EJE TEMÁTICO: ONDAS ¿Qué es una onda? Una onda es una perturbación que viaja por un medio, ya sea material o inmaterial y que transporta energía, pero NO materia. Pulso y tren de ondas Una sola perturbación en el medio provoca un pulso o ciclo y varias perturbaciones seguidas producen un tren de ondas. Estas perturbaciones permiten el traspaso de energía de una partícula a otra, dando origen a un movimiento ondulatorio. Modelo de onda Monte Valle Elementos espaciales de una onda 1. Longitud de onda λ: Distancia horizontal de un solo ciclo completo, es decir, entre dos montes, dos valles o tres nodos. Su unidad de medida son los metros (m). λ = Tren de ondas Número de ciclos 2. Amplitud A: Distancia vertical que representa la elongación máxima desde la línea de equilibrio hasta un monte o valle. Su unidad de medida son los metros (m). ➢ Mayor amplitud = mayor transporte de energía ➢ Menor amplitud = menor transporte de energía Elementos temporales de una onda 1. Periodo T: Tiempo que tarda una partícula en completar un ciclo. Su unidad de tiempo son los segundos (s). T= Tiempo Número de ciclos 2. Frecuencia f: Número de ciclos que realiza una partícula por unidad de tiempo. Su unidad son los Hertz (Hz = 1/s). f = Número de ciclos Dato: El campo auditivo de los humanos está entre los 20 Hz y los 20.000 Hz. Menor a eso se considera infrasonido y mayor a eso se considera ultrasonido. Tiempo ➢ Mayor frecuencia = menor longitud de onda ➢ Menor frecuencia = mayor longitud de onda λ λ ➢ Relación entre la frecuencia y el periodo: La frecuencia es inversamente proporcional al periodo. f=1 T=1 T f 3. Rapidez de propagación: Característica de cada tipo de onda y depende del medio por el cual se propaga. Es constante mientras la onda viaje por el mismo medio. v = Distancia recorrida Tiempo v = Longitud de onda Clasificación de las ondas Periodo v=λ T v=λxf Clasificación de las ondas 1. Según su naturaleza Ondas mecánicas: Necesitan de un medio material para propagarse, ya sea sólido, líquido o gaseoso. Por ejemplo: el sonido y las ondas sísmicas. Ondas electromagnéticas: Se pueden propagar en medios materiales y también en el vacío. Por ejemplo: la luz y las ondas de radio. 2. Según la dirección de vibración de las partículas del medio Ondas longitudinales: Las partículas del medio oscilan en la misma dirección de propagación de la onda. Por ejemplo: sonido, ondas sísmicas tipo P y resortes. Ondas transversales: Las partículas oscilan de forma perpendicular a la propagación de la onda. Por ejemplo: la luz y las cuerdas. 3. Según el sentido de propagación Ondas viajeras: Se propagan en un solo sentido. Ondas estacionarias: Son ondas confinadas en una región del espacio y se forman por la superposición de dos ondas viajeras que se propagan en sentidos contrarios. Se pueden generar en distintos medios, como cuerdas resortes y columnas de aire. El sonido Para que un cuerpo u objeto emita sonido, debe producirse en él algún tipo de vibración que se propague por un medio elástico, ya que la propagación en un medio de este tipo permite la formación de zonas con mayor o menor presión en las moléculas del medio que se llamarán: compresión y dilatación, respectivamente. Dato: Cuando una onda se transmite entre dos medios cambia su velocidad y longitud de onda, pero NO su frecuencia. Ejemplos de medio elástico: agua y aire. Compresión Dilatación Cualidades del sonido Intensidad o volumen: Permite diferenciar los sonidos como fuertes o débiles. Depende de la amplitud de la onda y de la cantidad de energía que transporta la onda en una unidad de tiempo. Dato: El umbral de dolor para el oído humano es en los 120 dB (decibeles) ➢ Mayor amplitud = sonido más intenso ➢ Menor amplitud = sonido menos intenso Sonido intenso Sonido débil Tono o altura: Permite diferenciar sonidos agudos y graves. Se relaciona con la frecuencia. En la misma cantidad de tiempo: ➢ Mayor frecuencia = sonido agudo ➢ Menor frecuencia = sonido grave Sonido agudo Sonido grave Timbre: Permite diferenciar sonidos de igual frecuencia e intensidad emitidos por diferentes instrumentos o voces. Depende la forma de la onda, ya que los materiales de los que están hechos los cuerpos vibran de modo diferente. Diapasón Violín Transmisión de ondas de sonido En general el sonido viaja más rápido en los medios más densos; es decir, el sonido viaja más rápido en los sólidos que en los líquidos, así como su velocidad es mayor en los líquidos que en los gases. Además en el aire viaja más rápido a mayor temperatura. Reflexión de una onda de sonido Cuando una onda sonora se propaga y choca con un obstáculo, rebota en la superficie, es decir, cambia de dirección y sentido. El oído humano es capaz de diferenciar el sonido original del reflejo solo si el tiempo que transcurre entre ellos es de más de 0,1 s. El eco: Repetición nítida de una onda sonora. Se produce cuando el sonido emitido rebota sobre una superficie ubicada a una distancia mínima de 17 metros del emisor. Tardan en regresar a su lugar de origen más de 0,1 s. Reverberación: Es la prolongación del sonido después de que se extingue la fuente sonora, debido a sucesivas reflexiones. Llegan al oído con una diferencia de menos de 0,1 s. Eco Dato: Mientras más relieve tenga la habitación, mayor será el efecto. Reverberación Refracción de una onda de sonido Es un fenómeno que afecta la propagación del sonido, ya que consiste en la desviación que sufren las ondas en su dirección cuando el sonido pasa a otro medio. La refracción del sonido no es tan importante como la refracción de la luz, ya que esta última permite la formación de imágenes. Efecto Doppler Es el aparente cambio de tono que experimenta un sonido, producto del movimiento relativo entre el emisor y el receptor. Dato: En el efecto Doppler pareciera que cambia el tono de un sonido, pero en realidad la frecuencia de la onda sonora no se modifica. Absorción del sonido Capacidad de algunos materiales de atrapar ondas. Son mejores absorbentes los materiales menos densos y más blandos, como la fibra de vidrio, alfombras, cortinas y espumas. Un mal absorbente sería un muro de hormigón. Dato: Los sonidos más agudos son absorbidos con mayor facilidad que los más graves. Resonancia Es el refuerzo en la amplitud de vibración que experimenta un cuerpo cuando se ve afectado por un estímulo externo, cuya frecuencia coincide con la frecuencia natural que él posee. El cuerpo puede llegar a romperse si la onda se mantiene por tiempo suficiente. Difracción Capacidad de las ondas de pasar a través de un obstáculo, emitiendo nuevas ondas, denominadas ondas difractadas. Puede haber difracción en una rendija o en un borde. Dato: Las ondas de menor frecuencia se difractan con mayor facilidad que las de mayor frecuencia. Interferencia Efecto que produce la superposición de dos o más ondas. Puede ser constructiva o destructiva. Si las ondas están en fase, la interferencia se denomina constructiva y la amplitud de la onda resultante será igual a la suma de las amplitudes de las ondas iniciales. Mientras que si las ondas están en desfase, la interferencia se denomina destructiva y la amplitud de la onda resultante será igual a la resta de las amplitudes de las ondas iniciales. Dato: Ambos casos son extremos, ya que lo más común es que sea una combinación de ellos. La luz La luz es un tipo de energía que nos permite ver los objetos que nos rodean. Dato: Cuando una onda se transmite entre dos medios cambia su velocidad y longitud de onda, pero NO su frecuencia. Espectro electromagnético Ondas de radio largas Radar Longitud Frecuen de onda cia Microondas Infrarrojo Espectro visible Ultravioleta Rayos X Rayos Gamma Rayos Cósmicos Disminuye Aumenta Fuentes luminosas Naturales Provienen de la naturaleza, es decir, no tienen intervención humana. Artificiales Producidas por el ser humano. Fuentes luminosas respecto a la forma de emisión Primarias Fuentes que emiten luz propia. Secundarias Fuentes que reflejan la luz emitida por otro cuerpo. Tipos de materiales y su respuesta al paso de la luz Transparentes Son aquellos que dejan pasar casi toda la luz que incide en él. La intensidad de la luz incidente es muy parecida a la transmitida, y eso explica que habitualmente no sean tan propensos a calentarse. Translúcidos Son aquellos que dejan pasar un poco de luz, pero no lo suficiente como para ver en forma clara lo que hay detrás de él. Serían un intermedio entre transparentes y opacos. Opacos Son los que no dejan pasar la luz, absorbiendo el total de la que reciben. Transmisión de ondas de luz En general la luz viaja más lentamente en los medios más densos. Así su rapidez en el vacío es mayor que en los gases, en los gases es mayor que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los sólidos. Reflexión de la luz Especular: Los rayos reflejados salen en la misma dirección. Permite formar imágenes. Suele ocurrir en una superficie lisa. Difusa: Los rayos reflejados salen en diferentes direcciones. No se forman imágenes. Suelen ocurrir en superficies rugosas. Dato: Las ondas reflejadas se mantienen en el mismo medio, por lo que su velocidad, longitud de onda y frecuencia no cambia. Reflexión especular Reflexión difusa Leyes de reflexión Primera ley: La onda incidente, la onda reflejada y la normal están en un mismo plano. Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Formación de imágenes en espejos planos Se obtiene una imagen virtual, derecha y de igual tamaño. La imagen es virtual, porque se forma a partir de las proyecciones de los rayos reflejados, es decir, la imagen se forma “detrás” del espejo. Formación de imágenes en espejos cóncavos Se pueden obtener diferentes tipos de imágenes dependiendo donde se ubique el objeto. C: Centro de curvatura. F: Foco. Se encuentra justo en medio del centro de curvatura y el vértice. V: Vértice. 1. Objeto posicionado antes del centro de curvatura: Se forma una imagen entre el centro de curvatura y el foco que será real (“delante” del espejo), invertida y más pequeña. 2. Objeto posicionado justo en el centro de curvatura: Se forma una imagen que también estará en el centro de curvatura y será real, invertida y de igual tamaño. 3. Objeto posicionado entre el centro de curvatura y el foco: Se forma una imagen antes del centro de curvatura que será real, invertida y más grande. 4. Objeto posicionado justo en el foco: La imagen se forma en el infinito, o sea que no hay formación de imagen. 5. Objeto posicionado delante del foco: Se forma una imagen virtual, derecha y más grande. Formación de imágenes en espejos convexos La imagen que se forma siempre será virtual, derecha y más pequeña. Refracción de la luz Es el cambio de dirección de los rayos de luz que ocurre tras pasar de un medio a otro, en el cual la luz se propaga con una velocidad diferente. ➢ Si la velocidad aumenta al cambiar de medio, entonces el rayo refractado se alejará de la normal y tendrá mayor longitud de onda. ➢ Si la velocidad disminuye al cambiar de medio, entonces el rayo refractado se acercará a la normal y tendrá menor longitud de onda. Índice de refracción (n) Magnitud adimensional que indica la resistencia que presenta un medio para ser recorrido por una luz de determinada frecuencia. Mientras más grande sea el índice de refracción, menor será la velocidad en el nuevo medio y viceversa. 1 1 2 2 n1 > n2 n1 < n2 v1 < v2 v1 > v2 n=c v c: velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/s) v: velocidad de la luz en el medio Lentes Los lentes son medios transparentes de vidrio, cristal o plástico; que tienen la capacidad de refractar la luz y formar imágenes. La luz que incide perpendicularmente sobre un lente se refracta hacia el plano focal en el caso de los lentes convergentes o desde el plano focal, en el caso de los divergentes. Lentes convergentes Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por el borde y concentran (hacen converger) en un punto los rayos de luz que las atraviesan. Este punto se llama foco y la separación entre él y la lente se conoce como distancia focal. La potencia de una lente es inversa a la distancia focal: ➢ A menor distancia focal, mayor potencia ➢ A mayor distancia focal, menor potencia Por ejemplo: En esta imagen el caso 1 tendría menor potencia que el caso 2. Tipos de lentes convergentes Dato: Las lentes convergentes se utilizan para la corrección de la hipermetropía Formación de imágenes con lentes convergentes Entre C y el infinito En C Entre C y F En F Entre F y O Invertida, real y de menor tamaño. Invertida, real y de igual tamaño. Invertida, real y de mayor tamaño. No se forma imagen. Derecha virtual y de mayor tamaño. Lentes divergentes Las lentes divergentes son más gruesas por los bordes que por el centro por lo que hacen divergir (separar) los rayos de luz que pasan a través de ellas. Dato: Las lentes divergentes se utilizan para la corrección de la miopía Si miramos por una lente convergente da la sensación de que los rayos proceden del foco, por lo que se le denomina foco virtual. Además, en las lentes divergentes la distancia focal se considera negativa. Tipos de lentes divergentes Formación de imágenes con lentes divergentes Las imágenes producidas por las lentes divergentes son virtuales, derechas y de menor tamaño. Enfermedades que afectan la visión 1. Hipermetropía Si tienes hipermetropía puedes ver los objetos lejanos con nitidez, pero tienes una visión borrosa de los objetos cercanos. ➢ Tus ojos enfocan las imágenes en un punto por detrás de la retina en vez de en la propia retina. ➢ La hipermetropía se produce cuando la córnea es demasiado plana, o cuando el ojo es más corto de lo normal. ➢ La hipermetropía se corrige con el uso de lentes convergentes, que ayudan a los rayos de luz a proyectarse en la retina. En este caso, cuanta mayor sean las dioptrías, más gruesos serán los cristales y el efecto que provocarán será el de unos ojos más grandes de lo normal. La dioptría es la unidad que con valores positivos o negativos expresa el poder de refracción de una lente. El signo '+' corresponde a las lentes convergentes, y el '–' a las divergentes. 2. Miopía Si eres miope puedes ver claramente los objetos cercanos, pero tienes dificultades para ver con claridad los objetos lejanos. ➢ La luz se enfoca delante de tu retina, en vez de en ella, y los objetos distantes se vuelven borrosos. ➢ En este caso el globo ocular es más alargado de lo normal. ➢ La miopía se corrige con el uso de lentes divergentes, que facilitan enfocar la imagen en la retina. ➢ En las altas graduaciones (de más de 2 dioptrías), las lentes provocan un efecto de disminución del tamaño del ojo. 3. Astigmatismo Si tienes astigmatismo, verás borroso a cualquier distancia. ➢ Es la forma irregular de tu córnea o el cristalino del ojo la que causa el astigmatismo. ➢ Con este problema visual tu visión borrosa puede ir en distintas direcciones: vertical, horizontal o diagonal. ➢ A menudo, el astigmatismo puede ir unido a otros tipos de problemas de visión, como la hipermetropía y la miopía. ➢ El astigmatismo se corrige con el uso de gafas o lentes de contacto monofocales cilíndricas (cóncavas o convexas), dependiendo de en qué parte de tu ojo se proyecte la luz. Tipos de luz La luz blanca: Es incoherente, es decir, está formada por ondas de distinta frecuencia que se encuentran fuera de fase (atrasadas o adelantadas unas respecto de otras). La luz monocromática: (de un solo color) Está formada por ondas de una misma frecuencia, pero que también están fuera de fase. La luz LÁSER: Está formada por ondas de la misma frecuencia que se encuentran en fase. Dispersión de la luz La luz blanca está compuesta por una superposición de luces de distinto color. Cada uno de estos colores corresponde a una onda de luz del espectro visible, con una frecuencia determinada, la que cual es distinta para cada color. Al pasa a través de un prisma los colores se separan, produciendo la dispersión o descomposición de la luz. Cada color se propaga con distinta rapidez a través de un medio material. Ejemplo: La luz roja se propaga con mayor rapidez en los vidrios que los otros colores, al tener menor frecuencia. Absorción de la luz Al ser iluminados, los objetos absorben algunas ondas y reflejan otras. Esto produce que percibamos los colores. Además, la absorción de la luz provoca un aumento de temperatura en los cuerpos. Color blanco: Si el cuerpo es capaz de reflejar todas las ondas de luz, al ser iluminado con luz blanca lo veremos blanco. Color negro: Si el cuerpo absorbe todas las ondas lo veremos negro, sin importar el tipo de luz con el cual lo iluminemos. Otros colores: El color con que se observan los objetos, proviene de la luz reflejada a la superficie, es decir, que por ejemplo, si un objeto se ve rojo, es porque sólo está reflejando la luz de ese color, ya que absorbió el resto. Naturaleza dual de la luz El estudio de los fenómenos relacionados con la luz es uno de los campos de la física que desde la antigüedad ha atraído a los científicos. En el siglo XII dos grandes científicos, Isaac Newton y Christian Huygens experimentaron con fenómenos luminosos y llegaron a conclusiones totalmente opuestas, pero ambas convincentes: Teoría Corpuscular: Isaac Newton sostenía que la luz era de naturaleza corpuscular, es decir, que estaría compuesta por pequeñas partículas o corpúsculos que viajan con gran rapidez, en línea recta y proyectan sombras. Teoría Ondulatoria: Para Christian Huygens la luz era de naturaleza ondulatoria, al igual que las ondas en el agua o en el sonido, pero con vibraciones mucho más rápidas. Además, planteó que las sombras se forman por la propagación rectilínea de la luz. Sólo a comienzos del siglo XX se llegó a tener más claridad con respecto a la naturaleza de la luz, cuando Albert Einstein propuso que la luz es un campo electromagnético que se propaga en el vacío con una velocidad finita. Él planteó una versión moderna de la teoría corpuscular, diciendo que la luz está formada por pequeños paquetes de energía luminosa que llamó “cuantos de luz” y actualmente “fotones”. Hoy