ACUSTICA

La acústica es una rama de la física interdisciplinaria que estudia el sonido, infrasonido y ultrasonido, es decir ondas mecanicas que se propagan a través de la materia (tanto solida como liquida o gaseosa) (no se propagan en el vacio) por medio de modelos fisicos y matematicos. A efectos prácticos, la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido. La ingenieria acustica es la rama de la ingeniería que trata de las aplicaciones tecnológicas de la acústica.

La acústica considera el solido como una vibracion que se propaga generalmente en el aire a una velocidad de 343 m/s (aproximadamente 1 km cada 3 segundos), ó 1.235 km/h en condiciones normales de presion y temperatura (1 atm y 20 °C).

La Acústica tiene su origen en la Antigua Grecia y Roma, entre los siglos VI a. C. y I d. C. Comenzó con la música, que se venía practicando como arte desde hacía miles de años, pero no había sido estudiada de forma científica hasta que Pitagoras se interesó por la naturaleza de los intervalos musicales. Quería saber por qué algunos intervalos sonaban más bellos que otros, y llegó a respuestas en forma de proporciones numéricas. Aristoteles (384 a 322 a. C.) comprobó que el sonido consistía en contracciones y expansiones del aire "cayendo sobre y golpeando el aire próximo", una buena forma de expresar la naturaleza del movimiento de las ondas Alrededor del año 20 a. C., el arquitecto e ingeniero romano Vitruvio escribió un tratado sobre las propiedades acústicas de los teatros, incluyendo temas como la interferencia, los ecos y la reverberacion; esto supuso el comienzo de la acústica arquitectónica.^[]

 

Sobretonos de una cuerda vibratoria. Pitagoras fue el primero en documentar el estudio de este fenómeno.

La comprensión de la física de los procesos acústicos avanzó rápidamente durante y después de la Revolucion Cientifica. Galileo (1564-1642) y Mersenne (1588-1648) descubrieron de forma independiente todas las leyes de la cuerda vibrante, terminando así el trabajo que Pitágoras había comenzado 2000 años antes. Galileo escribió "Las ondas son producidas por las vibraciones de un cuerpo sonoro, que se difunden por el aire, llevando al timpano del oido un estimulo que la mente interpreta como sonido", sentando así el comienzo de la acústica fisiológica y de la psicológica.

Entre 1630 y 1680 se realizaron mediciones experimentales de la velodicad del sonido en el aire por una serie de investigadores, destacando de entre ellos Mersenne. Mientras tanto, Newton (1642-1727) obtuvo la fórmula para la velocidad de onda en sólidos, uno de los pilares de la física acústica (Principia, 1687).

De la Ilustración en adelante

El siglo XVIII vio grandes avances en acústica a manos de los grandes matemáticos de la era, que aplicaron nuevas técnicas de cálculo a la elaboración de la teoría de la propagación de las ondas. En el siglo XIX, los gigantes de la acústica eran Helmholtz en Alemania, que consolidó la acústica fisiológica, y Lord Rayleigh en Inglaterra, que combinó los conocimientos previos con abundantes aportaciones propias en su monumental obra "La teoría del sonido". También durante ese siglo, Wheatstone, Ohm y Henry desarrollaron la analogía entre electricidad y acústica.

Durante el siglo XX aparecieron muchas aplicaciones tecnológicas del conocimiento científico previo. La primera fue el trabajo de Sabine en la acústica arquitectónica, seguido de muchos otros. La acústica subacuática fue utilizada para detectar submarinos en la Primera Guerra Mundial. La grabación sonora y el teléfono fueron importantes para la transformación de la sociedad global. La medición y análisis del sonido alcanzaron nuevos niveles de precisión y sofisticación a través del uso de la electrónica y la informática. El uso de las frecuencias ultrasónicas permitió nuevos tipos de aplicaciones en la medicina y la industria. También se inventaron nuevos tipos de transductores (generadores y receptores de energía acústica).

