Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Diagrama de Cuerpo Libre


Los diagramas de cuerpo libre son una herramienta esencial que los estudiantes de física aprenden a usar al estudiar las leyes del movimiento de Newton. Proporcionan una manera simple de visualizar las fuerzas que actúan sobre un objeto, ya sea que ese objeto sea un bloque, un plano inclinado u otro cuerpo. La belleza de los diagramas de cuerpo libre, a menudo abreviados como FBD, está en su simplicidad. Eliminan todos los elementos no esenciales y se centran solo en las fuerzas en juego. Este enfoque ayuda a los estudiantes y físicos a comprender cómo interactúan las fuerzas en el sistema que están estudiando.

Comprensión de los diagramas de cuerpo libre

Un diagrama de cuerpo libre es una ilustración gráfica utilizada para visualizar las fuerzas, movimientos y reacciones resultantes aplicadas a un cuerpo en una situación dada. El diagrama muestra el cuerpo como un punto o una forma simple y usa flechas para representar cada fuerza que actúa sobre él. La longitud de la flecha representa la magnitud de la fuerza, mientras que su dirección representa la dirección de la fuerza. Entender cómo crear e interpretar estos diagramas es importante para resolver problemas que involucran fuerzas y movimiento.

Fundamentos de los diagramas de cuerpo libre

Entendamos los pasos para dibujar un diagrama de cuerpo libre:

  • Identificar el objeto de interés, llamado el "cuerpo" del diagrama de cuerpo libre. Este objeto o cuerpo será diferente de su entorno.
  • Para centrarse en las fuerzas aplicadas al objeto, reemplace el objeto con una representación más simple, a menudo un punto o una caja.
  • Identificar todas las fuerzas que actúan sobre el objeto. Cada fuerza debe ser representada por una flecha. De acuerdo con la tercera ley de Newton, las flechas apuntan lejos del objeto si son fuerzas aplicadas, o hacia el objeto si son fuerzas de reacción.
  • Representar la fuerza de gravedad actuando hacia abajo sobre el objeto. Casi siempre está presente, a menos que se especifique lo contrario.
  • Incluir todas las fuerzas de superficie como la fuerza normal, la fuerza de fricción, la tensión, la fuerza aplicada y otras, según sea aplicable.
  • De acuerdo con la tercera ley de Newton, cualquier par de fuerzas de acción-reacción que actúe sobre el objeto debe ser incluido.

Fuerza normal en diagramas de cuerpo libre

Para dibujar diagramas de cuerpo libre efectivos, es necesario estar familiarizado con las fuerzas típicas que se encuentran en los problemas mecánicos. Aquí hay algunas fuerzas comúnmente involucradas:

  • Gravedad: Una fuerza que atrae objetos hacia el centro de la Tierra. Su magnitud se calcula típicamente por la fórmula F_g = m * g, donde m es la masa del objeto y g es la aceleración debido a la gravedad (aproximadamente 9.8 m/s2 en la Tierra).
  • Fuerza Normal: La fuerza de contacto perpendicular ejercida por una superficie sobre un objeto colocado en ella. Es usualmente perpendicular a la superficie de contacto.
  • Fuerza de Fricción: Una fuerza que se opone al movimiento cuando dos superficies están en contacto. Es proporcional a la fuerza normal y se puede calcular usando la fórmula F_f = μ * F_n, donde μ es el coeficiente de fricción y F_n es la fuerza normal.
  • Fuerza de Tensión: La fuerza de tracción transmitida a lo largo de la longitud de un alambre, cuerda, cable o cadena.
  • Fuerza Aplicada: Cualquier fuerza que se aplique a un objeto por alguien o por otro objeto.

Ejemplo de un diagrama de cuerpo libre simple

Considere una caja colocada sobre una superficie plana sin fuerzas externas actuando sobre ella aparte de la gravedad y la fuerza normal. Aquí hay un diagrama simplificado de cuerpo libre para este escenario:

    caja
    ,
    ,
    | Caja |
    ,
    |<--> N |
    ,
    ,
    V
    mg (fuerza gravitacional)
N(fuerza normal) mg (gravitacional)

Diagramas de cuerpo libre más complejos: plano inclinado

Considere un bloque deslizándose por un plano inclinado con fricción:

Las fuerzas a considerar aquí son la gravedad, la fuerza normal, la fuerza de fricción que se opone al movimiento y cualquier fuerza externa si está presente. Supongamos que el bloque se está moviendo hacia abajo y que el plano inclinado forma un ángulo θ con la horizontal.

    Plano inclinado: θ
    Fuerza normal(N)
               ,
              ,
             ,
            ,
           / | Fuerza de fricción
          / 
         /____→__(bloque)_____>
        ,
          Fuerza gravitacional → sin(θ)
mg sin(θ) N choque

Análisis de diagramas de cuerpo libre

Una vez que se construye el diagrama de cuerpo libre, se puede usar para aplicar la segunda ley del movimiento de Newton: F = m * a. El enfoque aquí está en equilibrar las fuerzas en las direcciones horizontal y vertical para encontrar incógnitas como fuerza constante, aceleración, tensión o fricción.

Consideremos el ejemplo de un plano inclinado. La fuerza de gravedad se puede dividir en dos componentes:

  • Perpendicular al plano: mg * cos(θ)
  • Paralela al plano: mg * sin(θ)

Fuerza perpendicular al plano:

  • La fuerza normal N está equilibrada por el componente de gravedad perpendicular al plano: N = mg * cos(θ)

Si el bloque está deslizándose hacia abajo, entonces la fuerza paralela al plano:

  • F_fricción + ma = mg * sin(θ)
  • Donde F_fricción es la fuerza de fricción que se opone al movimiento: F_fricción = μ * N

Aplicaciones prácticas de los diagramas de cuerpo libre

Los diagramas de cuerpo libre son muy útiles en diversas aplicaciones que van desde problemas de mecánica simples hasta desafíos de ingeniería complejos. Al usar FBD de manera efectiva, astronomía, ingeniería civil, biomecánica, ingeniería automotriz y muchos otros campos resuelven problemas del mundo real.

Importancia al aprender física

Aprender a crear y analizar efectivamente los diagramas de cuerpo libre es una habilidad vital para cualquier persona que estudie física. Este enfoque no solo mejora las habilidades para resolver problemas, sino también la comprensión de cómo interactúan las fuerzas dentro de un sistema. Ya sea tratando con estructuras estáticas simples o sistemas dinámicos en equilibrio o no equilibrio, FBD facilita la visualización de interacciones que de otro modo serían matemáticamente complejas.

Conclusión y pensamientos finales

Los diagramas de cuerpo libre son una herramienta visual poderosa que muestra la dinámica de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo. Simplifican problemas complejos y forman la piedra angular en la resolución de problemas para la física newtoniana. Al centrarse en estos diagramas, los estudiantes adquieren una mayor apreciación por la dinámica de un objeto bajo diversas fuerzas. Esto ayuda a crear un camino desde reglas puramente teóricas hasta aplicaciones prácticas.

El dominio de los diagramas de cuerpo libre proporciona a los estudiantes una habilidad básica para abordar problemas de física cada vez más complejos y aplicaciones en disciplinas de ciencia y ingeniería. Por lo tanto, representan no solo una técnica, sino también la mentalidad necesaria para comprender y expresar los principios que gobiernan el mundo físico.


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Diagrama de Cuerpo Libre

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