Tema 3. Trabajo y energía

En este tema se tratan dos de los conceptos más importantes de la Física, “trabajo” y “energía”, y que irán apareciendo en todos los temas del programa de la asignatura La importancia del concepto de energía surge de la ley de conservación de la energía: la energía es una cantidad que se puede convertir de un tipo de energía a otro, pero no puede crearse ni destruirse.

En primer se define el trabajo realizado por una fuerza, tanto en el caso en el que la fuerza es constante y el movimiento rectilíneo como en el caso general de fuerza variable y movimiento curvilíneo general. Otro concepto importante es la potencia, que no es otra cosa que la rapidez con la que se realiza trabajo. El concepto de trabajo permite, a su vez, definir la energía cinética y obtener el teorema de la energía cinética que indica que el trabajo efectuado por la fuerza neta sobre una partícula es igual al cambio de la energía cinética de la partícula. Es importante señalar que la energía cinética es la energía que tiene un objeto debido a su movimiento y que al estar moviéndose es capaz de producir un trabajo modificando su energía cinética.

A continuación se estudian las fuerzas conservativas y no conservativas y se introduce la energía potencial, que no está asociada al movimiento de una partícula sino, como en el caso de una fuerza gravitatoria, está asociada con la posición de la partícula en el campo gravitatorio. Otro ejemplo de energía potencial de interés es la energía potencial elástica. Para el caso de fuerzas conservativas se introduce el principio de conservación de la energía mecánica, que es una de las leyes fundamentales de la naturaleza. Es importante señalar que cuando un sistema realiza trabajo sobre otro, se transfiere energía entre los dos sistemas, que existen muchas formas de energía y que si la energía de un sistema se conserva, su energía total no cambia aunque parte de ella puede que cambie de forma o naturaleza, pasando de un tipo a otro. La generalización de la ley de conservación de la energía cuando sobre el sistema actúa también fuerzas no conservativas -para las que no existe una energía potencial- es inmediata.

Resulta importante indicar que una forma de transferir energía (absorbida o cedida) de un sistema es intercambiar trabajo con el exterior. Si está es la única fuente de energía transferida (la energía también puede transferirse también cuando hay un intercambio de calor entre un sistema y sus alrededores debido a una diferencia de temperatura, como se verá en el tema “Calor y temperatura”), la ley de conservación de la energía se expresa diciendo que el trabajo realizado sobre el sistema por las fuerzas externas es igual a la variación experimentada por la energía total del sistema. Éste es el teorema trabajo-energía y es un instrumento poderoso para estudiar una amplia variedad de sistemas.

El último apartado del tema finaliza se centra el estudio de los choques, tanto elásticos como inelásticos.

Bibliografía

Alonso, M. y Finn, E. J., Física (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1995). Cap. 9.

Young, H. D. y Freedman, R. A., Física Universitaria (Sears-Zemansky), Vol. I (Addison-Wesley, México, 2009). Caps. 6, 7 y 8.

Beléndez, A., Bernabeu, J. G. y Pastor, C., Temas de Física para Ingeniería: Trabajo y energía (1988).  http://hdl.handle.net/10045/11344

Tipler, P. A. y Mosca, G., Física para la Ciencia y la Tecnología, Vol. I (Reverté, Barcelona, 2005). Caps. 6 y 7.

Gettys, W. E., Keller, F. J. y Skove, M. J., Física Clásica y Moderna (McGraw-Hill, Madrid, 1991). Caps. 8 y 9.

González, C. F., Fundamentos de Mecánica (Reverté, Barcelona, 2009). Cap. 5.

Posted in Asignatura, Temas | Tagged , | Comments Off on Tema 3. Trabajo y energía

Tema 2. Dinámica

En este tema se estudia la Dinámica, es decir, la parte de la Mecánica que analiza las relaciones entre el movimiento y las causas que lo producen, es decir, las fuerzas. En Física, las causas de las interacciones entre los cuerpos, estén o no en contacto, sean próximos o lejanos, se describen mediante fuerzas. El tema comienza con una breve descripción de distintos tipos de fuerzas (de contacto, de rozamiento, normal, de tensión, de largo alcance, etc.) y de las fuerzas fundamentales de la Naturaleza (interacciones gravitatoria, electromagnética, fuerte y débil).

Seguidamente se presentan las tres leyes de Newton, que están establecidas en términos de la fuerza y la masa. Estas leyes son la ley de la inercia, la ecuación fundamental de la dinámica y el principio de acción y reacción. Un aspecto importante que hay que tener en cuenta es que el concepto de sistema de referencia inercial es fundamental para las leyes del movimiento de Newton. La segunda ley de Newton, que relaciona fuerza, masa y aceleración, es una ley fundamental de la Naturaleza, la relación básica entre fuerza y movimiento y, al igual que la primera ley, sólo es válida para sistemas de referencia inerciales. En cuanto a la tercera ley de Newton, es importante comprender que las fuerzas de acción y reacción están aplicadas a cuerpos diferentes, por lo que aunque son iguales y opuestas, no se equilibran.

Como ejemplo de fuerza de gran interés se estudia la fuerza gravitatoria -una de las fuerzas fundamentales de la Naturaleza-, la ley de la gravitación universal y el ejemplo más conocido de atracción gravitacional, el peso, es decir, la fuerza con que la Tierra atrae a un objeto.

Un apartado de gran importancia en este tema es la aplicación de las leyes de Newton a la resolución de problemas de Dinámica. Se analizan problemas con poleas, planos inclinados, tensiones y cuerdas, rozamiento, curvas peraltadas, etc., dejando claro el procedimiento general de cómo deben resolverse estos problemas. Es importante analizar ejemplos en los que la magnitud de la fuerza normal ejercida sobre un cuerpo no siempre es igual a su peso. En todos los casos es necesario, examinar con precisión las relaciones entre las fuerzas y el movimiento producido. En la resolución de problemas es indispensable dibujar correctamente el diagrama de cuerpo libre en el que se muestra el cuerpo en estudio solo, libre de su entorno, con los vectores correspondientes a todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.

El tema finaliza con el estudio de dos conceptos de gran importancia en Física, como son los momentos lineal y angular así como sus leyes de conservación. Es necesario comprender que la segunda ley de Newton también puede expresarse en términos del momento lineal, de hecho, la fuerza neta que actúa sobre una partícula es igual ala rapidez de cambio de su momento lineal. Esta expresión de la segunda ley de Newton que relaciona la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo y su momento lineal es la que hay que utilizar cuando se analizan, por ejemplo, los sistemas de masa variable.

Bibliografía

Alonso, M. y Finn, E. J., Física (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1995). Caps. 6 y 7.

Beléndez, A., Bernabeu, J. G. y Pastor, C., Temas de Física para Ingeniería: Dinámica del punto material (1988).  http://hdl.handle.net/10045/11343

Tipler, P. A. y Mosca, G., Física para la Ciencia y la Tecnología, Vol. I (Reverté, Barcelona, 2005). Caps. 4 y 5.

Young, H. D. y Freedman, R. A., Física Universitaria (Sears-Zemansky), Vol. I (Pearson Educación, México, 2009). Caps. 4 y 5.

Gettys, W. E., Keller, F. J. y Skove, M. J., Física para Ciencias e Ingeniería, Vol. I (McGraw-Hill, Madrid, 2005). Caps. 5 y 6.

González, C. F., Fundamentos de Mecánica (Reverté, Barcelona, 2009). Cap. 3.

