesión 3, 12 de octubre; (Ibán y Keshwad)

– ¡Examen! (antes de entrar en laboratorio)• Sesión 4, 19 de octubre

¿Alumno/a quiere comunicar algo al profesor?

Para: PROF@ugr.es

De: fulanito@hotmail.comAsunto: Física

Contenido:NombreDNIAsunto: (ejm) No puedo tener

prácticas los martes porque trabajo (adjunto justific.)

Sabemos que no se trata de SPAMSabemos que se trata de estaasignatura

Programa• I. INTRODUCCIÓN. MAGNITUDES FÍSICAS. MAGNITUDES VECTORIALES. (1h)• Introducción. El método científico. Relación entre la Física y otras ciencias. Ciencia y Tecnología. Medida. Carácter de las magnitudes físicas. Magnitudes vectoriales. Álgebra vectorial.• II. ESTÁTICA DE FLUIDOS. (1h)• Introducción. Fuerzas másicas y superficiales. Gradiente de presión. Concepto de presión. Ecuación fundamental de la estática de fluidos. Principio de Pascal. Estática de fluidos en campo gravitatorio. Presión atmosférica. Manometría.

Principio de Arquímedes. Flotación.• III. FENÓMENOS DE SUPERFICIE.( 2h) • Fuerzas intermoleculares. Cohesión. Tensión superficial. Energía superficial. Presión debida a la curvatura de la superficie interfacial. Contacto entre dos líquidos. Contacto sólido-vapor-líquido. Ángulo de contacto. Capilaridad. Ley de

Jurin.• IV. DINÁMICA DE FLUIDOS. (3h)• Introducción. Ecuación de continuidad. Fluidos ideales. Flujo estacionario. Ecuación de Bernouilli. Aplicaciones de la ecuación de Bernouilli. Fluidos reales. Viscosidad. Fluidos newtonianos. Régimen laminar y turbulento. Número de

Reynolds. Flujo viscoso. Capa límite. Flujo laminar en tuberías. Ley de Hagen-Poiseuille. Flujo externo.• V. OSCILACIONES. (3h)• Introducción. Movimiento armónico simple. Energía del oscilador armónico. Aplicaciones del movimiento armónico. Péndulos. Movimiento en las proximidades del equilibrio. Oscilaciones amortiguadas. Oscilaciones forzadas. Resonancia.

Superposición de M.A.S.• VI. ONDAS.(2h)• Introducción. Características de las ondas. Pulsos. Ondas armónicas. Ecuación de ondas. Potencia de una onda. Interferencia de ondas armónicas. Ondas sonoras. Audición. Análisis de Fourier de ondas periódicas. Fuentes de sonido.

Interferencia de ondas sonoras y pulsaciones. Efecto Doppler para el sonido. Ecuación de ondas para el sonido.• VII. SISTEMAS TERMODINÁMICOS. (1h)• Introducción. Sistema termodinámico. Estados de equilibrio. Procesos termodinámicos. Equilibrio termodinámico. Principio cero de la Termodinámica. Temperatura. Escala de temperaturas. Termómetros. Ecuación de estado: gas ideal,

gas real. Interpretación cinética de la temperatura.• VIII. CALOR Y TRABAJO. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA. (2h)• Introducción. Calor. Capacidad calorífica, calor especifico. Calorimetría. Trabajo. Energía interna. Primer Principio de la Termodinámica. Entalpía. Calores específicos a presión constante y a volumen constante. Energía interna, entalpía

y calores específicos de gases ideales. Aplicaciones del primer principio a sistemas cerrados: Transformaciones cuasi-estáticas del gas ideal.• IX. PROPIEDADES Y PROCESOS TÉRMICOS. (1h)• Introducción. Dilatación térmica. Fases. Cambios de fase. Calores latentes. Superficies termodinámicas para sustancias puras. Diagramas de fase. Punto triple y punto crítico. Presión de vapor. Humedad: Punto de rocío. Mecanismos de

transmisión del calor.• X. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA.(3h)• Introducción. Máquinas térmicas. Enunciados de Kelvin-Planck y de Clausius del segundo principio. Procesos reversibles e irreversibles. Ciclo de Carnot. Teorema de Carnot. Escala termodinámica de temperaturas. Entropía. Principio del

incremento de entropía. Entropía y energía utilizable. Interpretación molecular de la entropía.• XI. CAMPO ELÉCTRICO.(3h)• Carga eléctrica. Ley de Coulomb. Campo electrostático. Ley de Gauss. Conductores. Diferencia de potencial. Campo electrostático y potencial: superficies equipotenciales. Distribución de carga. Capacidad. Condensadores. Energía

electrostática de un condensador. Energía del campo electrostático. Dieléctricos.• XII. CORRIENTE ELÉCTRICA. CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA.(2h)• Corriente. Ley de Ohm. Resistencia. Energía de los circuitos eléctricos. Fuerza electromotriz. Conductores, aislantes y semiconductores. Superconductividad. Asociaciones de resistencias. Redes eléctricas: reglas de Kirchhoff.

