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Consultorio de Física


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211 respuestas en este tema

  • JAVOX

  • MERISIENTIFIKO

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#1

Escrito 09 marzo 2014 - 21:50

Buenas señores:

Después de años cerrado he decidido atreverme a retomar el consultorio de Física que antes llevaba exemptus. Para el que no conociese cómo funciona esto, se trata de un hilo con propósito de resolver dudas o cuestiones generales sobre Física, con las siguientes condiciones:

* La finalidad del hilo es meramente cultural y no académica. Esto quiere decir que no se resolverán problemas ni se ayudará a cuestiones particulares relacionadas con los estudios. Para eso está el hilo de ayudas para estudios del Off Topic

* Las preguntas pueden ser de cualquier rama de la Física, pero quede claro que yo no soy exemptus y no conozco ni mucho menos domino todas ellas. Os adelanto que mi rama es la teórica, por lo que en general me siento más cómodo en terrenos como la Física de Partículas que en otros como la Electrónica o la Termodinámica. Pese a todo, en caso de no saber algo (cosa que pasará con mucha frecuencia) confío en que la base que tengo me permita al menos ser capaz de seleccionar fuentes adecuadas.

* La Ingeniería y la Química no tienen cabida en este hilo. Es más, ambas me dan un poco de repelús y se me dan de culo X-D así que no contestaré a preguntas de ese campo salvo que estén relacionadas con la Física. Las matemáticas sin embargo son un terreno en el que me siento más cómodo, por lo que si la cosa no es muy compleja estoy dispuesto a contestar dudas relacionadas con ella siempre y cuando sean el tipo de matemáticas que utilizamos los físicos (es decir, que si la cosa va de ecuaciones diferenciales o de geometría diferencial bien, pero no tengo ni idea de teoría de números o topología)

* No se resolverán cuestiones metafísicas ni filosóficas. Y lo pongo en negrita porque es uno de las cosas más tentadoras de los curiosos de la física así que debo dejarlo bien claro: no voy a entrar en disquisiciones sobre las paradojas de la Relatividad General, las interpretaciones de la Mecánica Cuántica o el determinismo, los Demiurgos y el "¿qué había antes del Big-bang?". Algunas de estas cosas sí que son importantes en la Física, pero explicarlas bien y sin cagarla requiere saber mucho del tema, así que es un campo en el que no me pretendo meter.

* Cada cuestión a responder llevará el título "Cuestión #" con # el número de ésta. Así mismo mis respuestas se titularán "Respuesta a la cuestión #" de forma que todo quede bien organizado. Cada cuestión obtendrá un número y será indexada desde este primer mensaje mediante un enlace.

Saludos y espero serviros de ayuda.

Enlaces a los antiguos consultorios

Consultorio de Física y Matemáticas

Consultorio sobre Física y Matemáticas (hilo antiguo)

Índice de cuestiones
 

Cuestion 1: Aleatoriedad en las desintegraciones nucleares

 

Cuestión 2: La cuantización de la luz

 

Cuestión 3: Modelos de amortiguación en osciladores

 

Cuestión 4: El principio de incertidumbre para energía y posición

 

Cuestión 5: El problema de la constante cosmológica


Editado por JAVOX, 12 julio 2016 - 19:13 .

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  • hardgamer46

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#2

Escrito 09 marzo 2014 - 21:54

Yaaayyyy.

A ver si puedes hablarnos de la aleatoriedad en el decaimiento beta pese a que los átomos son en principio idénticos, a qué se puede deber, etc. Es algo que siempre me ha rayado bastante y a ver si nos puedes dar más ejemplos de aleatoriedad natural de este tipo.

Saludos.

lll-1.gif    CodeCogsEqn%202.gif    ddddd.gif

 

Wir müssen wissen. Wir werden wissen.

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  • JAVOX

  • MERISIENTIFIKO

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#3

Escrito 09 marzo 2014 - 23:35

 

Cuestión 1: Aleatoriedad en las desintegraciones nucleares

 

A ver si puedes hablarnos de la aleatoriedad en el decaimiento beta pese a que los átomos son en principio idénticos, a qué se puede deber, etc. Es algo que siempre me ha rayado bastante y a ver si nos puedes dar más ejemplos de aleatoriedad natural de este tipo.