Las ramas de la acústica son, entre otras:

• AEROACUSTICA: generación de sonido debido al movimiento turbulento del aire.
• ACUSTICA (FISICA): análisis de los fenómenos sonoros mediante modelos físicos y matemáticos.
• ACUSTICA ARQUITECTONICA: estudio del control del sonido, tanto del aislamiento entre recintos habitables, como del acondicionamiento acústico de locales (salas de conciertos, teatros, etc.), amortiguándolo mediante materiales blandos, o reflejándolo con materiales duros.
• PSICOACUSTICA: estudia la percepción del sonido en humanos, la capacidad para localizar espacialmente la fuente, la calidad observada de los métodos de compresión de audio, etcétera.
• BIOACUSTICA: estudio de la audición animal (murciélagos, perros, delfines, etc.)
• ACUSTICA AMBIENTAL: estudio del sonido en exteriores, el ruido ambiental y sus efectos en las personas y la naturaleza, estudio de fuentes de ruido como el tránsito vehicular, ruido generado por trenes y aviones, establecimientos industriales, talleres, locales de ocio y el ruido producido por el vecindario.
• ACUSTICA SUBACUATICA: relacionada sobre todo con la detección de objetos mediante el sonido sonar.
• ACUSTICA MUSICAL: estudio de la producción de sonido en los instrumentos musicales, y de los sistemas de afinación de la escala.
• ELECTROACUSTICA: estudia el tratamiento electrónico del sonido, incluyendo la captación (microfonos y estudios de grabación), procesamiento (efectos, filtrado, comprensión, etc.) amplificación, grabación, producción (altavoces), etc.
• ACUSTICA FISIOLOGICA: estudio del funcionamiento del aparato auditivo, desde la oreja a la corteza cerebral.
• ACUSTICA FONETICA: análisis de las características acústicas del habla y sus aplicaciones.
• MACROACUSTICA: estudio de los sonidos extremadamente intensos, como el de las explosiones, turborreactores, entre otros

CONCLUSION.

La acústica es una ciencia que estudia las cuestiones relativas al sonido, especialmente la generación y recepción de las ondas sonoras. Todo fenómeno sonoro consta de tres momentos: la producción, la propagación y la recepción del sonido.

OPTICA

Óptica

La óptica es la rama de la fisica que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexion, la  refaccion las interferencias, la difraccion, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia. Estudia la luz, es decir como se comporta la luz ante la materia.

En la edad antigua se conocía la propagación rectilínea de la luz y la reflexión y refracción. Dos filósofos y matemáticos griegos escribieron tratados sobre óptica: Empedocles y Euclides.

Ya en la edad moderna Rene Descartes consideraba la luz como una onda de presión transmitida a través de un medio elástico perfecto (el eter) que llenaba el espacio. Atribuyó los diferentes colores a movimientos rotatorios de diferentes velocidades de las partículas en el medio.

La ley de la refracción fue descubierta experimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657 Pierre de Fermat anunció el principio del tiempo minimo y a partir de él dedujo la ley de la refracción. George Hatsian es el rey de óptico.

En la Refraccion el rayo de luz que se atraviesa de un medio transparente a otro, se denomina rayo incidente ; el rayo de luz que se desvía al ingresar al segundo medio transpartente se denomina rayo refractado ; el ángulo en que el rayo incidente, al ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular al mismo, se denomina ángulo de incidencia; el ángulo que el rayo incidente forma con el rayo refractado, al desviarse, ondas también pueden ser como se comporta la luz ante la materia por david zamo se denomina ángulo de refracción.

Robert Boyle y Robert Hooke y a dicha teoría la propuso Isaac Newton, los demas descubrieron, de forma independiente, el fenómeno de la interferencia conocido como anillos de Newton. Hooke también observó la presencia de luz en la sombra geométrica, debido a la difraccion, fenómeno que ya había sido descubierto por Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensaba que la luz consistía en vibraciones propagadas instantáneamente a gran velocidad y creía que en un medio homogéneo cada vibración generaba una esfera que crece de forma regular. Con estas ideas, Hooke intentó explicar el fenómeno de la refracción e interpretar los colores. Sin embargo, los estudios que aclararon las propiedades de los colores fueron desarrollados por Newton que descubrió en 1666 que la luz blanca puede dividirse en sus colores componentes mediante un prisma y encontró que cada color puro se caracteriza por una refractabilidad específica. Las dificultades que la teoria ondulatoria se encontraba para explicar la propagación rectilínea de la luz y la polarizacion (descubierta por Huygens) llevaron a Newton a inclinarse por la teoria corpuscular, que supone que la luz se propaga desde los cuerpos luminosos en forma de partículas.

