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Física I universidad: mecánica, dinámica, trabajo y energía con ejercicios resueltos

Recurso universitario de Física I con mecánica, dinámica, leyes de Newton, trabajo, energía y ejercicios resueltos paso a paso

Física I universidad: mecánica, dinámica, trabajo y energía con ejercicios resueltos

Física I en la universidad no es una repetición de la cinemática de Bachillerato. Cambia el nivel de planteamiento: aparecen vectores, derivadas, integrales, diagramas de fuerzas, restricciones, rozamiento, trabajo de fuerzas variables, energía y revisión dimensional.

Este recurso está pensado para estudiantes de primeros cursos universitarios que necesitan ordenar la mecánica desde la base, pero con el rigor que exige una asignatura de Física I. No se trata de memorizar fórmulas aisladas, sino de aprender a leer el sistema físico, elegir ejes, escribir ecuaciones, justificar unidades y comprobar si el resultado tiene sentido.

Una observación de clase. En Física I muchos errores no son de cálculo, sino de planteamiento: elegir mal los ejes, mezclar escalares y vectores, olvidar el rozamiento, confundir trabajo con fuerza o aplicar energía cuando hay fuerzas no conservativas sin contabilizarlas.

Enfoque del recurso

Este material está orientado a Física I universitaria: mecánica general, dinámica, trabajo, energía y problemas con estructura de examen. No busca posicionar como recurso de cinemática de 1.º de Bachillerato, sino como recurso de apoyo universitario para grados científicos, ingeniería y primeros cursos con Física.

Cómo estudiar este recurso.

No conviene leerlo como una lista de fórmulas. Primero hay que entender qué principio físico gobierna cada problema: Newton, energía, impulso, cantidad de movimiento o movimiento circular. Después se escribe el modelo, se sustituyen datos y se revisan unidades.

Física I universidad Mecánica Dinámica Trabajo y energía Rozamiento Poleas Movimiento 2D Universidad

1. Diferencia entre Física I universidad y Bachillerato

En Bachillerato se trabajan muchas fórmulas de movimiento rectilíneo, caída libre, tiro parabólico y dinámica básica. En Física I universitaria, esos temas reaparecen, pero con otra exigencia: más vectores, más interpretación, más ecuaciones simultáneas y más atención a las unidades.

Aspecto Enfoque de Bachillerato Enfoque universitario
Cinemática Fórmulas en 1D y 2D. Posición, velocidad y aceleración como funciones vectoriales.
Dinámica Leyes de Newton en sistemas sencillos. Diagramas de cuerpo libre, restricciones, rozamiento y sistemas acoplados.
Energía Conservación mecánica básica. Trabajo de fuerzas constantes y variables, fuerzas no conservativas y potencia.
Matemáticas Álgebra y trigonometría. Vectores, derivadas, integrales y análisis dimensional.
Clave estratégica. Este recurso no se plantea como una ficha de cinemática escolar. Se plantea como una guía universitaria de mecánica para alumnos que necesitan aprobar Física I con método.

2. Herramientas matemáticas mínimas

Para trabajar Física I con solvencia hay que manejar algunas herramientas matemáticas. No hace falta convertir el recurso en un curso de cálculo, pero sí saber qué significa cada operación.

Derivadas

La velocidad es la derivada de la posición y la aceleración es la derivada de la velocidad.

\( \vec v(t)=\frac{d\vec r(t)}{dt} \)
\( \vec a(t)=\frac{d\vec v(t)}{dt}=\frac{d^2\vec r(t)}{dt^2} \)

Integrales

El desplazamiento puede obtenerse integrando la velocidad, y el trabajo integrando la fuerza.

\( \Delta \vec r=\int_{t_1}^{t_2}\vec v(t)\,dt \)
\( W=\int_{\vec r_1}^{\vec r_2}\vec F\cdot d\vec r \)

3. Vectores, unidades y dimensiones

Una magnitud vectorial necesita módulo, dirección y sentido. En Física I casi todo lo importante es vectorial: posición, velocidad, aceleración, fuerza, cantidad de movimiento.

\( \vec r(t)=x(t)\,\vec i+y(t)\,\vec j+z(t)\,\vec k \)
\( \vec F=m\vec a \)
\( \vec p=m\vec v \)
Magnitud Símbolo Unidad SI
Posición\(\vec r\)metro, \(m\)
Velocidad\(\vec v\)\(m/s\)
Aceleración\(\vec a\)\(m/s^2\)
Fuerza\(\vec F\)newton, \(N=kg\cdot m/s^2\)
Trabajo\(W\)julio, \(J=N\cdot m\)
Energía\(E\)julio, \(J\)
Potencia\(P\)vatio, \(W=J/s\)
Revisión dimensional. Una ecuación física debe tener las mismas unidades en ambos lados. Si un resultado de energía sale en \(kg\cdot m/s\), hay un error: eso son unidades de cantidad de movimiento, no de energía.

4. Cinemática vectorial universitaria

En Física I, la cinemática se entiende mejor como una relación entre funciones vectoriales. Si conocemos \(\vec r(t)\), podemos derivar para obtener velocidad y aceleración.

