Historia de la física

Rodríguez Lora, JavierRodríguez Lizundia, EduardoQuintana Vázquez, AmandoNoriega García, Estefanía

Física Clásica

Los inicios de la física clásica se remontan a las civilizaciones china,Babilonia egipcia y maya,que observaron los movimientos de los planteas y lograron predecir eclipses, pero no consiguieron encontrar un sistema que explicara el movimiento de los planetas

Notables avances se produjeron el Alejandría,centro científico de la civilización occidental, Arquímedes que diseño varios aparatos mecánicos con palancas y tornillos y consiguió medir la densidad de objetos sólidos

En el siglo II el astrónomo Tolomeo propuso un sistema para explicar el movimiento planetario, en este sistema la tierra se encontraba en le centro y tanto el solo como la luna y las estrellas giraban a su alrededor en orbitas circulares

En la edad media se produjeron pocos avances, pudiendo destacar a Roger Bacon que defendió el método experimental como autentica base conocimiento científico

La ciencia moderna surgió tras el renacimiento , cuando cuatro astrónomos muy destacados lograron interpretar de formas muy satisfactoria el comportamiento de los cuerpos celestes

Copernico propuso un sistema heliocéntrico, sin embargo en su sistema los planteas giraban en orbitas circulares, y dicho sistema requería unas elaboración muy complicadas

Brahe, gran observador realizó unas medidas increíblemente precisas.Lo que proporciono a su ayudante, Johannes Kepler los datos para enunciar tres leyes que se ajustaban a una teoría heliocéntrica modificada

· Los planetas describen órbitas elípticas estando el Sol en uno de sus focos

·El vector posición de cualquier planeta respecto del Sol, barre áreas iguales de la elipse en tiempos iguales.

·Los cuadrados de los periodos P de revolución son proporcionales a los cubos de los semiejes mayores a de la elipse.

P2=k·a3

Galileo, tras oír hablar del telescopio construyo uno y en 1609 pudo confirmar el sistema heliocéntrico observando las fases de Venus.No se limito solo a la astronomía usando planos inclinados y un reloj de agua demostró que los cuerpos tardan lo mismo en caer independientemente de su masa. Estos trabajos precedieron la obra de uno de los científicos mas grandes de la historia, Isaac Newton

El posterior desarrollo de la mecánica debe mucho a las leyes de Newton, especialmente a la segunda.Newton desarrollo los principios de la mecánica, formulo la ley de la gravitación universal, separo la luz blanca e invento el calculo diferencial e integral

·Ley de la inercia: Todo cuerpo permanece en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que otros cuerpos actúen sobre él.

·Principio fundamental de la dinámica: La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración.

·Principio de acción y reacción: Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.

La contribución mas especifica de Newton fue la explicación de la fuerza de la gravedad. En la actualidad se sabe que solo existen otras tres fuerzas q originan todas las propiedades del universo; el electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil

La comprensión de concepto de fuerza se remonta a la ley de la gravitacion universal, que materiales poseen una propiedad denominada masa gravitacional, esta fuerza hace que dos partículas reconocía que todas las partículas cualesquiera ejerzan entre si una fuerza atractiva directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa

La fuerza gravitacional es la mas débil de las cuatro fuerzas de la naturaleza, sin embargo la gravedad es la fuerza dominante a escala macroscópica. Esto es debido a que solo existe un tipo de masa y por tanto solo un tipo de fuerza gravitacional, siempre atractiva y además actúa a cualquier distancia, mientras que las fuerzas electromagnéticas pueden anularse al ser posivitas y negativas y las interacciones nucleares tienen un alcance corto

Durante los dos siglos posteriores a Newton, no se aportaron nuevas ideas físicas. Diferentes físicos y matemáticos ampliaron la segunda ley de Newton. Otros investigadores ampliaron la mecánica newtoniana y sentaron las bases de la mecánica de fluidos

Electromagnetismo

ORIGEN DEL MAGNETISMO

• Los griegos conocían las propiedades del ámbar, los chinos fueron los primeros en usar esas propiedades para la navegación empleaban brújulas magnéticas para encontrar su rumbo en mar abierto.

