Toda magnitud física se expresa con un número y una unidad del Sistema Internacional (SI). La masa mide la cantidad de materia, no cambia con el lugar y se mide en kilogramos (kg). El peso es la fuerza gravitatoria sobre el cuerpo, se calcula como P = m·g y se mide en newtons (N), porque es una fuerza. La unidad de fuerza es el newton: 1 N = 1 kg·m/s².
En el movimiento rectilíneo uniforme (MRU) la velocidad es constante y la velocidad media es v = d / t. La aceleración es la razón de cambio de la velocidad respecto al tiempo: a = (v − v₀) / t. En el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) la aceleración es constante; la velocidad final es v = v₀ + a·t y la posición se obtiene con x = x₀ + v₀·t + ½·a·t². En la caída libre (solo actúa la gravedad, sin rozamiento del aire) la aceleración es constante e igual a g ≈ 9.8 m/s².
Las leyes de Newton describen las fuerzas:
El trabajo y la energía se miden en joules: 1 J = 1 N·m. La potencia es la rapidez con que se realiza un trabajo y se mide en watts: 1 W = 1 J/s. La energía cinética, asociada al movimiento, es Ec = ½·m·v²; la energía potencial gravitatoria, asociada a la altura, es Ep = m·g·h. Por la conservación de la energía mecánica, sin fricción la suma Em = Ec + Ep permanece constante; en una caída, la energía potencial se transforma en cinética.
Para resolver problemas planteados en palabras, conviene identificar los datos con sus unidades, distinguir masa de peso, elegir la fórmula adecuada (MRU, MRUA, leyes de Newton o energía) y verificar que el resultado tenga la unidad correcta del SI. Estos principios se aplican también al estudio del calor y la temperatura, la electricidad y los circuitos básicos, y las ondas, la luz y el sonido.
1. ¿Cuál es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI)?
En el SI la fuerza se mide en newton (N); un newton es la fuerza que imprime a 1 kg una aceleración de 1 m/s². (Wikipedia 'Newton (unidad)' (es.wikipedia.org/wiki/Newton_(unidad)))
2. En el Sistema Internacional, ¿en qué unidad se expresa el trabajo o la energía?
El trabajo y la energía se miden en joule (J); 1 J equivale al trabajo de una fuerza de 1 N al desplazar su punto de aplicación 1 m. (Wikipedia 'Julio (unidad)' (es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad)))
3. ¿Cuál es la unidad de masa en el Sistema Internacional?
La masa, que mide la cantidad de materia, tiene como unidad básica del SI el kilogramo (kg). (OpenStax, Física universitaria vol. 1, '5.4 Masa y peso' (openstax.org))
4. Un astronauta lleva su equipo a la Luna, donde la gravedad es menor que en la Tierra. ¿Qué afirmación es correcta respecto a su masa y su peso?
La masa mide la cantidad de materia y no varía con el lugar; el peso es una fuerza (P = m·g) y disminuye donde la gravedad es menor. (OpenStax, Física universitaria vol. 1, '5.4 Masa y peso' (openstax.org); Wikipedia 'Diferencias entre masa y peso')
5. El peso de un cuerpo es una fuerza gravitatoria. ¿En qué unidad del SI debe expresarse correctamente?
Por ser una fuerza, el peso se mide en newton (N); la masa, en cambio, se expresa en kilogramos. (OpenStax, Física universitaria vol. 1, '5.4 Masa y peso' (openstax.org); Wikipedia 'Newton (unidad)')
6. Una báscula de cocina indica que un saco de azúcar tiene 2 kg. ¿Qué magnitud física está midiendo realmente la báscula al darnos ese valor en kilogramos?
El kilogramo es la unidad de masa; la báscula expresa la cantidad de materia (masa), no el peso, que se mediría en newtons. (OpenStax, Física universitaria vol. 1, '5.4 Masa y peso' (openstax.org))
7. ¿Qué relación define a un newton en términos de unidades fundamentales del SI?
Un newton es la fuerza que imprime a una masa de 1 kg una aceleración de 1 m/s², es decir 1 N = 1 kg·m/s². (Wikipedia 'Newton (unidad)' (es.wikipedia.org/wiki/Newton_(unidad)))
8. ¿Cuál es la unidad de potencia en el Sistema Internacional?
