physics-basics

name: physics-basics description: Cinemática (MRU, MRUA, caída libre, tiro parabólico), 3 leyes de Newton, fricción (estática/cinética), trabajo y energía cinética, energía potencial (gravitatoria, elástica), conservación de energía, potencia, presión en fluidos, empuje de Arquímedes, ondas elementales. Nivel: secundaria/ESO/Bachillerato. tags: [stem, physics, basics]

Física Básica — Mecánica, Fluidos y Ondas

Referencias de autoridad

• Sears & Zemansky, University Physics with Modern Physics, Addison-Wesley (13ª ed.)
• Halliday, Resnick & Walker, Fundamentals of Physics, Wiley (10ª ed.)
• Paul A. Tipler & Gene Mosca, Física para la Ciencia y la Tecnología, Reverté
• Feynman, Leighton & Sands, The Feynman Lectures on Physics, Caltech

Contenido clave

Cinemática

• MRU (movimiento rectilíneo uniforme): velocidad constante, a = 0
  • x(t) = x₀ + v·t
• MRUA (movimiento rectilíneo uniformemente acelerado): a =cte
  • v(t) = v₀ + a·t
  • x(t) = x₀ + v₀·t + ½·a·t²
  • v² = v₀² + 2a·(x - x₀) (ecuación independiente del tiempo)
• Caída libre: a = -g = -9.81 m/s² (hacia abajo). Despreciar resistencia del aire.
  • y(t) = y₀ + v₀·t - ½·g·t²
  • Tiempo de caída desde altura h: t = √(2h/g)
• Tiro parabólico:
  • v₀x = v₀·cos(θ); v₀y = v₀·sin(θ)
  • Alcance horizontal: R = v₀²·sin(2θ)/g (máximo en θ = 45°)
  • Altura máxima: H = v₀²·sin²(θ)/(2g)
  • Tiempo de vuelo: T = 2·v₀·sin(θ)/g
  • x(t) = v₀·cos(θ)·t; y(t) = v₀·sin(θ)·t - ½·g·t²

Dinámica — Leyes de Newton

• Primera ley (inercia): si ΣF = 0, entonces v = cte (o v = 0). Todo cuerpo mantiene su estado de reposo o MRU salvo fuerza externa.
• Segunda ley: ΣF = m·a (vectorial). F_neta = ma en cada eje por separado.
  • Peso: P = m·g (g ≈ 9.81 m/s² en superficie terrestre)
• Tercera ley (acción-reacción): F_AB = -F_BA. Las fuerzas de acción y reacción actúan sobre cuerpos distintos.

Fricción

• Fricción estática: f_s ≤ μ_s·N (se opone al inicio del movimiento). Se activa cuando hay tendencia a deslizar.
  • f_s,max = μ_s·N (fricción estática máxima, justo antes de deslizar)
• Fricción cinética: f_k = μ_k·N (se opone al movimiento). μ_k < μ_s normalmente.
  • N = fuerza normal (perpendicular a la superficie de contacto)
• En plano inclinado (ángulo θ):
  • N = m·g·cos(θ)
  • Componente paralela: m·g·sin(θ)
  • Deslizamiento si: tan(θ) > μ_s

Trabajo y energía

• Trabajo: W = F·d·cos(θ) = F⃗ · d⃗ (producto escalar)
  • θ = ángulo entre fuerza y desplazamiento
  • W > 0 si fuerza y desplazamiento tienen mismo sentido (θ < 90°)
  • W < 0 si tienen sentido contrario (θ > 90°)
  • W = 0 si F ⊥ d (θ = 90°)
  • Unidad: Joule (J) = N·m = kg·m²/s²
• Energía cinética: E_c = ½·m·v²
• Teorema trabajo-energía: W_neta = ΔE_c = ½·m·v_f² - ½·m·v_i²
• Energía potencial gravitatoria: E_p = m·g·h (h medido desde un nivel de referencia)
• Energía potencial elástica (resorte): E_pe = ½·k·x² (x = deformación desde equilibrio)
  • Ley de Hooke: F = -k·x (constante k en N/m)
• Conservación de energía mecánica: si solo actúan fuerzas conservativas, E_mec = E_c + E_p = cte
  • Con fricción: E_i = E_f + W_friction (energía disipada)

