Fundamentos de la Física: Fuerzas, Cosmología y Electromagnetismo

Introducción a las Fuerzas Fundamentales y el Universo

Las Cuatro Fuerzas Fundamentales

La fuerza gravitatoria y la fuerza eléctrica son responsables de la mayor parte de los fenómenos que observamos. Ambas son fuerzas de acción a distancia; sus efectos se manifiestan sin que los cuerpos lleguen a estar en contacto.

Existen otras dos fuerzas responsables de fenómenos que no podemos observar: la fuerza nuclear débil y la nuclear fuerte. Estas son responsables de interaccionar entre las partículas más pequeñas que forman el universo. Todos los fenómenos se deben a una o más de estas fuerzas.

Listado de Fuerzas Fundamentales

• Fuerza gravitatoria
• Fuerza eléctrica
• Fuerza nuclear débil
• Fuerza nuclear fuerte

Conceptos de Fuerza y Materia

• Gravedad: Los objetos caen al suelo debido a la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra.
• Carga Eléctrica: Algunos objetos pueden adquirir carga eléctrica por frotamiento.
• Masa: Cantidad de materia que tiene un cuerpo. Se mide en kg.
• Peso: Fuerza de atracción gravitatoria que se ejerce sobre él. La fórmula es: P = m · g (Peso es igual a masa por gravedad).

Cosmología y Estructura del Universo

Modelos Cosmológicos Históricos

Modelo Geocéntrico

Supone que la Tierra permanece fija en el centro del universo y todos los demás astros giran a su alrededor.

Modelo Heliocéntrico

Sitúa al Sol en el centro del universo. A su alrededor giran la Tierra y todos los planetas, describiendo órbitas circulares. Cada planeta gira con una velocidad diferente.

Componentes del Universo

Clasificación de Astros y Estructuras

• Estrellas: Grandes bolas de gases incandescentes que emiten una gran cantidad de luz y calor, como el Sol.
• Cúmulos de estrellas: Conjuntos de decenas, cientos o miles de estrellas atraídas entre sí por su gravedad mutua. Pueden ser cúmulos globulares o cúmulos abiertos.
• Nebulosas: Nubes de polvo y gas. En algunas de ellas nacen estrellas; sin embargo, otras se forman cuando una estrella envejece y expulsa sus capas externas.
• Galaxias: Gigantescas agrupaciones de estrellas y gases. En cada galaxia hay cientos de miles de millones de estrellas. La nuestra es la Vía Láctea.
• Cúmulos de galaxias: Grupos de cientos de galaxias que se unen por sus extremos y forman enormes cadenas.

Cuerpos que orbitan el Sol

• Planetas: Giran alrededor de una estrella y tienen forma esférica.
• Planetas enanos: Giran alrededor del Sol, pero en su órbita hay restos de otros astros.
• Cometas y asteroides: Giran alrededor del Sol. Los cometas muestran una cola al acercarse al Sol.
• Satélites: Giran alrededor de un planeta, planeta enano, cometa o asteroide.
• Exoplanetas: Giran alrededor de otras estrellas (se conocen unas 2000).

Movimientos Astronómicos

Traslación

Giro de un astro alrededor de otro siguiendo una trayectoria denominada órbita.

• Período de traslación: Tiempo que tarda un astro en completar la órbita. Es el año del astro. La Tierra da una vuelta completa cada 365.24 días.

Rotación

Giro del astro sobre sí mismo.

• Período de rotación: Tiempo que tarda un astro en completar una vuelta alrededor de sí mismo. Es el día del astro. Para la Tierra es 23 h, 56 min y 4 seg.

Electromagnetismo y Magnetismo

Electrización

Tipos de Electrización

Por Frotamiento

Si frotamos un globo con un paño, pasan cargas eléctricas y ambos quedan cargados. Cuando acercamos dos globos cargados, se repelen.

Por Contacto

Si tocamos láminas de papel de aluminio inicialmente neutras con unas varillas cargadas, la carga pasa a las láminas. Aparece una fuerza de repulsión entre las láminas y tienden a separarse.

Por Inducción

Si acercamos una varilla a una bolita neutra sin tocar, las cargas eléctricas se reordenan y las opuestas se sitúan más cerca, produciendo una atracción entre la varilla y la bolita.

Fenómenos Magnéticos Terrestres

Imanes y Brújulas

• Imán: Objeto capaz de atraer ciertos materiales metálicos, como aquellos elaborados con hierro.
• Brújula: Aguja imantada que gira libremente. El polo norte de la brújula es el extremo que apunta al polo norte geográfico. Esto se debe a que la Tierra se comporta como un gran imán. El polo sur del imán terrestre está cerca del polo norte geográfico, y el polo norte del imán terrestre está cerca del polo sur geográfico.

Auroras Polares

Fenómeno de luminiscencia que se observa en el cielo nocturno. En el hemisferio sur se conoce como aurora austral y en el hemisferio norte como aurora boreal. Se producen cuando las partículas cargadas del Sol chocan con los gases de la atmósfera. Su color depende de la capa de la atmósfera en la que se produce, siendo generalmente las más externas.