física
MOVIMIENTO RECTILINEO
Un movimiento es rectilíneo cuando
el cuerpo describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad constante en el tiempo, dado
que su aceleración es nula. Nos referimos a él mediante el acrónimo
MRU.
El MRU (movimiento
rectilíneo uniforme) se caracteriza por:
·
Movimiento que se realiza sobre una línea recta.
·
Velocidad constante; implica magnitud y dirección constantes.
·
La magnitud de la velocidad recibe el nombre de celeridad o
rapidez.
Aceleración nula.
Ecuaciones del
movimiento
Sabemos que la velocidad es constante; esto
significa que no existe aceleración
La posición en cualquier instante viene dada por:
Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado
El
Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado es aquél en el que un cuerpo se desplaza
sobre una recta con aceleración
constante. Esto implica que en cualquier intervalo de tiempo,
la aceleración del
cuerpo tendrá siempre el mismo valor.
Por ejemplo la caída libre de un cuerpo, con aceleración de la
gravedad constante.
La velocidad media representa la velocidad con
que debería moverse el móvil para recorrer con m.r. u. y en el mismo tiempo la distancia que
ha recorrido con movimiento variado.
Para obtener la velocidad instantánea, que es la velocidad del móvil en un instante dado, es necesario medir la distancia recorrida por el móvil durante una fracción pequeñísima de tiempo, y dividir el espacio observado entre la fracción de tiempo. En los automóviles de velocidad instantánea está indicada por la aguja del velocímetro.
Para obtener la velocidad instantánea, que es la velocidad del móvil en un instante dado, es necesario medir la distancia recorrida por el móvil durante una fracción pequeñísima de tiempo, y dividir el espacio observado entre la fracción de tiempo. En los automóviles de velocidad instantánea está indicada por la aguja del velocímetro.
Si la velocidad aumenta el movimiento es
acelerado, pero si la velocidad disminuye es retardado.
ACELERACIÓN
La aceleración en el
movimiento uniformemente variado es la variación que experimenta la velocidad
en la unidad de tiempo. Se considera positiva en el movimiento acelerado y
negativa en el retardado.Sea Vo la velocidad del móvil en el momento que lo observamos por primera vez (velocidad inicial) y sea V la velocidad que tiene al cabo de tiempo t (velocidad final).
Movimiento de
rotación y traslación
En física, la traslación es un movimiento en el cual se
modifica la posición de un objeto, en contraposición a una rotación.
Para un objeto que no posee estructura, como por ejemplo un
subconjunto del espacio, se considera el rango del subconjunto afectado por la
transformación. En forma alternativa, es posible definir una traslación como
una operación sobre los objetos, tal que todas sus propiedades como color,
composición, etc. se corresponden. Pero no deben confundirse las dos: una
traslación del espacio no posee puntos
fijos, los puntos fijos de una traslación en el otro sentido son los
objetos con sus correspondientes simetrías
de traslación.
De acuerdo con el teorema
de Noether, la simetría
de traslación es
equivalente a la conservación del momento
angular.
ROTACIÓN
Rotación es el movimiento de cambio de
orientación de un cuerpo extenso de forma que, dado un punto cualquiera del
mismo, este permanece a una distancia constante de un punto fijo. En un espacio
tridimensional, para un movimiento de rotación dado, existe una línea de puntos
fijos denominada eje de rotación
Rotación
La traslación de la Tierra es el
movimiento de este planeta alrededor del Sol, que es delSistema Solar. La Tierra describe a su
alrededor una órbita elíptica.
Si se toma como referencia la posición de una estrella,la Tierra
completa una vuelta en un año sidéreo cuya
duración es de 3699 días, 6 horas, 9 minutos y 9,77 segundos. El año sidéreo es
de poca importancia práctica. Para las actividades terrestres tiene mayor
importancia la medición del tiempo según las estaciones.
Si se toma como referencia la posición de una estrella,
Traslación
físicos destacados
issac newton
Nació el 4 de enero de 1643 en Woolsthorpe, Lincolnshire, Inglaterra.
