7.13. Física I (Obligatorio)

7.13. Física I (Obligatorio)

Figura 7.13: Mapa de Conexión. BFI101 Física I

7.13.1. Justificación ↑ Volver arriba

Física I introduce los fundamentos de la mecánica clásica como una disciplina matemática y experimental. A través del estudio de la cinemática, la dinámica newtoniana, los principios de conservación, el movimiento rotacional, la elasticidad, la mecánica de fluidos, las vibraciones y ondas, y una introducción a los fenómenos de transporte, los estudiantes adquieren las herramientas analíticas necesarias para modelar y resolver problemas del mundo físico. Este curso proporciona la base indispensable para el estudio de los fenómenos oscilatorios, ondulatorios y electromagnéticos que se abordan en cursos posteriores.

7.13.2. Objetivos Generales ↑ Volver arriba

  1. Describir el movimiento de partículas en diferentes sistemas de coordenadas y formular las ecuaciones del 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 utilizando 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. Aplicar los módulos elásticos y la ley de Hooke para relacionar el esfuerzo y la deformación en sólidos.
  6. Aplicar los principios de la hidrostática y la hidrodinámica, incluyendo las ecuaciones de continuidad y de Bernoulli, a problemas de flujo de fluidos.
  7. Analizar el movimiento armónico simple y la propagación de ondas mecánicas, incluyendo los fenómenos de superposición y resonancia.
  8. Aplicar las leyes de Fourier y Fick para describir procesos básicos de conducción de calor y difusión de masa.

7.13.3. Contribución a los resultados (Outcomes) ↑ Volver arriba

ABET-1) Habilidad para identificar, formular y resolver problemas complejos de ingeniería aplicando principios de ingeniería, ciencias y matemáticas. (Familiarity)

7.13.4. Contenido ↑ Volver arriba

7.13.4.1. Cinemática y Dinámica de Partículas (22 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

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. Las tres leyes de movimiento de Newton y los marcos de referencia inerciales
  3. Formulación y solución de ecuaciones de movimiento para fuerzas constantes y variables
  4. Fuerzas de fricción estática y cinética, incluyendo el ángulo de reposo
  5. Integración numérica de ecuaciones de movimiento para problemas de dinámica en ingeniería

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Formular las ecuaciones de movimiento de una partícula en una, dos y tres dimensiones dada una ley de fuerza [Usar]
  2. Identificar todas las fuerzas que actúan sobre una partícula y dibujar un diagrama de cuerpo libre correcto [Familiarizarse]
  3. Calcular la velocidad terminal de un objeto que cae a través de un fluido con resistencia por arrastre [Evaluar]
  4. Implementar un algoritmo numérico para simular la dinámica de un sistema mecánico de ingeniería [Usar]
  5. Construir e interpretar diagramas de espacio de fase para sistemas oscilatorios de ingeniería [Evaluar]
7.13.4.2. Trabajo, Energía y Fuerzas Conservativas (12 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Serway and Jewett, 2018; Tipler and Mosca, 2007)

Temas

  1. Definición del trabajo como integral de línea \(W = \int \vec{F} \cdot d\vec{r}\)
  2. Teorema trabajo-energía: \(W_{total} = \Delta K\)
  3. Función de energía potencial y la relación \(\vec{F} = -\nabla U\)
  4. Conservación de la energía mecánica total \(E = K + U\) en sistemas de ingeniería
  5. Diagramas de energía, puntos de retorno y estabilidad del equilibrio
  6. Trabajo realizado por fuerzas no conservativas y disipación de energía en sistemas mecánicos de ingeniería

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Calcular el trabajo realizado por una fuerza a lo largo de una trayectoria de ingeniería especificada [Usar]
  2. Aplicar la conservación de la energía mecánica para encontrar velocidades y posiciones en la dinámica de ingeniería [Usar]
  3. Analizar un diagrama de energía para identificar posiciones de equilibrio y estabilidad [Evaluar]
  4. Estimar la energía disipada por fricción y amortiguamiento en sistemas mecánicos de ingeniería [Evaluar]
7.13.4.3. Sistemas de Partículas y Momento Lineal (8 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Young and Freedman, 2015; Tipler and Mosca, 2007)

