FISICA: 2014

viernes, 28 de marzo de 2014

ELECTROSTATICA

La electrostática es la rama de la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

Carga electrica:

La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga eléctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse; se crea así por inducción electrostática una superficie de carga positiva en la pared, que atraerá a la superficie negativa del globo).

Carga por fricción:

En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero los más externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.

Carga por inducción:

Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargada. Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.

LEY DE COULOMB

La ley de Coulomb puede expresarse como:La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

La constante de proporcionalidad depende de la constante dieléctrica del medio en el que se encuentran las cargas.

La fuerza de interacción entre dos cargas $q_1 \,\!$ y $q_2 \,\!$ duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:

$F \,\!$ $\propto \,\!$ $q_1 \,\!$ y $F \,\!$ $\propto \,\!$ $q_2 \,\!$

en consecuencia:

$F \,\!$ $\propto \,\!$ $q_1 q_2 \,\!$

Campo eléctrico

El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor $q$ sufre los efectos de una fuerza eléctrica $\vec F$ dada por la siguiente ecuación:

$\vec F = q \vec E$

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico o potencial electrostático en un punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica a velocidad constante. Matemáticamente se expresa por:

$V = \frac{W}{q} \,\!$

Lineas de fuerza:

Una línea de fuerza o línea de flujo, normalmente en el contexto del electromagnetismo, es la curva cuya tangente proporciona la dirección del campo en ese punto. Como resultado, también es perpendicular a las líneas equipotenciales en la dirección convencional de mayor a menor potencial. Suponen una forma útil de esquematizar gráficamente un campo, aunque son imaginarias y no tienen presencia física.

ESPEJOS

ESPEJOS PLANOS

Un espejo plano es una superficie plana muy pulimentada que puede reflejar la luz que le llega con una capacidad reflectora de la intensidad de la luz incidente del 95% (o superior) .Los espejos planos se utilizan con mucha frecuencia. Son los que usamos cada mañana para mirarnos. En ellos vemos nuestro reflejo, una imagen que no está distorsionada.

ESPEJOS ESFERICOS

Espejo curvo es el que tiene la superficie curva pulida.

Espejo esférico es el que tiene la superficie pulida semejante a la de un casquete esférico.

Espejo esférico cóncavo es el que tiene la superficie interior pulida.

Espejo esférico convexo es el que tiene la superficie exterior pulida.

FORMACION DE IMAGENES

Ecuación: 1/ di + 1/do= 1/ f

LENTES

Las lentes son objetos transparentes (normalmente de vidrio), limitados por dos superficies, de las que al menos una es curva.

Las lentes más comunes están basadas en el distinto grado de refracción que experimentan los rayos al incidir en puntos diferentes del lente. Entre ellas están las utilizadas para corregir los problemas de visión en gafas, anteojos o lentillas. También se usan lentes, o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios y microscopios, con la función de servir como objetivos como oculares.

Lentes Convergentes

Las lentes convergentes (o positivas) son más gruesas por su parte central y más estrechas en los bordes. Se denominan así debido a que unen (convergen), en un punto determinado que se denomina foco imagen, todo haz de rayos paralelos al eje principal que pase por ellas. Pueden ser:

Biconvexas
Planoconvexas
Cóncavo-convexas

Lentes divergentes

Las lentes divergentes (o negativas) son más gruesas por los bordes y presentan una estrechez muy pronunciada en el centro. Se denominan así porque hacen divergir (separan) todo haz de rayos paralelos al eje principal que pase por ellas, sus prolongaciones convergen en el foco imagen que está a la izquierda, al contrario que las convergentes, cuyo foco imagen se encuentra a la derecha. Pueden ser:

Bicóncavas
Planocóncavas
Convexo-cóncavas

Elementos de una lente:

Caras: son los lados del lente.

Eje principal: línea que atraviesa el lente por su centro.

Radio de curvatura (s): son los radios de las esferas con que se forma cada cara del lente.

Centro de curvatura (o): es el punto central de cada esfera y se ubican sobre el eje principal.

Centro óptico ( c): es el punto de cruce del eje principal con el lente, se caracteriza porque todo rayo que pase por este punto, no representará refracción.