se acepta que la luz presenta una doble naturaleza. Unas veces se comporta como partícula y otras veces como onda, no siendo ambas a la vez. Esto se conoce como “naturaleza dual de la luz”. Ondas sísmicas Las ondas sísmicas son un tipo de onda elástica que genera movimientos en las placas tectónicas. En un terremoto se transmiten ondas que viajan por el interior de la tierra. A este tipo de ondas se les llama ondas internas, centrales o de cuerpo y transmiten los temblores preliminares de un terremoto, pero poseen poco poder destructivo. Las ondas de cuerpo están divididas en dos grupos: Ondas primarias (P) y secundarias (S). También hay ondas que se propagan por la superficie. Estas tardan más en llegar, pero tienen los efectos más devastadores. Las ondas superficiales se dividen en: Ondas de Rayleigh (R) y de Love (L). Las velocidades de las ondas son VR, L < VS < VP. La secuencia típica de un terremoto es: primero el arribo de un ruido sordo causado por las ondas P, luego las ondas S y finalmente el "retumbar" de la tierra causado por las ondas superficiales. Ondas internas Ondas Primarias (P) Son ondas longitudinales, lo cual significa que el suelo es dilatado y comprimido alternadamente en la dirección de propagación de la onda. Generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces mayor que las ondas S y pueden propagarse a través de cualquier tipo de material. Ondas Secundarias (S) Son ondas transversales, lo cual significa que el suelo es desplazado perpendicularmente a la dirección de propagación de las ondas, alternadamente hacia un lado y hacia el otro. Las ondas S pueden viajar únicamente a través de sólidos. Usualmente tiene mayor amplitud que una onda P y se siente más fuerte que esta. Ondas superficiales Ondas de Rayleigh (R) Son ondas que viajan a lo largo de la superficie de los sólidos, produciendo un movimiento elíptico retrógrado en el suelo. Son más lentas que las ondas internas. Las ondas de Rayleigh incluyen movimientos longitudinales y transversales, cuya amplitud disminuye exponencialmente a medida que aumenta la distancia desde la superficie. Ondas de Love (L) Estas se generan sólo cuando un medio elástico se encuentra estratificado, situación que se cumple en nuestro planeta, pues se encuentra formado por capas de diferentes características físicas y químicas. Las ondas de Love se propagan con un movimiento de las partículas perpendicular a la dirección de propagación, como las ondas S, sólo que polarizadas en el plano de la superficie de la Tierra, es decir que sólo poseen la componente horizontal. Como para las ondas de Rayleigh, la amplitud de las mismas decrece rápidamente con la profundidad. Glosario de dispositivos tecnológicos Sismógrafo Es un instrumento que sirve para registrar la intensidad, duración y otras características de los temblores durante un terremoto. Consiste en un sensor que detecta el movimiento de la tierra, llamado sismómetro que está conectado a un sistema de registro. Un sismómetro sencillo puede ser visualizado como una pesa suspendida de un resorte, que a su vez están suspendidos sobre una base que se mueve con los movimientos de la superficie de la Tierra. Para añadir un sistema de registro se coloca un tambor que gira en la base y un marcador sujetado a la masa. El movimiento relativo entre la pesa y la base, puede ser registrado generando una serie de registros sísmicos, al cual conocemos como sismo-grama. Ecógrafo Un ecógrafo es un aparato de diagnóstico utilizado para realizar ecografías o ultrasonidos. El funcionamiento de un ecógrafo se basa en el envío de ondas ultrasónicas hacia el interior del cuerpo. Cuando estas ondas chocan con los órganos internos, rebotan y son devueltos en forma de eco. Sonar El sonar es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua, principalmente para navegar, comunicarse o detectar objetos sumergidos. Un dispositivo de sonar envía pulsos de ondas de sonido a través del agua. Cuando estos pulsos golpean objetos como peces, vegetación o el fondo, se reflejan de nuevo en la superficie. El dispositivo de sonar mide el tiempo que tarda la onda de sonido en bajar, golpear un objeto y luego rebotar. Estetoscopio Instrumento médico que sirve para explorar los sonidos producidos por los órganos de las cavidades del pecho y del abdomen. Es un dispositivo acústico que amplifica los ruidos corporales para lograr su mejor percepción y por lo tanto la integración de diversos signos. Tiene una membrana y una campana. Cualquiera de las dos partes puede colocarse en el paciente. Las dos detectan las señales acústicas que viajan a través de los tubos llenos de aire y llegan hasta los oídos del explorador. La campana transmite los sonidos de baja frecuencia, es ideal para escuchar los pulmones. La membrana, en cambio, detecta las altas frecuencias y permite escuchar el corazón. Radar Es un sistema de detección de objetos empleado en aeronáutica, navegación, astronomía, etc. El radar usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos o móviles como aeronaves, barcos, vehículos motorizados, formaciones meteorológicas y el propio terreno. Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. Prismáticos Instrumento óptico formado por dos cilindros idénticos unidos y provistos de prismas y de lentes en su interior que permite la visión ampliada, con ambos ojos, de objetos lejanos. La ampliación se logra cuando la luz atraviesa cada serie de lentes. Los prismas corrigen la imagen colocándola en la posición correcta, por medio del principio de reflexión interna total, a diferencia de los telescopios, que la muestran invertida. Focos En iluminación, un foco o proyector es un elemento óptico destinado a proyectar la luz de una lámpara hacia una región concreta o espacio determinado. Un foco eléctrico está conectado a una red por medio de un interruptor. El conjunto constituye un circuito a través del cual una corriente eléctrica puede circular. Teléfono En esencia, un teléfono móvil es un receptor/transmisor que recibe y envía ondas electromagnéticas de radiofrecuencia. El terminal (dispositivo de entrada y de salida de datos) transforma las ondas sonoras de nuestra voz en ondas electromagnéticas que se mueven en el aire y que son reenviadas al destinatario del mensaje, mediante una o más antenas repetidoras. Televisor Es un aparato eléctrico que recibe y reproduce imágenes y sonidos transmitidos por televisión. El televisor realiza funciones: principalmente dos ➢ La primera es que funciona como un receptor que permite captar las señales de TV que vienen en forma de ondas electromagnéticas, para decodificarlas. ➢ La segunda es la que se ocupa de convertir señales eléctricas en señales de luz, lo cual posibilita que podamos ver imágenes. Esto ocurre en la pantalla del televisor. Radio La radio es un medio de comunicación que se basa en el envío de señales de audio a través de ondas de radio. Una señal de radio se transmite por el espacio en forma de ondas electromagnéticas. Cada onda tiene unas características determinadas de longitud, amplitud y frecuencia. El emisor registra la información que quiere transmitir (como la voz de un locutor o una canción) en forma de señal eléctrica. A continuación, la antena transmisora convierte esta señal en una onda electromagnética para que pueda viajar a través del espacio sin necesidad de cables. El receptor consiste en una antena que capta las ondas y las descodifica, es decir, vuelve a transformarlas en señal eléctrica para recuperar la información original (en este caso, el audio). Telescopio refractor Un telescopio refractor es un sistema óptico centrado, que capta imágenes de objetos lejanos utilizando un conjunto de lentes en las que la luz se refracta. La refracción de la luz en la lente del objetivo hace que los rayos paralelos, procedentes de un objeto muy alejado, converjan sobre un punto del plano focal. Esto permite mostrar los objetos lejanos como si estuviesen más cerca y fuesen más brillantes. Telescopio reflector Un telescopio reflector es un telescopio óptico que utiliza espejos en lugar de lentes para enfocar la luz y formar imágenes. Radiotelescopio Aparato receptor empleado en radioastronomía para captar y registrar las ondas radioeléctricas que emiten los cuerpos celestes. Examinando la frecuencia, potencia y tiempos de las emisiones de radio de estos objetos, los astrónomos son capaces de ampliar nuestra comprensión del Universo. Los radiotelescopios también se utilizan en ocasiones en el seguimiento de vuelos espaciales no tripulados. Fibra óptica Se trata de un medio de transmisión de datos mediante impulsos fotoeléctricos a través de un hilo construido en vidrio transparente u otros materiales plásticos con la misma funcionalidad. Estos hilos pueden llegar a ser casi tan finos como un pelo, y son precisamente el medio de transmisión de la señal. Básicamente por estos finísimos cables se transfiere una señal luminosa desde un extremo del cable hasta el otro. Esta luz puede ser generada mediante un láser o un LED, y su uso más extendido es el de transportar datos a grandes distancias, ya que este medio tiene un ancho de banda mucho mayor que los cables metálicos, menores pérdidas y a mayores velocidades de trasmisión. EJE TEMÁTICO: MECÁNICA Magnitudes físicas Magnitudes físicas: Es todo aquello que se puede medir. Magnitudes fundamentales: Son aquellas que no pueden ser definidas o expresadas a partir de otras, tales como longitud, masa y tiempo. Magnitudes derivadas: Son aquellas magnitudes que pueden ser expresadas en función de las magnitudes fundamentales, por ejemplo, velocidad, fuerza, aceleración, etc. Nacen de la combinación de una o más magnitudes fundamentales. 