Física

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Potencia (física)

En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Si W es la cantidad de trabajo realizado durante un intervalo de tiempo de duración Δt.

La potencia instantánea es el valor límite de la potencia media cuando el intervalo de tiempo Δt se aproxima a cero.

Donde:
P: es la potencia,
W: es el trabajo,
T: es el tiempo.
R: es el vector de posición.
F: es la fuerza.
V: es la velocidad.

Teorema de Bernoulli

El teorema de Bernoulli es un caso particular que precisa la aproximación frecuencial de un suceso a la probabilidad p de que este ocurra a medida que se va repitiendo el experimento.

Dados un suceso A, su probabilidad p de ocurrencia, y n pruebas independientes para determinar la ocurrencia o no-ocurrencia de A.
Sea f el número de veces que se presenta A en los n ensayos y a30c89172e5b88edbd45d3e2772c7f5e562e5173 Teorema de Bernoulli un número positivo cualquiera, la probabilidad de que la frecuencia relativa f/n discrepe de p en más de a30c89172e5b88edbd45d3e2772c7f5e562e5173 Teorema de Bernoulli (en valor absoluto) tiende a cero al tender n a ∞. Es decir:

815e9dac3bfaf37ea40461e920d42e0f0064a5c5 Teorema de Bernoulli

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que: Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de la masa del volumen del fluido que desaloja. Esta fuerza​ recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SI).

Se formula así:

6f8eaf559db5a94b630f46b5f754c8ee7ab52c77 Principio de Arquímedes

o también cuando se desea determinar para compararlo contra el peso del objeto:

donde E es el empuje [N], Pe es el peso específico del fluido [N/m^3],​ ρf es la densidad del fluido, V el volumen de fluido desplazado, por algún cuerpo sumergido parcial o totalmente en el mismo, g la aceleración de la gravedad y m la masa. De este modo, el empuje depende de la densidad del fluido, del volumen del cuerpo y de la gravedad existente en ese lugar. El empuje (en condiciones normales​ y descrito de modo simplificado​) actúa verticalmente hacia arriba y está aplicado en el centro de gravedad del cuerpo; este punto recibe el nombre de centro de carena.

Como se puede aplicar en un fluido.

El principio de Arquímedes fue introducido como principio, de hecho puede considerarse un teorema demostrable a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido en reposo. Mediante el teorema de Stokes (igualmente el principio de Arquímedes puede deducirse matemáticamente de las ecuaciones de Euler para un fluido en reposo, que a su vez pueden deducirse generalizando las leyes de Newton a un medio continuo). Partiendo de las ecuaciones de Navier-Stokes para un fluido.

 

Mecánica de fluidos

La mecánica de fluidos es la rama de la física comprendida dentro de la mecánica de medios continuos que estudia el movimiento de los fluidos (fundamentalmente líquidos y gases), así como las fuerzas que lo provocan.​ La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida). También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita.

Como en todas las ramas de la ciencia, en la mecánica de fluidos se parte de la hipótesis en función de las cuales se desarrollan todos los conceptos. En particular, en la mecánica de fluidos se asume que los fluidos verifican las siguientes leyes:

  • Conservación de la masa y de la cantidad de movimiento.
  • Primera y segunda ley de la termodinámica.

Ecuaciones generales de la mecánica de fluidos.

Las ecuaciones que rigen toda la mecánica de fluidos se obtienen por la aplicación de los principios de conservación de la mecánica y la termodinámica a un volumen fluido. Para generalizarlas usaremos el teorema del transporte de Reynolds y el teorema de la divergencia (o teorema de Gauss) para obtener las ecuaciones en una forma más útil para la formulación euleriana.

