Sistemas

Suzie juega al baloncesto con su hermano Tom (un niño pequeño muy curioso.) Suzie deja caer la pelota; ésta rebota y finalmente se detiene. Si le preguntan: "¿Quién ha dejado caer la pelota? Tom responde: "Suzie". Para ir más lejos, como hacen los niños pequeños inquisitivos, Tom pregunta: "¿Por qué?

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Índice de temas

    Para ayudar a Tom a comprender por qué cayó la pelota y cómo rebotó y se detuvo, nos fijamos en las influencias que rodean a Suzie y a la pelota. Para simplificarlo, podemos agrupar a Suzie, Tom, una cancha de baloncesto, una pelota y el suelo, llamando al grupo "sistema".

    Definición de sistemas dinámicos

    Para comprender el concepto fundamental de los sistemas, primero tenemos que saber qué es un sistema. Cuando estudiamos algo en física, queremos considerar exactamente las cosas relevantes para lo que estamos estudiando e ignorar todo lo demás. Las cosas que incluimos en lo que estamos estudiando se denominan nuestro sistema. En pocas palabras,

    Un sistema es un objeto o conjunto de objetos.

    Tratamos los objetos de nuestro sistema como si no tuvieran estructura interna. La estructura interna de los objetos no debe influir en la solución final del problema y puede ignorarse. Todo lo que no forma parte de nuestro sistema se considera el entorno.

    Un sistema puede ser una persona y un automóvil, una persona y un monopatín, o incluso un aula con pupitres y sillas. Para calcular la aceleración de un sistema, podemos utilizar la segunda ley del movimiento de Newton. Las propiedades e interacciones de sus subestructuras determinan las propiedades de los sistemas. Cuando las partes individuales no son importantes para modelar el comportamiento del sistema, el propio sistema puede denominarse objeto. Según la primera ley del movimiento de Newton, sólo las fuerzas externas afectan al movimiento de un sistema. Esto se debe a que la ley dice que un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo, y un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento. Como tenemos esta distinción, hay que definir los límites de un sistema antes de comprender qué fuerzas afectan a su movimiento.

    En todos los sistemas y circunstancias, la energía, la carga, el momento lineal y el momento angular se conservan, excepto en un sistema aislado o cerrado, en el que las cantidades conservadas son constantes. Llamamos "interacción" a una fuerza causada por otros objetos externos al sistema, o a la transferencia de alguna cantidad entre el sistema y su entorno. Al resolver un problema consideras la situación y tomas tu propia decisión sobre el límite entre un sistema y su entorno. La principal característica de un sistema dinámico es una función que describe qué estados futuros se derivan del estado actual.

    Recuerda que un conjunto de partículas en el que las interacciones internas cambian poco o nada, o en el que los cambios en estas interacciones son irrelevantes para la pregunta o el problema que se está resolviendo, puede tratarse como un objeto.

    Algunas partículas elementales son partículas fundamentales, (por ejemplo, los electrones). Los protones y los neutrones están compuestos de partículas fundamentales y pueden tratarse como sistemas o como objetos, dependiendo de la cuestión que se aborde en el problema que se resuelva.

    Las cargas eléctricas de los neutrones y protones son el resultado de la composición de los quarks.

    ¿Cuáles son los tipos básicos de sistemas?

    Hay tres tipos de sistemas básicos: Sistemas abiertos, cerrados y aislados. A continuación trataremos algunas de las propiedades de cada uno de ellos y cómo se relacionan entre sí.

    Empezamos nuestra discusión con los sistemas abiertos

    Un sistema abierto es un sistema físico en el que la materia y la energía pueden entrar o salir del sistema. Las fuerzas externas al sistema no están equilibradas.

    Considera el siguiente diagrama de un matraz calentado. Si nuestro sistema es el vaso de precipitados, entonces tenemos energía que se añade al sistema en forma de calor, y materia que sale en forma de vapor de agua.

    Sistemas Modelo de un sistema abierto StudySmarterModelo de un sistema abierto Wikicommons Dominio Público

    Los sistemas cerrados están más restringidos que los abiertos. La energía sigue pudiendo entrar o salir del sistema, pero ahora añadimos la restricción de que la materia no puede.

    Un sistema cerrado es un sistema físico en el que no puede entrar ni salir materia. Además, las fuerzas externas deben equilibrarse.

    En nuestro diagrama, ahora ponemos un tapón en la parte superior del matraz. Ahora el aire no puede intercambiarse entre el entorno y el sistema, aunque el calor puede seguir entrando y saliendo a través del vidrio.

