Mecánica clásica [Qué es, leyes y clasificación]

Mecánica clásica: Qué es, leyes y clasificación


Mecánica-clásica

Este post trata sobre el concepto de mecánica clásica.

En el aprenderás sobre:

  • Qué es la mecánica clásica, citando como de importante es para algunas especialidades. Definición de movimiento y que tipos son los más estudiados en mecánica.
  • Explicación de las 3 leyes fundamentales de la mecánica clásica y en que situaciones su uso esta limitado.
  • Cómo se clasifican sus especialidades, teniendo en cuenta que interpretación hacen de los conceptos de fuerza y movimiento.

¿Qué es la mecánica clásica?


La mecánica clásica es el estudio de todas las fuerzas físicas que dan lugar al fenómeno del movimiento (o a su ausencia) en los cuerpos. Su rango de estudio no abarca toda la realidad, sino que esta limitado tanto por escalas muy pequeñas (microscópicas), como muy grandes (planetarias).  

Desde un punto de vista práctico e histórico puedes considerar a la mecánica clásica como la base de la física, ya que fue la primera rama que se enunció formalmente.

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Definición e importancia de la mecánica clásica. En que consiste el movimiento en mecánica clásica y que tipos existen.

Además, es fundamental para entender muchos otros tipos de especialidades:

  • Ingeniería: Los edificios y objetos experimentan fuerzas físicas que deben ser capaces de soportar para poder cumplir su función.
  • Química: Las reacciones químicas ocurren a partir de efectos físicos conocidos.
  • Astronomía: Los principios de la mecánica ayudan a comprenden la dinámica de los cuerpos celestes.
  • Geología: Conocemos el interior de la Tierra gracias al conocimiento que tenemos sobre las fuerzas mecánicas del subsuelo.

El elemento central de estudio de la mecánica clásica es el movimiento. Este, se define como el cambio de posición espacial de un cuerpo en un lapso de tiempo y sistema de referencia determinados.

La forma en la que se produce el movimiento no siempre es la misma. De hecho, existen varios tipos de movimientos distintos:

  • Estacionario: Es la forma en la que definimos la ausencia total de movimiento en un objeto.
  • Rectilíneo: El movimiento sigue una línea recta desde el punto A hasta el punto B.
  • Circular: El movimiento forma un círculo (o una forma similar) desde el punto A hasta volver de nuevo al punto A.
  • Oscilatorio: El movimiento comienza en un punto A hasta un punto B donde se detiene, entonces, regresa de nuevo al punto A. Además, se repite indefinidamente en lapsos de tiempo regulares.
  • Periódico: Se repite igual que el anterior pero en este caso el movimiento va desde el punto A hasta volver de nuevo al punto A.
  • Rotacional: El cuerpo gira sobre un eje situado en su interior.

Como puedes ver, a la hora de definir el movimiento de un objeto nos basamos en dos patrones:

  • Desde donde hasta donde se mueve (y la forma resultante).
  • Si el movimiento se repite o no en el tiempo.

Al igual que otros tipos de especialidades científicas, la mecánica clásica se basa en principios demostrados. Vamos a hablar de ellos en el próximo apartado.

Leyes de la mecánica clásica


Las leyes de la mecánica (también conocidas como leyes de Newton) son un conjunto de principios que explican como los cuerpos sometidos a distintas fuerzas cambian su posición en el espacio.

Como seguramente sabes, la razón de que se denominen leyes de Newton se debe a que fue Isaac Newton el que formuló y relacionó los principios de la mecánica. Por supuesto, no fue el único que contribuyó a la mecánica en su época, pero si fue la figura más relevante con mucha diferencia.

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Definición, principios y límites de las leyes de la mecánica clásica

Sus contribuciones a la mecánica clásica se resumen en 3 leyes fundamentales:

  • Primera ley: Un cuerpo se mueve a una velocidad constante (o esta parado) siempre y cuando no actúe una fuerza sobre él. Es decir, que solo las fuerzas conocidas del sistema pueden cambiar la velocidad de un cuerpo. Esta ley, por lo tanto, establece que la variación de la velocidad de los objetos y las fuerzas conocidas del sistema están relacionadas.
  • Segunda ley: La aceleración de un objeto multiplicado por su masa (que se supone constante) es igual a la suma de todas las fuerzas aplicadas sobre el objeto. Esta ley, nos explica que existe una relación cuantitativa entre las fuerzas que aplicamos a un objeto y como este varía de velocidad (a mayor fuerza en un sentido mayor aceleración en ese sentido).
  • Tercera ley: Cuando dos cuerpos interaccionan entre sí se ejercen dos fuerzas opuestas y de la misma magnitud; una en la dirección del cuerpo A hacia el cuerpo B y otra al revés. Esta ley, nos sirve para entender que todas las fuerzas se aplican por pares, o lo que es lo mismo, que una fuerza aplicada sobre un objeto nunca esta aislada sino que se genera a su vez una segunda fuerza como respuesta.