 

Buena idea lo de poner "Cuestión 1". Voy a ponerlo en el post principal para que todo el mundo lo haga y esto quede más limpio.

No hay nada en el decaimiento beta que lo haga más aleatorio que cualquier otro proceso en mecánica cuántica (aunque te doy la razón en que las desintegraciones nucleares parecen más naturales que los típicos experimentos que se proponen ad-hoc para explicar el carácter probabilístico de la MC y por eso choca algo más).

El caso de la desintegración beta implica interacción débil y la teoría más sencilla que la describe es la de Fermi, que requiere saber cosas de perturbaciones dependientes del tiempo y otros coñazos varios. Pero para contestar tu duda (si es que la he entendido bien) podemos pensar mejor en en el decaimiento alfa y hacer un modelito simple.

La partícula alfa es un núcleo de helio, esto es, se trata de un hadrón cargado, por lo que para empezar va a sufrir al menos dos interacciones: electromagnética y fuerte. Lo que quiero hacer ahora es echarle un poco de morro e intentar describir estas dos interacciones con un simple potencial que yo pueda poner en mi ecuación de Schrödinger para ver cómo se comporta el sistema.

Pues bien, para eso lo que voy a hacer es suponer que la partícula alfa de alguna manera pre-existe dentro del núcleo, y que éste actúa como un pozo de potencial que retiene a la alfa y no la permite escapar del núcleo. Esto tiene cierto sentido, ya que la interacción fuerte es de corto alcance (apantallada) y además satura, por lo que es razonable pensar que se comporta como un pozo, es decir, que tiene un cierto potencial atractivo constante para distancias menores que su radio de acción y se anula para distancias mayores. ¿Y qué pasa cuándo la partícula alfa se encuentra fuera de ese pozo de atracción brutal? Pues que allí quien dominará será la repulsión electromgnética que se comporta como el clásico potencial de Coulomb. En definitiva, el potencial (efectivo) en función de la distancia que describe las fuerzas sobre la alfa es algo con esta pinta

gamov_zpscb7517ec.png

Donde la alfa cuando está dentro del núcleo tiene una energía mayor que cero pero menor que V_0. Si esto fuese mecánica clásica la cosa sería muy fácil: la alfa se queda dentro del pozo para el resto de su vida ya que la el pico que vemos en el dibujo actúa como una barrera de potencial que impide a la partícula salir del pozo. Sin embargo, esto es mecánica cuántica, y como sabrás aquí existe algo llamado efecto túnel que cambia las cosas. Pese a encontrarse dentro del pozo, la alfa ahora tiene una cierta probabilidad de atravesar la barrera de energía y aparecer por el otro lado, librándose de la atracción del núcleo y saliendo repelida por el potencial de Coulomb. Y aquí está el meollo de la cuestión, podemos calcular la probabilidad de que esa barrera sea traspasada e incluso sacar vidas medias en función de los parámetros del modelo pero cuando decide pasar y cuándo no es algo completamente aleatorio. La alfa se encuentra en el pozo y sale fuera cuando le sale de las narices, tal y como nos dice la mecánica cuántica que funcionan estas cosas.

alpdec.gif

Esto que te he contado se llama el modelo de gamov de la desintegración alfa. En principio es un despropósito porque estamos decribiendo la interacción fuerte mediante MC simple cuando habría que usar QCD, pero el hecho es que el modelo funciona muy bien para predecir algunas cosas. En particular, la energía que posee la partícula alfa cuando está dentro del pozo es la que se mide en la desintegración (llamada valor Q de la reacción) y parece obvio que cuanto mayor sea esta energía menor será la barrera a la que se enfrenta y mayor la probabilidad de observar la desintegración. Es decir, que con un modelo muy cutre podemos demostrar que la vida media de los núcleos inestables alfa crece cuanto menor es la energía liberada en la reacción (lo cual parece obvio, cuanta más energía se libera en la reacción más probable es esta), y no sólo cualitativamente sino que si hacemos las cuentas las dependencias son las correctas (aunque con resultados toscos).

Por lo tanto: ¿más ejemplos de aleatoriedad natural? Todos los que quieras. Cualquiera proceso que esté regido por la MC va presentar aleatoriedades de este tipo. Uno que te puede resultar familiar es la desexcitación de los electrones de capas altas cuando han sido excitados previamente por un fotón. En este caso son las perturbaciones del vacío quienes modifican el hamiltoniano atómico y causan que el electrón baje de nivel, pero tampoco se puede saber cuándo lo hará más allá de probabilidades y vidas medias.

