fundamentos físicos en la ingeniería (7486)

Ingeniería Geológica
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FUNDAMENTOS FÍSICOS EN LA INGENIERÍA
CÓDIGO: B051/99/7486
CURSO 2000-2001
Carga docente:
9 créditos teóricos y 3 créditos prácticos
Curso: 1º
1r y 2º cuatrimestre,
Departamento:
Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente
Profesor/a-es/as:
Jose J. Giner Caturla y Sergio Molina Palacios
OBJETIVOS
Proporcionar los conocimientos básicos, tanto teóricos como prácticos, que
son el punto de partida para aplicarlos en los curso superiores, mediante la
correspondiente labor de síntesis, a técnicas específicas de la ingeniería geológica.
Especial interés, se dedicará a la resolución de problemas. Unos serán la
aplicación inmediata de los conocimientos previamente adquiridos y en otros se
deberán desarrollar estrategias precisas para su resolución.
PROGRAMA DE TEORÍA
Tema 1. MAGNITUDES FÍSICAS:.- Introducción: ¿qué entendemos por ciencias
físicas, cual es su objetivo?.- Magnitudes físicas. Concepto. Clases de magnitudes:
escalares y vectoriales; extensivas e intensivas; fundamentales y derivados. Sistemas
de unidades.-Ecuaciones de dimensiones. Principio de homogeneidad. Análisis
dimensional .-Errores e incertidumbre. Definiciones. Clases de errores: sistemáticos y
accidentales. Coeficiente de dispersión. Valor representativo de una medida .-Errores
en medidas directas: error absoluto y error relativo. Errores en medidas indirectas.
Errores en funciones: método de ajuste de los mínimos cuadrados
Tema 2. ANÁLISIS VECTORIAL: Introducción .-Vectores: definición; elementos;
clasificación .-Álgebra vectorial. Componentes cartesianas .- Producto escalar de dos
vectores. Propiedades .-Producto vectorial de dos vectores. Propiedades .-Producto
mixto. Propiedades .-Doble producto vectorial propiedades .-Momento de un vector
respecto de un punto .-Momento de un vector respecto de un eje .-Vector función de
un escalar .-Derivada de una función vectorial respecto a un escalar. Propiedades .Triedro intrínseco. Fórmula de Frenet .-Coordenadas curvilíneas: coordenadas
cilíndricas y coordenadas esféricas .-transformación de coordenadas.
Tema 3. TEORÍA DE CAMPOS. INTRODUCCIÓN: .-Campos escalares.
Superficies de nivel .-Campos vectoriales. Líneas de campo .- Operador nabla. Vector
simbólico -Gradiente de un campo escalar. Derivada direccional .-Divergencia de
un campo vectorial. Campos solenoidales .-Rotacional de un campo vectorial. Campo
irrotacional. Campo armónico .-Laplaciana de un campo escalar. Ecuación de Laplace.
Ecuación de Poison .-Circulación de un campo vectorial. Campos potenciales.
Potencial escalar .- Flujo de un campo vectorial a través de una superficie .-Teoremas
integrales: Teorema de Stokes. Teorema de Gauss .-Discontinuidades en campos
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vectoriales. Generalización del teorema de Stokes y del teorema de Gauss .Aplicaciones al campo gravitatorio y al eléctrico.
Tema 4. MECÁNICA DEL PUNTO MATERIAL: .-Introducción. Mecánica
clásica .-Sistema de referencia. Vector de posición. Reposo y movimiento. Vector
desplazamiento. Trayectoria .-Magnitudes del movimiento: Velocidad. Aceleración .Componentes intrínsecas de la velocidad y de la aceleración .-Ecuaciones del
movimiento. Ecuación de la trayectoria .-Descripción de movimientos simples: m.r.u;
m.r.u.a; m.c.u.; m.a.s .-Composición de movimientos: tiro parabólico .-Movimiento
relativo: Descripción. Ecuaciones cinemáticas. Aplicaciones (movimiento relativo a
ejes en la superficie terrestre. Influencia de la rotación de la tierra en la dirección de la
plomada. Acción de la aceleración centrífuga en las caidas libres desde pequeñas
alturas. acción de la aceleración de Coriolis en la caída libre y en el movimiento
horizontal .-Concepto de fuerza. Clases de fuerzas .-Leyes del movimiento: 1ª ley de
Newton (ley de inercia). 2ª ley de Newton (ley del movimiento). 3ª ley de Newton
(ley de acción y reacción). Teorema de la cantidad de movimiento .-Principio
d’Alambert. Fuerzas de inercia .-Condiciones de equilibrio .-Trabajo. Energia cinética
.-Campo de fuerzas. Energía potencial. Campo gravitatorio .-Principio de
conservación de la energía.
