Guía IPN Ciencias Médico Biológicas | Física reactivos 11 al 20 resuelta

¡Vamos a resolver la segunda parte! Continuamos resolviendo los reactivos de física en la rama de Ciencias Médico Biológicas, para el examen de admisión al IPN.

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Parte I Parte III

En este tutorial vamos a resolver los reactivos del 11 al 20, puedes acceder al resto de partes de la guía resuelta haciendo clic en los botones de navegación.

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Guía IPN de Física resuelta

En esta segunda parte desarrollaremos paso a paso los reactivos del 11 al 21 de física para la rama de Ciencias Médico Biológicas. Resuélvelos por tu cuenta antes de continuar, aprobar el ingreso depende de tu destreza y habilidades con los temas del examen.

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Reactivo 11: Gráfica de Velocidad

La gráfica de velocidad v (m/s) contra tiempo t \left(s\right) de un objeto moviéndose a lo largo de una trayectoria es mostrada en la figura. Encontrar el intervalo de tiempo donde desacelera.

  1. 0 a 10
  2. 10 a 20
  3. 20 a 25
  4. 25 a 30

Solución:

A partir de las gráficas de posición (desplazamiento), velocidad (rapidez) y aceleración, es posible estudiar el comportamiento de un objeto en cierto intervalo de tiempo. Cuando un cuerpo frena, se encuentra en un movimiento uniformemente desacelerado, es decir, posee una aceleración negativa y, por ende, ocurre una disminución lineal de su velocidad.

Considerando lo anterior, debemos identificar en el gráfico v-t el intervalo que tenga una recta con pendiente negativa, es decir, que vaya de arriba hacia abajo. Esto ocurre entre 20 y 25 segundos, la velocidad baja linealmente de 100 m/s a 50 m/s .

Concluimos seleccionando como correcta la opción c).

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Reactivo 12: Principio de Arquímedes

Al colocar sobre el mar una piedra de 5 gramos, ésta se hunde; pero si se coloca sobre una lancha de madera de 100 kg, ésta flota en el mar. Este comportamiento diferente se debe a que estos cuerpos poseen diferente:

  1. Densidad
  2. Gravedad
  3. Peso
  4. Masa

Solución:

Para entender por qué se hunde o no un cuerpo en un líquido, debemos recordar el principio de Arquímedes.

Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, desplaza un volumen igual al volumen del cuerpo sumergido. A esto se le conoce como: flotación de los cuerpos.

El volumen de líquido desplazado tiene una masa {m}_{d} que puede escribirse en términos de su densidad, entonces: {m}_{d}={\rho }_{l}{V}_{d} . Llamaremos empuje, a la fuerza que ejerce el volumen de líquido desplazado sobre el objeto y su magnitud es igual al peso de dicho volumen.

E={m}_{d}g

Sustituimos {m}_{d}={\rho }_{l}{V}_{d} .

E={\rho }_{l}{V}_{d}g

De esta forma, el empuje hacia arriba depende de la densidad del líquido.

  • Si la densidad del líquido es mayor al objeto, éste flotará
  • Si la densidad del líquido es menor que la del objeto, este se hundirá

Teniendo en cuenta nuestro análisis sistemático, concluimos que el comportamiento descrito en el enunciado se debe a que los cuerpos poseen diferentes densidades. Respuesta correcta: inciso a).

Reactivo 13: Trabajo mecánico

Un obrero sube una caja de masa m=25kg desde el suelo, hasta el techo de un edificio de 20 metros de altura mediante una cuerda amarrada a la caja. Si la aceleración a la que se mueve la caja es de 0.56 m/{s}^{2} dirigida hacia arriba, ¿Cuál es el trabajo total realizado sobre la caja?

  1. -280 J
  2. -500 J
  3. 500 J
  4. 280 J

Solución:

El trabajo mecánico se calcula como el producto entre la magnitud de la fuerza efectiva que actúa sobre un objeto con el desplazamiento total dado al objeto.

W=\left|\overrightarrow{F}\right|\bullet \Delta x

El signo del trabajo depende de si la fuerza va en el sentido del movimiento (+) o en sentido contrario (-). Ahora, de la segunda ley de Newton sabemos que:

\left|\overrightarrow{F}\right|=m\left|\overrightarrow{a}\right|=\left(25 kg\right)\left(0.56 m/{s}^{2}\right)=14 N

Ya que la fuerza se aplica en el sentido del movimiento, el trabajo debe ser positivo. Sustituimos y evaluamos.

W=\left|\overrightarrow{F}\right|\bullet \Delta x=\left(14 N\right)\left(20 m\right)=280 J

El obrero realiza 280 J de trabajo sobre la caja.

Concluimos seleccionando como respuesta correcta la opción d).

Reactivo 14: Presión hidrostática

En los vasos comunicantes, se demuestra que la presión hidrostática en el fondo de los recipientes, no depende del volumen del líquido de cada recipiente sino únicamente de la ________ del líquido.