No olvides, que pese a que las leyes de Newton son muy útiles su rango de actuación esta limitado. En concreto, nos sirven principalmente para explicar sucesos físicos a escalas cercanas a la humana.

Pero existen muchas otras situaciones en las que no son válidas, por ejemplo:

  • Campos gravitatorios muy intensos
  • Velocidades muy altas (cercanas a las de la luz)
  • Escalas microscópicas

Para resolver estas limitaciones se usan explicaciones de tipo cuántico o de tipo relativista.

Ramas de la mecánica clásica


La mecánica clásica tiene varias formas de ser estudiada. En este sentido, la forma en que la clasificamos no responde realmente a especialidades separadas. Más bien, son diferentes puntos de vista usados para entender en mayor profundidad cualquier tipo de interacción de los cuerpos en física.

De esta manera, tienes que saber que existen 3 tipos de formas de estudiar estas interacciones:

A.Estática: Esta rama de la mecánica estudia las fuerzas en sistemas cuyos cuerpos no experimentan aceleración.

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Tipos de especialidades dentro de la mecánica clásica

En el apartado anterior vimos que se necesita una fuerza para generar aceleración. Sin embargo, eso no descarta la posibilidad que existan fuerzas que actúen sobre los cuerpos y que no se genere una aceleración. ¿Sabes por qué?

Pues a que estas fuerzas están en equilibrio estático con el entorno. Es decir, que la suma de todas las fuerzas sobre un cuerpo es igual a 0, ya que se anulan entre ellas. 

Del estudio de este tipo de interacciones entre fuerzas se encarga la estática.

B.Dinámica: Esta rama de la mecánica estudia las fuerzas en sistemas cuyos cuerpos experimentan aceleración.

Es la rama más común de estudio en mecánica porque es la que abarca más situaciones prácticas que ocurren en la realidad. 

La dinámica se centra en estudiar la masa, la fuerza y la aceleración de los cuerpos. De este estudio, se deriva el denominado como momento de inercia.

Este “momento” es la cantidad de fuerza que hay que suministrar a un objeto en un determinado punto para que acelere siguiendo una dirección y un eje de rotación determinados. Depende de varios factores: como se distribuye la masa de los cuerpos, de que forma se suministra la fuerza, en que posición se produce la interacción, etc…

C.Cinemática: Esta rama de la mecánica se encarga de estudiar todo lo que ocurre con el movimiento, descartando las circunstancias que lo produjeron.

De esta manera, la aplicación fundamental de la cinemática es predecir los patrones de movimiento de un cuerpo (trayectorias) conociendo los factores iniciales que le afectan (posición espacial, velocidad y aceleración).

Como puedes ver, la base de la mecánica clásica gira en torno a la interacción de las fuerzas con los cuerpos, ya sea produciendo una aceleración (dinámica) o sin producirla (estática). Además, los cuerpos que se aceleran tendrán una ruta espacial predefinida por sus factores iniciales (cinemática).

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Termodinámica [Qué es, principios y procesos]

Termodinámica: Qué es, principios y procesos


Termodinámica

Este post trata sobre el concepto de termodinámica.

En el te hablaré sobre:

  • Qué es la termodinámica, haciendo especial referencia a la relación entre la temperatura y el calor. 
  • Cuáles son las leyes por las que se rige la termodinámica, aclarando cuál es el concepto principal que explican.
  • Cómo se definen y relacionan los conceptos de estado y proceso termodinámico. Tipos de procesos termodinámicos.

¿Qué es la termodinámica?


La termodinámica es la especialidad que estudia las variaciones en la transferencia de energía vibratoria de la materia. Para ello, relaciona esta característica con la temperatura, el trabajo, la radiación y otras propiedades físicas.

La idea fundamental con la que primero tienes que relacionar a la termodinámica es la energía térmica (temperatura). Esta, no es más que el movimiento vibratorio de las moléculas. Pero, ¿porque estudiar este movimiento es fundamental para entender la termodinámica?

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Definición de termodinámica. Explicación del concepto de calor: variables relacionadas y transformación en otras formas de energía

Pues es fundamental porque el objetivo de la termodinámica es medir el calor de un sistema. O lo que es lo mismo, la transferencia del movimiento vibratorio molecular de un sistema a otro.

Desde un punto de vista realista y preciso, esta es una tarea muy compleja. Cada sistema tiene infinidad de átomos y moléculas, y por lo tanto, potencialmente, infinidad de velocidades y direcciones de movimiento. Además, a todo eso hay que añadirle las interacciones entre moléculas…

Por esta razón, existen formas de describir estos sistemas de forma general y con bastante exactitud en muchas situaciones. Esto se consigue definiendo una serie de variables que se sabe que están muy relacionadas con el calor del sistema. Estas variables son la temperatura, la masa, el volumen o la presión.

Una vez definidas estas variables en dos o más sistemas, podemos calcular la tasa de transferencia energética que se producirá. Es decir, la cantidad de calor que intercambiarán estos sistemas.