Posted in Asignatura, Temas | Tagged , | Comments Off on Tema 2. Dinámica

Tema 1. Cinemática

La Mecánica estudia el movimiento y su relación con las causas que lo producen. La Mecánica es la más antigua rama de la Física y, sin lugar a dudas, es también la más elaborada. Sus modelos han sido aplicados a otros campos, incluso fuera de la Física, de ahí su interés como fundamento para entender otras parcelas científicas y técnicas.

Primeramente es conveniente describir el movimiento, sin considerar las causas del mismo, a lo que se dedica la parte de la Mecánica conocida como Cinemática. A este estudio se dedica este tema, considerando el caso de la cinemática de la partícula o punto material, es decir, un cuerpo cuyo tamaño y forma no tienen importancia en la resolución de un problema mecánico determinado.

En este tema se repasan conceptos como el vector de posición, el vector desplazamiento y la velocidad y aceleraciones medias e instantáneas. Un aspecto importante a tener en cuenta es que el vector velocidad es un vector tangente a la trayectoria de la partícula en cada punto. Se analizan las componentes intrínsecas de la aceleración: aceleración tangencial y aceleración normal o centrípeta. La aceleración tangencial tiene en cuenta la variación del módulo del vector velocidad con el tiempo, mientras que la aceleración normal expresa la variación de la dirección del vector velocidad con el tiempo. La aceleración normal está dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria en cada punto y es inversamente proporcional al radio de curvatura de esta trayectoria. Obviamente, para un movimiento rectilíneo no hay aceleración normal y para uno circular el radio de curvatura de la trayectoria es constante.

Seguidamente se estudia el movimiento rectilíneo y algunos casos particulares  como el movimiento rectilíneo uniforme en el que la aceleración es nula y la velocidad constante y el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, caracterizado porque la aceleración es constante. Otro tipo de movimiento de interés que también se estudia en este tema es el movimiento circular en el que se analizan los conceptos de velocidad y aceleración angulares y su relación con la velocidad y aceleración lineales. Como ejemplos se estudian el movimiento circular uniforme y el movimiento circular uniformemente acelerado. Una cuestión importante a tener en cuenta son las relaciones vectoriales entre la velocidad angular, la velocidad lineal, la aceleración angular y la aceleración lineal.

El tema finaliza con el estudio del movimiento parabólico, como es el movimiento de un proyectil, el cual permite ver cómo, para su análisis, se puede descomponer un movimiento, en este caso en dos dimensiones, como la superposición de dos movimientos unidimensionales independientes en dos direcciones perpendiculares. Cuestiones como el alcance y la altura máxima también son analizadas.

Es importante tener en cuenta en todo el desarrollo del tema que el movimiento es un concepto relativo y debe por tanto referirse siempre a un sistema particular de referencia, elegido por el observador.

Bibliografía

Alonso, M. y Finn, E. J., Física (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1995).  Caps. 3, 4 y 5.

Beléndez, A., Bernabeu, J. G. y Pastor, C., Temas de Física para Ingeniería: Cinemática del punto material (1988). http://hdl.handle.net/10045/11342

Tipler, P.  A. y Mosca, G., Física para la Ciencia y la Tecnología,  Vol. I (Reverté, Barcelona, 2005). Caps. 2 y 3.

Young, H. D. y Freedman, R. A., Física Universitaria (Sears – Zemansky),  Vol. I (Pearson Educación, México, 2009). Caps. 2 y 3.

Gettys, W. E., Keller, F. J. y Skove, M. J.,  Física para Ciencias e Ingeniería, Vol. I (McGraw-Hill, Madrid, 2005). Caps. 3 y 4.

Posted in Asignatura, Temas | Tagged , | Comments Off on Tema 1. Cinemática

“Un clásico de la Física: Maxwell y su experiencia vital”. Conferencia plenaria el 6 de julio en la celebración del 50 aniversario de SEDOPTICA

El viernes 6 de julio de 2018, durante la celebración del 50 Aniversario de la Sociedad Española de Óptica, impartí la conferencia plenaria “Un clásico de la Física: Maxwell y su experiencia vital” en el paraninfo de la Universitat Jaume I de Castellón.

El físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879) es uno de los científicos más importantes de la historia de la ciencia y, sin embargo, es bastante desconocido para el gran público. Tomando como hilo conductor su artículo “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” publicado en 1865, se hace un recorrido a través de la vida y la ciencia de Maxwell, y se concluye con la “síntesis maxwelliana” que no sólo permitió unificar luz, electricidad y magnetismo, sino desarrollar la teoría de las ondas electromagnéticas, incluida la luz.

Los físicos estamos familiarizados con Maxwell, pero la mayoría de los no científicos cuando utilizan sus teléfonos móviles, escuchan la radio, ven la televisión, usan el mando a distancia, se conectan a una red Wifi o simplemente calientan sus alimentos en el microondas, probablemente no sepan que Maxwell es responsable de que esta tecnología sea posible. Es evidente que lo que hizo Maxwell afecta a cada día de nuestras vidas.

Hace poco más de 150 años, en 1865, Maxwell publicó el artículo “Una teoría dinámica del campo electromagnético” que contenía, nada más y nada menos, que las “ecuaciones de Maxwell”, la predicción teórica de la existencia de las “ondas electromagnéticas” y la “teoría electromagnética de la luz” y en el que, con la modestia que le caracterizaba, afirmaba:

“… parece que tenemos razones de peso para concluir que la propia luz (incluyendo el calor radiante y otras radiaciones, si las hay) es una perturbación electromagnética en forma de ondas que se propaga a través del campo electromagnético según las leyes del electromagnetismo”…

NO ESTABA EQUIVOCADO.

Con este trabajo Maxwell consigue la “síntesis” de la luz, la electricidad y el magnetismo. Esta “síntesis maxwelliana” es uno de los mayores logros de la Física, pues no sólo unificó los fenómenos luminosos, eléctricos y magnéticos, sino que permitió desarrollar toda la teoría de las ondas electromagnéticas, incluyendo la luz.

Con su teoría del campo electromagnético Maxwell logró unir en un mismo marco teórico la luz, la electricidad y el magnetismo. Esta “síntesis de Maxwell” marcó un hito importante en la historia de la unificación de las fuerzas físicas hasta tal punto que a finales del siglo XIX entre los físicos estaba extendida la opinión de que las leyes físicas ya estaban suficientemente comprendidas. Esta opinión condujo a la famosa afirmación del Premio Nobel de Física, Albert Michelson que en 1899 señaló:

“Ya no se realizarán más descubrimientos fundamentales; a lo sumo se perfeccionarán las determinaciones de las constantes físicas alcanzando la sexta cifra decimal”.

NADA MÁS LEJOS DE LA REALIDAD.

En los primeros años del siglo XX se produjeron dos cambios trascendentales en el paradigma de la física y de este cambio de paradigma es responsable la teoría del campo electromagnético de Maxwell, pues sentó las bases para dos de las ideas más revolucionarias surgidas a principios del siglo XX: la teoría de Planck de los cuantos de energía de 1900 que dio lugar a la teoría cuántica y con la teoría de la relatividad especial publicada por Einstein en 1905.

Es evidente que Maxwell abrió las puertas a la Física del siglo XX.

Aunque la obra de Maxwell fue majestuosa y extensa tuvo ciertas limitaciones, como la conciliación de la Mecánica de Newton y el Electromagnetismo de Maxwell, problema que fue resuelto finalmente por Einstein en 1905 con su Teoría de la Relatividad Especial. Tras los trabajos de Einstein, el éter luminífero –“ese espíritu sutilísimo” como lo denominaba Newton y que se había convertido en el centro de atención de la Física del siglo XIX– estaba muerto y enterrado. Las ondas electromagnéticas no requieren de un medio material para su propagación.

