Grado 12
  1. Mecánica avanzada  1.1. Dinámica  1.1.1. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.2. Ecuaciones avanzadas de movimiento y alcance de proyectiles  1.1.3. Movimiento relativo en diferentes marcos de referencia  1.1.4. Movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y magnéticos  1.1.5. Movimiento no uniformemente acelerado en múltiples dimensiones  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes de Newton y aplicaciones en marcos no inerciales  1.2.2. Dinámica de sistemas de partículas  1.2.3. Fuerzas no conservativas y disipación de energía  1.2.4. Momento en sistemas de masa variable (momento del cohete)  1.2.5. Mecánica Lagrangiana y Hamiltoniana (Introducción)  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por fuerzas no conservativas  1.3.2. Potencia en movimiento rotacional y traslacional  1.3.3. Leyes de Conservación Avanzadas y Aplicaciones  1.3.4. Superficie de energía potencial y estabilidad  1.4. Velocidad de rotación avanzada  1.4.1. Torque en tres dimensiones  1.4.2. Momento de inercia para cuerpos irregulares  1.4.3. Movimiento giroscópico y precesión  1.4.4. Teorema del trabajo-energía rotacional  1.4.5. Ecuaciones de Euler del movimiento rotacional  1.5. Fuerza gravitacional  1.5.1. Advanced Orbital Mechanics  1.5.2. Puntos de Lagrange y estabilidad de órbitas  1.5.3. Dilatación gravitacional del tiempo  1.5.4. Velocidad de escape y consideraciones energéticas  1.5.5. Fuerza de marea y el límite de Roche
  2. Mecánica de fluidos y termodinámica  2.1. Dinámica de fluidos  2.1.1. Aplicaciones del Principio de Bernoulli  2.1.2. Ecuaciones de Navier-Stokes y resistencia de fluidos  2.1.3. Flujo Turbulento vs. Laminar  2.1.4. Tensión superficial y acción capilar  2.2. Física Térmica Avanzada  2.2.1. Equilibrio termodinámico y motores térmicos  2.2.2. Entropía y la Segunda Ley de la Termodinámica  2.2.3. El demonio de Maxwell y la termodinámica estadística  2.2.4. Potencial termodinámico y energía libre
  3. Oscilaciones y ondas  3.1. Movimiento Armónico Simple Avanzado  3.1.1. Oscilaciones acopladas y modos normales  3.1.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  3.1.3. Espacio de fase y resonancia  3.1.4. Oscilaciones anharmónicas  3.2. Movimiento ondulatorio  3.2.1. Ecuaciones de ondas avanzadas y dispersión  3.2.2. Ondas de Choque y Estallidos Sónicos  3.2.3. Efecto Doppler en ondas electromagnéticas  3.2.4. Dualidad onda–partícula
  4. Electromagnetismo  4.1. Electrostática  4.1.1. La ley de Gauss en la distribución de carga unilateral  4.1.2. Potencial eléctrico para configuración de carga compleja  4.1.3. Energía electrostática y autoenergía de un sistema  4.1.4. Dielectrics y Polarización  4.2. Electricidad Actual  4.2.1. Análisis avanzado de circuitos (teoremas de Thevenin y Norton)  4.2.2. Circuitos RC, RL y RLC en CA y CC  4.2.3. Superconductividad y aplicaciones  4.3. Magnetismo avanzado e inducción electromagnética  4.3.1. Campos magnéticos en conductores y plasma  4.3.2. La ley de Lenz en campos magnéticos dependientes del tiempo  4.3.3. Corrientes Parásitas y Aplicaciones  4.3.4. Momento de dipolo magnético y torque en bucles de corriente eléctrica  4.4. Corriente Alterna y Ondas Electromagnéticas  4.4.1. Circuitos LC y resonancia  4.4.2. Las ecuaciones de Maxwell y la transmisión de ondas electromagnéticas  4.4.3. Aplicaciones de las ondas electromagnéticas  4.4.4. Polarización y reflexión de ondas electromagnéticas
  5. Óptica  5.1. Óptica Geométrica  5.1.1. Aberraciones en sistemas ópticos  5.1.2. Fórmulas avanzadas de lentes y espejos  5.1.3. Instrumentos ópticos y óptica adaptativa  5.2. Óptica de ondas  5.2.1. Difracción en rendijas simples y múltiples  5.2.2. Coherencia Óptica e Interferometría  5.2.3. Holografía y aplicaciones
  6. Física moderna y cuántica  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Dilatación del tiempo y contracción de la longitud  6.1.2. Energía y masa relativista  6.1.3. Efecto Doppler relativista  6.2. Mecánica cuántica  6.2.1. Ecuación de Schrödinger y función de onda  6.2.2. Túnel cuántico y aplicaciones  6.2.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  6.2.4. Superposición cuántica y entrelazamiento  6.3. Física nuclear  6.3.1. Energía de enlace y defecto de masa  6.3.2. Física de neutrinos y decaimiento beta  6.3.3. Fisión y Fusión Nuclear  6.4. Física de partículas  6.4.1. Modelo Estándar e interacciones fundamentales  6.4.2. El bosón de Higgs y la ruptura de simetría  6.4.3. Antimateria y violación de CP
  7. Astrofísica y cosmología  7.1. Relatividad general y gravedad  7.1.1. Ecuaciones de campo de Einstein  7.1.2. Ondas gravitacionales y su detección  7.1.3. Agujeros negros y horizontes de eventos  7.2. Cosmología  7.2.1. Materia oscura y energía oscura  7.2.2. Radiación de fondo cósmico de microondas  7.2.3. La expansión del universo y la ley de Hubble

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Trabajo realizado por fuerzas no conservativas


En la mecánica avanzada, un concepto importante es entender cómo actúan las fuerzas y afectan la energía dentro de un sistema. Entre estas fuerzas, las fuerzas no conservativas desempeñan un papel esencial en la transformación de energía y el trabajo realizado dentro de varios sistemas. Esta lección discute en profundidad los principios del trabajo realizado por fuerzas no conservativas, proporcionando una visión completa a través de explicaciones, ejemplos e ilustraciones.

