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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Torsión y aceleración angular


El movimiento rotacional es el movimiento de objetos alrededor de un centro de rotación o un punto fijo. Este concepto es fundamental para entender la física de las ruedas, engranajes y maquinaria rotativa. Dos conceptos fundamentales en el movimiento rotacional son torsión y aceleración angular. Estas ideas son similares a la fuerza y aceleración lineal en el movimiento lineal, pero se aplican específicamente a la rotación.

Torsión:

La torsión es una medida de cuánto un objeto gira cuando se le aplica una fuerza. No es solo la cantidad de fuerza, sino también cuán lejos del eje de rotación se aplica la fuerza. Puedes pensar en la torsión como el equivalente rotacional de la fuerza lineal. El símbolo de la torsión es la letra griega tau (τ).

La fórmula para calcular la torsión es:

τ = r × F × sin(θ)

Dónde:

  • τ es la torsión.
  • r es la distancia desde el eje de rotación al punto donde se aplica la fuerza (brazo de palanca).
  • F es la magnitud de la fuerza aplicada.
  • θ es el ángulo entre el vector de fuerza y el vector del brazo de palanca.

Imagina que estás tratando de abrir una puerta. Si empujas cerca de las bisagras, se necesita más esfuerzo para abrir la puerta que si empujas cerca del tirador. Esto se debe a que el brazo de palanca (distancia desde las bisagras) es más largo cuando empujas cerca del tirador, lo que produce más torsión.

BisagraPuerta

Como se muestra en el ejemplo visual, aplicar fuerza a una puerta lejos de las bisagras produce más torsión, facilitando su apertura.

Aceleración angular

La aceleración angular es la tasa de cambio de la velocidad angular. Nos indica qué tan rápido un objeto está acelerando o desacelerando su rotación. El símbolo de la aceleración angular es la letra griega alfa (α).

La fórmula para la aceleración angular es:

α = Δω / Δt

Dónde:

  • Δω es el cambio en la velocidad angular.
  • Δt es el cambio en el tiempo.

Al igual que la aceleración nos dice cómo cambia la velocidad en el movimiento lineal, la aceleración angular nos dice cómo cambia la velocidad angular en el movimiento rotacional. Por ejemplo, cuando haces girar un trompo, comienza con una alta velocidad angular. A medida que gira, gradualmente se desacelera debido a la fricción. Este cambio en la velocidad angular se explica por la aceleración angular.

Relación entre torsión y aceleración angular

La torsión y la aceleración angular están estrechamente conectadas a través de la segunda ley de rotación de Newton. Esta ley establece que la torsión neta que actúa sobre un objeto es igual al producto de su momento de inercia y su aceleración angular. Se puede escribir como:

τ = I × α

Dónde:

  • τ es la torsión neta.
  • I es el momento de inercia, una medida de la resistencia de un objeto a un cambio en su rotación.
  • α es la aceleración angular.

Básicamente, dada la misma cantidad de torsión, un objeto con un mayor momento de inercia acelerará más lentamente que un objeto con un menor momento de inercia.

Por ejemplo, considera dos ruedas del mismo tamaño y forma, una hecha de goma y la otra de acero. Cuando se aplica la misma torsión a ambas, la rueda de acero que tiene un mayor momento de inercia tendrá una menor aceleración angular que la rueda de goma.

gomaacero

El ejemplo visual anterior muestra dos ruedas: una rueda de goma y una rueda de acero. Aplicar la misma torsión a ambas resulta en una mayor aceleración angular para la rueda de goma.

Ejemplos para entender la torsión y la aceleración angular

Ejemplo 1: Girar una llave inglesa

Un mecánico está usando una llave inglesa para girar un tornillo. El mecánico aplica una fuerza de 50 N al final de una llave de 0.3 m de largo. El ángulo entre la fuerza y el brazo de palanca es de 90 grados, haciendo que la fuerza y el brazo de palanca sean perpendiculares.

Calcula la torsión generada.

τ = r × F × sin(θ) = 0.3 , m × 50 , N × sin(90°) = 15 , Ncdot m

La torsión producida es de 15 N m. Esta torsión ayuda a apretar o aflojar el tornillo.

Ejemplo 2: Rueda de bicicleta

Un ciclista aplica fuerza a los pedales, lo que hace que la rueda de la bicicleta gire. Supongamos que el momento de inercia de la rueda es de 0.5 kg·m², y el ciclista aplica una torsión de 10 N·m. ¿Cuál es la aceleración angular de la rueda?

α = τ / I = 10 , Ncdot m / 0.5 , kgcdot m^2 = 20 , rad/s^2

La rueda experimenta una aceleración angular de 20 rad/s², lo que representa qué tan rápido el ciclista aumentó la velocidad de rotación de la rueda.

Ejemplo 3: Disco giratorio

Imagina un disco girando sobre una mesa con una velocidad angular constante. Si colocas tu dedo en el borde del disco para detenerlo, estás aplicando una fuerza contra su movimiento y produciendo torsión. Esta acción cambia la velocidad angular del disco, produciendo aceleración angular.

Si la velocidad angular inicial del disco es de 10 radianes/s y se detiene en 5 segundos, ¿cuál es la aceleración angular?

El cambio en la velocidad angular es:

Δω = 0 - 10 = -10 , rad/s

Por lo tanto, la aceleración angular es:

α = Δω / Δt = -10 , rad/s / 5 , s = -2 , rad/s^2

El signo negativo indica que el disco está desacelerando.

Conclusión

La torsión y la aceleración angular son conceptos esenciales para entender el movimiento rotacional. La torsión es similar a la fuerza en el movimiento lineal, mientras que la aceleración angular describe qué tan rápido cambia la velocidad de rotación de un objeto. Al explorar situaciones del mundo real y utilizar estos principios, entendemos mejor la dinámica rotacional que rige todo, desde ruedas giratorias hasta movimiento orbital. Comprender estas ideas no solo enriquece nuestro conocimiento de la física, sino que también mejora nuestra capacidad para aplicar estos conceptos para resolver problemas prácticos.


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