Las tres ecuaciones fundamentales son la ecuación de continuidad, la ecuación de la cantidad de movimiento, y la ecuación de la conservación de la energía. Estas ecuaciones pueden darse en su formulación integral o en su forma diferencial, dependiendo del problema. A este conjunto de ecuaciones dadas en su forma diferencial también se le denomina ecuaciones de Navier-Stokes (las ecuaciones de Euler son un caso particular de la ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos sin visco

No existe una solución general a dicho conjunto de ecuaciones debido a su complejidad, por lo que para cada problema concreto de la mecánica de fluidos se estudian estas ecuaciones buscando simplificaciones que faciliten la resolución del problema. En algunos casos no es posible obtener una solución analítica, por lo que hemos de recurrir a soluciones numéricas generadas por ordenador. A esta rama de la mecánica de fluidos se la denomina mecánica de fluidos computacional. Las ecuaciones son las siguientes:

Ecuación de continuidad

 

Ecuación de cantidad de movimiento

 

Ecuación de la conservación de energía

 

Principio de Pascal

La ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico-matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: la presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.

Afirmando que toda presión ejercida hacia un fluido, se esparcirá sobre toda la sustancia de manera uniforme. El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión.

También podemos observar aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas, en los elevadores hidráulicos, en los frenos hidráulicos, en los puentes hidráulicos y en los gatos hidráulicos.

Prensa hidráulica.

Una máquina compleja que permite amplificar las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas hidráulicas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos .

La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección A1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la sección A2, es decir:

P1=P2

con lo que las fuerzas serán:

con A1 < A2. Por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el émbolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones.

Energía cinética

Podemos considerar la energía cinética dentro de la física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética. Suele abreviarse con letra E- o E+ (a veces también T o K).

La mecánica cinética desdé el estudió clásico la podemos ver como una masa puntual, la cual depende de su masa 0a07d98bb302f3856cbabc47b2b9016692e3f7bc Energía cinética y sus componentes del movimiento. Se expresa en Joule (J)= 1 kg·m2/s2. Estos son descritos por la velocidad e07b00e7fc0847fbd16391c778d65bc25c452597 Energía cinética de la masa puntual. En un sistema de coordenadas especial.

Tipos de potencia

Potencia mecánica

La potencia mecánica aplicada sobre un sólido rígido viene dada por el producto de la fuerza resultante aplicada por la velocidad.

Si además existe rotación del sólido y las fuerzas aplicadas están cambiando su velocidad angular.

donde:

F,M, son la fuerza resultante y el momento resultante.

V,W, son la velocidad del punto donde se ha calculado la resultante efectiva y la velocidad angular del sólido.

Para un sólido deformable o un medio continuo general la expresión es más compleja y se expresa como producto del tensor tensión y el campo de velocidades.

donde:

Tij, son las componentes del tensor de tensiones de Cauchy.

Dij, son las componentes del tensor de velocidad de deformación.

Potencia eléctrica.

La potencia eléctrica P desarrollada en un cierto instante por un dispositivo viene dada por la expresión:

Donde:

P(t) es la potencia instantánea, medida en vatios (julios/segundo).

I(t) es la corriente que circula por él, medida en amperios.

V(t) es la diferencia de potencial (caída de voltaje) a través del componente, medida en voltios.

Si el componente es una resistencia, tenemos:

Donde:

R es la resistencia, medida en ohmios.

Potencia calorífica.

La potencia calorífica de un dispositivo es la cantidad de calor que libera por la unidad de tiempo:

P es la potencia instantánea, medida en vatios (julios/segundo).

E es la energía proporcionada en julios (J).

t es el tiempo en segundos (s).

Potencia sonora.

La potencia del sonido, considerada como la cantidad de energía que transporta la onda sonora por unidad de tiempo a través de una superficie dada, depende de la intensidad de la onda sonora y de la superficie , viniendo dada, en el caso general, por:

  • Ps es la potencia
  • Is es la intensidad sonora.
  • dS es el elemento de superficie sobre alcanzado por la onda sonora.

Para una fuente aislada, el cálculo de la potencia sonora total emitida requiere que la integral anterior se extienda sobre una superficie cerrada.

