Grado 12
  1. Mecánica avanzada  1.1. Dinámica  1.1.1. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.2. Ecuaciones avanzadas de movimiento y alcance de proyectiles  1.1.3. Movimiento relativo en diferentes marcos de referencia  1.1.4. Movimiento de partículas cargadas en campos eléctricos y magnéticos  1.1.5. Movimiento no uniformemente acelerado en múltiples dimensiones  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes de Newton y aplicaciones en marcos no inerciales  1.2.2. Dinámica de sistemas de partículas  1.2.3. Fuerzas no conservativas y disipación de energía  1.2.4. Momento en sistemas de masa variable (momento del cohete)  1.2.5. Mecánica Lagrangiana y Hamiltoniana (Introducción)  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por fuerzas no conservativas  1.3.2. Potencia en movimiento rotacional y traslacional  1.3.3. Leyes de Conservación Avanzadas y Aplicaciones  1.3.4. Superficie de energía potencial y estabilidad  1.4. Velocidad de rotación avanzada  1.4.1. Torque en tres dimensiones  1.4.2. Momento de inercia para cuerpos irregulares  1.4.3. Movimiento giroscópico y precesión  1.4.4. Teorema del trabajo-energía rotacional  1.4.5. Ecuaciones de Euler del movimiento rotacional  1.5. Fuerza gravitacional  1.5.1. Advanced Orbital Mechanics  1.5.2. Puntos de Lagrange y estabilidad de órbitas  1.5.3. Dilatación gravitacional del tiempo  1.5.4. Velocidad de escape y consideraciones energéticas  1.5.5. Fuerza de marea y el límite de Roche
  2. Mecánica de fluidos y termodinámica  2.1. Dinámica de fluidos  2.1.1. Aplicaciones del Principio de Bernoulli  2.1.2. Ecuaciones de Navier-Stokes y resistencia de fluidos  2.1.3. Flujo Turbulento vs. Laminar  2.1.4. Tensión superficial y acción capilar  2.2. Física Térmica Avanzada  2.2.1. Equilibrio termodinámico y motores térmicos  2.2.2. Entropía y la Segunda Ley de la Termodinámica  2.2.3. El demonio de Maxwell y la termodinámica estadística  2.2.4. Potencial termodinámico y energía libre
  3. Oscilaciones y ondas  3.1. Movimiento Armónico Simple Avanzado  3.1.1. Oscilaciones acopladas y modos normales  3.1.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  3.1.3. Espacio de fase y resonancia  3.1.4. Oscilaciones anharmónicas  3.2. Movimiento ondulatorio  3.2.1. Ecuaciones de ondas avanzadas y dispersión  3.2.2. Ondas de Choque y Estallidos Sónicos  3.2.3. Efecto Doppler en ondas electromagnéticas  3.2.4. Dualidad onda–partícula
  4. Electromagnetismo  4.1. Electrostática  4.1.1. La ley de Gauss en la distribución de carga unilateral  4.1.2. Potencial eléctrico para configuración de carga compleja  4.1.3. Energía electrostática y autoenergía de un sistema  4.1.4. Dielectrics y Polarización  4.2. Electricidad Actual  4.2.1. Análisis avanzado de circuitos (teoremas de Thevenin y Norton)  4.2.2. Circuitos RC, RL y RLC en CA y CC  4.2.3. Superconductividad y aplicaciones  4.3. Magnetismo avanzado e inducción electromagnética  4.3.1. Campos magnéticos en conductores y plasma  4.3.2. La ley de Lenz en campos magnéticos dependientes del tiempo  4.3.3. Corrientes Parásitas y Aplicaciones  4.3.4. Momento de dipolo magnético y torque en bucles de corriente eléctrica  4.4. Corriente Alterna y Ondas Electromagnéticas  4.4.1. Circuitos LC y resonancia  4.4.2. Las ecuaciones de Maxwell y la transmisión de ondas electromagnéticas  4.4.3. Aplicaciones de las ondas electromagnéticas  4.4.4. Polarización y reflexión de ondas electromagnéticas
  5. Óptica  5.1. Óptica Geométrica  5.1.1. Aberraciones en sistemas ópticos  5.1.2. Fórmulas avanzadas de lentes y espejos  5.1.3. Instrumentos ópticos y óptica adaptativa  5.2. Óptica de ondas  5.2.1. Difracción en rendijas simples y múltiples  5.2.2. Coherencia Óptica e Interferometría  5.2.3. Holografía y aplicaciones
  6. Física moderna y cuántica  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Dilatación del tiempo y contracción de la longitud  6.1.2. Energía y masa relativista  6.1.3. Efecto Doppler relativista  6.2. Mecánica cuántica  6.2.1. Ecuación de Schrödinger y función de onda  6.2.2. Túnel cuántico y aplicaciones  6.2.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  6.2.4. Superposición cuántica y entrelazamiento  6.3. Física nuclear  6.3.1. Energía de enlace y defecto de masa  6.3.2. Física de neutrinos y decaimiento beta  6.3.3. Fisión y Fusión Nuclear  6.4. Física de partículas  6.4.1. Modelo Estándar e interacciones fundamentales  6.4.2. El bosón de Higgs y la ruptura de simetría  6.4.3. Antimateria y violación de CP
  7. Astrofísica y cosmología  7.1. Relatividad general y gravedad  7.1.1. Ecuaciones de campo de Einstein  7.1.2. Ondas gravitacionales y su detección  7.1.3. Agujeros negros y horizontes de eventos  7.2. Cosmología  7.2.1. Materia oscura y energía oscura  7.2.2. Radiación de fondo cósmico de microondas  7.2.3. La expansión del universo y la ley de Hubble