  1. Altura
  2. Densidad
  3. Gravedad
  4. Temperatura

Solución:

Dado un fluido en equilibrio (estático), donde todos sus puntos tienen igual temperatura, la presión manométrica a una profundidad h es proporcional al peso de la columna de líquido.

{P}_{g}={\rho }_{l}gh

Nota: las presiones manométricas se denotan con subíndice g.

Teniendo en cuenta la definición anterior, en los vasos comunicantes con igual líquido, la presión en cada punto en el fondo de los recipientes depende únicamente de la altura de la columna de líquido (tal como indica {\rho }_{l}gh ) por esta razón, h es igual para todos.

La presión en los puntos A , B y C es la misma.

Concluimos que el inciso a) es la respuesta correcta.

En los vasos comunicantes, se demuestra que la presión hidrostática en el fondo de los recipientes, no depende del volumen del líquido de cada recipiente sino únicamente de la altura del líquido.

Reactivo 15: Fuerza de empuje

¿Cuál es la densidad de un bloque de madera que flota en el agua con el 0.646 de su volumen sumergido? Suponga que la densidad del agua es 1g/{cm}^{3} .

  1. 0.646g/{cm}^{3}
  2. 0.354g/{cm}^{3}
  3. 0.536g/{cm}^{3}
  4. 0.464g/{cm}^{3}

Solución:

El empuje, es la fuerza que ejerce el volumen desplazado por un objeto que flota o se encuentra parcialmente sumergido en un líquido. Se denota con la letra E y se puede calcular con la siguiente ecuación:

E={\rho }_{l}\bullet {V}_{d}\bullet g

Donde {V}_{d} , es el volumen desplazado. Arquímedes descubrió que el volumen de líquido desplazado es igual al volumen sumergido del objeto.

{V}_{d}={V}_{s}

Sustituimos esto en la ecuación de empuje.

E={\rho }_{l}{V}_{s}g

Además, ya que el empuje está soportando al bloque de madera, este debe ser igual a su peso.

{m}_{b}g={\rho }_{l}{V}_{s}g

El volumen sumergido es 0.646 del volumen total del bloque.

{V}_{s}=0.646{V}_{b}

Sustituimos.

{m}_{b}={\rho }_{l}0.646{V}_{b}

Pasamos a dividir {V}_{b} quedando la igualdad como:

\frac{{m}_{d}}{{V}_{b}}=0.646{\rho }_{l}

El cociente entre la masa del bloque y el volumen del bloque es igual a su densidad, por tanto:

{\rho }_{b}=0.646{\rho }_{l}

Sustituimos la densidad del agua.

{\rho }_{b}=0.646\left(1g/{cm}^{3}\right)=0.646 g/{cm}^{3}

La densidad del bloque de madera es 0.646 g/{cm}^{3} .

La respuesta correcta está en el inciso a).

Reactivo 16: Empuje hidrostático

Se arroja al agua una piedra pómez que tiene un área aproximada de 10{cm}^{2} y la parte de la piedra que flota tiene una altura de 3 cm. Calcular el empuje hidrostático si la densidad del agua es {\rho }_{{H}_{2}O}=\mathrm{1,000}kg/{m}^{3} .

  1. 294.3 N
  2. 29.43 N
  3. 2.943 N
  4. 0.2943 N

Solución:

La fuerza de empuje es igual al peso del volumen de líquido desplazado y, debido a que el volumen desplazado es igual al volumen sumergido, calculamos este último para para sustituir en la ecuación de empuje. En este caso, suponemos que la piedra pómez está sumergida de tal forma que no ha quedado inclinada.

Transformamos {cm}^{2} y cm a {m}^{2} y m , respectivamente.

{A}_{s}=10 {cm}^{2}*\frac{1 {m}^{2}}{\mathrm{10,000} {cm}^{2}}=1\times {10}^{-3} {m}^{2}

{h}_{s}=3 cm*\frac{1 m}{100 cm}=0.03 m

El volumen sumergido es área por altura:

{V}_{s}={A}_{s}\bullet {h}_{s}=\left(1\times {10}^{-3} {m}^{2}\right)\left(0.03 m\right)=30\times {10}^{-6} {m}^{3}

Por último, el empuje se calcula como:

E={\rho }_{{H}_{2}O}{V}_{s}g

Asumiremos la gravedad igual a 9.81 m/{s}^{2} .

E={\rho }_{{H}_{2}O}{V}_{s}g=\left(\mathrm{1,000}kg/{m}^{3}\right)\left(30\times {10}^{-6} {m}^{3}\right)\left(9.81 m/{s}^{2}\right)

E=0.2943 N

El empuje del agua es igual a 0.2943 N.

La respuesta correcta está en el inciso d).

