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Relatividad especial - Contenido educativo
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Empezamos con relatividad especial. Vamos a ver un poquito la introducción, los postulados de la relatividad especial, porque luego hay la relatividad general y las repercusiones de todo esto.
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Entonces, bueno, a finales del XIX, lo que cuadraba con Newton eran los conceptos de la relatividad de Galileo, que había estudiado los sistemas de referencia inerciales, o sea, los que no estaban acelerados.
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En esa época se pensaba que en el vacío había una sustancia que se llamaba éter y la luz al propagarse en este éter pues de alguna forma la tierra al moverse en el éter tenía que dejar como un viento y medir la luz a favor o en contra de ese viento pues debería cambiar la velocidad de la luz.
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Porque según Galileo, que en la vida es verdad, en la vida diaria sí que lo vemos así, o sea, si nosotros tenemos aquí un tren que se está moviendo para allá y tenemos aquí un señor viendo todo y una persona desde dentro tira una pelota para allá, pues esta pelota va a tener la velocidad, para el de dentro va a tener la velocidad que le ha dado y punto, porque él no siente que se está moviendo con un MRU.
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Pero para el de fuera
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La velocidad que lleva este
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Va a ser la velocidad que le ha dado el señor
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Más la velocidad del tren
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Esa va a ser la velocidad total
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Y esto es como muy lógico
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Pero
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En nuestro día a día
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Pero no es lógico
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Desde el punto de vista de las partículas
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Y de otras cosas
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Entonces bueno
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Pues esa es la transformación de Galileo
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El experimento de Michelson-Morley
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Muestra que la velocidad de la luz es constante
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O sea, da igual
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En este mismo experimento
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Si yo tengo aquí el señor
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Y este señor
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En vez de tirar una pelota dispara un rayo láser
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Este lo que querría ver
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Es que la velocidad sería
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La velocidad del tren
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Más la velocidad de la luz
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Pues no
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Lo que ve este también es que esto es la velocidad de la luz
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O sea, que no cambia, que la velocidad de la luz, da igual cómo la mires, independientemente del sistema de referencia, es una constante, permanecía constante respecto de todos los sistemas.
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Entonces, esto es bastante raro. Si lo pensamos con los fenómenos del día a día, es un poquito raro.
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Y luego otra cosa es que si para Newton, y nosotros que también tenemos como una, por defecto, la mente de Newton, la mente clásica,
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podemos, si nosotros conocemos la masa y las fuerzas que actúan
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podemos calcular el sistema para cualquier instante posterior en base al estado inicial
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o sea, si yo tengo el planeta aquí y digo, vale, en medio año va a estar aquí
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y sí, nos parece muy lógico, pero la verdad es que es un poquito más complicado
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porque pequeñas variaciones en la órbita pueden producir efectos muy distintos,
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que es el principio de lo que se llamó después la teoría del caos, pero esto se vio después.
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La mente clásica piensa que es un sistema determinista,
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que tú sabiendo dos cosas sabrás predecir el futuro, y no, no,
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porque pequeñas variaciones cambian totalmente, o sea, no es que se te vaya,
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dices una pequeña variación en vez de estar aquí, está aquí, no, no,
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Es que se te puede ir muy lejos, ¿vale? Puede chocar con otro, o sea, cualquier cosa, con otro planeta. Entonces, bueno, entonces la transformación de Galileo es esta, ¿vale? Es la que tiene en cuenta la velocidad que lleva, el sistema que se mueve y el tiempo que te ha escurrido.
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entonces bueno, no vamos a meternos demasiado porque no nos lo piden
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y demostrarlo realmente a nadie le interesa, si no se usa pues no se usa
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pero es la que os digo, la de que se suman las velocidades
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y que las distancias van a tener que ver con cómo se mueve el sistema
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respecto al que está parado, la distancia después tendrá que ver también con la distancia de la medida,
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o sea, la de un objeto medida en este sistema de referencia será esa distancia más la de...
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o sea, teniendo en cuenta lo anterior y por tanto al revés, pues será pasando esto al otro lado.
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pero bueno, que no me quiero meter
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es que pasándolo al otro lado
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quiero decir, si lo estoy cogiendo en primas
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sería que esto es
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x' más vt
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esto es x medida desde aquí
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entonces por tanto
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x' es x menos vt
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eso es lo que quería decir
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que por eso digo que pasa al otro lado
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pero que no lo quería demostrar porque al final
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no os piden
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pero es el concepto este
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que sí es bastante lógico, de Galileo.