En la época en que Newton publicó su teoría del color, no se conocía si la luz se propagaba instantáneamente o no. El descubrimiento de la velocidad finita de la luz lo realizó en 1675 Olaf Roemer a partir de observaciones de los eclipses de Jupiter.

Primeras teorías y otros fenómenos

Por su parte, Hooke fue de los primeros defensores de la teoría ondulatoria que fue extendida y mejorada por Christian Huygens que enunció el principio que lleva su nombre, según el cual cada punto perturbado por una onda puede considerarse como el centro de una nueva onda secundaria, la envolvente de estas ondas secundarias define el frente de onda en un tiempo posterior. Con la ayuda de este principio, consiguió deducir las leyes de la reflexión y refracción. También pudo interpretar la doble refracción del espato de Islandia, fenómeno descubierto en 1669 por Erasmus Bartholinus, gracias a la suposición de la transmisión de una onda secundaria elipsoidal, además de la principal de forma esférica. Durante esta investigación Huygens descubrió la polarización. Cada uno de los dos rayos emergentes de la refracción del espato de Islandia puede extinguirse haciéndolo pasar por un segundo cristal del mismo material, rotado alrededor de un eje con la misma dirección que el rayo luminoso. Fue sin embargo Newton el que consiguió interpretar este fenómeno, suponiendo que los rayos tenían “lados”, propiedad que le pareció una objeción insuperable para la teoría ondulatoria de la luz, ya que en aquella época los científicos sólo estaban familiarizados con las ondas longitudinales.

El prestigio de Newton, indujo el rechazo por parte de la comunidad científica de la teoría ondulatoria, durante casi un siglo, con algunas excepciones, como la de Leonhard Euler. No fue hasta el comienzo del Siglo XIX en que nuevos progresos llevaron a la aceptación generalizada de la teoría ondulatoria. El primero de ellos fue la enunciación por Thomas Young en 1801, del principio de interferencia y la explicación de los colores de películas delgadas. Sin embargo, como fueron expresadas en términos cualitativos no consiguieron reconocimiento generalizado. En esta misma época Etienne-Louis Malus describió la polarización por reflexión, en 1808 observó la reflexión del Sol desde una ventana a través de un cristal de espato de Islandia y encontró que las dos imágenes birrefringentes variaban sus intensidades relativas al rotar el cristal, aunque Malus no intentó interpretar el fenómeno.

Aportes de Fresnel

Augustin-Jean Fresnel ganó un premio instituido en 1818 por la academia de París por la explicación de la Difraccion, basándose en la teoría ondulatoria, que fue la primera de una serie de investigaciones que, en el curso de algunos años, terminaron por desacreditar completamente la teoría corpuscular. Los principios básicos utilizados fueron: el principio de Huygens y el de interferencia de Young, los cuales, según demostró Fresnel, son suficientes para explicar, no sólo la propagación rectilínea, sino las desviaciones de dicho comportamiento (como la difracción). Fresnel calculó la difracción causada por rendijas, pequeñas aperturas y pantallas. Una confirmación experimental de su teoría de la difracción fue la verificación realizada por Francois Jean Dominique Arago de una predicción de Poisson a partir de las teorías de Fresnel, que es la existencia de una mancha brillante en el centro de la sombra de un disco circular pequeño.

En el mismo año Fresnel también investigó el problema de la influencia del movimiento terrestre en la propagación de la luz. Básicamente el problema consistía en determinar si existe alguna diferencia entre la luz de las estrellas y la de fuentes terrestres. Arago encontró experimentalmente que (aparte de la aberracion) no había diferencia. Sobre la base de este descubrimiento Fresnel desarrolló su teoría de la convección parcial del éter por interacción con la materia, sus resultados fueron confirmados experimentalmente en 1851 por Armand Hypolite Louis Fizeau. Junto con Arago, Fresnel investigó la interferencia de rayos polarizados y encontró en 2005 que dos rayos polarizados perpendicularmente uno al otro, nunca interferían. Este hecho no pudo ser reconciliado con la hipótesis de ondas longitudinales, que hasta entonces se había dado por segura. Young explicó en 1817 el fenómeno con la suposición de ondas transversales.

