Conceptos Fundamentales de la Física
Ondas y Acústica
Onda: Una onda es la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio.
Onda Transversal: La vibración de las partículas individuales del medio es perpendicular a la dirección de la propagación de la onda.
Onda Longitudinal: La dirección de propagación de la onda es paralela a la vibración de las partículas individuales.
Onda Mecánica: Una onda mecánica es una perturbación física en un medio elástico.
Onda Electromagnética: Es la forma de propagación de la energía radiante a través del espacio.
Frecuencia: Número de veces que es repetida dicha vibración.
Periodo: Es el tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la oscilación o ciclo.
Acústica: Es una rama de la física interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir, ondas mecánicas que se propagan a través de la materia.
Sonido: Onda mecánica longitudinal que se propaga por un medio elástico.
Ondas Infrasónicas: Son aquellas que tienen frecuencia por debajo del intervalo audible (menos de 20 Hz).
Ondas Ultrasónicas: Son aquellas que tienen frecuencias por encima del intervalo audible (más de 20 000 Hz).
Timbre: Se determina por el número y las intensidades relativas de los sobretonos presentes.
Tono: El oído interpreta el tono de un sonido en términos de la frecuencia del sonido.
Volumen: El volumen es una magnitud definida como el espacio ocupado por un cuerpo. Es una función derivada ya que se halla multiplicando las tres dimensiones. (Nota: Esta definición corresponde al volumen geométrico, no a la sonoridad).
Intensidad Sonora: Es la potencia transferida por una onda sonora a través de la unidad de área normal a la dirección de la propagación.
Umbral Auditivo: Representa el estándar de la intensidad mínima para que un sonido sea audible (aproximadamente 100 Hz – 1 x 10-12 W/m²).
Umbral del Dolor: Representa la intensidad máxima que el oído puede registrar sin sentir dolor (aproximadamente 1 W/m²).
Efecto Doppler: Es el cambio aparente de la frecuencia ocasionado por el movimiento relativo de la fuente o el observador.
Electricidad y Electrostática
Electricidad: Es la presencia de carga en un cuerpo, esté o no en movimiento.
Electrostática: Se encarga de estudiar las cargas eléctricas en reposo.
Electrodinámica: La electrodinámica se encarga de estudiar las cargas eléctricas en movimiento.
Electroscopio: Instrumento que sirve para detectar la presencia de cargas.
Primera Ley de la Electrostática (Atracción y Repulsión): Cargas eléctricas iguales se repelen y cargas eléctricas diferentes se atraen.
Conductor: Es un material a través del cual se transfiere fácilmente la carga.
Aislante: Material que no deja pasar, o lo hace con dificultad, la corriente eléctrica.
Semiconductor: Es un material con capacidad intermedia para transportar carga.
Ley de Coulomb: La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Campo Eléctrico: Es la región del espacio que rodea una carga eléctrica y en la cual esta experimenta una fuerza eléctrica.
Líneas del Campo Eléctrico: Son líneas imaginarias trazadas de tal manera que su dirección en cualquier punto es la misma que la dirección del campo eléctrico en ese punto.
Ley de Gauss: El número total de líneas de fuerza eléctrica que cruzan cualquier superficie es numéricamente igual a la carga contenida dentro de esta superficie.
Permisividad: Está determinada por la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material.
Potencial y Energía Eléctrica
Energía Potencial Eléctrica: Es igual al trabajo realizado contra las fuerzas eléctricas para llevar la carga positiva desde el infinito hasta ese punto.
Potencial: Es igual al trabajo por unidad de carga realizado contra las fuerzas eléctricas para transportar una carga positiva desde el infinito hasta dicho punto.
Diferencia de Potencial: Es el trabajo por unidad de carga realizado por las fuerzas eléctricas para llevar una carga positiva desde un punto de mayor potencial a otro de menor potencial.
Electrón-Volt (eV): Es una unidad de energía equivalente a la energía adquirida por un electrón que es acelerado a través de una diferencia de potencial de un volt.
Capacitancia y Circuitos
Capacitancia: Razón de la carga almacenada respecto a la diferencia de potencial.
Capacitor: Dispositivo que se encarga de almacenar cargas.
Rigidez Dieléctrica: Es la intensidad del campo eléctrico para la que el material deja de ser un aislante y se convierte en un conductor.
Corriente Eléctrica: Es la rapidez del flujo de carga que pasa por un punto dado en un conductor eléctrico.
Fuente de FEM (Fuerza Electromotriz): Es un dispositivo que convierte la energía química, mecánica u otras formas de ella en la energía eléctrica necesaria para mantener un flujo continuo de carga eléctrica.
Ley de Ohm: La corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a la resistencia del conductor.
