FISICA I (98/99) 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN FINAL PROBLEMAS (29−1−1999)

FISICA I (98/99) 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN FINAL PROBLEMAS (29−1−1999) 1. Un recipiente rectangular tiene una de sus paredes laterales, de 1 m de ancho, que puede girar entorno al eje de su base inferior. Esta pared esta sujetada a una altura de 5 m por una cuerda horizontal a la pared opuesta y fija. Calcular la altura mínima de agua en el recipiente para que se produzca la rotura de la cuerda que soporta una tensión máxima de 2·104 N/m2. 2. Un barco Hovercraft (barco que flota sobre una bolsa de aire) tiene un peso máximo de 15 toneladas y dimensiones de 17 m de largo y 8 m de ancho. En movimiento hay aproximadamente una distancia de 5 cm entre la superficie del agua y las cámaras laterales de goma por la cual se escapa el aire. Las cámaras laterales de goma tienen una altura de 95 cm (ver figura), tal que la bolsa de aire debajo la plataforma del barco en movimiento tiene una altura de 1 m. a) Calcular la presión manométrica media mínima debajo de la plataforma del barco, es decir, dentro de la bolsa de aire para que flote. Calcular la altura de la columna de aire sobre el nivel del mar correspondiente a esta presión (aire=1,29 kg/m3). Suponiendo que la atmósfera es isoterma y el aire se comporta como un gas perfecto ¿podemos tratar en este caso el aire como un fluido incompresible? b) Calcular la velocidad de escape de aire y el caudal necesario para que flote. FISICA I (98/99) 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN SEPTIEMBRE PROBLEMAS (16−9−1999) 1. Un coche se cae al río y se hunde por completo hasta una profundidad de 1,2 metros por debajo de la superficie del agua.. La puerta es aproximadamente un rectángulo que mide 0,9 metros de ancho y 1 metro de alto, y tiene articulaciones sobre un lado vertical. El nivel del agua dentro del coche está a la mitad de la altura de la puerta, y el aire dentro de él está a presión atmosférica. Calcular la fuerza requerida para abrir la puerta si la fuerza se aplica a 0,6 metros de la línea de las articulaciones. (Podemos despreciar el efecto de la presión atmosférica). La línea de acción de la fuerza de presión debido al agua está situado en la mitad de la puerta, paralelo a la línea de las articulaciones. ¿Porqué? 2. Un recipiente con un líquido químico extintor de incendios cuelga del techo en una fábrica. Una manguera conecta el fondo de recipiente con una boquilla que se encuentra a 4 m abajo. El recipiente es un cubo de 1,65 m de lado, y la boquilla tiene un diámetro de 5 cm. Si inicialmente el recipiente está lleno, ¿cuánto tardará en vaciarse después de que se ha abierto la boquilla? Supóngase que las pérdidas de energía mecánica a través de la manguera y de la boquilla son despreciables. FISICA I (99/00)

1

1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN FINAL TEORIA (31−1−2000) 1. Considérese la compuerta que se muestra en la figura. Su masa es despreciable y su ancho es b (perpendicular al papel). La presión hidrostática sobre el lado vertical crea un momento en sentido contrario al movimiento de las manecillas del reloj con respecto a la articulación, mientras que la presión hidrostática sobre el lado horizontal crea un momento en sentido de las manecillas del reloj con respecto a la misma articulación. Demuestre que el momento neto en sentido de las manecillas del reloj es ðM = g h b (l2/2 − h2/6) 2. Determina las velocidades de corriente de un fluido viscoso que fluye en régimen laminar y flujo estacionario entre dos placas paralelas de separación 2d (para ello considera las fuerzas que actúan sobre un elemento de volumen adecuado del fluido). 3. ¿Qué rápido cae la lluvia? Determina la velocidad límite de una gota de lluvia cayendo en el aire. Estima la velocidad límite máxima y el tamaño máximo de las gotas. Se supone que tenemos gotas esféricas que caen en régimen de flujo turbolento oponiéndose una fuerza de fricción FR = (v3 D3 ð )1/2. (ðaire = 2·10−5 Ns/m2, aire = 1 Kg/m3, agua = 1000 Kg/m3, agua = 0.07 N/m) 4. Formación de gotas: Ley de Tate. FISICA I (99−00) 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN FINAL PROBLEMAS (31−1−2000) 1.−Una casa tiene en su sótano un deposito de agua . El agua se bombea a través de una tubería vertical de 19 mm de diametro a la primera planta de la casa que se encuentra a una altura de 10 m. Mediante una tubería horizontal se suministra agua a ocho dependencia de la casa coincidiendo la ultima con el final de dicha tubería, cada una de las salidas tienen un diametro de 5 mm , la longitud total del tubo horizontal es de 30 m. La perdida de carga por cada metro de longitud es de 500 N/m2. Que potencia debe de tener una bomba cuyo rendimiento es del 75% para mantener un caudal de 6 l/ min en cualquier salida aunque todos estén abiertos. 2.− En el DC−8 el aire pasa un 15% mas rápido por el lado superior (curvado) que por el inferior (plano)de las alas. La masa de este avión es aproximadamente 100.000 Kg, la longitud del ala 42,6 m y la anchura media del ala 7m . ¿Que velocidad debe superar el avión para despegar?. Cual debe de ser la longitud de la pista si no se debe de superar una aceleración de 3 m/s 2 FISICA I (99−00) 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN EXTRAORDINARIO PROBLEMAS (8−6−2000) 1. La piscina de la casa tiene una superficie de 5 m x 10 m y profundidades de 1,5 m y 2,5 m en los laterales mas cortos. La bomba de agua de la piscina está a 1,5 m por debajo del nivel de la superficie de la piscina y está conectada por una tubería de pared lisa de D = 5 cm de diámetro, por un lado, al fondo de la piscina (por donde la bomba aspira el agua) y, por otro lado, a una boquilla de impulsión (retorno) que se encuentra 30 cm por debajo de la superficie del agua. Detrás de la bomba, en la vía de retorno, se encuentra un filtro de arena al cual corresponde una pérdida de presión de carga de 7000 J/m3.