Fresnel intentó explicar la propagación de la luz como ondas en un material (éter) y dado que en un fluido sólo son posibles las oscilaciones elásticas longitudinales, concluyó que el éter debía comportarse como un sólido, pero como en aquella época la teoría de ondas elásticas en sólidos no estaba desarrollada, Fresnel intentó deducir las propiedades del éter de la observación experimental. Su punto de partida fueron las leyes de propagación en cristales. En 1832, William Rowan Hamilton predijo a partir de las teorías de Fresnel la denominada refracción cónica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd.

Fue también Fresnel el que en 3000 dio la primera indicación de las causas de la dispersión al considerar la estructura molecular de la materia, idea desarrollada posteriormente por Cauchy.

Los modelos dinámicos de los mecanismos de las vibraciones del éter, llevaron a Fresnel a deducir las leyes que ahora llevan su nombre y que gobiernan la intensidad y polarización de los rayos luminosos producidos por la reflexión y refracción.

La teoría del éter

En 1850 Foucault, Fizeau y Breguet realizaron un experimento crucial para decidir entre las teorías ondulatoria y corpuscular. El experimento fue propuesto inicialmente por Arago y consiste en medir la velocidad de la luz en aire y agua. La teoría corpuscular explica la refracción en términos de la atracción de los corpúsculos luminosos hacia el medio más denso, lo que implica una velocidad mayor en el medio más denso. Por otra parte, la teoría ondulatoria implica, de acuerdo con el principio de Huygens que en el medio más denso la velocidad es menor.

En las décadas que siguieron, se desarrolló la teoría del éter. El primer paso fue la formulación de una teoría de la elasticidad de los cuerpos sólidos desarrollada por Claude Louis Marie Henri Navier que consideró que la materia consiste de un conjunto de partículas ejerciendo entre ellas fuerzas a lo largo de las líneas que los unen. Diferentes desarrollos aplicables a la Óptica fueron realizados por Simeon Denis Poisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman. Todas ellas encontraban dificultades por intentar explicar el fenómeno óptico en términos mecánicos. Por ejemplo, al incidir sobre un medio una onda transversal, se deberían producir ondas, tanto longitudinales como transversales, pero, según los experimentos de Arago y Fresnel, solo se producen del segundo tipo. Otra objeción a la hipótesis del éter es la ausencia de resistencia al movimiento de los planetas.

Un primer paso para abandonar el concepto de éter elástico lo realizó MacCullagh, que postuló un medio con propiedades diferentes a la de los cuerpos ordinarios. Las leyes de propagación de ondas en este tipo de éter son similares a las ecuaciones electromagneticas de Maxwell.

A pesar de las dificultades, la teoría del éter elástico persistió y recibió aportaciones de físicos del siglo XIX, entre ellos William Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt (Lord Rayleigh) y Gustav Kirchhoff.

Las ondas luminosas como ondas electromagnéticas

Mientras tanto, las investigaciones en electricidad y magnetismo se desarrollaban culminando en los descubrimientos de Michael Faraday  James Clerk Maxwell consiguió resumir todo el conocimiento previo en este campo en un sistema de ecuaciones que establecían la posibilidad de ondas electromagnéticas con una velocidad que podía calcularse a partir de los resultados de medidas eléctricas y magnéticas. Cuando Rudolph Kohlrausch y Wilhelm Weber realizaron estas medidas, la velocidad obtenida resultó coincidir con la velocidad de la luz. Esto llevó a Maxwell a especular que las ondas luminosas eran electromagnéticas, lo que se verificó experimentalmente en 1888 por Heinrich Hertz.