Más cosas naturales...las desintegraciones de partículas más complejas como los piones que vienen del Sol, por ejemplo, las oscilaciones de neutrinos solares...

Como te digo, cualquier cosa se vuelve cuántica (y por tanto aleatoria) si te "acercas" lo suficiente. Es cierto que la desintegración nuclear es uno de los fenómenos más claros, pero en general aleatoriedad en la naturaleza hay a patadas.

No se si te ha quedado algo claro o he liado más la cosa X-D. Si sigues con dudas dime.


Editado por JAVOX, 05 noviembre 2015 - 19:16 .

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  • JAVOX

  • MERISIENTIFIKO

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#4

Escrito 09 marzo 2014 - 23:43

Por cierto, gracias por enchinchetar Salvor. No has tardado ni 5 minutos :-D
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  • sora63

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#5

Escrito 11 marzo 2014 - 23:34

Ya que el de Química está cerrado, pondré una duda en este.
No sé en que apartado vendría esta duda, ya que es sobre las propiedades físicas de un elemento químico. Bueno alla que va:

La cosa va de Superconductores. Éstos tienen una R = 0. Hasta aquí bien.
De ahí se deduce que si se aplica un voltaje a un circuito, la intensidad no decrece.
Es decir, un ordenador hecho entero de superconductores podría funcionar eternamente (no se pierde energía debido a que la resistencia es 0).

Si estos dos puntos són correctos (que lo son... espero X-D) mi duda es:


¿No viola esta propiedad la segunda ley de la termodinámica?
¿Si la electricidad circula eternamente sin problemas eternamente, donde está la perdida de entropía? No se mucho de termodinámica aplicada a circuitos, pero es algo que me intriga.

Espero que la pregunta esté clara :)

(Hablo del circuito en sí siempre, sé que los superconductores necesitan temperaturas muy bajas y por lo tanto tendríamos que enfriarlo con algo, esta parte no la cuento, podemos suponer que la temperatura es lo suficientemente baja para que el superconductor funcione).
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  • anubis_905

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#6

Escrito 15 marzo 2014 - 19:11

Yo estudio química, pero los superconductores en la carrera los han mencionado y gracias. Justamente ahora tengo una asignatura donde si les meteremos algo de mano... Ya veremos que me cuentan XD

Yo si tengo una duda de física. Dos de hecho.
Entiendo lo de que la energia está cuantizada y bla, bla bla, pero en la relación de planck, E=Hv y tal, no acabo de ver la cuantización. O sea, si, está la constante de planck que en mi cabeza seria así como el "escalón", pero la frecuencia técnicamente si es infinitamente disivible, no? O debo asumir que como la frecuencia es función de la longitud de onda y ésta es una longitud que a priori también está cuantizada, la frecuencia también?

La segunda es que me acuerdo que en espectroscopia, a parte de soltarnos muuuuchos rollazos, en una parte del temario hablamos de tiempos de residencia (me estoy inventando la nomenclatura?) de los electrones en estado excitados. Y recuerdo que nos comentaron que el tiempo y la energia son como la posición y el momento lineal, que aparece por ahí la relación de indeterminación de heisenberg con su negra cabeza. Mi duda es, como es que la energia puede tener incertidumbre? Quiero decir, la conservación de la energia se la pasa por ahí momentaneamente o como?

Arigatou gozaimasu.
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#7

Escrito 15 marzo 2014 - 19:49

Con lo de la superconductividad me habéis pillado porque es un fenómeno mecánico-cuántico de los jodidillos así que me lo tengo que mirar con calma. A la otra te contesto mañana cuando tenga un hueco anubis.
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  • JAVOX

  • MERISIENTIFIKO

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#8

Escrito 18 marzo 2014 - 01:22

 

Cuestión 2: La cuantización de la luz

 

Entiendo lo de que la energia está cuantizada y bla, bla bla, pero en la relación de planck, E=Hv y tal, no acabo de ver la cuantización. O sea, si, está la constante de planck que en mi cabeza seria así como el "escalón", pero la frecuencia técnicamente si es infinitamente disivible, no? O debo asumir que como la frecuencia es función de la longitud de onda y ésta es una longitud que a priori también está cuantizada, la frecuencia también?



