HISTORIA DE LA FISICA
ANTECEDENTES
Thales
de Miletus (630-550 AC) fue el primero, que cerca del 600 AC, conociera el hecho
de que el ámbar, al ser frotado adquiere el poder de atracción sobre algunos
objetos. Sin embargo fue el filósofo Griego Theophrastus (374-287 AC) el
primero, que en un tratado escrito tres siglos después, estableció que otras
sustancias tienen este mismo poder, dejando así constancia del primer estudio
científico sobre la electricidad.
1600.-
La Reina Elizabeth I ordena al Físico
Real Willian Gilbert (1544-1603) estudiar los imanes para mejorar la exactitud
de las Brújulas usadas en la navegación, siendo éste trabajo la base principal
para la definición de los fundamentos de la Electrostática yMagnetismo. Gilbert
fue el primero
en aplicar el
término Electricidad del
Griego"elektron" = ámbar. Gilbert es la unidad de medida de la
fuerza magneto motriz.
1672.-
El
Físico Alemán Otto
von Guericke (1602-1686)
desarrolló la primera
máquina electrostática para producir cargas eléctricas. Máquina que
consiste de una esfera de azufre torneada, con una manija a través de la cual,
la carga es inducida al posar la mano sobre la esfera.
1733.-
El Francés Francois de Cisternay Du
Fay (14/Sep/1698 - 1739) fue el
primero en identificar la existencia de dos cargas eléctricas, las
cuales denominó electricidad vitria y resinosa.
1745.-
Se desarrolla lo que daría paso al
Condensador Eléctrico, la botella de Leyden por E. G.Von Kleist (1700-1748) y
Pieter Van Musschenbroeck (1692-1761) en la Universidad de Leyden, con esta
botella se almacenó electricidad estática.
1800.-
Alejandro Volta (1745-1827) construye la
primera celda Electrostática y la batería capaz de producir corriente
eléctrica. Su inspiración le vino del estudio realizado por el Físico Italiano
Luigi Galvani (1737-1798) sobre las corrientes nerviosas-eléctricas en las
ancas de ranas. Galvani propuso la teoría de la Electricidad
Animal, lo cual contrarió a Volta, quien creía que las contracciones musculares
eran el resultado del contacto de los dos metales con el músculo. Sus
investigaciones posteriores le permitieron elaborar una celda química capaz de
producir corriente continua, fue así como desarrollo la Pila. Volt es la unidad
de medida del potencial eléctrico (Tensión).
ESTÁTICA (MECÁNICA)
La estática es la rama de la mecánica clásica que analiza las cargas (fuerza, par /
momento) y estudia el equilibrio de fuerzas en los sistemas físicos en
equilibrio estático, es decir, en un estado en el que las posiciones relativas
de los sub-sistemas no varían con el tiempo. La primera ley de Newton implica que la red de la fuerza y el
par neto (también conocido como momento de fuerza) de cada organismo en el sistema es igual a cero. De esta limitación
pueden derivarse cantidades como la carga o la presión. La red de fuerzas de
igual a cero se conoce como la
primera condición de equilibrio, y el par neto igual a cero se conoce como la segunda condición de equilibrio.
En la real academia española describen la palabra estática como “parte
de la mecánica que estudia las leyes del equilibrio” este vocablo deriva del
griego “statikos” significa “estacionario” y “statos” quiere decir “estar
parado en equilibrio”. La estática es la ciencia de la mecánica eléctrica del
comportamiento de cuerpos físicos macroscópicos en reposo y la rapidez diminuta
comparadas con la velocidad de la luz que analiza las cargas de energía, par,
momentos, que estudia el equilibrio de las energías en métodos, físicos en
equilibrio estático, eso quiere decir que puede ser en un estado en que las
posiciones relativas de los sub-sistemas que no cambian con el tiempo.
En el área de la estática se encuentran diversas ramas
que son la electricidad estática y la electrostática.
La electricidad estática se trata de la acumulación de un
exceso de carga eléctrica con una propiedad física internas de algunas
partículas sub-atómicas que se manifiesta mediantes fuerzas de atracción y
repulsión en una zona con poca conductividad eléctrica que es la medida de la
capacidad o de la aptitud de un material para dejar pasar o dejar circular
libremente la corriente eléctrica, el aislante eléctrico, es un material que no
es un conductor de la electricidad que resiste al paso de la corriente a través
del elemento que aloja y lo mantiene en su desplazamiento a lo largo del
semiconductor.
La electrostática es la ciencia de la física que estudia
los efectos alternos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su
carga eléctrica en equilibrio, comprendiendo que las cargas puntuales son
cuerpos cargados en el cual las dimensiones son detestables frente a otras
dimensiones del asunto. Esta carga se encarga de los monstruos electrostáticos
en el cual aparecen los afectos de cohesión y repulsiones entre los cuerpos que
los adquieren.
ANÁLISIS
DEL EQUILIBRIO
La estática proporciona, mediante el
empleo de la mecánica del sólido rígido, solución a los problemas denominados isostáticos. En estos
problemas, es suficiente plantear las condiciones básicas de equilibrio, que
son:
Estas dos condiciones, mediante el álgebra vectorial, se convierten en un sistema de ecuaciones; la
resolución de este sistema de ecuaciones es la solución de la condición de
equilibrio.
Existen métodos de resolución de este tipo de problemas estáticos
mediante gráficos, heredados de los tiempos en que la complejidad de la
resolución de sistemas de ecuaciones se evitaba mediante la geometría, si bien actualmente se tiende al cálculo
por ordenador.
Para la resolución de problemas hiperestáticos (aquellos en los que el equilibrio se
puede alcanzar con distintas combinaciones de esfuerzos) es necesario
considerar ecuaciones de compatibilidad. Dichas ecuaciones adicionales de
compatibilidad se obtienen mediante la introducción de deformaciones y tensiones internas asociadas a las deformaciones
mediante los métodos de la mecánica de sólidos deformables, que es una ampliación de la mecánica del sólido rígido
que, además, da cuenta de la de formabilidad de los sólidos y sus efectos
internos.
Existen varios métodos clásicos
basados en la mecánica de sólidos deformables, como los teoremas
de Castiglianoo las
fórmulas de Navier-Bresse.
SUMA DE
FUERZAS
Cuando sobre un cuerpo o sólido rígido actúan varias fuerzas que se aplican
en el mismo punto, el cálculo de la fuerza resultante resulta trivial: basta sumarlas
vectorialmente y aplicar el vector resultante en el punto común de aplicación.
Sin embargo, cuando existen fuerzas
con puntos de aplicación diferentes es necesario determinar el punto de
aplicación de la fuerza resultante. Para fuerzas no paralelas esto puede
hacerse sumando las fuerzas dos a dos. Para ello se consideran dos de las
fuerzas que trazan rectas prolongando las fuerzas en ambos sentidos y buscando
su intersección. Esa intersección será un punto de paso de la fuerza suma de
las dos. A continuación se substituyen las dos fuerzas por una única fuerza
vectorial suma de las dos anteriores aplicada en el punto de intersección. Esto
se repite n-1 veces para
un sistema de n fuerzas y se obtiene el punto de paso
de la resultante. En el caso límite del que se tengan n fuerzas paralelas puede emplearse el polígono
funicular para hallar el punto de paso de la resultante.
APLICACIONES
Por esta cuestión es que la estática
resulta ser una materia indispensable en carreras y trabajos como los que
llevan a cabo la ingeniería estructural, mecánica y de construcción, ya que
siempre que se quiera construir una estructura fija, como ser, un edificio, en
términos un poco más extendidos, los pilares de un rascacielos, o la viga de un
puente, será necesario e indiscutible su participación y estudio para
garantizar la seguridad de aquellos que luego transiten por las mencionadas
estructuras.
La estática abarca el estudio del
equilibrio tanto del conjunto como de sus partes constituyentes, incluyendo las
porciones elementales de material.
Uno de los principales objetivos de la
estática es la obtención de esfuerzos cortantes, fuerza normal, de torsión y momento flector a lo largo de una pieza, que puede ser
desde una viga de un puente o los pilares de un rascacielos.
Su importancia reside en que una vez
trazados los diagramas y obtenidas sus ecuaciones, se puede decidir el material
con el que se construirá, las dimensiones que deberá tener, límites para un uso
seguro, etc., mediante un análisis de materiales. Por tanto, resulta de
aplicación en ingeniería
estructural, ingeniería
mecánica, construcción, siempre que se quiera construir una
estructura fija. Para el análisis de una estructura en movimiento es necesario
considerar la aceleración de las partes y las fuerzas
resultantes.
