Curricula CS-UNI

5.11. BFI101. Física I (Obligatorio)

Semestre: 2do Sem. Créditos: 5
Horas del curso: Teoría: 4 horas; Laboratorio: 4 horas;
Sílabo:

Español
English
Prerrequisitos: Ninguno

Figura 5.11: Mapa de Conexión. BFI101 Física I

5.11.1. Justificación

El curso Física I introduce los fundamentos de la mecánica clásica como disciplina matemática y experimental. A través del estudio de la cinemática, la dinámica newtoniana, los principios de conservación y el movimiento rotacional, el estudiante adquiere las herramientas analíticas necesarias para modelar y resolver problemas del mundo físico. Este curso constituye la base indispensable para el estudio de los fenómenos oscilatorios, ondulatorios y electromagnéticos abordados en cursos posteriores.

5.11.2. Objetivos Generales

1.: Describir el movimiento de partículas en distintos sistemas de coordenadas y formular las ecuaciones de movimiento a partir de las leyes de Newton.
2.: Aplicar los principios de trabajo, energía potencial y conservación de la energía mecánica a sistemas con fuerzas conservativas y no conservativas.
3.: Resolver problemas de dinámica de sistemas de partículas mediante la conservación del momento lineal y el análisis de colisiones.
4.: Analizar el movimiento rotacional y la dinámica del momento angular en sistemas de partículas y cuerpos extendidos.

5.11.3. Contribución a los resultados (Outcomes)

: AG-C07) Conocimientos de Computación: Aplica conocimientos de matemáticas, ciencias y computación. (Familiarity)

5.11.4. Contenido

5.11.4.1. Cinemática y Dinámica de Partículas (18 horas) [Habilidades AG-C07]

Referencias Bibliográficas: [Serway and Jewett, 2018, Young and Freedman, 2015]

Temas

1.: Descripción vectorial de posición, velocidad y aceleración en coordenadas cartesianas, polares y esféricas
2.: Tres leyes de Newton del movimiento y marcos de referencia inerciales
3.: Formulación y solución de ecuaciones de movimiento para fuerzas constantes y variables
4.: Análisis del movimiento de proyectiles con y sin resistencia del aire (F_arrastre = −bv o −cv²)
5.: Fuerzas de fricción estática y cinética, incluyendo el ángulo de reposo
6.: Movimiento en medios resistivos incluyendo modelos de arrastre lineal y cuadrático
7.: Movimiento bajo restricciones como un péndulo o cuentas en alambres
8.: Introducción a osciladores no lineales y análisis del espacio de fase
9.: Integración numérica de ecuaciones de movimiento usando métodos de Euler y Runge-Kutta
10.: Movimiento de partículas cargadas en campos electromagnéticos bajo la fuerza de Lorentz: F = q(E + v × B)

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1.: Formular las ecuaciones de movimiento para una partícula en una, dos y tres dimensiones dada una ley de fuerza [Usar]
2.: Resolver analíticamente la trayectoria de un proyectil bajo gravedad constante despreciando la resistencia del aire [Usar]
3.: Calcular la velocidad terminal de un objeto que cae a través de un fluido con arrastre cuadrático [Evaluar]
4.: Determinar puntos de equilibrio y estabilidad para una partícula en un potencial unidimensional [Usar]
5.: Identificar todas las fuerzas que actúan sobre una partícula en un escenario mecánico dado y dibujar un diagrama de cuerpo libre correcto [Familiarizarse]
6.: Implementar un algoritmo numérico simple como el método de Euler para computar el movimiento de un oscilador armónico amortiguado [Usar]
7.: Construir e interpretar diagramas de espacio de fase (x vs. ẋ) para sistemas oscilatorios simples [Evaluar]
8.: Analizar el movimiento de una partícula cargada en campos eléctricos y magnéticos uniformes [Usar]

5.11.4.2. Trabajo, Energía y Fuerzas Conservativas (16 horas) [Habilidades AG-C07]

Referencias Bibliográficas: [Serway and Jewett, 2018, Tipler and Mosca, 2007]

Temas

1.: Definición de trabajo como una integral de línea W = ∫ ⋅ d
2.: Teorema del trabajo y la energía que relaciona el trabajo total con el cambio en la energía cinética: W_total = ΔK
3.: Energía cinética para partículas individuales y sistemas de partículas
4.: Fuerzas conservativas e independencia de la trayectoria del trabajo
5.: Función de energía potencial U() y la relación de fuerza = −∇U
6.: Conservación de la energía mecánica total E = K + U
7.: Diagramas de energía e interpretación de puntos de retorno y estabilidad del equilibrio
8.: Trabajo realizado por fuerzas no conservativas y mecanismos de disipación de energía
9.: Superficies de energía potencial en Dos y Tres dimensiones
10.: Consideraciones energéticas para fuerzas dependientes de la velocidad, como las fuerzas magnéticas y de arrastre

