La física contemporánea es el inicio de un estudio que
revolucionan el pensamiento y abren las puertas hacia un futuro lleno de
tecnología fisica.
A través del tiempo la físicanos ha demostrado los
aspectos que posee un elemento simple que día a día nos mejora la vida.la
física posee diversas ramas las cuales tiene un inicio a partir de la época
contemporánea. pues fue enesa poca en la que los descubrimientos se dieron a
conocer.
Esta tiene un inicio con los grandes pensadores como
Aristóteles y Platón los cuales plantearon problemas y su posible solución con
loselementos que en este tiempo poseían .
La Física clásica se encarga del estudio de aquellos
fenómenos que ocurren a una velocidad relativamente pequeña comparada con la
velocidad de la luz en el vacío ycuyas escalas espaciales son muy superiores al
tamaño de átomos y moléculas. "
Dentro del campo de estudio de la Física clásica se
encuentran la:
• Mecánica
• Termodinámica
• Mecánica ondulatoria
• Óptica
• Electromagnetismo:
Electricidad | Magnetismo
La Física contemporánea se encarga del estudio de los
fenómenos no-lineales, de la complejidad de la naturaleza, de los procesos fuera
del equilibrio termodinámico y de los fenómenos que ocurren a escalas
mesoscópicas y nanoscópicas. Esta área de la física se comenzó a desarrollar
hacia finales del siglo XX y principios del siglo XXI
Dentro del campo de estudio de la Física contemporánea se
encuentran:
• Termodinámica
fuera del equilibrio: Mecánica estadística |Percolación
• Dinámica
no-lineal: Turbulencia | Teoría del Caos | Fractales
La Óptica se encarga de estudiar el comportamiento de la
luz. Es, también, una de las ramas más antiguas: los fenómenos de reflexión y
refracción se conocen desde la antigüedad, y genios como Newton dedicaron
grandes esfuerzos a su estudio. La historia de la óptica cambió radicalmente
con Maxwell, que relacionó la luz con las ondas electromagnéticas, dando lugar
a la óptica física. Video de optica
Es la parte de la física que estudia la acción de los
fluidos en reposo o en movimiento, tanto como sus aplicaciones y mecanismos que
se aplican en los fluidos. Es la parte de la mecánica que estudia el
comportamiento de los fluidos en equilibrio (Hidrostática) y en movimiento
(Hidrodinámica). Esta es una ciencia básica de la Ingeniería la cual tomó sus
principios de las Leyes de Newton y estudia la estática, la cinemática y la
dinámica de los fluidos.
Se clasifica en:
- Estática: De los líquidos llamada Hidrostática. De los
gases llamada Aerostática.
- Cinemática: De los líquidos llamada Hidrodinámica. De los
gases llamada Aerodinámica
Hidrostática:
La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de
la hidráulica, que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin
que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales
teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal
y el principio de Arquímedes
Principio de pascal:
En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una
ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que
se resume en la frase: “el incremento de presión aplicado a una superficie de
un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se
transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”. Es decir que
si en el interior de un líquido se origina una presión, estas se transmiten con
igual intensidad en todas direcciones y sentidos. En el sistema internacional,
la unidad de presión es 1 Pascal (Pa), que se define como la fuerza ejercida
por 1 newton sobre la superficie de 1 metro cuadrado.
Presión hidrostática
Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre
el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier
objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en
fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la
superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las
caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no
serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende
de la densidad del líquido en cuestión
Densidad de los fluidos:
La densidad de una sustancia se define como el cociente
de su masa entre el volumen que ocupa. La unidad de medida en el S.I. de
Unidades es kg/m3, también se utiliza la unidad g/cm3.
El
electromagnetismo es la rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos
eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados
por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James
Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales
vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus
respectivas fuentes materiales que son conocidas como ecuaciones de
Maxwell. Los conceptos relacionados a la
teoría incluyen la corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización
magnética.
El
electromagnetismo es una teoría de campos.
Las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes
físicas vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El
electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales
intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento. Se utiliza los campos eléctricos y magnéticos
y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una
teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de
partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el
Electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los
que es necesario usar la Mecánica Cuántica o Física Moderna. Video de electromagnetismo
Una onda es
una perturbación que se propaga desde el punto en que se produjo hacia el medio
que rodea ese punto.
Las ondas
materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para
propagarse.
El medio
elástico se deforma y se recupera vibrando al paso de la onda.
La
perturbación comunica una agitación a la primera partícula del medio en que
impacta -este es el foco de las ondas- y en esa partícula se inicia la onda.