    Sistemas Ejemplo de un sistema cerrado StudySmarterEjemplo de sistema cerrado Wikicommons, Dominio Público.

    Observa que en un sistema cerrado puede haber fuerzas externas, sólo requerimos que la fuerza neta sobre nuestro sistema sea cero.

    Consejo: Un sistema cerrado se refiere a un sistema que no pierde masa, energía, carga, etc., por lo que las cantidades conservadas se consideran constantes. En cambio, un sistema abierto se refiere a intercambios de energía, carga, etc., con el objeto u objetos que lo rodean, ya que la cantidad de las cantidades anteriormente indicadas puede aumentar o disminuir sin reemplazarse.

    Por último, llegamos a nuestro tipo de sistema más restringido. Los sistemas aislados, en los que, como ya habrás adivinado, añadimos una restricción más: tanto la materia como la energía no pueden entrar ni salir del sistema. En la práctica, no podemos tener un sistema que no intercambie energía con su entorno, pero sigue siendo una herramienta útil para modelar algunos sistemas.

    Un sistema aislado es un tipo de sistema cerrado en el que ni la materia ni la energía pueden entrar o salir del sistema.

    Volvemos una vez más a nuestro matraz, pero esta vez lo colocamos dentro de un termo sellado al vacío. Ahora el calor y la materia no pueden entrar ni salir de nuestro sistema.

    Sistemas Ejemplo de sistema aislado StudySmarterEjemplo de sistema aislado Wikicommons Dominio Público

    Un sistema aislado no interactúa con su entorno. Su energía y masa totales permanecen constantes.

    Ejemplos reales de sistemas

    Sistemas Propiedades de los sistemas abiertos cerrados y aislados StudySmarterPropiedades de los sistemas abiertos, cerrados y aislados Wikicommons

    Sistemas Ejemplos de Sistemas StudySmarterEjemplos de estudio de sistemasSmarter Originals

    Sistemas dinámicos

    Veamos ahora qué son los sistemas dinámicos.

    Porsistema dinámico se entiende el movimiento de los sistemas bajo la influencia de fuerzas.

    Ejemplos de sistemas dinámicos

    Un sistema dinámico es un sistema en el que se produce movimiento, en contraposición a las condiciones estáticas sin movimiento. Los sistemas dinámicos están en constante movimiento o deben cambiar de estado para ser útiles.

    Algunos ejemplos de sistemas dinámicos son:

    • Automóviles
    • Ordenadores
    • Un péndulo oscilante
    • Movimientos de los cuerpos celestes

    Para hacer una predicción sobre el comportamiento futuro de un sistema, se realiza una solución analítica de las ecuaciones, o su integración en el tiempo mediante una simulación por ordenador. El estudio de los sistemas dinámicos es el centro de la teoría de los sistemas dinámicos, que tiene aplicaciones en una gran variedad de campos temáticos (Matemáticas, Física, Biología, Química, Ingeniería, Historia y Medicina). Los sistemas dinámicos son una parte fundamental de la teoría del caos, la dinámica del mapa logístico y el concepto del borde del caos. (por nombrar algunos).

    Los sistemas dinámicos son sistemas que implican cambios.

    Sistema de equilibrio dinámico

    El equilibrio dinámico en un proceso reversible ocurre cuando los procesos hacia delante y hacia atrás ocurren a la misma velocidad exacta, por tanto, el equilibrio dinámico es cuando todas las fuerzas que actúan sobre un objeto están equilibradas.

    Hay tres condiciones para alcanzar el equilibrio. Primero, la fuerza externa neta del sistema debe ser cero. En segundo lugar, la suma de todos los pares externos debe ser cero. Por último, podemos decir que el objeto está en equilibrio cuando se cumplen ambas condiciones simultáneamente. Si no se cumple una, el objeto no está en equilibrio.

    • La ecuación es: F=0
    • Estático significa inmóvil o estacionario
    • Dinámico significa enérgico

    El sistema debe mantener constante la velocidad angular y evitar la rotación acelerada para alcanzar el equilibrio.

    ElEquilibrio Dinámico es el estado de un sistema dado en el que no hay cambios netos.

    • Equilibrio estático: se produce cuando la fuerza neta sobre un objeto/sistema inmóvil es 0.
    • Equilibrio dinámico: se produce cuando la fuerza neta sobre un objeto/sistema en movimiento es 0 (pero sin aceleración, debe tener una velocidad constante)
    • Si no se mueve o lo hace a velocidad constante, todas las fuerzas están equilibradas

    Ejemplos de equilibrio dinámico

    Veamos la diferencia entre equilibrio estático y dinámico.

