Fisica 2 la magia de la ciencia - Allier

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La magia de la ciencia Física, segundo grado

Rosalía Angélica Allier Cruz Sandra Rosalía Castillo Allier

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Publisher de la división: Jorge Rodríguez Hernández Director editorial: José Ashuh Monayer Coordinador editorial: Rodrigo Bengochea Editor sponsor: Alejandro Nava Alatorre Editor externo: José Antonio Alonso García Revisión técnica: Leonel Infante Canalizo Supervisor de producción: Alejandro Rodrigo G. Mejía Supervisión de diseño y portada: José Palacios Hernández Diseño y formación: Overprint Ilustración y fotografía de interiores: Ismael Vázquez, María de la Luz Cárdenas, José Luis Sandoval.

La magia de la ciencia Física, segundo grado

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2008, respecto a la primera edición por: McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Punta Santa Fe Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN-13: 978-970-10-6910-3 1234567890

09765432108

Impreso en México

Printed in Mexico

Presentación

Profesoras y profesores: El presente texto tiene el propósito de apoyarlos en su valiosa labor docente.

En este curso de Ciencias II (con énfasis en física) sus alumnos y alumnas desarrollarán con más precisión esas capacidades de observación, reflexión, registro, experimentación, inferencia y predicción de los fenómenos físicos y tecnológicos que se vinculan con otros campos del saber. El libro se encuentra estructurado en cinco bloques: · · · · ·

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza Las fuerzas. La explicación de los cambios Las interacciones de la materia. Un modelo para describir lo que no percibimos Manifestaciones de la estructura interna de la materia Conocimiento, sociedad y tecnología

En el tratamiento de cada uno de los bloques se intenta favorecer el desarrollo integrado de conocimientos con otros campos del saber humano; así mismo, se propicia en el alumno el enriquecimiento de habilidades y actitudes que contribuyen al fortalecimiento de sus competencias. La expresión oral y escrita es muy valiosa para la formación del alumno, puedes ayudarlo a realizarse mediante el fomento a la lectura como una práctica cotidiana que podrás poner en marcha, en sus diversas modalidades, durante el desarrollo de cada uno de los temas de este segundo curso de Ciencias II. En cada uno de los bloques aparecen actividades de investigación, proyectos de integración y aplicación del conocimiento a su propia existencia, a su comunidad y a su entorno. Todas las palabras de difícil comprensión tienen su definición en el glosario que aparece durante el desarrollo de los contenidos, así como al final del libro. La actividad denominada “Gotitas de ciencia” ayudará para que los alumnos y las alumnas puedan reflexionar y buscar solución a los diferentes problemas planteados, gracias a los conocimientos que habrán adquirido durante el transcurso del año escolar. Así, pretendemos que este libro ayude a sus alumnos y alumnas a adquirir los conocimientos, habilidades, especialmente las de razonamiento lógico, representación gráfica y modelación, despertando para ello su interés, curiosidad, creatividad e imaginación de una manera agradable y atractiva. Las autoras

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza Presentación

III

Distinguidos alumnos y alumnas: Bienvenidos y bienvenidas al fascinante mundo de la física, cuyo aprendizaje se basa fundamentalmente en la observación, la reflexión, el registro, la experimentación, el interés por conocer aún más acerca de los fenómenos físicos y tecnológicos que se intentan vincular con otros campos del saber; asimismo, propician el desarrollo de la creatividad. Al avanzar en el estudio de la física comprenderán que es una ciencia de la naturaleza, cuyos principios se observan en los actos sencillos que a diario realizan, y que su aprendizaje adquiere cada día mayor importancia debido a la participación de esta ciencia en el progreso tecnológico, en todos los campos de la industria, la medicina y la ingeniería, entre otros. El libro se encuentra estructurado en cinco bloques: · El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza. · Las fuerzas. La explicación de los cambios. · Las interacciones de la materia. Un modelo para describir lo que no percibimos. · Manifestaciones de la estructura interna de la materia. · Conocimiento, sociedad y tecnología.

En cada uno de los bloques aparecen actividades de investigación, tanto teóricas como experimentales realizables con materiales de fácil adquisición, las cuales pretenden ser interesantes y novedosas, proyectos de integración y aplicación del conocimiento a tu propia existencia, a tu comunidad y a tu entorno. En diversas actividades que se presentan en el libro desarrollarás trabajo en equipo, favoreciendo la reflexión, la discusión, la responsabilidad entre los integrantes del grupo, ampliando y enriqueciendo las experiencias personales en relación al tema tratado. Todos aquellos términos técnicos que no aparecen en los diccionarios y vocablos cuyo uso cotidiano no coincide con el de la asignatura, tienen su definición en el glosario, que aparece a un lado de los contenidos y al final del libro, y la sección denominada “Gotitas de ciencia” te permitirá reflexionar y buscar la solución a problemas diferentes, gracias al aprendizaje adquirido en el transcurso del año escolar. En las páginas siguientes te mostramos algunos ejemplos de la estructura del libro, a fin de que te familiarices con él.

IV

Presentación

Con todo ello esperamos darte elementos para continuar tus estudios, a fin de que seas un ciudadano con un nivel de conocimientos similar a los de las naciones más desarrolladas. Éste es uno de los propósitos esenciales del libro. Cariñosamente te deseamos éxito y satisfacción plena en el logro del curso que está por iniciar. Las autoras

Presentación



PROYECTOS

C onoce

tu libro 1.1.1 Experiencias alrededor de algunas características de la materia: sus estados de agregación

1. La diversidad de objetos 1.1 Características de la materia. ¿Qué percibimos de las cosas?

Reflexiona: tendrás la oportunidad de reflexionar acerca de situaciones relacionadas con tu realidad; investigarás solo o en equipo, darás tus opiniones y llegarás a conclusiones. Consulta la bibliografía, materiales audiovisuales o sitios de Internet que se sugieren.

El estudio de la estructura y comportamiento de la materia ha sido de vital interés para el ser humano. En el largo proceso de investigación para encontrar las respuestas se han podido adquirir los conocimientos actuales para explicarnos las manifestaciones y naturaleza de la materia. En tu entorno, muy cerca de ti (figura 3.1), puedes encontrar una gran variedad de materiales, objetos comunes como tu libro, tu libreta de notas, un lápiz, una botella de agua, una bicicleta, un par de zapatos tenis, unos pantalones de mezclilla, una malteada de chocolate, un lago o un río, una montaña. Puede ser que también veas un trozo de tu pizza favorita en una estupenda combinación de salsa de tomate, queso y lo que más te agrade, todo en una combinación armoniosa, exquisita al paladar y cuidadosamente horneado. No podemos olvidar la belleza del cielo donde podemos ver un espacio inmenso totalmente azul, salpicado por nubes blancas y esponjosas. Pero, ¿qué es todo este material? En el libro y en la libreta hay papel, en el lápiz madera, en la botella agua, la bicicleta es de aluminio, lo zapatos tenis son de una combinación de materiales de piel, vinil, textiles y otros, los pantalones son de mezclilla, en la pizza hay queso y salsa de tomate; pero, ¿qué son el papel, la madera, el plástico, la piel, el vinil, los textiles y la mezclilla?, ¿de qué están hechos el pan de la pizza, el queso y la salsa de tomate?, ¿por qué un material es diferente de otro? Para responder a estas cuestiones, los científicos clasifican a la materia según su composición.

Resuelve en tu cuaderno lo que se te pide:

1. Resuelve en tu cuaderno lo que se te pide: a) Un cable se ata alrededor de un poste telefónico. La fuerza del cable de la derecha es de 60 N y la fuerza del cable de la izquierda es de 30 N. Si los cables forman un ángulo de 110º, ¿cuál es la fuerza resultante sobre el poste telefónico? (Utiliza una escala de 1 cm = 10 N). b) Un cuerpo se desplaza hacia el Sur con una fuerza de 250 N, en seguida da vuelta hacia el Oriente y su fuerza es de 600 N. Encuentra la fuerza resultante utilizando el método del paralelogramo. c) Dos cuerdas se atan a uno de los extremos de una viga. La fuerza de la cuerda derecha es de 150 N y la fuerza de la cuerda izquierda es de 50 N. Si las cuerdas forman un ángulo de 70º entre sí, encuentra la magnitud de la fuerza resultante sobre el extremo de la viga utilizando el método del paralelogramo. d) Un joven camina 6 km hacia el este y luego 4 km hacia el sur. Mediante el método del paralelogramo encuentra el desplazamiento resultante. 2. Ahora, en equipo de tres personas, comenten sus resultados y analicen sus diferencias, si es que existieron. Evalúen su trabajo y anoten en su cuaderno las dificultades que encontraron al resolver los ejercicios y cómo las superaron.

Libro Maceta

Glosario Propiedades de la materia: cualidades o características que tienen las sustancias y que permiten identificarlas. Cuerpo: porción limitada de materia.

Actividad

4. ¿Las cosas que observas están formadas por un solo material? 5. Menciona varios ejemplos e indica los materiales que los conforman a simple vista.

¿Qué se necesita? Un globo pequeño, dos recipientes (tazón y botella chica), vaso, taza, cucharita, agua caliente, levadura. ¿Cómo hacerlo? 1. Observa la levadura seca y anota sus características. 2. Consulta en un diccionario el significado de levadura y escríbelo en tu cuaderno.

3. Mezcla en el vaso de vidrio dos cucharaditas de levadura con dos cucharadas de agua caliente. Observa y anota lo que sucede. 4. Ahora añade una cucharadita de azúcar y mezcla muy bien. 5. Vierte la mezcla dentro de la botella y después introduce la boca de la botella en la boca del globo (previamente estira el globo para suavizarlo). 6. Introduce la botella durante 15 minutos dentro del tazón con agua caliente (figura 3.2).

Las interacciones de la materia

Bloque 3

139

La fuerza resultante de un sistema de fuerzas concurrentes de dos vectores (fuerzas) se obtiene por el método del paralelogramo.

Método del polígono Este método se aplica a más de dos vectores, por lo tanto es muy útil. Por ejemplo, un carro recorre 80 km hacia el norte durante el primer día de viaje, 50 km al noreste el segundo día y 140 km hacia el este el tercer día. Encuentra el desplazamiento resultante con el método del polígono. 1. Lo primero que debe hacerse es utilizar una escala adecuada, por ejemplo 20 km = 1 cm. Si utilizamos esta escala podemos observar que:

F2 F2

F2 O

R

F1

80 km = 80 km

Gráfica 2.5 Suma de dos fuerzas por el método del paralelogramo.

"     

  



 ! 7. Observa que la flecha resultante tiene 13 cm de longitud; por lo tanto, la magnitud es: 60 km = 60 km

1 cm = 6 km 10 km

20 km = 20 km

1 cm = 2 km 10 km

1 cm = 4 cm 20 km

140 km = 140 km

1 cm 50 km = 50 km = 2.5 cm 20 km

1 cm = 14 km 10 km

Al realizar la medición con una regla, sobre el diagrama a escala, se observa que la flecha resultante tiene 9 cm de longitud. Por lo tanto la magnitud es:

1 cm 140 km = 140 km = 7 cm 20 km 2. Ahora ya tienes la longitud de las flechas que corresponden a cada vector. Después dibuja a escala

Bloque 2


    



R = 9 cm = 9 cm ×

Las fuerzas. La explicación de los cambios

77

2. Lo que no percibimos de la materia 2.1 ¿Un modelo para describir la materia? En la antigüedad, los filósofos griegos pensaban que la materia se formaba por cuatro “elementos”: agua, aire, tierra y fuego (figura 3.23). Esta idea se mantuvo Fuego durante mucho tiempo. Los romanos ya conocían nueve de los elementos que hoy sabemos que forman la materia: carbono, azufre, oro, plata, hierro, cobre, estaño, plomo y mercurio. Actualmente se conocen más de 107 elementos. En el siglo v antes de nuestra era, el filósofo griego Empédocles de Agrigento (450 a.d.e.) expuso su hipótesis que parecía bastante lógica: Agua aseguraba que todas las cosas del planeta estaban compuestas por cuatro sustancias fundamentales a las que llamó elementos: tierra, fuego, agua y aire. Después que falleció Empédocles, por el año 400 a.d.e., Demócrito estableció una teoría diferente; declaraba que toda la naturaleza está compuesta Figura 3.23 Los cuatro “elede minúsculas partículas elementales a las que llamó átomos (en griego átomo mentos” de la antigüedad. significa indivisible). Cincuenta años después de la muerte de Demócrito, Aristóteles (384-322 a.d.e.) agregó un quinto elemento a los cuatro de Empédocles, y lo llamó éter, este era el componente básico del cielo y de los cuerpos celestes. Esta idea dominó el pensamiento de los científicos durante casi dos mil años. En Oriente también desarrollaron importantes contribuciones al avance de las ciencias y la filosofía. En el siglo vIII n.e., con la invasión a la península hispánica, los conocimientos que tenían los árabes fueron transmitidos a los europeos, abarcando diversas áreas como la arquitectura, la literatura, la filosofía, la medicina, la química, la metalurgia, el arte, la matemática y la astrología. Tierra

ío

Fr

1.2.2 El papel de los modelos en la ciencia Para estudiar ciencia debes utilizar perspectivas micro y macroscópicas. Por ejemplo, tanto la balanza que construiste en una actividad anterior (figura 3.21) como las balanzas que hay en las industrias miden la masa de un cuerpo. Ambas coinciden en que pueden medir la masa de un objeto; pero tu modelo solamente mide masas pequeñas y las balanzas de una industria son capaces de medir varias toneladas de masa, o sea que el modelo mide a nivel micro y la balanza industrial a nivel macro. El modelo del Sistema Solar que dibujaste es un ejemplo de un modelo científico, es decir, un instrumento diseñado que ayuda a entender y a explicar las observaciones que se ven a simple vista Figura 3.21 La balanza hecha a esca(macroscópicas). Un modelo científico puede representarse con una la es un modelo científico. ecuación, una maqueta, un diagrama o un mapa. El modelo nos ayuda a explicar un fenómeno, por ejemplo: el ciclo del agua, el comportamiento de una parte del Universo o la rapidez de un cuerpo. A continuación te mostramos un modelo científico que ha sido utilizado para interpretar el comportamiento de los astros (figura 3.22).

Investigación Formen equipos de trabajo en el grupo, comenten y discutan el modelo de la figura 3.22 y traten de responder lo siguiente: a) ¿Qué ventajas ha tenido para el hombre poder representar mediante un modelo los acontecimientos naturales que lo afectan directamente? b) ¿Qué características se observan en los modelos científicos? c) ¿Qué otras cosas se pueden representar mediante un modelo científico? Fundamenten su respuesta. d) Intercambien y comenten las informaciones obtenidas con los otros equipos, y por medio de una discusión dirigida por su profesor obtengan conclusiones finales, que anotarán en su cuaderno.

152

Bloque 1tu libro Conoce

Para concluir: 1. Escribe con tus propias palabras tu idea de modelo. 2. Analiza: ¿Cuántos modelos diferentes hicieron en el grupo? 3. Compara las diferencias entre un modelo y otro. 4. Identifica: Hubo alguna idea sobre los modelos construidos que fuera semejante a tu propia idea. 5. Concluye: Muestren al grupo sus modelos y entre todos evalúen si los dibujos de cada astro están hechos a escala.

nte ie

2. ¿Dónde llevarás a cabo la construcción de tu modelo? 3. Determina las dimensiones del objeto real. Iden-tifica cómo reproducirás cada planeta en tu modelo. 4. Escribe tu plan y revísalo con tus compañeros de equipo y con tu maestro. Efectúa los cambios que se requieran y lleva a cabo la construcción (dibujo) de tu modelo.

Cal

Investigación: te enfrentarás a un problema que deberás resolver y sacar tus propias conclusiones. Consulta la bibliografía, materiales audiovisuales o sitios de Internet que se sugieren.

1 cm = 0.9 km 10 km

o

Peso de la piñata



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Tensión en el cable 2

Peso de la piñata

Actividad: te ayudarán a descubrir el rigor con el que se lleva a cabo el trabajo en un laboratorio y fuera de éste, mediante la realización de pertinentes tareas.









Se

Tensión en el cable 1

Tensión en el cable 2

4. Sigue el proceso hasta que la magnitud y la dirección de todos los vectores queden representados. 5. Traza el vector resultante uniendo el origen de la primera fuerza con la punta de flecha de la última fuerza. 6. Mide con la regla y el transportador para determinar la magnitud y la dirección del vector resultante.

ed

Fuerza en equilibrio

una flecha que represente la magnitud y dirección del primer vector. 3. Traza la flecha del segundo vector de forma que su origen coincida con la punta de la flecha del primer vector.

H

Fuerza en equilibrio

VI

Lámpara

Para concluir: 1. Compara tus respuestas con las de tus compañeros. 2. Anoten otros ejemplos en el pizarrón.

úm

2. Sistema de fuerzas concurrentes Las fuerzas concurrentes o angulares tienen su aplicación en el mismo punto (punto de apoyo). Para obtener la resultante del sistema se construye un paralelogramo cuyos lados serán las fuerzas conocidas. La resultante será la diagonal que se traza del origen de las fuerzas al punto de las líneas paralelas donde coinciden los vectores componentes (gráfica 2.4).

76

Televisor

Aire

Dibuja las fuerzas resultantes utilizando una escala de: 1 N = 1 cm

F1

Material Plástico, metal, tinta

Suéter

Actividad

a) F1 = 8 N, F2 = –10 N, F3 = 6 N b) F1 = –7 N, F2 = 12 N c) F1 = 11N, F2 = –6 N

O

Cosas Bolígrafo Escritorio

¿Para qué lo hacemos? Para observar algunas características de los materiales.