Instrumentos para mediciones eléctricas. Circuito RC.• XIII. CAMPO MAGNÉTICO.(2h)• Campo magnético. Fuerza de Lorentz. Movimiento de partículas cargadas en el seno de un campo magnético. Fuerza magnética sobre un elemento de corriente. Imanes en el interior de campos magnéticos. Momento sobre una espira de

corriente en el interior de un campo magnético uniforme. Ley de Biot- Savart. Fuerza entre conductores rectilíneos. Ley de Ampère. Campo magnético sobre un solenide y de un imán en forma de barra. Flujo del campo magnético.• XIV. INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA (2h)• Ley de inducción de Faraday. Ley de Lenz. Aplicaciones de la ley de Faraday. Corrientes de Foucault. Inducción mutua. Autoinducción. Circuito LR. Energía magnética. Circuitos LC y LRC: oscilaciones eléctricas.Generadores de corriente

alterna. Corriente alterna en una resistencia. Corriente alterna en un condensador. Corriente alterna en una bobina. Circuito LRC en serie con un generador. Potencia. Resonancia.

Programa en Bloques

1. Intro (1)1B. Prácticas (1)

Bloque 0

2. Estática (1)3. Superficie (2)4. Dinámica (3)

Bloque 1: Fluidos

5. Oscilaciones (3)6. Ondas (2)

Bloque 2: “Trig.”

7. Sistemas (1)8. 1ª Ley (2)9. Procesos (1)10. 2ª Ley (3)

Bloque 3: Termo

11. Campo E (3)12. Ohm,Kirchhoff (2)13. Campo M (2)14. Inducción, CA (2)

Bloque 4: E&M

Evaluación• Teoría

– 70% Exámenes• 1 Parcial a programar (Bloques 1 y 2)

– Los alumnos que lo superen eliminarán materia• Final el 24 de enero 2018 (12 de febrero 2018)

• Prácticas– ~8% Examen de Prácticas – ~12% Informes de prácticas (entregar por grupo)

• Otras actividades (trabajos, relaciones de problemas, etc.)– 10%

imprescindible aprobar

¿Alumno/a afirma tener las prácticas aprobadas?

Para: PROF@ugr.es

Asunto: FísicaDe: fulanito@hotmail.com

Contenido: Tengo las prácticas aprobadas (datos siguientes)

AñoCursogrupo/profesor

NombreDNI

Bibliografía• Bibliografía Fundamental• Gettys, W.E., Seller, F.J. y Skove,M.J., Física Clásica y Moderna, McGraw-

Hill, 1991.• Giancoli, D.C., Física. Principios con aplicaciones, Prentice-Hall, 1997.• Sears,F.W., M.W. Zemansky,M.W. y Young, H.D. y Freedman, R.A., Física

Universitaria, Pearson, 2003• Serway, R.A., Física, McGraw-Hill, 1997.• Wilson, J.D., Buffa, A.J., Física, Pearson, 2003.

• Bibliografía Complementaria:• Jou, D. Jebot, J. E. y Pérez García, P., Física para las ciencias de la vida,

McGraw, 1994.• Ortega, M.R., Lecciones de Física, Servicio de Publicaciones de la

Universidad de Córdoba, 1994. • Resnick, R. Y Halliday, D. Física, CECSA, 1986.

Programa• I. INTRODUCCIÓN. MAGNITUDES FÍSICAS. MAGNITUDES

VECTORIALES. (1h)• Introducción. El método científico. Relación entre la Física y otras

ciencias. Ciencia y Tecnología. Medida. Carácter de las magnitudes físicas. Magnitudes vectoriales. Álgebra vectorial.

Programa• I. INTRODUCCIÓN. MAGNITUDES FÍSICAS. MAGNITUDES

VECTORIALES. (1h)• Introducción. El método científico. Relación entre la Física y otras

ciencias. Ciencia y Tecnología. Medida. Carácter de las magnitudes físicas. Magnitudes vectoriales. Álgebra vectorial.

Método Científico

• Una explicación muy sencilla:

• Siempre hay que preguntarse

“¿Cómo sabré si estoy equivocado?”

