🧲 Tema 10: Física básica: magnitudes, mecánica, energía y calor

Concello de Santiago de Compostela · Servizo de Extinción de Incendios e Salvamento · Bombero/a conductor/a especialista

Resumen

Tema 2 de la parte específica del anexo III de tus bases (el 10 aquí). El epígrafe oficial, en gallego, dice: «CONCEPTOS BÁSICOS DE FÍSICA. Medición de magnitudes físicas: magnitude, cantidade e unidade. Magnitudes escalares e vectoriais. Sistema Internacional de Unidades. Magnitudes físicas fundamentais e derivadas no SI. Conversión de unidades: Outros sistemas de unidades. Notación científica. Múltiplos e submúltiplos. Prefixos e valores. Cinemática: Posición, desprazamento, espazo, velocidades, aceleracións no plano. Leis fundamentais da mecánica., leis de Newton e Principio de conservación da enerxía. Traballo, Potencia e Enerxía. Máquinas simples: panca, poleas fixas, móbiles, combinación de poleas e tornos. Concepto de vantaxe mecánica. Estados de agregación da materia. Cambios de estado. Concepto de temperatura e de calor. Calor específica. Densidade. Escalas de temperatura. Cero absoluto: límite físico. Transmisión da calor: condución, convección e radiación. Comportamento de sólidos, líquidos e gases ante calor». Aquí lo tienes explicado en castellano; en el examen puedes elegir el cuestionario en gallego o en castellano (lo marcaste en la solicitud).

Empieza por las magnitudes (magnituds): una magnitud es lo que se puede medir y la unidad es cómo lo medimos. El Sistema Internacional tiene 7 magnitudes fundamentales: longitud (metro, m), masa (kilogramo, kg), tiempo (segundo, s), temperatura (kelvin, K), intensidad de corriente (amperio, A), cantidad de sustancia (mol) e intensidad luminosa (candela, cd); las tres primeras son las de la mecánica. Las derivadas se obtienen combinándolas: área (m²), volumen (m³), velocidad (m/s), aceleración (m/s²), fuerza (newton, N), presión (pascal, Pa), trabajo y energía (julio, J), potencia (vatio, W) y ángulo (radián). El nombre de la unidad va en minúscula y el símbolo, en mayúscula solo si viene de una persona (N de Newton, J de Joule).

Equivalencias que conviene saber de memoria: 1 h = 3.600 s; T(K) = T(°C) + 273; 1 ha = 10.000 m²; 1 L = 0,001 m³ = 1.000 cm³; 1 m/s = 3,6 km/h; 1 bar = 100.000 Pa = 1,02 kg/cm² = 10,2 mca (en la práctica, 1 bar ≈ 1 kg/cm² ≈ 10 mca); 1 kgf = 9,8 N (≈ 10 N); 1 CV = 735,5 W; 1 rad = 57,3°; 1 rad/s = 9,55 rpm. Prefijos: giga (10⁹), mega (10⁶), kilo (10³), hecto (10²), deca (10), deci (10⁻¹), centi (10⁻²), mili (10⁻³), micro (10⁻⁶) y nano (10⁻⁹); por ejemplo, 1 daN = 10 N ≈ 1 kgf. Para convertir se multiplica por factores de conversión que valen 1, y nunca se mezclan unidades en una fórmula.

Las magnitudes escalares se definen con un número y su unidad (masa, temperatura, tiempo, volumen, energía). Las vectoriales necesitan además dirección y sentido: un vector tiene módulo, dirección, sentido y punto de aplicación, y se puede descomponer en componentes Fx y Fy. La fuerza es vectorial, se mide en newtons y puede cambiar el estado de movimiento o deformar un cuerpo. Un par de fuerzas son dos fuerzas iguales en módulo y dirección pero de sentido contrario, aplicadas en puntos distintos: producen rotación pero no traslación. El momento se mide en N·m y es una fuerza por la distancia entre sus puntos de aplicación (volante, llave inglesa, pedales).

