Grado 10
  1. Mecánica  1.1. Dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y Rapidez  1.1.5. Aceleración  1.1.6. Representación gráfica del movimiento  1.1.7. Ecuaciones de movimiento  1.1.8. Caída libre y aceleración debido a la gravedad  1.1.9. Movimiento de un proyectil  1.1.10. Velocidad relativa  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton  1.2.2. Inercia y masa  1.2.3. Fuerza y sus tipos  1.2.4. fuerza de acción y reacción  1.2.5. La fricción y sus efectos  1.2.6. Coefficient of friction  1.2.7. Movimiento circular  1.2.8. Fuerza centrípeta y aceleración centrípeta  1.2.9. Momentum e Impulso  1.2.10. Conservación del momento  1.2.11. Tercera ley de Newton y aplicaciones  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial  1.3.5. Energía mecánica  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.3.8. Fuentes de energía renovables y no renovables  1.4. Fuerza gravitacional  1.4.1. La ley de gravitación universal de Newton  1.4.2. Campo gravitacional y fuerza del campo  1.4.3. Aceleración debida a la gravedad en diferentes planetas  1.4.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.4.5. Órbitas y satélites  1.4.6. Peso y peso aparente  1.4.7. Energía potencial gravitacional
  2. Propiedades de la materia  2.1. Estados de la materia  2.1.1. Sólido, líquido y gas  2.1.2. Estructura molecular de la materia  2.1.3. Fuerzas intermoleculares  2.1.4. Plasma y condensado de Bose–Einstein  2.2. Presión  2.2.1. Definición de Presión  2.2.2. Presión en líquidos  2.2.3. Presión atmosférica  2.2.4. Principio de Pascal  2.2.5. El principio de Arquímedes y la flotabilidad  2.2.6. Tensión superficial y capilaridad  2.3. Elasticidad  2.3.1. La ley de Hooke  2.3.2. Tensión y deformación  2.3.3. Límite elástico y módulo de elasticidad  2.3.4. Aplicaciones de la elasticidad
  3. Física térmica  3.1. calor y temperatura  3.1.1. Diferencia entre calor y temperatura  3.1.2. Escala de temperatura  3.1.3. Dilatación térmica  3.1.4. Equilibrio térmico  3.2. Transferencia de calor  3.2.1. Conductividad  3.2.2. Convección  3.2.3. Radiación  3.2.4. Aislamiento y sus aplicaciones  3.3. Propiedades térmicas de la materia  3.3.1. Capacidad calorífica específica  3.3.2. Calor latente y cambio de fase  3.3.3. Punto de ebullición y punto de fusión  3.3.4. Motores térmicos y refrigeración  3.4. Leyes de la Termodinámica  3.4.1. Ley cero de la termodinámica  3.4.2. Primera ley de la termodinámica  3.4.3. Segunda ley de la termodinámica  3.4.4. Ciclo de Carnot
  4. Ondas y óptica  4.1. Nature and properties of waves  4.1.1. Tipos de ondas en la naturaleza y propiedades de las ondas  4.1.2. Olas transversales y longitudinales  4.1.3. Parámetros de las ondas  4.1.4. Reflexión y refracción de ondas  4.1.5. Superposición e Interferencia  4.1.6. Ondas estacionarias y resonancia  4.1.7. Efecto Doppler  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Características de las ondas sonoras  4.2.2. Velocidad del sonido en diferentes medios  4.2.3. Aplicaciones de las ondas sonoras  4.2.4. Ultrasonido y sus usos  4.3. Ondas de Luz y Óptica  4.3.1. Naturaleza de la luz  4.3.2. Reflexión de la luz  4.3.3. Leyes de la reflexión  4.3.4. Espejos y Formación de Imágenes  4.3.5. Refracción de la luz  4.3.6. La Ley de Snell  4.3.7. Lentes y Formación de Imágenes  4.3.8. Reflexión interna total y ángulo crítico  4.3.9. Fibra óptica  4.4. Instrumentos Ópticos  4.4.1. Microscopio  4.4.2. Telescopio  4.4.3. Ojo humano y defectos de visión  4.4.4. Cámara y su principio de funcionamiento
  5. Electricidad y Magnetismo  5.1. Electrostática  5.1.1. Carga eléctrica y sus propiedades  5.1.2. Conductores e Aislantes  5.1.3. La ley de Coulomb  5.1.4. Campo eléctrico y líneas de campo  5.1.5. Potencial eléctrico y diferencia de potencial  5.1.6. Capacitores y Capacitancia  5.2. Electricidad Actual  5.2.1. Corriente eléctrica y su medición  5.2.2. La ley de Ohm  5.2.3. Resistencia y resistividad  5.2.4. Circuitos en Serie y en Paralelo  5.2.5. Energía y potencia eléctricas  5.2.6. Leyes de Kirchhoff  5.3. Magnetismo y Electromagnetismo  5.3.1. Campo magnético y líneas de campo  5.3.2. Efectos magnéticos de la corriente eléctrica  5.3.3. Inducción electromagnética  5.3.4. Leyes de Faraday de la inducción electromagnética  5.3.5. Transformadores y Aplicaciones  5.3.6. Corriente AC y DC
  6. Física Moderna  6.1. Física nuclear  6.1.1. Estructura del átomo  6.1.2. Modelo atómico de Bohr  6.1.3. Niveles de Energía del Electrón  6.1.4. Rayos X y aplicaciones  6.2. Radiactividad  6.2.1. Tipos de radiación  6.2.2. Vida media y desintegración radiactiva  6.2.3. Reacciones nucleares y aplicaciones  6.2.4. Fisión y Fusión  6.3. Física cuántica  6.3.1. Dualidad onda-partícula  6.3.2. Efecto fotoeléctrico  6.3.3. Cuantización de la energía  6.3.4. El principio de incertidumbre de Heisenberg
  7. Electrónica y Comunicación  7.1. Semiconductores  7.1.1. Conductores, aislantes y semiconductores  7.1.2. Diodos y sus aplicaciones  7.1.3. Transistores y Puertas Lógicas  7.1.4. LEDs y fotodiodos  7.2. Sistemas de Comunicación  7.2.1. Fundamentos de la comunicación  7.2.2. Señales analógicas y digitales  7.2.3. Comunicación inalámbrica y fibra óptica  7.2.4. Ondas de radio y modulación

