Física Fundamental: Conceptos Clave de Radiación, Fluidos y Ondas

Radiación Ionizante y No Ionizante

La radiación ionizante incluye los rayos X y gamma. La radiación no ionizante abarca las microondas y la radiación infrarroja (fotones).

Exposición Radiométrica

La exposición radiométrica se define como la carga eléctrica producida por ionización en 1 kilogramo (kg) de aire en condiciones estándar.

Actividad Radiactiva

La actividad radiactiva se mide en Becquerel (Bq) o Curie (Ci).

Dosis Equivalente (REM)

La unidad REM (Roentgen Equivalent Man) es una medida de dosis equivalente. Su valor depende de la amplitud de la radiación, pero no de su frecuencia (f) ni de su longitud de onda.

Interacción de la Radiación con la Materia

• El efecto fotoeléctrico es significativo a partir de la radiación ultravioleta (UV).
• El efecto Compton es relevante para los rayos X (radiación ionizante).

Efectos Biológicos de la Radiación

Efectos Estocásticos

• Ejemplos: Cáncer, mutaciones genéticas.
• No tienen dosis umbral: cualquier dosis, por pequeña que sea, tiene una probabilidad de inducirlos.
• La probabilidad de ocurrencia aumenta con la dosis.
• Son de aparición tardía.
• Afectan a las células somáticas o germinales.

Efectos No Estocásticos (Deterministas)

• Tienen una dosis umbral por debajo de la cual no se manifiestan.
• La gravedad del efecto aumenta con la dosis una vez superado el umbral.
• Pueden ser de aparición inmediata o tardía.

Tipos de Exposición y Dosis

Exposición Interna

La exposición interna es particularmente peligrosa, ya que el material radiactivo se incorpora al organismo (por ejemplo, en la sangre) y continúa irradiando tejidos.

Dosis Absorbida

La dosis absorbida se mide en Gray (Gy).

Dosis Equivalente

La dosis equivalente se mide en Sievert (Sv) y tiene en cuenta el tipo de radiación y la naturaleza del tejido irradiado mediante un factor de ponderación de la radiación (Q o W_R) y un factor de ponderación tisular (W_T).

• Factores de ponderación de la radiación (Q o W_R) aproximados:
  • Beta: 1
  • Neutrones: 1-20 (dependiendo de la energía)
  • Alfa: 20
• Factor de ponderación para la exposición (N):
  • Exposición externa: N = 1
  • Exposición interna: N > 1 (debido a la mayor permanencia y proximidad del emisor).

Límites de Dosis de Radiación

Los límites de dosis de radiación son cruciales para la protección radiológica:

• Público en general: 1 mSv/año.
• Trabajadores profesionalmente expuestos:
  • Límite anual: 50 mSv.
  • Límite quinquenal (5 años): 100 mSv (promedio de 20 mSv/año).

Nota: El documento menciona valores de 150 (posiblemente mSv en 5 años para profesionales) y 100 (posiblemente mSv para un trabajador expuesto en un contexto específico). Es importante consultar la normativa vigente para los límites exactos.

Fuentes Radiactivas

• Fuente encapsulada: Generalmente implica exposición externa.
• Fuente no encapsulada: Conlleva riesgo de exposición interna (por ingestión, inhalación, etc.).

Blindaje contra la Radiación

• Radiación Alfa (α): Detenida por una hoja de papel.
• Radiación Beta (β): Detenida por una lámina de papel o aluminio.
• Radiación Gamma (γ) y Rayos X: Requieren blindaje de plomo o materiales densos.
• Radiación Neutrónica: Requiere materiales ricos en hidrógeno, como el agua o el hormigón.

Clasificación de Zonas Radiológicas

Las zonas se clasifican según el riesgo de exposición a la radiación:

• Zona Vigilada: Dosis efectiva (DE) anual esperada entre 1 mSv y 6 mSv. La dosis equivalente puede ser hasta 1/10 del límite para trabajadores.
• Zona Controlada: Dosis efectiva (DE) anual esperada superior a 6 mSv. La dosis equivalente puede ser hasta 3/10 del límite para trabajadores.

