Conceptos Esenciales de Física: Movimiento, Gravitación y Electrostática
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Movimiento Circular Uniforme (MCU)
El Movimiento Circular Uniforme (MCU) es el movimiento de un cuerpo cuya trayectoria es una circunferencia y que describe arcos iguales en tiempos iguales.
Velocidad Angular
La velocidad angular se mantiene constante en un MCU.
Periodo (T)
El periodo (T) de un MCU es el tiempo que tarda el móvil en describir una vuelta completa o ciclo.
Frecuencia (f)
La frecuencia (f) de un cuerpo que se mueve con un MCU es el número de vueltas que describe en la unidad de tiempo. La unidad de frecuencia es el Hercio (Hz).
Aceleración Centrípeta
La aceleración centrípeta se produce si ha habido una variación en las características del vector velocidad.
Fuerzas y Movimiento
Cuando sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, este permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme. Cuando una fuerza centrípeta desaparece, el cuerpo tiende a moverse en línea recta con el módulo, la dirección y el sentido de la velocidad que tenga en ese momento.
Leyes de Kepler
Johannes Kepler, a partir de las observaciones de la posición de los planetas realizadas por Tycho Brahe, formuló a comienzos del siglo XVII las tres leyes que describen el movimiento de los planetas del sistema solar:
Primera Ley: Los planetas se mueven alrededor del Sol siguiendo órbitas elípticas, en uno de cuyos focos se encuentra el Sol.
- Perihelio: La posición del planeta más cercana al Sol.
- Afelio: La posición del planeta más lejana al Sol.
Segunda Ley: El radio vector que une el Sol con el planeta barre áreas iguales en tiempos iguales. Esta ley implica que el módulo de la velocidad del planeta en su órbita elíptica no es constante en todo su recorrido, sino que es mayor en el perihelio que en el afelio. Esta ley también implica la existencia de una fuerza que se dirige desde el planeta hacia el Sol.
Tercera Ley: Para todos los cuerpos que giran alrededor del Sol, la relación entre el cubo del radio medio de la órbita y el cuadrado del periodo orbital es constante.
Ley de Gravitación Universal
Todos los cuerpos del universo se atraen mutuamente con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
Características de la Fuerza de Atracción Gravitatoria
- Es universal, ya que todos los cuerpos con masa están sometidos a ella.
- Es una fuerza de atracción.
- Está aplicada en los centros de gravedad de los cuerpos que interactúan.
- Su dirección es la de la recta que une los centros de la gravedad.
- Su valor viene determinado por la ecuación de la Ley de Gravitación Universal.
- Es una fuerza centrípeta en la que existe interacción entre dos cuerpos sin necesidad de que estén en contacto.
La Caída y el Peso de los Cuerpos
Los objetos caen porque la Tierra los atrae. La fuerza que hace caer a los cuerpos hacia la superficie terrestre es una de las manifestaciones de la Ley de Gravitación Universal.
La fórmula del peso es:
P = m · g
Aplicando la Ley de Gravitación Universal:
Como P y F son la misma fuerza, resulta que:
Movimiento de la Luna
El movimiento de la Luna es un ejemplo de aplicación de la Ley de Gravitación Universal.
Movimiento de los Satélites Artificiales
Un satélite es una máquina puesta en órbita mediante un vehículo de lanzamiento. Los satélites espaciales se utilizan para trazar mapas, en meteorología, en telecomunicaciones y para determinar la posición de objetos en la Tierra.
Tipos de órbitas comunes para satélites:
- Órbita Baja Terrestre (LEO): Situados entre 700 km y 1400 km de altura.
- Órbita Media Terrestre (MEO): Entre 9000 y 20000 km de altura.
- Órbita Alta Terrestre (HEO): A 37786 km sobre el ecuador terrestre.
Electrostática: Ley de Coulomb y Potencial Eléctrico
En 1785, Charles-Augustin de Coulomb midió las fuerzas ejercidas entre cargas eléctricas con un dispositivo como el de la figura.
Ley de Coulomb
El módulo (F) de las fuerzas con que se atraen o repelen dos cargas puntuales, Q₁ y Q₂, separadas por una distancia r, es directamente proporcional al producto del valor absoluto de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa: (
Potencial Eléctrico
El potencial eléctrico en un punto es la energía potencial que adquiere la unidad de carga positiva cuando desde el infinito se traslada a ese punto. Se representa por V y es una magnitud escalar.
La unidad de potencial es el Voltio y se define como: