¿Qué es la Física?
La física es la ciencia que estudia las propiedades de la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Nos ayuda a entender cómo funciona el mundo y el universo.
Las Leyes de Newton
- Primera Ley: Todo cuerpo permanece en reposo o en movimiento uniforme si no actúa una fuerza externa.
- Segunda Ley: La fuerza es igual a la masa por la aceleración (F = m × a).
- Tercera Ley: A toda acción corresponde una reacción igual y opuesta.
Magnitudes Físicas Fundamentales
| Magnitud | Unidad | Símbolo |
|---|---|---|
| Longitud | Metro | m |
| Masa | Kilogramo | kg |
| Tiempo | Segundo | s |
| Temperatura | Kelvin | K |
| Corriente eléctrica | Amperio | A |
La Asignatura de Física
En esta sección encontrarás información sobre la asignatura de física que se imparte en el curso. Aquí puedes incluir los temas que se estudian, el profesor que la imparte y algunos recursos de clase.
Profesor/a
Nombre del profesor: Ricardo Beza Plaza
Contacto: rbezpla813@g.educaand.es
Contenidos del curso
- Bloque 0: Vectores, momentos, trabajos.
- Bloque 1: Interacción gravitatoria.
- Bloque 2: Campo electrico.
Exámenes propuestos
A continuación se mostrarán algunos exámenes o ejercicios prácticos utilizados en clase:
Bloque 0 – Vectores
Los vectores representan magnitudes que tienen módulo, dirección y sentido. Se usan para describir fuerzas, desplazamientos y velocidades.
- Suma: se puede hacer gráficamente (regla del paralelogramo) o sumando componentes.
- Vectores unitarios: î, ĵ, k̂ indican las direcciones de los ejes X, Y y Z.
- Componentes: vx = v·cosα, vy = v·sinα.
- Producto escalar: A·B = |A||B|cosα → da un número.
- Producto vectorial: A×B = |A||B|sinα → da un vector perpendicular (regla del sacacorchos).
Los vectores son la base para entender todas las magnitudes físicas con dirección.
Bloque 0 – Trabajo y Energía
El trabajo y la energía están relacionados con la acción de las fuerzas y los cambios de movimiento. Si una fuerza causa un desplazamiento, realiza trabajo.
- Trabajo: W = F·d·cosα. Positivo si fuerza y desplazamiento tienen el mismo sentido.
- Energía cinética: Ec = ½mv².
- Energía potencial: Ep = mgh (gravitatoria) o ½kx² (elástica).
- Energía mecánica: Em = Ec + Ep. Se conserva si solo actúan fuerzas conservativas (como el peso o la fuerza elástica).
- Si hay rozamiento o fuerzas externas → ΔEm = Wnc (no conservativas).
El trabajo mide la energía transferida por una fuerza, y la energía mecánica muestra cómo se conserva o transforma.
Bloque 0 – Momentos
Los momentos describen la cantidad de movimiento y la capacidad de las fuerzas para producir giros o rotaciones.
- Momento lineal: p = m·v → se conserva si no hay fuerzas externas.
- Momento de una fuerza: M = r×F → mide la tendencia de una fuerza a hacer girar un cuerpo.
- Momento angular: L = r×p → se conserva si el momento total de las fuerzas (M) es cero.
- Fuerzas centrales: como la gravedad o la fuerza eléctrica, conservan el momento angular.
Los momentos explican por qué los cuerpos giran y cómo se conserva el movimiento en rotación.
Bloque 1 – Ley de Gravitación Universal
La fuerza gravitatoria es una de las cuatro interacciones fundamentales del universo. Actúa entre masas, siempre es atractiva y central (dirigida hacia la otra masa).
- Fórmula: F = G·(M·m) / r²
- Vectorialmente: F⃗ = -G·(M·m / r²)·u⃗r
- El signo negativo indica que la fuerza apunta hacia la otra masa.
- Constante G: 6,67 × 10⁻¹¹ N·m²/kg².
- La masa gravitatoria y la masa inercial son equivalentes.
Esta ley explica la atracción entre planetas, estrellas y todos los cuerpos con masa.
Bloque 1 – Campo Gravitatorio
El campo gravitatorio representa la influencia de una masa sobre el espacio que la rodea. En cada punto se puede definir una intensidad del campo que indica la fuerza por unidad de masa.
- Fórmula: g⃗ = -G·(M / r²)·u⃗r
- Su valor coincide con la aceleración de la gravedad.
- Unidad: N/kg o m/s².
- El principio de superposición indica que el campo total es la suma vectorial de todos los campos generados por cada masa.
El campo gravitatorio siempre apunta hacia la masa que lo crea.
Bloque 1 – Energía Potencial Gravitatoria
La energía potencial gravitatoria (Ep) mide el trabajo necesario para separar dos masas. Es una energía negativa que tiende a cero en el infinito.