En esa fecha el calendario usado era el juliano y correspondía al 25 de
diciembre de 1642, día de la Navidad.1 El parto fue prematuro aparentemente y
nació tan pequeño que nadie pensó que lograría vivir mucho tiempo. Su vida
corrió peligro por lo menos una semana, fue bautizado recién el 1 de enero de 1643, 12 de enero en el
calendario gregoriano.2
La casa donde nació y vivió su juventud se ubica en el lado oeste
del valle del río Witham,
más abajo de la meseta de Kesteven, en
dirección a la ciudad de Grantham. Es de piedra caliza gris, el mismo material
que se encuentra en la meseta. Tiene forma de una letra T gruesa en cuyo trazo
más largo se encuentra la cocina y el vestíbulo y la sala se encuentra en la
unión de los dos trazos.3 Su entrada es descentrada y se ubica
entre el vestíbulo y la sala y se orienta hacia las escaleras que conducen a
dos dormitorios del piso superior.
Sus padres fueron Isaac Newton y Hannah Ayscough, dos campesinos
puritanos. No llegó a conocer a su padre, pues había muerto en octubre de 1642.
Cuando su madre volvió a casarse con Barnabas Smith que no tenía intención de
cargar a un niño de tres años, lo dejó a cargo de su abuela, con quien vivió
hasta la muerte de su padrastro en 1653. Este fue posiblemente un hecho
traumático para Isaac, constituía la perdida de la madre no habiendo conocido
al padre. A su abuela nunca le dedicó un recuerdo cariñoso y hasta su muerte
paso desapercibida. Lo mismo ocurrió con el abuelo que pareció no existir hasta
que se descubrió que también estaba presente en la casa y correspondió al
afecto de Newton de la misma forma, lo desheredó.4
Escribió una lista de sus pecados e incluyó uno particular:
"Amenazar a mi padre y a mi madre Smith con quemarlos a ellos y a su
casa". Lo hizo nueve años después del fallecimiento del padrastro lo que
comprueba que la escena quedó grabada en el recuerdo de Newton. Las acciones
del padrastro, que se negó a llevarlo a vivir con él hasta que cumplió diez
años podrían motivar este odio.5
Cuando Barnabas Smith falleció, su madre regresó al hogar familiar
acompañada por dos hijos que tuvo con este señor, pero la unión familiar duro
solamente menos de dos años, Isaac fue enviado a estudiar al colegio The King's
School en Grantham a la edad de doce años. Lo que se sabe de esta etapa es que
estudió latín, algo de griego y lo básico de geometría y aritmética. Era el
programa habitual de estudio de una escuela primaria en ese entonces. Su
maestro fue Mr. Stokes, que tenía buen prestigio como educador.6
En 1659 compró un cuaderno, libro de bolsillo llamado en ese
entonces, en donde en la primer página escribió en latín "Martij 19,
1659" (19 de marzo 1659), representaba el período entre 1659-1660 el cual
coincidia con el período de su regreso a su ciudad natal y la mayor parte de
sus escritos están dedicados a "Utilissimum prosodiae supplementum",
años después en la colección Keynes del King's College se encuentra una edición
de Pindaro con la firma de Newton y fechado en 1659. En la colección Babson
aparece una copia de las metamorfosis de Ovidio fechadas ese mismo año.7
Los estudios primarios fueron de gran utilidad para Newton, los
trabajos sobre matemáticas estaban escritos en latín, al igual que los escritos
sobre filosofía natural. Los conocimientos de latín le permitieron entrar en
contacto con los científicos europeos. La aritmética básica difícilmente
hubiese compensado un nivel deficiente de latín.8 En esa época otra materia importante
era el estudio de la Biblia y se leía en lenguas clásicas apoyando
el programa clásico de estudios y ampliando la fe protestante de Inglaterra. En
el caso de Isaac el estudio de este tema unido a la biblioteca que lego de su
padrastro le pudo haber hecho iniciar un viaje imaginario a extraños mares de
la Teología.9
En su estadía en Grantham se hospedó en la casa de Mr. Clark en la
calle High Street junto al George Inn. Tenía que compartir el hogar junto a
otros tres niños, Edward, Arthur y una niña, hijos del primer esposo de la
mujer de Mr. Clark. Por la infancia que tuvo, Isaac parecía no congeniar con
otras personas de su edad. El haber crecido en un ambiente de aislamiento con
sus abuelos y la posible envidia que le causaba a sus pares su superioridad
intelectual le provocaba dificultades y lo llevaba a realizar travesuras varias
que después negaba haber hecho.10 Uno de sus amigos, William Stukeley se
dedicó a reunir información sobre Newton en su estancia en Grantham y concluyó
que los niños lo encontraban demasiado astuto y pensaban que se aprovechaba de
ellos debido a su rapidez mental muy superior a la de ellos.10
Además estas anécdotas demostraron que prefería la compañía
femenina. Para una amiga, Miss Storer varios años más joven que él construyó
muebles de muñecas utilizando las herramientas con mucha habilidad. Además pudo
haber un romance entre los jóvenes cuando fueron mayores. Según los registros
conocidos, pudo haber sido la primera y posiblemente la última experiencia
romántica con una mujer en su vida. Más adelante Miss Storer se casó con un
hombre apellidado Vincent y paso a conocerse como Mrs Vincent y recordaba a Newton
como un joven silencioso y pensativo.
Primeras contribuciones
Desde finales de 1664 trabajó intensamente en diferentes problemas matemáticos.
Abordó entonces el teorema del binomio, a partir de los trabajos
de John Wallis,
y desarrolló un método propio denominado cálculo de fluxiones. Poco
después regresó a la granja familiar a causa de una epidemia de peste bubónica.
Retirado con su familia durante los años 1665-1666, conoció un período
muy intenso de descubrimientos, entre los que destaca la ley del inverso del
cuadrado de la gravitación,
su desarrollo de las bases de la mecánica clásica, la formalización del método
de fluxiones y la generalización del teorema del binomio. En 1667 reanudó sus
estudios en Cambridge.
Leyes de newton
Primera ley de Newton o
Ley de la inercia
La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que
un cuerpo sólo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton
expone que:
Todo cuerpo persevera en
su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea
obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.5
Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí
solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos
que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo
sobre él. Newton toma en cuenta, así, el que los cuerpos en movimiento están
sometidos constantemente a fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma
progresiva, algo novedoso respecto de concepciones anteriores que entendían que
el movimiento o la detención de un cuerpo se debía exclusivamente a si se
ejercía sobre ellos una fuerza, pero nunca entendiendo como esta a la fricción.
En consecuencia, un cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme
implica que no existe ninguna fuerza externa neta o, dicho de otra forma, un
objeto en movimiento no se detiene de forma natural si no se aplica una fuerza
sobre él. En el caso de los cuerpos en reposo, se entiende que su velocidad es
cero, por lo que si esta cambia es porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una
fuerza neta.
Ejemplo, 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 actúa 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, por ejemplo, suponer a un observador fijo en
la Tierra es
una buena aproximación de sistema inercial.
Segunda ley de Newton o
Ley de fuerza
La segunda ley del movimiento de Newton dice que
El cambio de movimiento
es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo
largo de la cual aquella fuerza se imprime.6
Esta ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya
masa no tiene por qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza
modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o
dirección. En concreto, los cambios experimentados en el momento de un cuerpo son proporcionales a la
fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; esto es, las fuerzas
son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay
relación entre la causa y el efecto, esto es, la fuerza y la
aceleración están relacionadas. Dicho sintéticamente, la fuerza se define
simplemente en función del momento en que se aplica a un objeto, con lo que dos
fuerzas serán iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del
objeto.
En términos matemáticos esta ley se expresa mediante la relación:
Donde es el momento lineal y
la fuerza total. Si suponemos la masa
constante y nos manejamos con velocidades que no superen el 10% de la velocidad
de la luz podemos reescribir la ecuación anterior siguiendo los siguientes
pasos:
Sabemos que es el momento lineal, que se puede
escribir m.V donde m es la masa del cuerpo y V su velocidad.