138

F1



Los experimentos son la columna vertebral de la física, la química y la ciencia en general. A través de la historia de la humanidad se han encontrado algunos científicos que tenían mucha creatividad e iniciativa, característica con la que lograron sus asombrosos descubrimientos. Lo mismo que ellos, tú también puedes llevar a cabo algunas experiencias de laboratorio de manera exitosa. Te invitamos a realizar los experimentos siguientes.

Figura 3.1 Observa con cuidado este paisaje para que puedas comprobar que existen diferentes tipos de materia. Como te habrás dado cuenta, cada una de ellas presenta ciertas características que permiten diferenciar unas de otras.

Reflexiona

Gráfica 2.4 Las fuerzas que actúan sobre una piñata son concurrentes.

Actividad Características de la materia Indica de qué están hechas las cosas que se mencionan en el cuadro siguiente.

Elaboración

Con base en la lectura anterior, responde en tu cuaderno las preguntas siguientes: 1. ¿Qué características tienen las cosas que te rodean? 2. ¿Cuántas clases de materiales puedes distinguir? 3. ¿Cuáles son sólidos, cuáles líquidos y cuáles gaseosos?

Tensión en el cable 1

La materia integra todas las cosas que te rodean: el metal y el vidrio de una ventana, el papel y la tinta de un libro, el plástico y el líquido de una botella de agua, el aire que respiras y los materiales que conforman tu organismo. Con sólo examinar o manipular un pequeño trozo de materia, puedes determinar algunas de las propiedades de la materia: ¿qué color tiene?, ¿es un sólido, un líquido o un gas?

Bloque 3

7

8

6 5 4 3 2 1

Sol 1- Mercurio 2- Venus 3- Tierra 4- Marte 5- Júpiter 6- Saturno 7- Urano 8- Neptuno

Figura 3.22 Los modelos científicos permiten la explicación lógica del desarrollo de los fenómenos.

Investigación 1. Busca la biografía de John Dalton y escríbela en tu cuaderno. Bibliografía: Enciclopedias. Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 2, Editorial Alianza, España, págs. 318-321. Chamizo, José Antonio (1992), El maestro de lo infinitamente pequeño. John Dalton, colección Viajeros del Conocimiento, Dirección General de Publicaciones del CNCA/Pangea, México. Pellón González, I. (2003), El hombre que pesó los átomos. Dalton, Nívola, España.

Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/ publicaciones/publi_quepaso/john-dalton.htm http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ ed99-0280-01/Daltonholton.html http://aportes.educ.ar/quimica/nucleo-teorico/ recorrido-historico/siglo-xix-el-siglo-de-lasreacciones-quimicas/el_nacimiento_de_la_ teoria_ato.php 2. Con la ayuda del profesor comenten y discutan en el grupo las aportaciones más importantes de este científico para el beneficio del ser humano. Elaboren una conclusión que escribirás a continuación.

La brillante percepción de John Dalton sobre la naturaleza de la materia favoreció significativamente el progreso de la química en el siglo xIx. En 1803, Dalton (17661844) reflexionó sobre los fenómenos que estaba estudiando y consideró que si la

Las interacciones de la materia

153

Para saber más ¿Sabías que las partículas que constituyen un cuerpo no siempre son moléculas? Las moléculas no tienen carga eléctrica y hay otras partículas que sí la tienen, por eso, por ejemplo, para los metales hablaremos de partículas y no de moléculas. Más adelante en el libro verás por qué. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de la mayoría de los materiales plásticos es mayor a temperatura ambiente que las que mantienen unidas las moléculas de una hoja de papel. Las atracciones intermoleculares en el jabón son, evidentemente, mucho más débiles que las fuerzas que mantienen unidas las partículas en una uña, un palillo de madera o una espátula de acero. Por otra parte, las fuerzas de atracción entre las partículas de una espátula de acero son mucho más fuertes que las atracciones intermoleculares en la uña. Por eso, con la uña no puedes rayar tan fácilmente. En cambio, con la espátula de acero puedes hacer marcas sobre diversos materiales. En el experimento número cinco de la actividad anterior trabajamos con gases. Y al calentar el tubo de ensayo, con el aire que contiene el tubo y el globo, las moléculas de los gases que forman el aire se mueven más rápidamente.

Glosario Viscosidad: propiedad de los líquidos y gases que caracteriza su resistencia a fluir.

Por lo tanto, chocan con más frecuencia contra las paredes del globo y, consiguientemente, su tamaño aumenta. Ahora comprende por qué puedes inflar un globo de dos formas: • Insuflando el aire, o sea aumentando el número de moléculas dentro de él. • Calentando el gas que contiene, o sea aumentando la velocidad media de sus moléculas (energía cinética de las moléculas). ¿Sabías que...? ...las moléculas de distintos gases a una misma temperatura se mueven, en promedio, con velocidades distintas. Por ejemplo, las moléculas de hidrógeno son cuatro veces más veloces que las del oxígeno. ¿Y sabías que...? ...el hidrógeno es el gas con el cual frecuentemente se inflan los globos para que se eleven en el aire. ...cuanto menos denso es un gas, más veloces son (en promedio) sus moléculas. Y el hidrógeno es el menos denso de todos los gases.

Los sólidos son cuerpos que presentan forma y volumen propios, tienen sus moléculas muy cercanas entre sí, es decir, que sus fuerzas de cohesión son muy grandes, lo que hace que pierdan la posibilidad de separarse unas de otras o de poder deslizarse (figura 3.104).

Figura 3.104 La cohesión entre las moléculas de un sólido le da a éste una forma definida. Si levantamos un extremo del lápiz, la otra punta lo acompaña. Esta propiedad se denomina rigidez.

Por lo tanto, concluimos que el sólido conserva su forma y volumen. El líquido toma la forma del recipiente que lo contiene (figura 3.105). El gas carece de forma o de volumen propio y depende de las presiones que soporta o el utensilio que lo contiene.

202

Hay líquidos de apariencia sólida, como el chapopote, que fluye muy lentamente; otros como algunas gelatinas diluidas, cuya superficie no se mantiene horizontal al inclinar ligeramente el recipiente. Los primeros están considerados muy viscosos y los segundos algo rígidos.

La presión en los fluidos Los fluidos son las sustancias que se presentan en dos estados de agregación, las cuales permiten que sus partículas se muevan libremente, es decir, que pueden fluir. Así, tanto los líquidos como los gases son fluidos. La manera como los fluidos ejercen presión sobre los cuerpos es totalmente diferente de la forma en que la ejercen los sólidos. Cuando sumergimos nuestro cuerpo en un fluido, este nos rodea como si nos abrazara, ejerciendo fuerzas perpendiculares a la superficie de todo nuestro cuerpo; es lo que también sucede con el aire que nos rodea. Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta fuerzas en toda su superficie y estas son perpendiculares.

Para saber más…: aquí obtendrás datos curiosos e información adicional que estimulará tu interés por la física y las ciencias en general. Consulta la bibliografía, materiales audiovisuales o sitios de Internet que se sugieren.

Figura 3.105 Los líquidos no poseen forma propia. Por esta razón es necesario sostenerlos no sólo por debajo sino también por los costados.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar las características que presentan los fluidos. ¿Qué se necesita? Dos frascos de vidrio iguales, un recipiente profundo (cubeta, bote), agua. ¿Cómo hacerlo? 1. Llena el recipiente con agua. 2. Coloca los frascos hacia abajo y sumérgelos dentro del recipiente con agua. 3. Inclina un poco hacia arriba uno de los frascos hasta que se llene de agua. Trasvasando aire.

4. Coloca más alto el frasco que contiene el agua, acerca ambos e inclina un poco el frasco con aire de tal forma que puedas pasar el aire al frasco que tiene agua. a) ¿Qué sucede cuando empieza a penetrar el aire en el frasco que contiene agua? b) ¿Por qué al sumergirlos no se llenan de agua? c) Cuando vacías un líquido de un recipiente a otro, ¿qué sustancia desplazas? d) ¿Cómo se demuestra que los líquidos y gases son fluidos? Para concluir: Elabora tu reporte en tu libreta.

Volumen de un gas Para que nuestro cuerpo realice el proceso de la respiración se necesitan dos partes fundamentales de nuestro organismo para esta función. Al aspirar, movemos las costillas hacia fuera y el diafragma hacia abajo, lo que aumenta el volumen ocupado por los pulmones. Se debe a que los pulmones, con mayor espacio, se expanden y al separarse presionan menos. Si aumentamos el volumen de los pulmones tapándonos la boca y la nariz, prácticamente no cambiaría nada por la presión que se ejerce del exterior, que tiene un valor de 1 kgf/cm2, lo que empuja el aire dentro de los pulmones. El proceso contrario se realiza al expirar el aire: el diafragma se eleva y las costillas se mueven hacia adentro, lo que hace comprimirse a las moléculas y aumentar la presión, expulsando a la vez parte del aire, con lo que disminuye el volumen.

Bloque 3

Las interacciones de la materia

Glosario: las palabras poco comunes que son utilizadas en el libro, se ubican al margen de las páginas, lo que te ayudará a comprender mejor los contenidos programáticos.

203

PROYECTO 1 se produce un volcán?, ¿cómo se mide la rapidez en una competencia de lanzamiento de disco?, etcétera. Para la realización del proyecto es necesario que te organices por equipos de 5 integrantes y selecciones el tema de tu interés. Consulta a tu profesor.

Proyecto 1 ¿Cómo se propagan y previenen los terremotos? Los terremotos son las ondas de choque de un movimiento repentino producido en la corteza terrestre. Imagina que rompes una regla de plástico, escuchas que se produce un chasquido que son ondas sonoras que se desplazan a través del aire. Lo mismo sucede cuando arrojas una piedra a un estanque, también se producen ondas, en este caso en forma de olas pequeñas que se propagan desde el punto donde cayó la piedra hacia las orillas del estanque. Algo parecido ocurre con los terremotos; al romperse las rocas se producen ondas que se propagan a través de la Tierra, tanto en su interior como en su superficie. Se consideran principalmente tres tipos de ondas: Compresión

a)

Proyectos de integración y aplicación: te acercarán a las herramientas que utiliza la ciencia para investigar. Ejercitarás tu imaginación y experimentarás con el fin de explicar e innovar.

a) Ondas P: surcan el interior de la Tierra y rebotan en su núcleo; su movimiento consiste en la transmisión de compresiones y rarefacciones de la roca, parecido a la propagación del sonido (figura 1.48a). b) Ondas S: surcan el interior del manto y se desvían hacia la superficie, son ondas transversales; en este caso las partículas se mueven en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la perturbación (figura 1.48b). c) Ondas superficiales: sólo se propagan a través de las capas más superficiales de la Tierra, disminuyendo su amplitud con la profundidad.

b)

Longitud de onda

Ondas S

c)

apreciadas dada la diversidad de usos que se les puede dar. ¿Sabes cómo aplicarlas en la vida cotidiana, debido a la rapidez con que se mueven las ondas sísmicas? Probablemente las tengas por escrito en casa o en tu escuela. ¿Qué otras formas de difusión se utilizan en tu comunidad?

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para explicar y predecir la rapidez del desalojo de instalaciones por parte de alumnos y/o personal de oficinas, fábricas y otros ámbitos . ¿Qué se necesita? Libreta, lápiz, cartulina, cronómetro o reloj con segundero, libros de física o geografía, enciclopedias, Internet si se tiene, cámara fotográfica, colores. ¿Cómo hacerlo? 1. Formen equipos de tres o cuatro personas. 2. Investiguen en libros, revistas, o en la red escolar (internet) o en otras fuentes textos que describan la propagación y velocidad de las ondas sísmicas. Bibliografía: Lomnitz, Cina (2003), Los temblores, SEP/CONACULTA, México. Tonda, Juan (1995), Los temblores, ADN Editores, México. Fierro Gossman, Julieta, Volcanes y temblores en México, SITESA, México.

Ondas P

Dilatación

Dirección de propagación de las ondas

Debido a la diferencia en la rapidez de cada tipo de onda, cuando sentimos un terremoto las primeras sacudidas se deben a las ondas P, enseguida percibimos las ondas S y por último las superficiales. La diferencia de rapidez en cada tipo de onda nos permite ubicar el foco del terremoto. Existen muchas recomendaciones y sugerencias para protegerse durante los terremotos, algunas sumamente

También puedes consultar las siguientes ligas: http://www.ssn.unam.mx/ http://www.ssn.unam.mx/SSN/Doc/Sismo85/ sismo85-2.htm http://www.acabtu.com.mx/sismos/index.html http://www.ssn.unam.mx/SSN/Doc/que-hacer.html Lugar

Tipo de movimiento

3. Mediante una pequeña encuesta, pregunta a los responsables de edificios, fábricas y otros centros de trabajo sobre el tiempo que tardan sus trabajadores en evacuar el lugar. 4. Traten de identificar, con el apoyo de la investigación previa que llevaron a cabo, algunos de los desplazamientos realizados durante los simulacros de evacuación y la rapidez con que se realizaron. 5. Indiquen la distancia de desplazamiento y el tiempo que tardan en evacuar en algunos de los lugares investigados. Calculen la rapidez con la que lo realizan y el tiempo necesario para llegar a un lugar seguro. 6. Contrasten la rapidez con que se desplazan las ondas sísmicas y el tiempo que se tardan las personas de los lugares seleccionados en evacuar el lugar. Escriban su opinión. 7. Si cuentan con cámara fotográfica, saquen algunas fotos de los simulacros escolares o de los realizados en otras edificaciones. 8. Si no cuentan con la cámara, dibujen lo que consideren más importante. Reporte de la actividad En el siguiente cuadro anota el tipo de movimiento que realizan las personas al evacuar el lugar en que se encuentran, el tiempo que tardan y la rapidez. Comparen su cuadro con el de otros equipos y bajo la dirección de su maestro complétenlo si es necesario. Tiempo de desalojo

Velocidad

Salones de clase Oficinas Ondas superficiales Longitud de onda

56

Figura 1.48 Ondas P, ondas S y ondas superficiales.

Bloque 1

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

57

PROYECTOS Todos los teléfonos celulares cuentan con transmisores de bajo poder y la estación central de igual forma transmite a bajo poder debido a que las transmisiones de cada celda pueden reutilizar las mismas 56 frecuencias a través de la ciudad; por otro lado, el consumo de energía de un teléfono celular es muy bajo. Se sugiere consultar las siguientes páginas electrónicas: http://www.cabinas.net/monografias/tecnologia/ funcionamiento_de_telefonia_celular.asp http://www.monografias.com/trabajos14/ celularhist/celularhist.shtml#quehay

Figura 4.58 Sistema celular.

Investigación La invención del radio y el teléfono significó grandes avances en la tecnología electrónica. Con el apoyo del maestro, formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar. 1. Investiguen en libros, revistas o Internet sobre la invención del teléfono y la invención de la radio. Asegúrense de contestar las preguntas siguientes: a) ¿Quiénes inventaron los aparatos? b) ¿Cuándo fueron inventados? c) ¿Existen algunas circunstancias inusuales o interesantes en torno a esos inventos? d) ¿Cómo han ido evolucionando esos inventos? Bibliografía: Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 3, Editorial Alianza, España, págs. 794-795. GUÍAS VISUALES (2005), Inventos, Editorial Televisa, Hong Kong. Rowland-Entwistle, T. (2002), Eureka, Un libro sobre inventos, Océano/McGraw Hill. Volin, A., Grandes Inventos, McGraw-Hill Interamericana, México.

Wood, R., Grandes Inventos, McGraw-Hill Interamericana, México. Se sugiere acceder a las siguientes ligas: http://aula.el-mundo.es/aula/noticia.php/ 2003/11/24/aula1069438655.html http://www.biografiasyvidas.com/biografia/m/ meucci.htm http://www.jmarior.net/modules/news/article. php?storyid=70&title=La%20historia%20de% 20Antonio%20Meucci,%20el%20verdadero% 20inventor%20del%20tel%C3%A9fono http://aula.elmundo.es/aula/noticia. php/2000/12/12/aula976551838.html 2. Escríbanlos en su libreta e ilústrenla. a) Cada equipo explicará oralmente lo que haya investigado. b) Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas comenten los resultados de lo que han aprendido al realizar esta actividad. c) Entre todos elaboren una conclusión final sobre la importancia de estos inventos en nuestra sociedad que anotarán en el pizarrón y en su libreta. 3. Escribe un ensayo sobre cómo piensas que las radiocomunicaciones han afectado el desarrollo de los negocios y de la industria.

Gotitas de ciencia

Horno de microondas El horno de microondas es un aparato común en muchos hogares (figura 4.59). Nos permite ahorrar tiempo en la preparación de los alimentos y nos ayuda a ahorrar energía al no tener que ponerlos a calentar, 280

Bloque 4

como sucede con el horno convencional. Esto se debe principalmente a que el horno funciona mediante la transferencia de calor por radiación.

