mecanica de fluido
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Darío Vergara Pérez J. vespertina
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INSTITUCIÓN EDUCATIVA SAN MARCOS
Once Grado
Nombres y Apellidos_________________________Período__________Fecha______ MECANICA DE FLUIDOS
COMPETENCIAS A LOGRAR
CONCEPTUAL PROCEDIMENTAL ACTITUDINAL
Identificar las leyes
y principios
generales de la
hidromecánica.
Solucionar
problemas aplicando
las diversas
formulas estudiadas
en la guía
Valorar la
importancia de la
hidromecánica
INDICADORES DE LOGRO
Identifico las leyes
y principios de
pascal Arquímedes
Aplico las leyes de
hidromecánica en la
explicación y
solución de
problemas
Me preocupo por
entender y valorar
los principios de las
leyes
hidromecánicas
1. INTRODUCCION
Un sólido está formado por partículas llamadas átomos que se mantienen unidas por
fuerzas interatómicas. Los cuerpos sólidos reales no son totalmente rígidos y pueden
deformarse elásticamente por fuerzas externas. En efecto todos los materiales son
elásticos en cierto grado incluso el acero muy duro. Pero, existe un límite para tal
deformación, un límite elástico.
Los fluidos por otro lado tienen una respuesta elástica ligera o hula a una fuerza;
sencillamente ocasionan que fluya. Los fluidos son importantes en la vida diaria, usted
está rodeado por un fluido (el aire) y, en su mayor parte está compuesto por fluidos.
Debido a su fluidez los líquidos y gases tienen muchas propiedades en común, por lo que
resulta conveniente estudiarlos juntos. Desde luego, líquidos y gases tienen diferencias
importantes, una relevantes es su compresibilidad. Los líquidos no son muy
comprensibles, mientras que los gases se comprimen con facilidad.
Fluidos es todo cuerpo que puede desplazarse fácilmente cambiando de forma bajo la
acción de fuerzas pequeñas por esta razón el término de fluidos incluye tanto liquido
como gases.
CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS
¿qué implicaciones tiene para el organismo sumergirse a demasiada profundidad
dentro del mar?
¿De qué depende que, independientemente de su tamaño, un iceberg flote en el
agua?
2. DELIMITACION DE LOS CONCEPTOS BASICOS Y SUS RELACIONES
Hidromecánica la hidromecánica tiene como objeto el estudio de los fluidos
(líquidos y gases); para su mejor estudio se divide en las siguientes ramas.
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a. Hidrostática estudia el equilibrio de los líquidos
b. Hidrodinámica estudia los líquidos en movimiento
c. Neumática estudio de los gases
1. FLUIDOS EN REPOSO O HIDROSTATICA
11. la densidad supón que tenemos determinado volumen de alguna sustancia y le
medimos su masa. Al considerar el doble de su volumen la masa se duplica. Este hecho
sugiere que a cada de sustancia le corresponde una masa determinada.
A la masa que le corresponde de sustancia homogénea se le llama densidad
La densidad es una magnitud física que se define como el cociente entre la masa de
un cuerpo y su volumen es decir: ;
Unidades , =
MATERIAL
aluminio
Acero
Hierro
Agua
Agua de mar
Hielo
Aire
x Dióxido de carbono
Mercurio
Plata
Plomo
1.2 PRESIÓN la relación entre la fuerza perpendicular a la superficie y el área de
la misma se conoce con el nombre de presión
; =
Las unidades para medir la presión son:
En el sistema internacional o en CGS 1 baria = ; 1 pascal =
1.3 PRESIÓN Y PROFUNDIDAD si usted ha buscado alguna vez, ya sabe que
la presión aumenta con la profundidad, pues con
seguridad ha sentido ese aumento de la presión
sobre los oídos.
La fuerza ejercida por un líquido en equilibrio es
perpendicular a la superficie del recipiente que lo
contiene o a la superficie de un sólido sumergido
=
Luego, la presión P, es igual a.
= =
Donde:
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Presión
Densidad
Gravedad
Volumen
Área
Altura, profundidad
Recuerda:
=
Donde
=
1.3.1 principio fundamental de la hidrostática.
