o universo fis 4º

X.MANUEL BESTEIRO ALONSO Colexio Apostólico Mercedario VERÍN

Los astros en el firmamento2

E l u n iv e r s o y e l m o v im ie n t o d e lo s a s t r o s

Fsica y Qu mica í í

4 ESOº

• La posición de los astros se describe como si estuvieran situados en la superficie de una esfera imaginaria, denominada esfera celeste, en cuyo centro estaría situada la Tierra

• El firmamento es la bóveda celeste sobre la que aparentemente están situados los astros

• La observación de las estrellas, el Sol y la Luna originó la primera ciencia exacta: la astronomía

Los astros en el firmamento3

E l u n iv e r s o y e l m o v im ie n t o d e lo s a s t r o s

Fsica y Qu mica í í

4 ESOº

• Se utilizan para localizar un punto sobre la esfera celeste. Son la declinación y la ascensión recta

• El eje de rotación de la Tierra corta a la esfera celeste en dos puntos llamados polos celestes, y el ecuador celeste es la circunferencia correspondiente al círculo máximo de la esfera perpendicular al eje

• Eclíptica es la trayectoria aparente que sigue el Sol a lo largo del año sobre la esfera celeste. Los puntos de corte entre la eclíptica y el ecuador celeste se denominan equinoccio de primavera y equinoccio de otoño

Coordenadas celestes

Coordenadas celestes

Constelaciones de estrellas2

El universo y el movimiento de los astros Fsica y Qu mica í í

4 ESOº4

• Las estrellas aparecen en el firmamento agrupadas en constelaciones

• Estas agrupaciones son aparentes y se representan en mapas celestes

• Las observaciones astronómicas permiten fijar el calendario y predecir los eclipses y las posiciones de los cuerpos celestes

Constelación de Leo

• Una constelación es una agrupación de estrellas que representan una figura determinada y que vista desde la Tierra, mantiene su posición constante a lo largo de miles de años

El problema de la posici n de la Tierra en el universoó3


4 ESOº4

• Para un observador en la Tierra, todos los astros de la bóveda celeste dan un giro completo cada día alrededor del eje celeste que pasa por los polos

• Las estrellas mantienen posiciones fijas en la bóveda y completan una vuelta cada 24 horas. Su trayectoria aparente es una circunferencia

• Los astrónomos observaron que los planetas no mantienen sus posiciones fijas respecto de las estrellas, sino que se mueven entre ellas. Es el llamado fenómeno de la retrogradación de los planetas

• En determinadas posiciones de su trayectoria, el planeta cambia el sentido de su movimiento y describe un bucle antes de continuar el movimiento en el sentido inicial

Fotografía fija del firmamento durante varias horas. Las estrellas describen circunferencias

La concepción del universo de Aristóteles

La concepci n aristot lica(Siglo IV a.C)ó é4


4 ESOº4

• Distingue dos regiones en el universo: la inferior, terrestre o sublunar y la superior o celeste

• En la región terrestre, la Tierra, ocupa el centro del universo

- Todos los cuerpos terrestres están constituidos por la combinación de 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego

• La región celeste, rodea a la terrestre, y está compuesta por esferas concéntricas transparentes que giran en torno al centro del universo

- En cada esfera está situado un cuerpo celeste, la Luna, Venus, etc, y en la última esfera están todas las estrellas en posiciones fijas

El sistema geoc ntrico de Ptolomeo(Siglo II a.C)é5


4 ESOº4

• En el siglo II C Ptolomeo sitúa a la Tierra en el centro del universo, y describe los movimientos de los astros con un sistema de referencia fijo en ella

• El Sol describe una órbita circular en torno a la Tierra con un período de un día, y las estrellas son puntos brillantes en una esfera hueca que gira en torno a a la Tierra cada día

• El movimiento planetario se describe mediante la composición de dos movimientos: uno de ellos es una órbita circular llamada epiciclo, alrededor de un punto C, y el otro que describe a su vez otra órbita circular cuyo centro es la Tierra

• El Sol sale, se mueve por el cielo y se pone cada día; la Tierra ocupa una posición central. Permite explicar la trayectoria de las estrellas y predecir sus posiciones,los eclipses de sol y de la Luna

• También explica la retrogradación de un planeta,elaboró tablas astronómicas muy precisas

El sistema geocéntrico

Planeta

Tierra

Sol

C

El sistema helioc ntrico de Cop rnicoé éAristarco de Samos((270 a.C) propusiera este modelo

6


4 ESOº4

• En el siglo XVI Nicolás Copérnico sitúa al Sol en el centro del universo, y la Tierra y los planetas describen órbitas circulares en un mismo plano en torno a él

• La Tierra tiene un movimiento de rotación sobre su propio eje que dura un día

• La trayectoria de un planeta se explica tomando como sistema de referencia la Tierra; la retrogradación es un efecto visual debido a la posición del observador

