Ingenieria_Mecanica

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Mecánica
La mecánica es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas. La mecánica es una ciencia perteneciente a la física, ya que los fenómenos que estudia son físicos, por ello está relacionada con las matemáticas. Sin embargo, también puede relacionarse con la ingeniería, en un modo menos riguroso.
Clasificación de la Mecánica
La Mecánica Cuántica estudia partículas diminutas (quantums, fotones,) La estructura interna de algunos sistemas físicos de interés como los átomos o las moléculas sólo pueden ser explicados mediante un tratamiento cuántico, ya que la mecánica clásica hace predicciones sobre dichos sistemas que contradicen la evidencia física.
La Mecánica Clásica (o Newtoniana) estudia cuerpos más grandes (carros, aviones, naves espaciales, elementos de máquina, etc.) todo lo que no sobrepase la velocidad de la luz. Dio origen a las demás disciplinas y se divide en varias de ellas: la cinemática, estudio del movimiento en sí, sin atender a las causas que lo originan; la estática, que estudia el equilibrio entre fuerzas y la dinámica que es el estudio del movimiento atendiendo a sus orígenes, las fuerzas.
La Mecánica Relativista estudia los cuerpos que sobrepasan la velocidad de la luz. Y comprende a: La Teoría de la relatividad especial, que describe adecuadamente el comportamiento clásico de los cuerpos que se mueven a grandes velocidades en un espacio-tiempo plano (no-curvado). La Teoría general de la relatividad, que generaliza la anterior describiendo el movimiento en espacios-tiempo curvados, además de englobar una teoría relativista de la gravitación que generaliza la teoría de la gravitación de Newton.
Materiales y sus clasificaciones
Metales
Se denomina metal a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad. Poseen alta densidad y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución. La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En otros metales aparece más de un color, y este fenómeno se denomina pleocroísmo.
Aleación
Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico). Mayoritariamente las aleaciones son consideradas mezclas, al no producirse enlaces estables entre los átomos de los elementos involucrados. Excepcionalmente, algunas aleaciones generan compuestos químicos. Se clasifican teniendo en cuenta el elemento que se halla en mayor proporción (aleaciones férricas, aleaciones base cobre, etc.). Cuando los aleantes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, los aleantes pueden aparecer en proporciones similares.
Las aleaciones más comunes utilizadas en la industria son:
· Acero: Es aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,008 y el 1,7% en peso de su composición, sobrepasando el 1.7% (hasta 6.67%) pasa a ser una fundición.
· Acero inoxidable: El acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa
· Alnico: Formada principalmente de cobalto (5.24%), aluminio (8-12%) y níquel (15-26%), aunque también puede contener cobre (6%), en ocasiones titanio (1%) y el resto de hierro.
· Alpaca: Es una aleación ternaria compuesta por zinc (8-45%), cobre (45-70%) y níquel (8-20%)
· Bronce: Es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %.
· Constantán: Es una aleación, generalmente formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel.
· Cuproníquel: Es una aleación de cobre, níquel y las impurezas de la consolidación, tales como hierro y manganeso.
· Cuproaluminio: Es una aleación de cobre con aluminio.
· Latón: Es una aleación de cobre con zinc.
· Magal: Es una aleación de magnesio, al que se añade aluminio (8 o 9%), zinc (1%) y manganeso (0.2%).
· Magnam: Es una aleación de Manganeso que se le añade Aluminio y Zinc.
· Nicrom: Es una aleación compuesta de un 80% de níquel y un 20% de cromo.
· Nitinol: titanio y níquel.
· Oro blanco (electro): Es una aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, paladio, o níquel.
· Peltre: Es una aleación compuesta por estaño, cobre, antimonio y plomo.
· Zamak: Es una aleación de zinc con aluminio, magnesio y cobre.
Materiales cerámicos
Suelen definirse como unos materiales sólidos que no son metales ni polímeros, aunque pueden contener en sus estructuras elementos metálicos o poliméricos. Sus estructuras pueden oscilar entre: Vidrios, cristales monolíticos, conglomerados de cristales y combinaciones vítreo-cristalinas. Sus propiedades son muy variadas; existen materiales cerámicos blandos como el yeso o el talco y otros muy duros como el cuarzo, carborundo.