La diferencia de presión entre dos puntos de un líquido en equilibrio es proporcional a
la densidad del líquido y a la diferencia de alturas.
=
=
Dos puntos situados a la misma profundidad en el
interior de un líquido están a la misma presión.
1.3.2 vasos comunicantes los llamados vasos comunicantes son recipientes
comunicados, entre si formalmente por su base en
equilibrio la presión es igual para todos los puntos
de una superficie horizontal, es decir, para todos los
puntos que se encuentra a una misma profundidad
con respecto a la superficie libre, razón por la cual
el nivel en todas las ramas es el mismo
1.3.3 vasos comunicantes con dos líquidos no miscibles llíquidos no miscible s son
aquello que no se mezclan ej.: (agua y aceite)las
alturas equilibrantes de dos líquidos no miscibles
son inversamente proporcional a sus densidades o
a sus pesos específicos
= peso especifico
= densidad
= altura
1.3.4 presión atmosférica la atmósfera o capa de aire que rodea la tierra, ejerce
sobre la superficie del planeta una fuerza que es llamada presión atmosférica. Esta es una
consecuencia del paso del aire.
el valor de la presión atmosférica fue encontrado por Evangelista Torricelli ( -1647).
Tomó un tubo de vidrio cerrado por uno de sus extremos y de longitud algo más que un
metro, lo lleno de mercurio y tapado con su dedo el extremo abierto lo invirtió en una
=
=
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cubeta que contenía mercurio observo que en lugar de desocuparse el tubo del mercurio
éste descendió únicamente hasta que la columna llegaba a una altura de sobre el
nivel del mercurio en la vasija.
Presión atmosférica es igual a la presión de la columna de mercurio:
= x x
= x
Presión atmosférica ó una atmósfera =
=
Nota:
1. el peso especifico =
2. densidad relativa o gravedad específica
Para líquidos
1.3.5 los barómetros los barómetros son aparatos con los que se mide la presión
atmosférica. Los barómetros de mercurio basan su
funcionamiento en el experimento de Torrecilli y
suelen dar una medida muy exacta de la presión
atmosférica.
1.3.6 los manómetros se conecta un tubo en forma de U que contiene mercurio en
un recipiente que contiene un gas a determinada presión. Si aparece una diferencia de
altura en las columnas del tubo podemos concluir que la presión del gas es diferente de
la presión atmosférica. De esta forma es posible relacionar el estado de la presión
atmosférica con una presión patrón, en este caso la del gas.
1.4 principio de pascal Blaise pascal
comprobó experimentalmente que los líquidos
pueden transmitir a los cuerpos en
contacto con ellos las presiones extremas que
se les ejercen, y formuló el principio que lleva
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su nombre .
“la presión aplicada a un fluido encerrado se transmite con la misma magnitud y a todos
los punto del fluido a las paredes del recipiente que lo contienen”
Ó =
1.5 principio de Arquímedes al sumergir un cuerpo total o parcialmente en un
líquido podemos notar que el líquido ejerce fuerza contraria al peso del objeto la cual
ocasiona que este experimente una perdida aparente de peso e incluso que salga a flote
El principio que Arquímedes formula dice:
“un cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido es empujado hacia arriba por una
fuerza igual en magnitud al peso del volumen del fluido que se desaloja”
= densidad del
fluido
= volumen del f
luido
= volumen sumergido del cuerpo.
Peso =
Empuje =
Nota:
1. un objeto flota en un fluido si da densidad del objeto es menor que la densidad
del fluido.
2. Un objeto se hunde si la densidad del objeto es mayor que la densidad del fluido.
3. Un objeto está en equilibrio sumergido a cualquier profundidad en un fluido si
las densidades del objeto y del fluido son iguales .
2. Fluidos en movimiento o hidrodinámica. El flujo de los fluidos puede ser de régimen estable ó de régimen inestable. Se dice que el
movimiento del fluido es de régimen estable cuando la velocidad V, en un punto dado
cualquiera es constante al transcurrir el tiempo; es decir la velocidad de cada partícula
que pasa de fluido es siempre la misma, en algún otro punto, una partícula puede tener
una velocidad diferente, pero todas las partículas que pasen por ese punto se comportan
en ese sitio exactamente como lo hizo la primera partícula cuando paso por ese punto.