Foco (F): puntos en el eje principal en donde se cruzan los rayos refractados en lentes convergentes o las proyecciones en lentes divergentes.

Plano focal: perpendicular levantada en el foco sobre el eje principal.

INSTRUMENTOS ÓPTICOS

Un instrumento óptico sirve para procesar ondas de luz con el fin de mejorar una imagen para su visualización, y para analizar las ondas de luz (o fotones) para determinar propiedades características.

Introducción 3 Periodo

Temática:

ESPEJOS:
Espejos planos
Espejos esfericos
Lentes Instrumentos opticos
ELECTROSTATICA:
Carga electrica
Ley de loulomb
Campo electrico
Potencial electrico
CORRIENTE ELECTRICA Y CIRCUITOS:
Corriente electrica
Fuentes de corriente
Potencia de un generador
Resistencia electrica
Ley de Ohm
Circuitos electricos
Leyes de Kirchkoff

OPTICA

Comportamiento de la luz:

La luz se comporta como onda para su propagación, mientras que cuando interactúa con la materia, la luz tiene un carácter corpuscular.
Es una perturbación de carácter electromagnético, que se transmite en el vacío gracias a las propiedades de éste, sin que sea necesaria la presencia del éter para su transmisión.
La luz emitida por las fuentes luminosas es capaz de viajar a través de materia o en ausencia de ella, aunque no todos los medios permiten que la luz se propague a su través.
Desde este punto de vista, las diferentes sustancias materiales se pueden clasificar en opacas, traslúcidas y transparentes. Aunque la luz es incapaz de traspasar las opacas, puede atravesar las otras. Las sustancias transparentes tienen, además, la propiedad de que la luz sigue en su interior trayectorias definidas. Éste es el caso del agua, el vidrio o el aire. En cambio, en las traslúcidas la luz se dispersa, lo que da lugar a que a través de ellas no se puedan ver las imágenes con nitidez. El papel vegetal o el cristal esmerilado constituyen algunos ejemplos de objetos traslúcidos.

Naturaleza y propagacion de la luz:

Cuerpos luminosos o iluminados: son cuerpos luminosos aquellos que pueden producir luz propia (lámpara, Sol) y son cuerpos iluminados aquellos que reciben luz de fuentes lumínicas para ser visibles (mesa, silla, birome).
Cuerpos transparentes, opacos y traslúcidos: son cuerpos transparentes aquellos que cuando la luz pasa a través de ellos prácticamente no se altera (agua pura, aire); son cuerpos opacos aquellos que no permiten el paso de la luz, (aunque no hay opacos en absolutos ya que si se reduce a laminas adquieren características traslucidas) y son cuerpos traslucidos aquellos que si bien permiten el paso de la luz no permiten precisar la forma de los objetos a través de ellos).Propagación rectilínea de la luz: el hecho de que la luz se propaga en "línea recta" (más adelante veremos más profundamente cual es la forma de propagación de la luz) es muy fácilmente comprobable, solo vasta con encender una linterna y ver como el haz de luz viaja a través de una línea recta.

Velocidad de la luz:

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor299.792.458 m/s (aproximadamente 186.282,397 millas/s) (suele aproximarse a 3·108 m/s), o lo que es lo mismo 9,46·1015 m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz.

El valor de la velocidad de la luz en el vacío fue incluido oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983 pasando así el metro a ser una unidad derivada de esta constante.

Reflexion:

Este es uno de los fenómenos ópticos más sencillos. Si nosotros encendiéramos una linterna apuntándole a una SUPERFICIE PULIDA (espejo) veríamos como el haz de luz producido por la linterna rebota y vuelve dirigiéndose por ejemplo hacia una pared.

Entonces tomando una recta de referencia normal (N) perpendicular al espejo tenemos un rayo incidente (el proveniente de la linterna) y un rayo reflejado (el proveniente del espejo). Sobre este fenómeno rigen dos leyes:

1° Tanto el rayo incidente como el rayo reflejado y la recta N pertenecen al mismo plano.

2° El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (

). De este modo se deduce fácilmente que si el rayo incidente coincide con la recta N este rebota sobre sí mismo, ya que ambos ángulos tienen 0°.

Refraccion: Es la desviación de un rayo luminoso cuando pasa de un medio transparente a otro medio también transparente pero de distinta densidad. Este es el fenómeno que sucede cuando por ejemplo metemos una cucharita en un vaso de agua y esta parecería estar quebrada.

Para darnos cuenta de manera más ejemplificativa de la desviación de los rayos lumínicos podríamos colocarnos frente a una pileta vacía en la cual no viéramos el tapón de la misma. Si ahora comenzamos a llenar de agua la pileta se produce una desviación de los rayos luminosos (refracción) que permite que veamos el tapón. La única causa de esta desviación es el hecho de que el agua tiene distinta densidad del aire.

Ley de Snell

La ley de Snell (también llamada ley de Snell-Descartes) es una fórmula utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de propagación de la luz (o cualquier onda electromagnética) con índice de refracción distinto. El nombre proviene de su descubridor, el matemático holandés Willebrord Snel van Royen (1580-1626). La denominaron "Snell" debido a su apellido pero le pusieron dos "l" por su nombre Willebrord el cual lleva dos "l".

jueves, 27 de marzo de 2014

EL SONIDO

El sonido, en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas, generalmente a través de un fluido que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

Naturaleza del sonido

El sonido es el resultado de una perturbación que se propaga en un medio elástico. El exceso de presión característico de la perturbación descripta se denomina presión sonora. Este tipo de movimiento en el cual no es el medio en si mismo sino alguna perturbación lo que se desplaza se denomina onda. Cuando la onda tiene lugar en un medio líquido o gaseoso se denomina onda acústica. Cuando resulta audible, se llama onda sonora.

Velocidad del sonido:

La velocidad del sonido es la dinámica de propagación de las ondas sonoras. En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura, con 50% de humedad y a nivel del mar). La velocidad del sonido varía en función del medio en el que se trasmite.

La velocidad del sonido depende:

Comprensibilidad: Es una propiedad de la materia o la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan al volumen al someterlos a una comprensión y presión.
Densidad: Es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia.
Masa molecular: Es un numero que indica cuantas veces la masa de una molecula de una sustancia es mayor que la unidad de masa molecular.
Temperatura: Es una magnitud o periodo a las nociones comunes de caliente, tibio o frio que puede ser medida con un termometro y es definido por el principio cero de la termodinamica.

Ejemplo:

1) Una onda sonora recorre en el agua 2 Km en 1,38s. ¿Cual es la velocidad del sonido en el agua?

Datos: Espacio x= 2Km

Tiempo t = 1,38s

V= x/t = 2km/ 1,38s= 2000m/ 1,38s= 1449,27 m/s

Respuesta: la velocidad de la onda es de 1449,27 m/s

Características del sonido

Intensidad (Depende de la amplitud):

Distingue un sonido fuerte de uno débil.

Tono (Depende de la frecuencia):

Distingue a un sonido agudo (tono alto) de un sonido grave (tono bajo).

Timbre (Depende de la forma de onda):

Distingue dos sonidos de la misma intensidad y tono, pero producido por distintas fuentes.

INTENSIDAD: La distancia a la que se puede oír un sonido depende de su intensidad, que es el flujo medio de energía por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. En el caso de ondas esféricas que se propagan desde una fuente puntual, la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, suponiendo que no se produzca ninguna pérdida de energía debido a la viscosidad, la conducción térmica u otros efectos de absorción.

TONO: Cada sonido se caracteriza por su velocidad específica de vibración, que impresiona de manera peculiar al sentido auditivo. Esta propiedad recibe el nombre de tono.

TIMBRE: Si se toca el situado sobre el do central en un violín, un piano y un diapasón, con la misma intensidad en los tres casos, los sonidos son idénticos en frecuencia y amplitud, pero muy diferentes en timbre. De las tres fuentes, el diapasón es el que produce el tono más sencillo, que en este caso está formado casi exclusivamente por vibraciones con frecuencias de 440 hz. Debido a las propiedades acústicas del oído y las propiedades de resonancia de su membrana vibrante, es dudoso que un tono puro llegue al mecanismo interno del oído sin sufrir cambios.

EFECTO DOPPLER

El efecto Doppler, llamado así por el físico austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador.

