Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Relatividad


La relatividad es un concepto fundamental en física que fue introducido por Albert Einstein. Hay dos teorías principales de la relatividad: relatividad especial y relatividad general. Juntas, estas teorías revolucionaron nuestra comprensión del espacio, el tiempo y la gravedad.

Introducción a la relatividad especial

La relatividad especial, propuesta por Einstein en 1905, aborda la física de los objetos que se mueven a velocidades constantes, particularmente aquellos cercanos a la velocidad de la luz. Esta teoría se basa en dos principios principales:

  • Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores en movimiento uniforme.
  • La velocidad de la luz permanece constante para todos los observadores, independientemente de su velocidad relativa.

El concepto de sincronicidad

Un resultado importante de la relatividad especial es la relatividad de la simultaneidad. Esto se refiere a la idea de que dos eventos que son simultáneos para un observador pueden no ser simultáneos para un segundo observador que se mueve en relación con el primero.

A B C D

En este diagrama, dos observadores, uno en el punto A y el otro en el punto B, están en reposo relativo entre sí. Ambos ven la luz de los eventos C y D al mismo tiempo y los declaran simultáneos. Sin embargo, un observador que se mueve a lo largo de la línea puede recibir la luz de C y D en momentos diferentes debido a su movimiento.

Extensión del tiempo

La dilatación del tiempo es otro resultado importante de la relatividad especial. Muestra que un reloj que se mueve en relación con un observador se mueve más lento que un reloj estacionario en relación con ese observador.

Esta relación se expresa mediante la fórmula:

t' = t / √(1 - v²/c²)

Aquí, t' es el intervalo de tiempo medido por un observador en movimiento, t es el intervalo de tiempo propio medido por un observador estacionario, v es la velocidad relativa, y c es la velocidad de la luz.

Por ejemplo, considere astronautas que viajan al 99% de la velocidad de la luz en un viaje que dura 5 años. Para aquellos en el marco de referencia de la Tierra, habrán pasado muchos más años debido a este efecto de dilatación del tiempo.

Contracción de la longitud

La contracción de la longitud se refiere al fenómeno de un objeto que parece más corto en dirección al movimiento en relación con el punto de vista del observador.

La fórmula de contracción se da como:

L' = L * √(1 - v²/c²)

donde L' es la longitud comprimida, y L es la longitud propia. Esencialmente, para un observador estacionario, los objetos que se mueven a altas velocidades parecen más pequeños de lo que realmente son.

Introducción a la relatividad general

La relatividad general, publicada por Einstein en 1915, extiende la relatividad especial para incluir la aceleración y la gravedad. Es una descripción integral de la gravedad, no como una fuerza sino como una curvatura del espacio-tiempo debido a la masa.

La estructura del espacio-tiempo

El espacio-tiempo se representa como una entidad de cuatro dimensiones, que consta de tres dimensiones de espacio y una dimensión de tiempo. Según la relatividad general, objetos masivos como la Tierra y el Sol distorsionan esta estructura del espacio-tiempo, creando lo que observamos como gravedad. Los objetos pequeños se mueven a lo largo de estas curvas.

Tierra

En esta vista, el espacio-tiempo se representa mediante una cuadrícula. Un cuerpo masivo como la Tierra curva el espacio-tiempo, representado aquí como una hendidura en la cuadrícula. Objetos como satélites que orbitan el planeta siguen trayectorias en este espacio curvado, lo cual explica el movimiento orbital sin usar la fuerza de la gravedad.

Principio de equivalencia

El principio de equivalencia es un concepto importante en la relatividad general. Sostiene que los efectos de la gravedad no son diferentes de los efectos de la aceleración. Por ejemplo, si estás en un ascensor en el espacio y acelera hacia arriba, experimentarás la misma fuerza de gravedad.

Este principio implica que los objetos que caen libremente en un campo gravitatorio no experimentan fuerza alguna y, por lo tanto, siguen el camino más recto posible en el espacio-tiempo curvado, considerado aquí como la ausencia de gravedad.

Dilatación del tiempo gravitacional

La dilatación del tiempo gravitacional destaca que el tiempo pasa más lentamente en campos gravitatorios fuertes. Un reloj ubicado cerca de un objeto masivo funcionará más lento que un reloj ubicado más lejos. Este efecto es insignificante para las experiencias cotidianas, pero se vuelve significativo alrededor de objetos masivos como estrellas o agujeros negros.

t = t 0 / √(1 - 2GM/(rc²))

Esta fórmula calcula el tiempo extendido t experimentado a una distancia r desde el centro de un objeto masivo, donde G es la constante gravitatoria, M es la masa del objeto, y t 0 es el tiempo propio.

Aplicaciones e implicaciones

La teoría de la relatividad tiene implicaciones significativas en una variedad de campos. Por ejemplo, los sistemas GPS deben tener en cuenta los efectos de la dilatación del tiempo debido tanto al movimiento de los satélites (relatividad especial) como al campo gravitatorio de la Tierra (relatividad general) para mantener una posición precisa.

Otra implicación espectacular surge en el estudio de los agujeros negros. La relatividad general predice estos fenómenos astronómicos, dentro de los cuales no puede escapar materia ni luz. Su estudio avanza en la comprensión de las condiciones extremas en el universo.

Evidencia experimental

La validez de la relatividad ha sido establecida a través de numerosos experimentos. La famosa sincronización de relojes GPS es una de esas verificaciones del efecto de dilatación del tiempo. Además, las observaciones de la curvatura de la luz alrededor del Sol durante eclipses respaldan las predicciones de la relatividad general.

El descubrimiento de ondas gravitacionales que impregnan el marco del espacio-tiempo, detectadas por primera vez en 2015, agrega credibilidad a la teoría de la relatividad general, ya que siguen con precisión las predicciones de Einstein sobre tales fenómenos cósmicos.

Experimento mental

Los experimentos mentales popularizados por Einstein son clave para entender la relatividad. Considere la paradoja de los gemelos, donde un gemelo que viaja cerca de la velocidad de la luz envejece a un ritmo más lento que su hermano o hermana en la Tierra, ilustrando la dilatación del tiempo.

De manera similar, si disparas un rayo de luz en un automóvil que se mueve a velocidad v, tanto los observadores dentro como fuera miden la velocidad de la luz como c. Sin embargo, no están de acuerdo en la secuencia de eventos debido a sus velocidades relativas.

Comentarios finales

La relatividad transforma nuestra comprensión de conceptos fundamentales como el tiempo, el espacio y la gravedad. Nos obliga a entender el tiempo como algo flexible y la gravedad como una propiedad geométrica del espacio. Aunque compleja, sus implicaciones conducen a una comprensión más profunda de la belleza del universo y la complejidad de la mecánica celeste.

Esta hermosa teoría sigue siendo el pináculo del logro científico, guiando la física moderna e inspirando nuevas conversaciones en campos como la mecánica cuántica, enriqueciendo aún más el panorama científico.


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