Tutor de físicaTutor de física
62 temas de física explicados en tres niveles, con fórmulas, figuras y pruebas.
Mecánica
Movimiento rectilíneoDónde, a qué velocidad y en cuánto tiempo: posición , velocidad y aceleración , el lenguaje para describir cómo se mueven las cosas en línea recta.
Vectores y movimiento relativoFlechas con tamaño y dirección: cómo sumar y descomponer vectores, la regla de la velocidad relativa y por qué una barca que apunta directamente a la otra orilla llega río abajo.
Caída libreMovimiento bajo la sola acción de la gravedad: todo cuerpo gana la misma velocidad hacia abajo cada segundo, , así que desde el reposo y , y una bola pesada y una ligera llegan a la vez.
Tiro parabólicoLanzamientos, chutes y saltos: una trayectoria curva dividida en dos movimientos rectilíneos, uno horizontal uniforme con y una caída libre con .
Leyes de NewtonPor qué las cosas arrancan, se detienen y giran: la fuerza , la masa y las tres leyes que las relacionan, con en el centro.
Rozamiento y plano inclinadoEl rozamiento se opone al deslizamiento: en reposo puede llegar a y, al deslizar, vale . En una pendiente de ángulo , un bloque que baja deslizando acelera con , sea cual sea su masa.
Movimiento circularPor qué todo lo que se mueve en una circunferencia acelera siempre hacia el centro, aunque su rapidez sea constante: , aportada por una fuerza real hacia dentro, .
Cantidad de movimiento y choquesCantidad de movimiento : por qué la cantidad de movimiento total de los cuerpos que chocan nunca cambia, mientras que su energía cinética a veces sí.
Dinámica de rotación y momento de fuerzaCómo las fuerzas hacen girar los objetos: el momento de fuerza , el momento de inercia y la segunda ley de Newton para la rotación, .
Equilibrio estático y palancasPor qué las cosas se quedan quietas: las fuerzas deben anularse, , y también sus efectos de giro, , en balancines, palancas, vigas y objetos que pueden volcar.
El momento angular y su conservaciónPor qué una patinadora gira más rápido al recoger los brazos: el momento angular se mantiene constante mientras no actúe un momento externo.
Gravitación y órbitasPor qué los planetas y los satélites caen sin llegar nunca a tocar el suelo: la ley del inverso del cuadrado de Newton, , y las tres leyes de Kepler de las órbitas.
Energía y oscilaciones
Trabajo, energía y potenciaTrabajo , energía cinética , energía potencial y potencia : cómo las fuerzas transfieren energía y por qué el total se conserva.
Máquinas simples: palancas, poleas y engranajesCómo palancas, poleas y engranajes cambian fuerza por distancia: la ventaja mecánica , el balance de trabajo de una máquina ideal y el rendimiento de una real.
Elasticidad: ley de Hooke, esfuerzo y deformaciónPor qué un resorte se estira en pasos iguales, , dónde deja de cumplirse esa regla y cómo el esfuerzo , la deformación unitaria y el módulo de Young describen cualquier material elástico.
Movimiento armónico simpleMuelles y péndulos: una fuerza recuperadora proporcional al desplazamiento, , produce una oscilación regular cuyo periodo no depende de la amplitud.
Amortiguamiento y resonanciaPor qué las oscilaciones reales se apagan como , cómo el amortiguamiento pasa de débil a crítico, , y a fuerte, y cómo pequeños empujones acompasados construyen una resonancia de amplitud .
Fluidos
Presión en fluidos y principio de PascalLa presión crece con la profundidad como , y un líquido transmite íntegramente cualquier empujón añadido a todos sus puntos, de modo que una fuerza pequeña sobre un pistón estrecho puede levantar un coche.
Flotación y principio de ArquímedesPor qué las cosas flotan o se hunden: un fluido empuja un cuerpo hacia arriba con una fuerza igual al peso del fluido que desaloja, .
Principio de BernoulliDonde un fluido se acelera, su presión baja: la continuidad, , y la ecuación de Bernoulli, , en un tubo de Venturi.
Fuerza de arrastre y velocidad terminalPor qué los cuerpos que caen dejan de acelerar: el arrastre crece con la rapidez, como , hasta equilibrar el peso en la velocidad terminal . La viscosidad , los paracaídas y las formas aerodinámicas completan el cuadro.
Ondas y sonido
Fundamentos de las ondasUna onda lleva energía de un lugar a otro mientras el medio solo oscila donde está; su velocidad, su frecuencia y su longitud de onda quedan ligadas por .
El sonido y el efecto DopplerPor qué una sirena que pasa suena más grave: el movimiento comprime o estira las ondas que te llegan, así que una fuente que se acerca a se oye a , donde es la velocidad del sonido.
