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Problema resuelto de Física: Núcleo atómico y reacciones nuclearesSelectividad (PAU) · Comunitat Valenciana 2021 · Junio

Comunitat Valenciana · 2021 · Junio
Enunciado
Una astronauta se encuentra en una nave espacial que se mueve a una velocidad v=0,5 cv = 0{,}5\,c respecto a la Tierra (cc es la velocidad de la luz en el vacío). En un cierto momento comunica a la base en la Tierra que va a dormir desde las 13 h13\,\text{h} hasta las 19 h19\,\text{h}, según los relojes de la nave. Calcula a qué hora se despertará, según los relojes de la Tierra (todos los relojes se sincronizan a las 13 h13\,\text{h}). Justifica adecuadamente tu respuesta.
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Resultado
El tiempo propio es el de la nave, Δt0=6 h\Delta t_0 = 6\,\text{h}. En la Tierra, Δt=γ Δt0=6/0,75=6,93 h\Delta t = \gamma\,\Delta t_0 = 6/\sqrt{0{,}75} = 6{,}93\,\text{h} (6 h 56 min6\,\text{h}\ 56\,\text{min}).

Según los relojes de la Tierra, la astronauta se despierta hacia las 19 h 56 min.
Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo
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Estrategia

Es la dilatación del tiempo. El intervalo que dura el sueño lo mide en reposo el reloj de la nave, que va con la astronauta: ese es el tiempo propio, el más corto. Desde la Tierra la nave se mueve, así que sus relojes van más despacio y el mismo intervalo dura más. Multiplicamos el tiempo propio por el factor de Lorentz y lo sumamos a las 13 h.
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Desarrollo

Tiempo propio. Es el que mide un reloj en reposo respecto del fenómeno, que ocurre siempre en el mismo sitio. Dormirse y despertarse pasan en la nave, en la misma posición respecto de ella: el tiempo propio lo mide el reloj de la nave,Δt0=19 h−13 h=6 h\Delta t_0 = 19\,\text{h} - 13\,\text{h} = 6\,\text{h}Dilatación del tiempo. Para un observador respecto del cual la nave se mueve con velocidad vv, el intervalo esΔt=γ Δt0=Δt01−v2c2\Delta t = \gamma\,\Delta t_0 = \frac{\Delta t_0}{\sqrt{1 - \dfrac{v^2}{c^2}}}Cálculo. Con v=0,5 cv = 0{,}5\,c:γ=11−0,52=10,75=1,155\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - 0{,}5^2}} = \frac{1}{\sqrt{0{,}75}} = 1{,}155Δt=1,155⋅6 h=6,93 h=6 h 55,7 min\Delta t = 1{,}155\cdot 6\,\text{h} = 6{,}93\,\text{h} = 6\,\text{h}\ 55{,}7\,\text{min}Hora en la Tierra. Los relojes estaban sincronizados a las 13 h, así que según la Tierra se despierta a13 h+6 h 56 min≈19 h 56 min13\,\text{h} + 6\,\text{h}\ 56\,\text{min} \approx 19\,\text{h}\ 56\,\text{min}Según los relojes de la Tierra el sueño ha durado casi una hora más que en la nave.
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Consejo

Lo que más pesa es elegir bien el tiempo propio (0,5): es el del reloj que está en el mismo sitio que el fenómeno, aquí el de la nave. Si te sale menos de 6 h en la Tierra, lo has elegido al revés.

Da la hora pedida, no solo el intervalo: el último medio punto incluye «la hora que marcará el reloj».
Paso 1 de 3
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