Tercera
ley de Newton o Ley de acción y reacción
Con toda
acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones
mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.6
La tercera ley es completamente original de Newton (pues las dos
primeras ya habían sido propuestas de otras maneras por Galileo, Hookey Huygens) y hace
de las leyes de la mecánica un conjunto lógico y completo.7 Expone
que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual
intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de
otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en
pares de igual magnitud y de dirección, pero con sentido opuesto.
Este principio presupone que la interacción entre dos partículas
se propaga instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría velocidad
infinita), y en su formulación original no es válido para fuerzas
electromagnéticas puesto que estas no se propagan por el espacio de modo
instantáneo sino que lo hacen a velocidad finita "c".
Es importante observar que este principio de acción y reacción
relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en
ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masas. Por lo demás, cada una de
esas fuerzas obedece por separado a la segunda ley. Junto con las anteriores
leyes, ésta permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y
del momento angular.
James Prescott Joule
(Salford, Mánchester, 24 de diciembre de 1818 - Salford, 11 de octubre de 1889)
fue un físico inglés.
Fue uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre
todo por sus investigaciones en electricidad y termodinámica.
Joule estudió el magnetismo, y descubrió su relación con el
trabajo mecánico, lo cual le condujo a la teoría de la
energía. La unidad internacional de energía, calor y trabajo, el joule (o Julio), fue bautizada en su honor.
Trabajó con Lord Kelvin para
desarrollar la escala absoluta de la
temperatura, hizo observaciones sobre la teoría termodinámica (Ley de Joule) y encontró una relación entre la corriente eléctrica que atraviesa una resistencia y el
calor disipado, llamada actualmente como ley de Joule. Joule recibió muchos
honores de universidades y sociedades científicas de todo el mundo. Sus
escritos científicos (2 volúmenes) se publicaron en 1885 y 1887 respectivamente.
James Prescott Joule nació en el seno de una familia dedicada a la
fabricación de cervezas. De carácter tímido y humilde, recibió clases
particulares en su propio hogar, de física y matemáticas, siendo su profesor el
químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad
profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a
dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus
primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fábrica de cervezas,
formándose a la vez en la
Universidad de Manchester.
Joule estudió aspectos relativos al magnetismo, especialmente los
relativos a la imantación del hierro.
Pero el área de investigación más fructífera de Joule es la
relativa a las distintas formas de energía: con sus experimentos verifica que
al fluir una corriente eléctrica a través de un conductor, éste experimenta un
incremento de temperatura; a partir de ahí dedujo que si la fuente de energía
eléctrica es una pila electroquímica, la energía habría de proceder de la
transformación llevada a cabo por las reacciones químicas, que la convertirían
en energía eléctrica y de esta se transformaría en calor. Si en el circuito se
introduce un nuevo elemento, el motor eléctrico, se origina energía mecánica.
Ello le lleva a la enunciación del principio de conservación de la energía, y
aunque hubo otros físicos de renombre que contribuyeron al establecimiento de
este principio como Meyer, Thomson y Helmholtz, fue Joule quien le proporcionó
una mayor solidez.
En 1840 Joule publicó Producción de calor por
la electricidad voltaica, en la que estableció la ley que lleva su nombre y que
afirma que el calor originado en un conductor por el paso de la corriente
eléctrica es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el
cuadrado de la intensidad de corriente. En 1843,
después de numerosos experimentos, obtuvo el valor numérico del equivalente
mecánico del calor, que concluyó que era de 0,424 igual a una caloría, lo que
permitía la conversión de las unidades mecánicas y térmicas; este es un valor
muy similar al considerado actualmente como de 0,427. De ese modo quedaba
firmemente establecida la relación entre calor y trabajo, ya avanzada por
Rumford, que sirvió de piedra angular para el posterior desarrollo de la
termodinámica estadística. En estos trabajos Joule se basaba en la ley de
conservación de la energía, descubierta en 1842.