Temas

  1. Definición y cálculo del centro de masa para sistemas de partículas y cuerpos distribuidos
  2. Momento lineal de una partícula y del sistema: \(\vec{P} = M\vec{V}_{CM}\)
  3. Conservación del momento lineal para sistemas de ingeniería aislados
  4. Colisiones entre dos cuerpos: elásticas, inelásticas y coeficiente de restitución
  5. Sistemas de masa variable como cohetes y cintas transportadoras en ingeniería

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Localizar el centro de masa de sistemas de partículas y objetos de ingeniería de distribución continua [Usar]
  2. Aplicar la conservación del momento lineal para analizar problemas de impacto y colisión en ingeniería [Usar]
  3. Clasificar colisiones como elásticas o inelásticas y determinar la pérdida de energía cinética [Familiarizarse]
  4. Resolver ecuaciones de sistemas de masa variable para determinar la ganancia de velocidad en problemas de propulsión [Usar]
7.13.4.4. Movimiento Rotacional y Momento Angular (12 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Serway and Jewett, 2018; Kleppner and Kolenkow, 2013)

Temas

  1. Cinemática rotacional: desplazamiento angular, velocidad y aceleración
  2. Torque: \(\vec{\tau} = \vec{r} \times \vec{F}\) y su cálculo en aplicaciones de ingeniería
  3. Momento de inercia \(I = \sum m_i r_i^2\) y el teorema de Steiner
  4. Energía cinética rotacional: \(K_{rot} = \frac{1}{2}I\omega^2\)
  5. Conservación del momento angular en máquinas y estructuras rotantes de ingeniería
  6. Dinámica de rodadura sin deslizamiento y aplicaciones a ruedas y ejes de ingeniería

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Calcular el torque respecto a un eje dado en un sistema de transmisión de potencia de ingeniería [Usar]
  2. Determinar el momento de inercia de componentes de máquinas como varillas, discos y ejes [Usar]
  3. Aplicar la conservación del momento angular para analizar cambios de velocidad en sistemas de ingeniería rotantes [Evaluar]
  4. Analizar el movimiento combinado de traslación y rotación en sistemas de ingeniería con ruedas [Evaluar]
7.13.4.5. Elasticidad (2 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Serway and Jewett, 2018; Young and Freedman, 2015)

Temas

  1. Definición de esfuerzo (fuerza/área) y deformación unitaria (\(\Delta L/L\))
  2. Módulo de Young y ley de Hooke para deformación longitudinal: \(\sigma = E\epsilon\)
  3. Módulo de corte (rigidez) y deformación por cizalladura
  4. Módulo de volumen (compresibilidad) y deformación volumétrica
  5. Límite elástico, región plástica y punto de ruptura en el diagrama esfuerzo-deformación
  6. Energía elástica almacenada en un material deformado

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Aplicar la ley de Hooke escalar para calcular la deformación de una barra bajo carga axial [Usar]
  2. Calcular el módulo de Young, de corte o de volumen a partir de datos experimentales esfuerzo-deformación [Usar]
  3. Identificar la región elástica, el límite elástico y el punto de fractura en una curva esfuerzo-deformación [Familiarizarse]
  4. Calcular la energía potencial elástica almacenada en un resorte o barra deformada [Usar]
7.13.4.6. Fluidos: Hidrostática, Hidrodinámica y Viscosidad (10 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Serway and Jewett, 2018; Young and Freedman, 2015)

Temas

  1. Densidad, presión y su variación con la profundidad en un fluido en reposo: \(p = p_0 + \rho g h\)
  2. Principio de Pascal y sus aplicaciones (prensa hidráulica)
  3. Principio de Arquímedes, empuje y flotación
  4. Medición de presión con manómetros y barómetros
  5. Ecuación de continuidad para flujo incompresible: \(A_1 v_1 = A_2 v_2\)
  6. Ecuación de Bernoulli y conservación de energía en flujo ideal
  7. Aplicaciones: tubo de Venturi, teorema de Torricelli, tubo de Pitot
  8. Viscosidad y ley de Poiseuille para flujo laminar en tuberías
  9. Número de Reynolds y transición a flujo turbulento
  10. Ley de Stokes para la fuerza de arrastre sobre una esfera en un fluido viscoso