• William Gilbert en 1600 descubrió que muchas sustancias tenían la capacidad de atraer objetos ligeros cuando se frotaban y su aportación más importante fue la demostración experimental de la naturaleza magnética de la Tierra.

Campo magnético de la Tierra

En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción magnética y eléctrica. Con este invento, Coulomb pudo establecer el principio, conocido ahora como ley de Coulomb, que rige la interacción entre las cargas eléctricas. En 1785 confirmó experimentalmente la ley que lleva su nombre, y que permite calcular la fuerza entre las cargas eléctricas.

• Más tarde el matemático francés Siméon Denis Poisson y su colega alemán Carl Friedrich Gauss desarrollaron una potente teoría para calcular el efecto de un número indeterminado de cargas eléctricas estáticas arbitrariamente distribuidas

Ecuaciones de Maxwell

J. C. Maxwell en 1873 resumió las propiedades conocidas de los fenómenos magnéticos en cuatro ecuaciones. La primera relaciona el campo eléctrico E que atraviesa una superficie A con la carga eléctrica Q contenida dentro de la superficie. La segunda ecuación relaciona el campo magnético B que atraviesa una superficie A con la carga magnética contenida en la superficie, y afirma que dicha carga es nula, es decir, que no existen cargas magnéticas. La tercera ecuación describe dos formas de inducir un campo magnético B en una espira circular l. Una de ellas implica el movimiento de cargas en una corriente eléctrica Ι, y la otra implica un flujo eléctrico variable. La cuarta ecuación describe la forma de inducir un campo eléctrico E mediante un flujo magnético variable.

TEORIA ELECTROMAGNETICA• En 1819 Hans Christian Oersted descubrió la

relación entre la electricidad y el magnetismo. Al ver que una aguja magnética se podía moverse por una corriente eléctrica.

• André Marie Ampère demostró experimentalmente que dos cables por los que circula una corriente ejercen una influencia mutua igual a la de los polos de un imán.

• Michael Faraday descubrió el fenómeno conocido como inducción electromagnética al observar que en un cable que se mueve en un campo magnético aparece una corriente

Las líneas del campo magnético rodean el cable por el que fluye la corriente.

Michael Faraday

APLICACIONES DE HOY

• El electroimán es la base de los motores eléctrico y transformadores

• Materiales magnéticos para componentes de ordenadores (Dico duro)

• Los imanes grades son usados en los trenes de levitación magnética

• Los imanes superconductores se emplean

en los aceleradores de partículas

Relatividad

TEORIA DE LA RELATIVIDAD

La teoría de la relatividad de Einstein nació del hecho de que la luz o bien podría propagarse a favor o en contra del movimiento terrestre, en el primer caso parecería moverse mas rápidamente que en el segundo.

Sin embargo medidas muy cuidadosas demostraron que la velocidad de la luz nunca variaba fuese cual fuese el movimiento de la fuente que emitía la luz.

Einstein dijo entonces que debíamos de suponer que la velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma en cualesquiera circunstancias y que para ello había que aceptar una serie de fenómenos inesperados.

Halló:

1º:Los objetos deben de acortarse en la dirección del movimiento, tanto mas cuanto mayor fuese su velocidad hasta el limite de la velocidad de la luz donde se hace nula.

2º:La masa de los objetos debe hacerse mayor a medida que aumenta la velocidad hasta hacerse infinita en el limite de la velocidad de la luz.

3º:El tiempo de paso en un objeto era cada vez mas pequeño a medida que aumentaba la velocidad de la luz hasta llegar a pararse en dicho limite.

4º:La masa era equivalente a una cierta cantidad de energía y la energía era equivalente a una cierta cantidad de masa

Todo esto se elaboro en 1905 en la enunciada como “Teoría especial de la relatividad” , que se ocupaba de cuerpos con velocidad constante.

En 1915 extrajo consecuencias aun mas sutiles para objetos con velocidad variable incluyendo una descripción de los efectos gravitatorios. Entonces se paso a llamar “Teoría general de relatividad”.