Y ya que he mencionado a Newton, éste escribió en 1676 a su rival Robert Hooke diciéndole: “si he logrado ver más lejos es porque he subido a hombros de gigantes”.

En 1931 en una visita de Einstein a Cambridge un periodista le dijo que él había llegado tan lejos porque se había subido a hombros de Newton. A lo que Einstein le replicó tajante:

“No, eso no es cierto. Yo estoy subido a hombros de Maxwell”.

Y en su artículo “La influencia de Maxwell en la evolución de la idea de la realidad física” publicado en 1931 con ocasión del centenario del nacimiento de Maxwell, Einstein señaló:

“una época científica acabó y otra empezó con Maxwell”,

“este cambio en la concepción de la realidad es el más profundo y fructífero que se ha producido en la física desde los tiempos de Newton”

y afirmó

“el trabajo de James Clerk Maxwell cambió el mundo para siempre”.

Frank Wilczek, Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la interacción fuerte, en su libro publicado en 2015 “A beautiful question” afirma:

«La física moderna verdaderamente comienza en 1865 con el artículo de James Clerk Maxwell ‘Una teoría dinámica del campo electromagnético’».

MÁS INFORMACIÓN

A. Beléndez, “Mi clásico favorito: James Clerk Maxwell”, Revista Española de Física, vol. 30, No. 3: 62-73 (2016).

A. Beléndez, “La unificación electromagnética: 150 aniversario de las ecuaciones de Maxwell”, Mètode Nº 84, pp. 16-21, Invierno 2014/15.

J. M. Sánchez Ron, J. M. (ed.), J. C. Maxwell: Materia y movimiento (Crítica. Barcelona, 2006).

J. C. Maxwell, “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 155: 459-512 (1865).

A. Einstein, “Maxwell’s Influence on the Development of the Conception of Physical Reality”. En J. J. Thomson, J. J. et al. James Clerk Maxwell: A Commemoration Volume 1831-1931 (University Press. Cambridge, 1931).

F. Wilczek, A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design (Penguin Books USA, 2015).

Posted in Biografías, Conferencias, Divulgación, Historia de la Física, Maxwell, Noticias | Tagged , , , , , | Comments Off on “Un clásico de la Física: Maxwell y su experiencia vital”. Conferencia plenaria el 6 de julio en la celebración del 50 aniversario de SEDOPTICA

Augusto Beléndez y su experiencia con el acceso abierto. Entrevista en el Blog ‘La Buhardilla’, Biblioteca de la UHU

Bajo el título “Los repositorios científicos y el acceso abierto: instrumento clave para la actividad investigadora”, nuestra biblioteca está organizando un ciclo de conferencias con el fin de difundir el acceso abierto y el uso del Repositorio Arias Montano entre los investigadores UHU.  Lo verdadermente singular de estas conferencias es que el compromiso con los repositorios científicos está contado por los propios investigadores, no por los biliotecarios.

La primera conferencia corrió a cargo del catedrático de fisica de la Universidad de Alicante D. Augusto Beléndez Vázquez. Fue una charla muy enriquecedora, ya que desde su experiencia personal desplegó aspectos vinculados a los repositorios científicos, su vinculación con la actividad del investigador, cómo afectan a la difusión y visibilidad científica, etc. Aprovechando su estancia en nuestra universidad, le hicimos una  pequeña entrevista que reproducimos hoy aquí. Esperamos que  tanto su conferencia (cuya presentación podéis consultar  en el Repositorio Arias Montano), como esta entrevista, sirvan para disipar muchas de las dudas que giran en torno al acceso abierto entre muchos investigadores.

SEGUIR LEYENDO

Posted in Acceso abierto, Entrevistas, Investigación, Noticias | Tagged , , | Comments Off on Augusto Beléndez y su experiencia con el acceso abierto. Entrevista en el Blog ‘La Buhardilla’, Biblioteca de la UHU

“Maxwell y la teoría electromagnética de la luz”. Conferencia el 11 de mayo en el Donostia International Physics Center (DIPC)

El viernes 11 de mayo de 2018, a las 12:00 y con motivo del Día Internacional de la Luz, impartiré la conferencia “Maxwell y la teoría electromagnética de la luz” en el Donostia Internacional Physics Center (DIPC), en San Sebastián.