Las microondas se transmiten en forma de radiación y son absorbidas por las moléculas de agua de los alimentos, y esto les permite elevar su temperatura. Las microondas se producen electrónicamente y se distribuyen mediante la reflexión de un ventilador o un agitador metálico y las paredes metálicas. Como las paredes metálicas reflejan la energía radiante, éstas no se calientan. Las microondas atraviesan los trastos de vidrio, las envolturas de plástico y todos aquellos materiales especiales para el horno de microondas y son absorbidas por las moléculas de agua de los alimentos, logrando que éstos se calienten. Si se utilizaran materiales como metales u objetos que se pueden cargar eléctricamente, éstos producirían chispas y se dañaría el aparato. Las microondas no penetran completamente en los alimentos, sino que se absorben cerca de la superficie. Debido a que las microondas pueden quemarnos, estos aparatos electrodomésticos tienen varios dispositivos de seguridad. Por ejemplo: la puerta cierra herméticamente para que las radiaciones no puedan salir; la puerta tiene un enrejado metálico con orificios muy pequeños para poder observar los alimentos sin abrir-

la. El enrejado funciona como escudo protector ya que refleja las radiaciones y evita que éstas salgan del vidrio; además, existe un último mecanismo que detiene el funcionamiento del aparato al abrir el horno para evitar que nos quememos cuando está funcionando. 00:00

Guía de ondas Palas agitadoras

Magnetrón

Alimentos

Figura 4.59 El horno de microondas transforma la energía radiante en energía térmica.

Plataforma giratoria

Reflexiona 1. Piensa sobre la transformación de la energía y la importancia que representa en la vida diaria. Anótalo a continuación.

2. ¿Sabes de alguna otra aplicación que se obtenga del proceso de transformar la energía? Explica.

3. ¿Crees que el estudio de la energía y sus transformaciones es relevante hoy en día? Justifica tu respuesta.

Para concluir: 1. Dibuja tres aparatos que conozcas que funcionen: a) Con resistencia b) Con motor c) Con motor y resistencia 2. Tomando en cuenta los terribles accidentes que se han registrado en las plantas nucleares de diferentes países, ¿qué opinas acerca del uso que actualmente tiene la energía atómica a nivel mundial?

Gotitas de ciencia: enriquecerás tus conocimientos relacionando la física con los desarrollos tecnológicos más importantes, las otras ciencias y los grandes científicos.

3. En tu libreta, elabora un mapa conceptual sobre la energía. a) Compáralo con los de tus compañeros del grupo. b) Seleccionen los mejores con la ayuda del profesor y colóquenlos en el laboratorio.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

281

Tabla de contenido Conoce tu libro

VII

Tabla de contenido Bloque 1 El movimiento Descripción de los cambios de la naturaleza 1. La percepción del movimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.1 ¿Cómo sabemos que algo se mueve?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2 ¿Cómo describimos el movimiento de los cuerpos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.3 Un tipo particular de movimiento: el movimiento ondulatorio . . . . . . . . . . . . . . . 23 2. El trabajo de Galileo: una aportación importante para la ciencia. . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1 ¿Cómo es el movimiento de los cuerpos que caen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2 ¿Cómo es el movimiento cuando la velocidad cambia? La aceleración. . . . . . . . . 44 3. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Proyecto 1. ¿Cómo se propagan y previenen los terremotos?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Proyecto 2. ¿Cómo se mide la rapidez en los deportes? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Proyecto 3. Instrumentos de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Proyecto 4. ¿Cómo potenciamos nuestros sentidos para conocer más y mejor? . . . . . 60

Bloque 2 Las fuerzas La explicación de los cambios 1. El cambio como resultado de las interacciones entre objetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.1 ¿Cómo se pueden producir cambios? El cambio y las interacciones. . . . . . . . . . . . 66 2. Una explicación del cambio: la idea de fuerza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.1 La idea de fuerza: el resultado de las interacciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.2 ¿Cuáles son las reglas del movimiento? Tres ideas fundamentales sobre las fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.3 Del movimiento de los objetos en la Tierra al movimiento de los planetas. La aportación de Newton. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

VIII

Bloquede1 contenido Tabla

3. La energía: una idea fructífera y alternativa a la fuerza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.1 La energía y la descripción de las transformaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2 La energía y el movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4. Las interacciones eléctrica y magnética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.1 ¿Como por acto de magia? Los efectos de las cargas eléctricas . . . . . . . . . . . . . 119 4.2 Los efectos de los imanes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Proyecto 1. ¿Cómo se producen las mareas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Proyecto 2. ¿Qué materiales se pueden magnetizar y qué aplicaciones tiene esta propiedad?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Proyecto 3. ¿Cómo intervienen las fuerzas en la construcción de un puente colgante?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Bloque 3 Las interacciones de la materia Un modelo para describir lo que no percibimos 1. La diversidad de objetos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 1.1 Características de la materia. ¿Qué percibimos de las cosas? . . . . . . . . . . . . . . . 138 1.2 ¿Para qué sirven los modelos?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 2. Lo que no percibimos de la materia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 2.1 ¿Un modelo para describir la materia?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 2.2 La construcción de un modelo para explicar la materia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 3. Cómo cambia el estado de la materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 3.1 Calor y temperatura, ¿son lo mismo?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 3.2 El modelo de partículas y la presión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 3.3 ¿Qué sucede en los sólidos, los líquidos y los gases cuando varía su temperatura y la presión ejercida sobre ellos?. . . . . . . . . . . . . . 216

Tabla de contenido

1 IX

Tabla de contenido 4. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Proyecto 1. ¿Cómo se predice el estado del clima?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Proyecto 2. ¿Cómo funciona el submarino?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Proyecto 3. ¿Es el vidrio un sólido?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

Bloque 4 Manifestaciones de la estructura interna de la materia 1. Aproximación a fenómenos relacionados con la naturaleza de la materia. . . . . . . . . 228 1.1 Manifestaciones de la estructura interna de la materia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 2. Del modelo de partícula al modelo atómico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 2.1 Orígenes de la teoría atómica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 3. Los fenómenos electromagnéticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 3.1 La corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 3.2 ¿Cómo se genera el magnetismo?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 3.3 ¡Y se hizo la luz! Las ondas electromagnéticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

4. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Proyecto 1. ¿Cómo se genera la electricidad que utilizamos en casa?. . . . . . . . . . . . . . . 275 Proyecto 2. ¿Cómo funciona el láser?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Proyecto 3. ¿Cómo funciona el teléfono celular? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Bloque 5 Conocimiento, sociedad y tecnología 1. La física y el conocimiento del universo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 1.1 ¿Cómo se originó el universo?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 1.2 ¿Cómo descubrimos los misterios del universo?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 2. La tecnología y la ciencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 2.1 ¿Cuáles son las aportaciones de la ciencia al cuidado y conservación de la salud? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 2.2 ¿Cómo funcionan las telecomunicaciones?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313



Tabla de contenido

3. Física y medio ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 3.1 ¿Cómo puedo prevenir riesgos y desastres naturales haciendo uso del conocimiento científico y tecnológico? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 3.2 ¿Crisis de energéticos? ¿Cómo participo y qué puedo hacer?. . . . . . . . . . . . . . . 326 4. Ciencia y tecnología en el desarrollo de la sociedad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 4.1 ¿Qué ha aportado la ciencia al desarrollo de la humanidad?. . . . . . . . . . . . . . . . 334 4.2 Breve historia de la física y la tecnología en México. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

Glosario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Apéndice: Tabla Periódica de los elementos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350 Índice onomástico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 Índice temático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

Tabla de contenido

Bl o q u e 1

Este primer bloque pretende iniciarte en los procesos de conceptualización y generalización de los temas de la física a partir del estudio del movimiento. Con los conocimientos adquiridos y las habilidades desarrolladas al terminar de estudiar este bloque: · Comprenderás a través de situaciones cotidianas, el movimiento y las variables que lo definen. · Conocerás diferentes tipos de movimientos, así como la forma en que se representan en una gráfica.

El movimiento Descripción de los cambios en la naturaleza

Preguntas clave • ¿Qué es el movimiento? • ¿Cómo percibimos el movimiento? • ¿Todos los movimientos son iguales? • ¿Cuántas clases de movimientos podemos percibir? • ¿Qué produce el movimiento de un objeto? • ¿Cómo se describe el movimiento de un cuerpo? • ¿Se puede medir el movimiento? • ¿De qué manera se puede medir el movimiento? • ¿Cómo percibimos los sonidos? • ¿Qué tipo de movimiento llevan los cuerpos al caer? • ¿Conoces el movimiento de las ondas sísmicas que producen los terremotos? • ¿Se puede medir la velocidad en los deportes? • ¿Para qué sirven los microscopios, los telescopios y otros aparatos que nos permiten ver o escuchar mejor?

· Analizarás la relación de variables que participan en el movimiento. · Estudiarás los trabajos de Galileo Galilei sobre la caída libre de los cuerpos, así como las variables que intervienen en este proceso. · Realizarás algunos proyectos que te permitan relacionar y aplicar los conceptos estudiados con los fenómenos que acontecen en el entorno. · Podrás reflexionar acerca de las implicaciones sociales del desarrollo de la tecnología relacionada con la medición de la velocidad a la ocurren algunos fenómenos.

1. La percepción del movimiento 1.1 ¿Cómo sabemos que algo se mueve? 1.1.1 Los sentidos y nuestra percepción del mundo ¿Qué viene a tu mente cuando escuchas la palabra movimiento? Un automóvil circulando por la calle; las personas que están dentro de las tazas que giran en el látigo en un parque de diversiones, un balón de baloncesto que sale disparado cuando lo lanzan o un juego mecánico que se balancea, como puedes observar en la figura 1.1. ¿Pero cómo sabemos que algo se mueve?

Figura 1.1 Los cuerpos se mueven de distintas formas.

Reflexiona Responde las preguntas siguientes: 1. Los objetos que aparecen en las imágenes de la figura 1.1, ¿están en reposo o en movimiento? Fundamenta tu respuesta. 2. ¿Cómo percibes que se encuentran en reposo o en movimiento? 3. ¿Por qué se mueven los objetos? 4. ¿Otros objetos se moverán por la misma causa? 5. ¿Cuáles son los efectos de un movimiento? 6. Con la ayuda del maestro comenten y discutan sus respuestas con los compañeros del grupo y



Bloque 1



entre todos elaboren un diagrama o mapa conceptual que colocarán a la vista del grupo; entre todos seleccionarán los mejores. 7. Al responder estas preguntas has construido una visión personal de lo que es el movimiento y la forma de percibirlo; sin embargo, tal vez necesites más información; en las páginas siguientes te invitamos a descubrir algunos de los fenómenos que se producen en relación con el movimiento de los cuerpos.

Como puedes ver en la figura 1.1, cuando un objeto se encuentra en movimiento cambia de posición, y esta posición puede variar y desplazarse en línea recta, en círculo, en un arco o mediante una vibración de ondas. Todas las cosas que existen en el Universo están en movimiento; inclusive nosotros nos movemos todo el tiempo, en ocasiones sin darnos cuenta, como cuando dormimos y nos volteamos hacia uno y otro lado, estiramos los brazos y piernas; al igual que cuando respiramos o parpadeamos, aunque este movimiento nos sea imperceptible. Algunos movimientos los realizamos conscientemente y por necesidad, por ejemplo, al tomar un objeto con las manos, al trasladarnos de un lugar a otro, cuando bailamos o al practicar un deporte. Te invitamos a realizar la siguiente actividad:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para saber cuántos movimientos podemos diferenciar. ¿Qué se necesita? Una mesa, materiales diferentes (papel de china, periódico, lija, otros), cartón, madera, plástico, vidrio, un cartón grande, libreta y lápiz. ¿Cómo hacerlo? 1. Con la orientación del maestro, se realizará la actividad frente al grupo. Solicita la ayuda de tres o cuatro voluntarios. 2. Coloca sobre la mesa el cartón grande como división, y los materiales que hayas reunido. 3. Un voluntario se coloca detrás de la división y otro enfrente de los materiales reunidos, como se observa en la figura 1.2.

Figura 1.2 Agudiza tus sentidos y percibe algunos movimientos.

4. Produce movimientos diferentes (rectos, circulares, en zigzag, etcétera) y sonidos con los materiales

reunidos y el compañero deberá adivinar qué movimiento realizaste y con qué material se produjo. a) ¿Cuántas formas diferentes de movimiento produjiste?, ¿con qué material? b) ¿Cuántos adivinó tu compañero? 5. Ahora te toca cambiar al otro lado, repitiendo la experiencia. 6. Todos los alumnos del grupo guardarán silencio y anotarán o dibujarán en su libreta los movimientos que escuchen o vean en el entorno; por ejemplo: objetos que parecen estar fijos como las paredes y los muebles, algunos que se mueven lentamente como las ramas de los árboles y otros que se mueven con mayor rapidez como el vuelo de un ave, el movimiento de un perro al correr o caminar, el ruido de un vehículo que se acerca o se aleja, una rueda que gira, el golpeteo de las gotas de lluvia, espacios más o menos iluminados, si hace calor o frío, etcétera. Para concluir: 1. Comenta y discute con tus compañeros del grupo la forma en que pudieron distinguir los movimientos percibidos. 2. ¿Qué dificultades encontraron? 3. ¿Hubo diferencias en la percepción de los movimientos obtenidos en la primera y segunda experiencia? 4. ¿En qué consistieron esas diferencias? 5. Entre todos elaboren una conclusión sobre la forma en que pudieron percibir y distinguir los movimientos y escríbanla en su libreta. 6. Realicen un reporte como les indique su maestro.

En la percepción del movimiento, como en la percepción del color, del sonido o de la temperatura, nuestro cerebro construye una visión del mundo que podemos percibir a través de los sentidos. Los sentidos constituyen los canales de comunicación con nuestro entorno, pues nos informan de lo que sucede a nuestro alrededor. Los sentidos con mayor incidencia son la vista y el oído, y en menor grado el tacto y el olfato.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza



La mayoría de las ocasiones no estimamos lo valiosos que son nuestros sentidos, porque los utilizamos de manera automática. En ocasiones los sometemos a pruebas difíciles en los que se dañan. Por ejemplo, cuando escuchamos música “a todo volumen” dañamos los oídos porque son muy sensibles y propensos a sufrir daños irreparables a causa de ruidos estruendosos. También las luces demasiado brillantes pueden lastimar nuestros ojos. Permanecer mucho tiempo expuestos a los rayos solares lastima la piel. Algunas sustancias, como el tíner y el aguarrás, pueden dañar la lengua y la nariz. Cuida tus sentidos, porque es maravilloso poder disfrutar del mundo donde vives gracias a ellos.

1.1.2 Nuestra percepción de los fenómenos de la naturaleza por medio del cambio y el movimiento Al observar nuestro entorno nos damos cuenta que el movimiento se encuentra presente en todas partes. Algunos objetos se mueven con lentitud y otros muy rápido. Percibimos movimientos simples y otros complicados; hasta en los objetos aparentemente inmóviles existe movimiento. Para analizar los movimientos que podemos percibir en el entorno, te invitamos a realizar la investigación siguiente:

Investigación

Tipos de movimiento Con el apoyo del maestro formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar. 1. Investiguen y analicen la información sobre cómo saber si un objeto se mueve. Por ejemplo: a) La sangre en el cuerpo humano b) Los intestinos c) Un vehículo d) Una pelota e) El agua en las plantas f) Las cuerdas de una guitarra o la superficie de un tambor g) La Tierra Bibliografía: Libros de biología de primer año, de física y de geografía. Las siguientes direcciones en sitios de Internet te serán de utilidad:

2. 3. 4.

5.

http://digestive.niddk.nih.gov/spanish/pubs/ yrdd/index.htm http://paginas.tol.itesm.mx/campus/L00280370/ servet1.html http://cienciadebolsillo.blogspot.com/2006/04/ cuando-las-planta-sudan.html http://museovirtual.csic.es/salas/acustica/ sonido1/s4.htm Escriban los resultados en su libreta e ilústrenlos. Investiguen qué es el movimiento relativo de un cuerpo. Cada equipo explicará oralmente lo que haya investigado sobre cómo saber si un objeto se mueve y lo que es el movimiento relativo de un cuerpo. Con la ayuda del maestro y mediante una lluvia de ideas comenten los resultados que obtuvieron sobre cómo saber si un objeto se mueve y qué se necesita para saberlo y qué han aprendido al realizar esta actividad.

¿Qué tal funcionan tus ojos?, ¿qué puedes percibir a través del tacto?, ¿cuántos sonidos son capaces de percibir tus oídos?; y el gusto y olfato, ¿los has desarrollado bien? A éstas y otras preguntas encontrarás respuestas a través de las siguientes actividades. Ya recordaste que por medio de los sentidos, el ser humano no sólo puede registrar lo que sucede a su alrededor, sino que también puede comprenderlo. Por ejemplo, a través de la vista puedes aprender de todo: forma, color, distancia, grosor, dimensiones, material de que está hecho, etcétera. Cuando el cerebro recibe la información que le proporcionan los sentidos, la clasifica, la confronta con las anteriores y la graba en la memoria. 

Bloque 1

¿Te consideras buen observador? La capacidad de observación depende, en parte, de la habilidad que tengan para concentrarse en lo que resulta importante y dejar a un lado lo secundario. Para probarlo te invitamos a realizar la actividad siguiente.

Actividad Es conveniente que la actividad planteada a continuación la desarrolles integrando equipos de dos o tres compañeros.

¿Qué se necesita? Un globo grande, una lata grande de conservas vacía, unos granos de arroz, de sal o azúcar, dos cucharas de madera y una liga o cordón y tijeras.

en lugar de su tapa y sostenlo con la liga, como se observa en la figura 1.3. 2. Deja caer sobre la cubierta de globo los granos de arroz, la sal o el azúcar. Utiliza los mangos de las cucharas de madera como palos de tambor y golpea ligeramente la cubierta de globo. Observa. a) ¿Qué sucede con los granos de arroz, de sal o de azúcar? b) Comenta con tus compañeros a qué se debe y anota la conclusión que explique el fenómeno.

¿Cómo hacerlo? 1. Quita la tapadera superior de la lata, corta el cuello del globo más grande e insértalo sobre la lata

Para concluir: Elabora tu reporte anotando otros ejemplos similares que observes en tu entorno.