1. Magnitudes escalares Son aquellas que sólo tienen módulo más la unidad de medida. Por ejemplo: longitud, tiempo, densidad, área y energía. 2. Magnitudes vectoriales Son aquellas que, además de módulo y unidad de medida, poseen dirección y sentido. Por ejemplo: desplazamiento, velocidad, aceleración y fuerza. Vectores y sus características El módulo o magnitud del vector: Se representa con la longitud de la flecha. La dirección del vector: Corresponde a la línea sobre la que se encuentra. El sentido del vector: Es indicado por la flecha. Sistema de referencia Es un conjunto de convenciones que sirve para establecer la posición, velocidad y aceleración de un objeto o sistema físico a partir de un observador designado. Dato: Los escalares no cambian al cambiar el sistema de referencia, pero los vectores sí. Factores de un sistema de referencia 1. Punto de referencia u observador: Punto a partir del cual se consideran las distancias. Dato: Si cambia el observador, puede cambiar el fenómeno. 2. Sistema de eje de coordenadas: Se sitúa en el punto de referencia y desde él se define la posición de cualquier objeto. 3. Origen temporal: Corresponde al instante a partir de cual se mide el tiempo. Sistema de coordenadas Es un método que usa uno o más números, llamados coordenadas para establecer inequívocamente la posición de un punto o de un objeto geométrico en el espacio. Sistema de referencia v/s sistema de coordenadas Un sistema de referencia nos ayudará a determinar nociones en el espacio (adelante, atrás, arriba o abajo) en relación al punto de referencia que elijamos, pero no nos dará valores cuantificados. Esto lo lograremos usando un sistema de coordenadas que nos permita tomar medidas. Representación coordenadas de un vector en un sistema de Los vectores se pueden representar uniendo el origen del sistema coordenado con un punto en el plano, por lo que podemos establecer una asociación entre los pares ordenados y los vectores. 1. Magnitud del vector 2. Dirección del vector Está dada por el ángulo entre el vector y el eje x. 3. Sentido del vector Queda definido por la punta de la flecha. Descripción del movimiento El comportamiento de todo lo que observamos en la naturaleza, incluso aquello que se encuentra fuera de nuestro planeta, tiene asociado algún tipo de movimiento. El estudio de este, sin considerar las causas que lo originan, es lo que se conoce como cinemática. Si un cuerpo o partícula varía su posición respecto a un mismo sistema de referencia arbitrario, se dice que éste ha efectuado un movimiento y, por lo tanto, que el cuerpo adquiere las características cinemáticas de un móvil. Trayectoria: Corresponde a la curva que une las sucesivas posiciones instantáneas ocupadas por un móvil. Todo cuerpo que manifiesta movimiento, independiente del sistema de referencia utilizado, describe una trayectoria. Distancia recorrida: Se refiere a la longitud de la trayectoria, desde el punto inicial al punto final. Corresponde a una magnitud escalar. Normalmente se denota por la letra d. Desplazamiento: El vector que abarca desde el punto de partida del móvil (o posición inicial) a su punto de llegada (o posición final) corresponde al desplazamiento d. Es independiente de la trayectoria utilizada y siempre es menor o igual en magnitud a la distancia recorrida. Velocidad media y rapidez media Velocidad media: Cociente entre el desplazamiento efectuado por un móvil y el tiempo empleado en realizarlo. Es un vector, pues proviene de la división del vector d por el escalar Δt (tiempo final – tiempo inicial). v = d (m) Δt (s) Rapidez media: Cociente entre el camino d recorrido por un móvil y el intervalo de tiempo empleado en efectuarlo. Corresponde, por lo tanto, a una cantidad escalar. v = d (m) Δt (s) Velocidad instantánea y rapidez instantánea Es la velocidad / rapidez de un cuerpo en un momento particular del tiempo. Aceleración media Variación de la velocidad en el tiempo, ya sea porque esta aumenta o disminuye. Esta variación hace referencia tanto al módulo, como la dirección y el sentido. a = Δv (m ) Δt ( 𝑠 2 ) Movimiento relativo El estado de movimiento o reposo de un cuerpo depende del sistema de referencia adoptado. Ejemplo: Si una persona que viaja en una camioneta con velocidad constante, lanza verticalmente hacia arriba una pelota, para ella la trayectoria seguida por la pelota es una línea recta, pero para un observador que está en reposo al costado del camino, la trayectoria seguida por la pelota es curvilínea. A partir de lo anterior, podemos establecer que el movimiento es relativo, pues para un sistema de referencia dado, el cuerpo en estudio puede presentar un cierto tipo de movimiento, pero para otro sistema de referencia distinto, el movimiento puede percibirse diferente, e incluso percibir reposo. Velocidad Relativa 1. Primer caso Si el observador está en reposo, la velocidad será: ➢ La adición de las velocidades si se encuentran en el mismo sentido. ➢ La sustracción de las velocidades si se encuentran en sentidos contrarios. 2. Segundo caso Si el observador está en movimiento, la velocidad del cuerpo será: ➢ La adición de las velocidades si se mueven en sentido contrario. ➢ La sustracción de las velocidades si se mueven en el mismo sentido. Movimiento rectilíneo uniforme (MRU) Un cuerpo se mueve en línea recta con velocidad constante, es decir, que esta no varía ni en módulo, ni en dirección, ni en sentido. Al tener velocidad constante, no hay aceleración (es cero) y por lo tanto, en tiempo iguales, el cuerpo recorre distancias iguales. En este movimiento tipo de movimiento, la distancia recorrida es igual al desplazamiento. Para determinar la posición (x) de un cuerpo con MRU, se usa la siguiente ecuación: x = xi + vt Gráficos MRU 1. Posición en función del tiempo: Con velocidad positiva y negativa respectivamente. La pendiente (m) de este gráfico permite calcular la velocidad del movimiento. m = y2 – y1 x2 – x1 2. Velocidad en función del tiempo: Con velocidad positiva y negativa, respectivamente. La pendiente de este gráfico permite calcular la aceleración del movimiento, pero como se puede apreciar, no existe ninguna pendiente, por lo tanto se confirma que en MRU la aceleración es igual a cero. Calcular el área que se forma entre la línea y el eje x, permitirá obtener la distancia recorrida. 3. Aceleración en función del tiempo: Siempre es nula. Movimiento rectilíneo uniforme acelerado (MRUA) Es cuando un móvil describe una trayectoria rectilínea y va aumentando uniformemente su velocidad en el tiempo. Su aceleración es constante en magnitud, dirección y sentido. A medida que avanza el tiempo, el cuerpo recorre distancias cada vez más grandes o más pequeñas, dependiendo de si la aceleración es positiva o negativa, es decir, si la velocidad aumenta o disminuye. Las ecuaciones que permiten calcular la posición y velocidad del cuerpo con MRUA, son: Gráficos MRUA 1. Posición en función del tiempo: Cuando la aceleración es positiva y negativa, respectivamente. 2. Velocidad en función del tiempo: Cuando la aceleración es positiva y negativa, respectivamente. La pendiente permite calcular la aceleración y el área bajo esta, la distancia recorrida. 3. Aceleración en función del tiempo: Cuando la aceleración es positiva y negativa, respectivamente. El área que se encuentra entre la línea y el eje x, permite calcular la variación de la velocidad. Movimientos verticales Todo cuerpo que se mueve libremente en las cercanías de la Tierra y en dirección perpendicular a su superficie, está sometido siempre a una aceleración constante, que apunta hacia el centro del planeta, denominada aceleración de gravedad. Se simboliza mediante g y su valor corresponde a: 9,8 m/𝒔𝟐 , pero para efectos prácticos de operatoria, se considera que g es igual a 10 m/𝒔𝟐 . En estricto rigor, el comportamiento cinemático de un cuerpo en movimiento vertical es predecible sólo si se desprecia la resistencia del aire, es decir, si el movimiento se produce en el vacío o si la resistencia del aire es muy pequeña. 