La variación del calor se produce porque dos o más sistemas tienen diferente temperatura. De esta forma, se transfiere energía de forma espontánea desde el sistema con mayor temperatura hasta el sistema que menos tiene. La transferencia energética termina una vez que ambos sistemas igualan sus temperaturas.

Tienes que saber también, que la energía en forma de vibración no solo se transfiere sino que además se puede transformar en otros tipos de energía. Por ejemplo, en energía en forma de movimiento dirigido (otro tipo de energía cinética), energía en forma de cargas eléctricas (energía eléctrica), energía en forma de fotones (energía electromagnética), etc…

Principios de la termodinámica


Los principios de la termodinámica son un conjunto de leyes que definen de manera general como evoluciona un suceso dentro de un sistema termodinámico. Para ello, describen las relaciones existentes entre la energía, la temperatura, la entropía y otras variables termodinámicas.

Como seguramente sabes, un sistema termodinámico es simplemente un espacio definido de estudio (con límites arbitrarios) en el que se usan las variables termodinámicas para explicar como funciona.

De esta forma, las leyes de las que te hablaré a continuación son, esencialmente, la explicación probada de como se relacionan estas variables en un espacio físico determinado:

Principios-de-la-termodinámica
Explicación de las 4 leyes de la termodinámica

0. Ley cero: Si un sistema esta en equilibrio térmico con otros dos sistemas, eso implica que los tres sistemas están en equilibrio térmico entre sí.

Esta ley nos sirve para entender a la temperatura como una variable independiente del sistema. En el resto de situaciones (no equilibrio) la temperatura es una variable dependiente.

1. Primera ley: La energía no puede ser destruida ni creada, solo puede transformarse en otras fuentes de energía o transferirse.

Define además la energía propia del sistema (energía interna), que no es más que la suma de la energía vibratoria de cada átomo y sus posibles interacciones.

Por último, define el concepto de trabajo como la combinación de la energía interna del sistema más la energía externa aplicada al sistema (energía gravitatoria, cinética, etc…) para dar lugar a una fuerza mecánica macroscópica. 

En resumen, esta ley define los tipos de energía y como interactúan en un sistema termodinámico.

2. Segunda ley: Dos sistemas con diferentes temperaturas tienden a transferir calor entre ellos lo que conlleva inevitablemente a un aumento del desorden (entropía) hasta que alcancen el equilibrio.

La entropía es una parte de la energía de la transferencia del calor, en concreto, es la energía que ya no puede usarse para producir trabajo. Esta energía incapaz de realizar trabajo sigue existiendo, por lo que contribuye al aumento del desorden en el universo. 

Esta ley nos explica como el proceso de generación de entropía es irreversible, lo que implica que el desorden en el universo solo puede aumentar.

3. Tercera ley: En un sistema con una temperatura de cero absoluto la entropía posee un valor mínimo que es constante y residual. Por lo tanto, este sistema posee el mínimo de microestados posibles (es el sistema más ordenado que puede existir).

Estados y procesos termodinámicos


Un estado termodinámico es una descripción cuantitativa de las variables de un sistema en un instante determinado.

Tienes que saber, que la forma en la que se mide esta descripción es diferente en función de que variable se cuantifique. Es decir, que existen dos tipos de variables que tienen diferentes condiciones de medida:

  • Variables extensivas: La cuantificación de esta variable depende del tamaño del sistema (por ejemplo; el volumen o la masa).
  • Variables intensivas: La cuantificación de esta variable no depende del tamaño del sistema (por ejemplo; la temperatura y la presión).
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Definición de estado y proceso termodinámico. Clasificación de los procesos termodinámicos.

Una vez que las variables han sido cuantificadas pueden relacionarse mediante ecuaciones de estado. Y a su vez, varias de estas ecuaciones calculadas a partir de medidas de las variables a diferentes tiempos nos permiten describir las propiedades de un sistema.

Estas propiedades se resumen en lo que se conoce como procesos termodinámicos. Estos, son la descripción de todos los estados termodinámicos de un sistema a lo largo de un lapso de tiempo determinado.

Siendo aún más específicos, la descripción de la evolución de las variables en un proceso termodinámico puede ser de dos tipos; constantes o variables. Y es precisamente esta descripción, la que da forma a la clasificación de los procesos termodinámicos:

  • Isométrico: Es un proceso en el que la variable “volumen” se mantiene constante.
  • Isotérmico: Es un proceso en el que la variable “temperatura” se mantiene constante.
  • Isobárico: Es un proceso en el que la variable “presión” se mantiene constante.
  • Isoentrópico: Es un proceso en el que la variable “entropía” se mantiene constante. 

Es importante que entiendas también, que un sistema puede experimentar más de uno de estos procesos a la vez. De hecho, existe una definición que ya hemos visto en el apartado anterior (estado de equilibrio termodinámico) en el que el sistema experimenta todos estos procesos al mismo tiempo.

