Principios Fundamentales de la Física: Leyes de Newton, Kepler y la Cosmología del Big Bang

Leyes de Newton: Fundamentos de la Dinámica

Las Leyes de Newton son tres principios fundamentales que describen el movimiento de los cuerpos y son la base de la mecánica clásica.

1. 1.ª Ley o Ley de la Inercia

   Un cuerpo permanece en su estado de reposo o de Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU) si no actúa ninguna fuerza sobre él o si la resultante de las fuerzas que actúan es nula.

2. 2.ª Ley o Ley Fundamental de la Dinámica

   Si sobre un cuerpo actúa una fuerza resultante, este adquiere una aceleración directamente proporcional a la fuerza aplicada, siendo la masa del cuerpo la constante de proporcionalidad. Matemáticamente, se expresa como F = ma.

3. 3.ª Ley o Principio de Acción y Reacción

   Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro cuerpo, este a su vez ejerce sobre el primero una fuerza con el mismo módulo y dirección, pero de sentido contrario.

Visión Actual del Universo: La Teoría del Big Bang

Actualmente, se acepta que el universo se originó de una gran explosión, conocida como el Big Bang. Supuestamente, nada existía antes del instante en el que el universo era un punto de densidad infinita en el que se concentraba toda la materia, la energía y el tiempo. A partir de ese momento, el universo comenzó a expandirse y en la actualidad sigue expandiéndose.

Después del Big Bang, el universo comenzó a enfriarse al tiempo que iba expandiéndose, y se fueron formando primero las primeras partículas. Los choques hicieron que la materia se agregara y se formaron las primeras estrellas y las primeras galaxias.

Evidencias que Confirman la Teoría del Big Bang

1. 1. Expansión del Universo (Ley de Hubble)

   Edwin Hubble, al observar la luz procedente de las galaxias, dedujo que todas ellas se alejan unas de otras con una velocidad proporcional a la distancia que las separa. Este fenómeno es una evidencia clave de la expansión cósmica.

2. 2. Radiación Cósmica de Fondo de Microondas (RCFM)

   George Gamow predijo que la radiación que acompañó al Big Bang tendría que haber ido perdiendo energía y que actualmente existiría como radiación de microondas procedente de todas las partes del universo. Posteriormente, Arno Penzias y Robert Wilson detectaron una radiación de características parecidas a las predichas por Gamow, lo que se conoce como la Radiación Cósmica de Fondo de Microondas, una prueba irrefutable del origen del universo.

Ley de la Gravitación Universal y Conceptos de Campo

La Ley de la Gravitación Universal establece que dos partículas materiales se atraen mutuamente con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Matemáticamente, se expresa como F = G(m₁m₂/r²), donde G es la constante de gravitación universal.

Definiciones Clave en Campos de Fuerza

• Campo

  Llamamos campo a la perturbación (real o ficticia) del espacio, determinada por la asignación a cada punto del valor de una magnitud física.

• Campo de Fuerzas

  Decimos que existe un campo de fuerzas en un lugar del espacio si al colocar en él un cuerpo de prueba, este queda sometido a una fuerza.

• Campo de Fuerzas Conservativo

  Un campo de fuerzas es conservativo si el trabajo que realizan las fuerzas del campo para trasladar una partícula de un punto A a otro punto B depende únicamente de los puntos inicial y final, pero no del camino seguido.

• Campo Gravitatorio

  Llamamos campo gravitatorio a la perturbación que un cuerpo produce en el espacio que lo rodea por el hecho de tener masa.

• Campo Gravitatorio Terrestre

  El campo gravitatorio terrestre es la perturbación que la Tierra produce en el espacio que la rodea por el hecho de tener masa.

• Intensidad del Campo Gravitatorio Terrestre (g)

  La intensidad del campo gravitatorio terrestre en un punto del espacio es la fuerza con la que la Tierra atrae a la unidad de masa situada en ese punto. Se mide en N/kg o m/s².

• Energía Potencial Gravitatoria (Ep)

  La energía potencial gravitatoria de una masa m en un punto del campo gravitatorio terrestre es el trabajo que realiza el campo gravitatorio para trasladar la masa desde dicho punto hasta el infinito.

• Potencial Gravitatorio Terrestre (V)

  El potencial gravitatorio terrestre es el trabajo que realiza el campo gravitatorio para trasladar la unidad de masa desde dicho punto hasta el infinito.

Leyes de Kepler: El Movimiento Planetario

Las Leyes de Kepler describen el movimiento de los planetas alrededor del Sol, sentando las bases para la comprensión de la mecánica celeste.

1. 1.ª Ley (Ley de las Órbitas)

   Todos los planetas se mueven en órbitas elípticas con el Sol situado en uno de sus focos.

2. 2.ª Ley (Ley de las Áreas)

   La recta que une un planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.

3. 3.ª Ley (Ley de los Periodos)

   El cuadrado del periodo del movimiento de un planeta es directamente proporcional al cubo de la distancia media del planeta al Sol. Se expresa como T² = Cr³, donde C es una constante de proporcionalidad.