\( \vec v(t)=\frac{d\vec r(t)}{dt} \)
\( \vec a(t)=\frac{d\vec v(t)}{dt} \)

Si conocemos la aceleración, podemos integrar:

\( \vec v(t)=\vec v_0+\int_{0}^{t}\vec a(\tau)\,d\tau \)
\( \vec r(t)=\vec r_0+\int_{0}^{t}\vec v(\tau)\,d\tau \)
No confundir niveles. Las fórmulas de MRUA son casos particulares. En universidad conviene partir de funciones, vectores e integrales, y luego recuperar las fórmulas cuando la aceleración es constante.

5. Leyes de Newton y diagramas de fuerzas

La segunda ley de Newton es la ecuación central de la dinámica:

\( \sum \vec F=m\vec a \)

Para aplicarla bien, hay que construir un diagrama de cuerpo libre. Eso significa aislar el cuerpo y dibujar todas las fuerzas que actúan sobre él.

Fuerzas habituales

Peso: \( \vec P=m\vec g \)

Normal: \( \vec N \)

Tensión: \( \vec T \)

Rozamiento: \( \vec f \)

Fuerza elástica: \( \vec F=-k\vec x \)

Orden de trabajo

1. Dibujar el sistema.

2. Elegir ejes.

3. Descomponer fuerzas.

4. Aplicar \(\sum F_x=ma_x\) y \(\sum F_y=ma_y\).

5. Resolver el sistema.

6. Rozamiento, planos inclinados y poleas

El rozamiento aparece cuando hay contacto entre superficies. En muchos problemas universitarios hay que distinguir entre rozamiento estático y cinético.

\( f_s\le \mu_s N \)
\( f_k=\mu_k N \)

En un plano inclinado de ángulo \(\theta\), el peso se descompone en:

\( mg\sin\theta \quad \text{paralelo al plano} \)
\( mg\cos\theta \quad \text{perpendicular al plano} \)
mg N f θ

7. Trabajo, potencia y energía

El trabajo de una fuerza constante es:

\( W=\vec F\cdot\Delta\vec r=F\Delta r\cos\theta \)

Si la fuerza no es constante, se usa una integral:

\( W=\int_{x_1}^{x_2}F(x)\,dx \)

La energía cinética es:

\( K=\frac{1}{2}mv^2 \)

La potencia media e instantánea pueden escribirse como:

\( P_{\text{media}}=\frac{W}{\Delta t} \)
\( P=\frac{dW}{dt}=\vec F\cdot\vec v \)

8. Conservación y fuerzas no conservativas

Si solo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica se conserva:

\( E_m=K+U=\text{constante} \)

Si actúan fuerzas no conservativas, como el rozamiento, hay que contabilizar su trabajo:

\( K_i+U_i+W_{\text{nc}}=K_f+U_f \)
Detalle importante. El rozamiento suele hacer trabajo negativo. Si un cuerpo se desplaza y el rozamiento se opone al movimiento, \(W_f=-f_k d\).

9. Impulso y cantidad de movimiento

La cantidad de movimiento se define como:

\( \vec p=m\vec v \)

El impulso de una fuerza es:

\( \vec J=\int_{t_1}^{t_2}\vec F(t)\,dt \)

Y el teorema impulso-cantidad de movimiento dice:

\( \vec J=\Delta\vec p \)

Si la fuerza externa neta sobre un sistema es nula, la cantidad de movimiento total se conserva.

10. Ejercicios resueltos paso a paso

Ejercicio resuelto 1. Posición, velocidad y aceleración vectorial

Una partícula se mueve según \( \vec r(t)=(2t^2-1)\vec i+(3t-t^3)\vec j \), en unidades del SI. Calcula \( \vec v(t) \), \( \vec a(t) \), \( \vec v(2) \) y \( \vec a(2) \).

Paso 1. Derivar la posición.
\( \vec v(t)=\frac{d\vec r(t)}{dt}=4t\,\vec i+(3-3t^2)\,\vec j \)
Paso 2. Derivar la velocidad.
\( \vec a(t)=\frac{d\vec v(t)}{dt}=4\,\vec i-6t\,\vec j \)
Paso 3. Evaluar en \(t=2\).
\( \vec v(2)=8\,\vec i+(3-12)\,\vec j=8\,\vec i-9\,\vec j\ \mathrm{m/s} \)
\( \vec a(2)=4\,\vec i-12\,\vec j\ \mathrm{m/s^2} \)
Resultado: \( \vec v(t)=4t\,\vec i+(3-3t^2)\vec j \), \( \vec a(t)=4\vec i-6t\vec j \).

Ejercicio resuelto 2. Movimiento 2D con aceleración constante

Un cuerpo parte de \( \vec r_0=0 \), con \( \vec v_0=6\vec i+8\vec j\ \mathrm{m/s} \), y aceleración constante \( \vec a=-2\vec j\ \mathrm{m/s^2} \). Calcula su posición a los 3 s y el módulo de la velocidad.

Paso 1. Ecuación vectorial de posición.
\( \vec r(t)=\vec r_0+\vec v_0t+\frac{1}{2}\vec a t^2 \)
\( \vec r(t)=6t\,\vec i+8t\,\vec j-\frac{1}{2}(2)t^2\,\vec j \)
\( \vec r(t)=6t\,\vec i+(8t-t^2)\vec j \)
Paso 2. Evaluar en \(t=3\).
\( \vec r(3)=18\vec i+(24-9)\vec j=18\vec i+15\vec j\ \mathrm{m} \)
Paso 3. Velocidad.
\( \vec v(t)=\vec v_0+\vec a t=6\vec i+(8-2t)\vec j \)
\( \vec v(3)=6\vec i+2\vec j\ \mathrm{m/s} \)
\( |\vec v(3)|=\sqrt{6^2+2^2}=\sqrt{40}=6,32\ \mathrm{m/s} \)
Resultado: \( \vec r(3)=18\vec i+15\vec j\ \mathrm{m} \), \( |\vec v(3)|=6,32\ \mathrm{m/s} \).