Eso sí, estos estados de equilibrio son solo una formalización teórica, ya que en la práctica conseguir sistemas con valores constantes continuos no es posible. Por esta razón, se suele usar mucho la definición de estado de equilibrio dinámico. Funciona de la misma forma que un equilibrio normal pero sabiendo que esto no ocurre de forma absoluta, sino como consecuencia de pequeños cambios que se solapan rápidamente.

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Electromagnetismo [Qué es, leyes y tipos de ondas]

Electromagnetismo: Qué es, leyes y tipos de ondas


Electromagnetismo

Este post trata sobre el concepto de electromagnetismo.

En el aprenderás sobre:

  • Qué es el electromagnetismo, explicando cuáles son sus componentes básicos y como se originan sus dos tipos de fuerzas.
  • Cuáles son las leyes por las que se rige el electromagnetismo, aclarando quién las descubrió y que fenómeno electromagnético explican.
  • Definición de ondas electromagnéticas y sus distintos tipos clasificados en función de una serie de parámetros.

¿Qué es el electromagnetismo?


El electromagnetismo es una rama de la física que estudia las interacciones y fuerzas producidas por las partículas cargadas eléctricamente (electricidad y magnetismo).

Como ya podrás imaginar al ver esta definición, las fuerzas eléctricas y magnéticas están estrechamente relacionadas. Pero, ¿cómo funciona exactamente esta relación?

Para entenderla bien basta con partir del elemento que ambas tienen en común, las cargas eléctricas. Estas cargas, son los componentes fundamentales de las fuerzas eléctricas. Y también de las fuerzas magnéticas.

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Explicación del electromagnetismo: componentes básicos, fuerzas resultantes e influencia sobre otras cargas

La diferencia principal entre ambas fuerzas radica en la dinámica de estas cargas. La fuerza eléctrica se genera con cargas estáticas o en movimiento, mientras que la fuerza magnética solo se produce con cargas en movimiento.

Esto se aplica no solo a la generación de las propias fuerzas, sino también a como estas fuerzas pueden influir a su vez en otras cargas. Es decir, la fuerza eléctrica puede influenciar a partículas con carga tanto si están paradas como si están en movimiento, mientras que la fuerza magnética solo ejerce influencia sobre cargas en movimiento.

En resumen, que la presencia de unas cargas eléctricas influencia a otras cargas eléctricas, y esto depende de su cantidad, velocidad y posición.

Cuando hablamos de fuerzas eléctricas la idea más obvia, que seguro se te viene a la cabeza, son fenómenos naturales (como los rayos), o antrópicos (como la generación de energía lumínica).

Pero en realidad, los fenómenos eléctricos no se limitan a acontecimientos puntuales, sino que están presentes dentro de cada átomo en forma de carga positiva (protones) y carga negativa (electrones). Las interacciones de estas partículas subatómicas aportan estabilidad y diferentes propiedades a la materia. 

Por otro lado, la fuerza mágnetica también esta presente en todos los átomos (diamagnetismo), pero con una sutil diferencia, su valor en comparación con la fuerza eléctrica es ínfimo. 

Además, existe otro tipo de fuerza magnética mucho más intensa (paramagnetismo) que es debida a la presencia de electrones desapareados. Este tipo de magnetismo depende de interacciones entre ciertos átomos y moléculas, es decir, no ocurre en átomos individuales. Las moléculas que producen estas interacciones son los componentes fundamentales de los imanes.

En el siguiente apartado, voy a mostrarte cuáles son los principios fundamentales sobre los que se asienta el electromagnetismo.

Leyes del electromagnetismo


Las leyes del electromagnetismo son un conjunto de principios matemáticos que sirven para explicar como transcurrirá un determinado flujo electromagnético.

Al conocer una o varias variables de un sistema electromagnético, podemos inferir el resto, ya que se relacionan unas con otras gracias a estas leyes. Estas variables son intensidad de flujo, dirección, fuerza, etc…

Existen 4 leyes fundamentales del electromagnetismo. Cada una de ellas se encarga de explicar un fenómeno determinado. Voy a mostrártelas ahora:

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Explicación de las leyes del electromagnetismo. Relación con las ecuaciones de Maxwell y la ley de Lorentz.

1. Ley de Gauss: Explica como se produce un determinado flujo eléctrico partiendo de la carga eléctrica. Dicho de otro modo, la cantidad y distribución de las cargas en una superficie cerrada determina la cantidad de energía eléctrica por unidad de tiempo.

Al ser una superficie cerrada, nos sirve también para descartar la existencia de monopolos magnéticos, ya que en este tipo de superficie el flujo magnético es 0. De esta forma, la ley de Gauss son realmente dos principios: generación de flujo eléctrico y limitación a la generación de flujo magnético.

2. Ley de Ampere: Explica como se produce el flujo magnético en circuitos abiertos a partir de la variación del flujo eléctrico. Para ello, es necesario conocer el flujo eléctrico, así como la longitud y características del circuito.

3. Ley de Faraday: Explica como se produce un determinado flujo eléctrico partiendo de la variación del flujo magnético. De esta forma, el flujo eléctrico varía si modificamos la intensidad del flujo magnético, su posición o la posición relativa del resto de componentes con respecto al flujo magnético.