A pesar de que en 1848 ya había publicado un artículo
referente a la teoría cinética de los gases, donde por primera vez se estimaba
la velocidad de las moléculas gaseosas, abandonó su línea de investigación y
prefirió convertirse en ayudante de William Thomson (Lord Kelvin), y, como
fruto de esta colaboración, se llegó al descubrimiento del efecto
Joule-Thomson, según el cual es posible enfriar un gas en expansión si se lleva
a cabo el trabajo necesario para separar las moléculas del gas. Ello posibilitó
posteriormente la licuefacción de los gases y llevó a la ley de la energía
interna de un gas perfecto, según la cual la energía interna de un gas perfecto
es independiente de su volumen y dependiente de la temperatura.
Murió el 11 de octubre de 1889 en Salford, Inglaterra.
El concepto de energía en
física
En física clásica, la
ley universal de conservación de la
energía —que es el
fundamento del primer
principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso
significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de la energía mecánica,
la energía calorífica, la energía
electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante. Por ejemplo,
la energía cinética se cuantifica en función del
movimiento de la materia, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o
a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella,
la energía térmica según el estado
termodinámico, y la energía química según la composición química.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que según la teoría de la
relatividad la energía
definida según la mecánica clásica no se conserva constante, sino que lo
que se conserva en es la masa-energía equivalente. Es decir, la teoría de
la relatividad especial establece
una equivalencia
entre masa y energía por
la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, poseen una energía adicional
equivalente a 
, y si se
considera el principio de conservación de la energía esta energía debe ser
tomada en cuenta para obtener una ley de conservación (naturalmente en contrapartida la masa
no se conserva en relatividad, sino que la única posibilidad para una ley de
conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de
formas de energía).
, y si se
considera el principio de conservación de la energía esta energía debe ser
tomada en cuenta para obtener una ley de conservación (naturalmente en contrapartida la masa
no se conserva en relatividad, sino que la única posibilidad para una ley de
conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de
formas de energía).
Su expresión matemática
La energía es una propiedad de los sistemas físicos, no es un
estado físico real, ni una "sustancia intangible". En mecánica
clásica se representa como una magnitud escalar. La energía es una abstracción
matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede
decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. En problemas
relativistas la energía de una partícula no puede ser representada por un
escalar invariante, sino por la componente temporal de un cuadrivector energía-momento
(cuadrimomento), ya que diferentes observadores
no miden la misma energía si no se mueven a la misma velocidad con respecto a
la partícula. Si se consideran distribuciones de materia continuas, la
descripción resulta todavía más complicada y la correcta descripción de la
cantidad de movimiento y la energía requiere el uso del tensor energía-impulso.
Se utiliza como una abstracción de los sistemas físicos por la
facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad o
la aceleración. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir completamente ladinámica de
un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica,
que en la mecánica newtoniana tiene la propiedad de conservarse, es
decir, ser invariante en el tiempo.
Matemáticamente, la conservación de la
energía para un
sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese
sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con
el teorema de Noether.
Energía en diversos tipos de sistemas físicos
La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas,
está involucrada en todos los procesos de cambio de estado físico, se transforma y se transmite,
depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva.1 Por
lo tanto, todo cuerpo es capaz de poseer energía en función de su movimiento, posición, temperatura, masa,
composición química, y otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y
la ciencia, se dan varias definiciones de energía,
todas coherentes y complementarias entre sí, y todas ellas siempre relacionadas
con el concepto de trabajo.
Física clásica
En la mecánica se
encuentran:
§
Energía mecánica,
que es la combinación o suma de los siguientes tipos:
§
Energía cinética:
relativa al movimiento.
§
Energía potencial:
la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. Por ejemplo, está la Energía potencial gravitatoria y la Energía
potencial elástica (o energía de deformación,
llamada así debido a las deformaciones elásticas).
Una onda también es capaz de
transmitir energía al desplazarse por un medio elástico.
En electromagnetismo se tiene a la:
§
Energía
electromagnética, que se compone de:
§
Energía radiante:
la energía que poseen las ondas electromagnéticas.
§
Energía calórica:
la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al
producirse una reacción química de oxidación.
Energía potencial eléctrica
§
Energía eléctrica:
resultado de la existencia de una diferencia de
potencial entre dos
puntos.