    El equilibrioestático se refiere a una condición en la que la reacción que se produce en un sistema está completamente detenida y no hay movimiento entre los reactantes y los productos correspondientes a la reacción química.

    Si las fuerzas que actúan sobre un objeto se anulan entre sí, además de la constancia del contenido y la composición, no se produce ningún movimiento del objeto. Esto es el equilibrio estático.

    Diferencias clave - Equilibrio estático y dinámico

    Sistemas Gráfico de equilibrio estático vs dinámico StudySmarterTabla de equilibrio estático vs dinámico StudySmarter Originals

    La fuerza resultante que actúa sobre estos dos tipos de equilibrio en un sistema es cero. Generalmente, ninguno de estos tipos de equilibrio muestra cambios visibles.

    Ahora que ya sabemos distinguir entre equilibrio dinámico y estático, aquí tienes ejemplos de equilibrio dinámico.

    Ventilador giratorio

    Sistemas Ventilador giratorio StudySmarterVentilador giratorio Wikicommons

    Un ventilador que gira con velocidad constante es uno de los excelentes ejemplos de equilibrio dinámico.

    Cuando el ventilador gira con velocidad constante, la aceleración angular y el par que actúan sobre el ventilador se anulan, por lo que el equilibrio dinámico los equilibra.

    Gotas de lluvia

    Sistemas Gotas de Lluvia StudySmarterGotas de lluvia, Pixabay

    La gota de lluvia llega a la Tierra desde la nube a una velocidad determinada. La velocidad de la gota de lluvia aumenta mientras cae a la Tierra debido a la aceleración debida a la gravedad.

    Cada gota de lluvia se mueve con la misma velocidad. Debido a la resistencia del aire y a la fricción, la gota de lluvia deja de acelerar cuando alcanza la velocidad terminal.

    Sistemas dinámicos discretos

    Por último, consideramos un tipo específico de sistema dinámico. En los sistemas dinámicos discretos, consideramos el sistema en instantáneas en el tiempo. Formalmente, decimos

    Un Sistema Dinámico Discreto es un sistema dinámico en el que el estado del sistema evoluciona en pasos discretos.

    Puede tratarse de pasos naturales en los que las cosas cambian en momentos concretos. El gobierno de Estados Unidos es un ejemplo de ello. Es un sistema que evoluciona en el tiempo, pero no cambia suavemente. Hay puntos concretos en el tiempo en los que se producen cambios. En este ejemplo, esos momentos son las elecciones. También podemos crear artificialmente pasos discretos. Considera un censo. Los datos de población se actualizan cada diez años. Se trata de pasos discretos, y podemos hacer predicciones y modelos basados en estos datos, pero el cambio real de la población es mucho más continuo, con personas que mueren y nacen cada día.

    Sistemas dinámicos - Puntos clave

    • Un sistema es un objeto o conjunto de objetos sin estructura interna.

    • Hay tres tipos de sistemas básicos: Abiertos, Cerrados y Aislados.

    • El equilibrio estático se refiere a una condición en la que se alcanza la estabilidad.

    • El equilibrio dinámico sólo se da en las reacciones reversibles.

    Preguntas frecuentes sobre Sistemas
    ¿Qué es un sistema en física?
    Un sistema en física es una porción del universo seleccionada para su estudio, aislada del entorno para analizar sus propiedades y comportamientos.
    ¿Cómo se clasifican los sistemas en física?
    Los sistemas en física se clasifican en abiertos, cerrados y aislados, dependiendo de si intercambian energía y materia con su entorno.
    ¿Cuál es la importancia de un sistema en física?
    La importancia radica en simplificar el estudio de fenómenos físicos, permitiendo comprender y predecir el comportamiento de una parte específica del universo.
    ¿Qué es un sistema aislado en física?
    Un sistema aislado en física es aquel que no intercambia ni energía ni materia con su entorno, ideal para estudiar la conservación de la energía y cantidad de movimiento.

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    ¿Cuál es la definición de sistema en Física?

    ¿Cuáles son los tres tipos de sistemas básicos en Física?

    El equilibrio estático se refiere a una condición en la que la reacción que se produce en un sistema está completamente detenida y no existe ningún movimiento entre los reactantes y los productos correspondientes a la reacción química.

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