La potencia, rapidez con que se realiza un trabajo, se mide en watt (W), donde 1 W equivale a 1 J/s. (Universidad del País Vasco, Sistema Internacional de Unidades (sc.ehu.es); Wikipedia 'Julio (unidad)')
9. ¿A cuántos joules por segundo equivale un watt?
El watt es la unidad de potencia del SI y equivale exactamente a 1 joule por segundo (1 W = 1 J/s). (Universidad del País Vasco, Sistema Internacional de Unidades (sc.ehu.es))
10. Una fuerza de 1 newton desplaza su punto de aplicación 1 metro en su misma dirección. ¿Qué cantidad de trabajo se realiza?
Por definición, 1 J = 1 N·m; una fuerza de 1 N que desplaza 1 m realiza un trabajo de 1 joule. (Wikipedia 'Julio (unidad)' (es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad)))
11. Un motor realiza un trabajo de 1200 joules en 4 segundos. ¿Cuál es su potencia y en qué unidad se expresa?
La potencia es trabajo entre tiempo: 1200 J ÷ 4 s = 300 J/s = 300 W. (Universidad del País Vasco, Sistema Internacional de Unidades (sc.ehu.es); Wikipedia 'Julio (unidad)')
12. Una grúa aplica una fuerza de 20 N para arrastrar una caja 5 m en la dirección de la fuerza. ¿Qué trabajo realiza?
El trabajo es fuerza por distancia en su dirección: 20 N × 5 m = 100 N·m = 100 J. (Wikipedia 'Julio (unidad)' (es.wikipedia.org/wiki/Julio_(unidad)))
13. ¿Cuál de estas parejas relaciona correctamente una magnitud con su unidad en el SI?
La energía se mide en joule; la fuerza en newton, la masa en kilogramo y la potencia en watt. (Wikipedia 'Julio (unidad)'; Wikipedia 'Newton (unidad)')
14. ¿Qué tipo de energía posee un cuerpo debido a su movimiento?
La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo a causa de su movimiento y se calcula con Ec = ½·m·v². (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com))
15. ¿De qué depende la energía potencial gravitatoria de un cuerpo?
La energía potencial gravitatoria se calcula como Ep = m·g·h, por lo que depende de la masa, la gravedad y la altura. (Universo Fórmulas, 'Energía potencial gravitacional' (universoformulas.com))
16. ¿Cuál es la fórmula correcta de la energía cinética?
La energía cinética es igual a la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado: Ec = ½·m·v². (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com))
17. ¿Cuál es la fórmula de la energía potencial gravitatoria?
La energía potencial gravitatoria se obtiene multiplicando la masa por la gravedad por la altura: Ep = m·g·h. (Universo Fórmulas, 'Energía potencial gravitacional' (universoformulas.com))
18. Un cuerpo de 2 kg se mueve a una velocidad de 3 m/s. ¿Cuál es su energía cinética?
Ec = ½·m·v² = ½·(2)·(3²) = ½·2·9 = 9 J. (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com))
19. Un automóvil de 1000 kg viaja a 20 m/s. ¿Cuál es su energía cinética?
Ec = ½·m·v² = ½·(1000)·(20²) = ½·1000·400 = 200 000 J. (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com))
20. Una pelota de 2 kg se encuentra a 5 m de altura. Si la gravedad es 10 m/s², ¿cuál es su energía potencial gravitatoria?
Ep = m·g·h = 2·10·5 = 100 J. (Universo Fórmulas, 'Energía potencial gravitacional' (universoformulas.com))
21. Una caja de 4 kg está colocada en un estante a 3 m de altura, con g = 10 m/s². ¿Cuánta energía potencial gravitatoria tiene?
Ep = m·g·h = 4·10·3 = 120 J. (Universo Fórmulas, 'Energía potencial gravitacional' (universoformulas.com))
22. Un objeto de 10 kg se mueve a 4 m/s. ¿Cuál es su energía cinética?
Ec = ½·m·v² = ½·(10)·(4²) = ½·10·16 = 80 J. (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com))
23. Si la velocidad de un cuerpo en movimiento se duplica y su masa no cambia, ¿qué le ocurre a su energía cinética?
Como Ec = ½·m·v², la energía depende del cuadrado de la velocidad; al duplicar v, la energía se multiplica por 2² = 4. (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com))
24. Una manzana cae desde una rama de un árbol. ¿Qué transformación de energía ocurre durante la caída, despreciando la fricción del aire?