1. Caída libre Es la caída de un cuerpo desde el reposo (vi = 0). Para analizar el movimiento, escogemos un sistema de referencia positivo en sentido hacia abajo, y ubicamos el origen del sistema en la posición inicial del cuerpo. Las ecuaciones para este movimiento son las mismas que las del MRUA, pero la aceleración siempre toma el valor de g. 2. Lanzamiento vertical hacia abajo Este movimiento vertical es muy similar a la caída libre, solo que el cuerpo no es “dejado caer” desde la altura, sino que es “lanzado” y por lo tanto, su velocidad inicial no es cero. Al igual que en la caída libre, utilizamos un eje coordenado apuntando hacia abajo y ubicamos el origen del sistema en la posición inicial del cuerpo. Las ecuaciones de este movimiento también son las mismas que las del MRUA, pero con aceleración g. 3. Lanzamiento vertical hacia arriba En este caso el cuerpo es lanzado hacia arriba, por lo tanto, su velocidad inicial no es cero. También se usa un eje coordenado apuntando hacia arriba, y ubicamos el origen del sistema en la posición inicial del cuerpo. Como la velocidad del cuerpo es contraria a la aceleración de gravedad, las ecuaciones para este movimiento son las mismas que la del MRUA, pero con aceleración g negativa. Cuando el cuerpo alcanza la altura máxima, su velocidad será igual a cero. Fuerzas y leyes de Newton Aquella parte de la Física que se encarga de analizar la causa de los movimientos corresponde a la Dinámica. Una vez conocido el origen del movimiento, a través de la dinámica se puede determinar cómo se desarrollará describiéndolo por medio de la Cinemática. 1. Fuerza, fuerza neta y masa Fuerza: Es la interacción entre dos o más cuerpos que puede causar el cambio de su movimiento. Se mide en Newton (N). Fuerza neta (Fneta): Corresponde a la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo o sistema. Masa inercial: Es la relación que existe entre la fuerza aplicada en un cuerpo y la aceleración adquirida por éste. Es decir: Masa gravitatoria: Es la relación que existe entre el peso de un cuerpo y la aceleración de gravedad. Es decir: m= F a m= P g 2. Leyes de Newton Isaac Newton formuló las tres leyes sobre la Dinámica que permiten determinar cómo será el movimiento, a partir de las causas que lo originaron. Primera ley de Newton o ley de inercia: Si la fuerza neta sobre un cuerpo es nula, este permanece en estado de reposo (v = 0) o de movimiento rectilíneo uniforme (v cte.). Segunda ley de Newton o ley de aceleración: Si sobre un cuerpo actúa una fuerza neta no nula, éste adquiere una aceleración que es proporcional a dicha fuerza, e inversamente proporcional a la masa inercial del cuerpo. ➢ ➢ ➢ ➢ Si la Si la Si la Si la fuerza aumenta, la aceleración aumenta. fuerza disminuye, la aceleración disminuye. masa aumenta, la aceleración disminuye. masa disminuye, la aceleración aumenta. F= mxa Tercera ley de Newton o ley de acción y reacción: Si un cuerpo A ejerce sobre un cuerpo B una fuerza (FAB), entonces el cuerpo B ejerce una fuerza sobre el cuerpo A (FBA), de igual magnitud y dirección, pero de sentido opuesto. Estas fuerzas de acción y reacción son simultáneas, y aunque ambas fuerzas son opuestas, no se anulan entre sí debido a que se ejercen sobre cuerpos distintos. 3. Fuerzas mecánicas Peso (P): Corresponde a la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos hacia su centro, como resultado de la acción del campo gravitatorio que ejerce su masa. P= mxg Normal (N): Es la fuerza de reacción que ejerce una superficie sobre un cuerpo, cuando este se apoya sobre ella. Se manifiesta perpendicular a la superficie y en sentido contrario a esta. Tensión (T): Es la fuerza transmitida a través de una cuerda inextensible y de masa despreciable, ejercida por un cuerpo ligado a ella. Se representa por un vector dirigido a lo largo de la cuerda. Esta tensión es igual a lo largo de toda la cuerda. Roce (Fr): Es una fuerza que se opone al movimiento, debido a la rugosidad de las superficies. Fr = N x µ ➢ Coeficiente de roce (µ): Es un coeficiente adimensional, y es casi independiente del área de contacto entre superficies. Su valor depende de la naturaleza de las superficies en contacto y fluctúa entre 0 y 1. De acuerdo con el estado del cuerpo, se distinguen dos tipos de roce: a) Fuerza de roce estático (Fs): Si sobre un cuerpo que descansa sobre una superficie rugosa se aplica una fuerza externa, la cual es incapaz de hacerlo deslizar, entonces sobre él actúa una fuerza opuesta al posible desplazamiento, la cual denominaremos fuerza de roce estático. El valor de la fuerza de roce justo antes de que el cuerpo deslice, se denomina fuerza de roce estática máxima (Fs, MAX.) y se calcula como: Fs, MAX.= N x µS ➢ µS: Coeficiente de roce estático. b) Fuerza de roce cinético (Fk): Si un cuerpo se desliza sobre una superficie rugosa, experimentaría una fuerza opuesta a su movimiento denominada fuerza de roce cinético. El valor de esta fuerza es constante y se calcula como: Fk = N x µk ➢ µk: Coeficiente de roce cinético. El valor de la fuerza de roce estático máximo es mayor que el valor de la fuerza de roce cinético. Lo último se debe a que el coeficiente de roce estático es mayor que el coeficiente de roce cinético. Fuerza elástica (Fe) y Ley de Hooke Un cuerpo elástico es un cuerpo que, al ser ejercida una fuerza sobre él se deforma visiblemente, pero que recupera su forma original una vez que dicha fuerza deja de actuar. Cuando un cuerpo elástico es deformado aparece en él una fuerza “restauradora” que se opone a la deformación producida y actúa intentando devolver al cuerpo su forma original. Esta fuerza es proporcional a la deformación producida, es decir, será mayor mientras más estiremos el resorte. Si estiramos el resorte más allá de su “límite elástico” se deformará permanentemente y perderá sus propiedades elásticas. La fuerza elástica es una “fuerza de reacción” a la fuerza deformadora. Si la deformación es unidimensional, como en el caso de estirar o comprimir un resorte "rectilineamente", el módulo de la fuerza elástica puede expresarse como: Fe = –k · Δx ➢ k: Constante de elasticidad. Depende del material y la forma del cuerpo elástico. ➢ Δx: Es la deformación producida al cuerpo elástico. ➢ El signo menos en la expresión indica que la fuerza elástica siempre es contraria a la deformación. Ley de Hooke: Establece que el alargamiento de un resorte es directamente proporcional al módulo de la fuerza que se le aplique, siempre y cuando no se deforme permanentemente. Leyes que describen el sistema solar 1. Leyes de Kepler Primera ley de Kepler: Los planetas giran alrededor del Sol siguiendo una trayectoria elíptica. El Sol se sitúa en uno de los focos de la elipse. En la órbita de cualquier planeta se reconocen dos puntos: el Afelio y el Perihelio. ➢ Perihelio: Es el punto de la órbita del planeta más cercano al Sol. ➢ Afelio: Es el punto de la órbita del planeta más lejano al Sol. Segunda ley de Kepler: Considerando al Sol como origen del sistema de coordenadas, la recta que une el planeta con el Sol (radio vector) barre áreas iguales en tiempos iguales. De esto se deduce que si t1 = t2, entonces A1 = A2. Por consiguiente, la rapidez de traslación del planeta en las cercanías del Perihelio es mayor que en las cercanías del Afelio. Tercera ley de Kepler: El cuadrado del tiempo T empleado por un planeta en recorrer su órbita, es proporcional al cubo de la distancia media entre el planeta y el Sol. 𝑇 2 = k x 𝑟3 ➢ T: Periodo del planeta (s) ➢ k: Constante de proporcionalidad: 3.10-19 (s2/m3) ➢ r: Distancia media al Sol (m) 2. Ley de gravitación universal de Newton Al tener masa, los cuerpos ejercen una fuerza de atracción a distancia sobre otros cuerpos. A esta interacción se le denomina interacción gravitatoria y a la fuerza de atracción, fuerza gravitatoria. Cada cuerpo ejerce una fuerza gravitatoria en el otro de igual módulo y dirección, pero de sentido contrario (principio de acción y reacción). Estas fuerzas explican por qué los planetas de nuestro sistema solar giran alrededor del Sol, o la luna alrededor de la Tierra. La ley de gravitación universal establece que la fuerza de atracción gravitacional es directamente proporcional al producto de las masas de los cuerpos interactuantes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. ➢ F: Fuerza gravitatoria (N) ➢ G: Constante gravitacional universal: 6.67 x 𝟏𝟎−𝟏𝟏 (N x 𝒎𝟐 / 𝑲𝒈𝟐 ) ➢ m1 y m2: masas de los cuerpos que interactúan (Kg) ➢ r: distancia que los separa (m) Aceleración de gravedad y constante universal La aceleración de gravedad (g) es aquella aceleración relacionada a la caída libre de un cuerpo. Por la segunda ley de Newton tenemos que: F=mxg Por ley de gravitación universal tenemos que: Como ambas son fuerzas de atracción: = m xg Gm=g 𝒓𝟐 EJE TEMÁTICO: ENERGÍA Energía Cuando un cuerpo se mueve, tiene la capacidad de transformar su entorno. Esta capacidad hace referencia a la energía. Es una magnitud escalar. La propiedad más importante de la energía es que se conserva. Hablar del concepto de energía, por lo tanto, es hablar de la ley de conservación de energía. 