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Cómo la inducción electromagnética crea corriente

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electromagnetismo

La inducción electromagnética (también conocida como ley de inducción electromagnética de Faraday o simplemente inducción, pero que no debe confundirse con el razonamiento inductivo), es un proceso en el que un conductor colocado en un campo magnético cambiante (o un conductor que se mueve a través de un campo magnético estacionario) provoca la producción de un voltaje a través del conductor. Este proceso de inducción electromagnética, a su vez, provoca una corriente eléctrica, se dice que induce la corriente.

Descubrimiento de la inducción electromagnética

A Michael Faraday se le da crédito por el descubrimiento de la inducción electromagnética en 1831, aunque algunos otros habían notado un comportamiento similar en los años anteriores a esto. El nombre formal de la ecuación física que define el comportamiento de un campo electromagnético inducido a partir del flujo magnético (cambio en un campo magnético) es la ley de inducción electromagnética de Faraday.

El proceso de inducción electromagnética también funciona a la inversa, de modo que una carga eléctrica en movimiento genera un campo magnético. De hecho, un imán tradicional es el resultado del movimiento individual de los electrones dentro de los átomos individuales del imán, alineados de modo que el campo magnético generado esté en una dirección uniforme. En los materiales no magnéticos, los electrones se mueven de tal manera que los campos magnéticos individuales apuntan en diferentes direcciones, por lo que se cancelan entre sí y el campo magnético neto generado es insignificante.

Ecuación de Maxwell-Faraday

La ecuación más generalizada es una de las ecuaciones de Maxwell, llamada ecuación de Maxwell-Faraday, que define la relación entre los cambios en los campos eléctricos y los campos magnéticos. Toma la forma de: ∇ × 

E = – ∂ B / ∂t

donde la notación ∇ × se conoce como operación de rizo, la E es el campo eléctrico (una cantidad vectorial) y B es el campo magnético (también una cantidad vectorial). Los símbolos ∂ representan los diferenciales parciales, por lo que el lado derecho de la ecuación es el diferencial parcial negativo del campo magnético con respecto al tiempo. Tanto E como B están cambiando en términos de tiempo t, y dado que se están moviendo, la posición de los campos también está cambiando.

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Colisión perfectamente inelástica

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COLICIÓN ELÁSTICA

Una colisión perfectamente inelástica, también conocida como colisión completamente inelástica, es aquella en la que se ha perdido la máxima cantidad de energía cinética durante una colisión, lo que la convierte en el caso más extremo de una colisión inelástica . Aunque la energía cinética no se conserva en estas colisiones, la cantidad de movimiento se conserva y puede utilizar las ecuaciones de la cantidad de movimiento para comprender el comportamiento de los componentes de este sistema.

En la mayoría de los casos, se puede notar una colisión perfectamente inelástica debido a que los objetos en la colisión se «pegan» juntos, similar a un tackle en el fútbol americano . El resultado de este tipo de colisión es menos objetos con los que lidiar después de la colisión que antes, como se demuestra en la siguiente ecuación para una colisión perfectamente inelástica entre dos objetos. (Aunque en el fútbol, ​​con suerte, los dos objetos se deshacen después de unos segundos).

La ecuación para una colisión perfectamente inelástica:

m 1 v 1i + m 2v 2i = ( m 1 + m 2 ) v f

Comprobación de la pérdida de energía cinética

Puedes demostrar que cuando dos objetos se pegan, habrá una pérdida de energía cinética. Suponga que la primera masa , m 1 , se mueve a velocidad v i y la segunda masa, m 2 , se mueve a velocidad cero.

Esto puede parecer un ejemplo realmente elaborado, pero tenga en cuenta que puede configurar su sistema de coordenadas para que se mueva, con el origen fijo en m 2 , de modo que el movimiento se mida en relación con esa posición. Cualquier situación de dos objetos que se muevan a una velocidad constante podría describirse de esta manera. Si estuvieran acelerando, por supuesto, las cosas se complicarían mucho más, pero este ejemplo simplificado es un buen punto de partida.

metro 1 v yo = ( metro 1 + metro 2 ) v f

[ metro 1 / ( metro 1 + metro 2 )] * v yo = v f

Luego, puede usar estas ecuaciones para observar la energía cinética al principio y al final de la situación.

K yo = 0,5 m 1 V yo 2

K f = 0,5 ( m 1 + m 2 ) V f 2

Sustituya la ecuación anterior por V f , para obtener:

K f = 0.5 ( m 1 + m 2 ) * [ m 1 / ( m 1 + m 2 )] 2 * V yo 2
K f = 0.5 [ m 1 2 / ( m 1 + m 2 )] * V yo 2

Establezca la energía cinética como una relación, y 0.5 y V i 2 se cancelan, así como uno de los valores de m 1 , dejándolo con:

K f / K yo = metro 1 / ( metro 1 + metro 2 )

Algún análisis matemático básico le permitirá mirar la expresión m 1 / ( m 1 + m 2 ) y ver que para cualquier objeto con masa, el denominador será mayor que el numerador. Cualquier objeto que choque de esta manera reducirá la energía cinética total (y la velocidad total ) en esta relación. Ahora ha demostrado que una colisión de dos objetos cualquiera resulta en una pérdida de energía cinética total.

Péndulo balístico

Otro ejemplo común de colisión perfectamente inelástica se conoce como «péndulo balístico», en el que se suspende un objeto, como un bloque de madera, de una cuerda para convertirlo en un objetivo. Si luego dispara una bala (o una flecha u otro proyectil) al objetivo, de modo que se incruste en el objeto, el resultado es que el objeto se balancea hacia arriba, realizando el movimiento de un péndulo.

En este caso, si se supone que el objetivo es el segundo objeto de la ecuación, entonces v 2 i = 0 representa el hecho de que el objetivo está inicialmente estacionario. 

m 1 v 1i + m 2 v 2i = ( m 1 + m 2 ) v f
m 1 v 1i + m 2 (0) = ( m 1 + m 2 ) v f
m 1 v 1i = ( m 1 + m 2 ) v f

Como sabes que el péndulo alcanza una altura máxima cuando toda su energía cinética se convierte en energía potencial, puedes usar esa altura para determinar esa energía cinética, usar la energía cinética para determinar v f , y luego usarla para determinar v 1 i – o la velocidad del proyectil justo antes del impacto.

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Definición, tipos y usos de superconductores

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superconductores

Un superconductor es un elemento o aleación metálica que, cuando se enfría por debajo de un cierto umbral de temperatura, el material pierde drásticamente toda la resistencia eléctrica. En principio, los superconductores pueden permitir que la corriente eléctrica fluya sin pérdida de energía (aunque, en la práctica, es muy difícil producir un superconductor ideal). Este tipo de corriente se llama supercorriente.

La temperatura umbral por debajo de la cual un material pasa a un estado superconductor se designa como T c , que significa temperatura crítica. No todos los materiales se convierten en superconductores, y los materiales que lo hacen tienen cada uno su propio valor de T c .

Tipos de superconductores

  • Tipo I superconductores actuar como conductores a temperatura ambiente, pero cuando se enfría por debajo de T c , el movimiento molecular dentro del material reduce lo suficiente para que el flujo de corriente puede mover sin impedimentos.
  • Los superconductores de tipo 2 no son conductores particularmente buenos a temperatura ambiente, la transición a un estado de superconductor es más gradual que los superconductores de tipo 1. El mecanismo y la base física de este cambio de estado, en la actualidad, no se comprenden completamente. Los superconductores de tipo 2 son típicamente compuestos metálicos y aleaciones.

Descubrimiento del superconductor

La superconductividad se descubrió por primera vez en 1911 cuando el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes enfrió el mercurio a aproximadamente 4 grados Kelvin, lo que le valió el Premio Nobel de Física de 1913. En los años posteriores, este campo se ha expandido enormemente y se han descubierto muchas otras formas de superconductores, incluidos los superconductores de tipo 2 en la década de 1930.

La teoría básica de la superconductividad, la teoría BCS, le valió a los científicos —John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer— el Premio Nobel de física de 1972. Una parte del Premio Nobel de Física de 1973 fue para Brian Josephson, también por trabajar con superconductividad.

En enero de 1986, Karl Muller y Johannes Bednorz hicieron un descubrimiento que revolucionó la forma en que los científicos pensaban en los superconductores. Antes de este punto, se entendía que la superconductividad se manifestaba solo cuando se enfriaba hasta cerca del  cero absoluto, pero usando un óxido de bario, lantano y cobre, encontraron que se convertía en un superconductor a aproximadamente 40 grados Kelvin. Esto inició una carrera para descubrir materiales que funcionaran como superconductores a temperaturas mucho más altas.

En las décadas posteriores, las temperaturas más altas que se habían alcanzado fueron de aproximadamente 133 grados Kelvin (aunque podría alcanzar hasta 164 grados Kelvin si aplicaba una presión alta). En agosto de 2015, un artículo publicado en la revista Nature informó sobre el descubrimiento de la superconductividad a una temperatura de 203 grados Kelvin bajo alta presión.

Aplicaciones de superconductores

Los superconductores se utilizan en una variedad de aplicaciones, pero más notablemente dentro de la estructura del Gran Colisionador de Hadrones. Los túneles que contienen los haces de partículas cargadas están rodeados por tubos que contienen poderosos superconductores. Las supercorrientes que fluyen a través de los superconductores generan un intenso campo magnético, a través de inducción electromagnética , que se puede utilizar para acelerar y dirigir al equipo como se desee.

Además, los superconductores exhiben el efecto Meissner  en el que cancelan todo el flujo magnético dentro del material, volviéndose perfectamente diamagnéticos (descubierto en 1933). En este caso, las líneas del campo magnético realmente viajan alrededor del superconductor enfriado. 

Es esta propiedad de los superconductores la que se utiliza con frecuencia en experimentos de levitación magnética, como el bloqueo cuántico que se observa en la levitación cuántica. En otras palabras, si alguna vez se hicieran realidad los hoverboards estilo Back to the Future. 

En una aplicación menos mundana, los superconductores juegan un papel en los avances modernos en los trenes de levitación magnética., que brindan una poderosa posibilidad para el transporte público de alta velocidad que se basa en la electricidad (que se puede generar con energía renovable) en contraste con las opciones actuales no renovables como aviones, automóviles y trenes de carbón.

