Principios Fundamentales de Física: Óptica, Dinámica y Mecanismos Esenciales

La Luz: Fenómenos y Propiedades

La luz es una manifestación de energía percibida por la visión.

Fuentes Luminosas

Un cuerpo capaz de emitir luz se clasifica en:

• Naturales: Como el Sol o las estrellas.
• Artificiales: Como bombillas o láseres.

Fuentes Luminosas según el Tipo de Rayo que Emiten

• Puntuales: Emiten luz desde un punto muy pequeño.
• Extensas: Emiten luz desde una superficie considerable.

Propagación de la Luz

La luz se propaga en línea recta, en todas direcciones y a una velocidad variable según el medio en el que se encuentre.

La luz se comporta como una onda cuando se propaga: se refleja, se refracta y sufre interferencias, al igual que otras ondas.

Está formada por partículas llamadas fotones. Cada fotón concentra una cantidad de energía llamada cuanto.

Reflexión de la Luz

La reflexión ocurre cuando una onda luminosa viaja por un medio, choca contra una superficie y cambia de dirección.

Tipos de Reflexión

• Especular: Los rayos se reflejan en una sola dirección al chocar con una superficie suave y lisa (como un espejo).
• Difusa: Los rayos se difunden en muchas direcciones cuando la luz colisiona con una superficie rugosa.

Leyes de la Reflexión

1. El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Espejos

Un espejo es una superficie lisa que refleja parte de la luz que llega. La imagen real se forma por la intersección de los rayos reflejados, mientras que la imagen virtual se forma por la prolongación de los rayos reflejados.

Clasificación de Espejos

• Planos: Superficie plana. La imagen formada por la reflexión de la luz tiene el mismo tamaño que el objeto, pero no son iguales, sino simétricos.
• Esféricos: Superficie curva. Según la posición del objeto y el tipo de curva, el tamaño de la imagen formada puede ser más grande o más pequeño.

Los espejos esféricos se agrupan en:

• Convexos: La superficie reflectante es la parte externa de la superficie esférica. Siempre forman imágenes derechas y de menor tamaño.
• Cóncavos: La superficie reflectante es la parte interna de la superficie esférica. Pueden formar imágenes invertidas o derechas, y de mayor o menor tamaño que el objeto, según la distancia.

Refracción de la Luz

La refracción es el fenómeno por el cual la velocidad y dirección de la luz cambian al pasar de un medio a otro.

Leyes de la Refracción

1. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie en el punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.

Cuando la luz pasa de un medio a otro:

• Si el segundo medio tiene mayor densidad óptica, el rayo se acerca a la normal.
• Si el segundo medio tiene menor densidad óptica, el rayo refractado se aleja de la normal.

Lentes

Las lentes son objetos transparentes que concentran o hacen divergir los rayos de luz.

Lentes Divergentes

Son superficies curvadas hacia dentro (cóncavas), que son más delgadas en el centro que en los bordes. Los rayos de luz que pasan a través de ellas se separan, formando imágenes virtuales de los objetos. Ejemplos:

• Bicóncava
• Cóncavo-convexa
• Plano-cóncava

Lentes Convergentes

Son superficies curvadas hacia afuera (convexas), que son más gruesas en el centro que en los bordes. Los rayos de luz que llegan a ellas se unen, formando imágenes reales. Ejemplos:

• Plano-convexa
• Biconvexa
• Convexo-cóncava

Fuerza

La fuerza es una magnitud física que puede:

• Cambiar el estado de reposo de un cuerpo.
• Modificar el estado de movimiento de un cuerpo.
• Producir deformación en un cuerpo.

Las fuerzas se agrupan en:

• Fuerzas de contacto: El cuerpo que ejerce la fuerza está en contacto directo con el cuerpo sobre el cual se aplica la fuerza.
• Fuerzas a distancia: El cuerpo que ejerce la fuerza no está en contacto directo con el cuerpo sobre el cual la aplica (ej. gravedad, magnetismo).

Trabajo

El trabajo (W) es el movimiento o desplazamiento de un cuerpo producido por la aplicación de una fuerza sobre él. Se realiza trabajo cuando se ha transferido energía a un cuerpo y este se desplaza.

La magnitud del trabajo generado por una fuerza aplicada depende de la intensidad de la fuerza y del desplazamiento:

• El trabajo aumenta en la medida en que la intensidad de la fuerza aplicada sea mayor.
• El trabajo efectuado aumenta en la medida en que el desplazamiento del cuerpo sobre el que actúa la fuerza sea mayor.

Potencia

La potencia (P) indica la relación que existe entre el trabajo realizado y el tiempo empleado.

• Algunas fuerzas efectúan el mismo trabajo, pero lo hacen en menos tiempo.
• Algunas fuerzas realizan más trabajo justamente en el mismo tiempo.

Máquinas

Una máquina es un instrumento que transforma las fuerzas que se aplican sobre él y reduce el esfuerzo necesario para efectuar un trabajo.

Elementos de una Máquina

• Potencia: Lugar donde se aplica la energía para hacer funcionar la máquina. Indica la fuerza que se debe aplicar para que la máquina funcione.
• Resistencia: Punto de la máquina que recibe el peso del objeto a mover. Indica la fuerza que se debe vencer con ayuda de la máquina.
• Punto de apoyo (Fulcro): Alrededor del cual giran la potencia y la resistencia. Es el punto donde se apoya la máquina.

Características de las Máquinas

• Requieren energía.
• Transforman energía.
• No aprovechan toda la energía que reciben (debido a pérdidas por fricción, etc.).

Clases de Máquinas

• Máquinas simples: Poseen un solo punto de apoyo.
  • Palanca: Formada por una barra rígida que se apoya en un punto.
  • Polea fija: Formada por un disco que gira alrededor de un eje.
  • Prensa hidráulica: Constituida por un cilindro angosto y otro ancho.
  • Resorte: Pieza elástica, generalmente de metal, que almacena energía cuando se comprime.
  • Plano inclinado: Consiste en una superficie plana que forma un ángulo con el piso.
• Máquinas compuestas: Constituidas por la combinación de varias máquinas simples.

El Cuerpo Humano como Sistema de Palancas

El sistema óseo y muscular permite a las personas desplazarse, poner en movimiento su cuerpo y mantener la postura. Los músculos son los órganos activos y los huesos son los órganos pasivos.

Tipos de Palancas en el Cuerpo Humano

• Palanca de primer género: El fulcro se encuentra entre la fuerza de potencia y la fuerza de resistencia. Ejemplo: El movimiento de la cabeza sobre la columna vertebral (el cuello actúa como fulcro).
• Palanca de segundo género: La fuerza de resistencia se encuentra entre el fulcro y la fuerza de potencia. Ejemplo: El movimiento de ponerse de puntillas (los gemelos ejercen la potencia, el tarso es la resistencia y la punta del pie es el fulcro).
• Palanca de tercer género: La fuerza de potencia se encuentra entre el fulcro y la fuerza de resistencia. Ejemplo: Levantar un objeto con la mano (el bíceps ejerce la potencia, el codo es el fulcro y el objeto es la resistencia).