Compendio de Fórmulas Físicas Fundamentales: Movimiento, Ondas, Electromagnetismo y Óptica
Fórmulas Fundamentales de Física
Movimiento Vibratorio Armónico Simple (M.A.S.)
El Movimiento Armónico Simple (M.A.S.) es un movimiento periódico, oscilatorio y vibratorio en ausencia de fricción, producido por una fuerza de restitución que es directamente proporcional al desplazamiento y actúa en dirección opuesta a este.
- Ecuación de posición:
x(t) = A sen(ωt + φ) - Amplitud máxima:
A = Xmáx - Frecuencia angular:
ω = 2π/T = 2πν - Frecuencia:
ν = 1/T - Velocidad transversal:
v = dx/dt = Aω cos(ωt + φ) - Velocidad máxima:
Vmáx = Aω - Velocidad en función de la posición:
v = ±ω√(A² - x²) - Aceleración:
a = - ω²x - Fuerza de restitución (Ley de Hooke):
F = -kx - Frecuencia angular para un muelle:
ω = √(k/m)(dondekes la constante elástica en N/m)
Péndulo Simple
Para pequeñas oscilaciones, el movimiento de un péndulo simple se aproxima a un M.A.S.
- Ángulo:
θ = s/L(dondeses la longitud del arco yLla longitud del péndulo) - Periodo:
T = 2π√(L/g) - Frecuencia angular:
ω = √(g/L) - Posición angular en función del tiempo:
θ(t) = θmáx sen(ωt + φ)(la fase inicialφse puede ajustar o eliminar según el origen de tiempo)
Energía de un Oscilador Armónico
- Energía Cinética (Ec):
Ec = 1/2 mv² - Energía Potencial (Ep):
Ep = Ep(x) - Para un muelle:
Ep = 1/2 kx² - Energía Total (Et):
Et = Ep + Ec = constante - En los extremos del movimiento del péndulo o muelle, la energía cinética es nula, por lo que la energía total es
Et = 1/2 kA²(para un muelle) oEt = 1/2 mω²A².
Movimiento Ondulatorio
Las ondas son perturbaciones que se propagan a través de un medio o en el vacío, transportando energía sin transporte neto de materia.
- Ecuación de onda (general):
f(x,t) = A sen(kx ± ωt)of(x,t) = A cos(kx ± ωt) - Número de onda:
k = 2π/λ - Frecuencia angular:
ω = 2π/T - Velocidad de propagación (v):
v = λ/T = λν = ω/k - Intensidad de onda (I) en tres dimensiones (ondas esféricas):
I = P/S = P/(4πr²)(en W/m²) - Potencia (P):
P = E/t - Relaciones de intensidad y amplitud:
I ∝ 1/r² ∝ A² ∝ ν² - Amplitud en ondas esféricas:
A ∝ 1/r
Sonido
El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico.
- Velocidad de propagación del sonido en un gas ideal:
v = √(γRT/M)T: Temperatura en Kelvin (K)M: Masa molecular (kg/mol)γ: Coeficiente adiabáticoR: Constante de los gases ideales (8.314 J/(mol·K))
- Nivel de intensidad del sonido (β):
β (en dB) = 10 log10 (I/I0)I: Intensidad del sonido (W/m²)I0: Intensidad de referencia (umbral de audición, 10-12 W/m²)
- Conversión de presión:
1 atm = 101325 Pa = 760 mmHg
Gravitación
Leyes que rigen el movimiento de los cuerpos celestes y la interacción gravitatoria.
Leyes de Kepler
- Primera Ley (Ley de las Órbitas): Los planetas describen elipses en uno de cuyos focos está el Sol.
- Segunda Ley (Ley de las Áreas): Los radios vectores de los planetas, tomados desde el Sol, barren áreas iguales en tiempos iguales.
- Tercera Ley (Ley de los Periodos): Los cuadrados de los periodos de revolución de los planetas son proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de sus órbitas.
T² ∝ R³- Para dos planetas:
T1²/R1³ = T2²/R2³
Energía Potencial Gravitatoria
- Cerca de la superficie terrestre:
Ep = mgh - Para dos masas (general):
Ep = -GMm/R
Campo Gravitatorio Terrestre
Estudio de la fuerza y energía asociadas a la gravedad en la Tierra.
- Fuerza gravitatoria entre dos masas:
F = GmM/R²(Ley de Gravitación Universal de Newton) - Intensidad del campo gravitatorio (aceleración de la gravedad):
g = GM/r² - Potencial gravitatorio (U):
U = Ep/m = -GM/R(en J/kg)
Órbitas Circulares
Para un objeto en órbita circular alrededor de un cuerpo central:
- Equilibrio de fuerzas:
GMm/R² = mv²/R = mω²R - Velocidad orbital:
vorbital = √(GM/R) - Velocidad de escape (ve): Velocidad mínima necesaria para escapar del campo gravitatorio.
ve = √(2GM/R)- En función de la Tierra:
ve = √(2g0RT)(dondeg0es la gravedad en superficie yRTel radio terrestre)
- Energía total en órbita circular:
E = 1/2 mv² - GMm/R = 1/2 m(GM/R) - GMm/R = -GMm/(2R) - Para órbita elíptica: Se cambia
Rpor2a(dondeaes el semieje mayor). - Relación periodo-radio (derivada de la 3ª Ley de Kepler):
T² = 4π²R³/(GM)
Fuerzas Centrales
Fuerzas que actúan a lo largo de la línea que une dos partículas.
- Momento lineal (cantidad de movimiento):
p = mv - Momento angular (L):
L = r × p = mωR²(para movimiento circular) - Conservación del momento angular:
dL/dt = d/dt(r × p) = (dr/dt × p) + (dp/dt × r) = r × F = M(Momento de la fuerza) - El momento angular
Les constante si no se aplica ninguna fuerza externa, o si la fuerza es paralela al radio vector (ya que el producto vectorial sería cero).
Campo Eléctrico
Región del espacio donde una carga eléctrica experimenta una fuerza.
- Ley de Coulomb:
F = k|q q'|/d²k = 9 × 10&sup9; N·m²/C²(constante de Coulomb)k = 1/(4πε0)ε0: Permitividad del vacío
- Intensidad del campo eléctrico (E):
E = F/q(en N/C o V/m) - Fuerza sobre una carga en un campo eléctrico:
F = Eq
Electromagnetismo
Interacción entre campos eléctricos y magnéticos.
- Potencial eléctrico (V):
V = Ep/q'(en Voltios, V) - Para una carga puntual:
V = q/(4πε0r) - En un campo eléctrico uniforme:
V = -E·x - Para un condensador plano:
V = Ed
Teorema de Gauss
Relaciona el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada con la carga encerrada.
- Flujo eléctrico (ΦE):
ΦE = qencerrada/ε0(en V·m o N·m²/C) - Campo eléctrico para una carga puntual:
E = q/(4πε0r²) - Campo eléctrico para un hilo infinito:
E = λ/(2πε0d)λ = q/L(densidad lineal de carga, en C/m)
- Campo eléctrico para un plano infinito:
E = σ/(2ε0)σ = q/S(densidad superficial de carga, en C/m²)
- Campo eléctrico para una esfera cargada (fuera):
E = Q/(4πε0r²) - Densidad de carga volumétrica (ρ):
ρ = Q/V(en C/m³)
Campo Magnético
Región del espacio donde una carga en movimiento o una corriente eléctrica experimenta una fuerza.
- Unidad de campo magnético: Tesla (T)
- Fuerza magnética sobre una carga en movimiento (Fuerza de Lorentz):
F = qvB sen(θ)(oF = q(v × B)en forma vectorial) - Movimiento de una carga en un campo magnético uniforme (circular):
- Aplicando la Segunda Ley de Newton:
F = ma→qvB = mv²/R - Radio de la trayectoria:
R = mv/(qB) - Frecuencia angular (ciclotrón):
ω = v/R = qB/m(independiente de la velocidad)
- Aplicando la Segunda Ley de Newton:
- Aplicaciones: Ciclotrón, Espectrógrafo de masas.
- Selector de velocidades:
Fe = qE;Fm = qvB. SiFe = Fm→qE = qvB→v = E/B1 - Espectrógrafo de masas:
R = mv/(qB2)→m = RqB2/v
- Selector de velocidades:
Leyes de Biot-Savart y Ampère
- Ley de Biot-Savart (para un elemento de corriente):
dB = (μ0I/(4π)) · (dl × r)/r³ - Campo magnético de un hilo rectilíneo infinito:
B = μ0I/(2πd) - Fuerza magnética sobre corrientes eléctricas:
F = I(L × B) - Permeabilidad magnética del vacío (μ0):
μ0 = 4π × 10-7 N/A²(o T·m/A) - Ley de Ampère: La integral de línea del campo magnético a lo largo de una trayectoria cerrada es proporcional a la corriente neta encerrada.
∮ B · dl = μ0Iencerrada- Para múltiples corrientes:
∮ B · dl = μ0(I1 + I2 - I3)(ejemplo con direcciones)
- Campo magnético en un solenoide:
B = μ0NI/L(dondeNes el número de espiras)
Inducción Electromagnética
Generación de una corriente eléctrica por un campo magnético variable.