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Además, lo que... bueno, esto es una cosa fácil y es una interpretación adecuada
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cuando las velocidades son mucho más pequeñas que la velocidad de la luz, o sea, en nuestro día a día.
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Por eso, en los problemas hasta primero de bachillerato y hasta relatividad usamos Galileo y ya está.
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Cuando hacemos lo típico de que alguien está en un globo y tira una piedra para arriba y la velocidad de la piedra es la suma de las dos, que es un tipo de problema de primero o de cuarto de estos de tiro vertical, pues sí, lo usamos porque tirar una piedra y un globo aerostático van a ser velocidades mucho más pequeñas que la de la luz y para qué nos vamos a meter con relatividad si no es necesario.
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lo que vemos es que Newton es una aproximación, es un redondeo, por así decirlo, de la teoría de verdad, comillas, comillas, que es la de Einstein, la relatividad.
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Entonces, cuando no nos hace falta el decimal no sé cuántos, pues nos quedamos con Newton, que es mucho más fácil de todo, y con Galileo.
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Pero cuando necesitamos esos decimales, porque si no, no podemos hacer los cálculos bien, pues tenemos que recurrir a la relatividad. Y esto se usa, por ejemplo, en los GPS, ¿vale? Los GPS tienen correcciones relativistas porque si no, la precisión no sería la que es.
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Entonces, no es una locura, ¿vale? Se usa también en el día a día cada vez que ponemos el Google Maps, por ejemplo.
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Bueno, entonces, por la parte teórica de Maxwell, también llegamos a la conclusión de que la velocidad de la luz en el vacío es así en cualquier sistema de referencia.
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Entonces aquí, claro, pues tenemos el problema entre las ecuaciones de Maxwell, el electromagnetismo y la transformación de Galileo, porque ya no solo que lo mida Michelson-Morley, es que la teoría de Maxwell nos está diciendo que C es constante también.
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Entonces, bueno, pues ya mal por todos los lados, ¿no?
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La velocidad de la luz, como os he dicho, es igual para cualquier sistema de referencia, es un invariante.
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Estos son los experimentos de McKesson y Morley. Si lo queréis leer más o si queréis ver los experimentos, pues os animo a que os metáis en Wikipedia o donde sea para aprender más.
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Pero nosotros pasamos a lo que es la relatividad especial, que tiene dos postulados.
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El primero, que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales, o sea, en todos los sistemas de referencia que no están acelerados ni dan vueltas, porque dar vueltas es tener una aceleración normal, o sea, en todos los sistemas donde se cumplan las leyes de Newton sin tener que agregar fuerzas ficticias, quiere decir.
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Y eso quiere decir que, o sea, el hecho de que las leyes de la física son iguales en todos los sistemas de referencia quiere decir que no existe un sistema inicial privilegiado, que no hay algo absoluto, como dices, el centro del universo y frente a ahí mido las distancias.
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no lo hay porque no hay un centro del universo
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podemos coger y es igual de válido
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coger para hacer los cálculos
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la luna que la tierra
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lo que pasa es que te simplifica
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igual de válido es
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pero hay una que te simplifica un poquito los cálculos
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y por eso cogemos el de la tierra
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porque el centro de masas
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está como más cerca
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del centro de la tierra
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pero sería igual de válido
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según como lo hagamos
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Entonces, no hay un sistema de referencia privilegiado para hacer nada, ¿vale? No hay un centro que dices este es el centro y ese es el sistema frente al cual tengo que medir. No, no lo hay. Ese es el primer postulado.
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y el segundo es lo que nos están diciendo los experimentos y Maxwell
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que la velocidad de la luz en el vacío es una constante
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y mide esto, aproximadamente 3 por 10 elevado a 8 metros por segundo
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y es independiente del movimiento de la fuente de la luz o del observador
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vale, o sea, quiero decir
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el observador sería por ejemplo esta persona que está afuera
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o la persona que está adentro, estos son dos observadores distintos
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Y lo que haga la luz, la velocidad que llegue, es independiente de quién lo esté mirando, porque siempre mide lo mismo.
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Vale, las repercusiones, o sea, esto tiene unas matemáticas muy potentes, que obviamente no vamos a entrar ni nadie espera que entréis, ¿vale?
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Y esto es aprenderse de memoria las cosas que necesitamos, ¿vale?