2

a) Calcula la potencia mínima de bomba para un caudal de 0,5 l/s teniendo en cuenta que las pérdidas de carga en la tubería de L = 15 m de largo se obtienen a partir de hf = f L/D (v2/2g), f es el factor de fricción el cual es f = 64/R para un flujo en régimen laminar ó f = 0.316 R−1/4 para un flujo en régimen turbulento (ðagua = 10−2 poise a T ð 20ºC). b) Se quiere vaciar la piscina. La tubería de desagüe que está a la misma altura que la de la bomba, tiene también una longitud total de 15 m (contado desde el fondo). ¿Qué volumen de agua hay que sacar manualmente (a base de cubos)? ya que la potencia de la bomba determinada en el apartado a) no tiene fuerza suficiente para vaciar todo. 2. La compuerta que se muestra en la figura es de 1 m de ancho y está articulada en el punto B. ¿A partir de qué altura H por encima de la compuerta se abre la misma por la presión del agua? FISICA I (99−00) 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN SEPTIEMBRE TEORIA (1−9−2000) 1. Explicar: Fuerzas de resistencia sobre un sólido en régimen de flujo turbulento. 2. Tema: Mecánica de los fluidos en movimiento como sólido rígido (equilibrio relativo). 3. Explicar brevemente: ð el comportamiento de deformación de un material elástico hasta su ruptura, ð las diferencias entre línea de corriente, trayectoria de una partícula y tubo de corriente, ð la relación entre velocidad y viscosidad de un fluido en flujo laminar. Indicar el trabajo de deformación realizado por una fuerza de tensión F al prolongar una barra de longitud L y área transversal A por una cantidad ðL en los dos casos siguientes: a) que valga la ley de Hook, b) que la barra sea de un material inelástico. ¿Qué ocurre si se deja de aplicar la fuerza de tensión? ¿Qué cantidad de trabajo realiza entonces la barra en los dos casos? 2º cuatrimestre FISICA II 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN EXTRAORDINARIO FEBRERO PROBLEMAS (3−2−1997) 3

