Sistemas de Referencia y Relatividad

Sistemas de referencia. Existen dos tipos principales:

• Inercial: El observador se mantiene en reposo y observa un objeto en reposo hasta que una fuerza actúa sobre él. En estos sistemas se cumple la 1ª Ley de Newton o Ley de Inercia. Las fuerzas que causan variaciones son reales y tienen reacción (3ª Ley de Newton). Todo sistema inercial está en reposo o en Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) respecto a otros sistemas inerciales.
• No Inercial: El observador detecta que un objeto se mueve sin que ninguna fuerza actúe sobre él. Aquí no se cumple la 1ª Ley de Newton, y aparecen fuerzas ficticias que no tienen reacción, es decir, no cumplen la Ley de Acción y Reacción. Todos los sistemas no inerciales están acelerados respecto a cualquier sistema inercial.

Relatividad en la Mecánica Clásica

Cualquier experimento mecánico realizado en un sistema en reposo se desarrollará igualmente en un sistema que se mueva a velocidad constante con respecto al primero. No se puede distinguir entre un sistema de referencia en reposo o en movimiento, solo se puede saber con respecto a otro sistema.

Transformaciones de Galileo

Permiten que un observador O’ interprete la información de un observador O y viceversa, estando ambos en distintos sistemas de referencia S’ y S. Las transformaciones son:

X’=X-ut; y’=y; z’=z; t’=t

Velocidad y aceleración:

V’=v-u; a’=a; F’=F

La aceleración tendrá el mismo valor en todos los sistemas inerciales, y la fuerza tampoco variará al no cambiar la aceleración ni la masa.

Limitaciones de la Física Clásica

Las transformaciones de Galileo y Newton, junto con Maxwell, supusieron un gran avance en la revolución de la física del siglo XX. La simplicidad de la física clásica permitió comparar la luz con otras ondas mecánicas conocidas, como las ondas del sonido.

Características de las ondas del sonido: necesitan un medio para propagarse. De manera similar, se pensaba que la luz necesitaba un medio llamado éter. Las ondas sonoras se propagan a una velocidad fija con respecto a su medio de propagación, y se asumió que las ondas de luz debían propagarse a una velocidad fija (módulo c) con respecto a su medio de propagación.

Estas suposiciones llevaron a la existencia de una materia misteriosa llamada éter, que no debía tener masa (ya que la luz viaja por el vacío) y debía tener propiedades elásticas para transmitir las vibraciones transversales al movimiento de la luz.

Postulados de Einstein y la Relatividad Especial

La teoría especial de la relatividad, aplicable tanto a fenómenos físicos como mecánicos o electromagnéticos, se basa en dos postulados:

1. Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales.
2. La velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas de referencia inerciales, independientemente de la velocidad de la fuente.

Dilatación Relativista del Tiempo y del Espacio

El tiempo en un sistema en movimiento parece dilatarse respecto al tiempo medido en un sistema en reposo solidario con el observador. En un sistema en movimiento, las longitudes paralelas al desplazamiento parecen contraídas respecto a las longitudes propias de los cuerpos. Este fenómeno también se conoce como contracción de Fitzgerald-Lorentz.

Energía Relativista Total

E=mc². En cualquier sistema de referencia inercial, la energía relativista total de un sistema aislado se mantiene constante, dado que la masa y la velocidad de la luz no varían.

Radiación Térmica y Física Cuántica

Radiación Térmica de un Cuerpo Negro

La energía electromagnética que emite un cuerpo debido a su temperatura se denomina radiación térmica. Esta radiación varía tanto con la temperatura como con el tiempo. Sin embargo, hay cuerpos cuya radiación solo depende de su variación térmica, conocidos como cuerpos negros.

Planck postuló que los átomos que emiten radiación se comportan como osciladores armónicos. Cada oscilador absorbe o emite energía de la radiación en una cantidad proporcional a su frecuencia de oscilación: Eo=hf. Los paquetes de energía hf se llamaron cuantos, de manera que la energía de los osciladores está cuantizada, donde n es un número cuántico.

Efecto Fotoeléctrico

Descubierto por Hertz, consiste en que al someter ciertas superficies metálicas a la acción de la luz, estas desprenden electrones (fotoelectrones). El trabajo necesario para arrancar un electrón del metal depende de su energía de enlace con este. Existen tres hechos que no se pueden explicar con la teoría electromagnética clásica:

• La emisión solo ocurre si la frecuencia de la radiación supera una frecuencia mínima de la superficie, llamada frecuencia umbral (f_u).
• Si la frecuencia es mayor a la frecuencia umbral (f>f_u), el número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad de la radiación incidente.
• Nunca se ha medido un retraso entre la iluminación y la emisión de los fotoelectrones, mientras que la teoría clásica predice un tiempo de retraso.

Explicación de Einstein

Einstein explicó el efecto fotoeléctrico suponiendo que la cantidad de energía de cada fotón se relaciona con su frecuencia: E=hf. Un fotón es absorbido completamente por un fotoelectrón. La energía cinética del fotoelectrón es: Ec=hf-W₀. Esto resuelve los problemas que la teoría clásica tenía para explicar el efecto fotoeléctrico.

La mínima energía para arrancar un electrón es W₀. Si la frecuencia de la radiación es menor a f_u, ningún fotoelectrón será extraído. Aunque se duplique la intensidad de la luz, la energía hf no varía para los electrones individuales, por lo que la energía cinética tampoco variará. Dado que la energía necesaria para extraer un electrón se suministra en paquetes, no hay retraso en la emisión.

Espectro de Emisión y Absorción

Los elementos emiten energía en forma de radiación electromagnética, pero únicamente en algunas frecuencias determinadas. Los elementos también absorben algunas frecuencias específicas al ser iluminados con radiación electromagnética.

Dualidad Onda-Partícula

De Broglie postuló la dualidad de la radiación de la materia, es decir, que los electrones tienen un aspecto corpuscular y ondulatorio. Por lo tanto, la energía de la materia se relaciona con su frecuencia: E=hf. La longitud de onda asociada a una partícula es: λ=h/p.