TIPOS DE ENERGA Cuando un cuerpo es capaz de realizar trabajo fsico, se dice que posee energa.

sta, que puede ser debida a la posicin del cuerpo, a su movimiento o a su propio estado, es nica, aunque se manifiesta de manera diversa a partir de la transformacin de unas formas en otras.

La produccin de trabajo puede determinar fenmenos de distinta naturaleza: calorficos, qumicos, mecnicos, etc. En funcin de esta diversidad, se habla de energa trmica, qumica, mecnica, nuclear, etc.; sin que ello implique la existencia de varios tipos de energa. Las distintas formas de manifestarse la energa estn asociadas a los cambios que experimentan los sistemas materiales. La energa ni se crea ni se destruye, slo se transforma si un cuerpo experimenta un cambio en su estado. Cuando un cuerpo est aislado, es decir, cuando no puede ceder energa al exterior ni recibirla, la suma de todas las formas de energa que posee se mantiene constante, aunque dentro del propio sistema cerrado que representa el cuerpo s se estn produciendo transformaciones de energa de una forma a otra.

Energa cintica y potencial

La capacidad de los cuerpos para producir trabajo mecnico por el hecho de estar

movindose se llama energa cintica. La energa cintica adquirida por un cuerpo se mide por el trabajo realizado sobre l para ponerlo en movimiento o por el que el cuerpo realiza hasta que se para. Su frmula es:

Ec = mv

2 Siendo m la masa del cuerpo y v la velocidad a la que se mueve.

La otra forma de energa mecnica es la energa potencial, que no se manifiesta exteriormente. Es la que tienen los cuerpos elevados, que producen trabajo al caer (energa potencia gravitatoria); la de los resortes tensos, que realizan trabajo al quedar libres (energa potencial elstica), o la de un cartucho de dinamita que, en el momento de la explosin, transforma la energa qumica que contena en energa cintica mecnica (energa potencial qumica). La energa potencial almacenada por un cuerpo se mide, igual que la cintica, por el trabajo realizado sobre l para adquirirla o por el que el cuerpo realiza para perderla. La energa potencial (Ep) de un cuerpo sometido a la fuerza de la gravedad respecto de un plano horizontal tomado como referencia es el producto de su peso (P) por la alta (h) a dicho plano:

Ep = Ph = mgh

Principio de conservacin de le energa. Energa mecnica

Dado un sistema fsico aislado (que no cede ni toma energa de ningn otro), el

principio de conservacin de la energa se hace vlido si consideramos nicamente transformaciones de tipo mecnico: la suma de las energas cintica y potencial que un cuerpo posee en una posicin B es la misma que posea en A. Si llamamos E a la energa mecnica total dada por la suma de las energas potencial y cintica en un campo de fuerzas gravitatorio la energa mecnica total de un punto material permanece constante, esto es:

E = Ep + Ec = constante Pensemos, por ejemplo, en un cuerpo situado a cierta altura del suelo que

tomamos como punto de referencia para la medida de la energa potencial. Si el cuerpo est en reposo, su energa cintica es nula, por lo que su energa total coincide con su energa potencial. Si lo dejamos caer, su energa potencial disminuye y su energa cintica aumenta. Cuando el cuerpo llegue al suelo, su energa potencial ser nula y su energa total ser slo energa cintica.

El principio de conservacin de la energa mecnica resulta fundamental para la solucin de muchos problemas en fsica. Hay que recordar, no obstante, que las consideraciones realizadas son vlidas slo en el caso ideal de que el sistema mecnico est aislado, es decir, que no pueda recibir ni ceder energa del exterior.

Energa mecnica y rozamiento

Lo expuesto en el apartado anterior no se cumple en la prctica. Cualquier

movimiento realizado por un cuerpo est sometido inevitablemente a rozamiento, ya sea con otro cuerpo en contacto o con el propio aire excepto en el espacio exterior de la atmsfera terrestre. El rozamiento provoca un frenado del desplazamiento, que se traduce en una prdida de energa cintica (por disminuir la velocidad) y, en consecuencia, de la energa mecnica. Esta prdida de energa no es tal, como ya se ha indicado: la energa cintica que se pierde se transforma en energa calorfica.

