BLOQUE 0. INTRODUCCIÓN
1. Física: Ciencia que estudia los fenómenos naturales e intenta explicar por qué ocurren.
Método científico: observación, experimentación, formulación matemática y modelos teóricos.
2. Magnitudes físicas: Propiedades que se pueden medir. Se dividen en:
Magnitudes fundamentales: son independientes y no se obtienen combinando otras magnitudes.
- Longitud: metro (m).
- Masa: kilogramo (kg).
- Tiempo: segundo (s).
- Temperatura: kelvin (K).
- Intensidad de corriente: amperio (A).
- Cantidad de sustancia: mol (mol).
- Intensidad luminosa: candela (cd).
Magnitudes derivadas: se obtienen relacionando magnitudes fundamentales.
- Superficie: m².
- Volumen: m³.
- Velocidad: m/s.
- Aceleración: m/s².
- Fuerza: newton (N).
- Potencia: vatio (W).
- Frecuencia: hercio (Hz).
- Resistencia eléctrica: ohmio (Ω).
- Ángulo plano: radián (rad).
- Ángulo sólido: estereorradián (sr).
Otras unidades aceptadas que no pertenecen al SI:
- Tonelada (t).
- Minuto (min).
- Hora (h).
- Grado Celsius (°C).
- Litro (L o l).
3. Múltiplos y submúltiplos: Se utilizan para expresar cantidades grandes o pequeñas.
Múltiplos: 10¹ deca (da), 10² hecto (h), 10³ kilo (k), 10⁶ mega (M), 10⁹ giga (G), 10¹² tera (T), 10¹⁵ peta (P), 10¹⁸ exa (E), 10²¹ zetta (Z) y 10²⁴ yotta (Y).
Submúltiplos: 10⁻¹ deci (d), 10⁻² centi (c), 10⁻³ mili (m), 10⁻⁶ micro (μ), 10⁻⁹ nano (n), 10⁻¹² pico (p), 10⁻¹⁵ femto (f), 10⁻¹⁸ atto (a), 10⁻²¹ zepto (z) y 10⁻²⁴ yocto (y).
4. Análisis dimensional: Consiste en expresar las magnitudes físicas mediante sus dimensiones fundamentales.
Dimensiones fundamentales:
- Longitud: L.
- Masa: M.
- Tiempo: T.
- Temperatura: Θ.
- Intensidad de corriente: I.
- Cantidad de sustancia: N.
- Intensidad luminosa: J.
Ecuaciones dimensionales: expresan las magnitudes derivadas en función de las fundamentales.
Principio de homogeneidad: los dos miembros de una ecuación deben tener las mismas dimensiones y todos los términos que se suman también deben ser dimensionalmente iguales. Los números, los ángulos, los logaritmos y las funciones trigonométricas no tienen dimensiones; para el cálculo dimensional se consideran como la unidad.
BLOQUE 1. ESTÁTICA
1. Fuerza: Acción capaz de modificar el movimiento o deformar un cuerpo. Es una magnitud vectorial.
Características de una fuerza: módulo, dirección, sentido y punto de aplicación.
Magnitudes escalares: tienen valor numérico y unidad.
Magnitudes vectoriales: tienen módulo, dirección y sentido.
2. Trigonometría:
- Teorema de Pitágoras: h² = a² + b².
- Seno: sen θ = cateto opuesto/hipotenusa.
- Coseno: cos θ = cateto contiguo/hipotenusa.
- Tangente: tan θ = cateto opuesto/cateto contiguo.
- Teorema del seno: a/sen A = b/sen B = c/sen C.
- Teorema del coseno: c² = a² + b² − 2ab cos C.
3. Composición de fuerzas: Consiste en sustituir varias fuerzas por una fuerza resultante equivalente.
- Resultante: fuerza única que produce el mismo efecto que las fuerzas originales.
- Métodos: paralelogramo, triángulo y polígono.
- La suma de vectores es conmutativa y asociativa.
- Resta de vectores: se suma el vector opuesto, cambiando su sentido.
4. Fuerzas concurrentes: Son fuerzas cuyas líneas de acción se cortan en un mismo punto. La resultante se obtiene sumando vectorialmente todas las fuerzas.
5. Descomposición de fuerzas: Consiste en dividir una fuerza en componentes sobre los ejes coordenados.
- Si el ángulo θ se mide desde el eje X positivo: Fx = F · cos θ y Fy = F · sen θ.
- El signo depende del sentido: derecha y arriba son positivos; izquierda y abajo son negativos.
- Si el ángulo se mide desde el eje Y, se intercambian seno y coseno según la posición del ángulo.
6. Vectores unitarios: Son vectores de módulo 1 que indican una dirección.
- i: eje X.
- j: eje Y.
- k: eje Z.
- Vector en tres dimensiones: F = Fx·i + Fy·j + Fz·k.
7. Módulo y dirección de un vector:
- En dos dimensiones: F = √(Fx² + Fy²).
- En tres dimensiones: F = √(Fx² + Fy² + Fz²).
- Dirección respecto al eje X: tan θ = Fy/Fx.
- Ángulo: θ = arctan(Fy/Fx).
- Hay que tener en cuenta los signos de las componentes para identificar el cuadrante correcto.