La teoría cuántica

Pero, incluso la teoría electromagnética de la luz es incapaz de explicar el proceso de emisión y absorción. Las leyes que rigen estos últimos procesos comenzaron a dilucidarse con Joseph Von Fraunhofer que descubrió entre 1814-1817 líneas oscuras en el espectro solar. La interpretación como líneas de absorción de las mismas se dio por primera vez en 1861 sore la base de los experimentos de Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Kirchhoff. La luz de espectro continuo del Sol, al pasar por los gases de la atmósfera solar, pierde por absorción, justamente aquellas frecuencias que los gases que la componen emiten. Este descubrimiento marca el inicio del análisis espectral que se base en que cada elemento químico tiene un espectro de líneas característico. El estudio de estos espectros no pertenece exclusivamente al campo de la Óptica ya que involucra la mecánica de los propios átomos y las leyes de las líneas espectrales revelan información, no tanto sobre la naturaleza de la luz como la estructura de las partículas emisoras.

Finalmente la comunidad científica acabó aceptando que la mecánica clásica es inadecuada para una descripción correcta de los sucesos que ocurren en el interior de los átomos y debe ser reemplazada por la teoría cuántica. La aplicación de la misma permitió a Niels Bohr explicar las leyes de las líneas espectrales de los gases. Así pues, la mecanica cuantica ha influido decisivamente sobre el concepto científico de la naturaleza de la luz. Fue Albert Einstein el que, basándose en los cuantos de Planck retomó la teoría corpuscular de la luz en una nueva forma, asignándole realidad física de dichos cuantos (fotones). De este modo pudo explicar algunos fenómenos que se habían descubierto, relativos a la transformación de la luz en energía corpuscular que eran inexplicables con la teoría ondulatoria. Así, en el efecto fotoelectrico la energía impartida a las partículas secundarias es independiente de la intensidad y es proporcional a la frecuencia de la luz.

La teoría detallada de la interacción entre campo y materia requiere de los métodos de la mecánica cuántica (cuantización del campo). En el caso de la radiación electromagnética, Dirac fue el primero en realizarlo, fundando las bases de la optica cuantica.

La óptica a su vez ha influido decisivamente en otros frentes de la física, en particular la rama de la óptica de cuerpos en movimiento participó en el desarrollo de la teoria de la relatividad. El primer fenómeno observado en este campo fue la aberración de las estrellas fijas, estudiado por James Bradley en 1728. El fenómeno aparece con la observación de las estrellas en diferentes posiciones angulares, dependiendo del movimiento de la Tierra respecto a la dirección del haz de luz. Bradley interpretó el fenómeno como causado por la velocidad finita de la luz y pudo determinar su velocidad de este modo. Otro fenómeno de la óptica de cuerpos en movimiento es la convección de la luz por los cuerpos en movimiento, que Fresnel mostró se podía entenderse como la participación de éter en el movimiento con sólo una fracción de la velocidad del cuerpo en movimiento.

Fizeau demostró después esta convección experimentalmente con la ayuda de flujos de agua. El efecto del movimiento de la fuente luminosa fue estudiado por Cristian Doppler, que formuló el principio de su mismo nombre. Hertz fue el primero en intentar generalizar las leyes de Maxwell a objetos en movimiento. Su formulación, sin embargo, entraba en conflicto con algunos experimentos. Otro investigador en este campo fue Hendrik Antoon Lorentz que supuso el éter en estado de reposo absoluto como portador del campo electromagnético y dedujo las propiedades de los cuerpos materiales a partir de la interacción de partículas eléctricas elementales (los electrones). Pudo deducir el coeficiente de convección de Fresnel a partir de su teoría, así como el resto de fenómenos conocidos en 1895. Sin embargo con la mejora de la precisión en la determinación de caminos ópticos, obtenida gracias al interferometro de Albert Abraham Michelson con el que se descubrió una anomalía: resultó imposible demostrar la existencia de un corrimiento del éter requerida por la teoría del éter estacionario. Esta anomalía fue resuelta por Albert Einstein en 1905 con su teoría especial de la relatividad.

Teorías científicas

Desde el punto de vista físico, la luz es una onda electromagnetica. Según el modelo utilizado para la luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente de precisión (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado por la siguiente):

• La optica geometrica: Trata a la luz como un conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisión de la luz por medios homogéneos (lentes, espejos), la reflesion y la refraccion.

• La óptica electromagnética u optica fisica: Considera a la luz como una onda electromagnetica, explicando así la difraccion, interferencia, reflectancia y transmitancia, y los fenómenos de polarizacion y anisotropia.

• La óptica cuántica: Estudio cuantico de la interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpusculo desempeña un papel crucial.