Es que la cuantización no está en la fómula E=hv, sino en el hecho de decir que esa energía corresponde a un fotón. Como tu muy bien dices la frecuencia puede tomar todos los valores que le de la gana. La cuestión clave de la cuantización en este sentido se ve muy bien con el efecto fotoeléctrico. Lo que observó Einstein en su día es que cuando enchufamos un chorro de luz sobre un metal, la emisión o no de electrones por parte de éste no depende de la intensidad de la luz con la que iluminemos sino de su frecuencia. Vamos a verlo con calma:

Imagina que el metal tiene un electrón débilmente ligado a él en su superficie que queremos sacar de allí. Al igual que haríamos con un satélite que queremos sacar de órbita, es necesario darle un buen ostiazo para que alcance la energía necesaria para salir de allí. ¿y cómo hacemos eso? Con luz (por ejemplo, aunque se podría con más cosas). La cuestión es que la mecánica clásica nos diría que si yo voy poco a poco dándole luz al electrón, este debería absorber la energía de ésta de una forma suave de modo que se fuese desligando poco a poco del metal hasta salir despedido. Sin embargo las evidencias dicen que esto no es así. Si tu tratas de iluminar el metal con los megawatios que te de la gana de luz roja allí no pasa nada, mientras que si mandas apenas un pulso de luz ultavioleta aquello empieza a escupir electrones como loco. ¿qué es lo que ha pasado aquí? Pues pasa que lo que interacciona con el electrón no es "la luz" sino UN fotón y solo uno. Y él solito tiene que tener la energía suficiente como para sacar al electrón de su estado ligado porque sus compañeros no le van a ayudar. Si utilizamos ahora la famosa fómula E=hv e igualamos esta energía a la necesaria para sacar al electrón (llamémosla W) resulta que vamos a encontrar un valor para la frecuencia v = W/h que actúa como un umbral: por debajo de esa frecuencia no se expulsan fotones y por encima si (¡independientemente de la cantidad de estos!). Lo que ocurre cuando los fotones no tienen la suficiente energía es que éstos son absorbidos por los electrones del metal, pero al no alcanzar la energía suficiente para desligarse acaban desexcitándose al estado inicial de menor energía y reemiten el fotón de nuevo, de modo que no da tiempo a que otro fotón incida sobre él (cosa que puede ocurrir pero es muy improbable).

La otra mañana (ya se que parezco un poco vago pero nunca encuentro en momento X-D )


Editado por JAVOX, 05 noviembre 2015 - 19:19 .

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  • anubis_905

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#9

Escrito 18 marzo 2014 - 14:52

Culpa mia, no he hecho bien la pregunta. Aunque nunca está de más asentar cosas que ya se. Vaya, es que el efecto fotoelectrico y su explicación me encantan.

Replanteo la pregunta. La energia en si, esta cuantizada? Un foton puede tener cualquier energia?
Ahí está mi duda y el motivo por el cual no acabo de ver la cuantización en la relación de planck (aunque ya me hayas dicho que ahí no está propiamente.

Aunque vaya, si el error es mio, entender que si lo está, pues nada XD
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  • JAVOX

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#10

Escrito 18 marzo 2014 - 23:17

Culpa mia, no he hecho bien la pregunta. Aunque nunca está de más asentar cosas que ya se. Vaya, es que el efecto fotoelectrico y su explicación me encantan.

Replanteo la pregunta. La energia en si, esta cuantizada? Un foton puede tener cualquier energia?
Ahí está mi duda y el motivo por el cual no acabo de ver la cuantización en la relación de planck (aunque ya me hayas dicho que ahí no está propiamente.

Aunque vaya, si el error es mio, entender que si lo está, pues nada XD


Pero si es lo que te acabo de decir. La energía no está cuantizada porque estás considerando fotones libres y la solución de la ecuación de Schrödinger en ese caso es la onda plana, que tiene un espectro de energías continuo. Otra película sería una partícula en un potencial. Ahí las energías si que estarían cuantizadas, claro, pero no es el caso.