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Para la transformación de Galileo, en relatividad se convierte en la transformación de Lorenz.
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entonces esta es la transformación de Lorenz y esta es la transformación de Galileo
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si veis en Galileo el tiempo es igual en los dos sistemas de referencia
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que también es lo que nos dice la lógica que si tú vas en tren hasta Sevilla
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el tiempo que vive la persona que va en el tren hasta Sevilla
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y el tiempo que vivimos nosotros que estamos en Madrid sin coger trenes es el mismo
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y por eso cuando llega a Sevilla su reloj marca lo mismo que el reloj de una torre de Sevilla
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Eso es lo que dice Galileo y eso es lo que dice nuestra intuición del día a día, pero en relatividad no. Fijaos que en relatividad cambia la X, que dices, vale, también cambiaba aquí, de otra manera, ahora veremos cómo, vale, cambia la X, bien, pero es que cambia el tiempo también.
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Y esto es bastante raro. O sea, para la relatividad de una persona que viaja en un tren con una velocidad cercana a la velocidad de la luz, el tiempo no pasa igual para él que para el que está afuera. Pasa diferente y de verdad pasa diferente.
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Estas cositas que tenemos aquí es lo que tenemos que aprendernos de memoria porque se derivan de... y esto no se espera que sepáis demostrarlo. Fijaos que las fórmulas están aquí y las ponéis y punto.
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beta es la velocidad que sea, la que lleve el tren, por así decirlo, partido por la velocidad de la luz
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y el factor gamma este es 1 partido por la raíz de 1 partido por beta al cuadrado
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o sea, v al cuadrado partido por c al cuadrado
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así que nos aprendemos estas dos cositas
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y eso es lo que nos va a servir para hacer la transformación de Lohnes que no nos la van a pedir en Madrid
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y de hecho en Madrid a día de hoy no piden tampoco la contracción de longitudes ni la dilatación del tiempo.
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La fórmula sería que la longitud que ve el observador de fuera va a ser la original por esto
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y entonces esto va a ser ligeramente más pequeño,
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con lo cual la longitud relativista, por así decirlo, va a ser más pequeña, y el tiempo también va a ser diferente, la diferencia del tiempo va a ser el factor gamma por la resta de estos dos tiempos,
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entonces en un sistema y en otro sistema la resta de tiempos va a ser diferente, ¿vale?, porque va a ser multiplicada por este factor gamma, o sea, por esto, ¿vale?, por eso está aquí.
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Esto es 1 partido por porque tau es esto
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Ahora haremos un problema, pero no
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En Madrid, en el 2026, no entra la dilatación del tiempo
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Y la contracción del espacio
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Esto lo que se suele explicar es con el ejemplo, por ejemplo, de los muones
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Los muones son unas partículas
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Bueno, las partículas estas que
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Estas partículas, ¿vale?
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que se generan en la ionosfera, creo, o sea, se generan en una capa de la atmósfera y por su tiempo de vida es pequeño
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y entonces no deberían llegar, desde donde se generan, no deberían de llegar a la superficie de la Tierra
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porque según viajan, deberían de morir aquí y ahí dejarían de existir, pero resulta que sí, que nos llegan hasta aquí.
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¿Qué es lo que pasa? ¿Viven más de repente? No, lo que pasa es que para ellos esta longitud es mucho más corta, es la contracción de las longitudes y por tanto para ellos están recorriendo el espacio que pueden recorrer con el tiempo de vida que tienen.
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Y para nosotros lo que está pasando es que el tiempo está pasando, o sea, desde nuestro punto de vista están aumentando, ellos, está pasando como más tiempo, se está dilatando el tiempo, ¿vale? Entonces el tiempo que experimentamos nosotros y el de los muones no es lo mismo.
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pero él sí que cumple su ley de desintegración
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lo que pasa es que está variando
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la longitud que ve
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y el tiempo que experimenta
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y por eso consigue llegar hasta la superficie
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de la tierra, hay un problema ahora
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no con muones pero con otra partícula
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y lo vemos, pero insisto que
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a día de hoy no entra
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en la EVAU, entran otras cosas
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pero bueno
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vamos a hacer un problema de estos
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por hacerlo
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lo que sí entra es
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la energía relativista
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¿vale? eso sí que entra
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entonces aquí os tengo
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puestos el momento lineal porque
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a Einstein no le gustaba
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hablar de masa relativista, le gustaba hablar
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de el conjunto
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de masa por velocidad
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y decir que el momento
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relativista sería el momento
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no relativista
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¿no? por el
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factor gamma
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pero a la hora de la verdad
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No sé, es mucho más práctico. O sea, matemáticamente funciona y aunque a Einstein no le gustara teóricamente el concepto de que la masa aumenta al desplazarse a una velocidad, porque es verdad que la masa parece que es un concepto derivado de las leyes de Newton y que está perfectamente definido por ellas y que entonces es una propiedad de la materia y cómo va a cambiar y tiene toda la razón.
