Fundamentos de la Física Clásica

Tercera Ley de Newton: Acción y Reacción

Cuando un cuerpo ejerce sobre otro una fuerza, denominada acción, el segundo responde con una fuerza igual y de sentido contrario, llamada reacción. Las fuerzas siempre aparecen por parejas, lo que se conoce como interacción.

Fuerza Normal

Se denomina fuerza normal a la fuerza de reacción de un plano sobre un cuerpo que está apoyado en él. Es una fuerza perpendicular al plano y de sentido opuesto al del apoyo.

Aceleración Normal o Centrípeta

La aceleración normal o centrípeta mide la variación de la dirección de la velocidad con el tiempo. Para un cuerpo con movimiento circular uniforme, su aceleración se calcula como: aceleración = velocidad2 / radio.

El Universo Actual: La Explosión del Big Bang y la Ley de Hubble

La relación entre la distancia de una galaxia (d) y su velocidad de recesión (v) se conoce como la Ley de Hubble: v = H · d.

Modelos del Universo: El Modelo Geocéntrico de Ptolomeo

• Ptolomeo elaboró un modelo geométrico que permitía explicar por qué cambiaban las distancias entre la Tierra y los planetas a lo largo del año.
• Según el modelo geocéntrico de Ptolomeo, la Tierra permanece fija y los demás astros giran a su alrededor.
• Disposición de los astros en el universo según Ptolomeo:
  • En el centro está la Tierra.
  • A su alrededor giran los demás cuerpos celestes. El Sol y la Luna describen órbitas circulares.
  • Ptolomeo imaginó que, cuando los planetas giran alrededor de la Tierra, no describen una circunferencia centrada en ella, sino que van describiendo pequeñas circunferencias (epiciclos) cuyo centro describe, a su vez, una circunferencia imaginaria centrada en la Tierra.
  • Cubriendo todas estas esferas se encuentra la esfera de las estrellas, que también gira alrededor de la Tierra.

Modelos del Universo: El Modelo Heliocéntrico de Aristarco

• El Sol está en el centro del universo, y la Tierra, la Luna y los otros cinco planetas giran en torno a él, con diferentes velocidades y en órbitas de distintos radios.

Modelos del Universo: El Modelo Heliocéntrico de Copérnico

• El modelo heliocéntrico de Copérnico situaba al Sol en el centro del universo: la Tierra y los demás planetas giraban a su alrededor describiendo órbitas circulares. La Luna giraba alrededor de la Tierra.

La Contribución de Galileo Galilei a la Astronomía

• Galileo utilizó un telescopio para realizar observaciones astronómicas, lo que le permitió obtener pruebas que apoyaron el modelo de Copérnico.
• Sus descubrimientos clave incluyen:
  • La Luna tiene valles y montañas.
  • Venus muestra fases, como la Luna, lo cual solo se puede explicar si Venus y la Tierra giran alrededor del Sol.
  • La Vía Láctea está formada en realidad por numerosas estrellas.
  • Júpiter tiene varios satélites girando a su alrededor.
  • Descubrió los anillos de Saturno (aunque inicialmente los interpretó como «orejas» o «asas»).

La Cinemática del Universo: Las Leyes de Kepler

• Johannes Kepler llevó a cabo una serie de estudios que le permitieron conocer las leyes matemáticas que describen el movimiento de los astros.
• Anunció las tres leyes del movimiento planetario:
  • 1ª Ley (Ley de las Órbitas): Todos los planetas se mueven alrededor del Sol siguiendo órbitas elípticas. El Sol está en uno de los focos de la elipse.
  • 2ª Ley (Ley de las Áreas): Los planetas se mueven con velocidad areolar constante, es decir, la línea que une en cada momento el planeta con el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales.
  • 3ª Ley (Ley de los Periodos): Para todos los planetas, la relación entre el cuadrado de su periodo orbital (T) y el cubo del semieje mayor de su órbita (r) es una constante (K): T2 / r3 = K.

La Dinámica del Universo: La Aportación de Newton

Isaac Newton explicó que los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas porque el Sol ejerce sobre ellos una fuerza de atracción gravitatoria que los mantiene en órbita.

La Ley de la Gravitación Universal

Todos los cuerpos del universo se atraen mutuamente con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La fórmula es: Fgrav = G · (M · m) / d2.

• M y m representan las masas de los cuerpos.
• d es la distancia que separa sus centros.
• G es la constante de la gravitación universal, y su valor en el Sistema Internacional (SI) es aproximadamente 6,67 × 10-11 N·m2/kg2.

Consecuencias de la Ley de la Gravitación Universal: La Fuerza Peso

El peso es la fuerza de atracción gravitatoria que la Tierra ejerce sobre los cuerpos que están en sus proximidades. Por lo tanto, la fuerza peso y la atracción gravitatoria son la misma fuerza para un cuerpo que está sobre la superficie de la Tierra, calculada como: F = G · (M · m) / R2 (donde R es el radio de la Tierra).

Características Vectoriales de la Fuerza Peso

Como todas las fuerzas, el peso es un vector que posee las siguientes características:

• Módulo: Viene dado por la expresión de la Ley de la Gravitación Universal.
• Dirección: La línea que une el centro del cuerpo con el centro de la Tierra.
• Sentido: Dirigido hacia el centro de la Tierra (indicando la fuerza de atracción).
• Punto de aplicación: En el centro de gravedad del cuerpo.

Fenómenos Astronómicos: Los Ciclos de las Mareas

Las mareas son el movimiento de subida y bajada del nivel del agua del mar que se produce de forma cíclica, generalmente dos veces cada día.

• Isaac Newton explicó que este fenómeno se debe principalmente a la atracción gravitatoria de la Luna sobre la Tierra.

El Movimiento de los Cuerpos Celestes

La Ley de la Gravitación Universal nos permite estudiar el movimiento de todos los cuerpos celestes y hacer predicciones acerca de su velocidad, su posición o el tiempo que tardarán en dar una vuelta completa, lo que se conoce como el periodo orbital.