Test: Física Aplicada: Mecánica, Hidráulica, Calor y Termodinámica

Presentación del tema

La Física Aplicada es uno de los temas técnicos nucleares del temario de Bomberos del Ayuntamiento de Madrid (publicado en el BOAM de 10/10/2025). Su dominio es imprescindible porque los principios de mecánica, hidráulica, calor y termodinámica explican directamente el comportamiento del fuego, el agua en las mangueras, la resistencia de estructuras y la protección personal. Las preguntas de este bloque son habituales en el examen tipo test y exigen precisión numérica y conceptual.

Marco normativo y de referencia

Los contenidos de este tema se enmarcan en el temario oficial de la convocatoria de Bomberos del Ayuntamiento de Madrid, publicado en el Boletín Oficial del Ayuntamiento de Madrid (BOAM) de 10 de octubre de 2025. No existe una norma jurídica que regule los principios físicos en sí mismos; la fuente de referencia es el propio temario oficial y la física técnica aplicada al servicio de extinción de incendios.

Mecánica

Magnitudes fundamentales

• Masa (m): cantidad de materia. Unidad SI: kilogramo (kg).
• Fuerza (F): interacción que modifica el estado de movimiento. Unidad SI: newton (N). 1 N = 1 kg·m/s².
• Peso (P): fuerza gravitatoria sobre una masa. P = m · g, donde g ≈ 9,8 m/s².
• Presión (p): fuerza por unidad de área. p = F/A. Unidad SI: pascal (Pa). 1 Pa = 1 N/m².

Leyes de Newton

• Primera ley (inercia): un cuerpo permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si la fuerza neta sobre él es cero.
• Segunda ley (dinámica): F = m · a. La aceleración es proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa.
• Tercera ley (acción-reacción): toda fuerza de acción genera una fuerza de reacción igual y de sentido contrario. Relevante en bomberos: retroceso de mangueras.

Trabajo, energía y potencia

• Trabajo (W): W = F · d · cos θ. Unidad: julio (J).
• Energía cinética: Ec = ½ · m · v².
• Energía potencial gravitatoria: Ep = m · g · h.
• Principio de conservación de la energía: la energía total de un sistema aislado se conserva; se transforma, no se crea ni se destruye.
• Potencia (P): P = W/t. Unidad: vatio (W). 1 CV = 736 W (dato frecuente en exámenes).

Máquinas simples

• Palanca: ventaja mecánica = brazo de potencia / brazo de resistencia.
• Plano inclinado: reduce la fuerza necesaria aumentando la distancia recorrida.
• Polea: una polea fija cambia la dirección de la fuerza; una polea móvil reduce la fuerza a la mitad.

Hidráulica

Propiedades de los fluidos

• Los fluidos (líquidos y gases) no tienen forma propia y se deforman ante cualquier esfuerzo cortante.
• Densidad (ρ): masa por unidad de volumen. Agua: ρ = 1.000 kg/m³ a 4 °C.
• Viscosidad: resistencia interna al flujo. El agua tiene baja viscosidad; los espumógenos la modifican.

Principio de Pascal

La presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas las direcciones y sobre todas las superficies del recipiente.

• Aplicación directa: sistemas hidráulicos de vehículos de bomberos (frenos, grúas, escaleras articuladas).
• Fórmula: p = F₁/A₁ = F₂/A₂.

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido desalojado.

• Empuje (E) = ρ_fluido · g · V_sumergido.
• Relevante en rescates acuáticos y flotabilidad de embarcaciones de salvamento.

Ecuación de continuidad

• En un fluido incompresible: A₁ · v₁ = A₂ · v₂.
• Si la sección disminuye, la velocidad aumenta. Explica el efecto de las boquillas de las lanzas.

Teorema de Bernoulli

• En un fluido ideal en régimen estacionario: p + ½ρv² + ρgh = constante.
• A mayor velocidad del fluido, menor presión estática. Aplicación: efecto Venturi en inductores de espuma.

Presión hidrostática

• p = ρ · g · h.
• La presión aumenta con la profundidad. Cada 10 m de columna de agua ≈ 1 bar (≈ 100.000 Pa).
• Dato clave para bomberos: la presión en la boca de impulsión de una bomba debe vencer la altura manométrica total (altura geométrica + pérdidas de carga).

Golpe de ariete

• Sobrepresión brusca producida al cerrar rápidamente una válvula en una conducción. Puede dañar tuberías y equipos. Se evita cerrando las válvulas de forma progresiva.