De todas formas si lo que quieres es ver otros ejemplos más palpables en los que la cuantización juege un papel vital vete a la radiación de cuerpo negro. En ese ejemplo básicamente el hecho de cambiar una integral en energías por una suma discreta de términos de una energía cuantizada cambia totalmente la física. Aunque para eso hay que saber algo de física estadística, me temo.
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  • anubis_905

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#11

Escrito 19 marzo 2014 - 00:39

Guay, entonces era que yo lo habia entendido mal. Muchas gracias!
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  • D_Smooth

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#12

Escrito 20 marzo 2014 - 19:58

Voy yo:

Sabemos por experiencia y observación que la amplitud de la vibración de los cuerpos decrece hasta detenerse, lo que se conoce como movimiento oscilatorio amortiguado. Suponiendo la fuerza elástica

F = -Kx

Que es obtenida por la energía potencial 1/2kx^2 en posición de equilibrio, la parábola descrita oscila entre x1 y x2 simetricamente a x' con lo que se escribe la frecuencia angular de particulas que oscilan respecto a un vértice.

Si escribo para un sistema F'= -λV (con constante y velocidad) la resultante de la fuerza opositora es

F + F' con movimiento Ma= -kx - λV y con la velocidad dx/dt para aceleración d^2x/dt^2

Obtengo una frecuencia angular sin amortiguamiento que se entiende como una ecuación diferencial del movimiento armónico simple y que es la resultante de que la frecuencia disminuya hasta detenerse:

Imagen Enviada

Sin embargo...

Si el amortiguamiento es muy potente las partículas se aproximan a una posición de equilibrio sin llegar nunca a ella y donde la solución de la ecuación diferencial es siempre imaginaria. ¿Por qué?. Si es por mirar, es evidente que es porque la energía perdida se absorbe en alguna parte, pero no entiendo cual es la forma de determinar cuando el amortiguamiento es suficiente cómo para crear esta situación.
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  • JAVOX

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#13

Escrito 25 marzo 2014 - 23:30

 

Cuestión 3: Modelos de amortiguación en osciladores

 

Si el amortiguamiento es muy potente las partículas se aproximan a una posición de equilibrio sin llegar nunca a ella y donde la solución de la ecuación diferencial es siempre imaginaria. ¿Por qué?. Si es por mirar, es evidente que es porque la energía perdida se absorbe en alguna parte, pero no entiendo cual es la forma de determinar cuando el amortiguamiento es suficiente cómo para crear esta situación.



No se si entiendo bien tu pregunta pero creo que tu problema aquí es que le estás dando una importancia al modelo que no tiene. Es decir, el hecho de modelar el rozamiento con un término de dependencia lineal con la velocidad puede dar una idea, pero la realidad es muchísimo más compleja. Ese es un modelo que se suele estudiar porque es de los pocos resolubles analíticamente pero ten en cuenta que lo que llamamos "rozamiento" es la manifestación macroscópica de algo muy muy complejo como son las fuerzas entre las moléculas de dos compuestos.

Que el modelo sea más o menos útil no quiere decir que no pueda tener lagunas y dar resultados absurdos. En el caso del rozamiento lineal si no recuerdo mal la solución de la ecuación diferencial da 3 regiones: la de oscilación amortiguada, la de sobreamortiguación (en la que nunca se llega a alcanzar la posición de equilibrio) y una tercera en la que el cuerpo se acerca a la posición de equilibrio asintóticamente. Obviamente esto último es ridículo, porque en la vida real las cosas no tardan un tiempo infinito en llegar a ningún sitio, pero es un fallo del modelo.


Editado por JAVOX, 05 noviembre 2015 - 19:21 .

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  • D_Smooth

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#14

Escrito 25 marzo 2014 - 23:37

Imagen Enviada

Entonces tú no eres un partidario de la masa imaginaria.
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  • Hoin Kyoma

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#15

Escrito 07 abril 2014 - 13:16

Estaría bien hacer un post recopilatorio con los temas (lo digo especialmente por los de Cuántica x3 Al poco de entrar en el foro tuve una charla con Hardy muy buena sobre el entrelazamiento cuántico en el foro off topic)

Ahora la duda. ¿Algún libro majo de Cuántica que sea fácil de conseguir, completito, y relativamente sencillo de entender? (Lo de relativamente sencillo lo digo porque entiendo que tiene que tener su complejidad debido al tema, pero esque he visto algunos que ya no es lo complicado del tema, sino que está explicado de forma regulera :| )

Un saludo y gracias.

Imagen Enviada

(La firma no es mía, la he cogido de internet)(Signature isn't from me, I take it from internet)

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