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Nucleosíntesis estelar: ¿cómo las estrellas forman los elementos?

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nucleosintesis

¿Cómo se crean los elementos de hidrógeno y helio?

La nucleosíntesis estelar es el proceso mediante el cual se crean elementos dentro de las estrellas mediante la combinación de protones y neutrones de los núcleos de elementos más ligeros. Todos los átomos del universo comenzaron como hidrógeno. La fusión dentro de las estrellas transforma el hidrógeno en helio, calor y radiación. Los elementos más pesados ​​se crean en diferentes tipos de estrellas a medida que mueren o explotan.

Historia de la Teoría

La idea de que las estrellas fusionan los átomos de los elementos ligeros fue propuesta por primera vez en la década de 1920 por Arthur Eddington, un firme partidario de Einstein. Sin embargo, el verdadero mérito de desarrollarla en una teoría coherente se le da al trabajo de Fred Hoyle después de la Segunda Guerra Mundial. 

La teoría de Hoyle contenía algunas diferencias significativas con la teoría actual, más notablemente que él no creía en la teoría del Big Bang, sino que continuamente se creaba hidrógeno dentro de nuestro universo. (Esta teoría alternativa se denominó teoría del estado estacionario y cayó en desgracia cuando se detectó la radiación cósmica de fondo de microondas).

Las primeras estrellas

El tipo más simple de átomo en el universo es un átomo de hidrógeno, que contiene un solo protón en el núcleo (posiblemente con algunos neutrones colgando también) con electrones rodeando ese núcleo. 

Ahora se cree que estos protones se formaron cuando el plasma de quarks-gluones de energía increíblemente alta del universo temprano perdió suficiente energía para que los quarks comenzaran a unirse para formar protones (y otros hadrones, como neutrones). El hidrógeno se formó casi instantáneamente e incluso el helio (con núcleos que contienen 2 protones) se formó en un orden relativamente corto (parte de un proceso denominado nucleosíntesis del Big Bang).

A medida que este hidrógeno y helio comenzaron a formarse en el universo temprano, hubo algunas áreas donde era más denso que en otras. La gravedad tomó el control y, finalmente, estos átomos se unieron en nubes masivas de gas en la inmensidad del espacio. Una vez que estas nubes se volvieron lo suficientemente grandes, fueron unidas por la gravedad con la fuerza suficiente para hacer que los núcleos atómicos se fusionaran, en un proceso llamado fusión nuclear. 

El resultado de este proceso de fusión es que los dos átomos de un protón ahora han formado un solo átomo de dos protones. En otras palabras, dos átomos de hidrógeno han comenzado un solo átomo de helio. La energía liberada durante este proceso es lo que hace que el sol (o cualquier otra estrella, para el caso) se queme.

Se necesitan casi 10 millones de años para quemar el hidrógeno y luego las cosas se calientan y el helio comienza a fusionarse. La nucleosíntesis estelar continúa creando elementos cada vez más pesados ​​hasta que terminas con hierro.

Creando los elementos más pesados

La quema de helio para producir elementos más pesados ​​continúa durante aproximadamente 1 millón de años. En gran parte, se fusiona en carbono a través del proceso triple alfa en el que se transforman tres núcleos de helio-4 (partículas alfa). El proceso alfa luego combina helio con carbono para producir elementos más pesados, pero solo aquellos con un número par de protones. 

Las combinaciones van en este orden:

  1. El carbono más helio produce oxígeno.
  2. Oxígeno más helio produce neón.
  3. El neón más helio produce magnesio.
  4. El magnesio más helio produce silicio.
  5. El silicio más helio produce azufre.
  6. El azufre más helio produce argón.
  7. El argón más helio produce calcio.
  8. El calcio más helio produce titanio.
  9. El titanio más helio produce cromo.
  10. El cromo más helio produce hierro.

Otras vías de fusión crean los elementos con números impares de protones. El hierro tiene un núcleo tan unido que no hay más fusión una vez que se alcanza ese punto. Sin el calor de la fusión, la estrella colapsa y explota en una onda de choque.

El físico Lawrence Krauss señala que se necesitan 100.000 años para que el carbono se queme en oxígeno, 10.000 años para que el oxígeno se queme en silicio y un día para que el silicio se queme en hierro y presagie el colapso de la estrella.

El astrónomo Carl Sagan en la serie de televisión «Cosmos» señaló: «Estamos hechos de estrellas». Krauss estuvo de acuerdo, afirmando que «cada átomo de su cuerpo estuvo una vez dentro de una estrella que explotó … Los átomos en su mano izquierda probablemente vinieron de una estrella diferente a la de su mano derecha, porque 200 millones de estrellas han explotado para formar los átomos En tu cuerpo.»

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Películas que presentan la física de manera realista

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PELICULA

La mayoría de las películas usan la ciencia mal, pero algunas lo hacen bien. Aquí hay un puñado de películas que tratan muy bien el tema de la física. En general, estas películas son ficciones o dramatizaciones de hechos reales que se toman pocas libertades con lo físicamente posible, aunque en algunos casos (como la ciencia ficción) pueden extrapolar un poco más de lo que se conoce actualmente. Mírelos con sus hijos para que aprendan un par de cosas.

El marciano

 Esta película, basada en la novela debut de Andy Weir, es un cruce de Apollo 13 (también en esta lista) y Robinson Crusoe (o Castaway , otra película de Tom Hanks), cuenta la historia de un astronauta herido y varado accidentalmente solo en el planeta Marte. Para sobrevivir el tiempo suficiente para ser rescatado, debe aprovechar todos los recursos con precisión científica.

Gravedad

Sandra Bullock interpreta a una astronauta cuya nave espacial es dañada por meteoritos, dejándola en una carrera desesperada a la deriva en el espacio mientras intenta ponerse a salvo y encontrar un camino a casa. Aunque la credibilidad de algunas de las secuencias de acción es un poco tensa, la forma en que manejan su movimiento en el espacio y la planificación que tiene que hacer para ir de un lugar a otro bien vale la pena desde el punto de vista científico. La película también es visualmente impresionante.

Apolo 13

En 1970, el astronauta Jim Lovell (Tom Hanks) está al mando de una misión «rutinaria» a la luna, Apolo 13 . Con las famosas palabras «Houston, tenemos un problema», comienza un verdadero y aterrador viaje de supervivencia, mientras los tres astronautas intentan sobrevivir en el espacio mientras los científicos e ingenieros trabajan en la base para encontrar una manera de traer la nave espacial dañada de regreso a la Tierra de manera segura.

Apollo 13 tiene un elenco fenomenal, que incluye a Kevin Bacon, Gary Sinise, Bill Paxton, Ed Harris y otros, y está dirigido por Ron Howard. Dramático y conmovedor, conserva la integridad científica al explorar este momento significativo en la historia de los viajes espaciales.

Cielo de octubre

Esta película está basada en una historia real y trata sobre un adolescente (interpretado por Jake Gyllenhaal) que queda fascinado con los cohetes. Contra todo pronóstico, se convierte en una inspiración para su pequeña ciudad minera al ganar una feria nacional de ciencias.