Sonoridad, intensidad y decibeliosPor qué los sonidos se debilitan con la distancia, , y cómo la escala de decibelios reduce un enorme rango de intensidades a números cotidianos.
Ondas estacionariasPor qué una cuerda de guitarra solo da ciertas notas: las ondas atrapadas entre dos extremos fijos deben encajar un número entero de medias longitudes de onda, , y por eso solo sobreviven las frecuencias .
Interferencia y superposiciónCuando las ondas se solapan, sus desplazamientos simplemente se suman, : según la diferencia de camino se refuerzan o se anulan, y con frecuencias algo distintas producen pulsaciones.
Óptica
Reflexión y refracciónLa luz sale de un espejo con el ángulo con que llega, , y se desvía en una frontera según la ley de Snell, , porque cambia su velocidad ; dentro del vidrio o del agua, más allá del ángulo crítico , queda atrapada por reflexión interna total.
Prismas, dispersión y colorCada color tiene su propio índice de refracción , así que un prisma abre la luz blanca en un espectro y las gotas de lluvia devuelven un arcoíris a unos 42°; las luces de colores se suman, mientras que las pinturas se restan.
Lentes y espejosUna lente delgada o un espejo curvo de distancia focal forma una imagen a la distancia que da , con aumento ; una lente convergente la hace real e invertida si el objeto está más allá del foco, y virtual, derecha y ampliada si está dentro de él.
El ojo, la cámara y el telescopioCómo enfoca el ojo con una potencia de unas 60 D mientras una cámara mueve su objetivo, cómo corrigen las gafas la miopía y la hipermetropía, y cómo las lupas, los microscopios y los telescopios agrandan el ángulo bajo el que vemos las cosas.
Difracción y experimento de la doble rendijaLa luz que atraviesa dos rendijas estrechas separadas una distancia forma franjas brillantes donde y franjas oscuras entre ellas: el experimento clásico que muestra que la luz se comporta como una onda.
Polarización de la luzEl campo eléctrico de la luz vibra perpendicularmente al haz, en una dirección llamada polarización. Un polarizador deja pasar la mitad de la luz no polarizada, , un segundo a un ángulo deja pasar , y los reflejos cerca del ángulo de Brewster están polarizados: la física de las gafas de sol, las pantallas LCD y el cine 3D.
Calor y termodinámica
Temperatura y calorTemperatura , calor y calor específico : por qué un cuerpo caliente se enfría y uno frío se calienta hasta igualarse, y cuánta energía hace falta para ello, .
Dilatación térmicaPor qué los puentes tienen juntas, los termostatos hacen clic y los lagos se congelan por arriba: casi todos los materiales crecen al calentarse, en una cantidad .
Cambios de estado y calor latentePor qué el hielo que se funde y el agua que hierve absorben calor sin calentarse más, y cuánto calor requiere cada cambio de estado: , con y para el agua.
Conducción, convección y radiaciónLas tres formas en que viaja el calor: conducción a través de la materia, ; convección con líquidos y gases en movimiento; y radiación, sobre todo infrarroja, que cruza incluso el espacio vacío, .
Teoría cinética de los gasesLa presión y la temperatura explicadas por innumerables moléculas que vuelan, chocan y rebotan en las paredes: sus impactos explican , y la temperatura mide su energía cinética media, .
Primera ley de la termodinámica y máquinas térmicasLa energía se conserva, , y un motor térmico convierte en trabajo parte del calor que fluye de lo caliente a lo frío, pero nunca todo: como máximo, la fracción .
La segunda ley de la termodinámica y la entropíaPor qué el calor pasa de lo caliente a lo frío, por qué un gas se esparce y nunca vuelve a juntarse por sí solo, y cómo la entropía, , da al tiempo su dirección.
Electricidad
Carga eléctrica y electricidad estáticaLa carga eléctrica tiene dos signos y es un múltiplo entero de la carga elemental, ; frotar solo traslada electrones de un cuerpo a otro, así que el total se conserva, y un cuerpo cargado atrae incluso a los neutros al polarizarlos.
Ley de CoulombDos cargas puntuales y , separadas una distancia , se empujan o se atraen con fuerzas iguales y opuestas de módulo : de repulsión si las cargas son del mismo signo y de atracción si son de signos opuestos.
Campo y potencial eléctricosUna carga llena el espacio que la rodea con un campo eléctrico , la fuerza sobre cada culombio, y con un potencial , la energía de cada culombio: una carga positiva es empujada en el sentido de , de alto a bajo.