Es importante que entiendas también que todas estas leyes están integradas en las ecuaciones de Maxwell. Es decir, las personas que llevan su nombre en la ley las demostraron experimentalmente, mientras que Maxwell unificó y refutó matemáticamente todos estos experimentos hasta conseguir una teoría unificada del electromagnetismo.

Cabe destacar también que existe una ley posterior a las ecuaciones de Maxwell (4. Ley de Lorentz), que consiguió por primera vez integrar la electricidad y el magnetismo en una sola fuerza.

En concreto, explica la cantidad de fuerza electromagnética a la que una partícula se ve sometida. Para ello, tiene en cuenta 4 factores: la carga de la partícula, el flujo eléctrico, el flujo magnético y la velocidad perpendicular al flujo magnético.

Ondas electromagnéticas: que son y clasificación


Las ondas electromagnéticas son una serie de vibraciones ondulatorias producidas por la interacción de un campo eléctrico y un campo magnético.

Es importante aclararte, que no todas las interacciones entre la electricidad y el magnetismo producen este tipo de ondas.

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Definición de ondas electromagnéticas. Tipos de ondas electromágneticas: tabla explicativa de sus características más relevantes

En realidad, solo se pueden generar ondas si los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí. O lo que es lo mismo, si trazamos una línea imaginaria representando a la onda en un plano, la energía eléctrica oscilará por encima o por debajo de esa línea, mientras que la energía magnética se encontrará en la posición opuesta.

Se las suele clasificar en base a su frecuencia, su longitud y su energía. Voy a explicarte los tipos de ondas electromagnéticas siguiendo estos parámetros:

  • Radio: Su frecuencia aproximada es de 106 ondulaciones por segundo. Su longitud aproximada es alrededor de 103 metros. Su energía aproximada es de 10-27 J.
  • Microondas: Su frecuencia aproximada es de 108 ondulaciones por segundo. Su longitud aproximada es alrededor de 10-2 metros. Su energía aproximada es de 10-24 J.
  • Infrarrojo: Su frecuencia aproximada es de 1013 ondulaciones por segundo. Su longitud aproximada es alrededor de 10-5 metros. Su energía aproximada es de 10-21 J.
  • Visible: Su frecuencia aproximada es de 1014 ondulaciones por segundo. Su longitud aproximada es alrededor de 10-6 metros. Su energía aproximada es de 10-19 J.
  • Ultravioleta: Su frecuencia aproximada es de 1015 ondulaciones por segundo. Su longitud aproximada es alrededor de 10-7 metros. Su energía aproximada es de 10-18 J.
  • Rayos X: Su frecuencia aproximada es de 1016 ondulaciones por segundo. Su longitud aproximada es alrededor de 10-8 metros. Su energía aproximada es de 10-17 J.
  • Rayos gamma: Su frecuencia aproximada es de 1019 ondulaciones por segundo. Su longitud aproximada es alrededor de 10-11 metros. Su energía aproximada es de 10-14 J.

No olvides que los valores de estas ondas son una aproximación. En realidad sus parámetros se encuentran dentro de un espectro continuo (espectro electromagnético).

Esto quiere decir, que cada tipo de onda se encuentra dentro de un rango de valores determinado, pero no es absoluto (hay ciertos valores que pueden ser interpretados como dos tipos de ondas distintas al mismo tiempo, ya que se encuentran en la interfase de dos rangos).

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Teoría de la relatividad [Qué es y consecuencias]

Teoría de la relatividad: Qué es y consecuencias


Teoría-de-la-relatividadEste post trata sobre el concepto de la teoría de la relatividad.

En el te hablaré sobre:

  • Qué es la teoría de la relatividad, explicando la importancia de sus dos sub-teorías; la relatividad general y la relatividad especial.
  • Cuáles son algunos de los hechos probados que son explicados por estas sub-teorías, aclarando a que elementos de la realidad afectan y de que forma. 

¿Qué es la teoría de la relatividad?


La teoría de la relatividad es un campo de la física que trata de explicar todos los fenómenos físicos independientemente de su situación (escala, posición, etc..). Para ello tiene en cuenta situaciones en donde la gravedad está presente o está (prácticamente) ausente.

Puede parecerte un poco contradictorio decir que trata de una teoría que trata de explicar todo y al mismo tiempo se tenga que dividir en dos, pero tiene una explicación. Y no es otra que la influencia de la gravedad, que afecta a nuestra realidad enormemente.

De esta forma, la única manera que conocemos de dar una explicación completa a la física de nuestro universo es usando dos teorías independientes:

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Definición de la teoría de la relatividad y explicación de sus dos sub-teorías: Relatividad general y relatividad especial

1. La teoría general de la relatividad

Explica como se relaciona la gravedad con el resto de factores físicos de la realidad. 

Específicamente, formula, que la gravedad es una propiedad geométrica del tiempo y del espacio. O lo que es lo mismo, cuanta más energía y materia exista en un punto, mayor será la gravedad, y por lo tanto, mayor deformación geométrica existirá (curvatura del espacio-tiempo).