¿Para qué lo hacemos? Para comprobar que mediante el sentido del oído percibimos vibraciones de una onda sonora.

Figura 1.3 Los granos de arroz se mueven de un lado a otro sobre la cubierta del tambor debido a que el material plástico de su cubierta vibra cuando se golpea.

En el ejercicio anterior pudiste observar que los granos de arroz, de sal o de azúcar se mueven de un lado a otro sobre la cubierta de globo, debido a que el material plástico que funciona como piel del tambor vibra al golpearlo. Las vibraciones del tambor también transmiten sus vibraciones al aire que le rodea, lo cual produce los sonidos que escuchas. ¿Conoces otros ejemplos? ¿Cuáles? Pudiste distinguir todos estos movimientos porque tus sentidos te proporcionaron toda la información necesaria para poder percibirlos.

1.1.3 Papel de los sentidos en la percepción de movimientos rápidos y lentos ¿Has intentado alguna vez atrapar una mosca con tus manos? Lo puedes intentar muchas veces y tal vez no lo consigas. Las moscas tienen cientos de ojos especiales que son muy sensibles al movimiento, por lo que resulta casi imposible atraparlas. Lo mismo sucede cuando tratamos de atrapar una rana, porque es una saltadora muy hábil; cuando quieras tocarla, probablemente salte velozmente lejos de tu alcance. ¿Consideras que esto tenga algo que ver con los sentidos de tu cuerpo?, ¿eres capaz de percibir los movimientos rápidos y lentos?, ¿quieres comprobarlo? Realiza la actividad siguiente:

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza



Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar cuántos movimientos rápidos o lentos eres capaz de percibir. ¿Qué se necesita? Libreta, bolígrafo y lápices de colores. ¿Cómo hacerlo? 1. Integrado en equipos de tres o cuatro compañeros, realiza una investigación sobre la forma en



Movimientos rápidos

Para concluir: 1. Intercambien la información entre los compañeros de grupo, analícenla y comenten la forma en que pudieron percibir estos movimientos. 2. ¿Los sentidos tendrán algo que ver en la percepción de estos movimientos? ¿Serías capaz de per-

2. 3. 4. 5. 6.

que se mueven algunos cuerpos. Por ejemplo, un automóvil, algunos animales que habiten en tu comunidad, el agua dentro de un lago, río o mar; ¿qué otra cosa se te ocurre? ¿Quiénes se mueven más rápido? ¿Quiénes se mueven más lento? Describe uno o dos movimientos rápidos. Ahora describe uno o dos movimientos lentos. ¿Podrías dibujar uno o dos ejemplos?

Movimientos lentos

cibir movimientos aún más rápidos o muy, muy lentos, utilizando solamente los sentidos? Coméntalo con tus compañeros y entre todos elaboren una conclusión que escribirán en el pizarrón y en su libreta.

Al observar diferentes movimientos salta a la vista que unos son más rápidos y otros más lentos. Cuando un objeto se mueve más rápido que otro es porque recorre un espacio más grande en el mismo tiempo, o bien que tarda menos tiempo en recorrer el mismo espacio. Puedes diferenciar cuando tus compañeros caminan, corren o saltan, pero; ¿puedes describir exactamente esos movimientos o dibujarlos? Como ves, es conveniente poner mucha atención a estos movimientos. Tus sentidos te informan de los diferentes movimientos que se realizan en tu entorno. Sin embargo, nuestros sentidos no los traemos desarrollados al nacer, por lo que necesitamos ejercitarlos para lograr que lleguen a su mejor forma.



Bloque 1

¿Tus sentidos te pueden engañar en algunas ocasiones? ¿Has visto los anuncios luminosos de las marquesinas de los cines? Cuando un foco se prende y se apaga con mucha rapidez, nos da la impresión de movimiento. Los cuerpos que generan luz son fuentes luminosas, por ejemplo el Sol, una lámpara eléctrica, una llama, etcétera. ¿Necesitas la luz para ver? Tú distingues perfectamente la luz de la oscuridad. La luz te permite ver los objetos. Tus ojos son los mismos en un caso que en otro, pero para ver hace falta luz, porque nuestros ojos perciben el contorno y el color de las cosas solamente cuando están iluminadas por la luz, lo mismo sucede con los sonidos. La percepción de los sonidos está estrechamente relacionada con el sentido del oído. El oído detecta las ondas sonoras y las transforma en vibraciones capaces de estimular el sistema nervioso, que de forma semejante a los cables de teléfono llevan la información al cerebro, donde producen la sensación acústica. Tus oídos siempre están funcionando, incluso cuando duermes, y te mantienen en contacto con el mundo que te rodea. El oído es un sentido que permite la comunicación con los demás. A través de él puedes apreciar la música y los sonidos del ambiente natural, entre otros beneficios. Sin embargo, el oído del ser humano no es capaz de percibir todos los sonidos, pues no logra escuchar los que son demasiado bajos o demasiado agudos, porque nuestra sensibilidad no está tan desarrollada como la de algunos animales, entre ellos el perro, el murciélago y los delfines. El tacto también te permite detectar movimientos rápidos o lentos, de igual manera que mediante el gusto y el olfato puedes percibir lenta o rápidamente el olor o el sabor de las cosas. Como ves, los sentidos se encuentran estrechamente relacionados con la capacidad y habilidad que desarrollas para percibir los movimientos rápidos o lentos producidos en la naturaleza.

1.2 ¿Cómo describimos el movimiento de los cuerpos? 1.2.1 Experiencias alrededor del movimiento en fenómenos cotidianos y de otras ciencias ¿Cómo sabes que un cuerpo se mueve? ¿Cómo describes el movimiento de un cuerpo? En la vida diaria puedes contemplar la forma en que se mueven los cuerpos, por ejemplo el vuelo de un insecto, las ramas de los árboles que se mueven con el viento, el chorro de agua que sale cuando abres la llave, el corazón de un ser humano cuando late; también podemos pensar en un balón de voleibol que se encuentra en reposo y empieza a moverse cuando la mano de un jugador lo golpea o cuando un vehículo estacionado inicia su movimiento cuando el chofer aprieta el acelerador. En la naturaleza también puedes observar o sentir algunos movimientos como el de un temblor, o el de la Tierra girando alrededor del Sol, entre otros.

Glosario Movimiento relativo: es el cambio de lugar o posición de un cuerpo que se acerca o se aleja de un punto de referencia que también se mueve. Debemos considerar que este punto es una elección arbitraria que facilita la descripción y análisis del movimiento, ya que aparentemente se encuentra en reposo.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para analizar y comparar distintos movimientos que se observan en la naturaleza.

¿Qué se necesita? Cochecito de cuerda o de tracción, flexómetro, cronómetro o reloj con segundero, cinta adhesiva, recipiente con agua, cartulina, tijeras, jabón líquido, libreta y bolígrafo.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza



¿Cómo hacerlo? Con la orientación de tu maestro formen cuatro equipos. Numeren los equipos del 1 al 4 y realicen las actividades planteadas. Equipos 1 y 3 1. Hagan una pista en la cual puedan soltar su cochecito. Peguen sobre el piso en línea recta una tira de cinta adhesiva de dos metros y marquen la tira cada 10 centímetros. Lancen su coche y observen hasta dónde llega y cuánto tiempo se tardó. a) ¿Qué clase de movimiento realizó? b) ¿Cómo sabes que se movió? Fundamenta tu respuesta. c) ¿Qué ubicación tenía el coche cuando empezó a moverse? d) ¿Puedes describir el movimiento realizado? Coméntalo con los compañeros de equipo. e) Descríbelo y dibújalo. f) Compárenlo con movimientos iguales producidos en otros cuerpos. Escribe dos o tres ejemplos. Equipos 2 y 4 2. Llenen el recipiente con agua hasta la mitad, viertan un poco de jabón líquido y revuelvan. Hagan un triángulo con la cartulina de 3 × 2 centímetros. Cuando el agua se encuentre en reposo, pongan el triángulo en una esquina del recipiente, con la punta hacia el centro. Introduzcan un dedo dentro del jabón, sáquenlo y pónganlo dentro del agua detrás del triángulo (barco). a) ¿Qué clase de movimiento realizó el “barco”? b) ¿Cómo sabes que se movió? Fundamenta tu respuesta.

c) ¿Cuál era la ubicación del “barco” al iniciar su movimiento? d) ¿Puedes describir el movimiento realizado? Coméntalo con los compañeros de equipo. e) ¿Qué observaste en el agua al introducir tu dedo? f) Dibuja lo que hayas observado dentro del agua y el movimiento realizado por el barco. g) Compáralo con movimientos iguales producidos en otros cuerpos. Escribe dos o tres ejemplos.

Para concluir: 1. Informen a sus compañeros del grupo sobre los movimientos observados en cada caso. 2. Analicen y discutan en el grupo sobre los tipos de movimientos observados y opinen en qué otros cuerpos se realizan. 3. Comparen los movimientos observados con los que se producen en nuestro organismo y en la naturaleza y expliquen en qué se parecen. 4. Entre todos elaboren una conclusión y escríbanla en el pizarrón y en su libreta.

A pesar de que todo se encuentra en movimiento, hay ocasiones que nos parece que las cosas están en reposo en relación con nosotros, por ejemplo Movimiento aparentemencuando observamos las estrellas en el firmamento; sin embargo, ¿se mueven te absoluto: es el cambio las estrellas? ¿Cómo definimos, entonces, el movimiento? de lugar o posición de Asimismo, al observar con detenimiento nuestro entorno notamos un cuerpo respecto a un que algunos objetos se mueven más rápido que otros, por lo que decimos punto de referencia que se considera fi jo. que un ave se mueve más rápido que un caracol, es decir, que cambia de posición en menos tiempo. Hasta ahora hemos visto que, para la comprensión del movimiento, necesitamos un punto de referencia a partir del que podamos identificar el cambio de posición en un tiempo determinado. Por lo anterior, siempre que percibimos que un cuerpo se encuentra en movimiento, también observamos que la posición de ese cuerpo en relación con nosotros varía con el transcurso del tiempo.

Glosario

10

Bloque 1

1.2.2 La descripción y medición del movimiento: marco de referencia y trayectoria; unidades y medidas de longitud y tiempo Marco de referencia Como habrás podido deducir a partir de los elementos antes mencionados, un cuerpo se encuentra en movimiento cuando cambia de lugar en relación con un punto que se considera fijo, y se encuentra en reposo cuando permanece en el mismo lugar, con respecto al mismo punto. Pero, si cambiamos el punto de referencia, ¿necesariamente estará en reposo o ahora se moverá? Analicemos las situaciones siguientes: Cuando permaneces sentado en un autobús antes de iniciar el viaje, ¿te encuentras en reposo o en movimiento? Cuando estás cómodamente sentado dentro del autobús y en pleno viaje hacia otra población, ¿te encuentras en reposo o en movimiento? A la primera pregunta podrías responder que te encuentras en reposo, debido a que estás sentado y además el autobús se encuentra parado con respecto a la estación; sin embargo, el concepto de reposo es “relativo”, debido a que la estación se está moviendo conjuntamente con la Tierra, pues gira alrededor del Sol. La segunda pregunta podrías responderla diciendo que estás en reposo con respecto al asiento que ocupas dentro del vehículo, pero si miras por la ventanilla observarás que te mueves a bastante rapidez. Así, con relación al autobús tu posición no cambia; pero sí cambia con respecto a las casas, postes de teléfono, postes de energía eléctrica, árboles y otros vehículos que se desplazan en tu misma dirección o en dirección contraria. En conclusión, diremos que un móvil puede cambiar de posición con respecto a un cuerpo en particular y permanecer en reposo en relación con otro cuerpo. Otro ejemplo que nos permite constatar la importancia del sistema de referencia lo vemos en la situación que se presenta en la figura 1. 4. ¿Dónde se encuentra el automóvil? ¿Cuál es la posición del automóvil con respecto a la persona que se encuentra detrás del automóvil? Fíjate en la pelota. Una persona se encuentra detrás del automóvil que se mueve frente a ella. ¿Cuál es la posición de la pelota con respecto a la persona? Si trataras de describir la posición de la pelota, diciendo que se encuentra enfrente y a la izquierda de la persona, también puedes ver que la pelota se mueve hacia delante junto con el automóvil. Las palabras adelante, atrás, derecha e izquierda, arriba, abajo, a un lado, son sistemas de referencia comunes a todos. Para describir adecuadamente un movimiento es indispensable contar con un sistema de referencia. Es importante que consideres que no existe un sistema de referencia que sea mejor que otro; por ejemplo, en la actividad anterior, en lugar de utilizar la persona podrías haber establecido como sistema de referencia el automóvil, pero sólo procura utilizar el sistema que te permita describir más fácilmente el movimiento.

Figura 1.4 Un sistema de referencia es un punto o posición con respecto al que ocurre el movimiento.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

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Para representar la posición de un objeto en movimiento en un plano podemos utilizar un sistema de coordenadas o ejes cartesianos (figura 1.5). Para tener una idea más clara de esto, realicemos las actividades de este tema.

Trayectoria

Figura 1.5 Un sistema de referencia puede representarse dentro de un sistema de coordenadas cartesianas.

¿Cómo se mueve una pelota durante un partido de futbol? El movimiento se realiza dentro de la cancha de juego y se considera desde el instante en que se inicia hasta que termina. Para conocer su recorrido podemos representar en un plano el conjunto de todos los puntos por donde se desplaza la pelota. La línea imaginaria que dibujamos al unir todos los puntos es la trayectoria. En nuestro ejemplo, la pelota describe diversas trayectorias. La trayectoria podrá tener formas muy variadas, dependiendo del movimiento del objeto. Una trayectoria puede ser comparada con la huella que imprimiría un móvil durante su movimiento.

Trayectoria es la línea imaginaria que describe un objeto cuando se mueve en cualquier dirección Atendiendo a su trayectoria, los movimientos pueden ser rectilíneos o curvilíneos. Se trata de un movimiento rectilíneo cuando la trayectoria del móvil describe una línea recta, por ejemplo un cuerpo al caer libremente o un vehículo al recorrer una avenida recta. Trayectoria de la punta del bolígrafo

Desplazamiento del bolígrafo Figura 1.6 La trayectoria es la recta que describe el avión en el vuelo (tridimensional).

Figura 1.7 El bolígrafo describe una trayectoria curvilínea (bidimensional).

Cuando la trayectoria es una línea curva, el movimiento es curvilíneo, como el movimiento de traslación de la Tierra, el de un “caballito” de carrusel o el de las “tazas” del parque de diversiones. Los movimientos curvilíneos se clasifican en circulares, parabólicos, hiperbólicos y elípticos. Los circulares describen una circunferencia, por ejemplo, un punto sobre la rueda de bicicleta al girar sobre su eje; los remolinos del agua que da vueltas alrededor de la rejilla del desagüe ¿se te ocurren otros ejemplos? Anótalos en los renglones de abajo:

Pero, ¿cómo podemos medir el movimiento de los cuerpos y qué unidades debemos utilizar? ¿Quieres medir algunos movimientos interesantes? Enseguida veremos qué podemos usar para lograrlo.

12

Bloque 1

Unidades y medidas de longitud y tiempo ¿Qué importancia tiene medir? Frecuentemente hacemos mediciones. Por ejemplo, el tiempo destinado para la comida, el costo de la gasolina que consume un vehículo, etcétera. En las mediciones es importante contar con un método e instrumentos adecuados, además de las unidades correspondientes. Por ejemplo, cuando preparamos una receta de cocina, todos sabemos lo que significa “una pizca de sal” o “tazas de harina” utilizadas comúnmente para preparar un platillo, sin embargo, para asentarlo en una receta culinaria, el tamaño de las tazas debe estar perfectamente definido y ser exacto en relación con la cantidad. ¿Cómo obtenemos las unidades? ¿Quién tiene mayor estatura de tus compañeros de equipo?, ¿qué día de la semana pesan más tus útiles?, ¿dura más tiempo un partido de basquetbol o uno de voleibol?, ¿sabes si el agua hierve a la misma temperatura al nivel del mar que en la cima de una montaña muy alta? Diariamente, en forma consciente o inconsciente, comparamos. La comparación consiste en identificar o distinguir las relaciones, diferencias o semejanzas existentes entre dos o más objetos. Entre los aspectos que podemos comparar están la longitud, la masa y el tiempo, entre otras. Para que la comparación sea completa podemos precisar aún más en las características; por ejemplo, en el caso de la longitud, indicar si es corto o largo; en la dirección que lleva un objeto en movimiento, por ejemplo si va en una dirección positiva hacia la derecha o en una dirección negativa hacia la izquierda, si es lenta o rápida; en el volumen, si ocupa mucho o poco espacio; en el tiempo si es mayor, menor o igual. Así, vemos que existen múltiples procedimientos para hacer una comparación entre dos o más objetos de una misma especie. Por ejemplo, si tomamos como patrón el cinturón de un alumno, vemos que es más grande que el de otro. Podemos comprobarlo si colocamos juntos ambos cinturones; al juntarlos, hicimos una comparación de la longitud de esos objetos. Si comparamos la distancia que hay de un estado de la República Mexicana a otro y de nuestro continente a Europa, notaremos que se encuentran muy lejos; pero si la distancia es de tu casa a la tienda más cercana o a la escuela, veríamos que la distancia es menor. ¿Cómo puedes saber quién de tus compañeros vive más lejos de tu escuela y quién más cerca? Para resolver esta cuestión es indispensable establecer las magnitudes con las que se describe un problema o un fenómeno. Para obtener la medición de una magnitud siempre se compara esa cantidad con otra de su misma especie. Por ejemplo, cuando decimos que la longitud de una avenida es de 1 000 metros, estamos afirmando que la distancia entre ambas esquinas es 1 000 veces la distancia que existe entre los extremos de una regla a la que denominamos metro. Llamamos unidad al patrón de comparación que se usa para medir objetos o sustancias de una misma especie. La unidad que se escoja debe ser conocida por las personas con las que entablamos una comunicación, de otra forma no podrían comprender la información de las mediciones de las que hablamos. Además, una unidad debe mantenerse constante, es decir, debe ser la misma en todas partes y en diferentes condiciones (figura 1.8).

Figura 1.8 La yarda es una unidad de longitud. Originalmente fue la distancia de un brazo extendido.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

13

Concepto de medición ¿Sabes qué es una medición? Una medición es una comparación entre una cantidad desconocida y una establecida o estándar. Para que esta comparación sea válida, el dispositivo o instrumento de medición debe compararse con un estándar aceptado ampliamente (figura 1.9). Un ejemplo de medición cuantitativa sería cuando decimos que un terreno mide 20 m de largo por 10 m de ancho (20 m × 10 m = 200 m2), por lo tanto, tiene 200 m2 de superficie. Al realizar la medición lo que realmente hacemos es obtener la relación entre dos magnitudes de la misma especie. Todo lo que es posible medir de alguna manera recibe el nombre de magnitud: la longitud, la masa, el tiempo, el área, la fuerza, la presión, etcétera, son algunas de las magnitudes físicas. Llamamos unidad a una magnitud arbitraria a la que le damos el vaFigura 1.9 Para lograr mayor lor de uno. Al medir comparamos una cantidad con la unidad. Por eso precisión se han creado nuevos inses importante que, al mencionar una cantidad de cualquier magnitud trumentos de medición. Entre ellos indiquemos siempre la unidad usada. Por ejemplo, 6 metros, 12 litros está la balanza de precisión, que se o 30 segundos, ya que dar solamente un número no tendría ningún utiliza en los laboratorios. significado. Si para resolver un problema es necesario medir, nuestra imaginación no tiene límites para desarrollar nuestras habilidades y creatividad. En las mediciones efectuadas hasta el momento, has utilizado métodos directos; pero si tuvieras que medir el tamaño de una célula, la altura de una montaña o del asta bandera de tu escuela, el método deberá ser indirecto ya que, debido al tamaño, sería difícil contar con los aparatos adecuados para obtener estas mediciones.

Unidades de longitud La longitud mide la distancia que hay entre dos puntos; así podremos determinar el tamaño de un cuerpo (largo, ancho y alto) y sabremos si un objeto está cerca o lejos y si es grande o pequeño, conoceremos la distancia que existe entre la Tierra y la Luna, entre tu casa y la escuela, tu estatura, el tamaño de tu mano, la profundidad de un pozo, el grosor de tu bolígrafo, entre otros muchos ejemplos que podemos mencionar. La unidad fundamental de longitud del Sistema Internacional de Unidades, o SI es el metro, m, que aparece en la figura 1.10. El metro se definió por primera vez como 1/10 000 000 de la distancia desde el polo norte hasta el ecuador, medido a lo largo de una línea que pasa por Lyon, Francia. Tiempo después, se hizo más práctico definir el metro patrón como la distancia entre dos líneas grabadas en una barra de platino e iridio que se encuentra en París y lo tomamos cotidianamente como unidad patrón de la longitud para medir, por ejemplo, la altura de un edificio, la longitud de una calle, la distancia recorrida por un móvil, etcétera. Así, cuando expresas que un cuerpo recorrió en su movimiento una distancia de siete metros, estás comparando la distancia con la longitud de un metro. Siete metros

1 metro Figura 1.10 Representación del metro patrón. Barra de platino-iridio.

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Bloque 1

significa que la distancia es siete veces más grande que un metro. Es posible que puedas expresar cualquier cantidad en relación con la unidad fundamental, pero en diferentes ocasiones tienes que medir algunas longitudes para las que el metro es demasiado grande o demasiado pequeño. Por ejemplo, el metro es muy grande para expresar la longitud de un clavo o el diámetro de un balín; para hacerlo, usarías el centímetro o el milímetro. En cambio, sería demasiado pequeño para expresar que la distancia entre dos ciudades es de 80 000 m; por lo tanto, debes usar una unidad de longitud mayor, que puede ser el kilómetro (km). Como un kilómetro representa una longitud de 1 000 metros, la distancia entre las dos ciudades es de 80 km. Algo similar (o parecido) sucede con todas las unidades del Sistema Internacional. Para facilitar la medición de cantidades muy grandes o muy pequeñas se usan, para todas las unidades, múltiplos o submúltiplos y se expresan con prefijos convencionales aceptados universalmente. En la tabla siguiente se describen los prefijos para los múltiplos y submúltiplos de las unidades del SI:

Factor

Magnitud: es todo aquello que sea susceptible de ser medido, por ejemplo, la longitud, la masa, el tiempo, la temperatura, etcétera. Medir: comparar una magnitud con otra de la misma especie. Patrón de medida: elemento de comparación conocido como unidad por todo el que lo utilice y su valor debe estar perfectamente definido, sus características son la exactitud y es un modelo fácil de reproducir.

Valor numérico (en metros)



Yotta

Y

1024 (un cuatrillón)

(Ym) = 1 000 000 000 000 000 000 000 000



Zetta

Z

1021 (mil trillones)

(Zm)

= 1 000 000 000 000 000 000 000



Exa

E

1018 (un trillón)

(Em)

= 1 000 000 000 000 000 000



Peta

P

1015 (mil billones)

(Pm)

= 1 000 000 000 000 000



Tera

T

1012 (un billón)

(Tm) = 1 000 000 000 000



Giga

G

109 (mil millones)

(Gm) = 1 000 000 000



Mega

M

106 (un millón)

(Mm) = 1 000 000



Kilo

k

103 (mil)

(km)

= 1 000



Hecto

h

102 (cien)

(hm)

= 100



Deca

da

101 (diez)

(dam) = 10

unidad

u

100 (uno)



deci

d

10–1 (un décimo)

(dm)

= 0.1



centi

c

10–2 (un centésimo)

(cm)

= 0.01



mili

m

10–3 (un milésimo)

(mm) = 0.001



micro

µ

10–6 (un millonésimo)

(mm) = 0.000 001



nano

N

10–9 (un milmillonésimo)

(nm)

= 0.000 000 001



pico

P

10–12 (un billonésimo)

(pm)

= 0.000 000 000 001



femto

f

10–15 (un milbillonésimo)

(fm)

= 0.000 000 000 000 001



atto

a

10–18 (un trillonésimo)

(am)

= 0.000 000 000 000 000 001



zepto

z

10–21 (un miltrillonésimo)

(zm)

= 0.000 000 000 000 000 000 000 001



yocto

y

10–24 (un cuatrillonésimo)

(ym)

= 0.000 000 000 000 000 000 000 000 001

Submúltiplos

Múltiplos

Prefijo Símbolo

Glosario

1

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

15

Unidades de tiempo

Figura 1.11 El metrónomo es un dispositivo que se utiliza en música para medir intervalos de tiempo.

El tiempo puede definirse como la duración de un acontecimiento. ¿Cómo mides el tiempo en un partido de basquetbol?, ¿de qué forma distribuyes las actividades que realizas en un día?, ¿cómo determina un árbitro el final de un partido de futbol?, ¿de qué forma calcula un campesino la temporada de siembra? El Sol fue un elemento importante utilizado por el hombre para medir el tiempo. La salida y la puesta de este astro originan el día y la noche. Así, el ser humano empezó a estudiar su posición en el cielo y dividió el día en mañana, tarde y noche. Nuestros predecesores observaron que el Sol aparentemente se movía en el cielo y empezaron a relacionar su posición con el tiempo. Más adelante construyeron relojes de sol y en ellos se dividía el tiempo en horas. Otra forma de medir el tiempo fue el reloj de arena, que constaba de dos ampollas iguales, ambas de vidrio y colocadas una sobre la otra; la de arriba se llenaba de arena que, en el transcurso de una hora, debía pasar totalmente a la ampolla colocada abajo. También se usó el reloj de agua. A partir del siglo xiv la hora se dividió en 60 minutos y cada minuto en 60 segundos. La base de la unidad de tiempo es el segundo. Cuanto más rápido nos movemos, más despacio pasa el tiempo, por ello fue indispensable obtener un promedio para definir el segundo. Así, un segundo era 1/86 400 del día solar medio, en 1967. Un día es el tiempo que tarda la Tierra, aparentemente, en dar una vuelta alrededor de su propio eje (movimiento de rotación). Un día tiene 24 horas; si cada hora tiene 60 minutos, entonces, 24 × 60 = 1 440 minutos, y si cada minuto tiene 60 segundos, tenemos que, 1 440 × 60 = 86 400 partes del día. Sin embargo, como la duración de un año tiene variaciones, esta definición causó muchas dificultades e incongruencias en la medición del tiempo. A finales del siglo XX se utilizó un metal llamado Cesio para construir un reloj capaz de medir el tiempo con gran precisión; con este aparato se define el segundo del Sistema Internacional (SI) de la siguiente manera: tiempo necesario para que el átomo de cesio vibre 9 192 631 770 veces. El péndulo es un instrumento muy importante en la medición del tiempo. Las personas que tocan instrumentos musicales utilizan un péndulo invertido para llevar el compás de la música, el cual oscila en forma constante. Este instrumento se llama metrónomo (figura 1.11). El tiempo es una magnitud física fundamental, y su unidad es el segundo, cuya abreviatura es s.

Actividad

Mediciones de tiempo ¿Para qué lo hacemos? Para realizar mediciones de tiempo.

podrías medir intervalos de tres minutos? ¿Cómo obtendrías una escala? Anota tus respuestas.

¿Qué necesitamos? Una vela de parafina, cerillos, lápiz, reloj con segundero y palo de madera (para paletas) o tira de cinta adhesiva del tamaño de la vela.

Para concluir: 1. Comenten y discutan en equipo otras formas para medir intervalos de tiempo sin utilizar el reloj; sométanlas a consideración del grupo, escríbanlas en el pizarrón y anoten en su libreta las que más les agraden.

¿Cómo hacerlo? Utilizando los materiales indicados, ¿de qué forma

16

Bloque 1

Ciudad de México

Cantidades vectoriales y cantidades escalares ˚F 120 100 80 60 40 20

¿Cuál es la información que puedes obtener al observar las figuras 1.12a y 1.12b y qué ˚C puedes decir después de analizar la figura 1.12b? Al observar la figura 1.12a, te das Cuernavaca cuenta de que el cronómetro marca 15 s, que el termómetro señala 25 °C y que en la 50 40 balanza la masa de las uvas es de 125 Taxco g. Cada una de esas cantidades se representa con 30 número y las unidades que les corresponden. A este tipo de cantidad que representa Huitzuco 20 la10magnitud de algo se le llama cantidad escalar.

Ciudad de México

0

Mazcala

10

0

a)20

20

30

40

40

60

50

55 50 45 40 35

60

30

5 10 15 20 25

˚F 120 100 80 60 40

125.00

125.00

20 G

0

125.00

G

G

Ciudad de México

b)

˚C

˚F

Cuernavaca

Chilpancingo

˚C 120

50

100

40

˚F 30

20

10

˚C

0

0

200

50

10

20

100 20

40

30

80040

30

40

60

20

50

40

20

20

Taxco

100 km

CuernavacaMazcala

10

120

1060

Ciudad de México Huitzuco

20

60

40 Acapulco 40

10 0 10

20

0 30

40

20

40

30

40

50 60

40

60

50

20

Cuernavaca

Taxco

30

5080

Huitzuco

55 50 45 40 35

60

30

60

5560 5 55 5 50 10 10 50 45 15 45 15 20 40 20 4035 25 30 35 25 30

Taxco

5 10 15 20 25

Huitzuco

Chilpancingo

Mazcala

Mazcala

Chilpancingo

Acapulco Chilpancingo

Acapulco

0

0

100 km

100 km

Acapulco

0

100 km

Figura 1.12 El tiempo, la temperatura y la masa son cantidades escalares y se expresan con un número y su unidad correspondiente. La flecha en b representa una cantidad vectorial; indica la dirección relativa desde la Ciudad de México hacia Acapulco y la longitud es proporcional entre las dos ciudades.

Otras cantidades, como la localización de una ciudad con respecto a otra, requieren de una dirección, una cantidad y las unidades correspondientes. En la figura 1.12b, la longitud de la flecha entre Acapulco y la Ciudad de México es proporcional a la distancia entre las dos ciudades. Puedes determinar su distancia utilizando la escala de km en el mapa. La distancia entre las dos ciudades es de 411 km, y es una cantidad escalar. Pero además, la flecha te dice la dirección de Acapulco en relación con la Ciudad de México; Acapulco está a 411 km al suroeste de la Ciudad de México. A la información representada por una flecha sobre el mapa se le llama cantidad vectorial. Una cantidad vectorial no te dice solamente la magnitud de la cantidad sino también la dirección y el sentido.

Glosario Cantidad escalar: cantidad que consta solamente de una magnitud (número y unidad), carece de dirección y sentido. Cantidad vectorial: cantidad que consta de magnitud (número y unidad) y tiene dirección y sentido.

1.2.3 Relación desplazamiento-tiempo; conceptos de velocidad y rapidez ¿Puedes explicar lo que significa desplazamiento y cuál es su relación con el tiempo? Observa nuevamente el mapa de la figura 1.12b e imagina que un automóvil sale de la Ciudad de México con destino a Acapulco y sigue la ruta indicada en el diagrama. El automóvil experimenta un cambio de posición, ya que salió de la Ciudad de México (A) y se dirigió hacia Acapulco (B). A 

 B

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

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El cambio de posición esta determinado por el segmento AB, llamado desplazamiento. De este modo el desplazamiento de un objeto se representa por el segmento que une su posición inicial con su posición final; para precisar el desplazamiento de nuestro automóvil, deberemos conocer si se efectuó de la Ciudad de México a Acapulco, o viceversa. Debemos conocer el sentido del desplazamiento, en nuestro caso, el móvil va desde la posición inicial A hasta la posición final B, el desplazamiento realizado es la distancia entre A y B con el signo que corresponda al sentido de A hacia B; el segmento A, B se representa mediante un vector. A 

 B

El desplazamiento es una cantidad vectorial debido a que se han determinado su magnitud, su dirección y su sentido. Las cantidades vectoriales se representan mediante un símbolo (letra) con una flecha encima de ésta. Si el desplazamiento de un cuerpo se obtiene por la diferencia entre la posición final y la posición inicial y ambos son cantidades vectoriales; entonces se representa:

Δx = posición final − posición inicial

Veamos otro ejemplo. Un atleta al participar en la carrera de los 100 m tiene una duración de determinado tiempo (cantidad escalar) y un desplazamiento (cantidad vectorial). El desplazamiento se define como la distancia y dirección entre dos posiciones. El atleta empieza a correr al comienzo de la línea de Glosario inicio y en un tiempo determinado cruza la línea de meta. ¿Cuánto tiempo Desplazamiento: la distantarda en desplazarse en esta distancia?, es decir, ¿cuál fue el cambio en cia y dirección entre dos el tiempo que se observa en la figura 1.13? Podrías calcularlo hallando la posiciones. Es una magnidiferencia entre el tiempo mostrado cuando el corredor empezó la carrera tud vectorial. hasta el momento en que la finaliza.

Figura 1.13 En a puedes observar que el atleta corre 50 m en el intervalo de tiempo de t1 – t0, que equivale a 6 s. En b, la posición inicial del corredor se toma como un punto de referencia. El vector de desplazamiento indica la magnitud y señala un punto de referencia. El vector de desplazamiento indica la magnitud y dirección del cambio de posición del corredor durante los seis segundos del intervalo.

t1

t0 a)

0

10

20

30

40

50

70

80

90

100

x

60

70

80

90

100

x

t1

t0 b)

0

10

20

30

40

50

Metros

18

60

Metros

Bloque 1

Asigna el símbolo t0 al tiempo en que el atleta inicia y el símbolo t1 al tiempo en el que cruza la meta. La diferencia entre t0 y t1 es el intervalo de tiempo. Un símbolo común para el intervalo de tiempo es Δ t, donde la letra griega delta, Δ, se utiliza para representar un cambio o incremento de una cantidad. El intervalo de tiempo se define matemáticamente como: Δ t = t1 − t0 En la figura 1.13 se muestra que el intervalo de tiempo para los 100 m por los que debe desplazarse el corredor desde que inicia hasta la mitad de la carrera es de 6 s. ¿Cuál es el cambio en la posición del corredor al moverse desde el inicio hasta la mitad de la carrera? Si representamos la posición de un objeto mediante un vector, entonces el símbolo d puede usarse para representar la posición. La figura 1.13b muestra una flecha dibujada desde la posición inicial del corredor, d0, a la posición de 50 m del trayecto, d1. Esta flecha nos indica el desplazamiento vectorial y está representada por el símbolo Δ d. El desplazamiento es el cambio en la posición de un objeto y la magnitud del desplazamiento es la distancia (d) entre dos posiciones. Así, el desplazamiento del corredor desde d0 hasta d1 fue una distancia de 50 m; por eso la distancia es una cantidad escalar. ¿Qué sucedería si escogieras un sistema de coordenadas diferente? ¿Y si midieras la posición del corredor desde otro lugar? Los vectores de posición pueden cambiar, pero los vectores de desplazamiento se mantienen. Por ejemplo, frecuentemente utilizas el desplazamiento cuando estás observando el movimiento de un objeto porque el desplazamiento es el mismo en cualquier sistema de coordenadas. El desplazamiento de un objeto que se mueve de la posición d0 a d1 está dado por: Δ d = d1 – d0 El inicio del vector de desplazamiento señala la posición y la cabeza de flecha muestra la posición final. Observa en la figura 1.14a y en la figura 1.14b los dos diferentes cursos del eje de las x, que el desplazamiento es de Δ d, en el intervalo de tiempo 2 a 6 segundos no cambia, como se muestra en la figura 1.13c.

d0 d1

a)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20

10

0

x

d1 d0 b)

x

100

90

80

70

60

50

40

30

∆d

d0 d1

c)

d0

∆d

d1

d0

Figura 1.14 El desplazamiento del corredor (móvil) está dado por la sustracción de d1 – d0 (Δd), vale lo mismo en ambos sistemas de coordenadas.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

19

Conceptos de velocidad y rapidez ¿Has viajado alguna vez en autobús por la República Mexicana? Comenta con tus compañeros lo fabuloso que es recorrer hermosos paisajes y grandes distancias llenas de sorpresas, por lo característico de cada región. ¿Sabías que la distancia de la Ciudad de México a Oaxaca la recorre el autobús aproximadamente en seis horas, mientras que un avión hace el mismo recorrido en 35 o 40 minutos? ¿Por qué un avión recorre en menos tiempo la misma distancia que el autobús? El avión tarda menos tiempo en recorrer la misma distancia que el autobús porque se mueve con mayor rapidez. La rapidez de un objeto en movimiento es la distancia que recorre dividida entre el tiempo que tarda en recorrerla. La rapidez se puede calcular con la siguiente ecuación:

Figura 1.15 La rapidez que lleva el tren se calcula dividiendo la distancia recorrida entre el tiempo empleado en recorrerla.