Ejercicio resuelto 3. Plano inclinado sin rozamiento

Un bloque de \(5\,\mathrm{kg}\) desciende por un plano inclinado de \(30^\circ\) sin rozamiento. Calcula la aceleración y la normal.

Paso 1. Elegir ejes.

Tomamos un eje paralelo al plano y otro perpendicular al plano.

Paso 2. Descomponer el peso.
\( P_{\parallel}=mg\sin\theta \)
\( P_{\perp}=mg\cos\theta \)
Paso 3. Aplicar Newton en el eje paralelo.
\( mg\sin\theta=ma \)
\( a=g\sin30^\circ=9,8\cdot0,5=4,9\ \mathrm{m/s^2} \)
Paso 4. Normal.
\( N=mg\cos30^\circ=5\cdot9,8\cdot0,866=42,4\ \mathrm{N} \)
Resultado: \(a=4,9\ \mathrm{m/s^2}\), \(N=42,4\ \mathrm{N}\).

Ejercicio resuelto 4. Plano inclinado con rozamiento

Un bloque de \(10\,\mathrm{kg}\) baja por un plano de \(25^\circ\) con coeficiente de rozamiento cinético \(\mu_k=0,20\). Calcula la aceleración.

Paso 1. Fuerzas paralelas al plano.

La componente del peso que baja el plano es \(mg\sin\theta\). El rozamiento se opone al movimiento.

\( f_k=\mu_kN=\mu_kmg\cos\theta \)
Paso 2. Segunda ley de Newton.
\( mg\sin\theta-\mu_kmg\cos\theta=ma \)
\( a=g(\sin\theta-\mu_k\cos\theta) \)
Paso 3. Sustituir.
\( a=9,8(\sin25^\circ-0,20\cos25^\circ) \)
\( a=9,8(0,423-0,181)=2,37\ \mathrm{m/s^2} \)
Resultado: \(a\approx2,37\ \mathrm{m/s^2}\).

Ejercicio resuelto 5. Sistema de dos masas con polea ideal

Dos masas \(m_1=4\,\mathrm{kg}\) y \(m_2=6\,\mathrm{kg}\) cuelgan de una polea ideal. Calcula la aceleración del sistema y la tensión de la cuerda.

Paso 1. Sentido del movimiento.

Como \(m_2>m_1\), \(m_2\) baja y \(m_1\) sube.

Paso 2. Ecuaciones de Newton.

Para \(m_2\):

\( m_2g-T=m_2a \)

Para \(m_1\):

\( T-m_1g=m_1a \)
Paso 3. Sumar ecuaciones.
\( m_2g-m_1g=(m_1+m_2)a \)
\( a=\frac{(m_2-m_1)g}{m_1+m_2}=\frac{(6-4)9,8}{10}=1,96\ \mathrm{m/s^2} \)
Paso 4. Calcular tensión.
\( T=m_1g+m_1a=4\cdot9,8+4\cdot1,96=47,04\ \mathrm{N} \)
Resultado: \(a=1,96\ \mathrm{m/s^2}\), \(T=47,04\ \mathrm{N}\).

Ejercicio resuelto 6. Trabajo de una fuerza constante

Una fuerza de \(50\,\mathrm{N}\) forma un ángulo de \(30^\circ\) con el desplazamiento de un cuerpo que se mueve \(12\,\mathrm{m}\). Calcula el trabajo realizado.

Paso 1. Fórmula del trabajo.
\( W=F\,d\,\cos\theta \)
Paso 2. Sustituir.
\( W=50\cdot12\cdot\cos30^\circ \)
\( W=600\cdot0,866=519,6\ \mathrm{J} \)
Resultado: \(W=519,6\ \mathrm{J}\).

Ejercicio resuelto 7. Trabajo de una fuerza variable

Una fuerza depende de la posición según \(F(x)=3x^2+2\), en newtons. Calcula el trabajo entre \(x=0\) y \(x=2\,\mathrm{m}\).

Paso 1. Trabajo como integral.
\( W=\int_{0}^{2}(3x^2+2)\,dx \)
Paso 2. Integrar.
\( W=\left[x^3+2x\right]_{0}^{2} \)
\( W=(8+4)-0=12\ \mathrm{J} \)
Resultado: \(W=12\ \mathrm{J}\).

Ejercicio resuelto 8. Energía con rozamiento

Un bloque de \(2\,\mathrm{kg}\) parte del reposo y desciende \(5\,\mathrm{m}\) por un plano inclinado de \(30^\circ\). El coeficiente de rozamiento cinético es \(0,10\). Calcula la velocidad al final.

Paso 1. Energía con fuerza no conservativa.
\( K_i+U_i+W_{\text{roz}}=K_f+U_f \)

Tomamos \(U_f=0\) y \(K_i=0\).