1) Un cable coaxial de longitud infinita está constituido por dos cilindros metálicos concéntricos como indica la figura. Entre los dos cilindros se encuentra un material aislante de permitividad ðð El cilindro interior lleva un densidad de carga sobre su superficie, mientras que el cilindro exterior está puesto a tierra. Calcular: a) El campo eléctrico y el potencial eléctrico en todo el espacio que ocupa este sistema. b) La densidad de carga sobre la superficie interior del cilindro exterior. c) La capacidad de este condensador cilíndrico por unidad de longitud y la energía electrostática almacenada en él. d) La energía electrostática almacenada a partir del campo eléctrico. 2) Se tienen dos cilindros conductores de un radio a y b respectivamente, muy largos y concéntricos, de espesor despreciable, y unidos en sus extremos (se supone en el infinito; es por lo tanto un circuito cerrado) tal que puede circular una corriente I a lo largo de ellos. Calcular: a)El campo magnético B en función de la corriente I en todo el espacio. b) El coeficiente de autoinducción L por unidad de longitud l de este circuito. FISICA II 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN EXTRAORDINARIO DE FEBRERO TEORIA (3−2−1997) 1. Cuerpo A: Es una esfera metálica con una cavidad esférica excéntrica en su interior dentro de la cual ( en cualquier posición fija) se encuentra una carga puntual de Q Culombios. Cuerpo B: Es un cuerpo metálico con forma de huevo que se carga con Q Culombios. ¿Cómo se distribuye la carga sobre la superficie exterior de estos dos cuerpos: de forma homogénea o inhomogénea? Justifica tu respuesta. 2. Un condensador de placas paralelas eléctricamente aislado lleva una cierta densidad de carga sobre su superficie. Se introduce un dieléctrico entre las placas. ¿Qué ocurre? El campo eléctrico E entre las placas es a) mayor, b) menor ó c) igual que antes de introducir el dielectrico. Elige una de las tres opciones y justifica tu decisión. 3. ¿Cuáles son las condiciones de contorno para los campos D, E y V en la superficie de separación entre dos medios? 4. ¿Porqué el campo eléctrico E justamente encima de una superficie de un cuerpo metálico que lleva una cierta carga es perpendicular a tal superficie? 5. Consideremos un alambre conductor de sección transversal A. Sea n el número de partículas libres portadores de carga por unidad de volumen. Suponemos que cada partícula transporta una carga q y se mueve con una velocidad de desplazamiento vd. Determina la intensidad de corriente que pasa por el hilo. 4

6. ¿En qué consiste el efecto Hall? 7. ¿Cuál es la f.e.m. inducida en una barra conductora de longitud l si la barra se mueve con velocidad v perpendicular a un campo magnético B uniforme? 8. ¿Cuál es la energía electrostática de un sistema de cargas puntuales? 9. ¿Qué orientación relativa tienen los campos E, B y el vector Pointing S de una onda electromagnética? Si se describe el vector Pointing S en función de su módulo y vector unitario ¿qué significan estas dos expresiones para una onda electromagnética? 10. ¿Qué ocurre cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de separación de dos medios que poseen velocidades de luz diferentes? (Se supone que ninguno de los dos medios absorbe la energía de la luz). Dibujar la propagación del rayo incidente para las dos situaciones: a) cuando viene del medio con mayor velocidad de luz y b) cuando viene del medio con menor velocidad de luz, y luego incide sobre la superficie del otro medio. Dar las expresiones (leyes) que regulan la propagación del rayo de luz y relacionar los símbolos que aparecen en ellas con los dibujos. FISICA II 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN SEPTIEMBRE PROBLEMAS (20−6−1996) 1. El espacio comprendido entre las placas de un condensador plano se rellena con una sustancia dieléctrica de permitividad variable dada por: ð=ð0ex para 0ðxðd/2, y ð=ð0e−x para d/2ðxðd, siendo x la distancia a la placa inferior del condensador, y d la separación entre placas. Se aplica una diferencia de potencial V0 entre las placas: Calcular: a) Los campos D y E entre las placas. b) La capacidad del condensador. 2. En una nube de partículas cargadas en equilíbrio, la densidad de carga volúmica depende únicamente de la distancia al orígen de forma que siendo r esa distancia tengamos que: =−0(1−(r/a)2) para 0ðrða, y =0 para r>a, siendo 0>0. a) Calcular el campo eléctrico E y el potencial eléctrico V en todo el espacio. b) Si esta nube fuese la distribución de carga negativa de un átomo ¿cuanto carga positiva debe tener el nucleo (considerandolo como una carga puntual en r=0) para que para distancias r>a el campo sea nulo? ¿Como se modifica el campo eléctrico E para 0ðrða? 5

3. Una espira cuadrada de lado a, contenida en el plano XY, se mueve con la velocidad v=vi dentro de un campo magnético B=x(i+k) partiendo del reposo en la posición indicada en la figura. Calcular: a) El flujo magnético que atraviesa la espira en función del tiempo, b) La f.e.m. inducida en la espira y la intensidad de corriente, si la espira tiene una resistencia R, indicando el sentido de la misma. 4. Por un cilindro rectilíneo y indefinido de radio interior a y exterior 2a circula una densidad de corriente J=Ak, siendo A una constante positiva. Calcular en función de la distancia r al eje central del cilindro el campo magnético B en todo el espacio. FISICA II 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN SEPTIEMBRE TEORIA (20−6−1996) 1. ¿Cuál es el campo eléctrico E en un espacio de volumen finito donde el potencial eléctrico es constante? a) E>0, b) E=0 ó c) E0. a) Calcular el campo eléctrico E y el potencial eléctrico V en todo el espacio. b) Si esta nube fuese la distribución de carga negativa de un átomo ¿cuanto carga positiva debe tener el nucleo (considerandolo como una carga puntual en r=0) para que para distancias r>a el campo sea nulo? ¿Como se modifica el campo eléctrico E para 0ðrða? 3. Una espira cuadrada de lado a, contenida en el plano XY, se mueve con la velocidad v=vi dentro de un campo magnético B=x(i+k) partiendo del reposo en la posición indicada en la figura. Calcular: 11