Eso sí, no tienes que tomarte esta afirmación al pie de la letra. La realidad es que las ecuaciones de la relatividad general poseen soluciones exactas para ciertas situaciones (siendo muy útiles), pero son incapaces de dar respuesta certeras en otras situaciones. 

2. La teoría especial de la relatividad 

Explica cómo se relacionan el espacio y el tiempo cuando la fuerza de la gravedad es despreciable.

De esta forma, la afirmación principal de esta teoría es que todas las leyes físicas son iguales en cualquier punto del espacio. Pero esto solo ocurre cuando no existe aceleración, es decir, que no exista gravedad u otra fuerza externa que modifiqué las leyes de tu sistema de referencia. 

Esta teoría consigue explicar también los movimientos a altas velocidades (cercanos a los de la luz).

En resumen, la teoría de la relatividad es una ampliación de las teorías de la mecánica newtoniana. Da explicación a dos situaciones que no podían entenderse con la mecánica clásica; la influencia de la gravedad masiva y la forma en la que cualquier sistema físico funciona en cualquier escala espacial y temporal.

10 consecuencias de la teoría de la relatividad


La idea que te he mostrado hasta ahora de como la relatividad trata de explicar cualquier fenómeno físico basado en la presencia o ausencia de gravedad es solo la punta del iceberg.

Esta teoría supone el cumplimiento de múltiples principios para que sea posible. Y en muchos casos, son implicaciones que van más allá de nuestro sentido común.

Voy a mostrarte algunas de las más importantes.

5 consecuencias de la relatividad general

  • Desviación y retraso temporal de la luz: La luz se ve influida por el cambio en la curvatura del espacio-tiempo que provoca la gravedad. De esta forma, cuando atraviesa una zona con alta influencia gravitatoria su trayectoria se curva y disminuye su velocidad.
  • Expansión del universo: Una característica fundamental del espacio-tiempo es que está en continua expansión. Las únicas zonas donde no ocurre esto son aquellas donde la influencia gravitatoria es lo suficientemente grande como para mantener unida a la materia.
  • Precesión: Son pequeñas variaciones continuas que se producen en el ciclo de los planetas debido a la gravedad. Existen 2 variantes, la precesión axial (el eje de giro de un planeta se modifica un determinado número de grados) y la precesión apsidal (la órbita de los planetas también varía porque se modifica su plano orbital).
    5-consecuencias-de-la-relatividad-general
    Implicaciones de la relatividad general con la luz, la cohesión de la materia, los ciclos planetarios, el tiempo y el movimiento
  • Dilatación gravitacional: A mayor fuerza gravitacional más lento pasa el tiempo para un observador. De esta forma, al comparar dos observadores con diferente influencia gravitacional, el que este más “influido” verá como su tiempo pasa más lentamente si se compara con el que tiene una menor influencia.
  • Arrastre de cuadros: Cualquier efecto gravitacional no depende solo de la masa del cuerpo sino también de su movimiento. Su efecto es muy pequeño, por lo que para poder detectarlo es necesario cumplir con una serie de condiciones: sistema con gran masa, gran velocidad y aparatos de detección muy precisos.

Como puedes ver, las implicaciones de la relatividad general son esencialmente efectos que la gravedad provoca sobre otros factores de la realidad (luz, cohesión de la materia, ciclos planetarios, percepción del tiempo, movimiento, etc..)

En el siguiente apartado voy a mostrarte algunos efectos observados cuando la gravedad no es tan relevante.

5 consecuencias de la relatividad especial

  • Dilatación del movimiento: A mayor velocidad más lentamente transcurre el tiempo. Es decir, si dos observadores a diferentes velocidades miden el tiempo, el que haya ido a más velocidad se habrá movido menos en la escala temporal.
  • Equivalencia de la masa y la energía: La energía y la masa no son dos conceptos separados en la práctica. Cualquier cantidad de masa tiene una cantidad de energía y viceversa, como se puede ver por la fórmula E=mc². Aunque eso si, esta fórmula tiene en cuenta solo partículas en parado. Si están en movimiento, es posible tener energía (momento lineal) y no tener masa. Es el caso de los fotones por ejemplo.
  • Sin simultaneidad de eventos: Si dos observadores con diferente marco de referencia miden al mismo tiempo dos eventos separados, como mucho uno de ellos podrá decir que ambos eventos han ocurrido al mismo tiempo. La única posibilidad de que coincidan es que sus trayectorias recorran la misma distancia y sean perpendiculares a la línea que conecta las ubicaciones de los dos eventos.
    5-consecuencias-de-la-relatividad-especial
    Implicaciones de la relatividad con el tiempo, la masa/energía, la observación de eventos o la velocidad
  • Contracción de longitud: La longitud de un objeto es más corta a velocidades cercanas a la luz que en reposo. Esto no implica que el objeto realmente se acorte, sino que un observador en reposo lo percibe de esa manera. O lo que es lo mismo, grandes diferencias de velocidad crean el efecto de contracción (Efecto Lorentz-Fitzgerald).
  • Velocidad máxima finita: El máximo recorrido en el vacío que puede efectuar la materia o la energía en un determinado tiempo está limitado. El límite es la velocidad de la luz (casi 300.000 km/s). Pese a denominarse de esta manera, la luz no es el único elemento físico que puede alcanzar esta velocidad (ondas gravitacionales, otras ondas electromágneticas, etc..).