La
perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el
medio que rodea al foco con una velocidad constante en todas las direcciones,
siempre que el medio sea isótropo ( de iguales características físico- químicas
en todas las direcciones ).
Todas las
partículas del medio son alcanzadas con un cierto retraso respecto a la primera
y se ponen a vibrar: recuerda la ola de los espectadores en un estadio de
fútbol.
La forma de
la onda es la foto de la perturbación propagándose, la instantánea que congela
las posiciones de todas las partículas en ese instante.
Curiosamente,
la representación de las distancias de separación de la posición de equilibrio
de las partículas al vibrar frente al tiempo dan una función matemática seno
que, una vez representada en el papel, tiene forma de onda.
Podemos predecir
la posición que ocuparán dichas partículas más tarde, aplicando esta función
matemática.
El movimiento
de cada partícula respecto a la posición de equilibrio en que estaba antes de
llegarle la perturbación es un movimiento vibratorio armónico simple.
Una onda
transporta energía y cantidad de movimiento pero no transporta materia: las
partículas vibran alrededor de la posición de equilibrio pero no viajan con la
perturbación.
Veamos un
ejemplo: la onda que transmite un látigo lleva una energía que se descarga al
golpear su punta. Las partículas del látigo vibran, pero no se desplazan con la
onda.
Las
partículas perturbadas por la onda sufren unas fuerzas variables en dirección e
intensidad que les producen una aceleración variable y un M.A.S.
Pulso y tren de ondas
El movimiento
de cualquier objeto material en un medio (aire, agua, etc) puede ser
considerado como una fuente de ondas. Al moverse perturba el medio que lo rodea
y esta perturbación, al propagarse, puede originar un pulso o un tren de ondas.
Un impulso
único, una vibración única en el extremo de una cuerda, al propagarse por ella
origina un tipo de onda llamada pulso. Las partículas oscilan una sola vez al
paso del pulso, transmiten la energía y se quedan como estaban inicialmente. El
pulso sólo está un tiempo en cada lugar del espacio. El sonido de un disparo es
un pulso de onda sonora.
Si las
vibraciones que aplicamos al extremo de la cuerda se suceden de forma continuada
se forma un tren de ondas que se desplazará a lo largo de la cuerda.
Tipos de ondas: ondas transversales y ondas
longitudinales
En función
del tipo de soporte que requieren para su propagación las ondas se clasifican
en mecánicas y electromagnéticas. Las mecánicas requieren un medio elástico
para propagarse y las electromagnéticas no, se pueden propagar en el vacío.
Si las
clasificamos en función de como vibran respecto a la dirección de propagación
tenemos las ondas transversales y las longitudinales.
Si las
partículas del medio en el que se propaga la perturbación vibran
perpendicularmente a la dirección de propagación las ondas se llaman
transversales. Si vibran en la misma dirección se llaman longitudinales.
Aceptaremos
que la forma de los pulsos no varía durante la propagación, lo cual sólo es
sólo cierto para las ondas electromagnéticas propagándose en el vacío. Las
demás ondas se atenúan.
Vamos a
referirnos únicamente a ondas cuyos pulsos pueden ser descritos por las
funciones matemáticas seno y coseno. Lamamos a estas ondas ondas armónicas. Las
partículas del medio en que se propaga una ondas transversal (en este caso las
de la cuerda) vibran perpendicularmente a la posición inicial de la cuerda,
separándose de la posición inicial, subiendo y bajando con un movimiento
vibratorio armónico simple.
La separación
de la posición de equilibrio responde a la fórmula y(t )=A· sen (w t), donde A
es la amplitud o separación máxima. La velocidad de vibración de las partículas
es variable ( v=A ·w·cos wt ), perpendicular a la dirección de propagación y
diferente de la velocidad de propagación del pulso (V) que es constante.
Las ondas
tranversales tienen crestas y valles y las longitudinales tienen compresiones y
dilataciones. En los dos tipos de ondas una partícula siempre se separa
armónicamente de la posición de equilibrio.
Si una onda
interfiere con otra en determinados puntos puede ocurrir que se anule la
vibración formándose un nodo (mira el dibujo animado del inicio de la página
que representa la onda estacionaria en una cuerda).
Las ondas
longitudinales (como las del sonido) se propagan en medios con resistencia a la
compresión (gases, líquidos y sólidos) y las transversales necesitan medios con
resistencia a la flexión, como la superficie de un líquido, y en general medios
rígidos. Los gases y los líquidos no transmiten las ondas transversales.