Las propiedades de los materiales cerámicos derivan de su estructura. Los enlaces que existen entre los átomos son mixtos: iónicos y covalentes. Las cargas iónicas mantienen unidos los átomos del material y los enlaces covalentes, con su componente direccional, restringen el movimiento de los átomos.
En los materiales cerámicos los átomos se disponen en agrupaciones llamadas celdas unitarias, que se repiten periódicamente a través del material, formando cristales. Aunque algunas veces por la forma en que se han obtenido no se logra una ordenación perfecta y aparece una estructura vítrea. Otras veces la estructura del material es mixta cristal- vítrea.
Son compuestos químicos que comprenden fases que contienen elementos metálicos y no metálicos. Son generalmente aislantes. Su comportamiento mecánico es poco predecible por eso sus aplicaciones críticas es muy limitado.
Vitroceramicos
Los productos o materiales Vitroceramicos se componen como cualquier material de tipo cerámico, de una o varias fases cristalinas embebidas en una matriz amorfa o vítrea, pero cuyo proceso de fabricación implica la desvitrificación o nucleación y cristalización controlada de un vidrio original o de partida. En el proceso de obtención de estos materiales se puede conservar la forma original conferida al vidrio de partida por los métodos convencionales de moldeado de vidrios (procesado vitroceramico propiamente dicho), o se puede conservar la forma de la mezcla de materias primas fundidas, cristalizando el fundido por enfriamiento lento (proceso de tipo petrurgico) o bien, sinterizar y, al mismo tiempo cristalizar, el vidrio de partida en forma de frita o granilla (procesado de vitroceramico por sinterizacion).
Polímeros
Los polímeros (del griego poly: «muchos» y mero: «parte», «segmento») son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. El almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon, el polietileno y la baquelita.
Polimerización
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, esta se clasifica como "polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio del polímero.
Tipos de polimerización
Polimerización porcondensación. En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo agua. Debido a esto, la masa molecular del polímero no es necesariamente un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los polímeros de condensación se dividen en dos grupos:
1. Los Homopolímeros
· Polietilenglicol
· Siliconas
2. Los Copolímeros
· Baquelitas.
· Poliésteres.
· Poliamidas.
Polimerización por adición. En este tipo de polimerización la masa molecular del polímero es un múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Suelen seguir un mecanismo en tres fases, con ruptura hemolítica:
· Iniciación: CH2=CHCl + catalizador ⇒ •CH2–CHCl•
· Propagación o crecimiento: 2 •CH2–CHCl• ⇒ •CH2–CHCl–CH2–CHCl•
· Terminación: Los radicales libres de los extremos se unen a impurezas o bien se unen dos cadenas con un terminal neutralizado
Semiconductor
Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.
	Elemento
	Grupos
	Electrones en
la última capa
	Cd (Cadmio)
	12
	2 e-
	Al, Ga, B, In (Aluminio, Galio, Boro, Indio)
	13
	3 e-
	Si, C, Ge (Silicio, Carbono, Germanio)
	14
	4 e-
	P, As, Sb (Fosforo, Arsénico, Antimonio)
	15
	5 e-
	Se, Te, S (Selenio, Telurio, Azufre)
	16
	6 e-
El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².
Semiconductores intrínsecos 
Es un cristal de silicio o germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 1,12 eV y 0,67 eV para el silicio y el germanio respectivamente.
Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio. Hoy en día se han logrado añadir impurezas de una parte por cada 10 millones, logrando con ello una modificación del material.
Semiconductor tipo N
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones). Cuando se añade el material dopante, aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante, ya que da algunos de sus electrones.
Semiconductor tipo P
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos). Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.
Los Materiales Compuestos
Los Materiales Compuestos nacen de la necesidad de obtener materiales que combinen las propiedades de los cerámicos, los plásticos y los metales. Por ejemplo en la Industria del transporte son necesarios materiales ligeros, rígidos, resistentes al impacto y que resistan bien la corrosión y el desgaste. A pesar de haber obtenido materiales con unas propiedades excepcionales, las aplicaciones prácticas se ven reducidas por algunos factores que aumentan mucho su costo como la dificultad de fabricación o la incompatibilidad entre materiales.
La gran mayoría de los materiales compuestos son creados artificialmente pero algunos como la madera y el hueso, aparecen en la naturaleza.