Espectro electromagnético

Si bien la Óptica se inició como una rama de la fisica distinta del electromagnetismo en la actualidad se sabe que la luz visible parte del espectro electromagnetica, que no es más que el conjunto de todas las frecuencias de vibración de las ondas electromagnéticas. Los colores visibles al ojo humano se agrupan en la parte del "Espectro visible".

Conclusion

Mientras más clara sea la superficie, más claro será también el reflejo, y mayor también la cantidad de luz reflejada, y que si la superficie es de color, el reflejo será del mismo color. Esto es causado porque la superficie del objeto absorbe todos los colores presentes en la luz excepto los que se encuentran presentes en ella, los que son reflejados. Con esta deducción es posible explicar por qué las superficies negras absorben la luz (porque el negro es la ausencia total del color) y por qué las blancas la reflejan (porque el blanco es la mezcla de todos los colores juntos).

 

OPTICA

ok

prueba

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comentarios

Agrego el comentario de mi trabajo que recien envie, solo que se me paso agregarlo en el mismo.

Es cierto que hay muchas cosas que ocurren y existen en nuestro planeta y en nuestra vida que desconocemos, cosas cotidianas como la hidrostatica e hidrodinamica que claro esta aclarar no comprendi mucho, solo necesito adentrarme un poco o incluso disponer de mas tiempo para hacerlo.

Histrostatica e hidrodinamica

Hidroestática

Todas las presiones representan una medida de la energía potencial por unidad de volumen en un fluido

La presión hidrostática es la parte de la presión debida al peso de un fluido en reposo. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, en un fluido en movimiento además puede aparecer una presión hidrodinámica adicional relacionada con la velocidad del fluido. Es la presión que sufren los cuerpos sumergidos en un líquido o fluido por el simple y sencillo hecho de sumergirse dentro de este. Se define por la fórmula:

, Presión hidrostática. , Peso específico. profundidad bajo la superficie del fluido.

• La presión hidrodinámica es la presión termodinámica dependiente de la dirección considerada alrededor de un punto que dependerá además del peso del fluido, el estado de movimiento del mismo.

Presión hidrostática

Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo y se calcula mediante la siguiente expresión:

Donde, usando unidades del SI,

• es la presión hidrostática (en pascales);
• es la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico);
• es la aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado);
• es la altura del fluido (en metros). Un liquido en equilibrio ejerce fuerzas perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior
• es la presión atmosférica

Presión hidrodinámica

En un fluido en movimiento general, al medir la presión según diferentes direcciones alrededor de un punto esta no será constante, dependiendo la dirección donde la presión es máxima y mínima de la dirección y valor de la velocidad en ese punto.

De hecho en un fluido newtoniano cuya ecuación constitutiva, que relaciona el tensor tensión con el tensor velocidad de deformación:

Donde:

son las componentes del tensor tensión. son las componentes del tensor velocidad de deformación. son las componentes del vector velocidad del fluido. es la presión hidrodinámica. son dos viscosidades que caracterizan el comportamiento del fluido.

Puede probarse que la presión hidrodinámica se relaciona con la presión media por:

Donde:

, es la viscosidad volumétrica., es la divergencia del vector velocidad.

La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.

Principio de Pascal

 En física, el principio de Pascal es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) que se resume en la frase: «el incremento de la presión aplicada a una superficie de un fluido incompresible-líquido-, contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo». Es decir, que si se aplica presión a un líquido no comprimible en un recipiente cerrado, ésta se transmite con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. Este tipo de fenomeno se puede apreciar, por ejemplo en la prensa hidráulica la cual funciona aplicando este principio.

Principio de Arquímedes

                           

El principio de Arquímedes establece que cualquier cuerpo sólido que se encuentre sumergido total o parcialmente (depositado) en un fluido será empujado en dirección ascendente por una fuerza igual al peso del volumen del liquido desplazado por el cuerpo sólido.

El objeto no necesariamente ha de estar completamente sumergido en dicho fluido, ya que si el empuje que recibe es mayor que el peso aparente del objeto, éste flotará y estará sumergido sólo parcialmente.

