¿Cuál es la relación entre física y medioambiente?
La
Física en el medioambiente y en las técnicas de control y medición de
contaminantes se centra en tres áreas: el Sol, la Atmósfera, alta y baja
(estratosfera y troposfera), y la Tierra.
Si
consideramos la Atmósfera, nos adentramos en la Física de Fluidos.
¿Porqué?, pues por que si hablamos de la contaminación atmosférica, esta
se desplaza según la Dinámica de la propia Atmósfera. Un ejemplo lo
tenemos en la catástrofe de Chernobil, que sucede en Rusia pero
que a los pocos días se detecta en Escocia, como consecuencia de un
movimiento de masas de aire. De modo que conocer la Dinámica de la baja
atmósfera, aquella que va desde el suelo hasta los 10.000 m. de altura,
es fundamental para entender y predecir accidentes en nuestro
medioambiente.
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la
onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio
de velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro.
Indice de refracción
Como se ha dicho la rapidez de propagación de la luz cambia según el
medio por el que viaja. El índice de refracción relaciona la velocidad
de la luz en el vacío con la velocidad de la luz en el
medio.
En la ecuación
c= es la velocidad de la luz en el vacío
v= velocidad de la luz en el medio
n= Indice de refracción
La reflexión de la luz es un fenómeno óptico básico en la naturaleza que es conocido y analizado desde la Grecia clásica.
Las leyes que rigen los fenómenos de reflexión y refracción de la luz
fueron enunciadas conjuntamente por el astrónomo y matemático neerlandés
W. Snel en 1621 y unificadas bajo un principio de mínimo, en este caso para el tiempo como variable, por el matemático francés Pierre de Fermat en 1657.
La Fotometría es la ciencia que se encarga de la medida de la
luz, como el brillo percibido por el ojo humano. Es decir, estudia la
capacidad que tiene la radiación electromagnética de estimular el
sistema visual. No debe confundirse con la Radiometría, encargada de la medida de la luz en términos de potencia absoluta.
Se considera a la óptica como la parte de la física que trata de la luz y de los fenómenos luminosos.
En la Edad Antigua
se conocía la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y
refracción. Varios filósofos y matemáticos griegos escribieron tratados
sobre óptica. Entre ellos: Empédocles y Euclides.
Ya en la Edad ModernaRené Descartes consideraba la luz como una onda de presión transmitida a través de un medio elástico perfecto (el éter)
que llenaba el espacio. Atribuyó los diferentes colores a movimientos
rotatorios de diferentes velocidades de las partículas en el medio.
La ley de la refracción fue descubierta experimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657Pierre de Fermat anunció el principio del tiempo mínimo y a partir de él dedujo la ley de la refracción.
1- ¿Qué es el sonido?
Todos tenemos una idea de lo que se llama sonido, puesto que a menudo
hablamos del "sonido de un piano", del "sonido de una campana", etc. El sonido es un fenómeno físico percibido por el oído.
Pero, ¿cómo se produce? ¿Qué lo produce? ¿Cómo se propaga?
1.1- ¿Cómo y qué lo produce?
Por lo pronto, si escuchamos un sonido pensamos que debe habre algo que
lo produce. Ese algo es relativamente fácil de encontrar. Si oímos el
sonido de una campana, sabemos que él proviene de un golpe dado a la
misma. Ese golpe hace vibrar la masa metálica,
cosa que podemos comprobar si acercamos un dedo y la tocamos con
suavidad: sentimos un cosquilleo, que indica una rápida vibración
(movimientos en vaivén).
¿Qué pasa si apoyando fuertemente nuestra mano impedimos que la campana
siga vibrando? Todos hemos hecho alguna vez esa experiencia y conocemos
el resultado: el sonido se apaga rápidamente. Es decir, parece que el sonido es causado por la vibración, puesto que terminada la vibración, el sonido se apaga.
El sonido es producido por un movimiento vibratorio.
1.2- Propagación
Si arrojamos un trozo de madera en el agua, observamos que oscila en el lugar de caída, sin salir de él.