Dentro de las zonas controladas, pueden existir subzonas:

• Zona de Permanencia Ilimitada: Permite recibir dosis superiores al límite para el público, pero dentro de los límites para trabajadores.
• Zona de Permanencia Reglamentaria: En poco tiempo se puede superar el límite para trabajadores, por lo que el acceso está regulado.
• Zona Prohibida: Una sola exposición puede superar la dosis límite para un trabajador. El acceso está estrictamente restringido.

Principios de Flotación y Densidad

La flotación es un fenómeno que se intensifica cuanto mayor es la diferencia de densidad entre el objeto y el fluido en el que está inmerso.

Fuerzas sobre un Cuerpo Sumergido

Sobre un cuerpo sumergido actúan principalmente dos fuerzas: el peso del cuerpo (hacia abajo) y el empuje del líquido (hacia arriba).

Condiciones de Flotación

La flotación de un cuerpo depende fundamentalmente de la densidad del cuerpo y de la densidad del líquido en el que se encuentra.

Volumen Desplazado

El volumen de líquido desplazado por un cuerpo sumergido es igual al volumen de la parte sumergida del cuerpo.

Características de los Líquidos

Los líquidos se caracterizan por su capacidad de fluir y de tomar la forma del recipiente que los contiene.

Presión en Líquidos

Las fuerzas ejercidas por un líquido sobre una superficie de contacto son siempre perpendiculares a dicha superficie.

Amplificación de Fuerza (Principio de Pascal)

En sistemas hidráulicos, una fuerza aplicada en un área pequeña (F1) puede ser amplificada para generar una fuerza mayor en un área más grande (F2).

Principio de Arquímedes

El empuje que experimenta un cuerpo sumergido (o una persona) es directamente proporcional al volumen de fluido desplazado.

Movimiento Oscilatorio y Ondas

Movimiento Oscilatorio

El movimiento oscilatorio es un movimiento de vaivén alrededor de un punto central de equilibrio. Todo movimiento oscilatorio es, por definición, periódico.

Tipos de Ondas

Onda Transversal

En una onda transversal, las partículas del medio oscilan en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Onda Longitudinal

En una onda longitudinal, las partículas del medio oscilan en la misma dirección que la propagación de la onda (ejemplo: el sonido).

Una onda con una frecuencia grande tiene una longitud de onda pequeña (y viceversa), ya que su producto es la velocidad de propagación (v = λf).

Propiedades del Sonido

La velocidad del sonido varía con la temperatura (aumenta con ella) y con la densidad del medio (generalmente mayor en líquidos que en gases, y en sólidos que en líquidos).

Propiedades Mecánicas de los Materiales

Límite Elástico

El límite elástico es el esfuerzo máximo que un material puede soportar sin sufrir una deformación permanente. La deformación es el cambio de tamaño o forma de un cuerpo debido a la aplicación de fuerzas.

Resistencia a la Rotura

La resistencia a la rotura (o esfuerzo de rotura) es el esfuerzo máximo que un material puede soportar antes de fracturarse.

Regiones de Deformación

• Región Elástica: El material recupera su forma original una vez que cesa la fuerza aplicada.
• Región Plástica: El material queda permanentemente deformado porque ha perdido la capacidad de volver a su estado original.

Fenómenos de Superficie en Líquidos

Tensión Superficial

La tensión superficial es una propiedad que regula la interfaz entre un líquido y otro medio (generalmente gas). Representa la energía necesaria para aumentar la superficie de un líquido. Depende de la naturaleza del líquido, del medio circundante y de la temperatura.

Tensioactivos

Un tensioactivo es una sustancia que modifica la tensión superficial de los líquidos. Por ejemplo, el jabón disminuye la tensión superficial del agua.

Capilaridad

La capilaridad es el fenómeno de ascenso o descenso de un líquido en un tubo capilar, debido a la tensión superficial y al equilibrio entre las fuerzas de cohesión (entre moléculas del líquido) y adhesión (entre el líquido y la pared del tubo).

• En el agua, las fuerzas de adhesión son mayores que las de cohesión, lo que provoca un ascenso capilar y un menisco cóncavo (el líquido está "más arriba" en el centro del tubo que en los bordes).
• En el mercurio (Hg), las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión, lo que provoca un descenso capilar y un menisco convexo (el líquido está "más arriba" en los bordes que en el centro).

Densidad

La densidad de una sustancia depende de la presión (p) y la temperatura.