1. Trabajo mecánico (W) Cuando sobre un sistema mecánico se aplica una fuerza neta y esta produce desplazamiento, entonces se dice que esta fuerza efectúa trabajo mecánico, el cual puede ser positivo si el sistema gana energía o negativo si el sistema pierde energía. Se mide en Joule (J = N x m). La operación del trabajo mecánico viene dada por un producto punto: Dato: Aunque la fuerza y el desplazamiento son vectores, el trabajo es un escalar. ➢ F: Fuerza aplicada (módulo) ➢ Δr: Desplazamiento (módulo) ➢ Cos θ: Ángulo entre los dos vectores. Corresponde a una función trigonométrica, que en este caso, solo entrega el signo del trabajo. Entonces, dependiendo del ángulo entre la fuerza y el desplazamiento, el trabajo puede ser positivo, negativo o nulo. Casos en el trabajo mecánico a) W > 0: El trabajo es positivo cuando el ángulo que se forma entre la fuerza y el desplazamiento está entre los 0° y 89°. El trabajo positivo máximo se produce cuando el ángulo es 0°, ya que el coseno de 0° es 1. b) W = 0: El trabajo es nulo cuando el ángulo que se forma entre el desplazamiento y la fuerza es de 90°, ya que el coseno de 90° es 0. c) W < 0: El trabajo es negativo cuando el ángulo que se forma entre la fuerza y el desplazamiento está entre los 91° y los 180°. El trabajo máximo negativo se produce cuando el ángulo es 180°, ya que el coseno de 180° es -1. 2. Potencia mecánica (P) La potencia se puede entender como la rapidez con la que se realiza un trabajo y se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. Su unidad de medida son los Watts (W = J/s). Δ ➢ P: Potencia mecánica. ➢ W: Trabajo mecánico. ➢ Δt: Intervalo de tiempo en el que se realiza el trabajo. Relación entre potencia y rapidez media También se puede expresar la potencia en función de la rapidez media, si la fuerza y el desplazamiento poseen igual dirección y sentido. P=W P=Fxd Δt P=F x v Δt 3. Teorema trabajo – energía Se considera el trabajo total realizado por la fuerza externa resultante, la cual es constante, en un cuerpo que se mueve horizontalmente en línea recta. Wt = Fx · Δx Wt = m · ax · Δx Wt = m · ( 𝑣 2 - 𝑣 2 0) · Δx 2 · Δx Wt = m · ( 𝑣 2 - 𝑣 2 0) 2 4. Energía cinética (Ec) Es la energía que tienen los cuerpos que están en movimiento con una cierta velocidad distinta de cero. También se puede designar con la letra K. Dato: Wt = ΔEc Ec = 1 · m · 𝑣 2 2 ➢ Ec: Energía cinética (J) ➢ m: masa (kg) ➢ v: Velocidad del cuerpo (m/s) En consecuencia, EC depende directamente del cuadrado de la rapidez. Por ejemplo, si la velocidad del cuerpo aumenta al doble, entonces E C aumentará cuatro veces. 5. Energía potencial (Ep) Representa la energía almacenada por un cuerpo en virtud de su posición. Energía potencial gravitatoria: Se define como la energía que posee un cuerpo dentro de un campo gravitacional y que se encuentra a una cierta altura respecto de un nivel de referencia dado. Epg = m · g · h ➢ m: masa (Kg) ➢ g: aceleración de gravedad (m/ 𝑠 2 ). ➢ h: altura (m). Energía potencial elástica: Es aquella que adquieren los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas elásticas o recuperadoras. En el caso de un cuerpo unido a un muelle, su valor viene dado por: Epe = 1 · k · 𝑥 2 2 ➢ k: constante elástica (N/m) ➢ x: distancia hasta la posición de equilibrio (m). 6. Energía mecánica (Em) Es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo mecánico. Es la suma de las energías cinética y potencial (gravitatoria y/o elástica) de un cuerpo. E m = Ec + E p Conservación de la energía mecánica: La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. La energía mecánica de un cuerpo se mantiene constante cuando todas las fuerzas que actúan sobre él son conservativas, es decir, fuerzas cuyo trabajo realizado entre dos puntos no depende de la trayectoria elegida sino solamente de la variación de energía potencial que generan. El calor y la temperatura Calor: Es energía en tránsito, que fluye desde un cuerpo de mayor temperatura hacia uno de menor temperatura. Entonces, es la energía calórica que un cuerpo cede o absorbe en un tiempo determinado. Se mide en calorías, kilocalorías y Joule. Temperatura: Es la cantidad de energía interna que posee un cuerpo, debido a la suma de energía cinéticas de las partículas que lo componen, las cuales están siempre en movimiento. Cuanto mayor Dato: El calor se transmite, la temperatura no. sea la temperatura de una sustancia, tanto mayor será la energía cinética de sus moléculas. Recíprocamente, cuando la temperatura de la sustancia disminuye, la agitación de sus moléculas se reduce. Se mide Celsius, Kelvin y Fahrenheit. 1. Equilibrio térmico Cuando dos sistemas o cuerpos en desequilibrio térmico entran en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía en forma de calor al de menor temperatura, hasta conseguir el equilibrio térmico (igual temperatura entre ambos). 2. Escalas termométricas Para graduar un termómetro se consideran como puntos de referencia dos temperaturas arbitrarias y fáciles de alcanzar con precisión, llamados puntos fijos. Según los puntos fijos adoptados, los termómetros resultan graduados en diferentes escalas termométricas o de temperatura. Escala Celsius (°C): En esta escala Celsius asigna como punto fijo inferior a la temperatura normal de fusión del hielo dándole el valor 0. Su punto fijo superior corresponde a la temperatura normal de ebullición del agua, a la que le asignó el valor 100. Al dividir este intervalo de temperaturas en 100 partes iguales, cada división correspondía a una variación de temperatura de un grado centígrado o Celsius (1°C). La graduación puede continuar más allá de sus puntos fijos. Escala Kelvin (K): Corresponde a la unidad fundamental de medición en el sistema internacional. Nació al comprobarse que es imposible obtener una temperatura inferior a –273°C, debido a que a esta temperatura las moléculas que conforman la sustancia ya no tienen energía para ceder. Esta temperatura se denomina “cero absoluto”. En realidad, el cero absoluto es una temperatura límite que no se puede alcanzar y, por ello, sólo se han obtenido valores muy próximos a ella. Kelvin propuso como origen de su escala la temperatura del cero absoluto, y un intervalo unitario igual al intervalo de Celsius, es decir ΔT° en 1°C = ΔT° en 1 K. Escala Fahrenheit (°F): Asigna el valor de 32°F al punto de fusión del agua y 212°F a su punto de ebullición. Este intervalo está dividido en 180 partes, por lo que la variación de un grado en las escala Fahrenheit no es equivalente a la variación de un grado en la escala Celsius o Kelvin. 3. Conversión entre las escalas termométricas ➢ De Celsius a Kelvin: K = °C + 273 ➢ De Celsius a Fahrenheit: °F = 9 · °C + 32 5 4. Capacidad calórica (C) La capacidad para absorber calor se conoce con el nombre de “capacidad calórica” y se expresa como la relación entre el calor absorbido o cedido (Q) por un sistema y la variación de temperatura que éste experimenta (ΔT). C=Q ΔT ➢ C: Capacidad calórica (cal/°C) o (J/K) ➢ Q: Calor ➢ ΔT: Variación de temperatura 5. Calor específico (c) Es el calor que se necesita para incrementar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia cualquiera en un grado de temperatura. Corresponde a la capacidad calórica por unidad de masa y es característico para cada sustancia. Si un cuerpo tiene un mayor calor específico quiere decir que necesita más energía para aumentar su temperatura en un grado. c= Q m · ΔT ➢ c: Calor específico (cal/ g · °C) o (J/ Kg · K) ➢ m: Masa (Kg) 6. Calor latente (L) Es la energía requerida por una cantidad de sustancia para cambiar de fase. Esta energía en forma de calor se invierte para el cambio de fase y no para el aumento de temperatura, por lo que en un cambio de fase la temperatura se mantiene constante. Su valor puede ser positivo o negativo, dependiendo de si se ganó o se perdió energía en el cambio de fase. L= Q m ➢ L: Calor latente (cal/ g) o (J/Kg) 7. Principio de Regnault El principio de equilibrio térmico unido al principio de conservación de la energía permite formular el principio de Regnault o de las mezclas calóricas, que dice que si dos o más cuerpos de diferente temperatura se mezclan, el calor absorbido por los cuerpos de menor temperatura es equivalente al calor cedido por los cuerpos de mayor temperatura, hasta alcanzar la temperatura de equilibrio de toda la mezcla. Qabsorbido = - Qcedido Q = m · c · ΔT 8. Transferencia de calor El proceso de transferencia de energía por calor entre dos puntos se presenta solo si existe una diferencia de temperatura entre dichos puntos. La conductividad térmica es una propiedad de cada material. Relaciona la rapidez (por unidad de área) con la que fluye el calor a través de un material y la rapidez con la que varía la temperatura de este. Los materiales que son buenos conductores térmicos, transfieren (o aíslan, en el caso de los aislantes térmicos) el calor. El calor se puede transferir por conducción, convección y radiación. Conducción: Corresponde a la transmisión del calor en sólidos, en la cual el calor se transmite de una partícula a otra, avanzando paulatinamente por el material sin que estas partículas sufran ninguna traslación en el interior del cuerpo. Convección: Corresponde a la transmisión del calor en los líquidos y gases por el movimiento de sus moléculas, en forma de corrientes cálidas ascendentes y frías descendentes. Esta forma de propagación es exclusiva de los fluidos, en los que sus moléculas se encuentran bastante separadas entre sí, lo que les permite moverse y trasladarse desde un lugar a otro. Radiación: Corresponde a la transmisión de energía por medio de la emisión de ondas electromagnéticas o fotones. Todos los cuerpos calientes emiten radiaciones térmicas que, cuando son absorbidas por algún otro cuerpo, provocan en él un aumento de temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo caliente, tanto mayor será la cantidad de calor transmitida por radiación. Cuando la energía radiante choca con un cuerpo, no es absorbida completamente, gran parte se refleja y el resto se transmite a través del cuerpo. Los cuerpos que absorben con facilidad, irradian también con facilidad, por lo cual pasan a ser los mejores radiadores. 