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Astrofísica y cosmología


La astrofísica y la cosmología son ramas fascinantes de la física que tratan sobre el estudio del universo y sus componentes. Estos campos han fascinado a científicos y legos por igual durante siglos debido a la inmensidad y los misterios del universo. En esta lección, explicamos los conceptos básicos de estos temas en términos sencillos, adecuados para cualquiera interesado en comprender nuestro universo y sus principios subyacentes.

Diferencia entre astrofísica y cosmología

Antes de profundizar más, es importante diferenciar entre astrofísica y cosmología. Si bien ambos campos se superponen y contribuyen a nuestra comprensión del universo, se centran en aspectos diferentes.

  • Astrofísica: Este campo se centra principalmente en comprender las propiedades físicas y los procesos de los objetos celestes, como estrellas, planetas, galaxias, agujeros negros y otros fenómenos astronómicos. Implica aplicar los principios de la física a los datos obtenidos de observaciones astronómicas.
  • Cosmología: El alcance de la cosmología es amplio, tratando sobre el origen, evolución, estructura y destino final de todo el universo. Aborda preguntas relacionadas con la teoría del Big Bang, la expansión del universo, la materia oscura y la energía oscura.

El cielo nocturno: nuestra ventana al universo

Al mirar hacia el cielo nocturno, ves innumerables estrellas y posiblemente unos pocos planetas. Pero, ¿qué son exactamente estos objetos?

Estrellas

Las estrellas son enormes bolas de gas, principalmente hidrógeno y helio, donde se produce la fusión nuclear. Esta fusión produce energía, la cual vemos como luz.

E = mc^2

En esta famosa ecuación de Albert Einstein, E representa la energía, m representa la masa, y c representa la velocidad de la luz. Esta ecuación describe cómo la materia se convierte en energía en las estrellas.

Planetas

Los planetas son cuerpos que orbitan estrellas y no producen luz mediante la fusión nuclear. En nuestro sistema solar, distinguimos entre planetas terrestres como la Tierra y Marte y gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno.

Galaxias: Islas de las Estrellas

Las galaxias son enormes sistemas que contienen miles de millones de estrellas, planetas y otros cuerpos celestes, todos ligados entre sí por la gravedad. Nuestro sistema solar es parte de la galaxia Vía Láctea.