CondensadoresDos placas que almacenan carga separada, , y energía, ; cargadas a través de una resistencia, se llenan deprisa al principio y cada vez más despacio después, a un ritmo fijado por .
Corriente eléctrica y resistenciaQué es realmente una corriente eléctrica , por qué los electrones avanzan a paso de tortuga, con una velocidad de deriva , mientras la señal vuela, y cómo el material, la longitud y el grosor de un cable fijan su resistencia, .
Circuitos de corriente continua y ley de OhmCómo la fem de una pila mantiene una intensidad constante a través de resistencias, y cómo la ley de Ohm, , relaciona tensión, intensidad y resistencia.
Potencia y energía eléctricas en casaLa potencia es lo deprisa que un aparato toma energía, el contador suma la energía en kilovatios-hora, y los fusibles y los automáticos mantienen la intensidad lo bastante baja para que los cables no se calienten demasiado.
Magnetismo y electromagnetismo
Campos magnéticos de imanes y corrientesDe dónde proceden los campos magnéticos: imanes, la Tierra y toda corriente eléctrica. Alrededor de un cable recto y largo, el campo lo rodea en circunferencias y se debilita con la distancia según .
Fuerza magnética sobre cargas en movimientoUn campo magnético empuja de lado a una carga en movimiento, , y por eso curva su trayectoria en una circunferencia de radio sin cambiar nunca su rapidez.
Inducción electromagnéticaCómo un flujo magnético variable a través de una bobina induce una fem : la ley de Faraday, la ley de Lenz para su sentido y el generador.
Motores, generadores y transformadoresCómo la fuerza sobre una corriente en un campo magnético mueve los motores, cómo una bobina que gira a genera una fem alterna y cómo un transformador cambia la tensión en la proporción de sus espiras, .
Ondas electromagnéticasLa luz, la radio y los rayos X son ondulaciones viajeras de los campos eléctrico y magnético, y , que cruzan el espacio vacío a ; solo difieren en la longitud de onda, con .
Física moderna
Relatividad especialPor qué los relojes en movimiento atrasan, , las reglas en movimiento se acortan, , y nada con masa puede alcanzar la velocidad de la luz , donde el factor de Lorentz crece sin límite.
La gravedad como curvatura del espacio-tiempoLa relatividad general: la masa y la energía curvan el espacio-tiempo, así que los relojes cerca de una masa marchan más despacio, , y la luz se desvía . Una masa comprimida dentro de se convierte en un agujero negro, y las masas aceleradas emiten ondas gravitacionales.
Radiación de cuerpo negro y cuantosPor qué brillan las cosas calientes, por qué su color pasa del rojo al blanco a medida que la longitud de onda del pico, , se acorta y la potencia radiada crece como , y cómo explicar ese brillo obligó a Planck a inventar los cuantos de energía, .
Efecto fotoeléctricoLa luz arranca electrones de un metal fotón a fotón, y cada fotón lleva : el color decide si ocurre (), y el brillo solo cuántos electrones salen.
Modelos atómicos: el átomo de BohrElectrones en niveles de energía fijos, en el hidrógeno: cada salto entre dos niveles emite o absorbe un fotón cuya energía es igual a su diferencia, así que cada átomo brilla con sus propios colores nítidos, la huella dactilar de su espectro.
Semiconductores, diodos y LEDPor qué el silicio no es ni un metal ni un aislante: la banda prohibida , el dopaje y la unión p-n en que se basan los diodos, las células solares, los transistores y los LED, cuyo color sigue .
Radiactividad y semividaLos núcleos inestables se desintegran en instantes aleatorios, y aun así el número de núcleos sin desintegrar en una muestra grande se reduce a la mitad en un tiempo fijo, la semivida : .
Fisión, fusión y E = mc²Partir núcleos pesados y fusionar núcleos ligeros libera energía, porque los productos están más fuertemente ligados y son algo más ligeros: la masa perdida sale en forma de energía, .
Dualidad onda-corpúsculoLos electrones y los fotones viajan como ondas pero se detectan como partículas: enviados de uno en uno por dos rendijas, llegan como puntos sueltos que van formando franjas determinadas por la longitud de onda de De Broglie .
Ecuación de Schrödinger y efecto túnelLa función de onda da las probabilidades de encontrar una partícula mediante , y la ecuación de Schrödinger determina su forma: en una caja solo se permiten las energías , y una barrera más alta que la energía de la partícula aun así puede atravesarse, con una probabilidad que cae como con la anchura .
Partículas y fuerzas: el modelo estándarTodo lo que te rodea está hecho de un puñado de quarks y leptones, como el de un protón, unidos por fuerzas que actúan intercambiando partículas mensajeras: un mediador de masa llega solo a unos .