El sistema heliocéntrico de Copérnico

Saturno

Mercurio

TierraVenus

Marte Júpiter

Sol

Permite elaborar tablas astronómicas muy precisas

Permite predecir eclipses de Sol y de la Luna

Contradice la experiencia cotidiana

Las leyes de Kepler(1609)7


4 ESOº4

• Primera ley de Kepler: Los planetas describen órbitas elípticas alrededor del Sol, que está situado en uno de los focos de la elipse

Las elipses descritas por los planetas son casi circulares, y se podría suponer que son circunferencias con centro en el Sol

• Segunda ley de Kepler: El vector de posición de un planeta con respecto al Sol, barre áreas iguales en tiempos iguales(v1.r1=v2.r2) En el Perihelio se mueven a mayor velocidad

• Tercera ley de Kepler: El cuadrado del periodo de revolución de cualquier planeta es proporcional al cubo de la distancia del planeta al Sol: T2 = k. r3 donde k es una constante de proporcionalidad igual para todos los planetas K= 2,96.10-19s2/m3

r es el semieje mayor de la elipse

Primera ley de Kepler

Sol

Planeta

Segunda ley de Kepler

AfelioPerihelioSol

La teor a de la gravitaci n universalí ó8


4 ESOº4

Dos cuerpos de masas m1 y m2, y

separados una distancia r, interaccionan de manera que se atraen mutuamente con fuerzas proporcionales al producto de sus masas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que les separa

221

2112r

mmGFF ==

La interacción gravitatoria tiene las siguientes características:

• El valor de las fuerzas que aparecen es:

• La dirección en la que actúan es la de la recta que une los centros de ambas masas

• Su sentido es siempre de atracción: la fuerza que actúa sobre un cuerpo está dirigida hacia el otro cuerpo

• La constante de proporcionalidad, G, se denomina constante de gravitación universal y en el Sistema Internacional de Unidades tiene el valor:

2

2

kg

mNG = 6,67·10-11

Las fuerzas gravitatorias son de pequeña intensidad excepto cuando la masa de uno o de los dos cuerpos que interaccionan es grande

m1 m2

r

F 1,2

→F 2,1

→

El peso de los cuerpos9


4 ESOº4

• Un cuerpo cualquiera de masa m, situado sobre la superficie terrestre, se ve sometido a una fuerza gravitatoria en la dirección del radio terrestre y hacia el centro de la Tierra de valor:

2T

T

R

mMGF =

2

2411

6370000

m.10 · 98,51067,6F −⋅=

kg/N8,96370000

10 · 98,51067,6Como

2

2411 =⋅ −

• La fuerza que la Tierra ejerce sobre los cuerpos situados cerca de su superficie se denomina peso del cuerpo y se calcula multiplicando su masa expresada en kg por 9,8 N/kg. Este valor se escribe con la letra g

Peso = m g

• Este valor de g se conoce con el nombre de aceleración de la gravedad terrestre, ya que todos los cuerpos que caen libremente, lo hacen con la misma aceleración, 9,8 m/s2 y “hacia abajo”, en la dirección del radio de la Tierra y hacia su centro

⇒ F = m . 9,8

El sistema solar y sus componentes140


4 ESOº4

• El sistema solar lo forman una sola estrella, el Sol, y una serie de cuerpos que giran alrededor de él, principalmente planetas, satélites, asteroides y cometas. Todos ellos brillan por la luz reflejada procedente del Sol y difieren enormemente entre sí por su tamaño, distancia al Sol y otras características

• Los planetas son los cuerpos de mayor tamaño que orbitan en torno a Sol y alrededor de algunos de ellos orbitan a su vez los satélites

• Los asteroides son cuerpos de tamaño inferior a 1 000 kilómetros de diámetro que describen órbitas alrededor del Sol. La mayoría se encuentran entre las órbitas de Marte y Júpiter, en el llamado cinturón de asteroides. A veces colisionan entre sí, cambiando su órbita. Los que caen sobre la Tierra se denominan meteoritos

• Los cometas son pequeños cuerpos (de pocos kilómetros de diámetro) que describen órbitas muy excéntricas alrededor del Sol y que sólo son visibles cuando están próximos a él

Radio(km)

Masa(x1024 kg)

DistanciaSol

(x106 km)

Excen-tricidad

Períodorevolución

(años)

Periodorotación

Nº saté-lites

Mercurio

Venus

Tierra

Marte

Júpiter

Saturno

Urano

Neptuno

Plutón

Los planetas: distancias al Sol y sus per odos orbitalesí151


4 ESOº4

2420,6 0,35 58 0,21 0,24 58,6 días 0

6051,5 4,90 108 0,007 0,62 243 días 0

6370 5,98 150 0,017 1 1 día 1

3376,1 0,66 228 0,09 1,88 1 día 37 min 2

71344 1901,6 780 0,05 11,86 9 h 50 min 16

59878 568,1 1427 0,05 29,46 10 h 16 min 17

25352,6 87,3 2870 0,05 84,01 15 h 34 min 15

24269,7 102,9 4500 0,01 164,79 18 h 26 min 8

1528,8 0,02 5900 0,25 246,68 6,4 días 1

Eje de rotación de la Tierra y plano de la eclíptica

Variación de la posición del eje de

rotación de la Tierra

Una peonza que gira

Movimientos de la Tierra y la Luna162


4 ESOº4

• La Tierra tiene dos movimientos principales, uno de traslación alrededor del Sol en el que invierte 365 días y otro de rotación alrededor de su eje cada 24 horas