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Teorema trabajo-energía


El teorema trabajo-energía es un principio que conecta los conceptos de trabajo y energía. En términos simples, nos dice que el trabajo realizado por todas las fuerzas que actúan sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética. Este teorema es un concepto fundamental en física y nos ayuda a entender cómo se transfiere y transforma la energía.

Entendiendo el trabajo y la energía

Antes de adentrarnos en el teorema trabajo-energía, entendamos brevemente a qué nos referimos con trabajo y energía en física.

Trabajo

En física, se realiza trabajo cuando una fuerza mueve un objeto una cierta distancia. Sin embargo, no todas las fuerzas realizan trabajo. Sólo el componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento realiza trabajo.

La fórmula para el trabajo W se da como:

W = F × d × cos(θ)

Dónde:

  • F es la fuerza aplicada.
  • d es el desplazamiento del objeto.
  • θ es el ángulo entre la dirección de la fuerza y el desplazamiento.

Ejemplo: Imagina que estás empujando una caja pesada a través del suelo. Si aplicas una fuerza de 10 Newtons y la caja se mueve 5 metros en la misma dirección, el trabajo realizado es:

W = 10 N × 5 m × cos(0°) = 50 Joules

Dado que la fuerza está en la dirección del desplazamiento, el ángulo es de 0 grados, y cos(0°) es 1.

Fuerza(F) desplazamiento (d)

Energía

La energía es la capacidad para realizar trabajo. Viene en varias formas, como energía cinética, energía potencial, energía térmica, etc.

Energía cinética

La energía cinética es la energía que un objeto tiene debido a su movimiento. Se da mediante la fórmula:

KE = 0.5 × m × v²

Dónde:

  • m es la masa del objeto.
  • v es la velocidad del objeto.