La Teoría del Todo

Esta película cuenta la historia de la vida y el primer matrimonio del cosmólogo Stephen Hawking , basada en las memorias de su primera esposa. La película no tiene un gran énfasis en la física, pero hace un trabajo decente al retratar las dificultades que enfrentó el Dr. Hawking al desarrollar sus teorías innovadoras y explicar en términos generales lo que esas teorías implicaban, como la radiación de Hawking .

El abismo

The Abyss es una película fantástica, y aunque más ciencia ficción que hechos científicos, hay suficiente realismo en la representación de las profundidades marinas y su exploración para mantener a los fanáticos de la física bastante interesados.

Coeficiente intelectual

Esta divertida comedia romántica presenta a Albert Einstein (interpretado por Walter Matthau) como Cupido entre su sobrina (Meg Ryan) y un mecánico de automóviles local (Tim Robbins).

infinito

Infinity es la película que cuenta la historia del matrimonio del joven Richard P. Feynman con Arlene Greenbaum, quien sufría de tuberculosis y murió mientras trabajaba en el Proyecto Manhattan en Los Alamos. Es una historia divertida y conmovedora, aunque Broderick no hace justicia a la profundidad del carácter dinámico de Feynman, en parte porque se pierde algunas de las «historias de Feynman» más agradables que se han convertido en clásicos para los físicos, basadas en sobre el libro autobiográfico de Feynman. 

2001: una odisea espacial

2001 es la película espacial clásica definitiva, considerada por muchos como el comienzo de la era de los efectos especiales de acción espacial. Incluso después de todos estos años, se mantiene bastante bien. Si puedes lidiar con el ritmo de esta película, que está muy lejos del gran éxito de las películas modernas de ciencia ficción, es una gran película sobre la exploración espacial.

Interestelar

Esta es quizás una adición controvertida a la lista. El físico Kip Thorne ayudó en esta película como asesor científico, y el agujero negro se maneja básicamente bien, en particular, la idea de que el tiempo se mueve de manera radicalmente diferente a medida que te acercas al agujero negro. Sin embargo, también hay muchos elementos extraños de la historia dentro del clímax que realmente no tienen sentido científico, por lo que, en general, este puede considerarse una especie de equilibrio en términos de validez científica.

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Definición y ejemplos de isómeros nucleares

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isomero nuclear

 Un isómero nuclear ocurre cuando los protones o neutrones en un núcleo atómico se excitan, pero no se desintegran inmediatamente.

Definición de isómero nuclear

Los isómeros nucleares son átomos con el mismo número de masa y número atómico, pero con diferentes estados de excitación en el núcleo atómico. El estado más alto o más excitado se llama estado metaestable, mientras que el estado estable, no excitado se llama estado fundamental.

¿Cómo trabajan?

La mayoría de las personas son conscientes de que los electrones pueden cambiar los niveles de energía y encontrarse en estados de excitación. Un proceso análogo ocurre en el núcleo atómico cuando los protones o neutrones (los nucleones) se excitan. El nucleón excitado ocupa un orbital nuclear de mayor energía. 

La mayoría de las veces, los nucleones excitados regresan inmediatamente al estado fundamental, pero si el estado excitado tiene una vida media mayor de 100 a 1000 veces la de los estados excitados normales, se considera un estado metaestable. En otras palabras, la vida media de un estado excitado suele ser del orden de 10 a 12 segundos, mientras que un estado metaestable tiene una vida media de 10 a 9 segundos o más. 

Algunas fuentes definen un estado metaestable como el que tiene una vida media superior a 5 x 10 -9 segundos para evitar confusiones con la vida media de la emisión gamma. Si bien la mayoría de los estados metaestables decaen rápidamente, algunos duran minutos, horas, años o mucho más.

La razón por la que se forman los estados metaestables es porque se necesita un cambio de espín nuclear más grande para que regresen al estado fundamental. El cambio de giro alto hace que las desintegraciones sean «transiciones prohibidas» y las retrasa. La vida media de la descomposición también se ve afectada por la cantidad de energía de descomposición disponible.

La mayoría de los isómeros nucleares regresan al estado fundamental a través de la desintegración gamma. A veces, la desintegración gamma de un estado metaestable se denomina transición isomérica, pero es esencialmente lo mismo que la desintegración gamma normal de corta duración. Por el contrario, la mayoría de los estados atómicos excitados (electrones) regresan al estado fundamental a través de la fluorescencia.

Otra forma en que los isómeros metaestables pueden desintegrarse es mediante conversión interna. En la conversión interna, la energía que se libera por la desintegración acelera un electrón interno, lo que hace que salga del átomo con una energía y velocidad considerables. Existen otros modos de desintegración para los isómeros nucleares altamente inestables.

Notación metaestable y de estado fundamental

El estado fundamental se indica mediante el símbolo g (cuando se utiliza cualquier notación). Los estados excitados se indican mediante los símbolos m, n, o, etc. El primer estado metaestable se indica con la letra m. Si un isótopo específico tiene múltiples estados metaestables, los isómeros se designan m1, m2, m3, etc. La designación aparece después del número de masa (p. Ej., Cobalto 58m o 58m 27 Co, hafnio-178m2 o 178m2 72 Hf).

Puede añadirse el símbolo sf para indicar isómeros capaces de fisión espontánea. Este símbolo se utiliza en la tabla de nucleidos de Karlsruhe.

Ejemplos de estados metaestables

Otto Hahn descubrió el primer isómero nuclear en 1921. Este fue Pa-234m, que se desintegra en Pa-234.

El estado metaestable de mayor duración es el de 180m 73 Ta. No se ha visto que este estado metaestable del tantalio se descomponga y parece durar al menos 10 15 años (más que la edad del universo). Debido a que el estado metaestable perdura tanto, el isómero nuclear es esencialmente estable. El tantalio-180m se encuentra en la naturaleza en una abundancia de aproximadamente 1 por cada 8300 átomos. Se cree que quizás el isómero nuclear se produjo en supernovas.

¿Cómo se hacen?

Los isómeros nucleares metaestables se producen mediante reacciones nucleares y pueden producirse mediante fusión nuclear. Ocurren tanto de forma natural como artificial.

Isómeros de fisión e isómeros de forma

Un tipo específico de isómero nuclear es el isómero de fisión o el isómero de forma. Los isómeros de fisión se indican utilizando una posdata o un superíndice «f» en lugar de «m» (por ejemplo, plutonio-240f o 240f 94 Pu). 

El término «forma de isómero» se refiere a la forma del núcleo atómico. Si bien el núcleo atómico tiende a representarse como una esfera, algunos núcleos, como los de la mayoría de los actínidos, son esferas alargadas (en forma de balón de fútbol). 