Rapidez

∙

m = s

∙

Distancia (m) tiempo (s)

Por tanto, la unidad de rapidez es la unidad de distancia dividida entre la unidad de tiempo. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la distancia se mide en metros (m) y el tiempo en segundos (s). Como resultado, en el SI la rapidez se obtiene en m/s; sin embargo también podemos utilizar km/h y milla/h. La rapidez se representa con la letra s.

Actividad Resuelve en tu cuaderno lo que se pide: Calcula la rapidez de una nadadora que nada 100 m en 54 s. Un corredor completa los 400 m planos en 44.2 s. Los primeros 100 m planos los recorre en 11.3 s ¿En cuál de las dos carreras fue más rápido? Fundamenta tu respuesta.

El pasajero de un autobús viaja de Veracruz a la Ciudad de México una distancia de 433 km en 5.5 h. ¿Cuál es la rapidez del autobús? Ahora, en equipo de tres personas, comenten sus resultados y analicen sus diferencias, si es que existieron. Evalúen su trabajo y anoten en el cuaderno las dificultades que encontraron al resolver los ejercicios y cómo las superaron.

Rapidez promedio Si una competidora corre los 100 m planos en 10 s, probablemente no pueda mantener durante toda la carrera una rapidez de 10 m/s, considera que al inicio está inmóvil. Entonces ella tiene que empezar a correr cada vez más y más rápido, aumentando cada vez más su rapidez. Durante toda la carrera la rapidez de la competidora podría ser diferente de un momento a otro. Así, el movimiento de la competidora se describe mediante una rapidez promedio; en este caso de 10 m/s. La rapidez promedio se obtiene dividiendo el total de la distancia recorrida entre el tiempo que le tomó hacerlo.

Velocidad Si te agrada salir de excursión y caminar, es importante conocer en qué dirección deberás caminar para que puedas regresar sin problema. Es importante que además de saber la rapidez con te mueves, conozcas también la dirección en la cual te estás moviendo. La velocidad de un objeto es la rapidez y dirección de su movimiento; por esta razón algunos excursionistas utilizan un compás y un mapa; ambos le ayudan a

20

Bloque 1

determinar la velocidad que desean llevar. La velocidad se representa con las mismas unidades que la rapidez; pero como además incluye la dirección del movimiento, se le considera una magnitud vectorial v.



velocidad

∙

Distancia (m) tiempo (s)

m = s

∙

La velocidad de un objeto cambia si la rapidez o dirección del movimiento cambia, o cuando ambos cambian. Por ejemplo, imagina que un carro esta viajando a una rapidez de 60 km/h hacia el Norte y después dobla hacia la izquierda en una intersección y después continúa con una rapidez de 60 km/h. La rapidez del carro es constante a 60 km/h, pero la velocidad cambia de 60 km/h hacia el Norte a 60 km/h hacia el Oeste. ¿Por qué decimos que la velocidad del carro cambia cuando se detiene en la intersección?

1.2.4 Representación gráfica posición-tiempo Observa el ejemplo siguiente. Supongamos que estás viajando con tu familia en un automóvil como el de la gráfica 1.1 con destino a la siguiente población. De pronto observas el velocímetro y te das cuenta de que marca 80 km/h. Para no aburrirte decides anotar los cambios de velocidad cada hora, pero descubres que durante un lapso que dura 4 horas, el velocímetro marca la misma rapidez, 80 km/h. Si el automóvil durante ese tiempo lleva una velocidad constante. Para calcular la distancia que recorre en cuatro horas, tenemos: A

B

80 km

C

80 km

D

80 km

80 km

E

80 km

80 km 160 km 240 km

En 1 hora el auto recorre 80 km (punto B) En 2 horas el auto recorre 160 km (punto C) En 3 horas el auto recorre 240 km (punto D) En 4 horas el auto recorre 320 km (punto E)

320 km

Gráfica 1.1 Se mueve con una rapidez de 80 km/h.

Así, tenemos que: En 1 hora el auto recorrió: 1 × 80 km = 80 km En 2 horas el auto recorrió: 2 × 80 km = 160 km En 3 horas el auto recorrió: 3 × 80 km = 240 km En 4 horas el auto recorrió: 4 × 80 km = 320 km La distancia total recorrida por el auto en el tiempo dado fue de 320 km. Por lo tanto, en este movimiento la distancia que recorre un móvil en un tiempo determinado se puede calcular con la fórmula: d=t⋅v La distancia en el movimiento rectilíneo uniforme es igual al producto de la magnitud de la velocidad por el tiempo.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

21

Actividad Resuelve y grafica los ejercicios siguientes: 1. Raúl se sube a una patineta. Si parte del punto de reposo y recorre 5 metros cada segundo llevando una trayectoria rectilínea, ¿qué distancia recorrió durante 6 segundos? Completa la tabla de registro. Con los datos obtenidos en la tabla de registro construye la gráfica de la distancia-tiempo. Reflexiona y observa que si se divide la distancia que Raúl recorre entre el tiempo que utilizó en desplazarse, se obtiene el valor de la rapidez que lleva. El resultado de los valores anotados en la recta puede registrarse en la tabla siguiente: Tabla de registro Distancia (m)

d (m)

t (s)

Gráfica 1.2 Relación distancia-tiempo.

Fundamenta tus respuestas: 1. Supongamos que un móvil recorre una distancia de 300 km en un tiempo de 4 horas. ¿Cuál es la magnitud de la velocidad?



Puntos

Tiempo (s)



A

0



B

1



C

2





D

3



E

4



F

5



G

6

Puntos

Tiempo Distancia



a) ¿Qué distancia recorre Raúl con su patineta en 3 segundos? b) ¿Cuánto tiempo pasa si recorre 25 metros? c) ¿Qué rapidez lleva cuando han transcurrido 5 segundos? d) ¿Qué clase de movimiento lleva el móvil? e) ¿Con esta gráfica de posición-tiempo podrías demostrar la velocidad? Argumenta tu respuesta.

(km)

A

1

75



B

2

150



C

3

225



D

4

300

Analiza la gráfica e indica: a) Describe la trayectoria del móvil en la gráfica. b) Investiga qué clase de movimiento lleva el móvil. c) Determina su rapidez (magnitud de la velocidad). y 300 distancia (km)

Con los valores registrados en la tabla, puedes construir una gráfica, en la que representas en el eje vertical (ordenada) la distancia recorrida expresada en metros (m), y sobre el eje horizontal (abscisa) el tiempo expresado en segundos. Con la ayuda del profesor, contesta lo siguiente:

(h)

D

225

C

150 75 0

B A 1

2 3 tiempo (h)

4

x

Gráfica 1. 3 El cambio regular de posición muestra que este móvil se mueve con una rapidez constante.

¿Cómo podemos comprobar experimentalmente el movimiento rectilíneo uniforme?

22

Bloque 1

Actividad

Movimiento rectilíneo uniforme

¿Qué se necesita? Cronómetro, cinta adhesiva sobre la que puedas marcar, bolígrafo y canica o balín. ¿Cómo hacerlo? 1. Pega en el suelo una tira de cinta adhesiva (o alguna otra cinta en la que puedas marcar) que



Distancia (cm)

Tiempo (s)

mida entre 2.5 y 3 metros, rueda suavemente una canica o balín a lo largo de la cinta, le tomará entre 5 o 6 segundos cubrir la distancia. Ahora rueda la canica y haz una marca por donde pasa en cada segundo. 2. Repite esta medida tres o cuatro veces y calcula el valor promedio de las distancias obtenidas, realizando el mismo procedimiento para cada uno de los tiempos señalados. 3. Elabora tu tabla de valores y representa gráficamente la distancia frente al tiempo transcurrido.

Rapidez media cm s

1 2

distancia (cm)

¿Para qué lo hacemos? Para comprobar experimentalmente la relación que existe entre el desplazamiento de un cuerpo y el tiempo que tarda en hacerlo, cuando su movimiento es rectilíneo uniforme.

3 tiempo (s)

4

Gráfica 1.4 Movimiento rectilíneo uniforme.

5 Para concluir: 1. ¿Cómo es la gráfica resultante? 2. ¿Se puede afirmar que este movimiento, además de rectilíneo, es uniforme? Fundamenta tu respuesta.

3. Comenta y discute tus resultados y conclusiones con tus compañeros y, con la ayuda de tu maestro, elaboren una conclusión final que escribirán en el pizarrón y en su cuaderno.

1.3 Un tipo particular de movimiento: el movimiento ondulatorio Cuando lanzamos una piedra sobre una superficie de agua que está en reposo, se produce una perturbación que se propaga en forma de círculos concéntricos. El agua no se mueve en la dirección en que avanza la onda, sino que solamente se agita a su paso en forma vertical (figura 1.16). Esto se comprueba si sobre la superficie se coloca un objeto pequeño, como un pedazo de corcho. El corcho adquiere un movimiento oscilatorio, ya que se observa

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

Figura 1.16 Cuando se perturba la superficie del agua, se forman ondas que se propagan en círculos.

23

a

b

c

d

Figura 1.17 Ondas transversales.

a Figura 1.18 Elongación del movimiento oscilatorio.

b

como sube y baja al ser afectado por la perturbación, pero cuando el agua ya no se mueve, el corcho queda en el lugar en que se encontraba. El movimiento que realiza el corcho se llama movimiento oscilatorio (figura 1.17). Figura 1.19 Movimiento vibratorio De un resorte (muelle) suspendido verticalmente se cuelga un de una lámina de metal. objeto pesado (figura 1.18). El resorte se estirará hasta ejercer una fuerza igual y de sentido contrario al peso del cuerpo, por lo tanto, el sisteGlosario ma quedará en equilibrio. Ahora estira el resorte con el objeto hacia abajo 3 cm y suéltalo (figura Movimiento ondulatorio: Las ondas pueden trans1.18); observa que el resorte adquiere un movimiento de vaivén. A este momitir energía a través de la vimiento de vaivén que realiza el cuerpo se le da el nombre de movimiento materia, como en el caso oscilatorio. de una perturbación. Las oscilaciones de un resorte y las vibraciones de una lámina de metal Onda transversal: formada o de una regla de plástico que se sujeta por un extremo (figura 1.19) son por las partículas del meejemplos del movimiento oscilatorio. dio en el que se propaga, Existen muchas clases de ondas, aun las ondas que no puedes ver; pero que las ondas transversales vibran en forma perpenpercibes con otros sentidos; como las ondas sonoras y las ondas luminosas. dicular a su dirección de Tipos de Ondas. Las ondas se agrupan tomando en cuenta la clase de propagación. movimiento que producen en el medio en el que se generan, de acuerdo a Onda longitudinal: la dirección en la que se propagan las ondas pueden ser: formada por las partículas del medio en el que se propaga, las ondas longitudinales vibran en forma paralela a su dirección de propagación.

Ondas transversales y ondas longitudinales

En el movimiento ondulatorio que se presenta en la figura 1.20, los puntos del resorte vibran hacia arriba y hacia abajo, mientras se propaga la onda hacia la derecha. A esta onda se le llama onda transversal. La propagación transversal de las ondas se puede realizar en una cuerda, en un resorte, en una manguera, etcétera. Si movemos el resorte hacia adelante y hacia atrás, se tendrá un movimiento oscilatorio en la dirección del mismo resorte. Veremos que la perturbación da lugar a una serie de compresiones y expansiones que se propaP P P 2 1 gan a lo largo del resorte; a ésta se le conoce como onda Onda transversal Onda longitudinal longitudinal. Onda transversal

P 2

P

24 Ondas transversales

Bloque 1

Ondas transversales

Figura 1.20 Tipos de onda.

P

P 1

Onda longitudinal

P 1

Onda longitudinal

P 2

Ondas transversales

Características de una onda En la figura 1.21 se representa gráficamente una onda, al punto más alto se le denomina cresta y al punto más bajo, valle. La línea recta punteada representa la posición inicial, o el punto medio de la vibración. La longitud de onda es la distancia entre dos crestas o dos valles. Longitud A la máxima elongación que puede alde onda canzar un cuerpo, o a la distancia entre la posición más alejada y su posición de equilibrio, se le llama amplitud (figura 1.21). El tiempo que transcurre entre dos crestas sucesivas que pasan por el mismo punto en el espacio se llama periodo del movimiento (y se representa con la letra T mayúscula).

1.3.1 Relación de longitud de onda y frecuencia La rapidez de repetición de una vibración se determina por su frecuencia. La frecuencia de un objeto fijo a un resorte, indica la cantidad de vibraciones que realiza en un tiempo definido (comúnmente es un segundo). Si el extremo de la lámina de plástico (figura 1.19) va de a a b y luego regresa a a significa que ha hecho una vibración completa de ida y vuelta, efectuándolo 7 veces en un segundo, la frecuencia de este movimiento será f = 7 ciclos/segundo. La unidad de ciclo/segundo (ciclos/s) se llama hertz (hz). Por lo tanto, la frecuencia de la regla es:  f = 7 hz. Así que si la regla realiza 7 vibraciones en 1 segundo, el tiempo que tarda en realizar una vibración es de 0.14 s, es decir, que su periodo T es:

T=

1s 7

o bien, T = 0.14 s (se considera un valor aproximado)

Si la frecuencia es de f oscilaciones cada segundo, el tiempo utilizado en cada oscilación será: 1/f de segundo. Este tiempo corresponde al periodo T, así que tendremos: 1 T= f

Longitud de onda ( λ) En la representación gráfica de la figura 1.21 podemos observar más detenidamente cómo se forma una onda y su desplazamiento, por ejemplo, si atamos el extremo de una cuerda en un poste y agitamos con la mano el otro extremo. Al mover el extremo libre rápidamente hacia arriba y hacia abajo, se produce solo una perturbación denominada pulso a lo largo de la cuerda; también podemos producir una perturbación continua, formando varias ondas en la cuerda. Ya sabemos que el intervalo de tiempo de la oscilación es el periodo T de la onda. Durante este espacio de tiempo la onda se propaga en la cuerda con una rapidez constante v, recorriendo cierta distancia, a la que se llama longitud de onda, y se representa con la letra griega lambda (λ).

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

Figura 1.21 Representación gráfica de las características de una onda

Glosario Frecuencia: número de crestas u oscilaciones completas por segundo que efectúa un objeto y se representa con la letra f. Elongación: distancia que existe entre la posición que ocupa el objeto en un momento dado y la posición de equilibrio. Movimiento oscilatorio: movimiento repetitivo de un objeto que recorre el mismo camino de ida y vuelta. Amplitud (A) del movimiento: distancia entre la posición de equilibrio y la posición extrema ocupada por un objeto que oscila. Hertz: unidad de frecuencia equivalente a un ciclo por segundo. Posición de equilibrio: se dice que un objeto se encuentra en posición de equilibrio cuando se encuentra en reposo; en la figura 1.19 la posición de equilibrio está dada por la línea AB.

25

Si la onda se propaga con una rapidez constante tenemos: λ = v ⋅ T y como T =

1 f

, se tiene: λ = v ⋅

1 f

M , donde λ=

v f

Por lo tanto, la longitud de onda es la distancia que recorre la onda durante un periodo T, siendo s la rapidez de propagación f pequeña de la onda y f su frecuencia.

M

M

f pequeña

f grande

Figura 1.22 Representación gráfi ca del movimiento de una onda.