Energía potencial elástica

La elasticidad es una propiedad de ciertos materiales por la que, una vez deformados, estirados o separados de su posición inicial, pueden recuperar su estado original, o de equilibrio. Las fuerzas restauradoras responsables de la recuperación son las fuerzas elásticas como en el caso de los muelles, las tiras de goma o las cuerdas de instrumentos musicales.

Muchas máquinas de guerra de la antigüedad utilizaban este tipo de energía para lanzar objetos a distancia como, por ejemplo, el arco que dispara una flecha, la ballesta o la catapulta. Las vibraciones u oscilaciones de los objetos materiales, ocasionadas por las fuerzas elásticas, son la fuente de las ondas sonoras. Las fuerzas recuperadoras, cuando el objeto recupera su forma original sin apenas amortiguamiento o deformación, son conservativas y se puede derivar una energía potencial elástica, que sumada a la energía cinética, permite obtener la energía mecánica del objeto.

Se dice que un material es más elástico cuando vuelve a su posición de equilibrio de manera más precisa. Una tira de goma es fácil de estirar, y se retorna de nuevo cerca de su longitud original cuando se libera, pero no es tan elástica como una cuerda de guitarra. La cuerda de guitarra es más difícil de estirar, pero posee mejor recuperación que la tira de goma, porque retorna a su longitud original de manera más precisa.

Fuentes de energía

Las fuentes de energía son un fenómeno físico o químico del que es posible explotar su energía con fines económicos o biofísicos. Según un primer criterio de clasificación, se les llama “primarias” si provienen de un fenómeno natural y no han sido transformadas (el sol, la biomasa, las corrientes de agua, el viento, los minerales energéticos o radiactivos); y “secundarias” si son resultado de una transformación intencionada a partir de las primarias para obtener la forma de energía deseada (la energía eléctrica -que puede obtenerse a partir de cualquiera de las fuentes primarias-, la energía química de los distintos combustibles utilizados para el transporte, la calefacción o la industria -que pueden obtenerse a partir de muy distintas fuentes-, etc.)

Según un segundo criterio, a las fuentes de energía primarias se las llama “renobables” si sus reservas no disminuyen de forma significativa en la escala de tiempo de su explotación (como la hidroeléctrica, la eólica, la solar, la geotérmica, la mareomotrizo la utilización energética de la biomasa); y “no renobables” si lo hacen (como los combustibles fósiles -carbón, petróleo, gas natural y la energía nuclear). Según un tercer criterio, se las llama “limpias”​ si se las valora positivamente en un contexto ecologista (lo que coincide en su mayor parte con las renovables); y “sucias” si son valoradas negativamente (lo que coincide en su mayor parte con las no renovables).

 

A lo largo de la historia el hombre ha buscado incesantemente fuentes de energía para su provecho; desde la Prehistoria, cuando la humanidad descubrió el fuego para calentarse, alumbrarse y cocinar los alimentos, pasando por la Edad Media en la que se introdujeron molinos de viento para moler cereales, hasta la Edad Contemporáneaen la que se ha llegado a obtener energía fisionando el átomo y producir los sofisticados combustibles que permiten la propulsión aeroespacial.

Los combustibles fósiles protagonizaron las revoluciones industriales: desde la Primera Revolución Industrial el carbón con el que se alimentaron las calderas de las máquinas de vapor aplicadas inicialmente al bombeo del agua de las minas, luego al telar mecánico y sucesivamente a la práctica totalidad de los procesos industriales mecanizables y al transporte (ferrocarril, barco de vapor, pero luego el modelo de desarrollo propio de la sociedad industrial aboca al agotamiento de los recursos fósiles, sin posible reposición, pues son necesarios períodos de millones de años para su formación.

La búsqueda de fuentes de energía inagotables y el intento de los países industrializados de fortalecer sus economías nacionales reduciendo su dependencia de los combustibles fósiles, concentrados en territorios extranjeros tras la explotación y casi agotamiento de los recursos propios, les llevó a la adopción de la energía nuclear y, en aquellos con suficientes recursos hídricos, al aprovechamiento hidráulico intensivo de sus cursos de agua.