Al caer disminuye la altura (menos Ep) y aumenta la velocidad (más Ec); la energía potencial se convierte en cinética. (Educaplus 'Caída libre' (educaplus.org); Temario Física COMIPEMS, 'La conservación de la energía mecánica')
25. Según la ley de conservación de la energía mecánica, en ausencia de fricción, ¿qué sucede con la suma de la energía cinética y la potencial de un cuerpo?
La energía mecánica (Em = Ec + Ep) se conserva cuando no hay fricción; una forma de energía se transforma en la otra sin que el total cambie. (Educaplus 'Caída libre' (educaplus.org); Temario Física COMIPEMS, 'La conservación de la energía mecánica')
26. En lo alto de una resbaladilla, sin fricción, un niño tiene 200 J de energía potencial y 0 J de energía cinética. ¿Cuál será su energía cinética justo al llegar abajo, donde la altura es cero?
Por conservación de la energía mecánica, toda la energía potencial (200 J) se transforma en cinética al llegar abajo: Ec = 200 J. (Educaplus 'Caída libre' (educaplus.org); Temario Física COMIPEMS, 'La conservación de la energía mecánica')
27. Dos cuerpos están en reposo en el suelo (altura cero) y no se mueven. ¿Cuánto vale su energía cinética y su energía potencial gravitatoria?
Sin movimiento, v = 0, así que Ec = ½·m·0² = 0; a altura cero, h = 0, por lo que Ep = m·g·0 = 0. (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com); Universo Fórmulas, 'Energía potencial gravitacional')
28. Una piedra de 0.5 kg se lanza con una velocidad de 6 m/s. ¿Cuál es su energía cinética?
Ec = ½·m·v² = ½·(0.5)·(6²) = ½·0.5·36 = 9 J. (El Bierzo Digital, 'Energía potencial y energía cinética' (elbierzodigital.com))
29. En el movimiento rectilíneo uniforme (MRU), ¿cómo se calcula la velocidad media de un cuerpo?
La velocidad media se obtiene con la fórmula v = d / t, es decir, dividiendo la distancia entre el tiempo. En el MRU esta velocidad es constante. (Temario de Física COMIPEMS, tema 'El movimiento'; material UNAM/UTalca MRU-MRUA)
30. ¿Qué característica define al movimiento rectilíneo uniforme (MRU)?
En el MRU el cuerpo se desplaza en línea recta y su velocidad permanece constante, por lo que recorre distancias iguales en tiempos iguales. (Temario de Física COMIPEMS, tema 'El movimiento' (velocidad constante))
31. Un automóvil viaja con MRU y recorre 200 metros en 10 segundos. ¿Cuál es su velocidad media?
Aplicando v = d / t = 200 m / 10 s = 20 m/s. La velocidad media es de 20 metros por segundo. (Temario de Física COMIPEMS, tema 'El movimiento'; UTalca MRU-MRUA)
32. Un ciclista mantiene una velocidad constante de 6 m/s durante 15 segundos. ¿Qué distancia recorre?
De v = d / t se despeja d = v · t = 6 m/s × 15 s = 90 m. El ciclista recorre 90 metros. (Temario de Física COMIPEMS, tema 'El movimiento'; UTalca MRU-MRUA)
33. Un tren recorre 480 metros a velocidad constante de 24 m/s. ¿Cuánto tiempo tarda en recorrer esa distancia?
De v = d / t se despeja t = d / v = 480 m / 24 m/s = 20 s. El tren tarda 20 segundos. (Temario de Física COMIPEMS, tema 'El movimiento'; UTalca MRU-MRUA)
34. ¿Qué magnitud física representa la aceleración?
La aceleración es el cambio de velocidad dividido entre el tiempo, es decir, qué tan rápido varía la velocidad de un cuerpo. (Guía/temario Física COMIPEMS, tema 'movimiento con velocidad variable'; UNAM DCB MRUA)
35. Un coche parte del reposo y en 5 segundos alcanza una velocidad de 20 m/s. ¿Cuál es su aceleración?
Con a = (v − v₀) / t = (20 − 0) / 5 = 4 m/s². La aceleración es de 4 metros por segundo al cuadrado. (Guía/temario Física COMIPEMS, tema 'aceleración'; UNAM DCB MRUA)