Longitud de onda, frecuencia y periodo
Se define la
longitud de onda, l, como la distancia que recorre el pulso mientras un punto
realiza una oscilación completa. El tiempo que tarda en realizar una oscilación
se llama periodo ( T ) y la frecuencia ( n ) es el número de oscilaciones
(vibraciones) que efectúa cualquier punto de la onda en un segundo.
Las ondas
viajeras a lo largo de una cuerda son ondas unidimensionales y, como todas las
ondas, realizan una transmisión de energía y cantidad de movimiento sin
transporte de materia.
Cuando dos
ondas se cruzan se producen los fenómenos de interferencia que afectan a las
partículas que están en el cruce pero no a las ondas, de manera que cada una
sigue su camino sin alterar ninguna de sus características ni el valor de la
energía transportada. Video de vibraciones
Antes de entrar a conocer a
fondo en el significado de la palabra que ahora nos ocupa, termodinámica, es
importante resaltar que el origen etimológico de la misma se encuentra en el
latín. Más concreta mente podemos subrayar el hecho de que está conformada por
la unión de tres partes claramente diferenciadas: el vocablo termos que viene a
definirse como “caliente”, el sustantivo dinamos que es equivalente a “fuerza”
o a “poder”, y el sufijo –ico que puede determinarse que significa “relativo
a”.
Termodinámica.
Se identifica con el nombre
de termodinámica a la rama de la física que hace foco en el estudio de los
vínculos existentes entre el calor y las demás variedades de energía. Analiza,
por lo tanto, los efectos que poseen a nivel macroscópico las modificaciones de
temperatura, presión, densidad, masa y volumen en cada sistema.
En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza
trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la
fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para
desplazarlo1 de manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que
se representa con la letra \ W (del inglés Work) y se expresa en unidades de
energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de
Unidades.
Ya que por definición el trabajo es un tránsito de
energía,2 nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza
como ΔW.
Leyes de Conservación
Si un sistema no interacciona con su entorno de ninguna
manera, entonces determinadas propiedades mecánicas del sistema no pueden
cambiar. Algunas veces nos referimos a ellas como "constantes del
movimiento". Estas cantidades se dice que son "conservadas" y
las leyes de conservación resultante se pueden considerar como los principios
mas fundamentales de la mecánica. En mecánica, ejemplos de cantidades
conservativas son la energía, el momento y el momento angular. Las leyes de
conservación son exactas para un sistema aislado.
Establecidas aquí como principios de la mecánica, estas
leyes de conservación tiene profundas implicaciones en la simetría de la
naturaleza, que no hemos visto violadas. Ellas sirven como una fuerte
restricción en cualquier teoría sobre cualquier rama de la ciencia
Conservación del Momento
El momento de un sistema aislado es una constante. La
suma de vectores de momentos mv de todos los objetos de un sistema, no pueden
ser cambiados por interacciones dentro del propio sistema. Esto supone una
fuerte restricción a los tipos de movimientos que pueden ocurrir en un sistema
aislado. Si a una parte del sistema se le da un determinado momento en una
dirección determinada, entonces alguna otra parte del sistema obtendrá
simultáneamente, exactamente el mismo momento en dirección opuesta. Hasta donde
podemos decir la conservación del momento es una simetría absoluta de la
naturaleza. O sea, no conocemos nada en la naturaleza que lo viole.
Conservación de la Energía
Definimos energía como la capacidad para producir
trabajo. Puede existir en una variedad de formas y pude transformarse de un
tipo de energía a otro tipo. Sin embargo, estas transformaciones de energía
están restringidas por un principio fundamental, el principio de conservación
de la energía. Una forma de establecer este principo es "la energía ni se
crea ni se destruye". Otro forma de decirlo es, la energía total de un
sistema aislado permanece constante.
Estas son las tres leyes de
Newton y, a continuación, vamos a comentarlas cada una por separado.
Primera ley o ley
de la inercia
La primera ley de Newton,
conocida también como Ley de inercía, nos dice que si sobre un cuerpo no actua
ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con
velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad
cero).
Como sabemos, el movimiento
es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el
movimiento. Así, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando
lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el
tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran
velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el
movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de
sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que
son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo
sobre el que no actua ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.
En realidad, es imposible
encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo
de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un
sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda
tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, suponer a
un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial.
Segunda ley o principio fundamental de la dinamica
La Primera ley de Newton nos
dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo
que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son
el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La Segunda ley de Newton se
encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta
aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho
cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que
podemos expresar la relación de la siguiente manera:
F = m a
Tanto la fuerza como la
aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor,
una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe
expresarse como:
F = m a
La unidad de fuerza en el
Sistema Internacional es el Newton y se representa por N. Un Newton es la
fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que
adquiera una aceleración de 1 m/s2, o sea,
1 N = 1 Kg · 1 m/s2
La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado
es válida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por
ejemplo un cohete que va quemando combustible, no es válida la relación F = m ·
a. Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de
sistemas en los que pueda variar la masa.