Tienes que saber también, que todas estas implicaciones se pueden explicar de forma práctica gracias a las transformadas de Lorentz. ¿En qué consisten?

Son un conjunto de ecuaciones que sirven para explicar la percepción de un observador partiendo de otro  distinto. De esta forma, estas ecuaciones “transforman” la observación, infiriendo como percibiría un evento el “observador 2” a partir de como lo percibe el “observador 1”. 

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Mecánica cuántica [Qué es y que tipo de partículas estudia]

Mecánica cuántica: Qué es y que tipo de partículas estudia


Mecánica-cuánticaEste post trata sobre el concepto de mecánica cuántica.

En el aprenderás sobre:

  • Qué es la mecánica cuántica, explicando 6 de sus evidencias prácticas más relevantes.
  • Definición y clasificación de las partículas cuánticas: fermiones y bosones (tipos de partículas más importantes, funciones y características)

¿Qué es la mecánica cuántica?


La mecánica cuántica es el estudio del comportamiento de la materia y la energía a una escala igual o menor a la atómica.

Lo primero que tienes que saber para entenderla bien es su origen.

Normalmente se menciona que surgió a principios del siglo XX. Pero en realidad, empezó a tomar forma a finales del siglo XIX.

Qué-es-la-mecánica-cuántica
Explicación del concepto de mecánica cuántica y características que la definen

Por aquel entonces existían multitud de experimentos a los que la física clásica no podía dar una explicación. De esta forma, se empezaron a proponer nuevas hipótesis matemáticas.

Durante el comienzo del siglo XX, esas hipótesis fueron gradualmente aceptadas y ampliadas, al existir cada vez mayor evidencia experimental.

En la década de los 30, esas evidencias fueron finalmente reunidas para generar un marco teórico común (la teoría cuántica). La cuál fue desarrollada principalmente por Heisenberg, Born y Schrodinger.

Pero, ¿cuáles son estas evidencias?. Podemos resumirlas en 6 apartados

  • Valores discretos: Al referirnos a partículas cuánticas, estas tienen siempre valores estándar establecidos. Por ejemplo, la energía de un electrón siempre tiene el mismo valor (está cuantizada), no importa en que átomo se encuentre.
  • Medición determinista: Una partícula cuántica tiene múltiples estados, sin embargo, cuando se mide, pasa a tener un único estado. No importa las veces que lo midas, siempre tendrá exactamente el mismo estado.
  • Trayectorias múltiples simultáneas: Cuando se produce un movimiento de una partícula cuántica toda trayectoria que no este prohibida termina ocurriendo al mismo tiempo.
  • Dualidad onda-partícula: Los componentes que forman la materia y la energía tienen comportamientos tanto de partícula como de onda. Por lo tanto, no se trata de si son una u otra, sino que se encuentran en un estado en el que son las dos al mismo tiempo.
  • Probabilidad asociada: Solo es posible predecir con que probabilidad terminará una partícula en una determinada posición. Esto es debido a que aunque hagamos exactamente el mismo experimento la indeterminación ocurre por las características de la propia partícula y su entorno
  • Entrelazamiento cuántico: Si dos partículas interaccionan de una cierta forma entre ellas, sus estados serán iguales incluso aunque las separen kilómetros de distancia. Es decir, en el momento en el que de determine el estado de una partícula, la otra con la que estuviera entrelazada, adquiere el mismo estado.

Todos estas características son experimentadas por una serie de partículas cuánticas. En el siguiente apartado, voy a explicarte cuales son las más importantes.

Partículas cuánticas: definición y clasificación 


Las partículas cuánticas son la entidad más pequeña en la que se puede dividir la materia y energía tal y como la conocemos. Esto implica, que las consideramos como los únicos elementos indivisibles de la realidad (hasta que lo contrario pueda ser demostrado).

Tienes que entender también, que una de las más grandes líneas de investigación de la mecánica cuántica (y de la física en general) va precisamente en este sentido. Poder demostrar y re-demostrar si cada partícula es un ente único o si por el contrario no lo es. Y al hacer esto, inevitablemente, abren la posibilidad de encontrar nuevas partículas elementales. 

Referirse a estos componentes como partículas es un ejercicio más bien formal, ya que en tamaños tan pequeños su definición real es mucho más compleja.