Las galaxias vienen en una variedad de formas y tamaños, incluyendo espirales, elípticas e irregulares. Nuestra galaxia es una galaxia espiral, caracterizada por un disco giratorio de estrellas y brazos espirales.

El Big Bang y el universo en expansión

Hoy en día, la mayoría de los científicos creen que el universo comenzó con el Big Bang hace unos 13,8 mil millones de años. Esta teoría afirma que el universo comenzó como un punto extremadamente caliente y denso, que se expandió rápidamente.

La Ley de Hubble

En la década de 1920, Edwin Hubble descubrió que las galaxias se alejan de nosotros, lo que sugiere que el universo está en expansión. La ley de Hubble se puede expresar como:

v = H₀ * d

Aquí, v es la velocidad a la que se aleja la galaxia, H₀ es la constante de Hubble, y d es la distancia a la galaxia.

Galaxia A Galaxia B

Esto nos lleva a la conclusión de que el universo era mucho más pequeño en el pasado y está en continua expansión, lo cual es un concepto central de la cosmología.

Materia oscura y energía oscura

A pesar de los increíbles avances en astronomía, muchos fenómenos en el universo aún permanecen sin explicación. La materia oscura y la energía oscura son dos grandes misterios.

Materia oscura

La materia oscura es una forma de materia que no emite ni interactúa con la radiación electromagnética, haciéndola invisible y sólo detectable a través de sus efectos gravitacionales. Se piensa que constituye aproximadamente el 27% del universo.

Energía oscura

La energía oscura es una forma desconocida de energía que se cree que impregna todo el espacio, haciendo que el universo se expanda más rápido. Se piensa que constituye aproximadamente el 68% del universo.

Materia oscura Energía oscura

El resto del universo (aproximadamente un 5%) está compuesto de materia ordinaria, los bloques de construcción de galaxias, estrellas y planetas.

Agujeros negros

Los agujeros negros son regiones en el espacio donde la gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Se forman cuando estrellas masivas colapsan bajo su propia gravedad al final de sus ciclos de vida.

Los agujeros negros se identifican comúnmente por su horizonte de eventos, el punto de no retorno, y su singularidad, donde la densidad se vuelve infinita.

Comprender los agujeros negros puede proporcionar información sobre el comportamiento de los campos gravitacionales extremos y la naturaleza del espacio y el tiempo.

Radiación cósmica de fondo de microondas

Una de las principales evidencias de la teoría del Big Bang es la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB). Esta radiación es la radiación térmica que quedó del Big Bang, considerada ampliamente como la primera luz en el universo.

La CMB aparece como un débil brillo en la parte de microondas del espectro electromagnético, que impregna el universo y ofrece una instantánea del universo recién nacido.

El futuro del universo

Los cosmólogos consideran varias posibilidades respecto al destino final del universo, incluyendo el Gran Congelamiento, el Gran Colapso y el Gran Desgarro.

  • Gran congelamiento: Si el universo continúa expandiéndose, las estrellas eventualmente se apagarán, las galaxias se dispersarán y el universo alcanzará un estado de equilibrio térmico.
  • Gran Colapso: El escenario opuesto en el que la gravedad podría desacelerar la expansión, haciendo que el universo colapse de nuevo en un único estado compacto.
  • Gran Desgarro: Una expansión acelerada impulsada por la energía oscura que eventualmente podría desgarrar el universo a nivel atómico.

Conclusión

La astrofísica y la cosmología proporcionan una mejor comprensión del universo, desde las fuerzas fundamentales de la naturaleza hasta sus vastas estructuras y fenómenos. Explorar estos campos implica una interesante mezcla de física teórica, observación y nuevos descubrimientos que continúan sorprendiendo y desafiando nuestra comprensión.

A medida que avanza la tecnología, nuevas observaciones y desarrollos teóricos nos están llevando a una era de descubrimientos astronómicos. Ya sea comprendiendo galaxias distantes, misteriosos agujeros negros o las dinámicas que gobiernan el universo, el viaje para entender estas maravillas cósmicas es ciertamente un aspecto emocionante del esfuerzo humano.


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