Potencia

• Potencia media: P = W/t = ΔE/t
• Potencia instantánea: P = F·v·cos(θ) = F⃗ · v⃗
• Unidad: Watt (W) = J/s. 1 CV (caballo de vapor) ≈ 735.5 W

Presión en fluidos

• Presión: P = F/A (fuerza perpendicular por unidad de área)
  • Unidad: Pascal (Pa) = N/m²
  • 1 atm = 101325 Pa = 760 mmHg ≈ 1.013 × 10⁵ Pa
• Presión hidrostática: P = P₀ + ρ·g·h (h = profundidad desde superficie)
  • ρ = densidad del fluido (kg/m³)
  • Principio de Pascal: presión aplicada se transmite íntegramente
• Empuje de Arquímedes: E = ρ_fluido · V_sumergido · g
  • Cuerpo flota si E ≥ P (peso del cuerpo)
  • Fracción sumergida: V_sub/V_total = ρ_cuerpo/ρ_fluido

Ondas elementales

• Relación fundamental: v = λ·f = λ/T
  • v = velocidad de propagación (m/s)
  • λ = longitud de onda (m)
  • f = frecuencia (Hz = 1/s)
  • T = período (s) = 1/f
• Energía de onda: proporcional a amplitud²
• Onda sonora: v ≈ 343 m/s en aire a 20°C
• Onda en cuerda: v = √(T/μ), T = tensión (N), μ = densidad lineal (kg/m)

Unidades y sistema SI

• Masa: kilogramo (kg)
• Longitud: metro (m)
• Tiempo: segundo (s)
• Velocidad: m/s
• Aceleración: m/s²
• Fuerza: Newton (N) = kg·m/s²
• Trabajo/Energía: Joule (J) = kg·m²/s²
• Potencia: Watt (W) = J/s
• Presión: Pascal (Pa) = N/m²
• Densidad: kg/m³
• Frecuencia: Hertz (Hz) = s⁻¹
• Coeficiente de fricción: adimensional
• Constante elástica k: N/m

Errores comunes / Pitfalls

• Confundir velocidad con aceleración: v = cte no implica a = 0 en tiro parabólico (a = -g siempre). La velocidad cambia continuamente, la aceleración es constante.
• Signo en gravedad: definir un sistema de coordenadas y ser consistente. Si "arriba" es positivo, g = -9.81 m/s². No mezclar signos.
• Trabajo positivo/negativo: el signo depende del ángulo entre F y d. Fricción siempre hace trabajo negativo (θ = 180°).
• Tercera ley de Newton: acción y reacción actúan sobre cuerpos DIFERENTES. No se anulan entre sí en el análisis de un solo cuerpo.
• Energía potencial gravitatoria: h se mide desde un nivel de referencia arbitrario. Solo ΔE_p tiene significado físico absoluto.
• Empuje de Arquímedes: usar la densidad del FLUIDO, no del cuerpo. E = ρ_fluido · V_sumergido · g.
• Unidades de presión: 1 atm ≠ 1 bar (1 bar = 10⁵ Pa, 1 atm = 101325 Pa). No confundir.
• Fuerza normal en plano inclinado: N ≠ mg. N = mg·cos(θ). Solo en superficie horizontal N = mg.

Verificación

• Dimensiones: verificar que todas las cantidades tienen dimensiones correctas (M, L, T)
• MRUA: verificar v² = v₀² + 2aΔx con datos numéricos simples
• Newton: verificar ΣF = ma en cada eje por separado
• Energía: verificar que E_i = E_f en sistema conservativo
• Empuje: verificar que cuerpo flota si ρ_cuerpo < ρ_fluido
• Tiro parabólico: verificar que en el punto más alto v_y = 0 (pero v_x ≠ 0)
• Potencia: verificar P = F·v con unidades: N × m/s = J/s = W