Principio de mnima energa

Todos los sistemas en la naturaleza evolucionan hacia el estado de mnima

energa potencial: cualquier cuerpo en un plano inclinado rueda hasta el punto ms bajo, en el que la energa potencial es mnima o nula; un muelle comprimido tiende a estirarse, para adquirir la condicin de mnima deformacin y, por tanto, de mnima energa; una reaccin qumica evoluciona hacia el estado de menor contenido energtico. Tambin los electrones en el tomo se hallan siempre en el nivel de menor energa posible, en estado de no excitacin.

Energa trmica

Si se ponen dos cuerpos en contacto a diferentes temperaturas, se produce la

transmisin de calor del cuerpo ms caliente al ms fro, hasta que se iguala la temperatura de ambos. Lo que entendemos por transmisin de calor es exactamente otra forma de manifestarse la energa. La energa trmica de un cuerpo est relacionada con la energa mecnica a nivel molecular, ya que se entiende como la suma de las energas mecnicas asociadas a los movimientos de todas las molculas que lo componen. Si bien no se puede medir el valor absoluto de esta forma de energa, s es posible calcular la variacin que experimenta al aumentar o disminuir la temperatura: esto es lo que se denomina calor.

El principio de conservacin de la energa en Termodinmica es equivalente a la mecnica: en este caso la energa mecnica se denomina energa interna. La energa interna de un sistema es la suma de las energas cinticas (asociadas al movimiento de las molculas), las energas potenciales (asociadas a su posicin), las energas de vibracin y de rotacin de las partculas que integran el sistema, las energas de enlace y la energa trmica.

Para cada reaccin qumica existe una energa asociada, que puede manifestarse de diferentes formas: como energa elctrica, luminosa, nuclear, mecnica, calorfica. Lo habitual es que se manifieste como energa calorfica, ya que en la mayor parte de las reacciones se produce una transferencia energtica desde el sistema al entorno o al revs. Esto es as porque tanto los reactivos como los productos almacenan una cierta energa en su interior, denominada entalpa. Hablamos entonces de reacciones exotrmicas, cuando desprenden calor al exterior por ser los reactivos ms energticos que los productos es el caso de todas las reacciones de combustin o endotrmicas, cuando el sistema absorbe energa del exterior por ocurrir lo contrario por ejemplo, en la descomposicin del agua por electrlisis. Los cambios de energa en las reacciones qumicas son debidos a la ruptura de los enlaces entre las molculas de los reactivos y a la formacin de nuevos enlaces entre ellas para dar lugar a los productos.

Energa electrosttica

El concepto de energa potencial, es decir, la energa de un cuerpo asociada a su

posicin, se traduce en trminos de electricidad en la energa potencial electrosttica. Supongamos una carga elctrica q situada en un punto del espacio, a una distancia r de otra carga Q de signo contrario. Por el mero hecho de hallarse en ese punto, la carga q posee una energa potencial Ep. Si se libera la carga q el efecto de la fuerza atractiva hara que se aproximara a Q, con lo que se liberara esa energa potencial. Si llevamos de nuevo la carga q a su posicin inicial estaremos realizando un trabajo en contra de la fuerza de atraccin entre q y Q, que se invierte en aumentar la energa Ep de la carga q.

LA LUZ Fue Newton quien por vez primera logr demostrar experimentalmente que la luz

del Sol (llamada tambin luz blanca) era producto de la mezcla de todos los componentes coloreados. Newton observ que un delgado rayo de luz reflejado en una faceta de un objeto de cristal (que funciona como un prisma) se descompona en todos los colores del arco iris, del rojo al violeta.