Tema 5. MECÁNICA DE SISTEMAS DE PARTÍCULAS: .-Introducción .Fuerzas del sistema: fuerzas interiores y exteriores .- Ecuación del movimiento del
sistema .-Centro de masas del sistema .-Ecuaciones del movimiento del centro de
masas .- Cantidad de movimiento del sistema. Teoremas .- Momento cinético o
angular del sistema. Teoremas .- Movimiento de las partículas del sistema respecto al
c.m. .-Teorema de las fuerzas vivas. Teorema de Koening .- Choques y colisiones
Tema 6. MECÁNICA DEL SÓLIDO RÍGIDO: .-Introducción .-Centro de masas.
Centro de gravedad .-Condiciones de equilibrio del sólido rígido. Clases de equilibrio
del S.R. ejemplos .-Ecuación fundamental de la dinámica de rotación .-Momento de
inercia. Radio de giro. Ejemplos .-Ejes y momentos principales de inercia. Elipsoide
de poisont .-Teoremas para el cálculo de momentos de inercia: Teorema de Steiner.
Teorema de Poisont .-Momento cinético o angular de un S. R. Tensor de inercia .Teorema del momento cinético. Principio de conservación .-Energía cinética de
rotación. Teorema de las fuerzas vivas .-Principio de conservación de la energía total
del sistema.
Tema 7. CAMPO GRAVITATORIO: .-Leyes de Kepler .-Ley de gravitación
universal de Newton. determinación de ‘G’. Masa gravimétrica y masa inercial .Intensidad del campo gravitatorio creado por una partícula. Generalización para
cualquier distribución de masas .-Aplicación del teorema de gauss al campo
gravitatorio. Cálculo del c. G. Producido por una esfera maciza y homogénea .Intensidad del campo gravitatorio terrestre .-Energía potencial del campo gravitatorio
creado por una carga. Generalización para cualquier distribución de cargas .-Energía
potencial en el campo gravitatorio terrestre. Energía potencial en el interior de la
tierra. Diferencia de potencial entre dos puntos del campo gravitatorio terrestre.
Ecuación de Poisont
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Tema 8. MECÁNICA DE LOS CUERPOS DEFORMABLES (I): -.Introducción:
estado sólido, líquido y gaseoso. Homogeneidad e isotropía .-Relación entre
deformación y esfuerzo. Ley de Hooke. Comportamiento elástico e inelastico. Límite
de elasticidad y ruptura .-Elasticidad por tracción y contracción. Compresibilidad.
Relación entre sus constantes elásticas
.-Elasticidad por flexión. Elasticidad por deslizamiento o cizalla, relacion con otras
constantes elásticas. Elasticidad por torsión .-Energía potencial elástica interna.
Tema 9. MECÁNICA DE LOS CUERPOS DEFORMABLES (II) FLUIDOS(I):
Introducción: concepto de fluido .-Propiedades físicas de los fluidos: cohesión.
Densidad y peso específico. Presión. Presión de vapor. Cavitación. Compresibilidad.
Viscosidad .-Fenómenos interfaciales de líquidos: tensión superficial. Presión debida
a la curvatura. Ley de laplace. Formación de meniscos y capilaridad .-Hidrostática:
introducción. Ecuación general .-Principio de Arquímedes. Condiciones de equilibrio
de cuerpos flotando .-Fuerzas sobre cuerpos sumergidos: sobre superficies planas.
Sobre volúmenes. Estabilidad en el seno de un líquido.
Tema 10. MECÁNICA DE LOS CUERPOS DEFORMABLES (II). FLUIDOS
(II):
Hidrodinámica: introducción. Régimen del movimiento .-Ecuaciones fundamentales:
ecuación de continuidad.- teorema de bernouilli. ( teorema de torricelli; efecto venturi)
-teorema de la cantidad de movimiento .-Fluidos reales o viscosos. Generalización del
teorema de Bernouille. Perdidas en régimen con rozamiento .-Acciones mutuas en el
movimiento relativo de sólidos en el seno de un fluido. Influencias de: el régimen de
movimiento y de la forma del líquido.