Ejemplo: En alta mar, las ondas, cuya longitud de onda es de 48 m, avanzan a una M rapidez de 8.2 m/s. ¿Cuáles son su frecuencia y su periodo? Solución: Aplicando la ecuación de propagación de las ondas se obtiene: f grande

f =

8.2 m v s = 0.17 s −1 = 0.17 Hz = λ 48 m T =

1 1 Hz = 5.88 s = 0.17 f

Es conveniente mencionar que lo correcto es referirse a la rapidez del sonido y no a la velocidad, aunque es muy común escuchar lo anterior respecto a la luz y el sonido. Resuelve en tu cuaderno los siguientes ejercicios. a) ¿Cuál es la longitud de onda de un sonido de 440 Hz? Asume que la rapidez del m sonido es de 340 s .

b) Calcula la frecuencia ( f) y el periodo (T) de una emisora de radio que emite en una longitud de onda de 20 m. La rapidez de las ondas de radio en el aire es de km 300 000 s . c) Calcula la longitud de onda de un sonido de 261.6 Hz. La rapidez del sonido es m de 343 s .

Velocidad de propagación (v) ¿Podrías definir lo que es el sonido? ¿Conoces la forma en que se propaga? ¿Cómo se propaga a través de los sólidos, el agua y el aire? ¿Cómo diferenciamos los sonidos musicales del ruido? ¿Cómo has aprendido la mayor parte de lo que conoces? Si pones un poco de atención al modo en que has obtenido muchos de los conocimientos que posees, te darás cuenta de que una gran parte de ellos los obtuviste por medio del sentido del oído, o sea, por medio de sonidos. El sonido es de gran importancia en nuestra vida, ya que gran parte de lo que hemos aprendido ha sido a través

2

Bloque 1

de sonidos, cuando escuchamos a nuestros familiares, maestros, amigos, percibimos el sonido en forma de ondas. No solamente se aprende algo cuando se escucha, pues también nos valemos del sonido para divertirnos: escuchar la radio, discos, la televisión; además, es necesario escuchar cuando deseamos distinguir algún ruido que se produce de manera natural (el trueno, el ruido del viento en su movimiento, el agua del mar o de un río). Para conocer la velocidad con que se propaga el movimiento ondulatorio se mide el tiempo t transcurrido desde que un punto comienza a vibrar por efecto de la onda, hasta que lo hace otro punto situado a una distancia x del primero. El cociente de x/t es la velocidad de propagación de la onda.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar cómo es la velocidad de las ondas en diferentes medios ¿Qué se necesita? 25 péndulos de material ligero (unicel), varilla de cualquier material, tres o cuatro líquidos diferentes: aceite, agua, glicerina, dos soportes con pinzas y cuatro cubas de ondas, son tanques de agua u otro líquido como aceite, también puedes utilizar una charola u otro recipiente. ¿Cómo hacerlo? 1. Arma el dispositivo como lo indica la figura 1.21.

Figura 1.23 Desplazamiento longitudinal.

2. Al primer péndulo, aplícale un movimiento perpendicular al conjunto. a) ¿Qué les pasa a los demás péndulos? b) ¿Cuál es el resultado de este movimiento? 3. Con los péndulos en reposo, mueve nuevamente el primer péndulo hacia la izquierda (ve la figura 1.21). Observa lo que sucede (figura 1.22). Explica lo que observaste. 4. Coloca las cuatro cubas de ondas sobre la mesa de trabajo. 5. Con mucho cuidado y registrando los datos, vierte un líquido distinto en cada una de las cu-

bas; la superficie libre del líquido debe quedar en reposo.

Expansión

Compresión

Expansión

Figura 1.24 Desplazamiento transversal.

6. Con la punta de un lápiz, aplica un golpe ligero en el centro de la superficie del líquido. a) Explica lo que sucede cuando aplicas la perturbación a la superficie de los líquidos. b) Indica cómo es la velocidad de propagación en los diferentes líquidos. c) Escribe en qué líquido la onda se desplaza con mayor velocidad y en cuál lo hace con más lentitud. • Mayor velocidad • Menor velocidad 7. Coloca un pedazo de corcho en el centro de la perturbación de cada líquido. a) ¿Cuál es el periodo de la onda? b) Describe el movimiento del corcho mientras la onda pasa por él. c) ¿Cuántas vibraciones por segundo efectúa el corcho? d) ¿Cuál es la velocidad de propagación de la onda? 8. Realiza la misma actividad con cada uno de los líquidos y utiliza el cuadro para anotar tus respuestas en cada caso.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

27

Aceite

Agua

Glicerina

Otro

Periodo Frecuencia Velocidad Para concluir: Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones de-

talladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados.

Actividad

Vibraciones como fuentes de sonido ¿Para qué lo hacemos? Para conocer dónde se propaga el sonido. ¿Qué se necesita? Dos globos, agua, un reloj, un martinete con cabeza de goma, un diapasón (puedes comprarlo en una ferretería), una varilla metálica y una copa con agua.

Figura 1.25 El sonido proviene de los cuerpos que vibran.

¿Cómo hacerlo? 1. Infla una pelota y sostenla junto a tu oído. Apoya el reloj sobre la pelota. a) ¿Escuchas algún sonido? b) ¿Cuál? 2. Llena con agua la otra pelota y repite la experiencia. a) ¿Afecta el agua al sonido? b) ¿Es más fuerte o más suave? 3. Con la cabeza del martillo de goma golpea levemente el diapasón y pon atención para ver si escuchas algún sonido. Golpea otra vez el diapasón y apóyalo sobre la varilla de metal. a) ¿Hubo alguna diferencia en los sonidos? b) ¿Cuál? 4. Nuevamente golpea el diapasón y apóyalo sobre la copa con agua. a) ¿Qué sucede? b) ¿Hubo diferencia con los casos anteriores? c) Descríbelas. 5. ¿Dónde y por qué viaja más rápido el sonido? Para concluir: Elabora tu reporte de lo sucedido en la práctica.

Los fenómenos sonoros están relacionados en alguna forma con las vibraciones de los objetos, ya que siempre que escuchamos un sonido proviene de algún objeto que está en vibración y que genera este fenómeno. Por ejemplo, si al hablar o cantar te colocas dos dedos sobre la garganta, podrás percibir las vibraciones de tus cuerdas vocales.

28

Bloque 1

E E C E C EC E C E C C B

A

Membrana del tímpano

Figura 1.26 Transmisión del sonido. Al golpear la campana, ésta vibra de A a B, lo que produce en el aire que la rodea, alternativamente, compresiones C y expansiones E. Las compresiones y expansiones corresponden a las crestas y valles de una onda, las cuales se transmiten hasta que llegan a la membrana del tímpano, a la que también hacen vibrar; estas vibraciones afectan al nervio acústico, el cual hace llegar la sensación de sonido al cerebro.

Las vibraciones emitidas por los cuerpos se producen durante un tiempo determinado. A medida que las ondas sonoras se propagan a través de un medio, transportan sonido debido a que se transmite por medio de ondas, las que se desplazarán (de la guitarra o violín a nuestro oído) en un intervalo de tiempo definido.

Glosario Sonido: desplazamiento de las ondas sonoras durante su propagación en cualquier medio material, excepto en el vacío (lugares donde no existe un medio de propagación). El sonido se propaga en medios sólidos, líquidos y gaseosos.

Figura 1.27 Al vibrar cualquier cuerpo, origina ondas que al llegar a nuestro oído producen sensaciones sonoras o auditivas.

P1

P P2

λ

Figura 1.28 Las ondas sonoras se propagan en un medio material que puede ser sólido, líquido y gaseoso.

El sonido se transmite en los cuerpos sólidos como los metales, madera, vidrio, papel, suelo, porcelana, entre otros. Por ejemplo, cuando una persona canta o habla, el sonido que produce es transmitido por las vibraciones de sus cuerdas vocales; cuando tocamos una flauta o un pedazo de metal, estos cuerpos vibran y emiten sonidos. También se puede oír a través de los líquidos. Un nadador bajo el agua percibe con claridad el ruido del motor de una lancha.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

29

a)

b)

Figura 1.29 El sonido se transmite a través de los sólidos, líquidos y gases ya que pueden propagar las vibraciones.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar que la vibración de los cuerpos produce ondas sonoras. ¿Qué se necesita? Un globo, un tubo de cartón chico (del rollo de papel sanitario), un trozo pequeño de papel, una lámpara o linterna, un pliego de cartoncillo o cartulina, tijeras, una liga, un trozo de aluminio y pegamento. ¿Cómo hacerlo? 1. Corta el cuello del globo y colócalo sobre uno de los extremos del tubo. Amárralo con la liga. 2. Pega el trozo de aluminio en el globo, ilumina el papel aluminio de tal modo que se vea un cuadro de luz reflejado sobre el cartoncillo, como se indica en la figura 1.30. 3. Cada uno de los integrantes del equipo hablará por el extremo abierto del tubo. a) ¿Qué observas sobre el cartoncillo? b) ¿Qué son las rayas u ondas que se reflejan en la pantalla? c) ¿Son siempre iguales? d) ¿A qué se debe? Para concluir: Elabora un reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas sobre la importancia de percibir las ondas sonoras.

30

Bloque 1

Figura 1. 30 Elementos para percibir la vibración de ondas sonoras.

Ya mencionamos que el sonido es todo aquello que puede ser percibido por el oído. La acústica es la parte de la física que tiene por objeto el estudio del sonido. El sonido se produce por la vibración de un cuerpo elástico. El sonido se propaga por ondas que se difunden a través de sólidos, líquidos y gases, similares a las ondas que se forman en el agua cuando le arrojamos una piedra o le causamos alguna perturbación. El sonido no se puede propagar en el vacío. Todo lo que suena está vibrando. Los sólidos y los líquidos Figura 1.31 Los líquidos son capaces de conducen mejor las ondas sonoras que los gases, ya que se proconducir las vibraciones, lo que permite oír pagan a mayor velocidad (figura 1.31). bajo el agua. En el aire, el sonido se transmite con menor rapidez que en los sólidos y los gases. Por ejemplo, si se introduce un serrucho en un corte hecho en un trozo de madera, se dobla y luego se suelta, la hoja del serrucho vibrará. Si únicamente introducimos la punta, el serrucho oscilará suavemente produciendo un sonido grave; pero a medida que se introduce más profundamente en el trozo de madera, serán más rápidas las oscilaciones y más agudos los sonidos que producirá (figura 1.32).

Figura 1.32 El sonido que produce una hoja de serrucho al vibrar depende de la rapidez con que oscila. Sin embargo, ésta depende de la longitud de la hoja que vibra. Cuanto más corta es la hoja, más rápidas son las vibraciones y más agudo será el sonido.

¿Por qué ninguna persona es capaz de percibir algunos de los sonidos que emiten los murciélagos? Como algunos sonidos son de alta frecuencia (ultrasonidos), por ejemplo el del murciélago, y otros muy altos, nuestros oídos no pueden percibirlos ya que son capaces de oír entre los 20 Hz hasta los 20 000 (que son sonidos muy altos, como los de las sirenas de las ambulancias).

Variaciones de presión en una onda de sonido

Ya mencionamos que las ondas sonoras se producen en un foco emisor (un Glosario diapasón, la cuerda de una guitarra, las cuerdas bucales, etc.) que comienBomba de vacío: mecaza a vibrar y transmite esa vibración a las partículas que forman el cuerpo nismo que está diseñado sonoro. Por ejemplo: para extraer normalmente Si colocamos un reloj despertador dentro de una campana de vidrio y el aire que se encuentra dentro de un recipiente. lo ponemos a funcionar, el sonido se escucha perfectamente. Pero si extraemos el aire de la campana mediante una bomba de vacío, el sonido se deja de escuchar (figura 1.33). El diagrama de la figura 1.34 nos representa de manera simplificada lo que sucede en las moléculas del aire (en las bandas de colores cercanas al diapasón que se encuentre vibrando). Se observan también gráficas de las variaciones de presión correspondientes. Al propagarse el sonido a través de las moléculas que conforman un gas se tienen zonas en donde las moléculas se aglutinan o se reúnen, es decir, que se comprimen, y otras zonas en donde las moléculas se separan, es decir, que se presenta una rarefacción.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

31

a)

b)

Figura 1.33 El sonido no se transmite en el vacío. El sonido producido por el despertador se percibe en el exterior mientras la campana contenga aire (a), al extraerlo ya no se percibe (b).

Glosario Presión: es el cociente de la magnitud de la fuerza entre el área de aplicación. Conoce más consultando la página 207 en el bloque 3 de este libro.

Observa la figura 1.34 y verás que en las zonas donde se presentan las compresiones la presión es alta (se indica en color azul) por la cantidad de moléculas reunidas, y en las zonas donde se presentan rarefacciones la presión es baja (indicada en blanco). Por lo tanto, una onda sonora presenta variaciones de presión según sea el medio de propagación. En nuestro ejemplo es el aire.

Compresión

a)

b)

Presión alta

Enrarecimiento

Presión baja

Figura 1.34 Una onda sonora forma una serie de compresiones y enrarecimiento alternados en el medio en que circula. El diagrama constituye una representación gráfica de lo que ocurre en las moléculas de aire (en las bandas de colores) próximas al diapasón vibrante con gráficas de las variaciones de presión correspondiente.

Características de una onda sonora 1. Longitud de onda. Es la distancia entre dos crestas o dos valles sucesivos (B, O), si B está en la parte superior que corresponde a la primera cresta; O se encuentra en la parte superior que corresponde a la segunda cresta. 2. Nodo. Cada uno de los puntos de una cuerda vibrante que permanecen inmóviles (N). 3. Elongación. Es cualquier perpendicular trazada de un punto de onda a la línea de equilibrio (A, G). 4. Amplitud de onda. Es la máxima elongación (h). 5. Cresta. Es el frente de la onda, de amplitud positiva (O). 6. Valle. Es el frente de la onda, de amplitud negativa (F).

32

Bloque 1

M B

O

h A N G Figura 1.35 Características de una onda.

F

Actividad 1. En un terremoto se producen ondas longitudinales y ondas transversales. Las primeras atraviesan el centro de la Tierra, mientras que las segundas no. a) ¿Qué te sugiere este comportamiento?

b) ¿Puedes hacer alguna afirmación sobre la composición del centro de la Tierra? 2. Comparen sus respuestas y después de que las evalúen guárdenlas en un portafolios (carpeta).

Velocidad de propagación Sabemos que la luz y el sonido viajan con diferente rapidez. Si has observado una tormenta eléctrica, te habrás dado cuenta de que el sonido tarda más tiempo en llegar hasta el observador, es decir, que la luz del relámpago y el ruido del trueno, aunque se originan al mismo tiempo, se ve primero el relámpago y luego se escucha el trueno; en otras palabras, siempre hay un espacio de tiempo entre la visualización luminosa y la audición del trueno, lo que indica que la diferencia se relaciona directamente con la velocidad de propagación. Si el sonido recorre 340 m cada segundo, es posible calcular a qué distancia se encuentra la tormenta del observador (figura 1.36). Los primeros intentos por medir la rapidez del sonido de los que se tiene conocimiento los realizaron en 1640 Marin Mersenne, científico de origen francés, y los científicos italianos Giovanni Borelli y Vincenzo Viviani en 1656.

Figura 1.36 Se puede calcular la distancia a la que se encuentra una tormenta del observador, si se toma el tiempo que tarda en llegar el trueno, pues el sonido recorre 340 m/s.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

33

Conforme ha pasado el tiempo, los físicos han mejorado los métodos para efectuar la medición de la rapidez del sonido. Entre las más recientes y tal vez las más exactas mediciones, están las hechas por Dayton C. Miller, físico estadounidense, en 1934. Miller utilizó los cañones de la defensa costera de Estados Unidos como fuente sonora y puso receptores a cierta distancia. Luego de cálculos muy exactos determinó que la rapidez del sonido tenía el valor de 331 m/s a la temperatura de 0 °C. Todas las ondas sonoras se propagan a una rapidez uniforme a temperatura constante. Por ejemplo, la rapidez del sonido en aire seco, a 20 °C, es de 340 m/s. Existen algunos medios de propagación con diferente densidad y temperatura que transmiten el sonido con más rapidez que otros. Uno de los factores que alteran la rapidez del sonido es la temperatura que es el grado de calor de un objeto. La rapidez del sonido en el aire se altera debido a los cambios de la temperatura. La rapidez aumenta 0.61 m/s por cada grado centígrado que se incrementa la temperatura en el aire. Esta relación se expresa de la siguiente forma: v = v0 + it Así, v0 corresponde a la rapidez del sonido en m/s a 0 °C; i es el aumento que experimenta la velocidad por cada grado centígrado (0.61 m/s por °C) y t equivale a la temperatura del aire en grados centígrados (°C). Ejemplo: Un niño se encuentra a 3 500 m de un barco y percibe la explosión de un cañón; si la temperatura es –18 °C, ¿cuál es la rapidez del sonido? ¿Cuánto tiempo tarda el niño en escuchar el sonido del disparo del cañón? Para calcular la rapidez con que se desplaza el sonido a –18 °C, se sustituyen los valores en la expresión v = v0 + it v0 = 331 m/s La rapidez se determinará: m m + 0.61 × ∙−18 °C∙ s s °C m m + −10.98 °C v = 331 s s °C m m m −10.98 = 320.02 v = 331 s s s

∙

v = 331

∙

∙

∙

Como el sonido viaja a velocidad constante, para calcular el tiempo que tarda en escucharse el sonido, utilizamos la expresión: v =

d t

t =

d v

Despejamos el tiempo:

Sustituyendo los valores, tenemos: la distancia es = 3 500 m y la velocidad es 320.02 m/s t =

34

Bloque 1

3 500 m m 320.02 s

= 10.93 s

El tiempo que tarda en llegar el sonido a donde se encuentra el niño es de 10.93 s. Resuelve en tu cuaderno el siguiente ejercicio. Un día la temperatura del aire es de 28 °C y se deja caer una piedra al pozo de una mina de 250 m de profundidad. ¿Cuánto tiempo después se escuchará el impacto de la piedra en el fondo? Toma en cuenta el tiempo de caída y recuerda que la velocidad del sonido a 0 °C es de 331 m/s.