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Calcular la presión en un punto de un fluido en reposo dado la profundidad y densidad [Usar]
  2. Aplicar el principio de Arquímedes para determinar si un objeto flota, se hunde o permanece en equilibrio [Usar]
  3. Aplicar las ecuaciones de continuidad y de Bernoulli para resolver problemas de flujo en tuberías de sección variable [Usar]
  4. Interpretar lecturas de manómetros y barómetros para determinar presiones absolutas y manométricas [Evaluar]
  5. Aplicar la ley de Poiseuille para calcular el caudal de un fluido viscoso en un tubo cilíndrico [Usar]
  6. Estimar el número de Reynolds de un flujo y predecir si es laminar o turbulento [Evaluar]
7.13.4.7. Vibraciones y Ondas (14 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Serway and Jewett, 2018; Young and Freedman, 2015)

Temas

  1. Movimiento armónico simple (MAS): ecuación de movimiento, posición, velocidad y aceleración
  2. Sistemas oscilantes: resorte-masa y péndulo simple/físico
  3. Energía en el movimiento armónico simple
  4. Oscilaciones amortiguadas y forzadas; introducción a la resonancia
  5. Ondas transversales y longitudinales; velocidad de propagación
  6. Ecuación de onda y velocidad de una onda en una cuerda tensa: \(v = \sqrt{T/\mu}\)
  7. Principio de superposición y ondas estacionarias
  8. Ondas sonoras, intensidad y nivel de intensidad sonora (decibeles)
  9. Efecto Doppler para ondas sonoras
  10. Pulsaciones (beats) e interferencia de ondas de frecuencias cercanas

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Deducir la ecuación de movimiento y el período de un sistema resorte-masa y de un péndulo simple [Usar]
  2. Calcular la energía cinética, potencial y total de un oscilador armónico simple en cualquier instante [Usar]
  3. Analizar la respuesta en amplitud de un oscilador forzado cerca de la frecuencia de resonancia [Evaluar]
  4. Calcular la velocidad de propagación de una onda en una cuerda a partir de la tensión y la densidad lineal [Usar]
  5. Determinar las frecuencias y longitudes de onda de los modos normales de una onda estacionaria en una cuerda fija [Usar]
  6. Calcular el nivel de intensidad sonora en decibeles a partir de la intensidad de una onda sonora [Usar]
  7. Aplicar la fórmula del efecto Doppler para fuente y/o observador en movimiento [Usar]
7.13.4.8. Fenómeno de Transporte (4 horas) [Habilidades ABET-1] ↑ Volver arriba

Referencias Bibliográficas: (Serway and Jewett, 2018; Tipler and Mosca, 2007)

Temas

  1. Conducción de calor y la ley de Fourier: \(\vec{q} = -k\nabla T\)
  2. Conductividad térmica de materiales y resistencia térmica en paredes compuestas
  3. Difusión molecular y la primera ley de Fick: \(\vec{J} = -D\nabla C\)
  4. Analogía entre el transporte de calor, masa y momento (números de Prandtl y Schmidt)

Aprendizaje esperado (Learning Outcomes)

  1. Aplicar la ley de Fourier para calcular el flujo de calor a través de una pared plana o compuesta [Usar]
  2. Aplicar la primera ley de Fick para calcular el flujo difusivo de una especie en un gradiente de concentración [Usar]
  3. Identificar analogías matemáticas entre los procesos de transporte de calor, masa y momento [Familiarizarse]

7.13.5. Referencias Bibliográficas ↑ Volver arriba

Serway, R. A. and Jewett, J. W. (2018). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Cengage Learning, 10th edition.

Young, H. D. and Freedman, R. A. (2015). Sears and Zemansky's University Physics with Modern Physics. Pearson Education, 14th edition.

Tipler, P. A. and Mosca, G. (2007). Physics for Scientists and Engineers. W. H. Freeman and Company, 6th edition.

Kleppner, D. and Kolenkow, R. J. (2013). An Introduction to Mechanics. Cambridge University Press, 2nd edition.

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