Debido a los efectos de la mecánica cuántica, la desexcitación de los estados excitados al estado fundamental se ve obstaculizada, por lo que los estados excitados tienden a sufrir una fisión espontánea o bien vuelven al estado fundamental con una vida media de nanosegundos o microsegundos. Los protones y neutrones de un isómero de forma pueden estar incluso más alejados de una distribución esférica que los nucleones en el estado fundamental.

Usos de isómeros nucleares

Isómeros nucleares se pueden utilizar como fuentes de rayos gamma para los procedimientos médicos, baterías nucleares, para la investigación de rayos gamma emisión estimulada, y para los láseres de rayos gamma.

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Los fundamentos de la física en el estudio científico

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fisica

La física es un estudio sistemático del mundo natural, en particular la interacción entre la materia y la energía. Es una disciplina que intenta cuantificar la realidad mediante una aplicación precisa de la observación unida a la lógica y la razón.

Para hacer uso de dicha disciplina, primero debe comprender ciertos fundamentos. Solo aprendiendo los conceptos básicos de la física se puede desarrollar y profundizar en este campo de la ciencia. Ya sea que esté siguiendo una carrera en física o simplemente esté interesado en sus hallazgos, ciertamente es fascinante conocerlo.

¿Qué se considera física?

Para comenzar el estudio de la física, primero debe comprender qué significa realmente la física . Comprender qué cae dentro del ámbito de la física y qué no lo ayuda a enfocar el campo de estudio para que pueda formular preguntas de física significativas.

Detrás de cada pregunta en física hay cuatro términos muy importantes que querrá comprender:  hipótesis, modelo, teoría y ley . 

La física puede ser experimental o teórica. En física experimental , los físicos abordan un problema científico utilizando técnicas como el método científico en un intento de probar una hipótesis. La física teórica es a menudo más conceptual en el sentido de que los físicos se centran en desarrollar leyes científicas, como la teoría de la mecánica cuántica. 

Estas dos formas de física están relacionadas entre sí y conectadas con otras formas de estudio científico. Muy a menudo, la física experimental pondrá a prueba las hipótesis de la física teórica. Los propios físicos pueden especializarse en una variedad de campos , desde la astronomía y la astrofísica hasta la física matemática y la nanotecnología. La física también juega un papel en otros campos de la ciencia, como la química y la biología.

Las leyes fundamentales de la física

El objetivo de la física es desarrollar modelos precisos de la realidad física. El mejor escenario es desarrollar una serie de reglas muy fundamentales para describir cómo funcionan estos modelos. Estas reglas se denominan con frecuencia «leyes» después de que se han utilizado con éxito durante muchos años.

La física es complicada, pero se basa fundamentalmente en una serie de  leyes aceptadas de la naturaleza . Algunos son descubrimientos científicos históricos y revolucionarios. Estos incluyen la Ley de la gravedad de Sir Isaac Newton, así como sus Tres leyes del movimiento. La teoría de la relatividad de Albert Einstein y las leyes de la termodinámica también entran en esta categoría.

La física moderna se basa en esas verdades monumentales para estudiar cosas como la física cuántica que explora el universo invisible . De manera similar, la física de partículas busca comprender los fragmentos más pequeños de materia del universo. Este es el campo donde palabras extrañas como quarks, bosones, hadrones y leptones entran en el diálogo científico que ocupa los titulares de hoy.

Las herramientas utilizadas en física

Las herramientas que utilizan los físicos van desde lo físico hasta lo abstracto. Incluyen balanzas y emisores de rayos láser, así como matemáticas. Comprender esta amplia gama de herramientas y los métodos para aplicarlas es esencial para comprender el proceso que atraviesan los físicos al estudiar el mundo físico.

Las herramientas físicas incluyen cosas como superconductores y sincrotrones, que se utilizan para crear campos magnéticos intensos. Estos se pueden aplicar en estudios como el Gran Colisionador de Hadrones o prácticamente en el desarrollo de trenes de levitación magnética .

Las matemáticas están en el corazón de la física y son vitales en todos los campos de la ciencia. A medida que empiece a explorar la física, serán importantes los aspectos fundamentales, como el uso de cifras significativas e ir más allá de los conceptos básicos del sistema métrico. Las matemáticas y la física también son mucho más profundas y conceptos como la matemática vectorial  y las propiedades matemáticas de las ondas son cruciales para el trabajo de muchos físicos.

Físicos famosos de la historia

La física no existe en el vacío (aunque parte de la física se practica en un vacío real). Las fuerzas de la historia han moldeado el desarrollo de la física tanto como cualquier otro campo de la historia. Muy a menudo, es útil comprender las perspectivas históricas que llevaron a nuestra comprensión actual. Eso incluye a los muchos caminos correctos que fueron vacilado a lo largo del camino.

También es útil e intrigante aprender sobre la vida de los famosos físicos del pasado. Los antiguos griegos , por ejemplo, combinaron la filosofía con el estudio de las leyes naturales y son especialmente conocidos por su interés en la astronomía.

En los siglos XVI y XVII, Galileo Galilei estudió, observó y experimentó más a fondo con las leyes de la naturaleza. Aunque fue perseguido en su época, hoy se le considera «el padre de la ciencia» (acuñado por Einstein), así como de la física, la astronomía y la ciencia de observación modernas.

Galileo inspiró y fue seguido por científicos famosos como Sir Isaac Newton, Albert Einstein, Niels Bohr, Richard P. Feynman y Stephen Hawking . Estos son solo algunos de los nombres de la historia de la física que han dado forma a nuestra comprensión de cómo funciona nuestro mundo. Su capacidad para desafiar las teorías aceptadas y diseñar nuevas formas de ver el universo ha inspirado a los físicos que continúan logrando avances científicos.

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¿Qué es la masa?

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masa

Masa es un término científico que se usa para describir la densidad y el tipo de átomos en cualquier objeto dado. La unidad SI de masa es el kilogramo (kg), aunque la masa también se puede medir en libras (lb).

Para comprender rápidamente el concepto de masa, piense en una funda de almohada llena de plumas y una funda de almohada similar llena de ladrillos. ¿Cuál tiene mayor masa? Debido a que los átomos de los ladrillos son más pesados ​​y densos, los ladrillos tienen una masa mayor. Por lo tanto, aunque las fundas de almohada son del mismo tamaño y ambas están llenas en el mismo grado, una tiene una masa mucho mayor que la otra.

Definición científica de masa

La masa es la cantidad de inercia (resistencia a la aceleración) que posee un objeto o la proporción entre la fuerza y la aceleración a que se refiere la Segunda Ley del Movimiento de Newton (la fuerza es igual a la masa por la aceleración). En otras palabras, cuanta más masa tiene un objeto, más fuerza necesita para moverlo.

Peso versus masa

En los casos más comunes, la masa se determina pesando el objeto y usando la fuerza de la gravedad para calcular el valor automáticamente. En otras palabras, en la mayoría de las situaciones del mundo real, la masa es lo mismo que el peso. En el ejemplo de las plumas y los ladrillos, la diferencia de masa se puede describir por el peso relativo de las dos fundas de almohada. Obviamente, se necesita mucho más trabajo para mover una bolsa de ladrillos que para mover una bolsa de plumas.