El estudio de la Estática suele ser el
primero dentro del área de la ingeniería
mecánica, debido a
que los procedimientos que se realizan suelen usarse a lo largo de los demás
cursos de ingeniería mecánica.
SÓLIDOS Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL
La estática se utiliza en el análisis
de las estructuras, por ejemplo, en arquitectura e ingeniería estructural y la
ingeniería civil. La resistencia de los materiales es un campo relacionado de
la mecánica que depende en gran medida de la aplicación del equilibrio
estático. Un concepto clave es el centro de gravedad de un cuerpo en reposo,
que constituye un punto imaginario en el que reside toda la masa de un cuerpo.
La posición del punto relativo a los fundamentos sobre los cuales se encuentra
un cuerpo determina su estabilidad a los pequeños movimientos. Si el centro de
gravedad se sitúa fuera de las bases y, a continuación, el cuerpo es inestable
porque hay un par que actúa: cualquier pequeña perturbación hará caer al
cuerpo. Si el centro de gravedad cae dentro de las bases, el cuerpo es estable,
ya que no actúa sobre el par neto del cuerpo. Si el centro de gravedad coincide
con los fundamentos, entonces el cuerpo se dice que es meta estable.
Para poder saber el esfuerzo interno o la tensión
mecánica que están soportando algunas partes de una estructura resistente, pueden
usarse frecuentemente dos medios de cálculo:
- La comprobación por nudos.
- La comprobación por secciones.
Para lograr obtener cualquiera de
estas dos comprobaciones se debe tomar en cuenta la sumatoria de fuerzas
externas en la estructura (fuerzas en x y en y), para luego comenzar con la
comprobación por nudos o por sección. Aunque en la práctica no siempre es
posible analizar una estructura resistente exclusivamente mediante las
ecuaciones de la estática, y en esos casos deben usarse métodos más generales
de resistencia
de materiales, teoría de la elasticidad, mecánica de sólidos deformables y técnicas numéricas para resolver las
ecuaciones a las que esos métodos llevan, como el popular método de los elementos finitos.
ESTÁTICA DEL SÓLIDO RÍGIDO
ECUACIONES DE LA ESTÁTICA
La
estática del sólido (y de los sistemas de sólidos) es el estudio de las
condiciones en que un sólido o sistema permanece en reposo. Matemáticamente la
expresión de la condición de equilibrio es muy simple. Puesto que se anulan
tanto la aceleración del centro de masas como la aceleración angular del
sólido, se cumple que
Como
consecuencia de esto, también se anula el momento de las fuerzas respecto a
cualquier otro punto
Sin
embargo, la aplicación práctica de estas ecuaciones es mucho más complicada, ya
que a menudo una o varias de las fuerzas que actúan sobre el sólido son fuerzas
de reacción vincular, cuyo valor es desconocido a
priori y que son incógnitas adicionales
del problema. Normalmente, un problema de estática de sólidos se compone de
varios elementos:
- Determinación de la(s) posición(es) de equilibrio posibles, si existen.
- Cálculo de las fuerzas y pares de reacción vincular.
En
la determinación de la posición de equilibrio simplifica mucho la tarea el
elegir un centro de reducción O adecuado respecto al cual calcular el momento
de las fuerzas. En particular, para el contacto puntual de dos sólidos, suele
ser lo más conveniente el elegir como centro de reducción el punto de contacto,
ya que de esta forma se anula el momento de las fuerzas de reacción aplicadas
en él.
Adicionalmente,
suele existir una parte que requiere el estudio de la energía del sistema y del
comportamiento de éste cuando se somete a una perturbación:
- Determinación de la estabilidad de los puntos de equilibrio.
Como
ejemplo sencillo, tenemos el estudio del equilibrio de una barra apoyada en
el suelo y en una pared.
EJERCICIOS
1.
Dos niños están parados sobre un trampolín
que pesa 146 lb. Si los pesos de los niños ubicados en C y D son, respectivamente, de 63 y 90 lb, determine:
a)
La reacción en A
b)
La reacción en B
2.
Dos cajones de embalaje, de
350 kg de masa cada uno, están colocados
como se muestra en la plataforma de una camioneta de 1400 kg. Hallar las reacciones en cada una de las dos ruedas:
a)
Traseras A
b)
Delanteras B
3.
Un tractor de 10,5 kN se emplea para elevar 4,5 kN de grava. Hallar las reacciones en cada una de
las dos ruedas.
a) Traseras A
b) Delanteras B