Geometría y trigonometría aplicadas. Las áreas y volúmenes se calculan descomponiendo en figuras sencillas; un depósito de 1 × 2 × 1,5 m tiene 3 m³ y, con el agua a 1.000 kg/m³, pesa 3.000 kg. El teorema de Pitágoras solo vale en triángulos rectángulos: c² = a² + b² (la hipotenusa es el lado más largo). La regla del 3-4-5 (o 6-8-10) sirve para trazar un ángulo recto. En trigonometría, sen = opuesto / hipotenusa, cos = contiguo / hipotenusa y tg = opuesto / contiguo; sen 30° = 0,5, sen 45° ≈ 0,7, sen 60° ≈ 0,866, cos 60° = 0,5. Ejemplo del manual: una autoescala de 30 m a 60° llega a 30 · 0,866 ≈ 26 m de altura y hay que situarla a 30 · 0,5 = 15 m de la fachada.

Cinemática: describe el movimiento sin mirar sus causas. En el movimiento rectilíneo uniforme (MRU) la velocidad es constante (a = 0) y d = v · t: 100 km a 120 km/h son 0,83 h, unos 50 minutos. En el uniformemente acelerado (MUA) a = (vf − vi) / t, vf = vi + a · t, d = vi · t + ½ · a · t² y vf² = vi² + 2 · a · d. Un coche a 72 km/h (20 m/s) que frena a −5 m/s² tarda 4 s y recorre 40 m; un martillo que cae desde 20 m llega a unos 19,8 m/s (71 km/h). La velocidad media es la que, siendo constante, recorrería la misma distancia en el mismo tiempo. En el movimiento circular se usan la velocidad angular (ω, en rad/s) y la aceleración centrípeta, que apunta siempre al centro (ac = ω² · r = v² / r); la llamada fuerza centrífuga es en realidad la reacción que notamos.

Dinámica: las tres leyes de Newton. 1.ª, inercia: un cuerpo sigue en reposo o en MRU si no actúa ninguna fuerza (las herramientas sueltas siguen hacia delante al frenar). 2.ª, ley fundamental: F = m · a. 3.ª, acción y reacción: a toda fuerza le corresponde otra igual y opuesta (la rueda empuja el suelo hacia atrás y el suelo la empuja hacia delante). La cantidad de movimiento es p = m · v (kg·m/s), vectorial, y se conserva en un sistema aislado: en el ejemplo del manual, un camión de 10.000 kg a 10 m/s choca con un coche de 2.000 kg a 20 m/s en sentido contrario, quedan enganchados y se mueven juntos a 5 m/s en el sentido del camión. Estática: un cuerpo está en equilibrio si la suma de fuerzas es cero y la suma de momentos también. La autoescala no vuelca mientras la vertical de su centro de masas caiga entre los estabilizadores, los del lado contrario a la cesta no se descarguen del todo, el momento de vuelco no supere al de antivuelco y el suelo aguante la reacción.

Trabajo, energía y potencia. Trabajo W = F · d (julios), y solo trabaja la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento: tirar con 1.000 N a 60° da 500 N útiles. Si la fuerza va contra el movimiento, el trabajo es negativo (frenar). Energía cinética Ec = ½ · m · v² (y de rotación ½ · I · ω²); energía potencial Ep = m · g · h, con la altura medida desde la referencia que elijamos. En un sistema ideal la energía mecánica Ec + Ep se conserva; el rozamiento y la resistencia del aire son fuerzas no conservativas que la convierten en calor. El rozamiento es Ff = μ · FN, con μ estático mayor que μ dinámico; la resistencia aerodinámica crece con el cuadrado de la velocidad (a doble velocidad, cuádruple fuerza). Potencia P = W / t = F · v (vatios). El rendimiento es útil / consumida · 100, siempre menor del 100 %, y el global es el producto de los parciales.

