Principios Fundamentales de la Física: Gravitación, Electromagnetismo y Movimiento Planetario

Leyes Fundamentales del Movimiento y la Interacción en Física

Johannes Kepler dedujo a principios del siglo XVII tres leyes empíricas que constituyen la primera descripción cinemática del movimiento planetario. Estas leyes son:

• Primera Ley de Kepler: Ley de las Órbitas

  Los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas en uno de cuyos focos se encuentra el Sol.

• Segunda Ley de Kepler: Ley de las Áreas

  Las áreas barridas por el radio vector, que une el centro del Sol con cada planeta, son directamente proporcionales a los tiempos empleados en barrerlas.

• Tercera Ley de Kepler: Ley de los Periodos

  Los cuadrados de los periodos de revolución de cada planeta son directamente proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de las respectivas órbitas. Para dos planetas cualesquiera, se cumple:

  T₁² / a₁³ = T₂² / a₂³ = constante

Ley de la Gravitación Universal de Newton

Fue enunciada por Newton en el siglo XVII y permitió explicar todos los efectos gravitatorios conocidos en su época (entre ellos: el movimiento de los astros en el sistema solar, las mareas, o la caída de los cuerpos sobre la Tierra). La ley dice que:

Todo cuerpo del universo atrae a cualquier otro cuerpo con una fuerza central que es proporcional a la masa de ambos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Donde F es la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos de masas m₁ y m₂, r es la distancia que los separa, y el vector unitario indica la dirección de la fuerza. El signo menos indica que la fuerza es atractiva. G es una constante denominada “Constante de la Gravitación Universal” que se mide experimentalmente y cuyo valor es 6,67 × 10^-11 N·m²·kg^-2.

Ley de Coulomb y Propiedades de la Carga Eléctrica

La carga eléctrica es, junto a la masa, una propiedad fundamental de la materia, que tiene su origen en la estructura atómica.

Propiedades de la Carga Eléctrica

La carga eléctrica posee las siguientes propiedades:

• Puede ser positiva o negativa, como se observa en los fenómenos de electrización.
• La carga total de un conjunto de partículas es la suma algebraica con el signo de sus cargas individuales.
• La carga eléctrica total de un sistema aislado se conserva (las cargas eléctricas no pueden ser creadas ni destruidas: principio de conservación de la carga).
• La carga está cuantizada. Siempre se presenta en cantidades discretas que son múltiplos enteros del valor absoluto de la carga del electrón (e), conocida por ello como unidad fundamental de carga (equivalente a 1,60 × 10^-19 C, donde C representa al culombio, la unidad de carga en el Sistema Internacional de Unidades (SI)). La carga del electrón es -|e| y la del protón +|e|.

La Ley de Coulomb, enunciada en 1785, describe la interacción entre cargas eléctricas en reposo. Dice así:

La interacción electrostática entre dos partículas consideradas puntuales cargadas eléctricamente (q₁ y q₂) es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (r), y depende de la naturaleza del medio que les rodea.

Inducción Electromagnética y Ley de Faraday-Lenz

La Inducción Electromagnética es el proceso mediante el cual se genera una corriente eléctrica en un circuito como resultado de la variación de un campo magnético. Este hecho fue descubierto, simultánea e independientemente, por Michael Faraday y Joseph Henry, quienes observaron que en un circuito se genera una corriente eléctrica en las siguientes circunstancias:

Circunstancias de la Inducción Electromagnética

• Si se acerca un imán al circuito, o se aleja del mismo.
• Si el que se aleja o se acerca es el circuito.
• Si hay movimiento relativo entre el circuito y otro circuito por el que circule una corriente continua.
• Si el segundo circuito transporta una corriente variable, aunque ambos estén en reposo.
• Si se deforma el circuito en el seno de un campo magnético.

La ley que recoge estos hechos se conoce como Ley de Faraday o Ley de Faraday-Henry:

La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varía el flujo magnético a través de la superficie limitada por el circuito, independientemente de las causas que provoquen la variación del flujo.

El signo negativo en la Ley de Faraday indica el sentido en que circula la corriente inducida. Esto se expresa en un principio físico conocido como “Ley de Lenz”:

La corriente se induce en un sentido tal que el campo magnético que genera se opone a la variación del flujo magnético que la origina. Es decir, el flujo producido por la corriente inducida se opone a la variación del flujo magnético original.