Fuerzas y Energía en la Física
Las fuerzas conservativas son aquellas asociadas a una función espacial llamada energía potencial. El trabajo realizado por estas fuerzas entre dos puntos (A y B) es independiente de la trayectoria, cumpliéndose que W = EP(A) – EP(B). Ejemplos son las fuerzas gravitatorias, electrostáticas y elásticas. Las fuerzas no conservativas, como las magnéticas, las derivadas de motores, músculos y el rozamiento, no cumplen esta condición.
Conservación de la Energía Mecánica
La energía mecánica (EM) se define como la suma de la energía cinética (EC) y la energía potencial (EP): E = EC + EP. En un sistema donde solo actúan fuerzas conservativas, la energía mecánica se mantiene constante, aunque la energía cinética y potencial puedan variar. Esto se deduce del teorema de las fuerzas vivas: W = EP(A) – EP(B), lo que lleva a EC(B) + EP(B) = EC(A) + EP(A).
Campo Gravitatorio
El campo gravitatorio es el conjunto de fuerzas gravitatorias que un cuerpo ejerce sobre otro en su entorno. La fuerza gravitatoria entre dos masas (M y m) separadas por una distancia r se expresa como: F = G*(Mm)/r2.
Ondas: Propiedades y Clasificación
Las ondas se pueden clasificar según varios criterios:
Número de Dimensiones
- Unidimensionales: Longitudinales (ej., en una cuerda).
- Bidimensionales: Superficiales (ej., ondas en el agua).
- Tridimensionales: Se propagan en todo el espacio (ej., sonido).
Energía Propagada
- Mecánicas: Energía mecánica debida a vibraciones (ej., sonido).
- Electromagnéticas: Energía electromagnética (ej., luz, radio).
Dirección de Vibración
- Longitudinales: La dirección de propagación y vibración coinciden.
- Transversales: La dirección de vibración es perpendicular a la de propagación.
Las propiedades cualitativas de las ondas se pueden estudiar sin cálculos matemáticos complejos.
Ondas Estacionarias
Las ondas estacionarias se forman por la superposición de dos ondas de igual amplitud y frecuencia que viajan en sentidos opuestos. En estas ondas, la forma espacial y temporal aparecen en funciones trigonométricas distintas, creando puntos de vibración nula llamados nodos y puntos de máxima vibración llamados vientres. Los nodos cumplen la condición y = 0 independientemente del tiempo.
////
Se suman:
En una onda normal, t y x entran en la fase de una sola función trigonométrica, mientras que en una estacionaria aparecen en funciones trigonométricas distintas. Interpretación: al aparecer la forma espacial y la temporal independientemente existen unos puntos en los que la vibración es siempre nula llamados nodos. Entre nodo y nodo hay un vientre. Nodos: y = 0 independientemente del tiempo, por lo que
=0.
n=1.2.3…
Movimientos Periódicos y Principio de Huygens
Movimientos Periódicos: Oscilaciones y Vibraciones
Una oscilación o vibración es un movimiento alternativo alrededor de una posición de equilibrio. Si la oscilación es simétrica y periódica, se denomina movimiento armónico. El movimiento armónico simple (MAS) es el más sencillo de estos movimientos.
Principio de Huygens
El Principio de Huygens establece que cada punto de un frente de onda se convierte en un foco emisor de ondas secundarias. La superficie envolvente de estos frentes secundarios forma un nuevo frente principal. Este principio es fundamental para explicar fenómenos como la reflexión, refracción y difracción.
Fenómenos Ondulatorios: Reflexión, Refracción y Difracción
Reflexión y Refracción
Cuando un frente de onda alcanza la superficie que separa dos medios, puede ocurrir:
- Reflexión: El frente retrocede al medio inicial.
- Refracción: El frente pasa al segundo medio.
En la reflexión, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (1ª LEY: q = q’). En la refracción, la relación entre los ángulos y las velocidades de propagación se describe por la 2ª LEY: sen q’/sen q = v’/v.
Difracción
La difracción es la desviación y distorsión de los frentes de onda al encontrar obstáculos o aberturas. Los puntos en los focos emisores actúan como nuevos emisores (Principio de Huygens). A mayor longitud de onda, mayor difracción. La difracción también explica la formación de franjas claras y oscuras en la interferencia de ondas.
Física Actual: Radiación y Reacciones Nucleares
Radiación
La radiación se clasifica en:
- Rayos alfa (α): Núcleos de helio (He2,4).
- Rayos beta (β): Electrones (e-1,0) o positrones (e+1,0).
- Rayos gamma (γ): Fotones de alta intensidad (γ0,0).
Fisión Nuclear
La fisión nuclear ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos núcleos más ligeros al ser bombardeado por neutrones, liberando más neutrones y energía. Este proceso es exoenergético y conlleva una pérdida de masa.
Fusión Nuclear
La fusión nuclear es la unión de núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado, liberando energía. Requiere una alta energía de activación para iniciar la reacción.
H1,2 + H1,2 = He2,4
Óptica: Reflexión y Refracción de la Luz
La reflexión es el rebote de la luz en una superficie, mientras que la refracción es el paso de la luz a través de una superficie, cambiando de medio.
Leyes de la Reflexión
- El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano.
- El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (F = F’).
Leyes de la Refracción
- El rayo incidente, el rayo refractado y la normal están en el mismo plano.
- La relación entre los ángulos y los índices de refracción se describe por: n * senF = n’ * senF’.
Si n > n’, entonces F’ > F, y el rayo se separa de la normal. El ángulo límite es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo refractado es 90°.
Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones por un metal al ser iluminado con luz. Este efecto es más pronunciado en metales alcalinos. Sus características son:
- Es instantáneo.
- Existe una frecuencia umbral mínima para que ocurra.
- La energía cinética de los electrones emitidos depende de la frecuencia, no de la intensidad de la radiación.
Estos resultados no se explican con la teoría clásica ondulatoria de la luz. La explicación se encuentra en la teoría cuántica de Planck, que postula que la radiación electromagnética está compuesta por cuantos de energía (E = h*v). Un electrón es emitido al absorber un cuanto de luz con suficiente energía, lo que explica la instantaneidad del efecto. La energía mínima para arrancar un electrón se llama energía de extracción (W0).