Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Velocidad de escape y velocidad orbital


Introducción

La velocidad de escape y la velocidad orbital son conceptos importantes para comprender el movimiento bajo la influencia de la gravedad. Explican qué tipo de velocidad necesitan los objetos en el espacio para escapar de la atracción gravitatoria de los cuerpos celestes u orbitarlos. Vamos a profundizar en estos conceptos, explicándolos de manera sencilla utilizando ejemplos y representaciones visuales.

Gravedad: un repaso rápido

En términos simples, la gravedad es la fuerza que atrae a dos objetos entre sí. En la Tierra, la gravedad da peso a los objetos físicos y los atrae hacia el centro del planeta. Sir Isaac Newton formuló la ley de la gravitación universal, que establece que cada punto de masa atrae a cada otro punto de masa en el universo con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre sus centros.

F = G * (m1 * m2) / r^2

Dónde:

  • F es la fuerza gravitatoria
  • G es la constante gravitatoria
  • m1 y m2 son las masas de los dos objetos
  • r es la distancia entre los centros de las dos masas

Velocidad orbital

Comencemos con la velocidad orbital. Cuando un objeto orbita un planeta, se mueve tan rápido que su trayectoria sigue la curvatura del planeta. Para lograr una órbita estable, el objeto necesita una velocidad específica conocida como velocidad orbital.

La velocidad orbital v para una órbita circular cerca de la superficie de un planeta es:

v = sqrt(G * M / r)

Dónde:

  • M es la masa del planeta
  • r es el radio de la órbita, que es aproximadamente igual al radio del planeta si estás muy cerca de su superficie

Comprender esto a través de un ejemplo lo hará aún más claro. Si quieres que un satélite orbite la Tierra, debes darle la velocidad adecuada para que se mantenga sobre la superficie y no caiga de nuevo a la Tierra.

Tierra Satélite Camino orbital

En la figura de arriba, el punto verde representa un satélite. Orbita la Tierra en un camino circular, lo que significa que su velocidad es la justa para mantener su órbita en lugar de caer a la superficie debido a la gravedad.

Velocidad de escape

Ahora, hablemos sobre la velocidad de escape. Es la velocidad requerida para liberarse de la atracción gravitatoria de un planeta o luna sin propulsión adicional. Imagina que estás tratando de lanzar un cohete al espacio. Para asegurarte de que no caiga de nuevo, debe alcanzar la velocidad de escape.

La fórmula para la velocidad de escape ve es:

ve = sqrt(2 * G * M / r)

Nota que esto es similar a la fórmula para la velocidad orbital, pero con un factor de 2 debajo de la raíz cuadrada, lo que indica la mayor energía necesaria para superar completamente la gravedad.

Visualízalo con este ejemplo. Si estás en la Tierra y lanzas una pelota, eventualmente volverá a caer. Pero si puedes lanzarla a la velocidad de escape o más, la pelota continuará viajando en el espacio y no volverá.

Tierra Camino a velocidad de escape

En este diagrama, la línea roja representa el camino de un objeto moviéndose a velocidad de escape. Esto es lo suficientemente rápido como para escapar de la atracción gravitatoria de la Tierra.

Comparación de velocidades orbitales y de escape

Hace una gran diferencia si un objeto está tratando de orbitar un cuerpo planetario o escaparse de él. La velocidad orbital es necesaria para orbitar alrededor de un cuerpo, mientras que la velocidad de escape garantiza que el objeto abandone el campo gravitatorio para siempre.

La relación entre ellas puede expresarse de la siguiente manera:

ve = sqrt(2) * v

Con esta comprensión básica, los proyectiles destinados a entrar o escapar de la órbita alrededor de la Tierra requerirán velocidades iniciales significativamente diferentes:

  • La velocidad orbital para la superficie de la Tierra es de unos 7.9 kilómetros por segundo (km/s).
  • La velocidad de escape para la superficie de la Tierra es de unos 11.2 km/s.

Esto significa que un objeto debe viajar aproximadamente 1.4 veces más rápido para liberarse de la gravedad de la Tierra de lo que necesitaría para mantener una órbita estable.

Consideraciones prácticas

Entonces, ¿qué significa esto para los viajes espaciales y los satélites? Comprender y alcanzar las velocidades correctas es crucial. Los ingenieros equilibran el combustible, la carga útil y la velocidad para diseñar misiones con éxito. Ya sea que el objetivo sea poner satélites alrededor de la Tierra o lanzar sondas a planetas distantes, las velocidades de escape y orbitales son factores importantes en la planificación.

Por ejemplo, un satélite necesita alcanzar su velocidad orbital para asegurarse de que permanezca en el aire y funcione como se espera manteniendo redes de comunicación, observaciones meteorológicas o servicios de GPS. Por otro lado, misiones como enviar rovers a Marte necesitan alcanzar la velocidad de escape para abandonar la influencia de la Tierra y entrar en trayectorias alineadas con objetivos más lejanos.

Reflexiones finales

Comprender los conceptos de velocidad de escape y velocidad orbital es vital en el estudio de la física y para comprender nuestro universo. Determinan cómo se mueven los objetos dentro y fuera del campo gravitatorio de un planeta. Aprender a calcular y usar estas velocidades abre la puerta a la exploración espacial y al asombro por las posibilidades más allá de nuestros límites terrenales.


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Velocidad de escape y velocidad orbital

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