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El proceso isocórico

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proceso isocórico

Un proceso isocórico es un proceso termodinámico en el que el volumen permanece constante. Dado que el volumen es constante, el sistema no funciona y W = 0. («W» es la abreviatura de trabajo). Esta es quizás la más fácil de controlar de las variables termodinámicas, ya que se puede obtener colocando el sistema en una caja sellada. contenedor que no se expande ni se contrae.

Primera ley de la termodinámica

Para comprender el proceso isocórico, debe comprender la primera ley de la termodinámica, que establece:

«El cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor agregado al sistema desde su entorno y el trabajo realizado por el sistema en su entorno».

Aplicando la primera ley de la termodinámica a esta situación, se encuentra que:

delta-Dado que delta- U es el cambio en la energía interna y Q es la transferencia de calor dentro o fuera del sistema, se ve que todo el calor proviene de la energía interna o se destina a aumentar la energía interna.

Volumen constante

Es posible trabajar en un sistema sin cambiar el volumen, como en el caso de remover un líquido. Algunas fuentes usan «isocórico» en estos casos para significar «trabajo cero» independientemente de si hay un cambio en el volumen o no. En la mayoría de las aplicaciones sencillas, sin embargo, no será necesario considerar este matiz; si el volumen permanece constante durante todo el proceso, se trata de un proceso isocórico.

Ejemplo de cálculo

El sitio web  Nuclear Power , un sitio en línea gratuito y sin fines de lucro construido y mantenido por ingenieros, ofrece un ejemplo de un cálculo que involucra el proceso isocórico.

Suponga una adición de calor isocórica en un gas ideal. En un  gas ideal , las moléculas no tienen volumen y no interactúan. Según la  ley de los gases ideales , la  presión  varía linealmente con la temperatura y la cantidad, e inversamente con el  volumen . La fórmula básica sería:

pV = nRT

donde:

  • p  es la presión absoluta del gas
  • n  es la cantidad de sustancia
  • T  es la temperatura absoluta
  • V  es el volumen
  • R   es la constante de gas ideal o universal igual al producto de la constante de Boltzmann  y la constante de Avogadro
  • K es la abreviatura científica de  Kelvin

En esta ecuación, el símbolo R es una constante llamada constante universal de  gas  que tiene el mismo valor para todos los gases, es decir, R = 8,31  Joule / mol  K.

El proceso isocórico se puede expresar con la ley de los gases ideales como:

p / T = constante

Dado que el proceso es isocórico, dV = 0, el trabajo presión-volumen es igual a cero. Según el modelo de gas ideal, la energía interna se puede calcular mediante:

∆U = mc v  ∆T

donde la propiedad c v  (J / mol K) se denomina  calor específico  (o capacidad calorífica) a un volumen constante porque, en determinadas condiciones especiales (volumen constante), relaciona el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por transferencia de calor.

Dado que no hay trabajo realizado por o sobre el sistema, la primera ley de la termodinámica dicta  ∆U = ∆Q. Por lo tanto:

Q =  mc v  ∆T

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Energía: una definición científica

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energia

La energía se define como la capacidad de un sistema físico para realizar un trabajo. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el hecho de que exista energía no significa que esté necesariamente disponible para trabajar.

Formas de energía

La energía existe en varias formas, como calor, energía cinética o mecánica, luz, energía potencial y energía eléctrica.

  • Calor: el calor o la energía térmica es la energía del movimiento de átomos o moléculas. Puede considerarse como energía relacionada con la temperatura.
  • Energía cinética: la energía cinética es la energía del movimiento. Un péndulo oscilante tiene energía cinética.
  • Energía potencial: energía debida a la posición de un objeto. Por ejemplo, una pelota colocada sobre una mesa tiene energía potencial con respecto al piso porque la gravedad actúa sobre ella.
  • Energía mecánica: la energía mecánica es la suma de la energía cinética y potencial de un cuerpo.
  • Luz: los fotones son una forma de energía.
  • Energía eléctrica: es la energía del movimiento de partículas cargadas, como protones, electrones o iones.
  • Energía magnética: esta forma de energía es el resultado de un campo magnético.
  • Energía química: la energía química se libera o absorbe mediante reacciones químicas. Se produce al romper o formar enlaces químicos entre átomos y moléculas.
  • Energía nuclear: es la energía de las interacciones con los protones y neutrones de un átomo. Normalmente, esto se relaciona con la fuerza fuerte. Algunos ejemplos son la energía liberada por fisión y fusión.

Otras formas de energía pueden incluir la energía geotérmica y la clasificación de energía como renovable o no renovable.

Puede haber una superposición entre las formas de energía y un objeto invariablemente posee más de un tipo a la vez. Por ejemplo, un péndulo oscilante tiene energía cinética y potencial, energía térmica y (dependiendo de su composición) puede tener energía eléctrica y magnética.

Ley de la conservación de la energía

De acuerdo con la ley de conservación de la energía, la energía total de un sistema permanece constante, aunque la energía puede transformarse en otra forma. Dos bolas de billar que chocan, por ejemplo, pueden detenerse, con la energía resultante convirtiéndose en sonido y quizás un poco de calor en el punto de colisión. Cuando las bolas están en movimiento, tienen energía cinética. Ya sea que estén en movimiento o estacionarios, también tienen energía potencial porque están sobre una mesa sobre el suelo.

La energía no se crea ni se destruye, pero puede cambiar de forma y también está relacionada con la masa. La teoría de equivalencia masa-energía establece que un objeto en reposo en un marco de referencia tiene una energía en reposo. Si se suministra energía adicional al objeto, en realidad aumenta la masa de ese objeto. Por ejemplo, si calienta un cojinete de acero (agregando energía térmica), aumenta muy ligeramente su masa.

Unidades de energía

La unidad SI de energía es el joule (J) o newton-metro (N * m). El joule también es la unidad de trabajo SI.

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Inercia y las leyes del movimiento

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newtons-

Definición de inercia en física

La inercia es el nombre de la tendencia de un objeto en movimiento a permanecer en movimiento, o un objeto en reposo a permanecer en reposo a menos que actúe una fuerza. Este concepto fue cuantificado en la Primera Ley del Movimiento de Newton .

La palabra inercia proviene de la palabra latina iners , que significa inactivo o perezoso y fue utilizada por primera vez por Johannes Kepler.

Inercia y masa

La inercia es una cualidad de todos los objetos hechos de materia que poseen masa. Siguen haciendo lo que están haciendo hasta que una fuerza cambia su velocidad o dirección. Una pelota que está quieta en una mesa no comenzará a rodar a menos que algo la empuje, ya sea tu mano, una ráfaga de aire o vibraciones de la superficie de la mesa. Si lanzara una pelota en el vacío sin fricción del espacio, viajaría a la misma velocidad y dirección para siempre a menos que actuara sobre ella la gravedad u otra fuerza como una colisión.

La masa es una medida de inercia . Los objetos de mayor masa resisten los cambios de movimiento más que los objetos de menor masa. Una pelota más masiva, como una hecha de plomo, necesitará más empujón para que empiece a rodar. Una bola de poliestireno del mismo tamaño pero de poca masa puede ponerse en movimiento con un soplo de aire.

Teorías del movimiento de Aristóteles a Galileo

En la vida cotidiana, vemos que las bolas rodantes se detienen. Pero lo hacen porque actúan sobre ellos la fuerza de la gravedad y los efectos de la fricción y la resistencia del aire. Debido a que eso es lo que observamos, durante muchos siglos el pensamiento occidental siguió la teoría de Aristóteles, quien dijo que los objetos en movimiento eventualmente se detendrían y necesitarían una fuerza continua para mantenerlos en movimiento.

En el siglo XVII, Galileo experimentó con bolas rodantes en planos inclinados. Descubrió que, a medida que se reducía la fricción, las bolas que rodaban por un plano inclinado alcanzaban casi la misma altura y volvían a subir por un plano opuesto. Razonó que si no hubiera fricción, rodarían por una pendiente y luego seguirían rodando sobre una superficie horizontal para siempre. No fue algo innato en la pelota lo que hizo que dejara de rodar; fue contacto con la superficie.

Primera ley de movimiento e inercia de Newton

Isaac Newton desarrolló los principios mostrados en las observaciones de Galileo en su primera ley del movimiento. Se necesita una fuerza para evitar que la bola continúe rodando una vez que se pone en movimiento. Se necesita una fuerza para cambiar su velocidad y dirección. No necesita una fuerza para seguir moviéndose a la misma velocidad en la misma dirección. La primera ley del movimiento a menudo se denomina ley de inercia. Esta ley se aplica a un sistema de referencia inercial. El corolario 5 de los Principia de Newton dice:Los movimientos de los cuerpos incluidos en un espacio dado son los mismos entre sí, ya sea que ese espacio esté en reposo o se mueva uniformemente hacia adelante en línea recta sin movimiento circular.

De esta manera, si dejas caer una pelota en un tren en movimiento que no está acelerando, verás que la pelota cae directamente hacia abajo, como lo harías en un tren que no se está moviendo.

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¿Qué es la teoría del estado estable en cosmología?

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cosmología

La teoría del estado estacionario fue una teoría propuesta en la cosmología del siglo XX para explicar la evidencia de que el universo se estaba expandiendo pero aún conserva la idea central de que el universo siempre se ve igual y, por lo tanto, no cambia en la práctica y no tiene principio ni fin. Esta idea ha sido desacreditada en gran medida debido a la evidencia astronómica que sugiere que el universo, de hecho, está cambiando con el tiempo.

Antecedentes y desarrollo de la teoría del estado estacionario

Cuando Einstein creó su teoría de la relatividad general, el análisis inicial mostró que creó un universo que era inestable (expandiéndose o contrayéndose) en lugar del universo estático que siempre se había asumido. Einstein también mantuvo esta suposición sobre un universo estático, por lo que introdujo un término en sus ecuaciones de campo de la relatividad general llamado constante cosmológica. 

Esto sirvió para mantener el universo en un estado estático. Sin embargo, cuando Edwin Hubble descubrió evidencia de que las galaxias distantes, de hecho, se estaban expandiendo lejos de la Tierra en todas las direcciones, los científicos (incluido Einstein) se dieron cuenta de que el universo no parecía estar estático y el término fue eliminado.