La oscilación de la madera se comunica a las
masas vecinas, cuyas oscilaciones, a su vez, se transmiten a nuevas
partículas. El movimiento se propaga hasta puntos alejados, por medio de
ondas circulares, pero sin que exista acarreo de líquido, o corriente
líquida, como lo prueba el hecho de que la medera permanezca siempre en
el mismo lugar.
Del mismo modo, una campana qie vibra en el aire transmite sus
vibraciones a las partículas de aire vecinas; éstas, a su vez, sin
trasladarse, o sea, sin producir viento, provocan las ascilaciones de
otras partículas de aire, propagándose la perturbación (la vibración de
la campana) hasta puntos alejados de la misma, en forma de ondas sonoras.
Para transmitirse, el sonido necesita siempre un medio elástico, sólido, líquido o gaseoso:
En el vacío las ondas no se propagan.
Los líquidos transmiten el sonido: Un nadador puede oír
debajo del agua el golpe de dos piedras o el ruido de un motor de un
barco, o bien la conversación de dos personas. Los sólidos transmiten el sonido: Si ponemos el oído sobre las vías del tren, puede escucharse la marcha de un tren distante.
2- Velocidad de propagación
Recordando que una velocidad se obtiene dividiendo una distancia por el tiempo empleado en recorrerla,
v = d / t
basta reemplazar los datos y se obtiene la velocidad del sonido, que en el aire es de aproximadamente 340 m/s.
La velocidad de propagación varía considerablemente de unas ondas a otras y depende del medio y
las condiciones en que estas se encuentren.Por ejemplo, el sonido viaja
a 331 m/s en el aire, a 1 480 m/s en el agua y a 5 100 m/s en el acero.
En los sólidos, donde la distancia entre las partículas es fija, la
velcidad permanece prácticamente constante.En los líquidos, y sobre todo
en los gases, la velocidad aumente con la temperatura porque las
partículas del gas se mueven con más velocidad.
En condiciones normales de presión y temperatura (1 atmósfera y 0°C), la
velocidad del sonido en el aire es de 331 m/s, mientras que, a 20°C, la
velocidad aumenta a 340m/s.
3- Características del sonido
La intensidad, la frecuencia y el tono con las características del sonido.
1.1- Intensidad
Permite diferenciar los sonidos como fuertes (intensos) o débiles. La
intensidad depende de la amplitud de onda: a mayor amplitud, mayor
intensidad del sonido. También depende de la cantidad de energía que
transporta la onda en una unidad de tiempo. Su unidad de medida es el
bel (B), en honor al inventor norteamericano Alexander Graham Bell,
quien en 1876 investigando con dispositivos para corregir la sordera
inventó el teléfono, aunque se utiliza con más frecuencia el decibelio
(dB).
3.2- Tono
Permite diferenciar los sonidos agudos y graves. El tono está
relacionado con la frecuencia de la onda. A mayor frecuencia se obtiene
un sonido más agudo y a menor frecuencia un sonido más grave.
Una onda longitudinal es una onda mecánica
en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es
paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas
longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de
compresión. Algunos ejemplos de ondas longitudinales son el sonido y las ondas sísmicas de tipo P generadas en un terremoto.
Una onda transversal es una onda
en la que cierta magnitud vectorial presenta oscilaciones en alguna
dirección perpendicular a la dirección de propagación. Para el caso de
una onda mecánica de desplazamiento, el concepto es ligeramente
sencillo, la onda es transversal cuando las vibraciones de las
partículas afectadas por la onda son perpendiculares a la dirección de
propagación de la onda. Las ondas electromagnéticas
son casos especiales de ondas transversales donde no existe vibración
de partículas, pero los campos eléctricos y magnéticos son siempre
perpendiculares a la dirección de propagación, y por tanto se trata de
ondas transversales.
1.
MOVIMIENTO ONDULATORIO Y SONIDO
INTRODUCCION
Proceso por el que se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia,
mediante ondas mecánicas o electromagnéticas. En cualquier punto de la trayectoria
de propagación se produce un desplazamiento periódico, u oscilación, alrededor de
una posición de equilibrio. En las ondas longitudinales, el medio se desplaza en la
dirección de propagación. Por ejemplo, el aire se comprime y expande en la misma
dirección en que avanza el sonido.
2.