9. Cambios de estado de la materia Fusión: Es el proceso de transformación de los sólidos en líquido, por absorción de calor. Solidificación: Es el proceso de transformación de un líquido en sólido por desprendimiento de calor. Durante la solidificación la temperatura permanece constante y el calor latente de solidificación es igual al calor latente de fusión. Vaporización: Es un proceso lento de transformación, sin turbulencia visible, de un líquido en vapor, por absorción de calor. Cuando este proceso se produce rápida y turbulentamente en forma de burbujas que agitan toda la masa del líquido, se habla de “ebullición”. Durante la ebullición, a pesar de que se suministra calor al líquido, su temperatura permanece constante, y el vapor que se va formando está a la misma temperatura del líquido. Licuefacción o Condensación: Es el proceso de transformación de un gas o vapor no saturante en líquido. Para lograr la licuación de un gas es necesario convertirlo primero en un vapor saturado, lo cual se consigue comprimiéndolo, enfriándolo o combinando ambos procedimientos. La licuefacción o condensación es un proceso inverso al de la vaporización, en que el vapor deberá liberar calor para liquidificarse. Sublimación: En condiciones apropiadas de temperatura y presión, una sustancia puede pasar directamente del estado sólido al estado de vapor, sin pasar por el líquido. Sublimación inversa: Proceso de transformación de un gas a un sólido, por desprendimiento de calor. 10. Dilatación y contracción térmica Dilatación: Es un aumento de la superficie y/o volumen de un cuerpo, debido al aumento de la temperatura que se produce cuando las partículas se mueven más de prisa y ocupan más espacio. La dilatación depende de la geometría del cuerpo, del material que lo conforma y del calor que se le transfiere. ➢ Dilatación lineal: En una dimensión. ➢ Dilatación superficial: En dos dimensiones. ➢ Dilatación volumétrica: En tres dimensiones. Anomalía del agua: Un caso especial es el de la dilatación del agua. Corresponde a una de la tres excepciones que, al pasar desde el estado sólido al líquido, disminuyen su volumen (las otras dos son el hierro y el bismuto). Este fenómeno de contracción, conocido como “Anomalía del agua”, se produce en el rango que va desde los 0 °C a los 4 °C. Una vez que la temperatura supera los 4 °C, el agua vuelve a dilatarse normalmente. Contracción: Es una disminución de la superficie y/o volumen de un cuerpo, debido a la disminución de la temperatura (partículas se mueven más despacio y ocupan menos espacio). 11. Equivalente mecánico del calor Permite relacionar los conceptos del trabajo y del calor a través de un solo valor. El médico alemán Robert Mayer, en 1842, demostró teóricamente la equivalencia entre el trabajo efectuado y el calor producido por él. Su contemporáneo inglés, James Joule verificó experimentalmente esta equivalencia usando un calorímetro provisto de paletas, que podían girar al hacer caer un peso P de cierta altura h. Las pesas caen desde diferentes alturas moviendo las paletas que están en un calorímetro con agua. De esta forma, la energía potencial gravitatoria de las pesas se transforma en trabajo mecánico. El movimiento de las paletas eleva la temperatura del agua, lo que se mide con el termómetro. Joule propuso que el calor absorbido por el agua provenía del trabajo mecánico realizado por las paletas. Él calculó la cantidad de calorías absorbidas por el agua en forma de calor y la cantidad de trabajo mecánico realizado por las paletas, encontrando que es necesario realizar un trabajo de 4,186 [N · m] para elevar en 1°C la temperatura de 1[g] de agua. A esta cantidad de trabajo se le llamó caloría [cal]. 1 [cal] = 4,186 [J] Esta relación se conoce como ”equivalente mecánico del calor” y corresponde al número de unidades de trabajo que son capaces de producir 1 [cal]. Composición de la Tierra En cuanto a la estructura terrestre se distinguen en su composición tres elementos principales que determinan la clasificación por capas. La primera correspondiente al elemento tierra (Geósfera), la segunda al elemento agua (Hidrosfera) y la tercera, a una capa de gases que rodea a las anteriores (Atmósfera). A través de los estudios de las ondas sísmicas se han desarrollado dos modelos del interior de la Tierra. El primero de ellos es en base a la composición química, denominado modelo estático. El segundo modelo, denominado modelo dinámico, considera el comportamiento mecánico al interior de la Tierra. 1. Modelo estático o modelo geoquímico Corteza: Es la capa superficial de la Tierra y por ello la de menor temperatura. Está compuesta por rocas en fase sólida. Manto: Región que se extiende bajo la corteza hasta unos 2.900 [km] de profundidad. Las temperaturas en su interior oscilan entre los 1.200 y 2.800 °C. Compuesto principalmente por silicatos de hierro y magnesio. El límite entre la corteza y el manto se conoce como discontinuidad de Mohorovicic o Moho. Núcleo: Región interna de la Tierra que se extiende desde la base del manto hasta el centro del planeta. Está compuesto principalmente por hierro y níquel. Contiene los elementos más densos del planeta. La presión en el centro es millones de veces mayor que la presión del aire en la superficie, y las temperaturas pueden superar los 6.700 °C. El límite entre el manto y el núcleo se denomina discontinuidad de Gutenberg. 2. Modelo dinámico o modelo geofísico Litósfera: Es la parte sólida más externa del planeta. Está formada por la corteza más la parte superior del manto. En las zonas oceánicas la corteza es más delgada. Astenósfera: Situada inmediatamente por debajo de la litósfera. Está formada por materiales en estado semifluido o viscoso que se desplazan lentamente. Las diferencias de temperatura entre un interior cálido y una zona externa más fría producen corrientes de convección que mueven las placas. La litosfera puede moverse con independencia de la astenósfera. Mesósfera o manto inferior: Capa rígida que se encuentra bajo la astenosfera. A pesar de su resistencia, las rocas de la mesosfera están todavía muy calientes y pueden fluir de una manera muy gradual. Núcleo externo e interno (Endósfera): Se encuentra debajo de la mesósfera. Se divide en dos regiones, que exhiben resistencias mecánicas muy diferentes: el núcleo externo y el núcleo interno. El núcleo externo es una capa líquida, cuyo flujo convectivo del hierro metálico genera el campo magnético de la Tierra. El núcleo interno es una esfera, que pesar de su temperatura más elevada, posee un material interno más compacto que el del núcleo externo, debido a la inmensa presión, y por ende se comporta como un sólido. 3. Tectónica de placas Es la construcción de los rasgos geológicos de la Tierra. Plantea que la variación de temperatura y densidad en el manto inferior genera corrientes de convección ascendentes hacia el manto superior, ocasionando el deslizamiento y la interacción entre las placas litosféricas. Dice, en esencia, que la litosfera está compuesta por unos 20 segmentos de tamaños y formas irregulares, llamadas placas litosféricas o tectónicas, que se mueven una respecto a la otra. El calor y las corrientes de convección mencionadas mantienen las placas en movimiento. Esta teoría explica la actividad tectónica (formación de montañas y de océanos, deformación de rocas etc.) y sísmica que ocurre frecuentemente en zonas específicas de la superficie terrestre. 4. La deriva continental Es el antepasado científico de la tectónica de placas. También conocida como “Teoría del desplazamiento de los continentes”, presentada por Alfred Wegener, dice que alguna vez hubo un único súper continente denominado Pangea, el cual comenzó a fracturarse hace unos 200 millones de años y que los fragmentos habrían comenzado un lento movimiento alrededor de la superficie terrestre. El dinamismo del planeta Las premisas fundamentales en que se basa la tectónica de placas son las siguientes: ➢ Existe expansión de los océanos, donde corteza oceánica nueva se está generando continuamente en márgenes divergentes (dorsales) de placas. ➢ El área superficial de la Tierra es constante: la doble existencia de márgenes convergentes, donde se “consume” litósfera, y de márgenes divergentes, donde se genera litósfera en volúmenes comparables, implica que el diámetro de la Tierra no cambia radicalmente. ➢ Una vez formada la corteza oceánica, forma parte de una placa rígida que puede o no incorporar material continental. 