Paso 2. Altura descendida.
\( h=d\sin30^\circ=5\cdot0,5=2,5\ \mathrm{m} \)
\( U_i=mgh=2\cdot9,8\cdot2,5=49\ \mathrm{J} \)
Paso 3. Trabajo del rozamiento.
\( f_k=\mu_kmg\cos30^\circ=0,10\cdot2\cdot9,8\cdot0,866=1,70\ \mathrm{N} \)
\( W_{\text{roz}}=-f_kd=-1,70\cdot5=-8,5\ \mathrm{J} \)
Paso 4. Energía cinética final.
\( 49-8,5=\frac{1}{2}mv^2 \)
\( 40,5=v^2 \)
\( v=6,36\ \mathrm{m/s} \)
Resultado: \(v\approx6,36\ \mathrm{m/s}\).

Ejercicio resuelto 9. Potencia instantánea

Una fuerza constante \( \vec F=4\vec i+3\vec j\ \mathrm{N} \) actúa sobre una partícula cuya velocidad en cierto instante es \( \vec v=5\vec i-2\vec j\ \mathrm{m/s} \). Calcula la potencia instantánea.

Paso 1. Fórmula.
\( P=\vec F\cdot\vec v \)
Paso 2. Producto escalar.
\( P=(4)(5)+(3)(-2)=20-6=14\ \mathrm{W} \)
Resultado: \(P=14\ \mathrm{W}\).

Ejercicio resuelto 10. Impulso y cantidad de movimiento

Una fuerza constante de \(30\,\mathrm{N}\) actúa durante \(0,20\,\mathrm{s}\) sobre una pelota de \(0,50\,\mathrm{kg}\), inicialmente en reposo. Calcula la velocidad final.

Paso 1. Impulso.
\( J=F\Delta t=30\cdot0,20=6\ \mathrm{N\,s} \)
Paso 2. Teorema impulso-cantidad de movimiento.
\( J=\Delta p=mv_f-mv_i \)

Como parte del reposo, \(v_i=0\).

\( 6=0,50v_f \)
\( v_f=12\ \mathrm{m/s} \)
Resultado: \(v_f=12\ \mathrm{m/s}\).

Ejercicio resuelto 11. Choque perfectamente inelástico

Un cuerpo de \(2\,\mathrm{kg}\) se mueve a \(6\,\mathrm{m/s}\) y choca con otro de \(3\,\mathrm{kg}\) en reposo. Tras el choque quedan unidos. Calcula la velocidad común.

Paso 1. Conservación de la cantidad de movimiento.
\( m_1v_1+m_2v_2=(m_1+m_2)v_f \)
Paso 2. Sustituir.
\( 2\cdot6+3\cdot0=(2+3)v_f \)
\( 12=5v_f \)
\( v_f=2,4\ \mathrm{m/s} \)
Resultado: \(v_f=2,4\ \mathrm{m/s}\).

Ejercicio resuelto 12. Fuerza elástica y energía

Un muelle de constante \(k=200\,\mathrm{N/m}\) se comprime \(0,15\,\mathrm{m}\). Calcula la energía almacenada.

Paso 1. Energía potencial elástica.
\( U_e=\frac{1}{2}kx^2 \)
Paso 2. Sustituir.
\( U_e=\frac{1}{2}\cdot200\cdot0,15^2 \)
\( U_e=100\cdot0,0225=2,25\ \mathrm{J} \)
Resultado: \(U_e=2,25\ \mathrm{J}\).

Ejercicio resuelto 13. Movimiento circular uniforme

Un móvil describe una circunferencia de radio \(0,80\,\mathrm{m}\) con rapidez constante \(4\,\mathrm{m/s}\). Calcula la aceleración centrípeta y la fuerza centrípeta si la masa es \(1,5\,\mathrm{kg}\).

Paso 1. Aceleración centrípeta.
\( a_c=\frac{v^2}{r}=\frac{4^2}{0,80}=20\ \mathrm{m/s^2} \)
Paso 2. Fuerza centrípeta.
\( F_c=ma_c=1,5\cdot20=30\ \mathrm{N} \)
Resultado: \(a_c=20\ \mathrm{m/s^2}\), \(F_c=30\ \mathrm{N}\).

Ejercicio resuelto 14. Fuerza neta a partir de una trayectoria

Una partícula de masa \(m=3\,\mathrm{kg}\) tiene posición \( \vec r(t)=t^3\vec i+2t^2\vec j \). Calcula la fuerza neta en \(t=2\,\mathrm{s}\).

Paso 1. Velocidad y aceleración.
\( \vec v(t)=3t^2\vec i+4t\vec j \)
\( \vec a(t)=6t\vec i+4\vec j \)
Paso 2. Evaluar en \(t=2\).
\( \vec a(2)=12\vec i+4\vec j\ \mathrm{m/s^2} \)
Paso 3. Fuerza neta.
\( \vec F=m\vec a=3(12\vec i+4\vec j)=36\vec i+12\vec j\ \mathrm{N} \)
Resultado: \( \vec F(2)=36\vec i+12\vec j\ \mathrm{N} \).

Ejercicio resuelto 15. Energía y altura máxima

Un cuerpo se lanza verticalmente hacia arriba con \(v_0=18\,\mathrm{m/s}\), sin rozamiento. Calcula la altura máxima usando energía.

Paso 1. Conservación de la energía.

En el punto más alto, \(v=0\).