¿Qué son las fuerzas no conservativas?

Para entender las fuerzas no conservativas, primero discutamos qué son las fuerzas conservativas. Una fuerza conservativa es una fuerza que permite que la energía se conserve en un sistema. El trabajo realizado por fuerzas conservativas, como la gravedad y las fuerzas elásticas, es independiente del camino tomado. Esto significa que si un objeto toma un camino diferente para regresar a su posición inicial, el trabajo neto realizado por estas fuerzas es cero.

Por otro lado, las fuerzas no conservativas son fuerzas donde la energía no se conserva dentro del sistema porque parte de la energía se convierte en otras formas, como calor, sonido o deformación. Ejemplos comunes de fuerzas no conservativas incluyen la fricción, la resistencia del aire y la tensión en un cable que se rompe.

Cómo funcionan las fuerzas no conservativas

El trabajo realizado por una fuerza se calcula usando la siguiente ecuación:

W = F * d * cos(θ)

Donde W es el trabajo realizado, F es la magnitud de la fuerza, d es el desplazamiento del objeto, y θ es el ángulo entre la fuerza y la dirección del desplazamiento. En el caso de fuerzas no conservativas, el trabajo depende del camino, lo que significa que la cantidad de trabajo realizado cambia dependiendo del camino tomado.

Ejemplo visual: fricción

caja choque Fuerza

Imagina que estás empujando una caja por el suelo. El trabajo realizado por la fricción es un ejemplo clásico del trabajo de una fuerza no conservativa. A medida que la caja se desliza, la fricción se opone al movimiento, y parte de la energía utilizada para empujar la caja se convierte en calor debido a la fricción.

Conversión de energía

En sistemas donde actúan fuerzas no conservativas, la energía se convierte de energía mecánica a otras formas de energía. Por ejemplo, cuando un automóvil se mueve, la resistencia del viento y la fricción de la carretera convierten la energía mecánica del automóvil en energía térmica, resultando en el calentamiento de los neumáticos y el aire circundante.

Esta transformación puede conceptualizarse en términos del principio de trabajo-energía de la siguiente manera:

ΔKE + ΔPE = W_nc

donde ΔKE es el cambio en la energía cinética, ΔPE es el cambio en la energía potencial, y W_nc es el trabajo realizado por fuerzas no conservativas.

Ejemplo textual: Descendiendo una colina

Considera un ciclista descendiendo una colina. La fuerza de la gravedad ayuda al ciclista, mientras que la resistencia del aire y la fricción de los neumáticos se oponen al movimiento. A medida que el ciclista acelera cuesta abajo, la energía potencial inicialmente presente en la cima de la colina se convierte en energía cinética. Sin embargo, debido a fuerzas no conservativas como la resistencia del aire, no toda la energía potencial se convierte. Parte de ella se pierde, disipada como calor, ilustrando así el trabajo no recuperable realizado por estas fuerzas.

Diferencia entre fuerzas conservativas y no conservativas

Entender la diferencia entre estas dos fuerzas es importante para resolver problemas de física que involucran transformaciones de energía:

  • Independencia del camino: Las fuerzas conservativas son independientes del camino. El trabajo realizado depende solo de los estados inicial y final, mientras que las fuerzas no conservativas dependen del camino real tomado.
  • Conservación de energía: Con las fuerzas conservativas, la energía mecánica total se conserva, mientras que con las fuerzas no conservativas, la energía mecánica no se conserva debido a la disipación de energía.

Ejemplo visual: tirón contra la fricción

trineo choque Fuerza de Tiro

Imagina tirar de un trineo a través de la nieve. El trineo encuentra fricción, una fuerza no conservativa que resiste su movimiento. La energía utilizada para tirar del trineo se convierte en parte en energía cinética y en parte en calor debido a la fricción.

Aplicaciones de la vida real que involucran fuerzas no conservativas

Existen muchas aplicaciones y escenarios de la vida real donde intervienen fuerzas no conservativas:

  1. Automóvil: Los frenos de los coches reducen la velocidad de un vehículo convirtiendo energía cinética en calor a través de la fricción.
  2. Aerodinámica: Los aviones experimentan resistencia del aire, una fuerza que convierte la energía del impulso en calor y sonido, haciendo que el motor ejerza más potencia para mantener la velocidad.
  3. Maquinaria industrial: Las cintas transportadoras y las partes móviles en maquinaria experimentan resistencia mecánica, lo que resulta en pérdida de energía a través de la fricción.

Ejemplo textual: Aterrizaje de un avión

Cuando un avión aterriza, el sistema de frenado y la resistencia del aire trabajan contra su movimiento hacia adelante, produciendo calor y ruido. El trabajo realizado por estas fuerzas no conservativas asegura que el avión desacelere de manera segura y se detenga en la pista.

Reflexiones finales

Entender el concepto de trabajo realizado por fuerzas no conservativas es esencial para comprender la transformación y disipación de energía en sistemas mecánicos. Ya sea la fricción que se opone a una caja deslizante o la resistencia del aire que actúa sobre un vehículo en movimiento, los principios de las fuerzas no conservativas ayudan a explicar cómo se transfiere y transforma constantemente la energía en nuestro universo. Al calcular y analizar estas fuerzas, podemos diseñar sistemas más eficientes y resolver problemas complejos en física e ingeniería.


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Trabajo realizado por fuerzas no conservativas

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