Calor y Termodinámica

Conceptos básicos

• Temperatura: magnitud que mide el nivel térmico de un cuerpo. Escalas: Celsius (°C), Kelvin (K), Fahrenheit (°F).
  • Conversión: K = °C + 273,15.
  • Conversión: °F = (°C × 9/5) + 32.
• Calor (Q): energía en tránsito entre cuerpos a distinta temperatura. Unidad SI: julio (J). Unidad práctica: caloría (cal). 1 cal = 4,186 J.
• Calor específico (c): energía necesaria para elevar 1 kg de sustancia 1 °C. Agua: c = 4.186 J/(kg·°C) — el más alto de los líquidos comunes, lo que la hace el agente extintor más eficaz por enfriamiento.

Modos de transmisión del calor

• Conducción: transmisión a través de la materia sin desplazamiento macroscópico. Metales: alta conductividad. Madera, aire: baja conductividad (aislantes).
• Convección: transmisión por movimiento de masas de fluido (gases o líquidos). Mecanismo principal de propagación del incendio en espacios cerrados.
• Radiación: transmisión por ondas electromagnéticas (infrarrojo). No necesita medio material. Peligro en incendios forestales y de grandes superficies.

Leyes de la termodinámica

• Principio cero: si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí. Fundamento de la medición de temperatura.
• Primer principio (conservación de la energía): la variación de energía interna de un sistema es igual al calor absorbido menos el trabajo realizado por el sistema: ΔU = Q − W.
• Segundo principio: el calor fluye espontáneamente del cuerpo más caliente al más frío. La entropía de un sistema aislado nunca disminuye. Explica por qué el fuego se propaga hacia zonas más frías.

Cambios de estado

• Fusión / solidificación: sólido ↔ líquido.
• Vaporización / condensación: líquido ↔ gas.
• Sublimación: sólido → gas directamente (CO₂ sólido, nieve carbónica).
• Calor latente: energía absorbida o cedida en un cambio de estado sin variación de temperatura. El agua tiene un calor latente de vaporización muy elevado (≈ 2.260 kJ/kg), lo que potencia su capacidad extintora al vaporizarse sobre el foco.

Dilatación térmica

• Los cuerpos se dilatan al aumentar la temperatura. Relevante en estructuras metálicas sometidas a incendio: la dilatación puede provocar colapso estructural antes de que el acero alcance su punto de fusión.

Datos numéricos y plazos que más se preguntan

• g ≈ 9,8 m/s² (aceleración de la gravedad).
• Densidad del agua: 1.000 kg/m³ a 4 °C.
• 1 bar ≈ 100.000 Pa ≈ 10 m de columna de agua.
• 1 atm = 101.325 Pa.
• Calor específico del agua: 4.186 J/(kg·°C).
• Calor latente de vaporización del agua: ≈ 2.260 kJ/kg.
• 1 cal = 4,186 J.
• 1 CV = 736 W.
• K = °C + 273,15.

Errores típicos del opositor

• Confundir masa y peso. La masa se mide en kg; el peso es una fuerza y se mide en N.
• Confundir presión y fuerza. La presión depende también del área: misma fuerza sobre menor área = mayor presión.
• Invertir la ecuación de continuidad. Si la sección disminuye, la velocidad aumenta (no disminuye).
• Confundir calor y temperatura. El calor es energía en tránsito; la temperatura es un estado del cuerpo.
• Olvidar el calor latente. Durante un cambio de estado la temperatura no varía, aunque se absorba o ceda calor.
• Atribuir la convección a sólidos. La convección solo ocurre en fluidos (líquidos y gases).

Trucos mnemotécnicos

• “Newton manda en la F”: F = m·a. La F va sola a un lado; m y a se multiplican.
• “Pascal transmite igual a todos”: la presión se reparte igual en todas las direcciones en un fluido confinado.
• “Bernoulli: más velocidad, menos presión”: la boquilla estrecha acelera el agua y reduce la presión estática — efecto Venturi en inductores de espuma.
• “El agua es la reina del calor”: mayor calor específico entre líquidos comunes + altísimo calor latente = agente extintor por enfriamiento insuperable.
• “Kelvin siempre es positivo”: para convertir °C a K, suma 273. Nunca puede haber Kelvin negativos (0 K = cero absoluto).
• “Conducción-Convección-Radiación = Sólido-Fluido-Vacío”: cada modo de transmisión se asocia al medio en que predomina.