\( \frac{1}{2}mv_0^2=mgh \)
Paso 2. Despejar altura.
\( h=\frac{v_0^2}{2g}=\frac{18^2}{2\cdot9,8}=\frac{324}{19,6}=16,53\ \mathrm{m} \)
Resultado: \(h\approx16,53\ \mathrm{m}\).
Ampliación universitaria. En Física I no basta con resolver problemas directos. Conviene dominar sistemas acoplados, fuerzas variables, energía con muelles, choques, movimiento circular, impulso con fuerza dependiente del tiempo y planteamientos con varias ecuaciones. Esta ampliación refuerza precisamente esa parte.

11. Ampliación de nivel universitario: más modelos de examen

Sistemas acoplados

Bloques unidos por cuerdas, poleas ideales, masas sobre mesas, planos inclinados y rozamiento. La clave es escribir una ecuación de Newton para cada cuerpo.

Fuerzas variables

Cuando la fuerza depende de \(x\) o de \(t\), el trabajo o el impulso se calculan con integrales, no con una multiplicación directa.

Choques

En choques se conserva la cantidad de movimiento si el sistema está aislado. La energía cinética solo se conserva en choques elásticos.

Movimiento circular

La aceleración centrípeta apunta hacia el centro. La fuerza centrípeta no es una fuerza nueva: es la resultante radial.

Ejercicio resuelto 16. Bloque sobre mesa unido a masa colgante con rozamiento

Un bloque \(m_1=6\,\mathrm{kg}\) está sobre una mesa horizontal con coeficiente de rozamiento cinético \(\mu_k=0,20\). Está unido mediante una cuerda ideal y una polea ideal a una masa colgante \(m_2=4\,\mathrm{kg}\). Calcula la aceleración y la tensión.

Paso 1. Identificar fuerzas.

Sobre \(m_1\) actúan peso, normal, tensión y rozamiento. Como se mueve horizontalmente:

\( N=m_1g \)
\( f_k=\mu_kN=\mu_km_1g \)
Paso 2. Rozamiento.
\( f_k=0,20\cdot6\cdot9,8=11,76\ \mathrm{N} \)
Paso 3. Ecuaciones de Newton.

Para el bloque sobre la mesa:

\( T-f_k=m_1a \)

Para la masa colgante:

\( m_2g-T=m_2a \)
Paso 4. Sumar ecuaciones.
\( m_2g-f_k=(m_1+m_2)a \)
\( a=\frac{4\cdot9,8-11,76}{6+4}=2,744\ \mathrm{m/s^2} \)
Paso 5. Tensión.
\( T=m_1a+f_k=6\cdot2,744+11,76=28,22\ \mathrm{N} \)
Resultado: \(a=2,74\ \mathrm{m/s^2}\), \(T=28,22\ \mathrm{N}\).

Ejercicio resuelto 17. Masa en plano inclinado unida a masa colgante

Una masa \(m_1=5\,\mathrm{kg}\) está sobre un plano inclinado de \(30^\circ\), sin rozamiento. Está unida a una masa colgante \(m_2=3\,\mathrm{kg}\). Calcula la aceleración del sistema y la tensión.

Paso 1. Comparar fuerzas que tiran del sistema.

La componente de \(m_1\) que baja por el plano es:

\( m_1g\sin30^\circ=5\cdot9,8\cdot0,5=24,5\ \mathrm{N} \)

El peso de \(m_2\) es:

\( m_2g=3\cdot9,8=29,4\ \mathrm{N} \)

Como \(29,4>24,5\), \(m_2\) baja y \(m_1\) sube por el plano.

Paso 2. Ecuaciones.

Para \(m_2\):

\( m_2g-T=m_2a \)

Para \(m_1\), tomando positivo hacia arriba del plano:

\( T-m_1g\sin30^\circ=m_1a \)
Paso 3. Sumar.
\( m_2g-m_1g\sin30^\circ=(m_1+m_2)a \)
\( a=\frac{29,4-24,5}{8}=0,6125\ \mathrm{m/s^2} \)
Paso 4. Tensión.
\( T=m_2g-m_2a=29,4-3\cdot0,6125=27,56\ \mathrm{N} \)
Resultado: \(a=0,613\ \mathrm{m/s^2}\), \(T=27,56\ \mathrm{N}\).

Ejercicio resuelto 18. Movimiento con aceleración dependiente del tiempo

Una partícula se mueve en línea recta con aceleración \(a(t)=6t-4\), en \(\mathrm{m/s^2}\). Si \(v(0)=3\,\mathrm{m/s}\) y \(x(0)=2\,\mathrm{m}\), calcula \(v(t)\) y \(x(t)\).

Paso 1. Integrar la aceleración.
\( v(t)=v(0)+\int_0^t(6\tau-4)\,d\tau \)
\( v(t)=3+\left[3\tau^2-4\tau\right]_0^t=3t^2-4t+3 \)
Paso 2. Integrar la velocidad.
\( x(t)=x(0)+\int_0^t(3\tau^2-4\tau+3)\,d\tau \)
\( x(t)=2+\left[\tau^3-2\tau^2+3\tau\right]_0^t \)
\( x(t)=t^3-2t^2+3t+2 \)
Resultado: \(v(t)=3t^2-4t+3\), \(x(t)=t^3-2t^2+3t+2\).

Ejercicio resuelto 19. Trabajo de una fuerza vectorial

Una fuerza \( \vec F=(2x)\vec i+3\vec j \) actúa sobre una partícula que se desplaza desde \(A(0,0)\) hasta \(B(4,0)\) a lo largo del eje \(x\). Calcula el trabajo.