El flujo de los fluidos puede ser comprensible ó incomprensible. Ordinariamente se puede
considerar que los líquidos tienen un flujo incomprensible.
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El flujo de fluidos puede ser viscoso o no viscoso. La viscosidad introduce fuerzas
tangenciales entre las capas de fluidos en movimiento relativo y da lugar a pérdida de
energía mecánica.
Limitaremos nuestro estudio de la mecánica de los fluidos sobre todo al flujo de régimen
constante, irrotacional,
La ecuación de continuidad seguramente habrás notado que cuando con un dedo
disminuyes el área de salida del agua en un grifo, aumenta la velocidad de salida.
La ecuación de continuidad significa que cuando por un tubo se mueve un fluido
incomprensible de este es mayor cuando el tubo es más estrecho y la velocidad es
menor cuando el tubo más ancho. Este es, cuando disminuye el área del tubo, aumenta
la velocidad del fluido
Gasto volumétrico ó caudal
A la cantidad A, V, llamamos gasto volumétrico ó caudal. El caudal es constante a lo
largo del tubo
= área sección 1
= área sección 2
= velocidad sección 1
= velocidad sección 2
El caudal se expresa en e indica el volumen del líquido que fluye por unidades
por unidades de tiempo.
2.2 ecuación de bernoulli.
El trabajo realizado sobre el fluido por la fuerza es
=
Donde
= trabajo en 1
= presión en 1
= área en 1
= desplazamiento del fluido en 1
Como el fluido es incomprensible ejerce en su vez una presión sobre la sección
provocando un desplazamiento .
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El producto es constante por ser el volumen igual.
El trabajo neto realizado por el fluido es igual al trabajo realizado por el agente
externo, menos el trabajo realizado por el fluido.
Como: entonces
Como sustituyendo tenemos:
El trabajo neto incrementa la energía potencial y la energía cinética del fluido.
= +
+ = + +
Al dividir todos los miembros de la igualdad anterior por mg obtenemos. Teorema de
Bernoulli
No es más que la ley de conservación de la energía en fluido en movimiento.
2.2.1 APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE BERNOULLI.
a. El efecto en el balón analizamos el movimiento de un balón de futbol que además
de describir un movimiento de traslación gira alrededor de su propio eje. Al rotar,
el balón arrastra consigo una fina capa de aire por efecto del rozamiento.
Cuando el balón únicamente se traslada al flujo de aire se produce
en sentido contrario al movimiento del balón
si el balón, a la vez que avanza, gira sobre sí mismo, se superpone las
líneas a las dos situaciones anteriores .
En consecuencia, a un lado del balón la velocidad se aumenta y al otro
se, restan y entonces la velocidad del aire respecto al balón es mayor a
un lado que al otro.
En la región de mayor velocidad, la presión, de aumento con
la ecuación de Bernoulli es menor en comparación con la
+ = +
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región de menor velocidad, por consiguiente aparece una fuerza de una zona hacia la
otra que desvía el balón de trayectoria.
Mayor velocidad
Menor presión
b. El tubo de venturi.
Sabemos que:
+ =
Así: =
=
Y =
Del teorema de Bernoulli tenemos
+ + = + +
=
Así: + = +
- = - de aquí: =
- = = =
= ; como = por ecuación de continuidad tenemos:
=
=
= - factorizando ; =
= =
En el tubo de Venturi el área de la región angosta es menor entonces la velocidad del
fluido es mayor de acuerdo con la ecuación de Bernoulli + = +
Menor velocidad
Mayor presión
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Si la velocidad es menor que la velocidad , entonces la presión es mayor que
la presión , por tanto aparece una diferencia de alturas en las dos columnas de
líquido.
c. El teorema de torricelli. Consideremos un depósito ancho con un orificio en el punto 1 y en el punto 2 la presión
es la atmosférica (está destapado al aire libre); como el diámetro del orificio es muy
pequeño con respecto al diámetro del depósito, la velocidad con la que desciende la
superficie libre del agua del depósito es muy lente comparada con la velocidad de la
salida. Por tanto podemos considerar que la velocidad en el punto 1 es igual a cero.
