Conceptos Fundamentales de Física Clásica y Moderna: Gravitación, Ondas y Energía Nuclear
Repaso de Principios Fundamentales de la Física
I. Mecánica y Gravitación
Ley de la Gravitación Universal
Dos partículas materiales se atraen mutuamente con una fuerza que es:
- Directamente proporcional al producto de sus masas.
- Inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Características de la Fuerza Gravitatoria:
- $G$ es la constante de la gravitación universal.
- La fuerza es central, dirigida siempre hacia la masa que la origina.
- Es una fuerza atractiva.
- Es una fuerza conservativa; el trabajo que realiza es independiente del camino seguido.
II. Electromagnetismo y Ondas
Ondas Electromagnéticas
Son ondas que no necesitan de medio material para propagarse. Sus características principales son:
- Son transversales.
- Están formadas por un campo magnético y uno eléctrico que oscilan en planos perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.
Efecto Fotoeléctrico
Consiste en la emisión de fotones de luz sobre un metal. Cada metal posee una frecuencia umbral ($\nu_0$).
- Si la frecuencia de la luz incidente es igual o mayor a la frecuencia umbral, se produce el efecto fotoeléctrico.
- Parte de la energía se utiliza para arrancar el electrón (energía de enlace), y la otra parte se convierte en la energía cinética máxima ($E_{k,max}$) del electrón extraído.
Inducción Electromagnética: Leyes de Faraday y Lenz
Siempre que se produce una variación en el flujo magnético ($\Phi_B$) que atraviesa una espira, aparece en ella una corriente eléctrica. Este fenómeno se denomina inducción electromagnética.
La variación del flujo puede deberse a:
- Variación de la intensidad del campo magnético.
- Variación del área de la espira.
- Variación de la orientación de la espira.
Leyes Específicas:
- Ley de Lenz: El sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la causa que la produce (variación del flujo).
- Ley de Faraday: La fuerza electromotriz ($\mathcal{E}$) inducida en un circuito es igual a la variación del flujo magnético por unidad de tiempo: $\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}$.
Ley de Lorentz
Una carga eléctrica en movimiento dentro de un campo magnético sufre una fuerza ($\vec{F}_m$). Experimentalmente se comprueba que esta fuerza magnética ejercida por el campo es:
- Proporcional al valor de la carga ($q$) y a su velocidad ($\vec{v}$).
- La dirección de la fuerza es perpendicular tanto a la velocidad de la carga como al campo magnético ($\vec{F}_m = q(\vec{v} \times \vec{B})$).
III. Astronomía y Óptica
Leyes de Kepler sobre el Movimiento Planetario
Kepler explica el movimiento de los planetas alrededor del Sol mediante las siguientes leyes:
- Ley de las Órbitas: Los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas, en uno de cuyos focos se encuentra el Sol.
- Ley de las Áreas: El radiovector que une el Sol con un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales. Esto implica que el planeta es más rápido cuando se acerca al Sol.
- Ley de los Periodos: El cuadrado del periodo de revolución ($T^2$) es directamente proporcional al cubo de su distancia media al Sol ($r^3$): $\frac{T^2}{r^3} = \text{cte}$. Cada sistema planetario tiene una constante distinta.
Reflexión y Refracción de la Luz
Cuando una onda luminosa llega a una superficie que separa dos medios, parte de ella se refleja mientras que la otra parte se refracta.
- Reflexión: Es el cambio que se produce en la dirección de propagación de la onda dentro del mismo medio.
- Refracción: Es el cambio de dirección que se produce cuando la onda pasa de un medio a otro en el que su velocidad de propagación es distinta.
IV. Física Nuclear
Fisión Nuclear
Se realiza cuando un núcleo pesado se divide en otros más ligeros al ser bombardeados con neutrones. En el proceso se liberan más neutrones y una gran cantidad de energía.
Los neutrones liberados pueden fisionar otros núcleos, dando lugar a una reacción nuclear en cadena, que puede ser controlada o no controlada. Se controla mediante la introducción de material que absorba neutrones.
Fusión Nuclear
Es una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se convierten en uno más pesado. En este proceso también se libera una gran cantidad de energía. Las reacciones de fusión tienen lugar de forma natural en el Sol.