Pero el peso y la masa no son realmente lo mismo.

Debido a la relación entre peso y masa, estos conceptos se confunden con frecuencia. De hecho, puede convertir exactamente entre peso y masa en la superficie de la Tierra. Pero eso es porque vivimos en el planeta Tierra, y mientras estamos en este planeta, la gravedad es siempre la misma.

Si dejaras la Tierra y entraras en órbita, no pesarías casi nada. Sin embargo, su masa, definida por la densidad y el tipo de átomos de su cuerpo, seguirá siendo la misma.

Si aterrizara en la luna con su balanza y se pesara allí, pesaría más de lo que pesaba en el espacio pero menos de lo que pesaba en la Tierra. Si continúa su viaje a la superficie de Júpiter, pesará mucho más. Si pesa 100 libras en la Tierra, pesaría 16 libras en la Luna, 37,7 libras en Marte y 236,4 libras en Júpiter. Sin embargo, a lo largo de su viaje, su masa seguirá siendo esencialmente la misma.

Importancia de la masa en la vida diaria

La masa de objetos es tremendamente importante en nuestra vida diaria.

  • Trabajamos duro para reducir nuestra masa cuando estamos a dieta. Menos masa se traduce en menos peso.
  • Muchos fabricantes trabajan para crear versiones menos masivas de artículos que van desde bicicletas y zapatillas para correr hasta automóviles. Cuando un objeto es menos masivo, tiene menos inercia y es más fácil de mover.
  • El índice de masa corporal (IMC) es una medida de la grasa corporal basada en su peso en relación con su estatura. La grasa es más liviana (menos masiva) que el músculo, por lo que un IMC alto sugiere que su cuerpo contiene más grasa y menos músculo de lo que debería.

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Comprende qué es la dinámica de fluidos

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dinamica de fluidos

La dinámica de fluidos es el estudio del movimiento de los fluidos, incluidas sus interacciones cuando dos fluidos entran en contacto entre sí. En este contexto, el término «fluido» se refiere a líquido o gases. Es un enfoque estadístico macroscópico para analizar estas interacciones a gran escala, viendo los fluidos como un continuo de materia y, en general, ignorando el hecho de que el líquido o el gas están compuestos de átomos individuales.

La dinámica de fluidos es una de las dos ramas principales de la mecánica de fluidos , siendo la otra rama  la estática de fluidos,  el estudio de los fluidos en reposo. (Quizás no sea sorprendente que la estática de fluidos pueda considerarse un poco menos emocionante la mayor parte del tiempo que la dinámica de fluidos).

Conceptos clave de dinámica de fluidos

Cada disciplina implica conceptos que son cruciales para comprender cómo funciona. Estos son algunos de los principales con los que se encontrará cuando intente comprender la dinámica de fluidos.

Principios básicos de fluidos

Los conceptos de fluidos que se aplican en la estática de fluidos también entran en juego cuando se estudia un fluido en movimiento. El concepto más antiguo de la mecánica de fluidos es el de flotabilidad, descubierto en la antigua Grecia por Arquímedes.

A medida que fluyen los fluidos, la densidad y la presión de los fluidos también son cruciales para comprender cómo interactuarán. La viscosidad  determina qué tan resistente es el líquido al cambio, por lo que también es esencial para estudiar el movimiento del líquido. Estas son algunas de las variables que surgen en estos análisis:

  • Viscosidad a granel:  μ
  • Densidad:  ρ
  • Viscosidad cinemática:  ν = μ / ρ

Flujo

Dado que la dinámica de fluidos implica el estudio del movimiento de un fluido, uno de los primeros conceptos que debe entenderse es cómo los físicos cuantifican ese movimiento. El término que utilizan los físicos para describir las propiedades físicas del movimiento del líquido es flujo. El flujo describe una amplia gama de movimientos de fluidos, como soplar a través del aire, fluir a través de una tubería o correr a lo largo de una superficie. El flujo de un fluido se clasifica de diversas formas, según las diversas propiedades del flujo.

Flujo constante vs. inestable

Si el movimiento del fluido no cambia con el tiempo, se considera un flujo constante. Esto está determinado por una situación en la que todas las propiedades del flujo permanecen constantes con respecto al tiempo o, alternativamente, se puede hablar diciendo que las derivadas en el tiempo del campo de flujo desaparecen. (Consulte cálculo para obtener más información sobre la comprensión de las derivadas).

Un flujo de estado estacionario  depende aún menos del tiempo porque todas las propiedades del fluido (no solo las propiedades del flujo) permanecen constantes en todos los puntos dentro del fluido. Entonces, si tuviera un flujo constante, pero las propiedades del fluido en sí cambiaron en algún momento (posiblemente debido a una barrera que causa ondulaciones dependientes del tiempo en algunas partes del fluido), entonces tendría un flujo constante que no es constante.

Sin embargo, todos los flujos de estado estacionario son ejemplos de flujos estables. Una corriente que fluye a una velocidad constante a través de una tubería recta sería un ejemplo de flujo en estado estacionario (y también de flujo estacionario). 

Si el flujo en sí tiene propiedades que cambian con el tiempo, entonces se denomina flujo inestable o flujo transitorio. La lluvia que fluye hacia una cuneta durante una tormenta es un ejemplo de flujo inestable.

Como regla general, los flujos constantes facilitan el tratamiento de los problemas que los flujos inestables, que es lo que cabría esperar dado que los cambios en el flujo que dependen del tiempo no tienen que tenerse en cuenta, y las cosas que cambian con el tiempo. normalmente van a complicar las cosas.

Flujo laminar frente a flujo turbulento

Se dice que un flujo suave de líquido tiene flujo laminar. Se dice que el flujo que contiene un movimiento aparentemente caótico y no lineal tiene un flujo turbulento. Por definición, un flujo turbulento es un tipo de flujo inestable. 

Ambos tipos de flujos pueden contener remolinos, vórtices y varios tipos de recirculación, aunque cuantos más comportamientos de este tipo existan, más probable es que el flujo se clasifique como turbulento. 

La distinción entre si un flujo es laminar o turbulento suele estar relacionada con el número de Reynolds ( Re ). El número de Reynolds fue calculado por primera vez en 1951 por el físico George Gabriel Stokes, pero lleva el nombre del científico del siglo XIX Osborne Reynolds.

El número de Reynolds depende no solo de las características específicas del fluido en sí, sino también de las condiciones de su flujo, derivadas como la relación entre las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas de la siguiente manera: 

Re = fuerza inercial / fuerzas viscosas

Re = ( ρ V dV / dx ) / ( μ d 2 V / dx 2 )

El término dV / dx es el gradiente de la velocidad (o la primera derivada de la velocidad), que es proporcional a la velocidad ( V ) dividida por L, lo que representa una escala de longitud, lo que da como resultado dV / dx = V / L. La segunda derivada es tal que d 2 V / dx 2 = V / L 2. Sustituirlos por la primera y segunda derivadas da como resultado:

Re = ( ρ VV / L ) / ( μ V / L 2 )

Re = ( ρ VL ) / μ

También puede dividir por la escala de longitud L, lo que da como resultado un número de Reynolds por pie, designado como Re f = V /  ν.

Un número de Reynolds bajo indica un flujo laminar suave. Un número de Reynolds alto indica un flujo que va a mostrar remolinos y vórtices y, por lo general, será más turbulento.

Flujo de tubería frente a flujo de canal abierto

El flujo de la tubería representa un flujo que está en contacto con límites rígidos en todos los lados, como el agua que se mueve a través de una tubería (de ahí el nombre «flujo de la tubería») o el aire que se mueve a través de un conducto de aire.

El flujo de canal abierto describe el flujo en otras situaciones donde hay al menos una superficie libre que no está en contacto con un límite rígido. (En términos técnicos, la superficie libre tiene 0 esfuerzos escarpados paralelos). Los casos de flujo de canal abierto incluyen agua que fluye a través de un río, inundaciones, agua que fluye durante la lluvia, corrientes de marea y canales de riego. En estos casos, la superficie del agua que fluye, donde el agua está en contacto con el aire, representa la «superficie libre» del flujo.

Los flujos en una tubería son impulsados ​​por la presión o la gravedad, pero los flujos en situaciones de canal abierto son impulsados ​​únicamente por la gravedad. Los sistemas de agua de la ciudad a menudo usan torres de agua para aprovechar esto, de modo que la diferencia de elevación del agua en la torre (la  cabeza hidrodinámica) crea un diferencial de presión, que luego se ajusta con bombas mecánicas para llevar agua a las ubicaciones del sistema. donde se necesitan. 

Compresible vs incompresible

Los gases se tratan generalmente como fluidos compresibles porque se puede reducir el volumen que los contiene. Un conducto de aire puede reducirse a la mitad del tamaño y seguir transportando la misma cantidad de gas a la misma velocidad. Incluso cuando el gas fluye a través del conducto de aire, algunas regiones tendrán densidades más altas que otras regiones.

Como regla general, ser incompresible significa que la densidad de cualquier región del fluido no cambia en función del tiempo a medida que se mueve a través del flujo. Los líquidos también se pueden comprimir, por supuesto, pero existe una mayor limitación en la cantidad de compresión que se puede realizar. Por esta razón, los líquidos se modelan típicamente como si fueran incompresibles.

El principio de Bernoulli

El principio de Bernoulli es otro elemento clave de la dinámica de fluidos, publicado en el libro Hydrodynamica de Daniel Bernoulli de 1738. En pocas palabras, relaciona el aumento de velocidad en un líquido con una disminución de la presión o la energía potencial. Para fluidos incompresibles, esto se puede describir usando lo que se conoce como ecuación de Bernoulli:

(V 2 /2) + gz + p / ρ = constante

Donde g es la aceleración debida a la gravedad, ρ es la presión en todo el líquido,  v es la velocidad del flujo del fluido en un punto dado, z es la elevación en ese punto y p es la presión en ese punto. Debido a que esto es constante dentro de un fluido, esto significa que estas ecuaciones pueden relacionar dos puntos cualesquiera, 1 y 2, con la siguiente ecuación:( V 1 2 /2) + gz 1 + p 1 / ρ = ( v 2 2 /2) + gz 2 + p 2 / ρ

La relación entre la presión y la energía potencial de un líquido en función de la elevación también se relaciona a través de la Ley de Pascal.

Aplicaciones de la dinámica de fluidos

Dos tercios de la superficie de la Tierra son agua y el planeta está rodeado por capas de atmósfera, por lo que estamos literalmente rodeados en todo momento por fluidos … casi siempre en movimiento.

Pensándolo un poco, esto hace que sea bastante obvio que habría muchas interacciones de fluidos en movimiento para que las estudiemos y comprendamos científicamente. Ahí es donde entra la dinámica de fluidos, por supuesto, por lo que no hay escasez de campos que apliquen conceptos de la dinámica de fluidos.

Esta lista no es en absoluto exhaustiva, pero proporciona una buena descripción general de las formas en que la dinámica de fluidos se manifiesta en el estudio de la física en una variedad de especializaciones:

  • Oceanografía, meteorología y ciencia del clima: dado que la atmósfera se modela como fluidos, el estudio de la ciencia atmosférica y las corrientes oceánicas, crucial para comprender y predecir los patrones climáticos y las tendencias climáticas, se basa en gran medida en la dinámica de fluidos.
  • Aeronáutica: la física de la dinámica de fluidos implica estudiar el flujo de aire para crear resistencia y sustentación, que a su vez generan las fuerzas que permiten un vuelo más pesado que el aire.
  • Geología y geofísica: la tectónica de placas implica estudiar el movimiento de la materia calentada dentro del núcleo líquido de la Tierra.
  • Hematología y hemodinámica: el estudio biológico de la sangre incluye el estudio de su circulación a través de los vasos sanguíneos, y la circulación sanguínea se puede modelar utilizando los métodos de dinámica de fluidos.
  • Física del plasma: aunque no es ni un líquido ni un gas, el plasma a menudo se comporta de manera similar a los fluidos, por lo que también se puede modelar utilizando la dinámica de fluidos.
  • Astrofísica y cosmología: el proceso de evolución estelar implica el cambio de estrellas a lo largo del tiempo, lo que puede entenderse estudiando cómo el plasma que compone las estrellas fluye e interactúa dentro de la estrella a lo largo del tiempo.
  • Análisis de tráfico: quizás una de las aplicaciones más sorprendentes de la dinámica de fluidos es comprender el movimiento del tráfico, tanto de vehículos como de peatones. En áreas donde el tráfico es lo suficientemente denso, todo el tráfico puede tratarse como una sola entidad que se comporta de manera bastante similar al flujo de un fluido.

Nombres alternativos de dinámica de fluidos

La dinámica de fluidos también se conoce a veces como hidrodinámica , aunque este es un término más histórico. A lo largo del siglo XX, la frase «dinámica de fluidos» se volvió mucho más utilizada.

Técnicamente, sería más apropiado decir que la hidrodinámica es cuando la dinámica de fluidos se aplica a los líquidos en movimiento y la aerodinámica es cuando la dinámica de los fluidos se aplica a los gases en movimiento.

Sin embargo, en la práctica, temas especializados como la estabilidad hidrodinámica y la magnetohidrodinámica utilizan el prefijo «hidro-» incluso cuando aplican esos conceptos al movimiento de los gases.

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¿Qué es la viscosidad en física?

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La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a los intentos de moverse a través de él. Un fluido con una viscosidad baja se dice que es «delgado», mientras que un fluido de alta viscosidad se dice que es «espeso». Es más fácil moverse por un fluido de baja viscosidad (como el agua) que por un fluido de alta viscosidad (como la miel).

Conclusiones clave: importancia de la viscosidad

  • La viscosidad, el «espesor» del fluido, se refiere a la resistencia de un fluido al movimiento a través de él.
  • El agua tiene una viscosidad baja o «fina», por ejemplo, mientras que la miel tiene una viscosidad «espesa» o alta.
  • La ley de la viscosidad tiene usos importantes en áreas como la impresión por inyección de tinta, las formulaciones e inyecciones de proteínas e incluso la fabricación de alimentos y bebidas.

Definición de viscosidad

La viscosidad se refiere al espesor del fluido. La viscosidad resulta de la interacción o fricción entre moléculas en un fluido. Similar a la fricción entre sólidos en movimiento, la viscosidad determinará la energía requerida para hacer fluir un fluido.

En física, la viscosidad a menudo se expresa utilizando la ecuación de Isaac Newton para fluidos, que es similar a la segunda ley de movimiento de Newton. Esta ley establece que cuando una fuerza actúa sobre un objeto, hará que el objeto se acelere. Cuanto mayor sea la masa del objeto, mayor será la fuerza necesaria para que se acelere.

Fórmula de viscosidad

La fórmula de viscosidad a menudo se expresa usando la ecuación de Newton para fluidos:

F / A = n (dv / dr)

donde F representa la fuerza y A representa el área. Entonces, F / A , o fuerza dividida por área, es otra forma de definir la viscosidad. Dv dividido dr representa la «tasa pura» o la velocidad a la que se mueve el líquido. La n es una unidad constante igual a 0,00089 Pa s (Pascal-segundo), que es una unidad de medición de viscosidad dinámica. Esta ley tiene algunas aplicaciones prácticas importantes, como la impresión por inyección de tinta, las formulaciones / inyecciones de proteínas y la fabricación de alimentos / bebidas.

Viscosidad de fluido newtoniano y no newtoniano

Los fluidos más comunes, llamados fluidos newtonianos, tienen una viscosidad constante. Hay una mayor resistencia a medida que aumenta la fuerza, pero es un aumento proporcional constante. En resumen, un fluido newtoniano sigue actuando como un fluido, sin importar cuánta fuerza se le aplique.

Por el contrario, la viscosidad de los fluidos no newtonianos no es constante, sino que varía mucho según la fuerza aplicada. Un ejemplo clásico de un fluido no newtoniano es el Oobleck (a veces llamado «limo» y, a menudo, elaborado en las clases de ciencias de la escuela primaria), que exhibe un comportamiento similar al de un sólido cuando se le aplica una gran cantidad de fuerza. Otro conjunto de fluidos no newtonianos se conoce como fluidos magnetorreológicos. Estos responden a los campos magnéticos volviéndose casi sólidos pero volviendo a su estado fluido cuando se eliminan del campo magnético.

Por qué la viscosidad es importante en la vida diaria

Si bien la viscosidad puede parecer de menor importancia en la vida diaria, en realidad puede ser muy importante en muchos campos diferentes. 

Por ejemplo:

  • Lubricación en vehículos. Cuando ponga aceite en su automóvil o camión, debe tener en cuenta su viscosidad. Eso es porque la viscosidad afecta la fricción y la fricción, a su vez, afecta el calor. Además, la viscosidad también afecta la tasa de consumo de aceite y la facilidad con la que su vehículo arrancará en condiciones de frío o calor. Algunos aceites tienen una viscosidad más estable, mientras que otros reaccionan al calor o al frío; Si el índice de viscosidad de su aceite es bajo, puede volverse más delgado a medida que se calienta, lo que puede causar problemas mientras maneja su automóvil en un día caluroso de verano.
  • Cocinando. La viscosidad juega un papel importante en la preparación y servicio de los alimentos. Los aceites de cocina pueden cambiar o no la viscosidad a medida que se calientan, mientras que muchos se vuelven mucho más viscosos a medida que se enfrían. Las grasas, que son moderadamente viscosas cuando se calientan, se solidifican cuando se enfrían. Las diferentes cocinas también dependen de la viscosidad de las salsas, sopas y guisos. Una sopa espesa de patatas y puerros, por ejemplo, cuando es menos viscosa, se convierte en vichyssoise francesa. Algunos líquidos viscosos agregan textura a los alimentos; la miel, por ejemplo, es bastante viscosa y puede cambiar la «sensación en la boca» de un plato.
  • Fabricación. El equipo de fabricación requiere una lubricación adecuada para funcionar sin problemas. Los lubricantes que son demasiado viscosos pueden atascar y obstruir las tuberías. Los lubricantes que son demasiado delgados brindan muy poca protección a las partes móviles.
  • Medicamento. La viscosidad puede tener una importancia fundamental en la medicina, ya que los líquidos se introducen en el cuerpo por vía intravenosa. La viscosidad de la sangre es un problema importante: la sangre demasiado viscosa puede formar coágulos internos peligrosos, mientras que la sangre demasiado fina no se coagula; esto puede provocar una peligrosa pérdida de sangre e incluso la muerte.

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Oscilación y movimiento periódico en física

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La oscilación se refiere al movimiento repetido hacia adelante y hacia atrás de algo entre dos posiciones o estados. Una oscilación puede ser un movimiento periódico que se repite en un ciclo regular, como una onda sinusoidal, una onda con movimiento perpetuo como en el movimiento de un péndulo de lado a lado, o el movimiento hacia arriba y hacia abajo de un resorte. con un peso. Un movimiento oscilante ocurre alrededor de un punto de equilibrio o valor medio. También se conoce como movimiento periódico.

Una sola oscilación es un movimiento completo, ya sea hacia arriba y hacia abajo o de lado a lado, durante un período de tiempo.

Osciladores

Un oscilador es un dispositivo que exhibe movimiento alrededor de un punto de equilibrio. En un reloj de péndulo, hay un cambio de energía potencial a energía cinética con cada oscilación. En la parte superior del columpio, la energía potencial está al máximo y esa energía se convierte en energía cinética a medida que cae y es impulsada hacia arriba por el otro lado. 

Ahora, de nuevo en la parte superior, la energía cinética se ha reducido a cero y la energía potencial vuelve a ser alta, lo que impulsa la oscilación de retorno. La frecuencia del swing se traduce a través de engranajes para marcar el tiempo. Un péndulo perderá energía con el tiempo debido a la fricción si el reloj no se corrige con un resorte. Los relojes modernos utilizan las vibraciones del cuarzo y los osciladores electrónicos, en lugar del movimiento de péndulos.

Movimiento oscilante

Un movimiento de oscilación en un sistema mecánico se balancea de lado a lado. Puede traducirse en un movimiento rotatorio (girando en un círculo) mediante una clavija y ranura. El movimiento giratorio se puede cambiar a movimiento oscilante con el mismo método.

Sistemas oscilantes

Un sistema oscilante es un objeto que se mueve hacia adelante y hacia atrás, volviendo repetidamente a su estado inicial después de un período de tiempo. En el punto de equilibrio, ninguna fuerza neta actúa sobre el objeto. Este es el punto en la oscilación del péndulo cuando está en posición vertical. Una fuerza constante o una fuerza restauradora actúa sobre el objeto para producir el movimiento oscilante.