Aunque fascinante, esta teora no era capaz de explicar, a no ser con hiptesis muy artificiosa, otros fenmenos luminosos como la refraccin y la difraccin, pero sobre todo no permita comprender cmo unos rayos luminosos formados por partculas materiales podan cruzarse en su propagacin sin perturbarse. Diametralmente opuesta a la teora corpuscular era la hiptesis propuesta por el fsico holands Christian Huygens. En su Trait de la lumire, este cientfico consideraba la luz no como transporte de materia, sino como propagacin de energa mediante ondas. Ninguna de estas teoras fue valorada ni estudiada objetivamente por los fsicos de la poca: la autoridad de Newton era demasiado grande, por lo que la teora corpuscular de la luz permaneci indiscutida hasta fines del siglo XIX, cuando el fsico britnico Thomas Young (1773-1829), con un experimento fundamental y un riguroso planteamiento matemtico, motiv la aceptacin general de la teora ondulatoria de la luz.

Reflexin de la luz: los espejos

Cuando la luz incide sobre una superficie pulida se produce una reflexin: todos

los rayos luminosos se reflejan en una determinada direccin. Son ejemplos de superficies reflectoras los espejos. En particular, en un espejo plano la imagen es virtual (dado que no puede proyectarse sobre una pantalla) y es simtrica del propio objeto respecto al plano del espejo. Existen tambin espejos esfricos, que pueden ser cncavos o convexos; en ambos casos, la imagen reflejada resulta deformada (en los espejos esfricos cncavos la imagen queda aumentada, mientras que los convexos muestras una imagen empequeecida).

Leyes de la reflexin

Se han formulado dos leyes de la reflexin: la primera afirma que el rayo

incidente y el reflejado se encuentran en el mismo plano que la perpendicular (normal) a la superficie en el punto de incidencia; la segunda sostiene que el ngulo de reflexin es igual al ngulo de incidencia.

La refraccin: prismas y lentes Un haz de luz, cuando incide sobre la superficie de separacin entre dos medios

distintos, como el aire y el agua, penetra en el segundo medio cambiando de direccin. Se dice que el rayo se refracta. Se habla en tal caso de rayo incidente, de rayo refractado (el que se desva), de ngulos de incidencia y de refraccin (formados por los dos respectivos rayos con la normal a la superficie en el punto de incidencia) y de ndice de refraccin. Las lentes pueden utilizarse para desviar un rayo luminoso: existen lentes convergentes que desvan los rayos hacindolos converger en un punto, y otras que, al contrario, son divergentes.

Leyes de la refraccin

Dos son tambin las leyes bsicas de la refraccin: segn la primera, el rayo

incidente y el rayo refractado pertenecen al mismo plano que la normal a la superficie en el punto de incidencia; en virtud de la segunda, considerando dos segmentos iguales, uno en el rayo incidente y el otro en el refractado, el cociente entre las proyecciones del primero y del segundo sobre la superficie de separacin entre los dos medios es constante al variar el ngulo de incidencia, y solamente depende de la naturaleza de los medios; este cociente es el ndice de refraccin.

Interferencias y difraccin Se denomina difraccin a la desviacin que se produce en la propagacin

rectilnea de las ondas luminosas cuando pasan por el borde de un objeto opaco. Cuando se usa una fuente luminosa muy fina, el contorno de la sombra de un objeto opaco no es limpio, sino que aparece bordeado de franjas, es decir, de bandas alternativamente sombreadas y brillantes. Estos efectos son debidos a la difraccin de la luz, y las franjas de luz y sombra se llaman franjas o bandas de difraccin. Este hecho demuestra que la luz, en lugar de propagarse en lnea recta, se desva cuando choca contra el contorno de los cuerpos. La difraccin se puede explicar por medio de las interferencias: se produce interferencia cuando se superponen dos o ms ondas, en este caso luminosas. Si las ondas tienen la misma longitud, amplitud y fase, se origina una nueva onda cuya

amplitud es la suma de las amplitudes de los componentes; lo cual produce una mayor luminosidad.

La polarizacin

Los fsicos del siglo XIX, incapaces de imaginar un fenmeno ondulatorio sin una

sustancia material que sirviera de soporte para la propagacin de la onda, conjeturaron la existencia de un misterioso ter que debera llenar todo el espacio y a travs del que viajaba la luz en forma de ondas longitudinales.