Potencia Eléctrica: Rapidez con la cual se realiza el trabajo para mover las cargas. Es igual al producto de la intensidad de corriente eléctrica por la diferencia de potencial.
Ley de Joule: El calor disipado al circular una corriente por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente eléctrica (I), a la resistencia (R) y al tiempo (t) que permanece circulando dicha corriente.
Resistividad: Es una constante para cada material de acuerdo a su longitud, área y naturaleza.
Factores que afectan la Resistencia: Naturaleza, longitud, temperatura y área de la sección transversal.
Superconductividad: Es una condición de resistencia cero encontrada en ciertos materiales a temperaturas bajas.
Leyes de Kirchhoff
Primera Ley de Kirchhoff (Ley de Nodos): La suma de las corrientes que llegan a una unión es igual a la suma de las corrientes que salen de esa unión.
Segunda Ley de Kirchhoff (Ley de Mallas): La suma de las FEMs alrededor de cualquier malla cerrada de corriente es igual a la suma de todas las caídas IR alrededor de dicha malla.
Magnetismo e Inducción Electromagnética
Magnetismo: El fenómeno de observar una fuerza de atracción de la magnetita.
Ley de la Fuerza Magnética: Polos iguales se repelen, polos diferentes se atraen.
Campo Magnético: Región del espacio en el cual se manifiestan las propiedades magnéticas de un imán.
Dominios: Es la región microscópica que conserva las propiedades de un imán.
Inducción Magnética: Es el proceso por medio del cual un material puede adquirir propiedades magnéticas, ya sea acercándolo a un imán o por contacto.
Densidad de Flujo Magnético: Es la razón del número de líneas de flujo que pasan a través de una unidad de área perpendicular.
Permeabilidad: Es la medida de la capacidad de establecer líneas de flujo.
Diamagnético: Es una propiedad de los materiales que consiste en ser repelidos por los imanes.
Paramagnético: Es la tendencia de los momentos magnéticos libres a alinearse paralelamente a un campo magnético.
Ferromagnético: Materiales que son atraídos fuertemente por los imanes.
Histéresis: Es el retraso de la magnetización con respecto a la intensidad magnética.
Instrumentos y Máquinas Eléctricas
Galvanómetro: Dispositivo que se emplea para medir el flujo de corriente eléctrica.
Voltímetro: Es un galvanómetro que se emplea para medir diferencia de potencial, por medio de una resistencia multiplicadora conectada en serie.
Amperímetro: Es un galvanómetro que se emplea para medir la intensidad de la corriente eléctrica, por medio de una resistencia conectada en paralelo o en derivación.
Motor: Dispositivo que transforma energía eléctrica en mecánica. Un momento de torsión magnético provoca que una espira gire en un campo magnético constante.
Devanado en Serie: Cuando las bobinas de la armadura y las bobinas del campo se conectan en serie.
Devanado en Derivación: El devanado del campo y el de la armadura están conectados en paralelo.
Motor Compuesto: El devanado de campo está dividido en dos partes, una de las cuales se conecta en serie con la armadura y la otra en paralelo (Bobina, anillo partido, armadura).
Inducción y Corriente Alterna (CA)
Inducción Electromagnética: Es el proceso de generar corriente eléctrica mediante un conductor en movimiento dentro de un campo magnético.
Ley de Lenz: Una corriente inducida fluirá en una dirección tal que por medio de su campo magnético se opondrá al movimiento o al cambio de flujo magnético que la produce.
FEM (Fuerza Electromotriz) Inducida: Una FEM es inducida mediante el movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético. (Relacionado con la Ley de Faraday: un flujo magnético que cambia con una rapidez de 1 weber por segundo inducirá una FEM de 1 volt por cada espira del conductor).
Generadores y Transformadores
Partes de un Generador de CA: Imán conductor, armadura, anillos colectores.
Características de un Generador de CA: Tiene movimiento oscilatorio, provoca momentos de torsión.
Generador de CD (Corriente Directa): Un generador de CA sustituyendo los anillos colectores por un conmutador de anillo partido. Tiene un momento de torsión constante.
Transformador: Dispositivo que aumenta o disminuye el voltaje en un circuito de CA.
Transformador Elevador: Se le llama así a un transformador que produce un voltaje de salida mayor.
Transformador Reductor: Se le llama así a un transformador que produce un voltaje de salida menor.
Conceptos de CA
Inductor: Es aquel que aumenta o disminuye la FEM autoinducida, es decir, se opone al cambio dentro del circuito de CA (consta de una espira o bobina).
Reactancia: Oposición no resistiva al flujo de corriente alterna.
Impedancia: Es la oposición combinada que ofrece el circuito de corriente alterna.
Inductancia: Es una constante de proporcionalidad del inductor.