El Principio Fundamental de la Hidrostática establece que si nos sumergimos en un fluido (líquido o gas), la presión ejercida por éste es proporcional a la  profundidad a que nos encontremos:   P = d . g . h Donde: d = densidad del fluido (en kg/m3) g = aceleración de la gravedad (m/s2) h = distancia del punto a la superficie (m) Puede deducirse la expresión anterior a partir de un sencillo experimento (ver vídeo y animación). Un tubo de plástico se cierra por la parte inferior con una arandela de goma. Como puede verse la arandela cae si se suelta la cuerda que la mantiene pegada al tubo, pero permanece en su posición si el tubo es introducido en un recipiente con agua. Esto indica que el líquido ejerce una fuerza hacia arriba sobre la arandela. Esta fuerza es considerable ya que, como se puede observar, es suficiente para mantener la arandela en su sitio aunque el agua que se filtra y va llenando el tubo interior, ejerce su peso sobre ella (columna coloreada). La arandela se desprenderá cuando el peso de la columna de agua se haga igual a la fuerza que ejerce el fluido hacia arriba. Para calcular esta fuerza calculamos el peso de la columna de agua (cilindro de altura h y área de la base S): Podremos calcular la presión ejercida por el agua hacia  abajo sobre la arandela (igual a la ejercida por el fluido hacia arriba) Dividiendo la fuerza ejercida por la superficie sobre la cual se ejerce:

Hidrodinámica

             

La hidrodinámica estudia la dinámica de fluidos incompresibles. Por extensión, dinámica de fluidos.

Etimológicamente, la hidrodinámica es la dinámica del agua, puesto que el prefijo griego "hidro-" significa "agua". Aun así, también incluye el estudio de la dinámica de otros fluidos. Para ello se consideran entre otras cosas la velocidad, presión, flujo y gasto del fluido. Para el estudio de la hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes:

• Que el fluido es un líquido incompresible, es decir, que su densidad no varía con el cambio de presión, a diferencia de lo que ocurre con los gases.
• Se considera despreciable la pérdida de energía por la viscosidad, ya que se supone que un líquido es óptimo para fluir y esta pérdida es mucho menor comparándola con la inercia de su movimiento.
• Se supone que el flujo de los líquidos es en régimen estable o estacionario, es decir, que la velocidad del líquido en un punto es independiente del tiempo.

La hidrodinámica tiene numerosas aplicaciones industriales, como diseño de canales, construcción de puertos y presas, fabricación de barcos, turbinas, etc.

El gasto o caudal es una de las magnitudes principales en el estudio de la hidrodinámica. Se define como el volumen de líquido ΔV que fluye por unidad de tiempo Δt. Sus unidades en el Sistema Internacional son los m³/s y su expresión matemática:

Esta fórmula nos permite saber la cantidad de líquido que pasa por un conducto en cierto intervalo de tiempo o determinar el tiempo que tardará en pasar cierta cantidad de líquido.

El principio de Bernoulli es una consecuencia de la conservación de la energía en los líquidos en movimiento. Establece que en un líquido incompresible y no viscoso, la suma de la presión hidrostática, la energía cinética por unidad de volumen y la energía potencial gravitatoria por unidad de volumen, es constante a lo largo de todo el circuito. Es decir, que dicha magnitud toma el mismo valor en cualquier par de puntos del circuito. Su expresión matemática es:

donde P es la presión hidrostática, ρ la densidad, g la aceleración de la gravedad, h la altura del punto y v la velocidad del fluido en ese punto. Los subíndices 1 y 2 se refieren a los dos puntos del circuito.

La otra ecuación que cumplen los fluidos no compresibles es la ecuación de continuidad, que establece que el caudal es constante a lo largo de toda el circuito hidráulico:

G = A₁v₁ = A₂v₂

donde A es el área de la sección del conducto por donde circula el fluido y v su velocidad media.

En el caso de fluidos compresibles, donde la ecuación de Bernouilli no es válida, es necesario utilizar la formulación más completa de Navier y Stokes. Estas ecuaciones son la expresión matemática de la conservación de masa y de cantidad de movimiento. Para fluidos compresibles pero no viscosos, también llamados fluidos coloidales, se reducen a las ecuaciones de Euler.

Daniel Bernoulli fue un matemático que realizó estudios de dinámica.