Fundadores del Método Científico

• “Hacer preguntas inteligentes ya es la mitad de la sabiduría”

Francisco Bacon (1561 - 1626)

• “Todas las verdades son fáciles de entender una vez descubiertas; el objetivo es descubrirlas”

Galileo Galilei (1564-1642)

Cinco pasos del método científico

• Observación

• Teoría

• Ley

• Experimentación

“No se hizo ningún gran descubrimiento sin una conjetura atrevida” Isaac Newton (1643 - 1727)

• Hipótesis

“Una multitud de experimentos no pueden demostrar que mi teoría es correcta; un

único experimento puede probar que estoy equivocado."

– Albert Einstein (1879 - 1955)

Método Científico

• 1. Identificar el problema

• 2. Hacer una conjetura razonable (hipótesis)

• 3. Predecir las consecuencias de la hipótesis

• 4. Experimentar: poner a prueba estas predicciones

• 5. Formular la regla general más simple que organice los tres ingredientes principales– hipótesis– predicción – resultado experimental

Comprobaciones secuenciales

Diagrama de Flujo

Formulación de objetivos

Utilización de ideas Uso de la información

existente

Resultados

Física y Otras Ciencias

• “Toda ciencia o es Física o es filatelia”

Ernest Rutherford (1871 – 1937)Premio Nobel en Química (1908)

Programa• I. INTRODUCCIÓN. MAGNITUDES FÍSICAS. MAGNITUDES

VECTORIALES. (1h)• Introducción. El método científico. Relación entre la Física y otras

ciencias. Ciencia y Tecnología. Medida. Carácter de las magnitudes físicas. Magnitudes vectoriales. Álgebra vectorial.

Medida, Magnitudes (Vectoriales), Algebra Vectorial

• Diferenciar entre medir (directamente) y estimar a través de medidas

• Para medir, hace falta un sistema de unidades

• También, vamos a necesitar unas herramientas matemáticas– (mucha de) La física no se puede entender sin una apreciación básica del cálculo

INTEGRAR/ADIVINARDERIVAR

Revisión MUY BREVE del Cálculo

[ ] AAxdx

d =

( )[ ] ( )xxdx

dcossin =

[ ]dx

dyz

dx

dzyyz

dx

d +=

( )[ ] ( )xxdx

dsincos −=

[ ] 1−= nn nxxdx

d

[ ] xx eedx

d =

[ ]x

xdx

d 1)ln( =

Medidas directas e indirectas• Digamos que queremos determinar la densidad de un mármol rectangular.

• ¿Qué hacemos?– Medidas directas

• La masa

• Las dimensiones (longitud, altura, anchura)

– “Medidas indirectas” (cálculos)• El volumen (longitud X altura X anchura)

• La densidad (masa / volumen)

Sistemas de Unidades

• El Sistema Internacional (MKS)– Unidades fundamentales

• Longitud: el metro (m)• Masa: el kilograma (kg)• Tiempo: el segundo (s)

– Más unidades fundamentales• Intensidad eléctrica: el amperio (A)• Temperatura: el kelvin (K)• Cantidad de algo: el mol (mol)• Intensidad lumínica: la candela (cd)

Unidades derivadaspara velocidad, fuerza, etc.

Mécanica

Electromagnetismo

Termodinámica

Óptica

Sistemas de Unidades

• Prefijos para múltiplos y submúltiplos.

Factor Prefijo

10-12 pico (p)

10-9 nano (n)

10-6 micro (µ)

10-3 mili (m)

103 kilo (k)

106 mega (M)

109 giga (G)

1012 tera (T)

Conversión de Unidades

• Cambio de Unidades:

• Multiplicar por el correspondiente factor de conversión

• Ejemplo: ¿Cuántos m/s son 120 km/h?

• Expresión de unidades: (física) = 33 m s-1

km

m

h

km

11000

120 ×= sm /33≅hkm /120s

h

36001×

Programa• I. INTRODUCCIÓN. MAGNITUDES FÍSICAS. MAGNITUDES

VECTORIALES. (1h)• Introducción. El método científico. Relación entre la Física y otras

ciencias. Ciencia y Tecnología. Medida. Carácter de las magnitudes físicas. Magnitudes vectoriales. Álgebra vectorial.

Tensores, Escalares, y Vectores

• En la física (y dinámica de fluidos), las cantidades se caracterizan como “tensores” de rangos distintos:– Un escalar es un tensor de rango cero: solo se caracteriza por una magnitud (y ninguna dirección).

– ¿Ejemplos?

Tensores, Escalares, y Vectores

• En la física (y dinámica de fluidos), las cantidades se caracterizan como “tensores” de rangos distintos:– Un escalar es un tensor de rango cero

– Un vector es un tensor de rango uno: se trata de una magnitud y una dirección/orientación

– ¿Ejemplos?