Variables de oscilación

  • La amplitud es el desplazamiento máximo desde el punto de equilibrio. Si un péndulo oscila un centímetro desde el punto de equilibrio antes de comenzar su viaje de regreso, la amplitud de oscilación es de un centímetro.
  • El período es el tiempo que tarda el objeto en realizar un recorrido completo de ida y vuelta, volviendo a su posición inicial. Si un péndulo comienza por la derecha y tarda un segundo en viajar completamente a la izquierda y otro segundo en regresar a la derecha, su período es de dos segundos. El período generalmente se mide en segundos.
  • La frecuencia es el número de ciclos por unidad de tiempo. Es igual a uno dividido por el período. La frecuencia se mide en hercios o ciclos por segundo.

Movimiento armónico simple

El movimiento de un sistema oscilante armónico simple, cuando la fuerza de restauración es directamente proporcional a la del desplazamiento y actúa en la dirección opuesta a la del desplazamiento, se puede describir utilizando funciones de seno y coseno. Un ejemplo es un peso atado a un resorte. Cuando el peso está en reposo, está en equilibrio. 

Si el peso se reduce, hay una fuerza de restauración neta sobre la masa (energía potencial). Cuando se libera, gana impulso (energía cinética) y sigue moviéndose más allá del punto de equilibrio, ganando energía potencial (fuerza de restauración) que lo impulsará a oscilar hacia abajo nuevamente.

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¿Cómo funciona una palanca y qué puede hacer?

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Las palancas están a nuestro alrededor y dentro de nosotros, ya que los principios físicos básicos de la palanca son los que permiten que nuestros tendones y músculos muevan nuestras extremidades. Dentro del cuerpo, los huesos actúan como vigas y las articulaciones actúan como puntos de apoyo.

Según la leyenda, Arquímedes (287-212 a. C.) dijo una vez: «Dame un lugar para pararme, y moveré la Tierra con él» cuando descubrió los principios físicos detrás de la palanca. Si bien se necesitaría una palanca muy larga para realmente mover el mundo, la declaración es correcta como testimonio de la forma en que puede conferir una ventaja mecánica. La famosa cita se atribuye a Arquímedes por el escritor posterior, Pappus de Alejandría. Es probable que Arquímedes nunca lo haya dicho. Sin embargo, la física de las palancas es muy precisa.

¿Cómo funcionan las palancas? ¿Cuáles son los principios que rigen sus movimientos?

¿Cómo funcionan las palancas?

Una palanca es una máquina simple que consta de dos componentes de material y dos componentes de trabajo:

  • Una viga o varilla maciza
  • Un fulcro o punto de pivote
  • Una fuerza de entrada (o esfuerzo )
  • Una fuerza de salida (o carga o resistencia )

La viga se coloca de modo que una parte de ella descanse contra el fulcro. En una palanca tradicional, el fulcro permanece en una posición estacionaria, mientras se aplica una fuerza en algún lugar a lo largo de la viga. Luego, el rayo gira alrededor del fulcro, ejerciendo la fuerza de salida sobre algún tipo de objeto que necesita ser movido.

Al matemático y científico griego antiguo Arquímedes se le atribuye típicamente haber sido el primero en descubrir los principios físicos que rigen el comportamiento de la palanca, que expresó en términos matemáticos.

Los conceptos clave que operan en la palanca es que, dado que es una viga sólida, el par total en un extremo de la palanca se manifestará como un par equivalente en el otro extremo. Antes de comenzar a interpretar esto como una regla general, veamos un ejemplo específico.

Equilibrio sobre una palanca

Imagine dos masas en equilibrio sobre una viga a través de un fulcro. En esta situación, vemos que hay cuatro cantidades clave que se pueden medir (estas también se muestran en la imagen):

  • M 1 – La masa en un extremo del fulcro (la fuerza de entrada)
  • a – La distancia del fulcro a M 1
  • M 2 : la masa en el otro extremo del fulcro (la fuerza de salida)
  • b – La distancia del fulcro a M 2

Esta situación básica ilumina las relaciones de estas diversas cantidades. Cabe señalar que esta es una palanca idealizada, por lo que estamos considerando una situación en la que no hay absolutamente ninguna fricción entre la viga y el fulcro, y que no hay otras fuerzas que desequilibren el equilibrio, como una brisa.

Esta configuración es más familiar de las básculas básicas, utilizadas a lo largo de la historia para pesar objetos. Si las distancias desde el punto de apoyo son las mismas (expresadas matemáticamente como a = b ), entonces la palanca se equilibrará si los pesos son los mismos ( M 1 = M 2 ). Si usa pesos conocidos en un extremo de la báscula, puede saber fácilmente el peso en el otro extremo de la báscula cuando la palanca se equilibra.

La situación se vuelve mucho más interesante, por supuesto, cuando a no es igual a b. En esa situación, lo que descubrió Arquímedes fue que existe una relación matemática precisa – de hecho, una equivalencia – entre el producto de la masa y la distancia en ambos lados de la palanca:

M 1 una = M 2 b

Usando esta fórmula, vemos que si duplicamos la distancia en un lado de la palanca, se necesita la mitad de masa para equilibrarla, como por ejemplo:

un = 2 b
M 1 a = M 2 b
M 1 (2 b ) = M 2 b
2 M 1 = M 2

M 1 = 0.5 M 2

Este ejemplo se ha basado en la idea de masas sentadas en la palanca, pero la masa podría ser reemplazada por cualquier cosa que ejerza una fuerza física sobre la palanca, incluido un brazo humano que la empuje. Esto comienza a darnos una comprensión básica del poder potencial de una palanca. Si 0.5 M 2 = 1,000 libras, entonces queda claro que podría equilibrarlo con un peso de 500 libras en el otro lado simplemente duplicando la distancia de la palanca en ese lado. Si a = 4 b, entonces puede equilibrar 1,000 libras con solo 250 libras de fuerza.

Aquí es donde el término «apalancamiento» obtiene su definición común, a menudo aplicada fuera del ámbito de la física: usar una cantidad relativamente menor de poder (a menudo en forma de dinero o influencia) para obtener una ventaja desproporcionadamente mayor en el resultado.

Tipos de palancas

Cuando usamos una palanca para realizar un trabajo, no nos enfocamos en las masas, sino en la idea de ejercer una fuerza de entrada en la palanca (llamada esfuerzo ) y obtener una fuerza de salida (llamada carga o resistencia ). Entonces, por ejemplo, cuando usa una palanca para levantar un clavo, está ejerciendo una fuerza de esfuerzo para generar una fuerza de resistencia de salida, que es lo que saca el clavo.

Los cuatro componentes de una palanca se pueden combinar de tres formas básicas, lo que da como resultado tres clases de palancas:

  • Palancas de clase 1: como las escalas discutidas anteriormente, esta es una configuración donde el fulcro está entre las fuerzas de entrada y salida.
  • Palancas de clase 2: la resistencia se encuentra entre la fuerza de entrada y el punto de apoyo, como en una carretilla o un abridor de botellas.
  • Palancas de clase 3: el fulcro está en un extremo y la resistencia en el otro, con el esfuerzo entre los dos, como con un par de pinzas.