Paso 1. Entender el desplazamiento.

Como el movimiento es a lo largo del eje \(x\), \(dy=0\) y \(d\vec r=dx\,\vec i\).

Paso 2. Producto escalar.
\( dW=\vec F\cdot d\vec r=(2x\vec i+3\vec j)\cdot(dx\vec i)=2x\,dx \)
Paso 3. Integrar.
\( W=\int_0^4 2x\,dx=\left[x^2\right]_0^4=16\ \mathrm{J} \)
Resultado: \(W=16\ \mathrm{J}\).

Ejercicio resuelto 20. Fuerza elástica, energía y velocidad

Un bloque de \(0,50\,\mathrm{kg}\) comprime un muelle de constante \(k=400\,\mathrm{N/m}\) una distancia de \(0,10\,\mathrm{m}\). Si no hay rozamiento, calcula la velocidad del bloque al pasar por la posición de equilibrio.

Paso 1. Energía inicial.

La energía inicial está almacenada en el muelle:

\( U_e=\frac{1}{2}kx^2=\frac{1}{2}\cdot400\cdot0,10^2=2\ \mathrm{J} \)
Paso 2. Energía final.

Al pasar por la posición de equilibrio, la energía elástica se ha transformado en cinética:

\( \frac{1}{2}mv^2=2 \)
Paso 3. Despejar velocidad.
\( \frac{1}{2}\cdot0,50v^2=2 \)
\( 0,25v^2=2 \)
\( v=\sqrt{8}=2,83\ \mathrm{m/s} \)
Resultado: \(v=2,83\ \mathrm{m/s}\).

Ejercicio resuelto 21. Curva peraltada sin rozamiento

Un coche toma una curva de radio \(r=50\,\mathrm{m}\) en una carretera peraltada un ángulo \(\theta=10^\circ\), sin rozamiento. Calcula la velocidad para la que no se necesita rozamiento lateral.

Paso 1. Fuerzas.

Actúan el peso \(mg\) y la normal \(N\). La componente horizontal de la normal proporciona la fuerza centrípeta.

Paso 2. Ecuaciones.
\( N\cos\theta=mg \)
\( N\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \)
Paso 3. Dividir ecuaciones.
\( \tan\theta=\frac{v^2}{rg} \)
\( v=\sqrt{rg\tan\theta} \)
Paso 4. Sustituir.
\( v=\sqrt{50\cdot9,8\cdot\tan10^\circ}=9,30\ \mathrm{m/s} \)
Resultado: \(v\approx9,30\ \mathrm{m/s}\).

Ejercicio resuelto 22. Choque elástico unidimensional

Una masa \(m_1=1\,\mathrm{kg}\) se mueve a \(4\,\mathrm{m/s}\) y choca elásticamente con una masa \(m_2=3\,\mathrm{kg}\) inicialmente en reposo. Calcula las velocidades finales.

Paso 1. Fórmulas para choque elástico con \(v_{2i}=0\).
\( v_{1f}=\frac{m_1-m_2}{m_1+m_2}v_{1i} \)
\( v_{2f}=\frac{2m_1}{m_1+m_2}v_{1i} \)
Paso 2. Sustituir.
\( v_{1f}=\frac{1-3}{1+3}\cdot4=-2\ \mathrm{m/s} \)
\( v_{2f}=\frac{2\cdot1}{4}\cdot4=2\ \mathrm{m/s} \)
Interpretación. La masa pequeña rebota hacia atrás y la masa grande avanza más lentamente.
Resultado: \(v_{1f}=-2\ \mathrm{m/s}\), \(v_{2f}=2\ \mathrm{m/s}\).

Ejercicio resuelto 23. Centro de masas de dos partículas

Dos partículas de masas \(m_1=2\,\mathrm{kg}\) y \(m_2=3\,\mathrm{kg}\) están en \(x_1=1\,\mathrm{m}\) y \(x_2=6\,\mathrm{m}\). Calcula la posición del centro de masas.

Paso 1. Fórmula.
\( x_{CM}=\frac{m_1x_1+m_2x_2}{m_1+m_2} \)
Paso 2. Sustituir.
\( x_{CM}=\frac{2\cdot1+3\cdot6}{2+3}=\frac{20}{5}=4\ \mathrm{m} \)
Resultado: \(x_{CM}=4\ \mathrm{m}\).

Ejercicio resuelto 24. Impulso de una fuerza dependiente del tiempo

Una fuerza \(F(t)=10t\), en newtons, actúa sobre una partícula entre \(t=0\) y \(t=3\,\mathrm{s}\). Calcula el impulso.

Paso 1. Impulso como integral.
\( J=\int_0^3F(t)\,dt=\int_0^3 10t\,dt \)
Paso 2. Integrar.
\( J=\left[5t^2\right]_0^3=45\ \mathrm{N\,s} \)
Resultado: \(J=45\ \mathrm{N\,s}\).

Ejercicio resuelto 25. Péndulo cónico

Una masa describe una circunferencia horizontal suspendida de una cuerda que forma un ángulo \(\theta=20^\circ\) con la vertical. Si la longitud de la cuerda es \(L=1,2\,\mathrm{m}\), calcula la rapidez.