Al aplicar la ecuación de Bernoulli tenemos:
+ + = + +
= + - =
= =
Es decir; “la velocidad de salida de un fluido por un orificio, es la misma que
adquiriría un cuerpo cayese libremente, partiendo del reposo, desde una altura h.
Nota:
La cantidad de líquido que sale por el orificio depende de el área A de este y la
velocidad v de salida, este caudal de agua ó líquido se conoce con el nombre de
Gasto teórico = A.
Cuando se tiene en cuenta la forma del orificio hay que multiplicar el gasto teórico
por un coeficiente llamado de descarga cuyo valor en un agujero, circular que es lo
más común es igual a 0,62 así 0btentrá el llamado Gasto real ó efectivo
=
3. ACCIONES PARA RE-CONTRUIR EL CONOCIMIENTO
1. El mar muerto es la extensión de agua con mayor índice de salinidad de toda la tierra.
¿Por qué una persona flota con más facilidad en este mar que en otra cualquiera?
2. Dispone de tres cubos de madera, acero y aluminio, de aristas iguales. Haz un dibujo
de cómo quedarían esos cubos si los colocaras en un recipiente con mercurio.
3. En una espectacular experiencia, Pascal reventó un barril lleno de agua usando sólo una
pequeña cantidad adicional de líquido agregada por un tubo muy delgado y largo,
como se muestra en la figura. Explica este resultado.
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4. Un bañista con un globo inflado está sumergido a la mitad de la profundidad de una
piscina. ¿en qué dirección debe moverse para disminuir el volumen del globo? Explica
tu respuesta.
5. Una caja transparente de acrílico que cierra herméticamente, se llena en sus dos
terceras partes con agua. Si las dimensiones de la caja son de , y , determina
cuál de las caras debe apoyarse sobre el suelo para que ejerza la máxima presión sobre
él mismo. Explica.
6. en un diagrama, muestra las medidas de los pistones de una prensa hidráulica que
multiplique por la fuerza aplicada.
7. La presión máxima que una persona normal soporta es de 8 . Con base en este
dato, ¿cuál es la máxima profundidad a la que una persona puede descender en el mar
sin correr peligro? La densidad del agua de mar es de . 8. Un esquimal se desplaza sobre un rio montado en bloque de hielo de
De volumen, de manera que la superficie de dicho bloque coincide
con la del agua del río. ¿Cuál es el peso del esquimal?
9. ¿por qué flota un barco aunque lleva objetos más densos que el agua?
10. ¿en qué situación pesa más un cuerpo: cuando está en el aire o cuando está en el vacío?
11. Para desocupar un tarro de aceite se acostumbra abrir un orificio diferente al
destinado para que salga el líquido. ¿qué ventajas tiene este procedimiento?
12. ¿ Cuánto tarda en llenarse con agua un depósito cilíndrico de altura y diámetro
de la base 2m si el líquido fluye hacia él desde un tubo de 5 cm de diámetro con
velocidad de
13. El diámetro de la aorta es de unos y la sangre fluye por ella con una rapidez
de determina la velocidad de la sangre en las arterias, si en toral éstas tienen un
área de
14. La orientación del ala de un avión con respecto al flujo de aire hace que la velocidad
del aire encima del ala sea mayor que la velocidad del aire por debajo de ésta.
Explica en términos de la presión por que se origina una fuerza de sustentación hacia
arriba.
15. La masa de un aeroplano es de 165.000kg. el aire fluye bajo la superficie de sus alas
con velocidad de ¿cuál es la velocidad sobre la superficie superior de las
alas, con área total de par que éste permanezca en el aire? (La densidad del aire es de
16. Explique el funcionamiento de un atomizador.
17. ¿Cómo podrías determinar la velocidad con que fluye un líquido por una manguera?
a. Toma dos hojas de papel y colócalas verticalmente una frente a la otra. Sopla por
entre ellas. ¿Qué observas? Explica este hecho.
