Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Peralte de carreteras y curvas


El peralte de la carretera se refiere al diseño de carreteras o pistas de tal manera que el borde exterior de la curva está más alto que el borde interior. Este diseño ayuda a los vehículos a mantener el equilibrio y la seguridad al pasar por curvas a alta velocidad. Comprender el peralte de la carretera implica explorar fuerzas y dinámicas de la física, como la fuerza centrípeta, la fricción y la fuerza gravitacional, que juegan un papel vital en el movimiento de los vehículos en caminos curvos.

Comprendiendo las fuerzas en carreteras curvas

Cuando un vehículo viaja en una curva, experimenta una fuerza que lo atrae hacia el centro de la curva, conocida como la fuerza centrípeta. Sin tracción adecuada y peralte, la inercia puede hacer que el vehículo se deslice hacia afuera. Para entender cómo ayuda el peralte de la carretera, considere las principales fuerzas que actúan sobre un vehículo en una curva:

Fuerza centrípeta

La fuerza centrípeta es necesaria para mantener un vehículo en movimiento en un camino circular. Actúa hacia el centro del círculo. La fórmula para la fuerza centrípeta (F c) es:

F c = (m * v 2) / r

Donde:

  • m es la masa del vehículo,
  • v es la velocidad del vehículo,
  • r es el radio de la curva.

Fuerza de fricción

La fricción entre los neumáticos del vehículo y la carretera proporciona el componente de fuerza centrípeta necesario para evitar que el vehículo se deslice. La fuerza de fricción (F f) se puede dar por:

F f = μ * N

Donde:

  • μ es el coeficiente de fricción,
  • N es la fuerza normal.

Fuerza normal y fuerza gravitatoria

La fuerza normal actúa perpendicularmente a la superficie de la carretera y contrarresta la fuerza de gravedad que actúa sobre el vehículo. En un camino plano, estas fuerzas están equilibradas, pero en una curva, la dinámica cambia.

¿Cómo funciona el peralte?

En una curva peraltada, la carretera está inclinada hacia el centro de la curva. Esta inclinación ayuda a contrarrestar la tendencia a deslizarse hacia afuera proporcionando un componente adicional de fuerza hacia el centro.

Componentes de las fuerzas en una curva peraltada

En una carretera inclinada, la fuerza de gravedad se puede dividir en dos componentes:

  • Un componente que actúa perpendicular a la superficie de la carretera.
  • El componente que actúa paralelo al centro de la superficie de la carretera.

Para entender esto mejor, analizamos un vehículo en una curva peraltada.

F G FN F C

En este diagrama:

  • La flecha roja muestra la fuerza gravitacional (F g).
  • La flecha verde representa la fuerza normal (F N).
  • La flecha púrpura indica la fuerza centrípeta (F c).

Cálculo del ángulo óptimo de peralte

El ángulo de peralte proporciona la superficie contorneada necesaria para ayudar al vehículo a través de la curva sin depender únicamente de la fricción. El ángulo de peralte (θ) se puede determinar utilizando la condición sin fricción:

tan(θ) = v 2 / (r * g)

Donde:

  • v es la velocidad del vehículo,
  • r es el radio de la curva,
  • g es la aceleración debida a la gravedad (aproximadamente 9.8 m/ s2 en la Tierra).

Aplicación de la fórmula del ángulo de peralte

Consideremos un escenario:

Un vehículo viaja a una velocidad de 20 m/s en una curva de radio 50 m. Calcule el ángulo de peralte necesario para que el vehículo viaje sin depender de la fricción.

tan(θ) = (20 m/s) 2 / (50 m * 9.8 m/s 2 )

tan(θ) = 400 / 490 = 0.816

Por lo tanto, θ = arctan(0.816), que es aproximadamente igual a 39.4 grados.

Efecto de la fricción

En escenarios del mundo real, la fricción juega un papel clave en la dinámica de la carretera. Incluso con carreteras peraltadas, la fricción entre los neumáticos y la carretera ayuda a proporcionar la fuerza centrípeta adicional necesaria. La fricción es especialmente importante cuando las carreteras no están óptimamente peraltadas, o los vehículos viajan por curvas a velocidades diferentes a las del diseño de peralte.

Ejemplo práctico

Considere una rampa de salida de la autopista diseñada para vehículos que circulan a 60 km/h. Si un conductor se aproxima a esta rampa a 80 km/h, la fricción entre el camino y los neumáticos ayuda al vehículo a mantener la trayectoria a través de la curva, evitando que se deslice hacia afuera.

Beneficios de las curvas peraltadas

El peralte de las carreteras no solo proporciona seguridad, sino que también ayuda en lo siguiente:

  • Mejora la comodidad del pasajero al reducir las fuerzas laterales que actúan sobre el vehículo.
  • Permite velocidades más altas mientras minimiza el desgaste de las partes del vehículo.
  • Reduce la dependencia de la fricción, y lo hace más seguro durante condiciones climáticas adversas.

Limitaciones y consideraciones

A pesar de sus ventajas, las carreteras peraltadas tienen sus limitaciones y requieren una cuidadosa consideración de los siguientes elementos:

  • Variación de velocidad: No todos los vehículos siguen el límite de velocidad publicado. Factores como el clima, el tipo de vehículo y la carga afectan la negociación segura de las curvas.
  • Mantenimiento de la carretera: Con el tiempo, las carreteras peraltadas requieren mantenimiento para mantener su integridad estructural y efectividad.
  • Costo de construcción: Las curvas peraltadas pueden ser más costosas de construir que las curvas planas, especialmente en áreas con limitaciones geográficas.

Conclusión

Comprender el peralte de las carreteras y las curvas es esencial para diseñar sistemas de transporte seguros y eficientes. Con los avances en infraestructura y tecnología de vehículos, los ingenieros se esfuerzan continuamente por optimizar los diseños de carreteras para adaptarse a la dinámica moderna de los vehículos, proporcionando redes de transporte más seguras y cómodas en todo el mundo. El intercambio de conocimientos entre la física y la ingeniería resulta vital en tales esfuerzos, allanando el camino para innovaciones constantes y mejoras en la seguridad vial.


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Peralte de carreteras y curvas

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