Tensores, Escalares, y Vectores

• En la física (y dinámica de fluidos), las cantidades se caracterizan como “tensores” de rangos distintos:– Un escalar es un tensor de rango cero

– Un vector es un tensor de rango uno: se trata de una magnitud y una dirección/orientación

– ¿Ejemplos?

¿Tensores de rango dos?

El vector (V)

V

“cola”

“cabeza”

• Una flecha, con dos propiedades– Magnitud

– Dirección (de cola a cabeza)

• Para denotar un vector: negrito

• Dos maneras de expresarlos– Por ángulos

– Por componentes

El vector (V)Por ángulos

• Una flecha, con dos propiedades– Magnitud: la longitud del vector

• Un vector V tiene magnitud V = |V|– Dirección: el ángulo θ con respeto al eje x

x

y Vmagnitud

θ

dirección

V

El vector (V)Por componentes

• El vector se compone de– Su magnitud en la dirección “x”

– Su magnitud en la dirección “y”

• Cada componente es un escalar

x

y A

AX

AY

Para un vector A, conociendo tanto su magnitud como su dirección, los componentesse calculan fácilmente

x

yA

AX

AYAX = Acosθ

θ AY = Asinθ

Sabiendo los componentes, se pueden determinar la magnitud y

dirección de un vector

x axis

y axis A

AX

AY

θtanθ = AY/AX

θ = tan-1(AY/AX)

2)(2)( YX AAA +=

SignoAX es negativo mientrasAY todavía es positivo

x

yA

AX

AYθ

AX = AcosθAY = Asinθ

El signo de las funciones trigonométricas se

determina por el cuadrante.

Dos vectores son iguales si tienen la misma magnitud y

dirección

A B

Así, podemos trasladar un vector de un lado a otro sin cambiarlo

AX

AY

BX

BY

Dos vectores anti-paralelos tienen la misma magnitud, pero direcciones opuestas

A

B

A = -BImplica:

B = -A

(Ax=-Bx; Ay=-By)

Los vectores se pueden añadir geométricamente

A + B ?

A

B

C = A + B

O

C

Para añadir dos vectores, ponerlos cabeza a cola

C = B + A

La adición es conmutativa

Para añadir vectores, ponerlos cabeza a cola

A

BC D

AB

C

D

S

S = A + B + C + D

O

Ejm. Fuerzas en competición

La fuerza neta

Para restar dos vectoresC = A - B

A – B ?

O -B

C = A - BA

BO

A

B

C = A – BC = A + (-B)

Sea A un vector y k un escalar. Entonces kA es un vector con magnitud |k|A. El signo de k determina la

dirección de kA.

A2A

-3A

Más álgebra vectorial

• Adición de vectores– Geométricamente (ya visto), ó

• Con el álgebra vectorial– herramienta imprescindible para las manipulaciones más difíciles

Adición por álgebra

• C=A+BCx= Ax +Bx

Cy= Ay +Byx

y

A

B

C

AX

AY

BX

BY

CX

CY

Adición por componente

Adición por álgebra• C=A+B

x

y

a

b

c

Interés en expresión por vectores unitarios

i vector con magnitud 1 en la dirección x

j vector con magnitud 1 en la dirección y

A = Axi + Ayj

B = Bxi + Byj

C = (Ax+Bx)i + (Ay + By)j

C = Cxi + Cyj

i

j

Multiplicación de vectores

• Hay dos tipos de producto entre vectores– El producto escalar es de interés cuando el componente en común afecta al proceso físico

Multiplicación de vectores

• Hay dos tipos de producto entre vectores– El producto escalar(componente en común)

– El producto vectorial es de interés cuando un componente ortogonal afecta al proceso físico

A

i

A

i

A

i

A

i

(Componente en común)

El producto escalar

2222cos

yxyx

yyxx

bbaa

baba

ab +×+

+=•= baθ

yyxx babaab +==• θcosba

a

b

θ

“dot product”

El producto vectorial

(Componente ortogonal)

Para C = A x B

Vectorial: magnitud y dirección

Magnitud: C = AB sinθ

“cross product”

El producto vectorial

(Componente ortogonal)C = A x B

La dirección de C se determina por la

“regla de la mano derecha”

El producto vectorial

• Propiedades

( ) CABACBA ×+×=+×

La regla de la mano derecha

AB=× BA

0=× BA

( )dt

d

dt

d

dt

d BAB

ABA ×+×=×

ABBA ×−=×Antisimétrica:

Para A y B paralelos:

Para A y B perpendiculares:

Distributiva:

Diferenciable:

0=× AA