Tema 11. MECÁNICA DE LOS CUERPOS DEFORMABLES (II).FLUIDOS
(II) - GASES: .-Propiedades generales de los gases .-Presión de un gas. Teoría
cinética de gases .-Presión atmosférica. Experiencia de Torricelli. Barómetros.
Variación de la presión con la altura .-Compresibilidad de los gases. Ley de Boyle
Mariotte .-Dilatación de los gases. 1ª y 2ª ley de Gay Lussac .-Gases ideales. Ecuación
de estado .-Gases reales. Ecuación de Van der Walls .- Licuación o condensación de
los gases .-Aplicaciones de las propiedades de los gases: manómetros. Bombas
neumáticas. Bomba hidráulica. Aerostación .-Aplicaciones del teorema de Bernouille:
efecto Venturi. Tubo de Pitot. Inhaladores. Trompa de agua. Mechero de bunsen.
Fuerza sustentadora de un avión.
Tema 12.TEMPERATURA Y CALOR: .-Concepto de temperatura. Principio cero
de la termodinámica .-Termómetros y escalas de temperaturas .-Concepto de calor.
Unidades. Calor específico y capacidad calorífica .-Dilatación térmica de sólidos y
líquidos. Relación entre los coeficientes de dilatación: lineal - superficial - cúbico .Flujo del calor. Propagación del calor: conducción; convección y radiación .-Radiador
integral o cuerpo negro. Leyes de: Plank; Wien y Stefan. Ley del enfriamiento de
Newton
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Tema 13.TERMODINÁMICA: .-Introducción .-Trabajo de expansión de un gas .Primer principio de la termodinámica. Energía interna .-Procesos termodinámicos:
isotermos; isocoros; isobáricos y adiabáticos .-Motores térmicos y máquinas
frigoríficas .-Segundo principio de la termodinámica .-Ciclo de Carnot. Entropia.
Principio del aumento de la entropía
Tema 14 ELECTROSTÁTICA: .-Carga eléctrica .-Ley de coulomb .-El campo
eléctrico. Líneas de fuerza .-Flujo eléctrico. Teorema de gauss .-Campo y carga dentro
de un conductor. Aplicaciones del teorema de gauss .-Potencial. Diferencia de
potencial .-Potencial y distribución de cargas .-Energía potencial electrostática .Ecuación de Poisson y Laplace.
Tema 15 DIELÉCTRICOS Y CONDENSADORES: .-Cargas inducidas .-Cargas
inducidas en un conductor y un dieléctrico .-Condensador de placas paralelas .Condensador cilíndrico .-Efecto de los dieléctricos en los condensadores .-Energía
almacenada por un condensador .-Asociación de condensadores.
Tema 16 CORRIENTE ELÉCTRICA: .-Corriente y movimiento de cargas .-Ley
de Ohm y resistencia .-Modelo clásico de conducción eléctrica .-Corrección a la teoría
clásica de la conducción .-Energía en los circuitos eléctricos: potencia y ley de Joule .Fuerza electromotriz .-Asociación de resistencias .-Amperímetros, voltímetro y
ohmímetros.
Tema 17 MAGNETISMO Y FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA: .Magnetismo .-fuerzas entre dos circuitos: ley de Ampere .-Inducción magnética: ley
de Biot y Savart .-Carácter no conservativo del campo magnético .-Efectos sobre
cargas en movimiento .-Espectrómetro de masas y el ciclotrón .-El efecto Hall .-Ley
de inducción de Laraday. Ley de Lenz .-Autoinducción e inducción mutua .-Energía
magnética.
Tema 18. MAGNETISMO EN LA MATERIA: .-Intensidad Magnética.
Susceptibilidad y permeabilidad magnética .-Momentos magnéticos atómicos .Paramagnetismo. Diamagnetismo. Ferromagnetismo.: Temperatura de Curie.
Histéresis .- Polos magnéticos. Campo magnético terrestre .-Magnetómetro. .Circuitos magnéticos. Energía por unidad de volumen un campo magnético.