Cada una de estas diferentes configuraciones tiene diferentes implicaciones para la ventaja mecánica proporcionada por la palanca. Comprender esto implica romper la «ley de la palanca» que primero entendió formalmente Arquímedes.

Ley de la palanca

El principio matemático básico de la palanca es que la distancia desde el fulcro se puede utilizar para determinar cómo se relacionan entre sí las fuerzas de entrada y salida. Si tomamos la ecuación anterior para equilibrar masas en la palanca y la generalizamos a una fuerza de entrada ( F i ) y una fuerza de salida ( F o ), obtenemos una ecuación que básicamente dice que el par se conservará cuando se use una palanca:

F yo a = F o b

Esta fórmula nos permite generar una fórmula para la «ventaja mecánica» de una palanca, que es la relación entre la fuerza de entrada y la fuerza de salida:

Ventaja mecánica = 

a / b = F o / F i

En el ejemplo anterior, donde a = 2 b, la ventaja mecánica era 2, lo que significaba que se podía usar un esfuerzo de 500 libras para equilibrar una resistencia de 1,000 libras.

La ventaja mecánica depende de la relación de a a b. Para la Clase 1 palancas, esto podría estar configurado de cualquier manera, pero Clase 2 y Clase 3 palancas de poner restricciones en los valores de una y b.

  • Para una palanca de clase 2, la resistencia está entre el esfuerzo y el fulcro, lo que significa que a < b. Por lo tanto, la ventaja mecánica de una palanca de clase 2 es siempre mayor que 1.
  • Para una palanca de clase 3, el esfuerzo está entre la resistencia y el fulcro, lo que significa que a > b. Por lo tanto, la ventaja mecánica de una palanca de clase 3 es siempre menor que 1.

Una palanca real

Las ecuaciones representan un modelo idealizado de cómo funciona una palanca. Hay dos supuestos básicos que entran en la situación idealizada, que pueden alterar las cosas en el mundo real:

  • La viga es perfectamente recta e inflexible.
  • El fulcro no tiene fricción con la viga.

Incluso en las mejores situaciones del mundo real, esto es solo aproximadamente cierto. Se puede diseñar un fulcro con muy baja fricción, pero casi nunca tendrá cero fricción en una palanca mecánica. Siempre que una viga tenga contacto con el fulcro, habrá algún tipo de fricción involucrada.

Quizás incluso más problemático es el supuesto de que la viga es perfectamente recta e inflexible. Recuerde el caso anterior en el que usamos un peso de 250 libras para equilibrar un peso de 1,000 libras. El fulcro en esta situación tendría que soportar todo el peso sin hundirse ni romperse. Depende del material utilizado si esta suposición es razonable.

Comprender las palancas es una habilidad útil en una variedad de áreas, que van desde los aspectos técnicos de la ingeniería mecánica hasta el desarrollo de su mejor régimen de musculación.

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Principio de difracción de Huygens

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El principio de análisis de ondas de Huygen le ayuda a comprender los movimientos de las ondas alrededor de los objetos. El comportamiento de las ondas a veces puede ser contrario a la intuición. Es fácil pensar en las ondas como si simplemente se movieran en línea recta, pero tenemos buena evidencia de que esto a menudo simplemente no es cierto.

Por ejemplo, si alguien grita, el sonido se propaga en todas direcciones desde esa persona. Pero si están en una cocina con una sola puerta y gritan, la ola que se dirige hacia la puerta del comedor atraviesa esa puerta, pero el resto del sonido golpea la pared. 

Si el comedor tiene forma de L y alguien está en una sala de estar que está a la vuelta de una esquina y atraviesa otra puerta, igual oirán el grito. Si el sonido se moviera en línea recta desde la persona que gritó, esto sería imposible porque no habría forma de que el sonido se moviera por la esquina.

Esta pregunta fue abordada por Christiaan Huygens (1629-1695), un hombre que también fue conocido por la creación de algunos de los  primeros relojes mecánicos  y su trabajo en esta área tuvo una influencia en Sir Isaac Newton  al desarrollar su teoría de partículas de la luz.

Definición del principio de Huygens

El principio de análisis de ondas de Huygens básicamente establece que: Cada punto de un frente de onda puede considerarse la fuente de ondas secundarias que se extienden en todas direcciones con una velocidad igual a la velocidad de propagación de las ondas.

Lo que esto significa es que cuando tienes una onda, puedes ver el «borde» de la onda como si realmente creara una serie de ondas circulares. Estas ondas se combinan en la mayoría de los casos para simplemente continuar la propagación, pero en algunos casos, hay efectos observables significativos. El frente de onda puede verse como la línea tangente a todas estas ondas circulares.

Estos resultados se pueden obtener por separado de las ecuaciones de Maxwell, aunque el principio de Huygens (que vino primero) es un modelo útil y, a menudo, es conveniente para los cálculos de fenómenos ondulatorios. 

Es intrigante que el trabajo de Huygens precediera al de James Clerk Maxwell en unos dos siglos y, sin embargo, parecía anticiparlo, sin la sólida base teórica que proporcionaba Maxwell. La ley de Ampere y la ley de Faraday predicen que cada punto de una onda electromagnética actúa como una fuente de onda continua, lo que está perfectamente en línea con el análisis de Huygens.

Principio y difracción de Huygens

Cuando la luz atraviesa una abertura (una abertura dentro de una barrera), cada punto de la onda de luz dentro de la abertura puede verse como creando una onda circular que se propaga hacia afuera desde la abertura.

La apertura, por lo tanto, se trata como si creara una nueva fuente de onda, que se propaga en forma de un frente de onda circular. El centro del frente de onda tiene mayor intensidad, con un desvanecimiento de intensidad a medida que se acercan los bordes. Explica la difracción observada y por qué la luz a través de una apertura no crea una imagen perfecta de la apertura en una pantalla. Los bordes «se extienden» según este principio.

Un ejemplo de este principio en funcionamiento es común en la vida cotidiana. Si alguien está en otra habitación y llama hacia usted, el sonido parece provenir de la puerta (a menos que tenga paredes muy delgadas).

Principio de Huygens y Reflexión / Refracción

Las leyes de la reflexión y la refracción pueden derivarse del principio de Huygens. Los puntos a lo largo del frente de onda se tratan como fuentes a lo largo de la superficie del medio refractivo, en cuyo punto la onda general se dobla en función del nuevo medio.

El efecto tanto de la reflexión como de la refracción es cambiar la dirección de las ondas independientes que son emitidas por las fuentes puntuales. Los resultados de los cálculos rigurosos son idénticos a los que se obtienen de la óptica geométrica de Newton (como la ley de refracción de Snell), que se derivó de un principio de partícula de luz, aunque el método de Newton es menos elegante en su explicación de la difracción.

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