En cualquier caso, también se las suele denominar como partículas elementales. Se clasifican en base al modelo estándar, el cuál divide a estos componentes fundamentales en 2 grupos:

Fermiones

Los fermiones son todas aquellas partículas elementales que constituyen la materia. Poseen un spin (momento angular) de 1/2 y se clasifican en base a dos patrones distintos:

1.Tipo de interacción

  • Quarks: Son las partículas que participan en las interacciones fuertes.
  • Leptones: Son las partículas que participan en las interacciones electrodébiles.
Partículas-cuánticas-fermiones
Fermiones clasificados por tipo de interacción (quarks y leptones) y por tipo de generación energética. M: Masa; C: Carga; S: Spin

2.Tipo de generación energética

  • Primera generación: Son las partículas que existen a baja energía, o lo que es lo mismo, las partículas de las que están hechas prácticamente toda la materia que nos rodea.
  • Segunda, tercera generación, etc…: Son las partículas que existen a una energía más alta que las de la primera generación. Hasta el momento se ha descubierto hasta la tercera generación, pero se cree que existen muchas más. Estas partículas tienen la misma carga que sus contrapartes de la primera generación pero con una mayor masa.

Siguiendo estos patrones, los fermiones quedan clasificados de la siguiente manera:

  • Quarks de primera generación: Up (Tiene carga 2/3 y una masa de 2,2 MeV/c2) y Down (Tiene carga -1/3 y una masa de 4,7 MeV/c2)
  • Quarks de segunda generación: Charm (Tiene carga 2/3 y una masa de 1,28 GeV/c2) y Strange (Tiene carga -1/3 y una masa de 96MeV/c2)
  • Quarks de tercera generación: Top (Tiene carga 2/3 y una masa de 173,1 GeV/c2) y Bottom (Tiene carga -1/3 y una masa de 4,18 GeV/c2)
  • Leptones de primera generación: Electrón (Tiene carga -1 y una masa de 0,51 MeV/c2) y Electrón neutrino (Tiene carga 0 y una masa de <1 eV/c2)
  • Leptones de segunda generación: Muón (Tiene carga -1 y una masa de 105,66 MeV/c2) y Muón neutrino (Tiene carga 0 y una masa de 0,17 MeV/c2)
  • Leptones de tercera generación: Tau (Tiene carga -1 y una masa de 1,78 GeV/c2) y Tau neutrino (Tiene carga 0 y una masa de 18,2 MeV/c2)

Es importante que recuerdes también, que todas estas partículas fermiónicas tienen su contraparte en forma de antimateria (mismas partículas pero con la carga eléctrica opuesta).

Las antipartículas se nombran añadiendo un prefijo “-anti” a la partícula en cuestión. Por ejemplo, si el electrón es la partícula, su antipartícula es el anti-electrón. Por lo tanto, existen 24 fermiones diferentes (12 de materia y 12 de antimateria).

Bosones

Los bosones son todas las partículas elementales que generan la interacción de las fuerzas físicas que influyen en la materia. Possen como spin un número entero (0 o 1) y se dividen en dos tipos:  

1.Bosones vectoriales

Son los partículas que generan los 4 tipos de fuerza elementales (Electromágnetica, nuclear fuerte, nuclear débil y gravedad) y se caracterizan por presentar un spin de 1.

Partículas-cuánticas-bosones
Clasificación de los bosones según el tipo de interacción física en el que están involucrados. Según su spin pueden ser además vectoriales (rosa) o escalares (verde). M: Masa; C: Carga; S: Spin

Sabemos que cada una de estas fuerzas está relacionada con una o varias partículas bosónicas. La única que no conocemos es la gravedad (en teoría es causada por el gravitón, pero no está demostrado aún):

  • Fotones: Son las partículas que generan las interacciones electromagnéticas. No poseen masa ni carga.
  • Gluones: Son las partículas que generan las interacciones nucleares fuertes. No poseen masa ni carga.
  • Bosón W: Es una de las partículas que generan las interacciones nucleares débiles, incluyendo los fenómenos de desintegración nuclear. Posee una masa de 80,4 GeV/c² y una carga de ±1.
  • Bosón Z: Es una de las partículas que generan las interacciones nucleares débiles, incluyendo los fenómenos de desintegración nuclear. Posee una masa de 91,2 GeV/c² y no tiene carga.

2.Bosones escalares

Son partículas inmersas en un campo cuántico que cuando interaccionan con otro tipo de partículas las otorgan ciertas propiedades. Se caracterizan por presentar un spin de 0.

Hasta el momento solo conocemos un tipo, el bosón de Higgs. Este, es el responsable de conferir masa a la materia, o lo que es lo mismo, las partículas que generen bosones al interaccionar con el campo de Higgs tienen masa, mientras que las que no interaccionen con el campo no tienen masa. El bosón de Higgs posee una masa de 124,97 GeV/c² y una carga de 0.

Existen además múltitud de bosones creados a partir de fermiones. Pero… ¿cómo es esto posible? ¿No eran dos tipos de partículas diferentes?

Se debe a como están configurados sus spines.

Si tu unes por ejemplo dos quarks, sus spines se suman. De esta forma, 1/2 spin + 1/2 spin = 1 spin. Como resultado obtenemos un mesón (un tipo de bosón compuesto).

Referencias



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