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pero para hacer problemas vamos a hacer que la masa del objeto que se mueve a una velocidad es gamma por la masa en reposo, ¿vale?
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Que eso sería lo que tenemos aquí, esto es gamma, uno partido por esto es lo que es gamma, ¿vale?
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Y entonces esto es lo que vamos a utilizar para hacer los problemas de forma rápida y sin problemas.
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Además, la fuerza no nos entra, pero sería la derivada del momento lineal, porque la derivada, fijaos, si la derivada m por v es p, la derivada de p con respecto a t sería m, que es una constante, por la derivada de v con respecto a t, que es la aceleración.
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Por tanto, la derivada es la fuerza. Entonces, la fuerza puede decir que es la derivada. Si derivo al momento relativista, pues tendría esto, ¿vale? Derivando al momento relativista que digo que como conocimiento general porque no nos entra.
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Lo que sí que nos entra es la energía relativista total, ¿vale? La energía relativista total y esa es la, como la masa en reposo, ¿vale? Pues sí, sería la misma fórmula de la masa relativista por c al cuadrado.
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pero como la masa relativista es gamma por la masa en reposo, pues al final que tengo que esto es el factor gamma por la masa en reposo por c al cuadrado, ¿vale?
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Entonces, de ahí esta fórmula, y aquí está desplegado el gamma, otra vez.
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Vale, pues aquí tenemos la de, que lo voy a explicar aquí porque como no entra, pero para que lo veáis, la vida media de un pión, que es otro tipo de partícula, ¿vale?
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pero esta ya no es fundamental
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esta ya es una combinación de quarks
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que se mueve a una gran velocidad resulta ser
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la vida media es
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60 nanosegundos, mientras que
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su vida media en reposo es
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o sea, cuando no se mueve son 26 nanosegundos
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pero luego cuando se mueve a gran velocidad
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parece que vive más tiempo
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la velocidad
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entonces vamos a hallar la velocidad a la que se mueve
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el pion respecto a la tierra
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vale
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usamos
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la dilatación del tiempo, ¿vale? La fórmula de la dilatación del tiempo
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y entonces de aquí sustituyendo el tiempo
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dilatado por el tiempo que tiene en reposo
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con el factor gamma desarrollado, ¿vale? Que sería 1 partido por
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todo esto. Podemos despejar de aquí
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la velocidad partido de
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este factor, ¿vale? Y al final
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nos va a quedar que la velocidad es 0,9C. Lo dejo en 0,9C porque me entero más de que
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es un 90% de la velocidad de la luz, ¿vale? Que la puedo calcular porque sé que la velocidad
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de la luz es 3 por 10 elevado a 8 metros por segundo, pero bueno, la dejamos así para
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enterarnos de que es un 90% de la velocidad de la luz, o sea, bastante parecida a la velocidad
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de la luz. Desde la Tierra, ¿qué recorre el peón? Visto desde la Tierra, el espacio
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Si es la velocidad por el tiempo, vale, pues si pongo la velocidad, que es 0,9 por c, por el tiempo que tarda, parece que recorre 7,02 metros.
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Pero en su propio sistema, él mismo, o sea, desde la Tierra, lo que nos parecería que debería recorrer es 7, pero teniendo en cuenta la dilatación del tiempo, está recorriendo 16,2, ¿vale?
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Y por eso, en vez de, lo que os decía, en vez de morirse en los 7 metros, se muere en los 16 y consigue llegar hasta abajo.
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También lo puedo hacer aplicando la ecuación de la contracción de longitud, ¿vale?
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Y sacando que saco primero el L0, saco la L, que es el del observador, no el del propio sistema,
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y entonces pues me saldría cuál es el L0 y bueno, por las dos maneras me sale.
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Digo, esto no entra en la PAU en Madrid, así que eso que nos quitamos.