Reactivo 17: Transformación de la Materia

Se le llama _______ al proceso que consiste en el cambio de la materia al estado gaseoso. El proceso ocurre por acción de las presiones superiores y temperaturas inferiores a las que se produce dicha transición.

  1. Sublimación
  2. Cristalización
  3. Solidificación
  4. Condensación

Solución:

La sublimación, es el proceso mediante el cual, una sustancia pasa de estado sólido a estado gaseoso. Recordemos que los sólidos suponen un estado de baja energía y los gaseosos de alta energía.

Un ejemplo clásico de sublimación, es la transformación de nieve o hielo en los picos de las montañas (bajas presiones) en vapor. Esto ocurre en momentos del día donde la temperatura incrementa drásticamente su valor debido a la incidencia directa del Sol, provocando que el vapor se mezcle con el aire.

Concluimos entonces que el inciso que completa correctamente el enunciado es el a).

Reactivo 18: Tipos de presión

Relacionar los conceptos con su expresión matemática.

  1. 1D, 2C, 3A, 4B
  2. 1C, 2A, 3D, 4B
  3. 1C, 2D, 3B, 4A
  4. 1D, 2C, 3B, 4A

Solución:

Para relacionar correctamente cada concepto con su expresión matemática, analizaremos cada inciso en la columna izquierda para asignarle una ecuación de la columna derecha.

Presión.

La presión es igual a la cantidad de fuerza aplicada F sobre un área determinada A .

P=\frac{F}{A}

Concluimos que: 1D.

Presión absoluta.

Se dice que una presión es absoluta si se mide respecto del vacío absoluto y se denota con el subíndice a . En hidrostática, la presión absoluta en un punto dentro de un líquido es igual a la presión atmosférica más la presión debida a la columna de líquido en ese punto.

{P}_{a}={P}_{atm}+\rho gh

Concluimos que: 2C.

Presión manométrica.

Es toda presión medida respecto de la presión atmosférica, se denota con el subíndice g y se calcula como la resta entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

{P}_{g}={P}_{a}-{P}_{atm}

Concluimos que: 3B.

Presión hidrostática.

Es la presión debido a la columna de líquido dentro de un fluido estático y se calcula con la expresión:

{P}_{h}=\rho gh

Concluimos que: 4A.

Combinando todas las respuestas obtenemos: 1D, 2C, 3B, 4A. La respuesta correcta es el inciso d).

Reactivo 19: Flotabilidad

Un objeto no poroso que flota, desplaza un peso de fluido _______ que su propio peso.

  1. Ligeramente mayor
  2. Mayor
  3. Menor
  4. Igual

Solución:

Cuando un cuerpo queda parcialmente sumergido en un fluido estático, desplaza un cierto volumen {V}_{d} igual al volumen del cuerpo sumergido {V}_{s} . Esto provoca una fuerza de empuje sobre el cuerpo que lo mantiene en flotación.

Como el cuerpo queda suspendido y en aparente reposo, la fuerza de empuje tiene que ser igual a su peso, según la primera condición de equilibrio mecánico:

\sum \overrightarrow{F}=0

E-mg=0\to E=mg

Concluimos seleccionando como respuesta correcta la opción d).

Reactivo 20: Ley de Coulomb

La fuerza entre dos cargas de 3\times {10}^{-6}C es de 0.9 N. ¿Cuál es la distancia de separación entre ambas cargas? El valor de la constante K=9\times {10}^{9}{Nm}^{2}/{C}^{2} será necesario en los cálculos.

  1. 0.2 m
  2. 0.3 m
  3. 0.5 m
  4. 0.6 m

Solución:

La magnitud de la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas, viene dada según la Ley de Coulomb:

F=\frac{{k}_{e}\left|{q}_{1}{q}_{2}\right|}{{d}^{2}}

Nota: las dos barras “||” significa que estamos empleando el valor absoluto del producto entre las cargas.

El enunciado establece que las cargas son de 3\times {10}^{-6}C , por tanto, la fuerza entre ellas debe ser de repulsión (cargas iguales se repelen). Despejamos la distancia d .

F=\frac{{k}_{e}\left|{q}_{1}{q}_{2}\right|}{{d}^{2}}\to d=\sqrt{\frac{{k}_{e}\left|{q}_{1}{q}_{2}\right|}{F}}

Sustituimos los datos suministrados en la ecuación.

{k}_{e}=9\times {10}^{9}{Nm}^{2}/{C}^{2}

{q}_{1}={q}_{2}=3\times {10}^{-6}C

F=0.9 N

d=\sqrt{\frac{\left(9\times {10}^{9}{Nm}^{2}/{C}^{2}\right)\left|\left(3\times {10}^{-6}C\right)\left(3\times {10}^{-6}C\right)\right|}{0.9 N}}=\sqrt{0.09 {m}^{2}}=0.3 m

La distancia entre las cargas es de 0.3 metros.

La respuesta correcta es el inciso b).

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