- Fórmula general: Ep = -G·(M·m) / r
- El trabajo de la fuerza gravitatoria entre dos puntos A y B es: W = -ΔEp = Ep(A) - Ep(B)
- Cuando la distancia es pequeña comparada con el radio del planeta → Ep ≈ m·g·h
- Esto solo es válido en campo uniforme (g constante).
La energía potencial aumenta al alejarse del planeta, pero su valor es negativo porque la atracción siempre existe.
Bloque 1 – Potencial Gravitatorio
El potencial gravitatorio es la energía potencial por unidad de masa en un punto del espacio. Indica cuán “profundo” es el campo gravitatorio en ese punto.
- Fórmula: V = Ep / m = -G·(M / r)
- El potencial total creado por varias masas es la suma de los potenciales individuales.
- Las superficies equipotenciales son esferas donde V es constante.
- Las líneas de campo son perpendiculares a las equipotenciales y apuntan hacia la masa que genera el campo.
El potencial gravitatorio nos ayuda a visualizar la intensidad del campo en el espacio.
Bloque 1 – Velocidad de Escape
La velocidad de escape es la velocidad mínima que necesita un cuerpo para escapar del campo gravitatorio de un planeta sin necesidad de propulsión adicional.
- Fórmula: ve = √(2GM / R)
- Donde: G es la constante de gravitación, M la masa del planeta y R su radio.
- Se deduce aplicando la conservación de la energía mecánica (la energía total inicial y final son iguales).
- En el punto más lejano (fuera del campo gravitatorio): Ec = 0 y Ep = 0.
Ejemplo: La velocidad de escape de la Tierra es aproximadamente 11,2 km/s.
Bloque 1 – Velocidad Orbital
La velocidad orbital es la velocidad que debe tener un satélite para mantenerse en órbita circular alrededor de un planeta.
- Fórmula: vorb = √(GM / r)
- La fuerza gravitatoria actúa como la fuerza centrípeta que mantiene al satélite en su trayectoria.
- Energías:
- Ec = ½ m·v² = (GMm)/(2r)
- Ep = -GMm / r
- Em = Ec + Ep = -GMm / (2r)
- La energía total de un satélite en órbita es negativa, indicando que está ligado gravitatoriamente al planeta.
Bloque 1 – Tercera Ley de Kepler
Kepler descubrió que el cuadrado del período orbital de un planeta es proporcional al cubo del radio de su órbita.
- Fórmula: T² / r³ = constante
- Para todos los planetas que giran alrededor del Sol, el valor de esta constante es el mismo.
- Relaciona el movimiento orbital con la masa del cuerpo central (por ejemplo, el Sol).
- Permite calcular masas planetarias o distancias orbitales con gran precisión.
Esta ley une el movimiento de todos los planetas en una misma armonía cósmica.
Bloque 1 – Segunda Ley de Kepler
La segunda ley de Kepler afirma que el radio vector que une un planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.
- La velocidad areolar (dA/dt) es constante: dA/dt = (1/2)·r·v
- Esto ocurre porque el momento angular (L = m·r·v) se conserva.
- Cuando el planeta está más cerca del Sol (perihelio), su velocidad es mayor.
- Cuando está más lejos (afelio), su velocidad es menor.
- Relación: r₁·v₁ = r₂·v₂
La Tierra se mueve más rápido en el perihelio que en el afelio, cumpliendo la conservación del momento angular.
Bloque 2 – Fuerza Eléctrica
Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa. La fuerza electrostática puede ser atractiva (entre cargas opuestas) o repulsiva (entre cargas del mismo signo).
- Ley de Coulomb: F = K·(Q·q) / r²
- Vectorialmente: F⃗ = K·(Q·q / r²)·u⃗r
- Constante de Coulomb: K = 9·10⁹ N·m²/C² (en el vacío).
- También se puede expresar como K = 1 / (4·π·ε), donde ε es la permitividad eléctrica del medio.
- La fuerza eléctrica es conservativa y de tipo central (tiene dirección radial).
- Diferencias con la gravitatoria: la fuerza eléctrica puede ser atractiva o repulsiva y es mucho más intensa.
La fuerza eléctrica rige las interacciones entre partículas cargadas, desde los átomos hasta los rayos.
Bloque 2 – Campo Eléctrico
El campo eléctrico es una región del espacio donde una carga eléctrica ejerce una fuerza sobre otra. Es una forma de describir cómo las cargas interactúan a distancia sin necesidad de tocarse directamente. Cada carga crea su propio campo, que puede influir en las cargas cercanas.
El campo eléctrico se representa mediante líneas de campo que indican su dirección y sentido:
- Las líneas salen de las cargas positivas y entran en las negativas.
- Nunca se cruzan, y su densidad indica la intensidad del campo.
- Las zonas donde las líneas están más juntas tienen un campo más intenso.
Matemáticamente, se define como:
E⃗ = F⃗ / q
donde E⃗ es el campo eléctrico, F⃗ la fuerza que actúa sobre una carga de prueba q.
También puede expresarse mediante la Ley de Coulomb:
E⃗ = K·(Q / r²)·u⃗r
donde:
- K es la constante de Coulomb (9×10⁹ N·m²/C²).
- Q es la carga que genera el campo.
- r es la distancia entre la carga y el punto considerado.
El principio de superposición establece que si varias cargas actúan en un punto,
el campo total es la suma vectorial de todos los campos individuales:
E⃗total = E⃗₁ + E⃗₂ + E⃗₃ + ...
Ejemplo cotidiano: en una tormenta eléctrica, las nubes cargadas crean un campo eléctrico tan intenso que puede ionizar el aire, produciendo un rayo. Este fenómeno es una manifestación visible de un campo eléctrico extremo.
Dato curioso: el concepto de campo fue introducido por Michael Faraday en el siglo XIX, quien imaginó que las cargas eléctricas modifican el espacio a su alrededor, creando un "campo" que afecta a otras cargas. Este concepto revolucionó la física moderna.
Bloque 2 – Energía Potencial Eléctrica
La energía potencial eléctrica (Ep) mide el trabajo que realiza la fuerza eléctrica al mover una carga q en el campo de otra carga Q.
- Fórmula: Ep = K·(Q·q) / r
- Depende del signo de las cargas: puede ser positiva o negativa.
- Si la carga se mueve siguiendo el campo (movimiento espontáneo), W > 0 → ΔEp < 0 (la energía potencial disminuye).
- Relación fundamental: W = -ΔEp
La fuerza eléctrica es conservativa: el trabajo no depende del camino seguido.
Bloque 2 – Potencial Eléctrico
El potencial eléctrico (V) indica la energía potencial por unidad de carga en un punto del campo eléctrico. Permite describir los campos eléctricos sin calcular directamente las fuerzas.
- Fórmula: V = K·(Q / r)
- El signo de V depende del signo de la carga Q que lo genera.
- La energía potencial de una carga q en ese punto es: Ep = q·V
- El movimiento de una carga es espontáneo si su energía potencial disminuye (ΔEp < 0).
- Las superficies equipotenciales son zonas donde el potencial es constante y son perpendiculares a las líneas de campo.
El potencial eléctrico ayuda a entender cómo se distribuye la energía en el campo eléctrico.
Bloque 2 – Campo Eléctrico Uniforme
Un campo eléctrico uniforme es aquel en el que la intensidad del campo (E) tiene el mismo valor, dirección y sentido en todos los puntos del espacio.
- Fuerza sobre una carga: F⃗ = q·E⃗
- Energía potencial: Ep = q·V
- Trabajo eléctrico: W = -ΔEp = q·E·d·cosα
- La diferencia de potencial entre dos puntos (ΔV) se relaciona con el campo: ΔV = -E·d
- El campo E⃗ se dirige siempre hacia donde disminuye el potencial, es decir, del polo positivo al negativo.
Movimiento espontáneo: Una carga positiva se mueve de mayor a menor potencial (DV < 0), mientras que una carga negativa lo hace en sentido contrario (DV > 0).
Bloque 2 – Aceleración de una Partícula Cargada
Cuando una partícula cargada se somete a una diferencia de potencial, la energía potencial que pierde se transforma en energía cinética.
- Conservación de la energía: ΔEc = -ΔEp = -q·ΔV
- Fórmula de la velocidad adquirida: v = √(2·q·|ΔV| / m)
- Si la carga es positiva y ΔV < 0 → la partícula se acelera.
- Si la carga es negativa y ΔV > 0 → también se acelera (en sentido opuesto al campo).
El aumento de velocidad depende del valor de la carga, la masa y la diferencia de potencial aplicada.
Bloque 2 – Movimiento de una Carga en un Campo Eléctrico
El movimiento de una partícula con carga q y velocidad inicial v⃗₀ en un campo eléctrico uniforme depende de la orientación de su velocidad respecto al campo.
- 1️⃣ Velocidad en el mismo sentido que E⃗: Si q > 0, se acelera (W > 0, ΔEp < 0, ΔEc > 0). Si q < 0, se frena (W < 0, ΔEp > 0, ΔEc < 0).
- 2️⃣ Velocidad en sentido contrario a E⃗: Igual que el caso anterior, pero los efectos se invierten.
- 3️⃣ Velocidad perpendicular a E⃗: La partícula describe un movimiento parabólico, similar al de un proyectil en un campo gravitatorio.
- Ecuaciones del movimiento: x = v₀·t y = (|q|·E / (2·m))·t²
- La aceleración se obtiene aplicando la segunda ley de Newton: a = |q|·E / m
Las partículas cargadas siguen trayectorias rectas o curvas según la orientación del campo respecto a su movimiento inicial.
Composición de Imágenes
Ejemplos visuales de los conceptos vistos: campo eléctrico, energía potencial y movimiento de cargas.