Los cambios predichos por Einstein solo son notables a grandes velocidades, tales velocidades solo han sido observadas entre partículas subatómicas viéndose que se daban los cambios dichos por Einstein y con bastante exactitud.

Si la teoría de la relatividad de Einstein fuese incorrecta los aceleradores de partículas no podrían funcionar, las bombas atómicas no explotarían y habría ciertas observaciones astronómicas que no se podrían hacer.

Pero a velocidades pequeñas los cambios son tan pequeños que se pueden ignorar, para estos casos rige la aritmética elemental de las leyes de Newton y como a estas leyes ya estamos acostumbrados nos parecen de sentido común, mientras que las leyes de Einstein se nos hacen extrañas.

Física Cuántica

El comienzo de la física cuántica esta vinculado a la figura de Max Planck. Ya que fue el primero en resolver el dilema planteado por los espectros de emisión de los cuerpos sólidos. En 1900 Planck formuló que la energía se radia en unidades pequeñas separadas denominadas cuantos. Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la constante de Planck.

La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros científicos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron los cimientos para la investigación en campos como el de la energía atómica. Reconoció en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificación de la radiación electromagnética expuestas por Albert Einstein, con quien colaboró a lo largo de su carrera

Otro papel importante fue el estudio del efecto fotoeléctrico realizado por Albert Einstein el que sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal.

Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz.

Según Bohr en los átomos existían ciertas órbitas en las que los electrones giran sin emitir radiación electromagnética. Estas órbitas permitidas, los llamados estados estacionarios, están determinadas por la condición de que el momento angular J del electrón de la órbita tiene que ser un múltiplo entero positivo de la constante de Planck dividida entre 2p. Estas fórmulas extendieron la ‘cuantización’ a la dinámica, fijaron las órbitas posibles y permitieron a Bohr calcular los radios de las mismas y los niveles de energía correspondientes. En 1913, el año en que apareció el primer trabajo de Bohr sobre este tema, el modelo fue confirmado experimentalmente por el físico estadounidense nacido en Alemania James Franck y su colega alemán Gustav Hertz.

Bohr desarrolló su modelo con mucha mayor profundidad. Explicó el mecanismo por el que los átomos emiten luz y otras ondas electromagnéticas y propuso la hipótesis de que un electrón ‘elevado’ por una perturbación suficiente desde la órbita de menor radio y menor energía (el estado fundamental) hasta otra órbita vuelve a ‘caer’ al estado fundamental al poco tiempo. Esta caída está acompañada de la emisión de un único fotón con energía E = hf, que corresponde a la diferencia de energía entre las órbitas superior e inferior. Cada transición entre órbitas emite un fotón característico cuya longitud de onda y frecuencia están exactamente definidas;. Este modelo permitió a Bohr explicar con gran precisión el espectro atómico más sencillo, el del hidrógeno, que había desafiado a la Física clásica. Aunque el modelo de Bohr se amplió y perfeccionó, no podía explicar los fenómenos observados en átomos con más de un electrón. Ni siquiera podía explicar la intensidad de las rayas espectrales del sencillo átomo de hidrógeno.

Dualidad Partícula-Onda En la física clásica la radiación electromagnética tenia naturaleza ondulatoria y la materia naturaleza corpuscular,y estas eran dos cosas distintas. Las ondas pertenecían al ámbito de la propagación de la energía y las partículas al d la constitución de la materia.En 1905 Einstein había propuesto ya q la radiación de la luz se comportaba como una partícula, pero no había sacado todas las consecuencias de este resultado.

A partir de 1920 una serie de descubrimientos empiezan a borrar la separación radical entre partícula y onda y dan un nuevo impulso a la teoría cuántica. Arthur H.Compton estudiando la difusión de los rayos X por elementos como el carbono encontró q la radiación dispersada sufría un aumento en la longitud de onda.De esta forma podían chocar con un electrón y dispersarse perdiendo energía lo que conllevaba una disminución de su frecuencia. Este descubrimiento puso de manifiesto que toda radiación electromagnética presenta un doble comportamiento como onda y como partícula.