Máquinas simples: no ahorran trabajo, cambian fuerza por distancia. La ventaja mecánica es AM = Fsalida / Fentrada = dentrada / dsalida. Palanca: Fin · din = Fout · dout. De primer género, el fulcro está en medio (alicates, pata de cabra; AM mayor, menor o igual a 1); de segundo, la resistencia está en medio (palanqueta, abrebotellas, carretilla, cascanueces; AM siempre mayor que 1); de tercer género, la fuerza aplicada está en medio (autoescala, brazo de retroexcavadora, caña de pescar; AM siempre menor que 1). Plano inclinado: F = P · h / L = P · sen α; el tornillo es un plano inclinado enrollado. Si hay mucho rozamiento puede hacer falta más fuerza que el propio peso: en el ejemplo del coche de 2.000 kg arrastrado por un talud de 45° con μ = 0,8, 25.200 N.

Torno: tambor de radio r y manivela de radio R, con Fout / Fin = R / r; el cabestrante es un torno motorizado y su tracción nominal es la de la primera capa de cable: al enrollarse más capas crece el radio, baja la fuerza y sube la velocidad. Poleas: la fija solo cambia la dirección (AM = 1); la móvil duplica la fuerza (AM = 2), aunque también se puede montar para duplicar el recorrido (AM = 0,5), como en el mecanismo telescópico de la autoescala. Combinando fijas y móviles se forma un polipasto: la fuerza se multiplica tantas veces como tramos de cuerda sostienen la carga, y el recorrido de la cuerda de entrada se multiplica lo mismo.

No hay norma que lo regule, pero las unidades sí están fijadas por ley: en España el sistema legal es el Sistema Internacional (SI), recogido en el Real Decreto 2032/2009, de unidades legales de medida. Ahí aparecen el newton (N) para la fuerza, el julio (J) para la energía y el trabajo y el vatio (W) para la potencia. En el test lo que cae son definiciones, unidades y problemas de una sola operación: domina las fórmulas y los cambios de unidades.

Cinemática: velocidad y aceleración. La velocidad mide lo rápido que cambia la posición: v = espacio / tiempo, en metros por segundo (m/s). Para pasar de km/h a m/s se divide entre 3,6 (72 km/h = 20 m/s) y para volver se multiplica por 3,6. La aceleración mide lo rápido que cambia la velocidad: a = (velocidad final − velocidad inicial) / tiempo, en metros por segundo cuadrado (m/s²). Si un vehículo pasa de 0 a 20 m/s en 4 s, su aceleración media es de 5 m/s². En el movimiento rectilíneo uniforme la velocidad es constante y la aceleración es nula; en el uniformemente acelerado la aceleración es constante. Una frenada es una aceleración negativa (deceleración).

Primera ley de Newton o principio de inercia: todo cuerpo mantiene su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme mientras no actúe sobre él una fuerza neta que lo obligue a cambiarlo. Es la razón de que en una frenada brusca los ocupantes sigan hacia delante y de que existan el cinturón de seguridad y los sistemas de retención. La inercia de un cuerpo depende de su masa: cuanta más masa, más cuesta cambiar su estado de movimiento.

Segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica: la fuerza neta sobre un cuerpo es igual a su masa por la aceleración que le produce, F = m · a. La aceleración tiene la misma dirección y sentido que la fuerza neta. De aquí sale la unidad de fuerza: un newton es la fuerza que da a una masa de 1 kg una aceleración de 1 m/s² (1 N = 1 kg·m/s²). El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo: P = m · g, con g ≈ 9,8 m/s² (en los problemas se redondea a veces a 10). No confundas masa y peso: la masa (kg) no cambia de un sitio a otro; el peso (N) depende de la gravedad.

Tercera ley de Newton o principio de acción y reacción: si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este ejerce sobre el primero una fuerza igual en módulo y dirección y de sentido contrario. Esas dos fuerzas no se anulan porque actúan sobre cuerpos distintos. Aplicación directa en el trabajo de bombero: la reacción en lanza. El manual de hidráulica del CEIS Guadalajara explica que, por el principio de acción y reacción, toda lanza que proyecta agua a velocidad empuja hacia atrás a quien la sujeta, y que ese empuje disminuye al abrir el cono hasta anularse casi por completo a los 180º.

Trabajo. Una fuerza realiza trabajo cuando desplaza su punto de aplicación: W = F · d · cos α, donde α es el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento. Si la fuerza va en la dirección del movimiento, W = F · d; si es perpendicular al desplazamiento (cos 90º = 0), no hace trabajo, como el peso de una camilla que se lleva en horizontal. La unidad es el julio: 1 J = 1 N · 1 m. Ejemplo: arrastrar un equipo con una fuerza de 50 N a lo largo de 10 m en la misma dirección supone 500 J.

Potencia: es el trabajo realizado por unidad de tiempo, P = W / t, y mide lo rápido que se hace un trabajo. Su unidad es el vatio: 1 W = 1 J/s. Hacer 1.200 J en 4 s es una potencia de 300 W. También se puede escribir P = F · v para una fuerza que mueve algo a velocidad constante. El kilovatio hora (kWh) no es una potencia sino una energía: 1 kWh = 1.000 W × 3.600 s = 3.600.000 J (3,6 MJ).

Energía cinética y energía potencial. La energía es la capacidad de realizar trabajo y se mide en julios. La energía cinética es la que tiene un cuerpo por moverse: Ec = ½ · m · v²; como depende del cuadrado de la velocidad, si la velocidad se duplica la energía cinética se multiplica por cuatro (por eso un choque a 100 km/h es mucho más grave que a 50). La energía potencial gravitatoria es la que tiene por su altura: Ep = m · g · h (el manual del CEIS la escribe como peso × altura). Un cuerpo de 10 kg a 5 m de altura, con g = 10 m/s², tiene 500 J.

Principio de conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Si no hay rozamiento, la energía mecánica (cinética + potencial) se mantiene constante: lo que pierde un cuerpo en potencial al caer lo gana en cinética. Así, un objeto que cae desde 5 m llega al suelo a v = √(2 · g · h) = 10 m/s (con g = 10), sea cual sea su masa. Con rozamiento la energía mecánica disminuye, pero no desaparece: se transforma en calor. En hidráulica este principio es la base del teorema de Bernoulli: en una conducción la suma de energía de presión, cinética y potencial se mantiene constante.

Claves para el examen

• 7 magnitudes fundamentales del SI; longitud, masa y tiempo son las de la mecánica.
• Símbolo con mayúscula solo si la unidad viene de un nombre propio: N, J, W, Pa, K, A.
• 1 bar = 100.000 Pa = 1,02 kg/cm² = 10,2 mca (en la práctica ≈ 1 kg/cm² ≈ 10 mca).
• 1 kgf = 9,8 N ≈ 10 N ≈ 1 daN; 1 CV = 735,5 W; 1 m/s = 3,6 km/h; T(K) = T(°C) + 273.
• Par de fuerzas: iguales, paralelas y de sentido contrario; rotación sin traslación; N·m.
• Pitágoras solo en triángulos rectángulos; regla del 3-4-5 para el ángulo recto.
• sen 30° = 0,5; sen 60° ≈ 0,866; cos 60° = 0,5; tg 45° = 1.
• MRU: d = v · t. MUA: vf = vi + a · t; vf² = vi² + 2 · a · d.
• Aceleración centrípeta hacia el centro: ac = v² / r.
• Newton: inercia; F = m · a; acción y reacción. p = m · v se conserva en un sistema aislado.
• Equilibrio: suma de fuerzas = 0 y suma de momentos = 0.
• W = F · d (solo la componente en la dirección del movimiento); Ec = ½ m v²; Ep = m g h; P = W / t = F · v.

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