Observador acercándose a una fuente:

Imaginemos que un observador O se mueve con una velocidad $v_{o} \,$ que tiene una dirección y sentido hacia una fuente de sonido S que se encuentra en reposo. El medio es aire y también se encuentra en reposo. La fuente emite un sonido de velocidad V, frecuencia $'''f''' \,$ y longitud de onda $\lambda \,$ . Por lo tanto, la velocidad de las ondas respecto del observador no será $v \,$ , sino la siguiente:

$\ v' = v + v_{o}$

Sin embargo, no debemos olvidar que como la velocidad del medio no cambia, la longitud de onda será la misma, por lo tanto, si:

$\ v = f \cdot \lambda \Rightarrow f = \frac{v}{\lambda}$

Observador alejándose de una fuente:

Cuando el observador se aleja de la fuente, la velocidad será $v' = v - v_{o} \,$ y de manera superior usando el teorema de Pitágoras análoga podemos deducir que $f' = f \cdot \bigg( 1 - \frac{v_{o} }{v}\bigg)$

Observador alejándose de una fuente:

Fuente acercándose al observador:

En este caso la frecuencia aparente percibida por el observador será mayor que la frecuencia real emitida por la fuente, lo que genera que el observador perciba un sonido más agudo.

Por tanto, la longitud de onda percibida para una fuente que se mueve con una velocidad $v_{s}\,$ será:

$\mathcal \lambda ' = \lambda - \Delta \lambda$

Como $\lambda = \frac{v}{f}$ podemos deducir que:

$f' = \frac{v}{\lambda '}= \frac{v}{\lambda - \frac{v_{s} }{f}} = \frac{v}{\frac{v}{f} - \frac{v_{s} }{f}} = f \cdot \bigg(\frac{v}{v - v_{s} }\bigg)$

Fuente alejándose del observador:

La frecuencia percibida por un observador en reposo con una fuente en movimiento será:

$f' = f \cdot \Bigg( \frac{1}{1 \pm \frac{v_{s}}{v}} \Bigg)$

CUERDAS

Es una fuente sonora capaz de producir ondas elasticas en el medio que la rodea. Cuando la cuerda la cuerda vibra esta forma ondas formando en los extremos un nudo y en el medio un viento.

Formulas:

$f = \frac{v}{2L} = { 1 \over 2L } \sqrt{T \over \mu}$

$f_n = \frac{nv}{2L}$

$f_n = \frac{n}{2L}\sqrt{\frac{T}{\mu}}$

Donde:

Fn: frecuencia que vibra la cuerda

n: nuemero de armonicos

Si n: 1 es el armonnico fundamental

L: longitud de la cuerda

F=T Tension de la cuerda

M: densidad lineal de la cuerda M: masa/ longitud

Ejemplo:

1) Una cuerda de guitarra tiene 45 cm de longitud y una masa total de 0,045 Kg si se tensiona mediante una fuerza de 8 Nw, calcular la frecuencia fundamental y la de su tercer armónico.

Datos:

L= 45 cm = 0,45 m

m= 0,045 Kg

F= 18 Nw

M= 0,045 Kg / 0,45 m = 0,1 Kg/m

F fundamental y tercer armonico

F1= 1/ 2(0,45m) √ 18 Nw/ 0,1 Kg/m

= 1/ 0,9m √ 180 Kgm/s2 / Kg/m

= 1,1(13,41)

= 14,75 S-1

La frecuencia del tercer armonico es 3 veces

F3= 3f1= 3(14,75 S-1) = 44,25 S-1

Tubos Sonoros

Son cavidades que contienen aire y producen sonido al hacer vibrar sus moléculas encerradas y pueden ser abiertas o cerrados.

Tubos cerrados: Cuando se comprime el aire en un tubo cerrado al ejercer presion sobre la embocadura se produce un antinodo en el extremo abierto y un nodo en el extremo cerrado.

Expresion:

Fn= nv/ 4L

Tubos abiertos: Experimentalmente se ha comprobado que los tubos abiertos al ejercer presión sobre las moléculas de aire que contienen vibran de arriba hacia abajo y se encuentran mediante la expresión:

Fn= nv/ 2L