CARACTERISRICAS DE LAS ONDAS.
• Las ondas periódicas están caracterizadas por crestas o montes y valles, y usualmente es
categorizada como longitudinal o transversal.
• Difracción. Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en
línea recta para rodearlo.
• Efecto Doppler. Efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las
ondas y el receptor de las mismas.
• Interferencia. Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto
del espacio.
• Reflexión. Ocurre cuando una onda, al encontrarse con un nuevo medio que no puede
atravesar, cambia de dirección.
• Refracción. Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio
en el que viaja a distinta velocidad.
• Onda de choque. Ocurre cuando varias ondas que viajan en un medio se superponen
formando un cono.
3.
2.- TIPOS DE ONDAS:
Los tipos de ondas se clasifican según el medio que se propagan, según su
propagación, según su dirección, según su periodicidad.
• SEGÚN EL MEDIO:
• Ondas electromagnéticas: estas ondas no necesitan de un medio para propagarse
en el espacio, lo que les permite hacerlo en el vacío a velocidad constante, ya que
son producto de oscilaciones de un campo eléctrico que se relaciona con uno
magnético asociado.
• Ondas mecánicas: a diferencia de las anteriores, necesitan un medio material, ya
sea elástico o deformable para poder viajar. Este puede ser sólido, líquido o
gaseoso y es perturbado de forma temporal aunque no se transporta a otro lugar.
• Ondas gravitacionales: estas ondas son perturbaciones que afectan la geometría
espacio-temporal que viaja a través del vacío. Su velocidad es equivalente a la de
la luz.
4.
• SEGÚN SU PROPAGACION:
• Ondas unidimensionales: Viajan en una única dirección espacial.
• Ondas bidimensionales: Viajan en dos direcciones cualquieras de una determinada superficie.
• Ondas tridimensionales: Estas ondas viajan en tres direcciones.
• SEGÚN SU DIRECCION:
• Ondas transversales: Las partículas por las que se transporta la onda se desplazan de manera
perpendicular a la dirección en que la onda se propaga.
• Ondas longitudinales: Las moléculas se desplazan paralelamente a la dirección en que la onda
viaja.
• SEGÚN SU PERIODICIDAD:
• Ondas no periódicas: Éstas ondas son causadas por una perturbación de manera aislada.
• Ondas periódicas: son producidas por ciclos repetitivos de perturbaciones.
5.
ONDAS LONGITUDINALES Y TRANSVERSALES
Cuando el movimiento es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda, decimos que se
trata de una onda transversal.
Las partículas se mueven a lo largo de la dirección de la onda en vez de hacerlo en sentido
perpendicular. Una onda de este tipo es una onda longitudinal.
Las leyes de Kepler fueron enunciadas por Johannes Kepler para describir matemáticamente el movimiento de los planetas en sus órbitas alrededor del Sol. 1 Aunque él no las describió así, en la actualidad se enuncian como sigue:
Primera ley (1609): "Todos los planetas se desplazan alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas. El Sol se encuentra en uno de los focos de la elipse".
Segunda ley (1609): "El radio vector que une un planeta y el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales".
La ley de las áreas es equivalente a la constancia del momento angular, es decir, cuando el planeta está más alejado del Sol (afelio) su velocidad es menor que cuando está más cercano al Sol (perihelio). En el afelio y en el perihelio, el momento angular es el producto de la masa del planeta, su velocidad y su distancia al centro del Sol.
Tercera ley (1618): "Para cualquier planeta, el cuadrado de su período orbital es directamente proporcional al cubo de la longitud del semieje mayor de su órbita elíptica".
Donde, T es el periodo orbital (tiempo que tarda en dar una vuelta alrededor del Sol), R la distancia media del planeta con el Sol y C la constante de proporcionalidad.
Estas leyes se aplican a otros cuerpos astronómicos que se encuentran en mutua influencia gravitatoria, como el sistema formado por la Tierra y la Luna.
Se define la aceleración angular como el cambio que experimenta la velocidad angular por unidad de tiempo. Se denota por la letra griega alfa . Al igual que la velocidad angular, la aceleración angular tiene carácter vectorial.
Se expresa en radianes por segundo al cuadrado, o s-2, ya que el radián es adimensional.