Sin embargo, los fsicos no tardaron en advertir la existencia de cristales (como la turmalina y el espato de Islandia) cuyo comportamiento frente a la luz no poda explicarse en el supuesto de que sta estuviera formada por ondas longitudinales, ya que si se interponen dos delgadas lminas de turmalina entre el ojo del observador y la fuente luminosa, se observa que, al girar una de ellas (perpendicularmente a la direccin del rayo luminoso), la luz aparece y desaparece de forma alternativa.

Este fenmeno slo se puede explicar suponiendo que las ondas luminosas son

ondas transversales, lo que significa que la oscilacin luminosa tiene lugar perpendicularmente a la direccin de propagacin de la onda. Una fuente de luz corriente emite radiaciones que oscilan en todas las posibles direcciones perpendiculares a la direccin de propagacin del rayo luminoso. La lmina de turmalina se comporta frente a la luz como una pantalla en la cual se ha abierto una rendija: permite slo el paso de las radiaciones que oscilan en el mismo sentido que la rendija. La luz as obtenida se llama luz polarizada.

El problema de la existencia o no del ter se mantuvo hasta que Albert Abraham

Michelson y Edward William Morley probaron con un clebre experimento que no tena cabida en una teora seria. Sin embargo, la definitiva refutacin de su existencia slo se produjo a partir de las investigaciones de Albert Einstein.

LOS AGUJEROS NEGROS Un agujero negro es un cuerpo celeste de extrema densidad y gran atraccin

gravitatoria, que ni refleja ni emite radiacin alguna. Podra ser la fase final de la evolucin de ciertas estrellas. En este sentido, se tratara de un punto vaco en el espacio, consecuencia del colapso gravitatorio experimentado por una estrella, que, agotada su energa interna, concentra su masa en un dimetro inferior a una decena de kilmetros.

La formacin de un agujero negro

La existencia de los agujeros negros es, en el nivel actual de las investigaciones,

una mera hiptesis matemtica. Fue el astrnomo alemn Karl Schwarzschidl quien, a comienzos del siglo XX, desarroll este concepto, basndose en la teora fsica de la relatividad general formulada por Einstein, que constituye el instrumento fundamental para emprender el estudio de un fenmeno cuya constatacin emprica resulta emprica.

El proceso de formacin de un agujero negro est relacionado con la evolucin de algunas estrellas. Como es sabido, una estrella de masa anloga a la del Sol termina convirtindose en enana blanca, un astro pequeo con elevada densidad. Por su parte, las estrellas cuya masa supera al menos en una vez y media la masa solar pasan con frecuencia a ser novas, pares de estrellas entre las que se verifica un constante intercambio de materia y, como consecuencia, explosiones que alteran notablemente el sistema.

Novas y supernovas Una nova es una estrella que, en la etapa final de su vida, tras fusionar todo su

contenido de hidrgeno y convertirlo en helio, comienza a fusionar los tomos de este gas para transformarlo en ncleos de hierro, aumentando considerablemente su emisin de energa y su luminosidad.

Cuando todas las reservas de helio han sido consumidas, la estrella explosiona y se convierte en supernova. La supernova, un astro que, al explotar, desprende gran cantidad de energa y luz, constituye la fase final en la evolucin de una estrella, caracterizada por la concentracin en su ncleo de masa sometida a gran presin y altas temperaturas.

A diferencia de lo que ocurre en el caso de las novas, las explosiones que se verifican en las supernovas s producen la destruccin, prcticamente total, de la estrella.

La explosin de una nova deja como residuo un nuevo astro de enorme densidad y

volumen muy reducido con una dimetro que no supera los 10 km, compuesto nicamente por neutrones. La magnitud de la fuerza de gravedad, muy superior a la que acta en la superficie de la Tierra, atrae los neutrones hacia el centro de la estrella; as se explica que en un volumen tan pequeo se concentre tan alta proporcin de masa. Tan slo el carcter enormemente compacto de los neutrones es capaz de limitar este proceso de compresin, que, de otro modo, culminara en su aplastamiento.