Principios Fundamentales de la Hidrodinámica

Principio de Bernoulli

El Principio de Bernoulli se aplica a fluidos ideales: incompresibles y no viscosos, en flujo estacionario.

Ecuación de Continuidad

La Ecuación de Continuidad se basa en la conservación de la masa de un fluido. Establece que el caudal (volumen de líquido que pasa por unidad de tiempo) es constante a lo largo de un conducto, siempre que el fluido sea incompresible y el flujo estacionario.

Principio de Pascal

El Principio de Pascal establece que un cambio de presión aplicado a un fluido incompresible y encerrado se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente. Es la base de la hidráulica.

Principio de Arquímedes

El Principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido experimenta una fuerza de empuje vertical hacia arriba, igual al peso del volumen de fluido desalojado (E = ρ_fluido * V_desalojado * g). Este principio es fundamental para medir la densidad específica de los materiales.

Condiciones de Flotación (Revisado)

• Si el peso (P) del cuerpo es mayor que el empuje (E) (P > E), el cuerpo se sumerge.
• Si el peso (P) del cuerpo es menor que el empuje (E) (P < E), el cuerpo emerge o flota parcialmente.
• Si el peso (P) del cuerpo es igual al empuje (E) (P = E), el cuerpo flota en equilibrio.

Conceptos Adicionales de Densidad y Presión

Densidad

La densidad de un gas en condiciones normales es significativamente inferior a la de un líquido. Varía con la presión y la temperatura.

Presión

La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie, aplicada de forma perpendicular a dicha superficie.

Presión Atmosférica

La presión atmosférica es la presión ejercida por la columna de aire sobre la superficie terrestre.

Presión Manométrica

La presión manométrica es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local.

Presión Hidrostática

La presión hidrostática es la presión ejercida por un fluido en reposo debido a su peso.

Empuje y Densidad

Tres cuerpos con diferente densidad pueden experimentar el mismo empuje si desplazan el mismo volumen de fluido.

Teorema de Torricelli

El Teorema de Torricelli establece que la velocidad de salida de un líquido por un orificio en un recipiente es independiente del tamaño del orificio, y depende de la altura del líquido sobre el orificio.

Amplificación de Fuerza (Revisado)

En sistemas hidráulicos, una fuerza F1 aplicada sobre un área pequeña puede ser amplificada para generar una fuerza F2 mucho mayor sobre un área grande (Principio de Pascal).

Dinámica de Ondas y Propiedades de Materiales

Velocidad de Propagación de Ondas en Cuerdas

Para que una onda se propague más rápido en una cuerda, se debe aumentar la tensión de la cuerda.

Módulo de Elasticidad

El módulo de elasticidad (por ejemplo, el módulo de Young) mide la resistencia de un material a la deformación en el régimen elástico. Es importante notar que este módulo no describe directamente la resistencia a la deformación en el régimen plástico.

Velocidad de Propagación de Ondas

La velocidad de propagación de una onda depende fundamentalmente de las propiedades del material (medio) por el que se propaga.

Energía Transportada por una Onda

La energía transportada por una onda no es independiente de su frecuencia (f) y longitud de onda (λ); de hecho, está relacionada con ambas, siendo proporcional al cuadrado de la amplitud y al cuadrado de la frecuencia.

Relación Período y Longitud de Onda

Si el período de una onda se duplica, su longitud de onda también se duplica (asumiendo una velocidad de propagación constante, ya que v = λ/T).

Materiales Frágiles y Dúctiles

• Un material frágil se caracteriza por tener una zona elástica relativamente pequeña y fracturarse con poca deformación plástica.
• Un material dúctil presenta una gran zona plástica antes de la fractura, permitiendo una considerable deformación permanente.

Tensión en un Hilo

La velocidad de propagación de una onda en un hilo bajo tensión es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la tensión aplicada. (La afirmación de que es "inversamente proporcional" es incorrecta en este contexto, aunque la velocidad sí es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad lineal del hilo).

Efecto de la Tensión en la Velocidad de Onda

Si se reduce la fuerza de tensión en un hilo, la velocidad de propagación de la onda en dicho hilo se reduce.

Dosis Equivalente y Absorbida

La dosis equivalente depende de la dosis absorbida, multiplicada por factores de ponderación que consideran el tipo de radiación y la sensibilidad del tejido.