8. Resultante por componentes:
- Rx = ΣFx.
- Ry = ΣFy.
- Rz = ΣFz, si hay tres dimensiones.
- En dos dimensiones: R = √(Rx² + Ry²).
- Dirección: θ = arctan(Ry/Rx), teniendo en cuenta los signos de las componentes y el cuadrante.
9. Fuerzas en tres dimensiones: Se expresan mediante sus componentes X, Y y Z.
- F = Fx·i + Fy·j + Fz·k.
- Módulo: F = √(Fx² + Fy² + Fz²).
- Para sumar fuerzas, se suman por separado las componentes de cada eje.
10. Producto escalar: P·Q = |P|·|Q|·cos θ, donde θ es el ángulo entre los vectores.
- Por componentes: P·Q = PxQx + PyQy + PzQz.
- El resultado es un escalar.
- Se utiliza para calcular ángulos y proyecciones.
11. Equilibrio de una partícula: La resultante de todas las fuerzas es cero.
- En dos dimensiones: ΣFx = 0 y ΣFy = 0.
- En tres dimensiones: ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣFz = 0.
- Primera ley de Newton: si la fuerza resultante es cero, el cuerpo permanece en reposo o se mueve con velocidad constante.
12. Diagrama de cuerpo libre: Dibujo del cuerpo aislado en el que se representan todas las fuerzas externas que actúan sobre él. Se representan las fuerzas aplicadas, el peso, las reacciones de los apoyos y las tensiones correspondientes.
13. Cuerpo rígido: Modelo de cuerpo en el que las distancias entre sus puntos no cambian al aplicar fuerzas.
- Fuerzas externas: actúan desde fuera del cuerpo.
- Fuerzas internas: actúan entre las partes del propio cuerpo.
14. Momento de una fuerza: Mide la capacidad de una fuerza para hacer girar un cuerpo alrededor de un punto o eje.
- M = r × F.
- Módulo: M = r·F·sen θ.
- Si la fuerza es perpendicular al brazo: M = F·d.
- Depende de la intensidad de la fuerza y de la distancia al punto de giro.
- Su sentido puede ser horario o antihorario.
15. Producto vectorial: Se representa como P × Q. Su módulo es |P × Q| = |P|·|Q|·sen θ. El resultado es un vector perpendicular a los dos vectores originales. Se utiliza para calcular momentos de fuerzas.
16. Momento respecto a un eje: Se obtiene proyectando el vector momento sobre el eje considerado. Mλ = λ·M, donde λ es el vector unitario del eje y M es el vector momento.
17. Par de fuerzas: Está formado por dos fuerzas paralelas, de igual módulo y sentido contrario, aplicadas en puntos diferentes. La resultante es cero, pero producen un giro. Momento del par: M = F·d, donde d es la distancia perpendicular entre las líneas de acción.
18. Sistema fuerza-par equivalente: Un sistema de fuerzas puede sustituirse por una fuerza resultante y un momento equivalente respecto a un punto.
- R = ΣF.
- Mₒ = Σ(rᵢ × Fᵢ).
19. Reducción de fuerzas: Consiste en sustituir varias fuerzas por su resultante y el momento total respecto a un punto.
- Fuerza resultante: R = ΣFᵢ.
- Momento resultante respecto a O: Mₒ = Σ(rᵢ × Fᵢ).
20. Equilibrio de un cuerpo rígido: La suma de fuerzas y la suma de momentos deben ser cero.
- En dos dimensiones: ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣMₒ = 0.
- En tres dimensiones: ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣFz = 0, ΣMx = 0, ΣMy = 0 y ΣMz = 0.
21. Reacciones en los apoyos: Son las fuerzas o momentos que ejercen los apoyos sobre un cuerpo.
- Rodillo: una reacción perpendicular a la superficie.
- Articulación: dos componentes de reacción en el plano.
- Empotramiento: dos componentes de fuerza y un momento en dos dimensiones.
- Cable: ejerce una fuerza de tensión a lo largo del cable y solo puede tirar.
- Barras o puntales: transmiten fuerzas a lo largo de su eje y pueden trabajar a tracción o compresión.
22. Armaduras o estructuras trianguladas: Están formadas por barras unidas en nudos. Las barras trabajan principalmente a tracción o compresión.
- Tracción: la barra se estira.
- Compresión: la barra se comprime.
- Pandeo: deformación lateral que puede aparecer en una barra comprimida.
23. Método de los nudos: Se utiliza para calcular las fuerzas en las barras de una armadura.
- Se analiza cada nudo por separado aplicando las ecuaciones de equilibrio: ΣFx = 0 y ΣFy = 0.
- Conviene comenzar por un nudo con un máximo de dos fuerzas desconocidas.
- Se suele suponer que las barras están a tracción: resultado positivo = tracción; resultado negativo = compresión.
24. Barras de fuerza nula: Son barras que no soportan fuerza en determinadas condiciones de carga.
- Si en un nudo sin carga externa ni reacción se unen dos barras no alineadas, ambas tienen fuerza nula.
- Si en un nudo sin carga externa ni reacción se unen tres barras, dos alineadas y una no alineada, la barra no alineada tiene fuerza nula.
