Conceptos Clave de Física: Luz, Movimiento y Fuerzas Fundamentales

La Luz: Propiedades y Fenómenos Ópticos

La luz es la única radiación electromagnética que podemos ver, abarcando un rango de frecuencias entre 4·10¹⁴ Hz (rojo) y 8·10¹⁴ Hz (violeta). Está formada por fotones, que son paquetes de energía u ondas. La dualidad onda-partícula establece que la energía de cada fotón dependerá de su frecuencia o de su longitud de onda.

Propiedades Fundamentales de la Luz

• Propagación Rectilínea: La luz se propaga en línea recta (Movimiento Rectilíneo Uniforme - MRU) en un medio homogéneo.
• Reflexión: Se produce cuando la luz incide sobre una superficie reflectante y rebota, cambiando de dirección.
• Refracción: Es el cambio de dirección y velocidad que experimenta la luz al pasar de un medio a otro con diferente índice de refracción.

Interacción de la Luz con la Materia

Propagación de la Luz

Existen cuerpos luminosos (que emiten luz propia) y cuerpos iluminados (que reflejan la luz de otras fuentes). La sombra se forma cuando un objeto se interpone entre la luz y una superficie; la luz interceptada por el objeto no llega a la superficie, creando una silueta oscura con la forma del objeto. Los cuerpos se clasifican en opacos, translúcidos y transparentes según su interacción con la luz.

Reflexión de la Luz

Es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminoso al chocar contra la superficie de un cuerpo.

Espejos

Un espejo es una superficie de cristal cubierta por una capa reflectante (antiguamente mercurio, hoy día planchas de metal o aluminio). Los espejos de metal se usaban en la Época Romana, mientras que los de vidrio se popularizaron en el Siglo XV. Para vernos completamente en un espejo plano, este debe medir al menos la mitad de nuestra altura.

• Espejos Cóncavos: Concentran la luz, como los utilizados en linternas o telescopios.
• Espejos Convexos: Dispersan la luz y hacen que los objetos se vean más pequeños, como los espejos retrovisores de vehículos o los de seguridad en la calle.

Refracción de la Luz

Es el cambio de velocidad y dirección que experimenta la luz cuando pasa de un medio a otro. Ejemplos de velocidades de la luz en diferentes medios:

• Agua: 224.900 km/s
• Aire: 299.912 km/s
• Vidrio: 200.000 km/s

Leyes de Snell (Siglo XVII)

1. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie se encuentran en el mismo plano.
2. Cuando un rayo de luz pasa de un medio en el que viaja a mayor velocidad a otro medio en el que viaja a menor velocidad, el rayo refractado se acerca a la normal. Lo contrario sucede si pasa de un medio de menor a mayor velocidad. Asimismo, cuando un rayo de luz incide perpendicularmente en la superficie de separación de dos medios, no se refracta.

Índice de Refracción (n)

El índice de refracción de un medio (n) se define como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en ese medio (v):

n = c / v

Donde:

• c = Velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 km/s)
• v = Velocidad de la luz en un medio determinado

Lentes

Una lente es un material transparente que posee una o dos caras curvas, utilizadas para enfocar o dispersar la luz.

Nanómetro (nm)

Un nanómetro es una unidad de longitud equivalente a 10^-9 metros (1 nm = 10^-9 m).

Espectro Electromagnético

Es la clasificación de las ondas electromagnéticas en función de su frecuencia o longitud de onda.

Física: Conceptos Clave de Movimiento y Fuerza

Movimiento

El movimiento es siempre relativo. Un cuerpo se mueve cuando, al actuar una fuerza sobre él, cambia de posición respecto a un punto de referencia que se considera fijo.

Trayectoria

Es el camino que ha recorrido un cuerpo en movimiento, pudiendo ser rectilíneo o curvilíneo.

Desplazamiento

Es la distancia medida en línea recta desde el punto de referencia inicial hasta el punto final donde se detiene el cuerpo.

Velocidad

Es la magnitud que nos informa de la rapidez con la que se desplaza un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es metros por segundo (m/s).

Fórmulas básicas:

• v = s / t (Velocidad = Espacio / Tiempo)
• s = v · t (Espacio = Velocidad · Tiempo)
• t = s / v (Tiempo = Espacio / Velocidad)

Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU)

Es un movimiento que tiene lugar en línea recta y con velocidad constante.

Aceleración

Es la variación de la velocidad a medida que transcurre el tiempo. Su unidad en el S.I. es metros por segundo al cuadrado (m/s²).

Fórmulas básicas:

• a = (Vf - Vi) / t (Aceleración = (Velocidad final - Velocidad inicial) / Tiempo)
• Vf = a · t + Vi
• Vi = Vf - a · t
• t = (Vf - Vi) / a

Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado (MRUA)

Ocurre cuando un móvil se mueve siguiendo una trayectoria recta y con aceleración constante y positiva.

Fórmulas básicas (para MRUA desde el reposo):

• s = 1/2 · a · t2
• a = 2s / t2
• t = √(2s / a)

Caída Libre

En caída libre, la aceleración es la de la gravedad (g ≈ 9.8 m/s²).

• Distancia recorrida (desde el reposo): s = 1/2 · g · t2
• Velocidad final al suelo (desde el reposo): Vf = g · t

Fuerza

Es todo aquello capaz de producir deformaciones en un cuerpo o modificar su estado de reposo o de movimiento. Su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el Newton (N).

Según la Segunda Ley de Newton:

• a = F / m (Aceleración = Fuerza aplicada / Masa)
• F = m · a (Fuerza aplicada = Masa · Aceleración)
• m = F / a (Masa = Fuerza aplicada / Aceleración)

Peso

Es la fuerza de atracción que ejerce la gravedad sobre un cuerpo.

P = m · g (Peso = Masa · Aceleración de la gravedad)

Donde m también puede expresarse como m = d · V (Masa = Densidad · Volumen).

Equivalencia: 1 kilopondio (kp) = 9.8 N.

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del volumen del líquido que desaloja.

E = Vl · dl · g

Donde:

• E = Empuje
• Vl = Volumen del líquido desalojado
• dl = Densidad del líquido
• g = Aceleración gravitatoria

Cuerpos Plásticos y Elásticos

• Cuerpos Plásticos: Se deforman permanentemente y no recuperan su forma original tras la aplicación de una fuerza.
• Cuerpos Elásticos: Recuperan su forma inicial una vez que la fuerza aplicada deja de actuar.

Ley de Hooke

Establece que, dentro del límite elástico de un muelle, el alargamiento producido es directamente proporcional a la fuerza aplicada.

F = k · x

Donde:

• F = Fuerza aplicada
• k = Constante elástica del muelle (valor distinto para cada muelle)
• x = Alargamiento del muelle

Equilibrio

Un cuerpo está en equilibrio cuando sobre él no actúa ninguna fuerza neta, o cuando la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero.