Fuerzas Conservativas y Energía: Un Recorrido por la Física Nuclear

Fuerzas Conservativas y Energía Potencial Asociada

Una fuerza conservativa es aquella cuyo trabajo realizado sobre un cuerpo que se mueve desde una posición A hasta otra posición B no depende de la trayectoria seguida por el cuerpo al moverse de A a B. Si la trayectoria es cerrada (posición inicial coincide con la final), el trabajo realizado por una fuerza conservativa sobre un cuerpo es 0.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica

Este es el principio de conservación de la energía mecánica generalizado, es decir, válido incluso cuando actúan fuerzas no conservativas (rozamientos, motores, etc.). En el caso en el que no actúen fuerzas no conservativas se cumplirá (EmB = Ema), la energía mecánica se mantiene constante. Por lo tanto, si en el trayecto A-B aumenta la energía potencial (Ep), la energía cinética (Ec) debe disminuir en la misma medida y viceversa.

Campo Gravitatorio

Dos partículas separadas a una distancia, se atraen con una fuerza proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Estas fuerzas se presentan por parejas y son del mismo valor numérico y de dirección opuesta. Son siempre atractivas y están dirigidas a lo largo de la línea que une a las masas. Son conservativas, por lo tanto, se les asocia energía potencial gravitatoria. El valor de estas fuerzas es prácticamente despreciable a menos que al menos una de ellas sea muy grande, ya que la constante llamada constante de gravitación universal es muy pequeña.

Como cualquier fuerza, la fuerza gravitatoria cumple el principio de superposición. Es decir, la fuerza que siente una masa debido a la presencia de otras masas a su alrededor, será la suma vectorial de las fuerzas ejercidas por cada una de las masas sobre ella. Una partícula, por el hecho de tener masa, crea una perturbación gravitatoria a su alrededor, esta perturbación actuará sobre cualquier otra partícula con masa cercana a ella.

Se define la intensidad del campo gravitatorio creado por una masa a una distancia de ella, como la fuerza que se ejerce sobre la unidad de masa situada en ese punto. Es un campo vectorial dirigido siempre hacia la masa que lo crea. Está representado mediante líneas de campo, siempre tangentes al vector campo gravitatorio, son radiales y terminan en la masa que crea el campo. Es un campo de fuerzas central, por lo tanto, conservativo, que cumple el principio de superposición.

Potencial Gravitatorio

Es la energía potencial que tiene la unidad de masa en un punto del campo gravitatorio. La diferencia de potencial entre dos puntos es el trabajo que realiza el campo gravitatorio para mover la unidad de masa desde el punto A hasta el punto B. El potencial gravitatorio siempre es negativo, menos en el infinito que vale cero. También cumple el principio de superposición, es decir, el potencial en un punto del espacio donde existen varias masas, será la suma de los potenciales creados por las distintas masas en ese punto.

Ley de Coulomb

La ley de Coulomb describe la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales en reposo. La fuerza es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Su dirección es a lo largo de la línea que une las cargas, siendo atractiva o repulsiva según los signos de las cargas.

Campo Eléctrico

El campo eléctrico es una región del espacio donde una carga eléctrica experimenta una fuerza. Se representa mediante vectores que indican la dirección y magnitud de la fuerza que actuaría sobre una carga positiva ubicada en ese punto.

Energía Potencial Eléctrica

La energía potencial eléctrica es la energía que posee una carga debido a su posición en un campo eléctrico. Depende de la magnitud de la carga, la intensidad del campo y la distancia desde una referencia. Esta energía puede transformarse en trabajo cuando la carga se mueve dentro del campo.

Potencial Eléctrico

El potencial eléctrico es la cantidad de energía potencial eléctrica por unidad de carga en un punto de un campo eléctrico. Indica el trabajo necesario para mover una carga positiva desde un punto de referencia hasta ese punto. Se mide en voltios (V).

1. Efecto Fotoeléctrico

Es el proceso donde la iluminación de un metal con radiación de frecuencia suficientemente alta libera electrones, generando corriente eléctrica. Esto solo ocurre si la frecuencia de la luz es mayor que la frecuencia umbral del metal. Si la frecuencia es menor, incluso con mayor intensidad lumínica, ningún fotón posee la energía necesaria para liberar electrones. Es un fenómeno clave en la comprensión de la naturaleza cuántica de la luz y la materia. Si ocurre el efecto fotoeléctrico, la energía sobrante, después de extraer el electrón, la llevará este último en forma de energía cinética, según la ecuación de Einstein. En caso de ocurrir, el efecto fotoeléctrico será un proceso inmediato. Este proceso demuestra la naturaleza corpuscular de la luz.

2. Ley de Emisión Radioactiva

En una muestra radioactiva, los núcleos experimentan desintegración emitiendo partículas, siguiendo la ley de emisión radioactiva. Con el tiempo, algunos núcleos permanecen sin desintegrarse. La constante lambda relaciona la masa inicial con el tiempo mediante la ecuación m=moe^-λt. Esta relación muestra cómo la masa de la muestra disminuye exponencialmente con el tiempo debido a las desintegraciones nucleares.

Se define la actividad o velocidad de desintegración de una sustancia como el número de emisiones radioactivas por unidad de tiempo. Se define el periodo de semidesintegración o semivida en una muestra radioactiva como el tiempo que tarda la muestra en desintegrar la mitad de sus núcleos. Se define vida media en una muestra como el tiempo medio que tarda un núcleo al azar en desintegrarse.

4. Fisión y Fusión

En la curva de estabilidad nuclear, los núcleos que están más arriba son los más estables. La fusión nuclear, que une dos núcleos pequeños, libera mucha energía, como por ejemplo hace el Sol. La fisión nuclear, que divide núcleos grandes, también es energéticamente eficiente, como en centrales nucleares o bombas atómicas. Ambos procesos implican la formación de núcleos más estables, liberando considerables cantidades de energía.

5. Reacciones Nucleares

Una reacción nuclear es un proceso en el que los núcleos atómicos se transforman en otros distintos. En una reacción nuclear, la suma de los números atómicos de los reactivos debe ser igual a la suma de los números atómicos de los productos, lo mismo ocurre con los números másicos. La masa de los productos en una reacción nuclear es siempre menor que la masa de los reactivos; por tanto, esta diferencia de masa se libera como energía durante la reacción, según la ecuación de Einstein de la equivalencia entre la masa y la energía.