• La Luna también tiene dos movimientos principales, uno de traslación alrededor de la Tierra y otro de rotación sobre su propio eje, siendo ambos periodos iguales y de 27,3 días. Por este motivo desde la Tierra, siempre se ve la misma cara de la Luna

PolarPolar Polar

Tierra Tierra

Sol

23º 23º

Fen menos asociados a los movimientos de la Tierra y la Lunaó173


4 ESOº4

• El movimiento de rotación de la Tierra es la causa de la duración del día y de la sucesión de los días y las noches

• También es la causa de que un observador fijo en la Tierra vea girar cada día la bóveda celeste y todos los astros. El movimiento aparente de los astros es una consecuencia de la rotación terrestre

• El movimiento de traslación terrestre ha llevado a considerar el año como unidad natural para medir el tiempo

• Los principales fenómenos asociados a los movimientos de la Tierra y de la Luna son:

- Las estaciones

- Las fases de la Luna

- Los eclipses se Sol y de Luna

Las estaciones en el hemisferio norte y la diferente duración de los días y las noches

Las estaciones184


4 ESOº4

• La inclinación del eje de rotación terrestre respecto del plano de la eclíptica produce el fenómeno de las estaciones y la diferente duración de los días y las noches

• Según la posición de la Tierra en su órbita, los rayos del Sol inciden sobre la superficie terrestre con distinta inclinación. En verano inciden casi perpendicularmente, y en invierno de modo muy oblicuo

• Cuando en el hemisferio norte es verano, en el sur es invierno, y viceversa

• El tiempo de exposición al sol (día), es mayor en verano que en invierno

Otoño

Primavera

VeranoInvierno

Las fases de la Luna195


4 ESOº4

• Debido al movimiento de translación de la Luna, la cara lunar visible desde la Tierra puede estar total o parcialmente iluminada por el Sol

• Debido al movimiento de translación de la Luna, la cara lunar visible desde la Tierra puede estar totalmente iluminada por el Sol (dando lugar al la fase de luna llena), totalmente oscurecida (luna nueva) o parcialmente iluminada (luna creciente y luna menguante)

Cuarto menguante

Cuarto creciente

Luna llena

Luna nuevaSol

Los eclipses206


4 ESOº4

• Se producen por las distintas posiciones relativas del Sol, de la Tierra, y de la Luna en determinadas ocasiones. Cada año hay entre 2 y 7 eclipses

• En el eclipse de Sol, la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra

• En el eclipse de Luna, la Tierra se interpone entre el Sol y la Luna

Eclipse parcial

Eclipse total

Eclipse total

Eclipse parcial

Eclipse penumbral

El universo. M todos de estudioé217


4 ESOº4

Vehículo sobre la superficie de Marte

RadiotelescopioEl telescopio Hubble, en

órbita fuera de la atmósfera

• Los astros emiten radiaciones electromagnéticas, parte de ellas llegan a la Tierra. Esta es la única forma de obtener información sobre ellos y por tanto, de estudiarlos

• La atmósfera absorbe parte de dicha radiación que llega a la Tierra; por eso es mejor situar los detectores de ondas electromagnéticas fuera de la atmósfera: satélites artificiales, lanzadoras espaciales y estaciones espaciales

• Para el estudio del sistema solar también se utilizan sondas espaciales. Marte se está estudiando mediante vehículos robot que se mueven sobre su superficie y envían información a la Tierra

Vistas lateral y superior de la Vía Láctea

Sol

Sol

Diversos tipos de galaxias. La vía Láctea tiene forma espiral

Componentes del universo228


4 ESOº4

• Las galaxias son agrupaciones de miles de millones de estrellas y además de ellas hay materia interestelar

La galaxia de Andrómeda, situada a dos millones de años

luz de la Tierra

La nebulosa de Orión

60000 años luz30000 años luz

Espiral Elíptica Esferoidal Irregular

Escalas y distancias en el universo239


4 ESOº4

• Un año luz es la distancia recorrida por la luz en un año; equivale aproximadamente a 9,5 billones de kilómetros

• Para medir distancias en el universo, el kilómetro e incluso la unidad astronómica son unidades muy pequeñas

100 000 años luz ≈ 1018 km

Mil millones de años luz ≈ 1022 km

Diez millones de años luz ≈ 1020 km

1000 años luz ≈ 1016 km

Evolución del universo

Origen y evoluci n del universoó20


4 ESOº4

Gran explosión

Hace 15000 millones de años

Formación de galaxias

Formación de estrellas en la galaxia


Formación de la Tierra


Vida en la Tierra


Aparición del hombre

Época actual

Futuro

o universo fis 4º

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