18. ¿Cómo explicas que el chorro de agua producido por un grifo se haga cada vez más
angosto en su caída?
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19. ¿Cómo explicas que la capota de un automóvil convertible se infle cuando este se mueve
a alta velocidad?
20. En cada uno de los recipientes idéntico se practica un agujero a igual distancia del
fondo. Si uno se llena con agua y el otro con aceite, ¿en qué caso tiene mayor alcance
horizontal el líquido al salir del recipiente? Explica tu respuesta.
21. Al sacar la cabeza por una ventana de automóvil a alta velocidad tenemos dificultad
para respirar. ¿Cómo explicas este hecho?
22. Una esfera se suelta en un recipiente que contiene glicerina a una temperatura de
luego se repite el experimento, pero con glicerina a ¿en qué caso la
esfera alcanza el fondo del recipiente más rápido?. Explica tu respuesta.
4. ACTIVIDADES DE VERIFICACION DEL APRENDIZAJE
1. Escribe al frente de la frase una V si es verdadera, o una F si es falso. Justifica tus
respuestas.
a. Es más fácil sacar el tapón de un tanque de agua cuando éste se encuentra lleno, que
cuando está vacío.
b. Un iceberg es una mole de hielo y flota en el mar porque el hielo es más denso que el
agua líquida.
c. Una persona ejerce mayor presión sobre el suelo cuando está de pie que cuando esta
acostada.
d. Dos cuerpos de madera se hunden en la gasolina, porque la gasolina es menos densa que
la madera
e. El empuje sobre un cuerpo totalmente sumergido depende de la profundidad a la que
éste se encuentre.
f. La presión atmosférica aumenta a medida que aumenta la altura.
2. Relaciona las situaciones de la columna de la derecha con los conceptos de la columna
de la izquierda.
a. Presión
b. Principio de pascal
c. Principio de Arquímedes
d. Presión atmosférica.
1. Una persona parada sobre unos
esquís.
2. El funcionamiento de un gato
hidráulico.
3. Un barco en alta mar
4. Esterilización por vacío
3. Elige la respuesta correcta. Un submarino se encuentra en agua a una profundidad h.
para ascender bombea al exterior parte del agua que tiene acumulada en sus
estanques. El submarino asciende porque:
a. El empuje aumenta.
b. El empuje aumenta y el peso disminuye.
c. La fuerza neta está orientada hacia arriba.
d. El empuje disminuye
4. Describe una experiencia que se refiera a:
a. El principio de Arquímedes
b. El principio de Pascal.
c. La acción de la presión atmosférica.
5. Una bomba de caucho se eleva en el aire cuando se llena de hielo. Explica cuál es la
razón de este fenómeno.
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6. Describe diferencias entre los conceptos de presión y fuerza.
7. Describe diferencias entre los conceptos de presión y fuerza.
8. Explica la relación entre la presión en el interior de un líquido y su densidad y entre la
presión en el interior de un líquido y su densidad.
9. ¿Qué pasa con la presión que soportan los oídos de un bañista que nada a cierta
profundidad y luego se sumerge al doble de dicha profundidad?
10. ¿Qué le ocurre a la densidad de la madera si tomamos un trozo uniforme de ésta y lo
cortamos en cuatro partes iguales?
11. ¿Cómo puedes utilizar una manguera transparente y agua para hallar dos puntos de
una pared que se encuentran a la misma altura?
12. algún tipo de bebida con un pitillo, realmente el líquido no es succionado, como a veces
se comenta, si no que sube por el pitillo porque es empujado. Pero, ¿Qué es exactamente
lo que empuja al líquido? Justifica tu respuesta.
13. ¿a qué se debe que el aire sea más denso en ciudades como Barranquilla y Cartagena
que en Bogotá o Tunja?
14. Se tiene un acuario sobre una báscula. ¿se alterará la medida de la báscula si se
introduce un pez al acuario?
15. Llena con agua un vaso y colócalo boca abajo en otro recipiente, también con agua,
de tal modo que el borde del vaso quede ligeramente sumergido como se observa en la
figura. Explica por qué el agua no sale del vaso.