La teoría del estado estacionario fue propuesta por primera vez por Sir James Jeans en la década de 1920, pero realmente recibió un impulso en 1948 cuando fue reformulada por Fred Hoyle, Thomas Gold y Hermann Bondi. Hay una historia dudosa de que se les ocurrió la teoría después de ver la película «Dead of Night», que termina exactamente como comenzó.

Hoyle se convirtió particularmente en un gran defensor de la teoría, especialmente en oposición a la teoría del Big Bang . De hecho, en una transmisión de radio británica, Hoyle acuñó el término «big bang» de manera un tanto burlona para explicar la teoría opuesta.

En su libro «Parallel Worlds», el físico Michio Kaku proporciona una justificación razonable para la dedicación de Hoyle al modelo de estado estacionario y su oposición al modelo del Big Bang:Un defecto en la teoría [del big bang] era que el Hubble, debido a errores al medir la luz de galaxias distantes, había calculado mal la edad del universo en 1.800 millones de años. Los geólogos afirmaron que la Tierra y el sistema solar probablemente tenían muchos miles de millones de años. ¿Cómo podría el universo ser más joven que sus planetas?

En su libro «Endless Universe: Beyond the Big Bang», los cosmólogos Paul J. Steinhardt y Neil Turok son un poco menos comprensivos con la postura y las motivaciones de Hoyle:Hoyle, en particular, encontró aborrecible el Big Bang porque era vehementemente antirreligioso y pensaba que la imagen cosmológica se acercaba desconcertantemente al relato bíblico. 

Para evitar el estallido, él y sus colaboradores estaban dispuestos a contemplar la idea de que la materia y la radiación se creaban continuamente en todo el universo de tal manera que se mantuviera la densidad y la temperatura constantes a medida que el universo se expandía. Esta imagen de estado estable fue la última posición para los defensores del concepto de universo inmutable, lo que desencadenó una batalla de tres décadas con los defensores del modelo del Big Bang.

Como indican estas citas, el objetivo principal de la teoría del estado estacionario era explicar la expansión del universo sin tener que decir que el universo en su conjunto se ve diferente en diferentes puntos en el tiempo. Si el universo en cualquier momento dado se ve básicamente igual, no hay necesidad de asumir un principio o un final. Esto se conoce generalmente como el principio cosmológico perfecto. 

La principal forma en que Hoyle (y otros) pudieron retener este principio fue proponiendo una situación mientras el universo se expandía y se creaban nuevas partículas. Nuevamente, como lo presenta Kaku:En este modelo, de hecho, partes del universo se estaban expandiendo, pero constantemente se creaba nueva materia de la nada, de modo que la densidad del universo seguía siendo la misma …

Para Hoyle, parecía ilógico que pudiera aparecer un cataclismo ardiente. de la nada para enviar galaxias a toda velocidad en todas direcciones; prefería la suave creación de masa a partir de la nada. En otras palabras, el universo era atemporal. No tuvo fin ni principio. Simplemente fue.

Refutando la teoría del estado estacionario

La evidencia en contra de la teoría del estado estacionario creció a medida que se detectó nueva evidencia astronómica. Por ejemplo, ciertas características de galaxias distantes (como cuásares y radiogalaxias) no se vieron en galaxias más cercanas. Esto tiene sentido en la teoría del Big Bang, donde las galaxias distantes en realidad representan galaxias «más jóvenes» y las galaxias más cercanas son más antiguas, pero la teoría del estado estacionario no tiene una forma real de explicar esta diferencia. De hecho, es precisamente el tipo de diferencia para la que se diseñó la teoría.

El último «clavo en el ataúd» de la cosmología del estado estacionario, sin embargo, vino del descubrimiento de la radiación cosmológica de fondo de microondas , que se había predicho como parte de la teoría del Big Bang pero que no tenía absolutamente ninguna razón para existir dentro del estado estacionario. teoría.

En 1972, Steven Weinberg dijo sobre la evidencia que se opone a la cosmología del estado estacionario: En cierto sentido, el desacuerdo es un mérito del modelo; Único entre todas las cosmologías, el modelo de estado estable hace predicciones tan definidas que puede ser refutado incluso con la evidencia observacional limitada a nuestra disposición.

Teoría del estado cuasi-estacionario

Sigue habiendo algunos científicos que exploran la teoría del estado estacionario en forma de teoría del estado cuasi estacionario. No es ampliamente aceptado entre los científicos y se han formulado muchas críticas que no se han abordado adecuadamente.

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Los diferentes campos de la física

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Campos de la física

La física es la rama de la ciencia que se ocupa de la naturaleza y las propiedades de la materia no viva y la energía que no se tratan en la química o la biología, y las leyes fundamentales del universo material. Como tal, es un área de estudio enorme y diversa.

Para darle sentido, los científicos han centrado su atención en una o dos áreas más pequeñas de la disciplina. Esto les permite convertirse en expertos en ese campo estrecho, sin atascarse en el gran volumen de conocimiento que existe sobre el mundo natural.

