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Áreas cubiertas por la ingeniería física
La ingeniería física lo abarca todo, desde la biología hasta las matemáticas y la tecnología. Explorando varios ejemplos, veremos por qué la física desempeña un papel importante en la resolución de problemas de ingeniería. Las áreas relacionadas con la ingeniería física incluyen:
- Informática.
- Biología.
- Ciencias médicas.
- Ciencia de los materiales.
- Química.
- Física.
- Matemáticas.
- Ciencia nuclear.
- Electrotecnia.
- Ingeniería electrónica.
- Ingeniería mecánica.
- Ingeniería térmica y termodinámica.
- Ingeniería aeroespacial y aeronáutica.
En la física de la ingeniería, gran parte de los primeros cursos de los A-Levels se dedican a la dinámica del movimiento, y a la ingeniería térmica y la termodinámica. La importancia de la física en estas áreas y en la ingeniería en general se debe a que la física describe los mecanismos por los que el universo y sus diversos sistemas funcionan juntos.
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:
- Las trayectorias de lanzamiento de cohetes o las órbitas de satélites en ingeniería aeroespacial.
- El movimiento de brazos robóticos en la industria y otras aplicaciones.
- La dinámica de fluidos en la tecnología aeroespacial, aeronáutica y naval.
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:
- El motor de un coche utiliza gas para producir combustión. A continuación, la combustión se convierte en movimiento, mediante un complejo sistema mecánico que une el motor con las ruedas del coche.
- Un motor de congelador utiliza energía eléctrica para producir trabajo y extraer energía térmica del interior del congelador, haciéndolo así más frío que el exterior.
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:
- Modelización de centrales eléctricas, incluyendo centrales térmicas, nucleares y otras.
- Dispositivos de intercambio térmico, como los simples dispositivos de congelación (congeladores) o los más complejos, como el sistema de refrigeración utilizado en los cohetes.
- Ciclos termodinámicos de motores de combustión, como motores diésel, motores Stirling, etc.
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:
- La leyzeroth: la ley del equilibrio térmico.
- La primera ley: la ley que describe la energía interna de una sustancia.
- La segunda ley: la ley de la entropía de la irreversibilidad.
- La tercera ley: la ley del valor constante de la entropía en un sistema en el cero absoluto.
Física de la ingeniería - Puntos clave
- La ingeniería física es el área de la física que se centra en sus aplicaciones prácticas.
- La ingeniería física no se basa sólo en la física, sino también en áreas como la biología, la electrónica, la informática, las matemáticas, la mecánica y la química, entre otras.
- Dos áreas de gran importancia en la ingeniería física son la dinámica del movimiento y la ingeniería térmica y termodinámica.
- La termodinámica y los motores son una rama de la ingeniería térmica que estudia los intercambios de energía y trabajo de un sistema. La modelización de un motor utiliza la termodinámica.
- La dinámica rotacional es una rama de la dinámica del movimiento, que estudia el movimiento de los objetos en una trayectoria circular. La dinámica rotacional se aplica en ámbitos como la ingeniería aeroespacial y la robótica.
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