El movimiento circular uniformemente acelerado (MCUA) se presenta cuando una partícula o cuerpo sólido describe una trayectoria
circular aumentando o disminuyendo la velocidad de forma constante en
cada unidad de tiempo. Es decir, la partícula se mueve con aceleración
constante.
En el dibujo se observa un ejemplo en donde la velocidad aumenta linealmente en el tiempo. Suponiendo que el tiempo en llegar del punto P1 a P2 sea una unidad de tiempo, la partícula viaja con una aceleración tangencial uniforme v, incrementándose esa cantidad en cada unidad de tiempo.
En física, el movimiento circular uniforme (también denominado movimiento uniformemente circular) describe el movimiento de un cuerpo atravesando con una velocidad constante y una trayectoria circular.
Aunque la rapidez del objeto es constante, su velocidad
no lo es: La velocidad, una magnitud vectorial, tangente a la
trayectoria, en cada instante cambia de dirección. Esta circunstancia
implica la existencia de una aceleración que, si bien en este caso no varía al módulo de la velocidad, sí varía su dirección.
En física, se denomina choque elástico
a una colisión entre dos o más cuerpos en la que éstos no sufren
deformaciones permanentes durante el impacto. En una colisión elástica
se conservan tanto el momento lineal como la energía cinética del sistema, y no hay intercambio de masa entre los cuerpos, que se separan después del choque.
Un choque inelástico es un tipo de choque en el que la energía cinética no se conserva. Como consecuencia, los cuerpos que colisionan pueden sufrir deformaciones y aumento de su temperatura.
En el caso ideal de un choque perfectamente inelástico entre objetos
macroscópicos, estos permanecen unidos entre sí tras la colisión. El
marco de referencia del centro de masas permite presentar una definición más precisa.
El choque se define como la colisión entre dos o más cuerpos.
Un choque físico o mecánico es percibido por una repentina aceleración o desaceleración causada normalmente por un impacto, por ejemplo, de una gota de agua, aunque también una explosión
causa choque; cualquier tipo de contacto directo entre dos cuerpos
provoca un choque. Lo que mayormente lo caracteriza es la duración del
contacto que, generalmente, es muy corta y es entonces cuando se
transmite la mayor cantidad de energía entre los cuerpos.
Problema n° 1) Una pelota de
béisbol de 0,15 kg de masa se está moviendo con una velocidad de 40 m/s
cuando es golpeada por un bate que invierte su dirección adquiriendo una
velocidad de 60 m/s, ¿qué fuerza promedio ejerció el bate sobre la
pelota si estuvo en contacto con ella 5 ms?.
Desarrollo
Datos:
m = 0,15 kg
vi = 40 m/s
vf = - 60 m/s (el signo es negativo ya que cambia el sentido)
t = 5 ms = 0,005 s
Δp = I
pf - pi = I m.vf - m.vi = F.t F = m.(vf - vi)/t
F = 0,15 kg.(- 60 m/s - 40 m/s)/0,005 s F = 0,15 kg.(- 100 m/s)/0,005 s F = - 3000 N
Problema n° 2)
Un taco golpea a una bola de billar ejerciendo una fuerza promedio de
50 N durante un tiempo de 0,01 s, si la bola tiene una masa de 0,2 kg,
¿qué velocidad adquirió la bola luego del impacto?.
Desarrollo
Datos:
m = 0,2 kg
F = 50 N
t = 0,01 s
vi = 0 m/s
Δp = I
pf - pi = I m.vf - m.vi = F.t m.(vf - vi) = F.t vf - vi = F.t/m vf = F.t/m
vf = 50 N.0,01 s/0,2 kg vf = 2,5 m/s
Problema n° 3)
Una fuerza actúa sobre un objeto de 10 kg aumentando uniformemente
desde 0 hasta 50 N en 4 s. ¿Cuál es la velocidad final del objeto si
partió del reposo?.