Paso 1. Radio de la circunferencia.
\( r=L\sin\theta=1,2\sin20^\circ=0,410\ \mathrm{m} \)
Paso 2. Ecuaciones de fuerzas.
\( T\cos\theta=mg \)
\( T\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \)
Paso 3. Dividir ecuaciones.
\( \tan\theta=\frac{v^2}{rg} \)
\( v=\sqrt{rg\tan\theta} \)
Paso 4. Sustituir.
\( v=\sqrt{0,410\cdot9,8\cdot\tan20^\circ}=1,21\ \mathrm{m/s} \)
Resultado: \(v\approx1,21\ \mathrm{m/s}\).

12. Simulacro universitario de Física I

Simulacro

1. Una partícula tiene \( \vec r(t)=(t^3-2t)\vec i+4t^2\vec j \). Calcula \(\vec v(t)\), \(\vec a(t)\) y la fuerza neta para \(m=2\,\mathrm{kg}\) en \(t=1\).

2. Un bloque de \(7\,\mathrm{kg}\) desciende por un plano de \(35^\circ\) con \(\mu_k=0,18\). Calcula la aceleración.

3. Una fuerza \(F(x)=6x^2\) actúa desde \(x=0\) hasta \(x=3\). Calcula el trabajo.

4. Un bloque comprime un muelle y sale disparado sin rozamiento. Plantea la conservación de la energía.

5. Dos masas chocan y quedan unidas. Plantea la conservación de la cantidad de movimiento.

Soluciones orientativas.

1. \( \vec v=(3t^2-2)\vec i+8t\vec j \), \( \vec a=6t\vec i+8\vec j \). En \(t=1\), \( \vec F=2(6\vec i+8\vec j)=12\vec i+16\vec j\ \mathrm{N} \).

2. \(a=9,8(\sin35^\circ-0,18\cos35^\circ)\approx4,18\ \mathrm{m/s^2}\).

3. \(W=\int_0^3 6x^2dx=[2x^3]_0^3=54\ \mathrm{J}\).

4. \( \frac12kx^2=\frac12mv^2 \), si no hay pérdidas.

5. \(m_1v_1+m_2v_2=(m_1+m_2)v_f\).

13. 50 ejercicios propuestos con soluciones

Una partícula tiene \( \vec r(t)=3t\vec i+4t^2\vec j \). Calcula \( \vec v(t) \) y \( \vec a(t) \).

Solución: \( \vec v=3\vec i+8t\vec j \), \( \vec a=8\vec j \).

Calcula el módulo de \( \vec v=6\vec i-8\vec j\ \mathrm{m/s} \).

Solución: \(10\ \mathrm{m/s}\).

Un cuerpo de \(4\,\mathrm{kg}\) tiene aceleración \(3\vec i-2\vec j\ \mathrm{m/s^2}\). Calcula la fuerza neta.

Solución: \(12\vec i-8\vec j\ \mathrm{N}\).

Un bloque de \(8\,\mathrm{kg}\) está en un plano de \(20^\circ\) sin rozamiento. Calcula su aceleración.

Solución: \(a=9,8\sin20^\circ\approx3,35\ \mathrm{m/s^2}\).

Un bloque baja por un plano de \(30^\circ\) con \(\mu_k=0,15\). Calcula la aceleración.

Solución: \(a=9,8(\sin30^\circ-0,15\cos30^\circ)\approx3,63\ \mathrm{m/s^2}\).

Dos masas de \(3\,\mathrm{kg}\) y \(5\,\mathrm{kg}\) cuelgan de una polea ideal. Calcula la aceleración.

Solución: \(a=\frac{(5-3)9,8}{8}=2,45\ \mathrm{m/s^2}\).

Con los datos anteriores, calcula la tensión.

Solución: \(T=3(9,8+2,45)=36,75\ \mathrm{N}\).

Una fuerza de \(20\,\mathrm{N}\) desplaza un cuerpo \(6\,\mathrm{m}\) en la misma dirección. Calcula el trabajo.

Solución: \(120\ \mathrm{J}\).

Una fuerza de \(40\,\mathrm{N}\) forma \(60^\circ\) con el desplazamiento de \(10\,\mathrm{m}\). Calcula el trabajo.

Solución: \(200\ \mathrm{J}\).

Calcula el trabajo de \(F(x)=5x\) entre \(x=0\) y \(x=3\).

Solución: \(W=\int_0^3 5x\,dx=22,5\ \mathrm{J}\).

Calcula el trabajo de \(F(x)=2x+1\) entre \(x=1\) y \(x=4\).

Solución: \(W=18\ \mathrm{J}\).

Un cuerpo de \(2\,\mathrm{kg}\) se mueve a \(5\,\mathrm{m/s}\). Calcula su energía cinética.

Solución: \(25\ \mathrm{J}\).

Un objeto de \(1,5\,\mathrm{kg}\) está a \(12\,\mathrm{m}\) de altura. Calcula su energía potencial gravitatoria.

Solución: \(176,4\ \mathrm{J}\).

Un muelle \(k=300\,\mathrm{N/m}\) se comprime \(0,10\,\mathrm{m}\). Calcula la energía elástica.

Solución: \(1,5\ \mathrm{J}\).

Un cuerpo de \(3\,\mathrm{kg}\) cae desde \(5\,\mathrm{m}\). Calcula la velocidad antes de llegar al suelo, sin rozamiento.

Solución: \(v=\sqrt{2gh}\approx9,90\ \mathrm{m/s}\).