James Clerk Maxwell es uno de los científicos más importantes de la historia de la ciencia y sin embargo es bastante desconocido para el gran público. En 1865 ve la luz el artículo “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” que contiene las ecuaciones de Maxwell, la predicción teórica de la existencia de las ondas electromagnéticas y la teoría electromagnética de la luz. Tomando como punto de partida este trabajo, se hace un recorrido a través de la vida y la ciencia de Maxwell, y se concluye con la ‘síntesis maxwelliana’ -de tanta importancia como lo fue en su día la ‘síntesis newtoniana’ de la física de la tierra y la física de los cielos-, que no sólo permitió unificar luz, electricidad y magnetismo, sino desarrollar la teoría de las ondas electromagnéticas, incluida la luz.

Posted in Biografías, Conferencias, Día Internacional de la Luz, Divulgación, Historia de la Física, Maxwell, Noticias | Tagged , , , , , , , , | Comments Off on “Maxwell y la teoría electromagnética de la luz”. Conferencia el 11 de mayo en el Donostia International Physics Center (DIPC)

“Maxwell: un disco, un perro y cuatro ecuaciones”. Conferencia el 8 de mayo en el Aulario II de la UA

El martes 8 de mayo de 2018, a las 14:00 y con motivo del Día Internacional de la Luz, impartiré la conferencia “Maxwell: un disco, un perro y cuatro ecuaciones” a los estudiantes de “Fundamentos Físicos de la Ingeniería II” del Grado en Ingeniería en Sonido e Imagen en Telecomunicación de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante (UA). La conferencia tendrá lugar en el Aula A2/0D27 situada en el Aulario II de la UA.

Posted in Biografías, Conferencias, Día Internacional de la Luz, Divulgación, Historia de la Física, Maxwell | Tagged , , , , , , | Comments Off on “Maxwell: un disco, un perro y cuatro ecuaciones”. Conferencia el 8 de mayo en el Aulario II de la UA

“James Clerk Maxwell: el hombre que cambió el mundo para siempre”. Conferencia, jueves 3 de mayo en la Facultad de Ciencias de la UA

El jueves 3 de mayo de 2018, a las 11:30 y con motivo del Día Internacional de la Luz, impartiré la conferencia “James Clerk Maxwell: el hombre que cambió el mundo para siempre”, la decimocuarta del Ciclo Coloquios de Física (Ciencia de Hoy) del Departamento de Física Aplicada de la UA. La conferencia, que ha sido también organizada por la Coordinación Académica del Grado en Física, tendrá lugar en la Sala de Juntas situada en la Fase II de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Alicante.

En 1865 Maxwell publica “Una teoría dinámica del campo electromagnético” que contiene las ecuaciones de Maxwell, la predicción teórica de la existencia de las ondas electromagnéticas y la teoría electromagnética de la luz. Se hace referencia al papel de Young y Fresnel en la aceptación de la teoría ondulatoria de la luz, así como a Oersted, Ampère y Faraday, que pusieron las bases del electromagnetismo moderno. Todo ello para concluir con la ‘síntesis’ de Maxwell que unificó luz, electricidad y magnetismo y permitió desarrollar la teoría de las ondas electromagnéticas, incluida la luz.

Posted in Biografías, Conferencias, Día Internacional de la Luz, Divulgación, Historia de la Física, Maxwell, Noticias | Tagged , , , , , , | Comments Off on “James Clerk Maxwell: el hombre que cambió el mundo para siempre”. Conferencia, jueves 3 de mayo en la Facultad de Ciencias de la UA