Para ello primero vamos a definir una magnitud física
nueva. Esta magnitud física es la cantidad de movimiento que se representa por
la letra p y que se define como el producto de la masa de un cuerpo por su
velocidad, es decir:
p = m · v
La cantidad de movimiento también se conoce como momento
lineal. Es una magnitud vectorial y, en el Sistema Internacional se mide en
Kg·m/s . En términos de esta nueva magnitud física, la Segunda ley de Newton se
expresa de la siguiente manera:
La Fuerza que actua sobre un cuerpo es igual a la
variación temporal de la cantidad de movimiento de dicho cuerpo, es decir,
F = dp/dt
De esta forma incluimos también el caso de cuerpos cuya
masa no sea constante. Para el caso de que la masa sea constante, recordando la
definición de cantidad de movimiento y que como se deriva un producto tenemos:
F = d(m·v)/dt =
m·dv/dt + dm/dt ·v
Como la masa es constante
dm/dt = 0
y recordando la definición de aceleración, nos queda
F = m a
tal y como habiamos visto anteriormente.
Otra consecuencia de expresar la Segunda ley de Newton
usando la cantidad de movimiento es lo que se conoce como Principio de
conservación de la cantidad de movimiento. Si la fuerza total que actua sobre
un cuerpo es cero, la Segunda ley de Newton nos dice que:
0 = dp/dt
es decir, que la derivada de la cantidad de movimiento
con respecto al tiempo es cero. Esto significa que la cantidad de movimiento
debe ser constante en el tiempo (la derivada de una constante es cero). Esto es
el Principio de conservación de la cantidad de movimiento: si la fuerza total
que actua sobre un cuerpo es nula, la cantidad de movimiento del cuerpo
permanece constante en el tiempo.
Tercera ley o principio de acción-reacción
Tal como comentamos en al principio de la Segunda ley de
Newton las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.
La tercera ley, también conocida como Principio de acción
y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B,
éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.
Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas
ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el
suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia
arriba.
Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien,
nosotros tambien nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción
que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de
empujarnos a nosotros.
Hay que destacar que, aunque los pares de acción y
reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre si,
puesto que actuan sobre cuerpos distintos.
Ley de la gravitación
universal
La fuerza de atracción que experimentan dos cuerpos es
directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional
al cuadrado de la distancia que los separa
G: Constate de gravitación universal = 6.67x10^-11
Trabajo y Leyes de la conservación de la materia
El trabajo es energía en movimiento y es una magnitud
escalar, igual al producto de la componente de la fuerza que actúa e la misma
dirección en que se efectúa el movimiento del cuerpo, por la distancia que se
desplaza el cuerpo.
El trabajo se mida en Joules: 1 Joule (J) = 1 Newton*
Metros = 1Kg m^2/ s^2
La fuerza aplicada a un cuerpo sobre una mesa es paralela
a la dirección del movimiento y la magnitud del trabajo es:
Describe
los cuerpos cuando se desplazan en una trayectoria rectilínea con una
aceleración constante
Ejemplos: Un cuerpo que aumenta su
velocidad a 3 m//s por cada segundo
Una fruta que se cae de
un árbol acelerada por la gravedad
Una pelota que es lanzada
verticalmente hacia arriba
Aceleración:
es el cambio de velocidad de n cuerpo con respecto al tiempo
Aceleración (m/s^2) = Velocidad final – Velocidad inicial (m/s) / Tiempo (s)
Fórmulas
para el movimiento rectilíneo uniforme acelerado:
Velocidad final
(m/s): Velocidad inicial + Aceleración (m/s^2)*Tiempo (s)
Velocidad
final^2: Velocidad inicial^2 + 2 Aceleración * Distancia (m)
Distancia (m):
Velocidad inicial * Tiempo + (Aceleración * Tiempo^2 / 2)
Distancia (m):
(Velocidad inicial + Velocidad final) *Tiempo / 2
Cuando un cuerpo parte
del reposo, su velocidad inicial es cero (Vi=0), si el cuerpo se detiene o
frena, entonces su velocidad final es igual a cero (Vf=0)
Cuando la aceleración de un cuerpo es positiva ( a > 0) la velocidad va en aumento, si la aceleración
es negativa ( V < 0) la velocidad del cuerpo va disminuyendo. Video de MRU