- Ley de Faraday-Lenz: La fuerza electromotriz (FEM) inducida en un circuito cerrado es igual y opuesta a la rapidez de cambio del flujo magnético a través del circuito.
ε = -dΦB/dt(en Voltios, V)ΦB: Flujo magnético (en Weber, Wb)
- FEM máxima en un generador:
εmáx = NBSω - Fuerzas entre corrientes paralelas:
F/L = μ0I1I2/(2πd) - FEM por movimiento (carril de Laplace):
ε = BLv - Transformadores:
Vp/Vs = Np/Ns(relación de voltajes y número de espiras entre primario y secundario)
Óptica
Estudio de la luz y sus fenómenos.
- Velocidad de la luz en el vacío (c):
c = 1/√(ε0μ0) ≈ 3 × 108 m/s - Espectro electromagnético (de menor a mayor longitud de onda): Rayos gamma, Rayos X, Ultravioleta (UV), Visible, Infrarrojo (IR), Microondas (MO), Ondas de radio (OR).
- Los rayos gamma tienen la menor longitud de onda (
λ) y la mayor frecuencia (ν) y energía (E) que las ondas de radio.
- Los rayos gamma tienen la menor longitud de onda (
- Relación longitud de onda y frecuencia:
λ = c/ν - Energía de un fotón:
E = hνh = 6.63 × 10-34 J·s(Constante de Planck)- Conversión de energía:
1 eV = 1.6 × 10-19 J
Propagación de la Luz
- Tamaño aparente (ángulo visual):
α = d/L(en radianes) - Índice de refracción (n):
n = c/v(dondeves la velocidad de la luz en el medio) - Ley de la Reflexión: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (
i = r). - Ley de la Refracción (Ley de Snell):
n1 sen(i) = n2 sen(r) - Ángulo límite (iL) para reflexión total interna:
sen(iL) = n2/n1(cuandon1 > n2) - Relación de velocidades y ángulos:
sen(i)/sen(r) = n2/n1 = v1/v2
Lámina de Caras Plano-Paralelas
- Ángulos:
i1 = r2 = i;i2 = r1 = r - Desplazamiento lateral (Δ):
Δ = s cos(r) sen(i-r)(dondeses el espesor de la lámina) - Relación de Snell:
sen(r) = sen(i)/n
Prisma Óptico
- Ley de Snell en las caras del prisma:
- Primera cara:
1 · sen(i) = n · sen(r) - Segunda cara:
n · sen(r') = 1 · sen(i')
- Primera cara:
- Ángulo del prisma (φ):
φ = r + r' - Desviación total (δ):
δ = i + i' - φ - Desviación mínima (δmin): Se produce en situación simétrica (
r = r',i = i').δmin = 2i - φ- En este caso:
r = φ/2 - Índice de refracción del prisma:
n = sen((δmin + φ)/2) / sen(φ/2)
Espejos y Lentes Delgadas
Dioptrio Esférico
Superficie esférica que separa dos medios con diferentes índices de refracción.
- Óptica paraxial (aproximación de Snell):
n · i = n' · i' - Distancia focal objeto (f):
f = -nR/(n'-n) - Distancia focal imagen (f'):
f' = n'R/(n'-n) - Relación entre focales y radio:
f + f' = R - Aumento lateral (ML):
ML = y'/y = (n · s')/(n' · s) - Características de la imagen:
- Real o Virtual: Real (los rayos se cortan), Virtual (se cortan las prolongaciones de los rayos).
- Derecha o Invertida: Derecha (misma orientación que el objeto, ML > 0), Invertida (orientación opuesta, ML < 0).
- Mayor o Menor que el objeto: Basado en el valor absoluto de ML.
Dioptrio Plano
Un caso especial del dioptrio esférico con radio de curvatura infinito.
- Ecuación:
n'/s' - n/s = 0
Espejos Planos
- Ángulos:
i = i' - Índice de refracción efectivo:
n' = -n - Distancia imagen:
s' = -s(imagen virtual) - Aumento lateral (ML):
ML = 1(imagen del mismo tamaño y derecha)
Espejos Esféricos
- Ecuación de los espejos:
1/s' + 1/s = 2/R(dondeRes el radio de curvatura) - Distancia focal:
f = R/2 - Ecuación de los espejos (en función de la focal):
1/s' + 1/s = 1/f - Aumento lateral (ML):
ML = y'/y = -s'/s
Lentes Delgadas
Elementos ópticos que refractan la luz para formar imágenes.
- Fórmula del fabricante de lentes:
1/f' = (n-1)(1/R1 - 1/R2) - Relación de focales:
f = -f' - Potencia de la lente (P):
P = 1/f'(en dioptrías, si f' está en metros) - Aumento lateral (ML):
ML = y'/y = s'/s