16. ¡Una curiosa experiencia!: toma un recipiente con agua y haz dos orificios en el fondo,
como se observa en la figura.
Si lo dejas caer, el agua deja de salir del recipiente durante la caída.
Explica por qué se presenta este hecho.
17. ¿cuál es el volumen ocupado por de hierro?
18. Determina de qué material está constituido un objeto que pesa y ocupa un
volumen de 19. Expresa en 20. Como se muestra en la figura, se introduce agua y mercurio en un tubo en forma de U.
si la altura alcanzada por el agua es ¿Cuál es la altura h cuando es sistema se
encuentra en equilibrio?
21. Se tiene una prensa hidráulica tal, que el área de pistón pequeño es y el área de
pistón grande es de . ¿cuánta fuerza debe aplicarse sobre el pistón pequeño para
levantar un cuerpo de con el pistón grande? 22. Un bloque de acero pesa en el aire y en el agua . ¿cuál es el peso aparente
del acero en el agua? ¿Cuál es el valor del empuje aplicado sobre el bloque?
23. Un objeto de de masa se sumerge completamente en mercurio y se obtiene un
peso aparente de .¿cuál es la densidad del material con que está constituido
el objeto?
24. Una lancha de de masa tiene un volumen de . ¿Cuántas personas de
soporta la lancha para no hundirse en el agua?
25. Escribe al frente de la frase una V si es verdadera, o una F si es falso. Justifica tus
respuestas.
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a. Un flujo enorme significa que todas las partículas de un fluido tiene la misma rapidez
al pasar por un punto.
b. La viscosidad se refiere a una fricción interna del fluido
c. Las líneas de corriente indican la velocidad de flujo.
d. Las líneas de flujo siempre se cruzan.
e. Un fluido incomprensible tiene una densidad constante.
f. Un tubo por el que fluye un líquido, al aumentar el área disminuye la presión
g. La velocidad de flujo de un líquido aumenta al disminuir el área del tubo
h. El gasto volumétrico de un fluido es mayor cuanto más viscoso es el fluido.
i. La presión sistólica se presenta cuando el corazón se contrae y la presión es mínima.
26. ¿Cómo es posible que el helicóptero, cuya densidad promedio es muy superior a la del
aire, se puede sostener en dicho medio?
27. Un niño intenta elevar una cometa pero no lo logra. ¿qué recomendaciones le darías
sobre el comportamiento del aire para lograr elevar la cometa?
28. ¿Por qué un avión comercial debe alcanzar una rapidez mínima de despegue antes de
dejar la pista?
29. La forma de las alas de un avión permita que el aire se mueva con mayor rapidez sobre
la parte superior del ala que sobre la parte inferior. Explica, en términos de ecuación
de Bernoulli, explica como se logra la elevación del avión.
30. El fluido A fluye tres veces más rápido que el fluido B a través del mismo tubo
horizontal.
¿Cuál tiene más densidad?, ¿cuántas veces más?
¿A qué se debe que dos autos que se mueven a gran velocidad y se pasa uno
junto al otro tiendan a “atraerse entre sí”?
31. Explica por qué se produce la curva que se observa en la trayectoria de las pelotas de
béisbol después de lanzar haciéndolas girar.
32. Explica por qué el agua fluye en una corriente continua al bajar por un tubo vertical,
en tanto que se fragmenta en gotas cuando cae libremente.
BIBLLIOGRAFIA Villegas R. Mauricio y Ramírez. Ricardo. INVESTIGUEMOS 10 FISICA (edit. voluntad )
Bautista B. Mauricio y García A. Edwin Ge. FISICA I (Edit Santillana )
Wilson. Yerry. Física segunda edición (Edit. Prentice hall ) Castañeda. Heriberto. Hola Física 10º (Edit. Susaeta )
Villamizar. Armando. FISICA MEGA (edit. Terranova )
Valero. Michel. FISICA 1 fundamental (edit. Norma )
Zitzewttz.Paul y Neft.Robert. Fisica 1 principios y problemas (Edit.Mc Graw Hill)