Frecuencia de Resonancia: Se presenta cuando la reactancia capacitiva es igual a la reactancia inductiva, solo la resistencia R se mantiene, y la corriente alcanza su máximo valor. Se presenta cuando la reactancia neta es igual a 0.
Óptica y Naturaleza de la Luz
Luz: Es la radiación electromagnética capaz de afectar el sentido de la vista.
Características de la Luz
- Propagación Rectilínea: La luz viaja en línea recta.
- Reflexión: Cuando la luz incide en una superficie lisa, regresa a su medio original.
- Refracción: La trayectoria de la luz cambia cuando penetra un medio transparente.
Espectro Electromagnético
Distribución energética del conjunto de ondas electromagnéticas:
- Ondas largas de radio
- Ondas cortas de radio
- Región infrarroja
- Región visible
- Región ultravioleta
- Rayos X
- Rayos gamma
- Fotones cósmicos
Reseña Histórica de la Medición de la Velocidad de la Luz
En 1667, Galileo fue el primero en intentar medir la luz. Él enviaba señales con linternas entre dos torres separadas por una distancia conocida. No fue concluyente y se generalizó la idea de que la luz es instantánea.
En 1675, Olaus Roemer realizó la primera medición de la luz, basando sus cálculos en la predicción de los eclipses. Sus mediciones fueron inexactas.
En 1849, Fizeau fue el primero en realizar una medición confiable. Él usó un aparato con una rueda dentada giratoria, permitiendo que la luz que proviene de la fuente sea interrumpida.
En 1850, Foucault cambió la rueda dentada por un espejo giratorio y fue el primero en concluir que la luz viaja más lentamente en agua que en el aire.
Entre 1852 y 1931, Michelson, utilizando el método de Foucault, fue el primero en obtener la velocidad de la luz más precisa.
La fuente de luz, un espejo giratorio de 8 lados y el telescopio se colocaron en Monte Wilson, California; los espejos reflejantes se colocaron a 22 millas de la cima del monte San Antonio.
A partir de la distancia conocida y del tiempo requerido por la luz, Michelson determinó que la velocidad de la luz es de 2.997 x 108 m/s.
Actualmente, las investigaciones técnicas con láser dan como resultado el valor de 2.99792457 x 108 m/s.
Teorías de la Luz
- Teoría Corpuscular (Isaac Newton): Afirma que la luz está formada por partículas; explica la difracción.
- Teoría Ondulatoria (Christiaan Huygens): Afirma que la luz es una serie de ondas de longitud de onda corta; explica la refracción.
Conceptos de Luminosidad
Flujo Luminoso: Es la parte de la potencia radiante total emitida por una fuente de luz que es capaz de afectar el sentido de la vista.
Intensidad Luminosa: Es el flujo luminoso emitido por un ángulo sólido de un estereorradián.
Estereorradián: Es una cantidad adimensional.
Iluminación: Es el flujo luminoso por unidad de área iluminada.
Lumen: Es la unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso, una medida de la potencia luminosa percibida.
Reflexión y Refracción
Espejo: Cualquier superficie pulida que refleje la luz de manera especular.
Imagen Real: Es la imagen que está formada por rayos de luz reales que la atraviesan. Las imágenes reales se pueden proyectar en una pantalla.
Imagen Virtual: Es la imagen que parece estar formada por luz que proviene de la imagen, pero que en realidad no es atravesada por ningún rayo de luz.
Índice de Refracción: Es la razón de la velocidad de la luz en el vacío respecto a la velocidad de la luz en el medio.
Leyes de Reflexión
- El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
- El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie se encuentran en un mismo plano.
Leyes de Refracción
- El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie se encuentran en un mismo plano.
- La trayectoria de un rayo refractado en la interfaz entre dos medios es completamente reversible.
Ley de Snell: La razón del seno del ángulo de incidencia con respecto al seno del ángulo de refracción es igual a la razón de la velocidad de la luz en el medio incidente respecto a la velocidad de la luz en el medio de refracción.
Dispersión: Teniendo en cuenta que a la luz que procede del sol la llamamos luz blanca, y que esta en realidad es una mezcla de luces de diferentes colores, podemos decir que la dispersión de la luz es un fenómeno que se produce cuando un rayo de luz compuesta se refracta en algún medio.
Ángulo Crítico: Es el ángulo de incidencia límite en un medio más denso, que da por resultado un ángulo de refracción de 90°.
Lente: Objeto transparente que altera la forma de un frente de ondas que pasa a través de él.
Difracción: Fenómeno que provoca la formación de anillos en torno a las imágenes de estrellas.
Poder de Resolución: Es una medida de su capacidad para producir imágenes separadas bien definidas.