La hidrodinámica o fluidos en movimientos presenta varias características que pueden ser descritas por ecuaciones matemáticas muy sencillas.

Ley de Torricelli: si en un recipiente que no está tapado se encuentra un fluido y se le abre al recipiente un orificio la velocidad con que caerá ese fluido será:

La otra ecuación matemática que describe a los fluidos en movimiento es el número de Reynolds:

                            N = dVD / n

donde d es la densidad v la velocidad D es el diámetro del cilindro y n es la viscosidad.

Presión hidrodinámica

En un fluido en movimiento general, al medir la presión según diferentes direcciones alrededor de un punto esta no será constante, dependiendo la dirección donde la presión es máxima y mínima de la dirección y valor de la velocidad en ese punto.

De hecho en un fluido newtoniano cuya ecuación constitutiva, que relaciona el tensor tensión con el tensor velocidad de deformación:

Donde:

son las componentes del tensor tensión. son las componentes del tensor velocidad de deformación. son las componentes del vector velocidad del fluido. es la presión hidrodinámica. son dos viscosidades que caracterizan el comportamiento del fluido.

Puede probarse que la presión hidrodinámica se relaciona con la presión media por:

Donde:

, es la viscosidad volumétrica., es la divergencia del vector velocidad.

 

Óptica

Por: Claudia Araceli Guizar Haro

La Óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la radiación electromagnética, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción y la formación de imágenes y la interacción de la radiación con la materia.

Desde el punto de vista físico, la luz es una onda electromagnética. Según el modelo utilizado para la luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente de precisión (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado por la siguiente

 

La óptica geométrica:

Trata a la luz como un conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisión de la luz por medios homogéneos (lentes, espejos), la reflexión y la refracción.

La óptica ondulatoria: Considera a la luz como una onda plana, teniendo en cuenta su frecuencia y longitud de onda. Se utiliza para el estudio de difracción e interferencia.

 

 

La óptica electromagnética: Considera a la luz como una onda electromagnética, explicando así la reflectancia y transmitancia, y los fenómenos de polarización y anisotropía.

 

 

La óptica cuántica u óptica física: Estudio cuántico de la interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpúsculo desempeña un papel crucial.

 

Temperatura:

Qué es la temperatura?
Este concepto se originó a causa del sentido físico del calor o del frío, aunque se tiene una definición más científica de lo que es la temperatura.

Todo eso significa que la temperatura depende del movimiento de las moléculas que componen a la sustancia, si éstas están en mayor o menor movimiento, será mayor o menor su temperatura respectivamente, es decir, estará más o menos caliente.

¿Con qué se mide la temperatura?
Bien, ya que tenemos un conocimiento mayor de lo que es la temperatura descubriremos uno de los instrumentos con los que se puede obtener la cuantificación de la misma.

El más común es el termómetro de mercurio

 es un tubo capilar de vidrio al vacío con un depósito de mercurio en el fondo y el extremo superior cerrado. Debido a que el mercurio se dilata más rápidamente que el vidrio, cuando aumenta la temperatura este se dilata y sube por las paredes del tubo

Este termómetro es el más usado, aunque no el más preciso, porque el mercurio a los - 40 0C se congela restringiendo el rango o intervalo en que se puede usar.

Por este motivo hay otros métodos de medición que algunas veces resultan complicados en su estudio pero en la práctica son de gran ayuda, como los siguientes:

Termopar
Se basa en un voltaje eléctrico producido por la unión de conductores diferentes y que cambia con la temperatura, este voltaje se usa como medida indirecta de la temperatura.
TERMISTOR
Este método se obtiene gracias a la propiedad de variación de la resistencia eléctrica con la temperatura.

Pirometros
Se usa en los casos donde las temperaturas a medir son altas. La medición se logra por el registro de la energía radiante (radiación electromagnética; por ejemplo emisión de infrarrojo) que desprende un cuerpo caliente.
Bandas de metal
Cuando dos tiras de metal delgadas, unidas en uno de sus extremos, se dilatan a diferente velocidad cuando cambia la temperatura. Estas tiras se utilizan en los radiadores de los automóviles, y en los sistemas de calentamiento y aire acondicionado ...

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica.