Física de la Ingeniería

La dinámica del movimiento

Los movimientos y su dinámica son uno de los principales aspectos de la física de la ingeniería. El estudio del movimiento es importante por su amplia gama de aplicaciones en áreas como la robótica, las trayectorias espaciales, la física de partículas y cualquier objeto en movimiento.

La dinámica del movimiento utiliza una simplificación de los objetos en movimiento y sus masas para modelarlos. El modelo permite estudiar cómo las fuerzas que actúan sobre un objeto afectan a sus movimientos. He aquí algunos ejemplos de problemas que pueden resolverse aplicando la dinámica del movimiento:

Ingeniería térmica y termodinámica

La ingeniería térmica y la termodinámica estudian los dispositivos que utilizan el calor para producir trabajo o que utilizan el trabajo para modificar la temperatura de un objeto o lugar. La ingeniería térmica y la termodinámica tienen una amplia gama de aplicaciones, que van desde los motores hasta la producción de energía, pasando por los procesos biológicos y químicos en los que interviene la energía.

Dinámica rotacional

La dinámica rotacional es el área de la dinámica del movimiento que estudia los objetos que se mueven en una trayectoria circular o semicircular. La dinámica rotacional como área de estudio incluye:

• El desplazamiento angular, que incluye la velocidad, la aceleración y la aceleración angular.
• El análisis de la energía (cinética y potencial), el trabajo y la potencia mecánica de un objeto en movimiento de rotación.
• La analogía entre el movimiento rectilíneo y el movimiento circular.
• El par y el momento de inercia.

Figura 1. Las sillas voladoras de un carrusel son un ejemplo clásico de dinámica rotacional.

La termodinámica y los motores

La termodinámica es la rama de la física que estudia los intercambios de energía en un sistema. La energía se intercambia en forma de calor o trabajo, provocando cambios en la temperatura del sistema. Los cambios de energía y trabajo pueden provocar movimientos de compresión y expansión en algunos sistemas gaseosos.

Motores térmicos

Los motores son sistemas que utilizan energía para producir trabajo o viceversa. Un motor térmico utiliza o produce calor. Los motores también pueden producir trabajo para modificar la energía de un objeto. Mira los siguientes ejemplos de motores que utilizan energía o modifican la energía de un objeto:

Los motores se modelan mediante la termodinámica, utilizando el trabajo y la energía que producen y/o absorben.

La relación entre la termodinámica y los motores

Los motores, como los de los coches, las centrales eléctricas o los congeladores, se modelizan como un sistema que utiliza o extrae energía en forma de calor. La modelización de un motor, en la que se utiliza la termodinámica, ignora muchas partes del sistema para simplificar su estudio. Se centra en cuánta energía se consume para producir una determinada cantidad de trabajo.

La modelización termodinámica es útil en una serie de ámbitos, como los que se enumeran a continuación:

Figura 2. Las centrales eléctricas son un ejemplo de motores que pueden modelizarse mediante la termodinámica.

Las leyes de la termodinámica

El estudio de la termodinámica se ha apoyado en modelos teóricos que simplifican el intercambio de energía y trabajo de los objetos reales. De ese modo, se han obtenido importantes resultados que se conocen mejor como las "leyes de la termodinámica". Estas leyes, que describen la relación entre trabajo, calor y temperatura, se aplican universalmente a todos los objetos que existen.

Existen cuatro leyes de la termodinámica:

1. La leyzeroth: la ley del equilibrio térmico.
2. La primera ley: la ley que describe la energía interna de una sustancia.
3. La segunda ley: la ley de la entropía de la irreversibilidad.
4. La tercera ley: la ley del valor constante de la entropía en un sistema en el cero absoluto.