Desarrollo
Datos:
m = 10 kg
vi = 0 m/s
Fi = 0 N
Ff = 50 N
t = 4 s
Para el impulso debe usarse la fuerza media, por lo tanto:
F = (Ff + Fi)/2 F = (50 N + 0 N)/2 F = 25 N
Δp = I
pf - pi = I m.vf - m.vi = F.t m.(vf - vi) = F.t vf - vi = F.t/m vf = F.t/m
vf = 25 N.4 s/10 kg vf = 10 m/s
Problema n° 4)
Se rocía una pared con agua empleando una manguera, la velocidad del
chorro de agua es de 5 m/s, su caudal es de 300 cm ³/s, si la densidad
del agua es de 1 g/cm ³ y se supone que el agua no rebota hacia atrás,
¿cuál es la fuerza promedio que el chorro de agua ejerce sobre la
pared?.
Desarrollo
Datos:
Φ V = 300 cm ³/s (caudal volumétrico)
vi = 5 m/s
vf = 0 m/s (porque el chorro no rebota)
Δ = 1 g/cm ³
primero debemos hallar la masa de agua y el tiempo de acción:
Φ M = Φ V. Δ ΦM = 300 cm ³/s.1 g/cm ³ ΦM = 300 g/s (caudal másico)
Φ M = 0,3 kg/s éste dato nos dice que en t = 1 s la masa de agua es m = 0,3 kg
La
ley para la conservación de la cantidad de movimiento suele usarse para
explicar fragmentariamente choquecidos que se explican llanamente con
las leyes de Newton para el movimiento. El caso es que la ley para la
conservación de la cantidad de movimiento anida en un trasfondo
intelectual que ha movido grandes esfuerzos intelectuales en el pasado,
probablemente moverá otros en el futuro, y permite una compensación
centrípeta necesaria en el presente ante la centrifugación de los
conocimientos especializados. Este artículo sugiere una enmienda.
El principio de
conservación del movimiento, es un caso particular del principio de
conservación de la energía, ahora por ejemplo este principio se lo
puede verificar cuando en una mesa de billar, un jugador golpea la
bola la misma que al chocar a la otra le transmite la cantidad de
movimiento, y entonces la bola impactada comienza a moverse con la
misma velocidad que tenía la otra, en realidad nunca existe una
transmisión total del movimiento, debido a que los choques, cierta
parte de energía se transforma en calor producto del impacto.
Para
este caso estamos analizando choques inelásticos, o sea que no existe
deformaciones de los cuerpos durante la colisión, y también se
considerará que no hay pérdidas por calor.Para analizar, supongamos dos cuerpos de masa m1 y m2
respectivamente moviéndose a velocidades v1 y v2, entonces pongamos el
caso en que se mueven en la misma dirección y sentido contrario, cada
cuerpo tiene una cantidad de movimiento lineal p1 y p2 respectivamente,
si analizamos lo que ocurrirá para el cuerpo de masa m1
A) CANTIDAD DE MOVIMIENTO (P): Es una magnitud física vectorial, a la
cual se le conoce también como "Momentum Lineal";. Cuando un cuerpo de masa "m";
se mueve con una velocidad "V";, se dice que posee o tiene una cantidad de
movimiento definida por el producto de su masa por su velocidad.
B) IMPULSO (J): Se llama también "Ímpetu o Impulsión"; y es una
magnitud física vectorial que mide el efecto de una fuerza (F) que actúa sobre
un cuerpo durante un tiempo muy pequeño (t), produciendo un desplazamiento del
cuerpo en la dirección de la fuerza.
C) TEOREMA IMPULSO Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO: "Si sobre un cuerpo o
sistema de partículas actúa un impulso externo , éste
tendrá un valor igual al cambio producido en la cantidad de movimiento del cuerpo o sistema
"
Es decir: o
D) PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO: "Cuando
sobre un cuerpo o sistema, la fuerza o resultante de todas las fuerzas que
actúan sobre él es igual a cero, la cantidad de movimiento se mantiene
constante";.
Si: F=0 è por
lo tanto: Donde:Pf: Cantidad de movimiento final (kg.m/s)
es el producto de la masa del planeta, su velocidad y su distancia al centro del Sol.
. Al igual que la velocidad angular, la aceleración angular tiene carácter vectorial.
, éste
tendrá un valor igual al cambio producido en la cantidad de movimiento del cuerpo o sistema
"
o
por
lo tanto: 