En la termodinámica están:
§
Energía interna,
que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un
sistema.
§
Energía térmica,
que es la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica)
mediante la combustión.
Física relativista
En la relatividad están:
§
Energía en reposo,
que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E=mc2, que establece la equivalencia
entre masa y energía.
§
Energía de
desintegración, que es la diferencia de energía en reposo entre las
partículas iniciales y finales de una desintegración.
Al redefinir el concepto de masa, también se modifica el de
energía cinética (véase relación de
energía-momento).
Física cuántica
En física cuántica,
la energía es una magnitud ligada al operador
hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en
un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con
probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el
hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí
tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia
ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:
§
Energía del vacío:
un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia.
Química
En química aparecen
algunas formas específicas no mencionadas anteriormente:
§
Energía de ionización,
una forma de energía potencial, es la energía que hace falta para ionizar una molécula o átomo.
§
Energía de enlace,
es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las químicas liberan o absorben esta clase
de energía, en función de la entalpía y energía calórica.
Si estas formas de energía son consecuencia de
interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de
las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los
cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular
(véase Ruta metabólica).
Energía potencial
Artículo principal: Energía potencial.
Es la energía que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su
configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas
conservativo, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el
trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de
tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tierra tiene energía
potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos
contextos de la física son:
§
La energía
potencial gravitatoria asociada
a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica).
La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante
viene dada por: 
donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de
energía potencial.
La energía potencial
electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación. donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de
energía potencial.
La termodinámica
La termodinámica (del griego 6EM utiliza el libro, termo, que significa «calor»1 y δύναμις,dínamis,
que significa «fuerza»)2 es la rama de la física que describe los estados
de equilibrio a nivel macroscópico.3 Constituye una teoría
fenomenológica, a partir dé razonamientos, que estudia sistemas
reales, sin modelizar y sigue un método experimental.4 Los estados de
equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna,
la entropía, el volumen o la composición molar del sistema,5 o por medio de
magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como
la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la
mecánica de los medios continuos en general también
pueden ser tratadas por medio de la termodinám
Leyes de la
termodinámica
Principio cero de la termodinámica
Este principio o ley
cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados
de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo
con uno dado. Tiene tremenda importancia experimental «pues permite construir
instrumentos que midan la temperatura de un sistema» pero no resulta tan
importante en el marco teórico de la termodinámica.
El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la
condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o
dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico,
polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas
en el plano x, y) no son dependientes del tiempo.
El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico;
el cual a su vez esta dentro del físico química y no es parámetro debido a que
a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro
final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las
conoce cómo coordenadas del
sistema.
Este principio fundamen
.
Segunda ley de la termodinámica
Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse
a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de
que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta
dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen).
También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir
completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma,
la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que
hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el primer
principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una
magnitud física llamada entropía,
de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni
energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que
cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de
calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia
los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.
La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que
obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco
caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La
diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico
obtenido.
Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.
tal, aún siendo ampliamente aceptado, no
fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres
leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.
Primera ley de la termodinámica
También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica «en realidad el
primer principio dice más que una ley de conservación», establece que si se
realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna
del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor
como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las
diferencias entre trabajo y
energía interna. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obraReflexiones
sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para
desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de
la termodinámica. Esta obra fue incomprendida por los científicos de su época,
y más tarde fue utilizada por Rudolf Loreto Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera
matemática, las bases de la termodinámica.
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, por ejemplo, suponer a un observador fijo en
la Tierra es
una buena aproximación de sistema inercial.
Segunda ley de Newton o
Ley de fuerza
La segunda ley del movimiento de Newton dice que
El cambio de movimiento
es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo
largo de la cual aquella fuerza se imprime.6
Esta ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya
masa no tiene por qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza
modificará el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o
dirección. En concreto, los cambios experimentados en el momento de un cuerpo son proporcionales a la
fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; esto es, las fuerzas
son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay
relación entre la causa y el efecto, esto es, la fuerza y la
aceleración están relacionadas. Dicho sintéticamente, la fuerza se define
simplemente en función del momento en que se aplica a un objeto, con lo que dos
fuerzas serán iguales si causan la misma tasa de cambio en el momento del
objeto.
Donde es el momento lineal y la fuerza total. Si suponemos la masa
constante y nos manejamos con velocidades que no superen el 10% de la velocidad
de la luz podemos reescribir la ecuación anterior siguiendo los siguientes
pasos:
Sabemos que es el momento lineal, que se puede
escribir m.V donde m es la masa del cuerpo y V su velocidad.
Enunciado de Kelvin
No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente
(E.absorbida), y lo convierta íntegramente en trabajo (E.útil).
Enunciado de Kelvin—Planck
Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción
de energía desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de
trabajo.
Otra interpretación
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme
calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a
esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica
cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y ésta
estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de
la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina
térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.
Tercera ley de la termodinámica
La tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Ernst,
afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual alcero absoluto mediante un número finito de procesos
físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se
aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico.
La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo
temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la
termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de «ley».
Es importante recordar que los principios o leyes de la
termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los
sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un
sistema cuántico que rompa las leyes de la termodinámica.
Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de
conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la
naturaleza descubiertas hasta ahora por las ciencias.
Física moderna
La física moderna comienza a principios del siglo XX,
cuando el alemán Max Planck,
investiga sobre el “cuanto” de energía, Planck decía que eran partículas de
energía indivisibles, y que éstas no eran continuas como lo decía la física
clásica, por ello nace esta nueva rama de la física que estudia las
manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de las
partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. (También se le
llama física cuántica).
En los temas anteriormente tratados, la física clásica no servía
para resolver los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la
física moderna en probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a
las nuevas ideas. Los temas tratados anteriormente no podían ser resueltos por
la física clásica.
En 1905, Albert Einstein,
publicó una serie de trabajos que revolucionaron la física, principalmente
representados por “La dualidad onda-partícula de la luz” y “La teoría de la
relatividad” entre otros. Estos y los avances científicos como el
descubrimiento de la existencia de otras galaxias, la superconductividad, el
estudio del núcleo del átomo, y otros, permitieron lograr que años más tarde
surgieran avances tecnológicos, como la invención del televisor,
los rayos x,
el radar, fibra óptica,
el computador etc.
La misión final de la física actual es comprender la relación que
existe entre las fuerzas que rigen la naturaleza: la gravedad, el
electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.
Comprender y lograr una teoría de unificación, para así poder entender el
universo y sus partículas.
Se conoce, generalmente, por estudiar los fenómenos que se
producen a la velocidad de la luz o valores cercanos a ella o cuyas escalas espaciales son del orden
del tamaño del átomo o inferiores.
Se divide en:
La mecánica cuántica: es una de las ramas
principales de la Física y uno de los más grandes avances del
siglo XX en el conocimiento humano. Explica el comportamiento de la materia y de la energía.
Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas tecnologías,
como por ejemplo los transistores,
componentes profusamente utilizados en casi todos los aparatos que tengan
alguna parte funcional electrónica.
La mecánica cuántica describe, en su visión más ortodoxa, cómo en cualquier
sistema físico –y por tanto, en todo el universo–
existe una diversa multiplicidad de estados, los cuales habiendo sido descritos
mediante ecuaciones matemáticas por los físicos, son denominados estados cuánticos.
De esta forma la mecánica cuántica puede explicar la existencia del átomo y desvelar los misterios de la estructura atómica, tal como hoy son entendidos;
fenómenos que no puede explicar debidamente la física clásica o más propiamente la mecánica clásica.
La teoría de la relatividad: incluye dos teorías (la de la relatividad especial y la de la relatividad) formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX,
que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo.
La primera teoría, publicada en 1905, trata de la física
del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias,
en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo con una reformulación
de las leyes del movimiento. La segunda, de 1915, es una teoría de la
gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana pero coincide numéricamente con
ella en campos gravitatorios débiles.
La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos
gravitatorios.
No fue hasta el 7 de marzo de 2010 cuando fueron mostrados públicamente
los manuscritos originales de Einstein por parte de 