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1.: Calcular el trabajo realizado por una fuerza a lo largo de una trayectoria especificada utilizando integrales de línea [Usar]
2.: Determinar si un campo de fuerzas dado es conservativo y hallar su función de energía potencial [Usar]
3.: Aplicar la conservación de la energía mecánica para resolver velocidades y posiciones en el movimiento unidimensional [Usar]
4.: Analizar un diagrama de energía para identificar puntos de retorno, regiones permitidas y estabilidad del equilibrio [Evaluar]
5.: Calcular la potencia instantánea entregada por una fuerza: P = ⋅ [Usar]
6.: Estimar la energía disipada por fuerzas no conservativas en un proceso mecánico [Evaluar]
7.: Localizar y clasificar puntos críticos como máximos, mínimos y puntos de silla en una superficie de potencial bidimensional [Usar]
8.: Explicar por qué las fuerzas magnéticas no realizan trabajo sobre partículas cargadas a pesar de cambiar la dirección de su velocidad [Familiarizarse]

5.11.4.3. Sistemas de Partículas y Momento Lineal (14 horas) [Habilidades AG-C07]

Referencias Bibliográficas: [Young and Freedman, 2015, Tipler and Mosca, 2007]

Temas

1.: Definición de centro de masa: _CM = ∑ m_i_i
2.: Momento lineal de una partícula y de un sistema: = m y = M_CM
3.: Segunda ley de Newton para sistemas: _ext =
4.: Conservación del momento lineal para sistemas aislados
5.: Distinción entre fuerzas internas y externas en un sistema
6.: Colisiones de dos cuerpos, incluyendo casos elásticos, inelásticos y completamente inelásticos
7.: Coeficiente de restitución y su significado físico en las colisiones
8.: Sistemas con masa variable, como la ecuación del cohete: M = v_ex
9.: Sistemas de muchas partículas y su dinámica del centro de masa
10.: Distribuciones continuas de masa y el cálculo de su centro de masa mediante integración

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1.: Localizar el centro de masa para un conjunto discreto de partículas en Una, Dos y Tres dimensiones [Usar]
2.: Determinar el momento lineal total de un sistema a partir del movimiento de su centro de masa [Usar]
3.: Aplicar la conservación del momento lineal para resolver problemas de colisión en Una y Dos dimensiones [Usar]
4.: Clasificar colisiones como elásticas, inelásticas o completamente inelásticas basándose en la conservación de la energía cinética [Familiarizarse]
5.: Calcular el coeficiente de restitución a partir de las velocidades antes y después de la colisión [Usar]
6.: Resolver la ecuación del cohete para determinar la velocidad en función de la masa expulsada [Usar]
7.: Analizar cómo las fuerzas internas afectan a las partículas individuales pero no al momento total de un sistema [Evaluar]
8.: Integrar para hallar el centro de masa de cuerpos continuos simétricos como varillas, discos y esferas [Usar]

5.11.4.4. Movimiento Rotacional y Momento Angular (16 horas) [Habilidades AG-C07]

Referencias Bibliográficas: [Serway and Jewett, 2018, Kleppner and Kolenkow, 2013]

Temas

1.: Cinemática rotacional incluyendo desplazamiento angular, velocidad y aceleración (𝜃,ω,α)
2.: Definición de torque: = × y el cálculo de su magnitud
3.: Momento angular de una partícula: = ×
4.: Forma rotacional de la segunda ley de Newton: _net =
5.: Momento de inercia I = ∑ m_ir_i² y el teorema de los ejes paralelos
6.: Energía cinética rotacional: K_rot = Iω²
7.: Conservación del momento angular para sistemas aislados
8.: Movimiento giroscópico y el fenómeno de la precesión
9.: Dinámica de rodadura sin deslizamiento: v_CM = Rω
10.: El efecto Coriolis como manifestación de la dinámica rotacional en marcos no inerciales

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

1.: Relacionar las magnitudes cinemáticas lineales y angulares para el movimiento circular [Usar]
2.: Calcular el torque respecto a un eje dado para una fuerza aplicada en un punto específico [Usar]
3.: Determinar el momento de inercia para geometrías simples como una varilla, un aro, un disco o una esfera [Usar]
4.: Aplicar la conservación del momento angular para analizar cambios en la velocidad de rotación cuando cambia el momento de inercia [Evaluar]
5.: Calcular la energía cinética rotacional de un cuerpo rígido en rotación [Usar]
6.: Analizar el movimiento de objetos que ruedan sin deslizar por un plano inclinado [Evaluar]
7.: Predecir la dirección de la precesión para una peonza o un giroscopio en rotación [Evaluar]
8.: Explicar el efecto Coriolis en términos de marcos de referencia rotatorios y su efecto sobre los proyectiles [Familiarizarse]

5.11.5. Referencias Bibliográficas

: [Serway and Jewett, 2018]
: [Young and Freedman, 2015]
: [Tipler and Mosca, 2007]
: [Kleppner and Kolenkow, 2013]