Un cuerpo sube con \(v_0=12\,\mathrm{m/s}\). Calcula la altura máxima sin rozamiento.

Solución: \(h=\frac{12^2}{19,6}=7,35\ \mathrm{m}\).

Una fuerza de \(15\,\mathrm{N}\) actúa durante \(0,40\,\mathrm{s}\). Calcula el impulso.

Solución: \(6\ \mathrm{N\,s}\).

Un cuerpo de \(0,20\,\mathrm{kg}\) recibe un impulso de \(3\,\mathrm{N\,s}\), partiendo del reposo. Calcula \(v_f\).

Solución: \(15\ \mathrm{m/s}\).

Dos cuerpos de \(1\,\mathrm{kg}\) y \(2\,\mathrm{kg}\) se unen tras chocar. El primero va a \(6\,\mathrm{m/s}\) y el segundo está en reposo. Calcula la velocidad final.

Solución: \(2\ \mathrm{m/s}\).

Un móvil describe una circunferencia de radio \(2\,\mathrm{m}\) con rapidez \(6\,\mathrm{m/s}\). Calcula \(a_c\).

Solución: \(18\ \mathrm{m/s^2}\).

Si el móvil anterior tiene masa \(0,5\,\mathrm{kg}\), calcula la fuerza centrípeta.

Solución: \(9\ \mathrm{N}\).

Calcula la potencia si se realizan \(600\,\mathrm{J}\) en \(20\,\mathrm{s}\).

Solución: \(30\ \mathrm{W}\).

Calcula \(P=\vec F\cdot\vec v\) para \( \vec F=2\vec i+5\vec j \) y \( \vec v=4\vec i-\vec j \).

Solución: \(P=3\ \mathrm{W}\).

Una masa de \(6\,\mathrm{kg}\) tiene \( \vec a=2\vec i+3\vec j \). Calcula \( |\vec F| \).

Solución: \( \vec F=12\vec i+18\vec j \), \( |\vec F|\approx21,63\ \mathrm{N} \).

Un bloque de \(5\,\mathrm{kg}\) se mueve horizontalmente con \(\mu_k=0,20\). Calcula la fuerza de rozamiento.

Solución: \(f_k=0,20\cdot5\cdot9,8=9,8\ \mathrm{N}\).

Un bloque de \(4\,\mathrm{kg}\) es arrastrado horizontalmente por una fuerza de \(30\,\mathrm{N}\) con rozamiento \(8\,\mathrm{N}\). Calcula \(a\).

Solución: \(a=\frac{30-8}{4}=5,5\ \mathrm{m/s^2}\).

Un cuerpo de \(2\,\mathrm{kg}\) pasa de \(3\,\mathrm{m/s}\) a \(7\,\mathrm{m/s}\). Calcula el trabajo neto.

Solución: \(W=\Delta K=\frac12 2(49-9)=40\ \mathrm{J}\).

Un bloque recorre \(4\,\mathrm{m}\) con rozamiento de \(6\,\mathrm{N}\). Calcula el trabajo del rozamiento.

Solución: \(-24\ \mathrm{J}\).

Un objeto cae desde \(20\,\mathrm{m}\) sin rozamiento. Calcula la velocidad de impacto.

Solución: \(v=\sqrt{392}=19,8\ \mathrm{m/s}\).

Una fuerza \(F(x)=4x^3\) actúa de \(x=0\) a \(x=2\). Calcula el trabajo.

Solución: \(W=\int_0^2 4x^3dx=[x^4]_0^2=16\ \mathrm{J}\).

Un cuerpo de \(10\,\mathrm{kg}\) está en reposo sobre un plano horizontal. Si \(\mu_s=0,40\), calcula el rozamiento estático máximo.

Solución: \(f_{s,\max}=0,40\cdot10\cdot9,8=39,2\ \mathrm{N}\).

Una masa de \(2\,\mathrm{kg}\) gira con \(v=3\,\mathrm{m/s}\) en un radio \(1,5\,\mathrm{m}\). Calcula \(F_c\).

Solución: \(F_c=2\cdot\frac{9}{1,5}=12\ \mathrm{N}\).

Una partícula tiene \( \vec p=6\vec i-8\vec j\ \mathrm{kg\,m/s} \). Calcula \( |\vec p| \).

Solución: \(10\ \mathrm{kg\,m/s}\).

Un cuerpo de \(3\,\mathrm{kg}\) tiene energía cinética \(54\,\mathrm{J}\). Calcula su rapidez.

Solución: \(v=6\ \mathrm{m/s}\).

Un muelle \(k=500\,\mathrm{N/m}\) almacena \(10\,\mathrm{J}\). Calcula la compresión.

Solución: \(x=\sqrt{\frac{2U}{k}}=0,20\ \mathrm{m}\).

12. Errores frecuentes en Física I

No dibujar el diagrama de fuerzas

Sin diagrama, los signos y las componentes se vuelven una apuesta.

Confundir masa y peso

La masa se mide en kg. El peso es una fuerza y se mide en newtons.

Usar energía sin rozamiento cuando sí hay rozamiento

Si hay rozamiento, hay trabajo no conservativo.

Olvidar que el trabajo es producto escalar

Solo trabaja la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.

Mezclar escalares y vectores

Velocidad, aceleración, fuerza y cantidad de movimiento son vectores.

No comprobar unidades

Un resultado numérico sin unidad correcta no está bien terminado.

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