Ejemplo: Un coche con una masa de 1000 kg moviéndose a una velocidad de 20 m/s tiene la energía cinética:

KE = 0.5 × 1000 kg × (20 m/s)² = 200,000 Joules
coche en movimiento Velocidad (v)

Teorema trabajo-energía

Según el teorema trabajo-energía, el trabajo total realizado por todas las fuerzas que actúan sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética. Matemáticamente se expresa como:

W_total = ΔKE = KE_final - KE_initial

Dónde:

  • W_total es el trabajo total realizado.
  • ΔKE es el cambio en energía cinética.
  • KE_initial es la energía cinética inicial.
  • KE_final es la energía cinética final.

Aplicación del teorema trabajo-energía

Veamos cómo podemos aplicar el teorema trabajo-energía a diferentes escenarios:

Ejemplo 1: Detener el coche

Imagina que un coche se detiene debido a la fuerza de la fricción. El trabajo realizado por la fricción es igual al cambio en la energía cinética del coche.

Paisaje:

Un coche de masa 1000 kg se mueve a una velocidad de 30 m/s. El conductor aplica el freno y el coche se detiene. Calcula el trabajo realizado por el freno.

Solución:

KE_initial = 0.5 × 1000 kg × (30 m/s)² = 450,000 Joules
KE_final = 0 (ya que el coche se detiene)
W_total = KE_final - KE_initial = 0 - 450,000 Joules = -450,000 Joules

El signo negativo indica que el trabajo realizado por el freno es opuesto al movimiento del coche.

coche frenando golpe

Ejemplo 2: Montaña rusa

Considera una montaña rusa en la cima de una colina. A medida que desciende, su energía potencial se convierte en energía cinética.

Paisaje:

Una montaña rusa con una masa de 500 kg está en reposo en la cima de una colina de 10 m de altura. Calcula la velocidad de la montaña rusa al pie de la colina.

Solución:

Energía potencial en la cima de la colina:

PE_initial = m × g × h = 500 kg × 9.8 m/s² × 10 m = 49,000 Joules

Ya que la montaña rusa está en reposo en la cima, KE_initial es 0. En la parte inferior, toda la energía potencial se convierte en energía cinética:

KE_final = PE_initial = 49,000 Joules

A continuación, usa la fórmula de energía cinética para encontrar la velocidad:

49,000 Joules = 0.5 × 500 kg × v²
v² = 49,000 / 250
v = √(196) ≈ 14 m/s
Montaña Rusa Cima (PE_Alta) fondo(KE_alta)

Ejemplo 3: Levantar un cuerpo

El trabajo realizado al levantar un cuerpo se almacena como energía potencial. Si se deja caer, la energía potencial se convierte nuevamente en energía cinética al caer.

Paisaje:

Una masa de 50 kg se eleva a una altura de 5 m. Calcula su velocidad justo antes de que la masa caiga al suelo.

Solución:

Energía potencial a 5 m:

PE_initial = m × g × h = 50 kg × 9.8 m/s² × 5 m = 2,450 Joules

A continuación, justo antes de golpear el suelo, toda esta energía se convierte en energía cinética:

KE_final = PE_initial = 2,450 Joules

Utilizando la fórmula de energía cinética:

2,450 Joules = 0.5 × 50 kg × v²
v² = 2,450 / 25
v = √(98) ≈ 9.9 m/s
Masa Cima (PE_Alta) fondo(KE_alta)

Conclusión

El teorema trabajo-energía proporciona una manera poderosa de analizar fuerzas y movimiento en una variedad de situaciones físicas. Ya sea frenando un vehículo, el emocionante descenso de una montaña rusa o levantando y soltando un objeto, comprender cómo interactúan el trabajo y la energía nos ayuda a describir y predecir el movimiento de manera eficiente.

Al comprender estos principios fundamentales, no solo resolvemos problemas teóricos, sino que también obtenemos información valiosa sobre la mecánica del mundo real. El teorema trabajo-energía resume esta comprensión al vincular las fuerzas con los cambios en la energía, convirtiéndose en un concepto esencial en el estudio de la física.


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