Trabajo

Hablamos de trabajo cuando una fuerza (expresada en newton) mueve un cuerpo y libera la energía potencial de este; es decir, un hombre o una máquina realiza un trabajo cuando vence una resistencia a lo largo de un camino. Por ejemplo, para levantar una caja hay que vencer una resistencia, el peso P del objeto, a lo largo de un camino, la altura d a la que se levanta la caja.

Energía

Se define como energía aquella capacidad que posee un cuerpo (una masa) para realizar trabajo luego de ser sometido a una fuerza; es decir, el trabajo no se puede realizar sin energía. Esta capacidad (la energía) puede estar dada por la posición de un cuerpo o por la velocidad del mismo.

Tipos de energía

Energía mecánica

La energía mecánica es la energía que presentan los cuerpos en razón de su movimiento (energía cinética), de su situación respecto de otro cuerpo, generalmente la tierra, o de su estado de deformación, en el caso de los cuerpos elásticos. Es decir, la energía mecánica es la suma de las energías potencial (energía almacenada en un sistema), cinética (energía que surge en el mismo movimiento).

Energía potencial

Capacidad que tiene un cuerpo para desarrollar una acción de acuerdo a cómo están configurados en el sistema de cuerpos que realizan fuerzas entre sí. En otras palabras, la energía potencial es la energía que es capaz de generar un trabajo como consecuencia de la posición del cuerpo.

Energía cinética (depende del movimiento y de la velocidad)

Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo. Para que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento es necesario aplicarle una fuerza. Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo.

Potencia

En la definición de trabajo no se especifica el tiempo necesario para realizarlo. La rapidez con la que se realiza el trabajo es la potencia. La potencia es la razón de cambio a la que se realiza trabajo. Es igual al cociente del trabajo realizado entre el intervalo de tiempo que toma realizarlo. Decir que un motor tiene el doble de potencia significa que puede realizar el mismo trabajo en la mitad del tiempo.

Fuerza gravitatoria

Todo cuerpo masivo atrae gravitacionalmente a otro. La Tierra nos atrae y nosotros atraemos a la Tierra (aunque la fuerza que ejerce nuestro cuerpo es prácticamente imperceptible, y en la práctica, solo se nota la fuerza de atracción de la Tierra). La gravitación universal, descubierta por Newton, implica que la Tierra no solo atrae a los objetos que están en su superficie, sino también a la Luna y a cualquier cuerpo en su cercanía. Además, el Sol atrae a la Tierra y a todos los demás planetas, las estrellas se atraen entre sí, las galaxias también y así toda la materia del Universo.

4 Fuerzas que actúan en la naturaleza

Fuerza gravitatoria

La gravedad es una de las 4 interacciones fundamentales. Origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico.

Fuerza electromagnética

Los griegos se habían dado cuenta que al frotar un pedazo de ámbar (electros en griego) con una tela, el ámbar adquiría la propiedad de atraer pequeños pedazos de papel. También se conocían desde la antigüedad los imanes, pedazos de hierro con la propiedad de atraer a los objetos de hierro, y también de atraerse o repelerse entre sí al igual que las cargas eléctricas. Un imán posee dos polos, norte y sur; pero si se parte un imán por la mitad no se aíslan los polos sino que se obtienen dos nuevos imanes con un par de polos de cada uno: ésta es la diferencia esencial con la fuerza eléctrica. La fuerza electromagnética es una interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica. Desde un punto de vista macroscópico y fijado un observador, suele separarse en dos tipos de interacción, la interacción electrostática, que actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interacción magnética, que actúa solamente sobre cargas en movimiento respecto al observador.

Fuerza nuclear fuerte

• Fuerza en los núcleos atómicos, mucho más intensa que la que ejerce la repulsión electrostática entre las cargas positivas, lo que permite que estas últimas permanezcan unidas.
• Tiene como partícula mediadora el gluón, que es una partícula sin masa, de spin igual a uno y es la responsable de mantener unidos los quarks.
• Mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos
• Actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, ya sean protones o neutrones.
• Tiene una constante de acoplamiento del orden de la unidad, por lo que es de mayor intensidad que las restantes fuerzas (unas cien veces más intensa que la interacción electromagnética) con un alcance que se reduce a una zona muy pequeña del espacio de unos 10^-15 m, que equivale a lo que mide el núcleo atómico.
• A la distancia de 10^-15 m. la fuerza nuclear se comporta como una fuerza atractiva, permitiendo que cargas del mismo signo (los protones) se mantengan unidos.
• A una distancia menor, la fuerza se vuelve de carácter repulsivo, lo cual impide el colapso del núcleo.
• Esta fuerza es la responsable de la aparición de muones en colisiones de alta energía.
• La teoría actual desarrollada por Yang y Mills, sobre este tipo de interacción se llama cromodinámica cuántica, desarrollada por analogía con la electrodinámica de Feynman y colaboradores.

Fuerza nuclear débil

• Las partículas mediadoras serían unos bosones débiles cuya masa es distinta de cero, su spin es la unidad.
• La baja constante de acoplamiento de la interacción débil se explica debido al alto valor de la masa de los bosones W y Z, en torno a 5·10^-14.
• Se trata de una fuerza mucho más débil y de más corto alcance que la fuerza nuclear fuerte.
• Su alcance es del orden de los 10^-18 m y su intensidad unas 10^-9 veces menor que la fuerte nuclear fuerte.
• Esta fuerza es la responsable de ciertos tipos de radiactividad natural, como puede ser la radiación β^–, en la que un neutrón del núcleo se desintegra, dando lugar a un protón y a la emisión de una partícula β^–, que no es otra cosa más que un electrón, y un antineutrino.
• El neutrino es el mejor ejemplo de las interacciones débiles.

Leyes de Kepler

Primera Ley de Kepler: Ley de las órbitas

Con las observaciones de Tycho Brahe, Kepler se decidió en determinar si las trayectorias de los planetas se podrían describir con una curva. Por ensayo y error, descubrió que una elipse con el Sol en un foco podría describir acertadamente la órbita de un planeta sobre el Sol.

Fundamentalmente, las elipses son descritas por la longitud de sus dos ejes. Un círculo tiene el mismo diámetro si se le mide a lo ancho, hacia arriba y hacia abajo. Pero una elipse tiene diámetros de diversas longitudes. El más largo se llama el eje mayor, y el más corto es el eje menor. El radio de estas dos longitudes determina la excentricidad (e) de la elipse; mide cuán elíptica es. Los círculos tienen e=0, y las elipses muy estiradas hacia fuera tienen una excentricidad casi igual a 1.

Los planetas se mueven en elipses, pero son casi circulares. Los cometas son un buen ejemplo de objetos en nuestro Sistema Solar que pueden tener órbitas muy elípticas. Compare las excentricidades y las órbitas de los objetos que aparecen en en el diagrama.

Segunda Ley de Kepler: Ley de las áreas

Nos da información sobre la velocidad a la que se desplaza el planeta. La recta que une el planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales. Para que esto se cumpla, la velocidad del planeta debe aumentar a medida que se acerque al Sol. Esto sugiere la presencia de una fuerza que permite al Sol atraer a los planetas, tal y como descubrió Newton años más tarde.

Tercera Ley de Kepler: Ley de los periodos

También conocida como armónica o de los periodos, relaciona los periodos de los planetas, es decir, lo que tardan en completar una vuelta alrededor del Sol, con sus radios medios.