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Lo que sí que entra es las energías, ¿vale? Entonces esto lo tenemos que saber hacer.
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un electrón se acelera hasta alcanzar una velocidad
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como la que acabamos de ver, 0,9C
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calcula el valor de la energía cinética en la mecánica clásica
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y energía cinética relativista
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¿cuál es la relación entre las masas relativistas y la masa en reposo?
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vale, entonces, la energía cinética
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y nos dan estos datos, C y la masa del electrón
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es en clásico un medio de la masa por la velocidad al cuadrado
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Así que esto sería un medio de la masa, que es 9,1 por 10 elevado a menos 31, que es la masa del electrón, 1 o 11, 1, kilogramos por la velocidad, que sería 0,9 por 10 elevado a 8, todo esto al cuadrado, ¿vale?
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Y esto es 3,32 por 10 a la menos 14, 3,32 por 10 elevado a menos 14, julios.
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Vale, esta es según de forma clásica.
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Y ahora, ¿qué pasa?
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Que la energía total, esta que decíamos que es la masa relativista por c al cuadrado,
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esta energía también la podemos expresar como la energía en reposo más la energía cinética relativista.
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Y no tenemos una fórmula para sacar la energía cinética relativista, la fórmula es con estas dos cosas,
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o sea, que la energía cinética relativista va a ser E menos E sub cero, siendo E sub cero M cero por C cuadrado
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y siendo esta m relativista por c al cuadrado.
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Entonces la energía cinética relativista va a ser e y la masa relativista sabemos que es gamma por la masa sub cero por c al cuadrado menos m sub cero por c al cuadrado.
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Para hacer los cálculos puedo sacar factor común a m sub cero c al cuadrado que multiplica gamma menos uno y aquí sustituir todo.
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Entonces, la masa en reposo del electrón es la masa del electrón, o sea, 9,1 por 10 elevado a menos 31, la masa de toda la vida, quiero decir, por la velocidad, que sería 0,9 por 3 por 10 elevado a 8 elevado al cuadrado,
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por el factor gamma, que es 1 partido por la raíz cuadrada de 1, y aquí lo voy a dejar
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como 0,9c porque se me va. Si yo pongo 0,9c cuadrado, esa sería la velocidad al cuadrado
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partido de la velocidad de la luz al cuadrado, fijaos, este cuadrado no va aquí, va afuera.
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esto sería la velocidad
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esto es la v al cuadrado
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sustituido ya
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entonces lo dejo así porque así
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la c con la c se me va a ir
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menos 1
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vale
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entonces esto al final va a ser
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lo voy a hacer aquí para dejarlo
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sería copiar todo
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o ponerlo ya en el sistema
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pero esto sería
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dividiendo la c al cuadrado con la c al cuadrado, esto me quedaría 0,9 al cuadrado
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y la c al cuadrado con la c al cuadrado se me irían, ¿vale?
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Entonces me quedaría eso y haciendo todo este cálculo, pues me sale que esto es 1,06 por 10 elevado a menos 13
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1,06 por 10 elevado a menos 13 julios, bastante diferente, ¿vale?
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a esto, es un orden de magnitud distinto, o sea que sí que hay que hacer la corrección relativista
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porque es como 10 veces más
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total, que sí que se nota la diferencia
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vale, entonces, ¿cuál es la relación entre la masa relativista
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y la masa en reposo? vale, pues como la masa
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en relativista la hemos definido, bueno, que a Einstein no le gustaba
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pero es que lo hemos hecho así, es la gama esta, vale, que sería
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Como ya sabemos, 1 partido por la raíz de 1 menos v al cuadrado partido de c al cuadrado.
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Y si ponemos aquí los cálculos, pues 1 partido por 1 menos, hemos dicho al final 0,9 al cuadrado raíz a todo.
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Y esto es 2,294.
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Pues ya está.
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O sea, esto es lo que nos entra en Madrid fácil.
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aquí unos enlaces interesantes por si a alguien le apetece mirárselos
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y con esto ya estaría
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- Segundo Curso
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- Laura B.
- Licencia:
- Reconocimiento - No comercial - Compartir igual
- Visualizaciones:
- 2
- Fecha:
- 1 de abril de 2026 - 20:55
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES LOPE DE VEGA
- Duración:
- 26′ 58″
- Relación de aspecto:
- 1.44:1
- Resolución:
- 2360x1640 píxeles
- Tamaño:
- 428.68 MBytes