a) El flujo magnético que atraviesa la espira en función del tiempo, b) La f.e.m. inducida en la espira y la intensidad de corriente, si la espira tiene una resistencia R, indicando el sentido de la misma. 4. Por un cilindro rectilíneo y indefinido de radio interior a y exterior 2a circula una densidad de corriente J=Ak, siendo A una constante positiva. Calcular en función de la distancia r al eje central del cilindro el campo magnético B en todo el espacio. FISICA II 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN SEPTIEMBRE TEORIA (20−6−1996) 1. ¿Cuál es el campo eléctrico E en un espacio de volumen finito donde el potencial eléctrico es constante? a) E>0, b) E=0 ó c) E>d) contiene dos dieléctricos de permitividad ð1 y ð2. A las placas se aplica una diferencia de potencial V0 (ver figura): Determina la densidad de carga superficial sobre las placas y la capacidad de este condensador en función de los parámetros dados (V0, S, d, ð1 y ð2). 2. Dos cilindros metálicos concéntricos muy largos, el interior de radio a y el exterior de radio b y c, están separados por un dieléctrico de permitividad ð. El cilindro interior lleva una densidad de carga longitudinal ð, mientras que el cilindro exterior está puesto a tierra. Calcular el potencial del cilindro interior. 3. Por un hilo rectilíneo e indefinido de radio a y permeabilidad ð0, circula una corriente de densidad J = A(a−r)k. a) Calcular el campo magnético dentro y fuera del hilo. Una espira cuadrada de lado a se encuentra inicialmente a una distancia b del hilo, como indica la figura. b) Calcular la f.e.m. inducida en la espira si la espira se mueve con velocidad constante alejándose del hilo. Dar el coeficiente de inducción mútua y demostrar que tiende hacia cero para tiempos hacia el infinito, es decir, cuando la espira se separa hasta una distancia infinita del hilo. FISICA II 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN SEPTIEMBRE TEORIA (1−9−1996) 1. ¿Cuál es el campo eléctrico E en un espacio de volumen finito donde el potencial eléctrico es constante? a) E>0, b) E=0 ó c) E2R) sea nulo. c) Calcula en este caso el flujo magnético por unidad de longitud a través del semi−plano definido por r0. d) En el caso de que el campo magnético fuera de los conductores no sea nulo, calcula el coeficiente de inducción mutua para un sistema de este conductor rectlíneo indefinido y una espira cuadrada de lado R a una distancia r0 del mismo y con su plano en paralelo al mismo. Demuestra que el coeficiente de inducción mutua tiende a cero cuando la espira se desplaza a una distancia infinita con respecto al conductor rectilíneo. FISICA II (97/98) 1º DE INGENIEROS QUIMICOS EXAMEN FINAL TEORIA (1−7−1998) 1. Cuerpo A: Es una esfera metálica con una cavidad esférica excéntrica en su interior dentro de la cual ( en cualquier posición fija) se encuentra una carga puntual de Q Culombios. Cuerpo B: Es un cuerpo metálico con forma de huevo que se carga con Q Culombios. ¿Cómo se distribuye la carga sobre la superficie exterior de estos dos cuerpos: de forma uniforme o no uniforme? Justifica tu respuesta. 2. ¿Cuales son las condiciones que tienen que cumplirse para que podemos utilizar la ley de Gauss en el cálculo del campo eléctrico? 3. ¿Cuales son las condiciones que tienen que cumplirse para que podemos utilizar la ley de Ampere en el cálculo del campo magnético? 4. ¿Cuáles son las condiciones de contorno para los campos D, E y V en la superficie de separación entre dos medios? 5. Una carga puntual q se mueve con velocidad v. ¿ Qué campo total produce en un punto a una distancia r de la misma? 6. ¿Cuál es el campo magnético B en un punto arbitrario del espacio debido a un circuito cerrado de intensidad de corriente I.? ¿Cuál es la fuerza ejercida por este circuito sobre una carga q que se mueve con velocidad v?

15

7. Determina la autoinducción L de un solenoide largo (diámetro