1. Márgenes divergentes (constructivos o dorsales) En los límites divergentes de los océanos, el magma surge en la superficie desde las profundidades del manto de la Tierra, separando dos o más placas y renovando el fondo oceánico. Así, montañas y volcanes se elevan por esta grieta. 2. Márgenes convergentes (destructivos o fosas) Ocurren a lo largo de las profundas fosas oceánicas y que siempre son alargadas, bordeando cadenas volcánicas. Las fosas son las zonas donde dos placas convergen y a lo largo de las cuales una de ellas, la de mayor densidad, sub-escurre bajo la otra (subducción), con un ángulo de 45º (variando a lo largo de una misma fosa). Cuando la placa superior se eleva se pueden formar sistemas montañosos. Además, la placa inferior se derrite y a menudo sale a borbotones a través de erupciones volcánicas. Este tipo de colisiones también provoca la formación de volcanes submarinos. 3. Márgenes transcurrentes o conservadores A lo largo de estos, las placas no ganan ni pierden superficie, simplemente se deslizan paralelamente una a lo largo de la otra. Sismos Ocurren cuando en un lugar determinado de la Tierra se produce una fuerte liberación de energía acumulada. Las placas de la corteza terrestre están sometidas a tensiones y en la llamada zona de roce o falla, estas tensiones superan a la fuerza de sujeción entre las placas, produciendo ondulaciones y liberaciones de energía que conocemos como movimientos sísmicos. 1. Causas de los sismos Volcánicas: Son las menos frecuentes. Erupción provocada por una cámara magmática y el ascenso brusco del magma a la superficie, que implica la ruptura del equilibrio elástico de las rocas corticales. Tectónicas: Debido a la interacción entre placas adyacentes en las zonas de contacto de márgenes de tipo constructivo, conservador o más frecuentemente, destructivos. 2. Partes de un sismo Hipocentro: Lugar en el interior de la Tierra donde se origina el sismo. Se libera la energía mediante ondas mecánicas. Epicentro: Es el punto de la superficie terrestre que se encuentra más cercano al hipocentro, desde donde surgen las ondas sísmicas superficiales, causantes de la mayor destrucción. 3. Ondas sísmicas Internas: Surgen desde el hipocentro. Están las ondas primarias (P) y las ondas secundarias (S). Superficiales: Surgen desde el epicentro. Están las ondas de Rayleigh y las ondas Love. 4. Magnitud e intensidad de un sismo Magnitud: Cantidad de energía que libera. Para medirla se utiliza la escala de Richter. Intensidad: Medida de los efectos sobre las personas, las construcciones y el terreno. Para medirla se utiliza la escala de Mercalli. 5. Escalas de medición de un sismo Escala de Richter: Es la escala estándar para comparar sismos. Mide la energía liberada. Es logarítmica, es decir, un terremoto de magnitud un punto superior a otro es 10 veces más potente. No tiene límite superior. Escala de Mercalli: Mide los efectos de un sismo, es decir, su grado de destrucción, desde 1 a 12 grados. El primer valor corresponde a los sismos que solo pueden ser detectados por medio de instrumentos y el valor 12 corresponde a los sismos que produces destrucción total de edificios. EJE TEMÁTICO: ELECTRCIDAD Y MAGNETISMO Materiales eléctricos Aislantes o dieléctricos: Los electrones se encuentran fuertemente ligados a determinados átomos y no pueden desplazarse fácilmente por el material. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, pueden ser captados o cedidos por los átomos, y por lo tanto estos materiales pueden ser cargados eléctricamente, aunque no pueden conducir una corriente eléctrica (no existen los aislantes perfectos, sino que se puede considerar como tales solo a un grupo de materiales y bajo ciertas condiciones). Ejemplos: la goma, el vidrio, la porcelana, el plástico y el papel. Conductores: Los electrones están débilmente ligados a sus núcleos, por lo que pueden desplazarse con facilidad a través del material. Por esta razón, pueden ser fácilmente captados o cedidos por los átomos. Estos materiales pueden cargarse eléctricamente y además conducir con facilidad una corriente eléctrica. Ejemplos: metales, agua potable y nuestro cuerpo. Métodos de carga eléctrica Contacto: Si un conductor neutro se pone en contacto con un conductor cargado, se produce una transferencia de carga. Después del proceso ambos conductores quedan con una carga del mismo signo que la carga del conductor inicialmente cargado. Inducción: Se aproxima un cuerpo cargado (inductor) a uno neutro (conductor) y, dependiendo de si la carga del cuerpo inductor es positiva o negativa, los electrones del cuerpo neutro se acercarán o alejarán del cuerpo inductor. El cuerpo neutro quedará con una carga de signo contrario a la carga del cuerpo inductor, si el primero es conectado a tierra, permitiendo el movimiento de cargas. Frotamiento: Si dos cuerpos (normalmente malos conductores) inicialmente neutros se frotan entre sí, el proceso de roce propio del frotamiento hace que uno de los cuerpos transfiera carga al otro. Cuando se separan uno queda con carga positiva y el otro con carga negativa. La magnitud de la carga en ambos cuerpos después del proceso debe ser igual. Dato: En los métodos de carga eléctrica no hay creación ni destrucción de cargas, es decir, la carga total del sistema se conserva. Electrodinámica Rama de la Física que se ocupa del estudio del movimiento continuo de las cargas eléctricas a través de un conductor. 1. Corriente eléctrica Corresponde al transporte de carga eléctrica de un punto a otro. La importancia de dicho transporte en términos de cantidad se expresa mediante la magnitud e intensidad de corriente eléctrica, que se define como la carga total que circula por un conductor en una unidad de tiempo. Su unidad de medida es el Amperio (A = C/s). 2. Resistencia eléctrica La resistencia de un conductor constituye una medida de la oposición que presenta este al paso de la corriente eléctrica. Depende de la geometría y del material que lo compone. Su unidad de medida es el Ohm (Ω = V/A). ➢ R: Resistencia eléctrica ➢ L: Longitud del conductor ➢ A: Área transversal del conductor ➢ ρ: Resistividad (es una característica intrínseca del material debido a su composición molecular). 3. Ley de Ohm En un conductor, el movimiento de cargas eléctricas es consecuencia de la existencia de una diferencia de potencial (voltaje) entre sus extremos. El voltaje indica que cada unidad de carga pierde energía al pasar de uno a otro punto a razón de 1 joules por cada coulomb de carga que lo atraviese. Por ello, la intensidad de corriente que circula por el conductor y la diferencia de potencial deben estar relacionadas. 4. Resistencia y temperatura La resistividad de todas las sustancias conductoras varía con la temperatura. En los metales, un aumento de la temperatura produce un aumento de la resistencia, pues al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas que componen el material. En esa situación los electrones libres presentan mayores probabilidades de colisionar con otras partículas aumentando asimismo, cada vez más, la temperatura. Circuitos de corriente continua Un circuito eléctrico está formado por la asociación de elementos conductores que hacen posible el mantenimiento de una corriente eléctrica. Si los generadores producen una diferencia de potencial constante entre polos, la corriente producida será continua. Tal es el caso de las pilas y de las baterías. Generadores: Aportan al circuito la energía necesaria para mantener la corriente eléctrica. Receptores: Disipan energía eléctrica principalmente en forma de calor, como es el caso de las resistencias, o bien la convierten en otra forma de energía, como sucede en los motores. Símbolo batería Símbolo resistencia 1. Circuitos en serie Se habla de conexión serie cuando se tienen dos o más resistencias dispuestas en forma sucesiva. La intensidad de corriente que circula por cada resistencia es la misma, mientras que el voltaje se reparte. Re = R1 + R2 +… Rn ➢ Re: Resistencia equivalente (suma de resistencias) 2. Circuitos en paralelo Este tipo de conexión corresponde a dos o más resistencias cuyos terminales llegan a los mismos nodos en cada extremo. La diferencia de potencial (voltaje) entre los extremos de cualquiera de las resistencias asociadas es la misma. La intensidad total que llega a algún nodo o punto de bifurcación eléctrica se reparte entre ellas. 3. Conexión mixta Corresponde a una combinación serie-paralelo. La resistencia equivalente en este caso se determina según la disposición particular de las resistencias del circuito y su relación entre sí.