Tema 19. ÓPTICA GEOMÉTRICA: .-Características de la luz, el modelo de los
rayos..-Reflexión; espejos planos. Formación de imágenes por espejos esféricos .Refracción. Principio de Fermat. Reflexión total.; óptica de fibras. Lentes delgadas.
Lentes gruesas .-Errores de las lentes .-Instrumentos ópticos: Cámara fotográfica. El
ojo humano. Microscopio simple. Telescopio. Microscopio compuesto. Aberraciones
de las lentes. Límites de resolución. Microscopios especiales y contrastes.
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PROGRAMA DE PRÁCTICA
Las prácticas se centrarán, en primer lugar, en la búsqueda de estrategias
para resolución de problemas de tipo práctico relacionados con el contenido
teórico impartido en la asignatura.
Además se prepararán prácticas de laboratorio donde los alumnos puedan
aprender a reproducir e interpretar de un manera diferentes fenómenos físicos. La
utilización de ordenadores tanto para simulación como para interpretación de
datos será esencial dentro de todo el programa de prácticas.
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Se realizaran los correspondientes exámenes parciales, uno en cada cuatrimestre,
eliminatorios de materia y un examen final. Estos constarán de una parte teórica y sus
correspondientes ejercicios y problemas. Para aprobar la asignatura se deberá aprobar
cada una de las partes.
OBSERVACIONES
BIBLIOGRAFIA
TEORIA:
.- EISBERG, R. y LERNER, L.S., Física: Fundamentos y
Aplicaciones, Ed. MC Graw- Hill, 1984
.- CATALÁ, J., Física general, Ed. Saber, Valencia, 1977.
.- FERNANDEZ, J. y PUJAL, M., Iniciación a la física, tomo I y II, Editorial
Reverté. 1992
.- GÁLVEZ, F.J., LÓPEZ, R., LLOPIS, A. y RUBIO, C.,(1998) Física, curso
teorico práctico de fundamentos físicos de la ingeniería, Ed. Tébar Flores,
S.L. y Libreria Politécnica, Valencia
.- GIANCOLI, D.C.,(1985) Física. Principios y Aplicaciones. Editorial
Reverté.
.- GRILLES RODRIGUEZ, R. y SANCHEZ PEREZ, J.V. (1995). Física:
Bloque temático I: Conceptos Previos. Departamento de Física Aplicada.
Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia.
.- HALLIDAY D. y RESNICK R.,(1981) Física, Ed. Continental
.- ORTEGA GIRÓN, M.R., (1989) Lecciones de física: mecánica (I,II,III,IV);
Termología (I y II). Ed. Universidad de Córdoba
.- SEARS, F.W., Fundamentos de Física I-II, Ed. Aguilar, 1976.
.- SERWAY, R.A, (1998), Física, vol. 1, 2,Ed. McGRAW-HILL
.- TIPLER, P.A., (1999), Física para la ciencia y la tecnología, vol. 1,
Editorial .- Reverté, s.a. 4ª Edición
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EJERCICIOS Y PROBLEMAS
.- AGUILAR, J. y SENENT, F., Cuestiones de física. Ed. Reverté, S.A., 1980
.- BELMAR, F., CERVERA, F., y ESTELLÉS, H.(1998), Problemas de física
(mecánica, electromagnetismo y ondas), Ed. Tébar Flores, S.L. y Libreria
Politécnica, Valencia
.- BURBANO DE ERCILLA, S., BURBANO GARCIA, E. y GRACIA
MUÑOZ, C. Problemas de física, Ed. Mira Editores, XXVI Edición,
Zaragoza, 1994.
.- GONZALEZ, F.A. La física en problemas, Ed. Tebar Flores, Nueva Edición
Actualizada , 1995.
.- GRANVIL C., KYKER, Jr., Complemento de la física de Paul A. Tipler.
Ed. Reverté, S.A., 1980.
.- GULLON DE SENESPLEDA, E, y LOPÉZ RODRIGUEZ, M., Problemas
de física, vol I, II y II, 3ª Edición, Libreria Internacional de Romo, S.L.,
Madrid, 1978
.- MARTÍNEZ, R. y MILLÁN, Mª, C., Teoría de campos, Servicio de
Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia- 91.667
.- SIMONS, S., Análisis vectorial, Ed. Alhambra, 2ª Edición, 1972.