No obstante, la fuerza newtoniana de atraccin puede poner fin a este factor de incompresibilidad de la materia. As, podra suceder que tras la explosin de una supernova de inmensas dimensiones no se originara una estrella de neutrones, sino un astro donde la fuerza de gravedad alcanzara niveles tan extremados que atraera hacia su propio centro la materia de la que est compuesto. El resultara sera una rapidsima

contraccin, que provocara una violenta disminucin del tamao de la estrella, cuyo dimetro sera igual a 0 y cuya densidad sera infinita. Surgira de esta manera una especie de garganta, capaz de tragar, a causa de su potente campo de atraccin, toda la materia csmica situada a su alrededor, incluida la luz. Su campo gravitatorio sera tan fuerte, que ni siquiera la radiacin electromagntica podra escapar de su entorno; a travs del denominado horizonte de suceso, una frontera esfrica que rodea al agujero negro, la luz podra penetrar, pero no podra salir.

ste sera, a grandes rasgos, el proceso de formacin de un agujero negro.

Un hallazgo imposible En la actualidad, no todos los cientficos aceptan la existencia real de los agujeros

negros. Suponiendo que en efecto existieran, hay que sealar que la condicin para que una estrella evolucione hacia agujero negro que su peso supere al menos cinco veces el del Sol no se da con frecuencia en el universo.

Una segunda objecin para constatar la presencia de agujeros negros se deriva del hecho de que son invisibles; nicamente podran reconocerse a partir de los efectos producidos en objetos celestes cercanos. En este sentido, dado un sistema binario de estrellas, si una de ellas se transforma en agujero negro actuara sustrayendo materia superficial de la segunda, en virtud de su intensa fuerza de gravedad. El resultado de este proceso sera un trasvase continuo de materia entre ambos astros. Los gases procedentes de la estrella colapsada aumentaran su densidad al aproximarse al agujero; antes de ser absorbidos por l originaran una nube, cuyo giro, a enorme velocidad, adquirira la forma de una gran espiral que dispersara un flujo energtico capaz de sustraerse a la fuerza del remolino.

As pues, puede concluirse que, en el caso de que los agujeros negros existiesen, su observacin quedara, probablemente, fuera de la capacidad humana.

El hipottico descubrimiento de agujeros negros

Gracias a los datos obtenidos por el telescopio espacial Hubble, en 1994 un

equipo de cientficos seal la existencia de un agujero negro; se trata, naturalmente, de una hiptesis, aunque reviste enrome inters. Estara emplazado en el centro de una galaxia de la constelacin de Virgo, la M87. A su alrededor se ha detectado la presencia de una nube gaseosa, que podra estar rodeando precisamente al agujero negro, permaneciendo en constante proceso de absorcin. La elevada aceleracin de gases constatada en esta regin permite apuntar la hiptesis de la presencia de un objeto de entre 2,5 y 3.500 millones de masas solares.

A comienzos del ao 1997 un grupo de astrofsicos estadounidenses aport nuevos datos sobre el estudio del fenmeno de los agujeros negros. A partir del anlisis de nueve sistemas binarios de estrellas, emisores de rayos X, constataron que, en cinco casos, cuando la materia de la estrella de menor masa golpeaba la superficie del segundo objeto, ste emita una radiacin de intenso brillo: se trataba de una estrella de neutrones. En los otros cuatro casos, donde se crea que existan agujeros negros, la radiacin producida por el segundo objeto resultaba mnima; la carga energtica desapareca a travs del horizonte de sucesos. Las conclusiones de este anlisis, sin ser definitivas, constituyen pruebas directas acerca de la existencia de agujeros negros.

Posteriormente, el mismo equipo seal otros tres posibles casos de agujeros negros; en esta ocasin dieron como emplazamiento los centros de las galaxias M105, NBC 3377 y NGC 44868.

La interpretacin de Stephen Hawkins

Buena parte de las investigaciones del astrofsico britnico Stephen Hawkins han

estado consagradas al estudio de los agujeros negros y la cosmologa cuntica. Segn Hawkins, la formacin de estos cuerpos podra estar vinculada al propio origen del universo. Aceptada esta hiptesis, los agujeros negros estaran emplazados demasiado lejos de otra materia como para ser detectados. Por otra parte, el colapso del agujero negro formara el denominado agujero de gusano, a travs del cual se producira la comunicacin con otros universos distintos al nuestro.