Los campos de la física

La física a veces se divide en dos categorías amplias, basadas en la historia de la ciencia: la física clásica, que incluye estudios que surgieron desde el Renacimiento hasta principios del siglo XX; y Física Moderna, que incluye aquellos estudios que se han iniciado desde ese período. Parte de la división podría considerarse escala: la física moderna se centra en partículas más pequeñas, mediciones más precisas y leyes más amplias que afectan la forma en que continuamos estudiando y entendiendo la forma en que funciona el mundo.

Otra forma de dividir la física es la física aplicada o experimental (básicamente, los usos prácticos de los materiales) versus la física teórica (la construcción de leyes generales sobre cómo funciona el universo).

A medida que lea las diferentes formas de la física, resultará obvio que existe cierta superposición. Por ejemplo, la diferencia entre astronomía, astrofísica y cosmología puede carecer virtualmente de sentido a veces. Para todos, es decir, excepto los astrónomos, astrofísicos y cosmólogos, que pueden tomarse las distinciones muy en serio.

Física clásica

Antes del cambio del siglo XIX, la física se concentraba en el estudio de la mecánica, la luz, el sonido y el movimiento ondulatorio, el calor y la termodinámica y el electromagnetismo. Los campos de la física clásica que se estudiaron antes de 1900 (y continúan desarrollándose y enseñándose hoy) incluyen:

  • Acústica: Estudio del sonido y de las ondas sonoras. En este campo, estudiarás ondas mecánicas en gases, líquidos y sólidos. La acústica incluye aplicaciones para ondas sísmicas, golpes y vibraciones, ruido, música, comunicación, audición, sonido subacuático y sonido atmosférico. De esta manera, abarca las ciencias de la tierra, las ciencias de la vida, la ingeniería y las artes.
  • Astronomía: el estudio del espacio, incluidos los planetas, las estrellas, las galaxias, el espacio profundo y el universo. La astronomía es una de las ciencias más antiguas, que utiliza las matemáticas, la física y la química para comprender todo lo que está fuera de la atmósfera terrestre.
  • Física química: estudio de la física en sistemas químicos. La física química se centra en el uso de la física para comprender fenómenos complejos en una variedad de escalas, desde la molécula hasta un sistema biológico. Los temas incluyen el estudio de nanoestructuras o dinámica de reacciones químicas.
  • Física Computacional: La aplicación de métodos numéricos para resolver problemas físicos para los que ya existe una teoría cuantitativa.
  • Electromagnetismo: estudio de campos eléctricos y magnéticos , que son dos aspectos de un mismo fenómeno.
  • Electrónica: Estudio del flujo de electrones, generalmente en un circuito.
  • Dinámica de fluidos / Mecánica de fluidos: Estudio de las propiedades físicas de los «fluidos», específicamente definidos en este caso como líquidos y gases.
  • Geofísica: Estudio de las propiedades físicas de la Tierra.
  • Física matemática: Aplicar métodos matemáticamente rigurosos para resolver problemas dentro de la física.
  • Mecánica: Estudio del movimiento de los cuerpos en un marco de referencia.
  • Meteorología / Física del tiempo: la física del tiempo.
  • Óptica / Física de la luz: Estudio de las propiedades físicas de la luz.
  • Mecánica estadística: el estudio de sistemas grandes mediante la expansión estadística del conocimiento de sistemas más pequeños.
  • Termodinámica: la física del calor.

Física moderna

La física moderna abarca el átomo y sus componentes, la relatividad y la interacción de altas velocidades, la cosmología y la exploración espacial, y la física mesoscópica, esas piezas del universo que caen en tamaño entre nanómetros y micrómetros. Algunos de los campos de la física moderna son:

  • Astrofísica: Estudio de las propiedades físicas de los objetos en el espacio. Hoy en día, la astrofísica a menudo se usa indistintamente con la astronomía y muchos astrónomos tienen títulos en física.
  • Física atómica: el estudio de los átomos, específicamente las propiedades electrónicas del átomo, a diferencia de la física nuclear, que considera el núcleo solo. En la práctica, los grupos de investigación suelen estudiar física atómica, molecular y óptica.
  • Biofísica: el estudio de la física en sistemas vivos en todos los niveles, desde células individuales y microbios hasta animales, plantas y ecosistemas completos. La biofísica se superpone con la bioquímica, la nanotecnología y la bioingeniería, como la derivación de la estructura del ADN a partir de la cristalografía de rayos X. Los temas pueden incluir bioelectrónica, nanomedicina, biología cuántica, biología estructural, cinética de enzimas, conducción eléctrica en neuronas, radiología y microscopía.
  • Caos: Es el estudio de sistemas con una fuerte sensibilidad a las condiciones iniciales, por lo que un ligero cambio al principio se convierte rápidamente en cambios importantes en el sistema. La teoría del caos es un elemento de la física cuántica y útil en la mecánica celeste.
  • Cosmología: el estudio del universo en su conjunto, incluidos sus orígenes y evolución, incluido el Big Bang y cómo el universo seguirá cambiando.
  • Criofísica / Criogenia / Física de baja temperatura: Estudio de las propiedades físicas en situaciones de baja temperatura, muy por debajo del punto de congelación del agua.
  • Cristalografía: estudio de cristales y estructuras cristalinas.
  • Física de altas energías: el estudio de la física en sistemas de energía extremadamente alta, generalmente dentro de la física de partículas.
  • Física de alta presión: estudio de la física en sistemas de presión extremadamente alta, generalmente relacionado con la dinámica de fluidos.
  • Física del láser: estudio de las propiedades físicas de los láseres.
  • Física Molecular: Estudio de las propiedades físicas de las moléculas.
  • Nanotecnología: ciencia de la construcción de circuitos y máquinas a partir de átomos y moléculas individuales.
  • Física nuclear: estudio de las propiedades físicas del núcleo atómico.
  • Física de partículas: estudio de partículas fundamentales y las fuerzas de su interacción.
  • Física del plasma: estudio de la materia en la fase plasmática.
  • Electrodinámica cuántica: estudio de cómo interactúan los electrones y los fotones a nivel de la mecánica cuántica.
  • Mecánica cuántica / Física cuántica: el estudio de la ciencia donde los valores discretos más pequeños, o cuantos, de materia y energía se vuelven relevantes.
  • Óptica cuántica: la aplicación de la física cuántica a la luz.
  • Teoría cuántica de campos: la aplicación de la física cuántica a los campos, incluidas las fuerzas fundamentales del universo.
  • Gravedad cuántica: la aplicación de la física cuántica a la gravedad y la unificación de la gravedad con las otras interacciones fundamentales de las partículas.
  • Relatividad: estudio de sistemas que muestran las propiedades de la teoría de la relatividad de Einstein , que generalmente implica moverse a velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz.
  • Teoría de cuerdas / Teoría de supercuerdas: El estudio de la teoría de que todas las partículas fundamentales son vibraciones de cuerdas de energía unidimensionales, en un universo de dimensiones superiores.

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¿Qué habilidades necesito para estudiar física?

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Al igual que con cualquier campo de estudio, es útil comenzar a aprender los conceptos básicos temprano si desea dominarlos. Para alguien que ha decidido que quiere estudiar física, puede haber áreas que evitó en la educación anterior con las que se dará cuenta de que necesita familiarizarse. Las cosas más esenciales que debe saber un físico se describen a continuación.

La física es una disciplina y, como tal, es una cuestión de entrenar tu mente para estar preparada para los desafíos que presentará. Aquí hay algo de entrenamiento mental que los estudiantes necesitarán para estudiar con éxito física o cualquier ciencia, y la mayoría de ellas son buenas habilidades, independientemente del campo al que se adentre.

Matemáticas

Es absolutamente esencial que un físico sea competente en matemáticas . No tiene que saberlo todo, eso es imposible, pero debe sentirse cómodo con los conceptos matemáticos y cómo aplicarlos.

Para estudiar física, debes tomar la mayor cantidad de matemáticas de la escuela secundaria y la universidad que puedas dentro de tu horario. Especialmente, tome la carrera completa de los cursos de álgebra, geometría / trigonometría y cálculo disponibles, incluidos los cursos de colocación avanzada si califica.

La física es muy intensiva en matemáticas y si descubre que no le gustan las matemáticas, tal vez quiera buscar otras opciones educativas.

Resolución de problemas y razonamiento científico

Además de las matemáticas (que es una forma de resolución de problemas), es útil para el futuro estudiante de física tener un conocimiento más general de cómo abordar un problema y aplicar el razonamiento lógico para llegar a una solución.

Entre otras cosas, debe estar familiarizado con el método científico y las otras herramientas que utilizan los físicos . Estudie otros campos de la ciencia, como la biología y la química (que está estrechamente relacionada con la física). Nuevamente, tome cursos de colocación avanzada si califica. Se recomienda participar en ferias científicas, ya que tendrá que idear un método para responder una pregunta científica.

En un sentido más amplio, puede aprender a resolver problemas en contextos no científicos. Atribuyo muchas de mis habilidades prácticas para la resolución de problemas a los Boy Scouts of America, donde con frecuencia tuve que pensar rápidamente para resolver una situación que surgiría durante un viaje de campamento, como cómo hacer que esas estúpidas tiendas de campaña se mantuvieran erguidas. en tormentas eléctricas.

Leer con voracidad, sobre todos los temas (incluida, por supuesto, la ciencia). Haz acertijos de lógica. Únase al equipo de debate. Juega ajedrez o videojuegos con un fuerte elemento de resolución de problemas.

Todo lo que pueda hacer para entrenar su mente para organizar datos, buscar patrones y aplicar información a situaciones complejas será valioso para sentar las bases del pensamiento físico que necesitará.

Conocimientos técnicos de las física

Los físicos utilizan herramientas tecnológicas, especialmente computadoras, para realizar sus mediciones y análisis de datos científicos . Como tal, también debe sentirse cómodo con las computadoras y las diferentes formas de tecnología. Como mínimo, debería poder conectar una computadora y sus diversos componentes, así como saber cómo maniobrar a través de la estructura de carpetas de una computadora para encontrar archivos. La familiaridad básica con la programación de computadoras es útil.

Una cosa que debe aprender es cómo usar una hoja de cálculo para manipular datos. Lamentablemente, entré a la universidad sin esta habilidad y tuve que aprenderla con los plazos de los informes de laboratorio que se ciernen sobre mi cabeza. Microsoft Excel es el programa de hoja de cálculo más común, aunque si aprende a usar uno, generalmente puede realizar la transición a uno nuevo con bastante facilidad. Descubra cómo usar fórmulas en hojas de cálculo para tomar sumas, promedios y realizar otros cálculos. Además, aprenda a poner datos en una hoja de cálculo y a crear gráficos y tablas a partir de esos datos. Créame, esto le ayudará más adelante.

Aprender cómo funcionan las máquinas también ayuda a proporcionar algo de intuición sobre el trabajo que surgirá en campos como la electrónica. Si conoces a alguien a quien le gusten los automóviles, pídele que te explique cómo funcionan, porque muchos principios físicos básicos están presentes en un motor de automóvil.

Buenos hábitos de estudio de la física

Incluso el físico más brillante tiene que estudiar . Pasé la secundaria sin estudiar mucho, así que me tomó mucho tiempo aprender esta lección. Mi calificación más baja en toda la universidad fue mi primer semestre de física porque no estudié lo suficiente. Sin embargo, lo mantuve y me especialicé en física con honores, pero realmente desearía haber desarrollado buenos hábitos de estudio antes.

Presta atención en clase y toma notas. Repase las notas mientras lee el libro y agregue más notas si el libro explica algo mejor o diferente de lo que lo hizo el maestro. Mira los ejemplos. Y haga su tarea, incluso si no está siendo calificada.

Estos hábitos, incluso en los cursos más fáciles en los que no los necesita, pueden ayudarlo en los cursos posteriores en los que los necesitará.

Verificación de la realidad

En algún momento del estudio de la física, tendrás que hacer un serio control de la realidad. Usted está probablemente no va a ganar un premio Nobel. Usted está probablemente no va a ser llamado para programas especiales de televisión de acogida en el Discovery Channel. Si escribe un libro de física, puede que solo sea una tesis publicada que compran unas 10 personas en el mundo.

Acepta todas estas cosas. Si todavía quieres ser físico, está en tu sangre. Ve a por ello. Abrázalo. Quién sabe … quizás consigas ese premio Nobel después de todo.

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Una fuerza que cambia el movimiento de rotación de un cuerpo

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rotación

El par (también conocido como momento o momento de fuerza) es la tendencia de una fuerza a causar o cambiar el movimiento de rotación de un cuerpo. Es un giro o fuerza de giro sobre un objeto. El par se calcula multiplicando la fuerza y ​​la distancia. Es una cantidad vectorial, lo que significa que tiene una dirección y una magnitud. O la velocidad angular para el momento de inercia de un objeto está cambiando, o ambos.

Unidades de torque

El sistema internacional de unidades de medida (unidades SI ) que se utiliza para el par es newton-metros o N * m. Aunque los newton-metros son iguales a los julios , dado que el par no es trabajo ni energía, todas las medidas deben expresarse en newton-metros. El par está representado por la letra griega tau: τ en los cálculos. Cuando se llama el momento de fuerza, que está representado por M . En unidades imperiales, puede ver libra-fuerza-pie (lb⋅ft) que podría abreviarse como libra-pie, con la «fuerza» implícita.

Cómo funciona el par

La magnitud del torque depende de cuánta fuerza se aplica, la longitud del brazo de palanca que conecta el eje con el punto donde se aplica la fuerza y ​​el ángulo entre el vector de fuerza y ​​el brazo de palanca.

La distancia es el brazo de momento, a menudo denotado por r. Es un vector que apunta desde el eje de rotación hacia donde actúa la fuerza. Para producir más torque, necesita aplicar fuerza más lejos del punto de pivote o aplicar más fuerza. Como dijo Arquímedes, dado un lugar para pararse con una palanca lo suficientemente larga, podría mover el mundo. Si empuja una puerta cerca de las bisagras, debe usar más fuerza para abrirla que si la empujara en el pomo de la puerta dos pies más lejos de las bisagras.

Si el vector de fuerza  θ = 0 ° o 180 °, la fuerza no causará ninguna rotación en el eje. Sería empujar lejos del eje de rotación porque está en la misma dirección o empujar hacia el eje de rotación. El valor del par para estos dos casos es cero. Los vectores de fuerza más efectivos para producir torque son  θ  = 90 ° o -90 °, que son perpendiculares al vector de posición. Hará todo lo posible para aumentar la rotación.

La regla de la mano derecha para el torque

Una parte complicada de trabajar con torque es que se calcula utilizando un producto vectorial. El par está en la dirección de la velocidad angular que produciría, por lo que el cambio en la velocidad angular está en la dirección del par. Use su mano derecha y doble los dedos de su mano en la dirección de rotación causada por la fuerza y ​​su pulgar apuntará en la dirección del vector de torsión.

Par neto

En el mundo real, a menudo se ve más de una fuerza actuando sobre un objeto para provocar un par de torsión. El par neto es la suma de los pares individuales. En equilibrio rotacional, no hay torque neto en el objeto. Puede haber pares de torsión individuales, pero suman cero y se cancelan entre sí.

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