Otro ejemplo de material Compuesto confeccionado por el hombre en los inicios de la civilización lo constituyen las chozas de adobe moradas que sentaron las bases de las construcciones actuales. El secreto de los materiales compuestos reside en la elección de un sistema de matriz adecuado y su asociación con fibras de refuerzo, obteniéndose como resultado un nuevo material con cualidades diferentes, que no son alcanzables por cada uno de los materiales predecesores de manera aislada.
Los Materiales Compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:
1. Materiales Compuestos Reforzados Con Partículas: Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por un matriz más blanda y dúctil.
2. Materiales Compuestos reforzados con Fibras: Un componente suele ser un agente Reforzante como una fibra fuerte: Fibra de Vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de Carbono, que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente, (llamado Matriz), suele ser una resina como apoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Los Golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama de Laminación.
3. Materiales Compuestos estructurales: Están formados tanto por composites como por materiales sencillos y sus propiedades dependen fundamentalmente de la geometría de su diseño, los más abundantes son los laminares y los llamados Paneles Sándwich.
Leyes de Newton
1ª Ley de Newton o ley de la inercia:
Un cuerpo permanecerá en un estado de reposo o de movimiento uniforme, a menos de que una fuerza externa actúe sobre él.
La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero). Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el movimiento. Así, ejemplo, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento.
La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.
En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, por ejemplo, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial.
 2ª Ley de Newton:
Siempre que una fuerza actúe sobre un cuerpoproduce una aceleración en la dirección de la fuerza que es directamente proporcional a la fuerza pero inversamente proporcional a la masa. La nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m a
Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. 
3ª Ley de Newton:
A toda acción corresponde una reacción en igual magnitud y dirección pero de sentido opuesto.
Tal como comentamos en al principio de la Segunda ley de Newton las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.
Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.
Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.
Fuerza Normal 
Cuando un cuerpo está apoyado sobre una superficie ejerce una fuerza sobre ella cuya dirección es perpendicular a la de la superficie. De acuerdo con la Tercera ley de Newton, la superficie debe ejercer sobre el cuerpo una fuerza de la misma magnitud y dirección, pero de sentido contrario. Esta fuerza es la que denominamos Normal y la representamos con N.
En la figura de la izquierda se muestra hacia donde está dirigida la fuerza normal en los dos ejemplos que aparecían en la figura anterior para el peso. Como ya hemos dicho, siempre es perpendicular a la superficie de contacto y está dirigida hacia arriba, es decir, hacia fuera de la superficie de contacto.
Ley de gravitación universal
La fuerza de atracción gravitacional es la fuerza con que la Tierra nos atrae hacia el suelo, es la culpable de que, al perder el equilibrio, nos vayamos de bruces al piso. Podemos medirla sencillamente al pararnos en una balanza. Esa extraña fuerza que retiene nuestros pies sobre la superficie no es otra cosa que el peso. Hasta el siglo XVII la tendencia de un cuerpo a caer al suelo era considerada como una propiedad inherente a todo cuerpo por lo que no necesitaba mayor explicación.
Ley del paralelogramo
En matemática, la forma más simple de la ley del paralelogramo pertenece a la geometría elemental. Ésta postula que la suma de los cuadrados de las longitudes de los cuatro lados de un paralelogramo es igual a la suma de los cuadrados de las longitudes de las dos diagonales de éste. En el caso de que el paralelogramo sea un rectángulo, las dos diagonales son iguales y la ley se reduce al teorema de Pitágoras. Pero en general, no se cumple que el cuadrado de una diagonal sea igual a la suma de los cuadrados de dos lados.
Vectores
En física, un vector (también llamado vector euclidiano o vector geométrico) es una magnitud física definida por un punto del espacio donde se mide dicha magnitud, además de un módulo (o longitud), su dirección (u orientación) y su sentido (que distingue el origen del extremo). 
En Matemáticas se define un vector como un elemento de un espacio vectorial, esta noción es más abstracta y para muchos espacios vectoriales no es posible representar sus vectores mediante el módulo, la longitud y la orientación. En particular los espacios de dimensión infinita sin producto escalar no son representables de ese modo. Los vectores en un espacio euclídeo se pueden representar geométricamente como segmentos de recta dirigidos («flechas»).
Un vector fijo del plano euclídeo es un segmento orientado, en el que hay que distinguir tres características.
· Módulo: la longitud del segmento
· Dirección: la orientación de la recta
· Sentido: indica cual es el origen y cuál es el extremo final de la recta