2. El trabajo de Galileo: una aportación importante para la ciencia 2.1 ¿Cómo es el movimiento de los cuerpos que caen? 2.1.1 Experiencias de la caída libre de los cuerpos ¿Sabes qué movimiento realizan los cuerpos al caer? ¿Qué factores intervienen en ese movimiento? ¿Cuál es la rapidez de los cuerpos al caer?¿Cómo se representa gráficamente este movimiento? Uno de los hechos que observas con más frecuencia es la caída de los cuerpos, por ejemplo la caída de las hojas de los árboles, de la fruta madura, de una pelota que lanzas hacia arriba, tus lápices o gomas que se caen de la mesa. Para nosotros es un movimiento normal el que realizan los cuerpos al caer. Empezaremos por relacionarnos con historia, en cuyas clases habrás estudiado algo de la obra del gran filósofo griego Aristóteles (384-322 a.n.e.), que vivió aproximadamente 300 años antes de nuestra era (a.n.e.) (figura 1.37), quien propuso explicaciones sobre lo que sucedía en la naturaleza, considerando las observaciones que hacía de las experiencias cotidianas y sus razonamientos, aunque no se preocupaba por comprobar sus afirmaciones. Aristóteles formuló su teoría sobre la caída de los cuerpos afirmando que los más pesados caían más rápido que los más ligeros. Esta teoría fue aceptada durante varios siglos hasta que Galileo realiza un estudio más cuidadoso sobre el movimiento de los cuerpos al caer.

Figura 1.37 Busto de Aristóteles.

Actividad

Caída libre ¿Para qué lo hacemos? Para investigar si la masa y la forma de los cuerpos son factores que influyen en la rapidez de la caída libre. Nota: Para llevar a cabo esta actividad es conveniente formar equipos de tres a cinco integrantes. ¿Qué se necesita? Dos pedazos iguales de papel (hojas), pelotas del mismo material y de tamaños diferentes (esponja, hule, unicel), dos o tres cronómetros, libreta y lápiz.

¿Cómo hacerlo? 1. Un(una) alumno(a) toma las hojas de papel, sube a una silla y suelta las hojas simultáneamente y a la misma altura. Otros dos o tres compañeros(as) registrarán el tiempo de caída, con ayuda de los cronómetros, y otro anotará los datos en una libreta. Es conveniente repetir la experiencia tres o cuatro veces, promediando para obtener un valor medio. Anota tus observaciones.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

35

2. Arruga uno de los papeles hasta formar una bola y déjalos caer simultáneamente. Anota tus observaciones. 3. Ahora repitan la experiencia utilizando las pelotas. ¿Cuál de las pelotas llegó primero al piso? ¿Afecta la forma o la masa de los cuerpos a la caída libre? ¿Puedes explicar a qué se debe?

Material

Para concluir: 1. Con la ayuda del maestro comenten y discutan los resultados de sus observaciones. Comparen las conclusiones y los resultados obtenidos en cada equipo. a) ¿Cuáles son semejantes? b) ¿Cuáles son diferentes? 2. Comenten y discutan la importancia de la experimentación y la medición en este fenómeno. 3. Entre todos elaboren una conclusión grupal que escribirán en el pizarrón y en su libreta.

Tiempo de caída en segundos

Esponja Hule Unicel Hojas extendidas Hojas arrugadas Promedio:

Galileo se percató de que para avanzar en el estudio del movimiento de los cuerpos que caen, los efectos del aire o del agua, el medio a través del cual caen, debían ignorarse. Al dejar caer algún objeto desde cualquier altura, su rapidez de partida o inicial es cero; pero al ir cayendo se incrementa de manera constante, por lo que se considera como un movimiento uniformemente acelerado con una aceleración de 9.8 m/s2 , que es el valor de la aceleración de la gravedad superficial de la Tierra (gráfica 1.5).

El cuerpo cae desde aquí Después de un segundo

Gráfica 1.5 Representación de la rapidez en la caída.

36

Bloque 1

0

m s

Rapidez m 9.81 s

Después de dos segundos

Rapidez 19.62 m s

Después de tres segundos

Rapidez m 29.43 s

Galileo Galilei (1564-1642), uno de los científicos más importantes en la historia de la física, descubrió que el movimiento de la caída libre de los cuerpos cuando la resistencia del aire es lo suficientemente pequeña para no tomarse en cuenta, todos los objetos caen con la misma aceleración, la cual es invariable.. Esta aceleración es producida por la fuerza que ejerce la gravedad de la Tierra sobre los cuerpos, y se llama aceleración de la gravedad; se representa con la letra “g” y su magnitud es diferente en distintos puntos de la Tierra: en los Polos es igual a 9.83 m/s2, en el Ecuador es igual a 9.78 m/s2. Su dirección es hacia el centro de la Tierra. Todos los cuerpos caen con un movimiento uniformemente acelerado.

Figura 1.38 La aceleración de los cuerpos en caída libre varía con la latitud y la altura sobre el nivel del mar.

En la caída libre de los cuerpos la distancia corresponde a la altura y se representa por la letra “h”. La aceleración se debe a la fuerza de gravedad, g, y es distinta en diferentes partes de la Tierra (figura 1.38).

Aceleración de la gravedad Al nivel medio del mar

9.81 m/s2

En la Ciudad de México

9.78 m/s2

En el Polo Norte

9.83 m/s2

En Groenlandia

9.82 m/s2

En Canadá

9.80 m/s2

En el Ecuador

9.78 m/s2

El valor que le atribuimos a la aceleración es de 9.8 m/s2. Observa que en la gráfica 1.5 la rapidez de un cuerpo que cae partiendo del reposo es coherente con la ecuación deducida por Galileo: Velocidad = aceleración × tiempo La velocidad ν de un cuerpo que cae desde el reposo después de un tiempo t, se puede expresar como sigue:

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

37

v = gt Analiza la gráfica y comprueba que la velocidad o rapidez instantánea en metros por segundo, corresponde a la aceleración g = 9.81m/s2 multiplicada por el tiempo t en segundos. Así, puedes constatar que un cuerpo al caer lo hace con una aceleración uniforme, puedes utilizar las siguientes ecuaciones: a=

vf − vo t

Si queremos obtener la magnitud de la velocidad final (vf), despejamos en la ecuación anterior: vf = v0 + a ⋅ t Sabemos que en la caída libre la aceleración se debe a la gravedad; por lo tanto, se sustituye a por g y tenemos: vf = v0 + g ⋅ t Donde v0 es la magnitud de la velocidad inicial y at es el incremento de la magnitud de la velocidad a medida que pasa el tiempo (t) debido a la aceleración de la gravedad. La fórmula de la distancia en el movimiento uniformemente acelerado es: d = d0 + v0t +

1 at2 2

d=

1 gt2 2

Para obtener la altura de un cuerpo en la caída libre, partiendo de la ecuación anterior habremos de sustituir d por h y a por g: 1 g ⋅ t2 2 Ejemplo: De camino a la escuela, Rafael se llevó un susto tremendo, pues cuando iba por la acera pasó cerca de un edificio en construcción y, de pronto, junto a él cayó un ladrillo que por poco lo golpea. Entonces lo relacionó con la caída libre de los cuerpos que estaba estudiando en la clase de física y se puso a resolver el siguiente problema: Un ladrillo se cae de lo alto de un andamio y llega al suelo en 5 segundos. ¿Qué rapidez lleva al llegar al suelo?, ¿cuál es su rapidez promedio durante los tres segundos?, ¿a qué altura del piso se encontraba el ladrillo al caer? h=

Solución: Datos conocidos: g = aceleración = 9.8 m/s2 t = tiempo = 5 segundos v0 = velocidad inicial = 0 m/s vf = velocidad que lleva al tocar el piso = ? vp = velocidad promedio durante los 3 segundos = ? h = altura que tenía antes de caer = ? Desconocemos el valor de la velocidad final, para obtenerla usamos la ecuación: vf = vo + g ⋅ t Ya sabemos que la velocidad inicial vale cero (v0 = 0). Despejamos la vf en la fórmula y nos queda: 38

Bloque 1

vf = g ⋅ t h=

1 g ⋅ t2 = ? 2

Si sustituimos los valores conocidos en las fórmulas, tenemos: A los tres segundos: m s2

vf =

vp =

v0 + vf

h=

2

29. 4 =

m 1 2 1 gt = 9.8 2 s 2 2

(

= 29.4

m s

m m + 0 s s = 19.7 m s 2 2

) (5 s) = 122.5 m

Rafael también se planteó la siguiente pregunta: ¿cuál será su rapidez y su posición cada segundo, durante los 5 segundos? Solución: Debido a que el cuerpo cae, su dirección es descendente. Ordenando los datos, tenemos:

v0 = 0 m/s



g = 9.8 m/s2



t = 1, 2, 3, 4 y 5 s



vf = ?



h = ? Al sustituir los valores para cada segundo, tenemos: m m m 0 0– 4 5– 4 5 s s s a = a = 3 s 3 s m m m 0 0– 4 5– 4 5 s s s a = a = 3 s 3 s

s m m = –15= –15 s2 s2 m s m m = –15= –15 s2 s2

mm mm mm 0 vf = 0 rapidez del ladrillo 9.8 2 –   4 15s =–9.84 5 s s m s s s s m = –15 2 = –15 2 a = a = 3 s 3 s s s mm mm mm 0 45 vf = 0 rapidez del ladrillo 9.8 2 –   4 25s =–19.6 ss m s s s s m = –15 2 = –15 2 a = a = 3 s 3 s s s

(

) (

))(

)

(

) (

(

(

))(

)

() () ( )

() () ( )

m

)

)

Efectuando una sustitución semejante para t = 3, 4 y 5 segundos obtendremos velocidades finales de 29.4 m/s, 39.2 m/s y 49.0 m/s, respectivamente. La posición o altura, en función del tiempo, se determina utilizando la fórmula: h=

1 g ⋅ t2 2

Al sustituir los valores conocidos, podemos calcular la distancia de caída del ladrillo. Después de transcurrido un segundo, el ladrillo ha caído una distancia:

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

39

m m m m 0 0– 4 5– 4 5 s s s s m m = –15= –15 a = a = 3 s 3 s s2 s2

() () ( )

)

Y después de 2 s:

(09.8ms m)s –  (4015mss ms)=–)4.9(45 2

a = 3 s

(

1 h= 2 a =

2

m s m m = –15 2 = –15 2 3 s s s

)

m m m m 0 0– 4 5– 4 5 s s s s m m = –15= –15 a = a = 3 s 3 s s2 s2

m mm 1 0 m m– 4 45 h= 9.8 2   0 25s 2 =– 19.6 2 s m s s s s m = –15 2 = –15 2 a = a = 3 s 3 s s De manera semejante, obtenemos 44.1 m, 78.4 m y 122.5 m para lass correspondientes distancias recorridas después de 3, 4 y 5 segundos.

) (

(

(

))(

)

() () ( )

)

Actividad Con la orientación de tu maestro, forma equipos de dos o tres personas y realiza lo siguiente:

¿Se puede afirmar que ese movimiento corresponde a la caída de un cuerpo? Fundamenta tu respuesta.

Registra los datos en una tabla de valores. Construye la gráfica de altura-tiempo.

Comenta y discute tus resultados y conclusiones con tus compañeros y, con la ayuda de tu maestro elaboren una conclusión final que escribirán en el pizarrón y en su cuaderno.

Para concluir. ¿Cómo es la gráfica resultante?

Actividad Para realizar esta actividad se sugiere que, con la orientación del maestro, formen equipos de tres o cuatro compañeros. 1. Una piedra que se deja caer desde un risco de gran altura llega al piso 10 segundos después. a) ¿Cuál es su rapidez después de 6 segundos? b) ¿De qué altura cae la piedra? 2. Partiendo del reposo, Marina suelta sus llaves a su hermano Sergio desde la ventana del edificio donde vive. Las llaves caen durante 3.5 segundos. a) ¿Qué posición ocupan en ese instante? b) ¿De qué altura caen las llaves? 3. Resuelvan los ejercicios de manera individual y después, con la orientación de tu maestro, formen equipos de tres o cuatro compañeros y comenten sus resultados. a) Una pelota de hule se deja caer del reposo. Encuentra su velocidad y posición después de 1, 2, 3, 4 y 5 segundos. Su aceleración hacia abajo es de 9.8 m/s2.

40

Bloque 1

b) Una pelota de beisbol arrojada verticalmente hacia arriba desde la azotea de un edificio alto tiene una rapidez inicial de 25 m/s. Calcula el tiempo necesario para alcanzar la altura máxima. Determina la altura máxima. Calcula su suposición y rapidez después de 2.5 segundos y a los cinco segundos. c) El tripulante de un globo aerostático que se eleva verticalmente con una rapidez de 6 m/s deja caer una bolsa de arena en el instante en que el globo se encuentra a 36 metros de altura sobre el suelo. Calcula su posición y la rapidez de la bolsa de arena (en relación con el suelo) después de dos y cuatro segundos. ¿Cuántos segundos después de haberla soltado tardará en llegar al suelo?, ¿con qué rapidez llegará al suelo? 4. Con la asesoría de tu maestro, los equipos comentarán los resultados de esta actividad para llegar a las conclusiones generales, que anotarán en su cuaderno.

2.1.3 Las aportaciones de Galileo: una forma diferente de pensar Glosario Nuestros conocimientos científicos se han incrementado aceleradamente. Durante los últimos 300 años el progreso de la ciencia ha permitido mejoExperimentar: establecer res condiciones de vida para muchos seres humanos gracias al desarrollo condiciones especiales que permitan estudiar y obserde la medicina, a la producción de alimentos, al uso de maquinaria para var los fenómenos con más las industrias química, farmacéutica, metalúrgica y a los adelantos en la sencillez que cuando se agricultura y en los medios de comunicación. presentan en la naturaleza y La ciencia recibió un gran impulso con los estudios realizados por Gacomprobar de esta forma la lileo Galilei (figura 1.39), quien comprobó que la observación de los fevalidez de una hipótesis. nómenos naturales y la experimentación eran elementos fundamentales para explicar los fenómenos de la naturaleza. A continuación mencionaremos algunos de los experimentos y hallazgos realizados por Galileo, así como algunas de sus publicaciones en relación con sus descubrimientos. Al observar los astros con su telescopio, Galileo concluyó que la Tierra gira en torno al Sol, lo cual quedó escrito en su obra Diálogos sobre los dos grandes sistemas del mundo, publicada en 1632. Galileo realizó algunos experimentos respecto a la caída de los cuerpos, percibiendo que dos cuerpos pueden caer al piso en forma simultánea, independientemente de su masa o del material del que estuvieran hechos. Fue el primer científico que utilizó metódicamente el telescopio, el cual perfeccionó, y así pudo hacer importantes descubrimientos astronómicos, entre los que destacan las lunas de Júpiter, las fases de Venus, las manchas solares, las montañas lunares y la rotación del Sol. Figura 1.39 Galileo fue el primero En 1610 publicó el Mensajero de las estrellas. en observar que en ausencia de Estudió el movimiento de los cuerpos. En 1618 publicó El ensayista. fricción todos los cuerpos caen a la Aportó las primeras ideas sobre el movimiento de los cuerpos, la ley de la Tierra con la misma aceleración. inercia y la acción que ejerce la fuerza de fricción en el movimiento. En 1638 publicó la obra Discurso y demostraciones matemáticas en torno a dos nuevas ciencias. En la época en que Galileo estudiaba la caída de los cuerpos se encontró con la oposición del clero y científicos que aún aceptaban las ideas de Aristóteles, quien consideraba que los cuerpos pesados caen más rápido que los ligeros, y que la velocidad de caída es proporcional al peso del cuerpo. Esta idea prevaleció durante casi dos mil años, hasta que Galileo realizó algunos experimentos en planos inclinados, que le permitieron obtener interesantes conclusiones como se verá más adelante. A pesar de todas las dificultades que tuvo que enfrentar, Galileo llegó a la siguiente conclusión: si desde una misma altura se dejan caer simultáneamente cuerpos ligeros y pesados, llegarán al suelo al mismo tiempo. Su conclusión se oponía a las concepciones de Aristóteles, quien basó sus teorías en el análisis lógico o filosófico sin realizar ningún experimento. Ya realizaste un experimento en el cual soltaste simultáneamente dos esferas desde la misma altura; enseguida repetiste la experiencia utilizando dos hojas de papel y en ambos casos observaste que la esfera más pesada cae con más celeridad, como indicaba Aristóteles. Lo que sucede se debe al efecto de la resistencia del aire sobre los objetos, ya que a mayor superficie la resistencia es mayor y retarda la caída de los cuerpos. Es parecido a lo que sientes cuando introduces un cuerpo en el agua, pues el agua ofrece resistencia a su desplazamiento. Esta resistencia es proporcional a la superficie que está en contacto con el aire al caer. Por ello la hoja de papel extendida tarda más en caer que la del papel arrugado. El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

41

w

Figura 1.40 Plano inclinado, en el cual (w) representa la fuerza de gravedad hacia el centro de la Tierra y (w’) representa la fuerza perpendicular al plano.

En cambio, si dejamos caer los cuerpos dentro de un tubo al que se le ha extraído el aire, observamos que todos caen en el mismo tiempo, como indicó Galileo. Por lo que su tesis solamente se confirma para los cuerpos que caen en el vacío, dado que en el vacío no hay resistencia al movimiento de los cuerpos al caer. Galileo suponía que las explicaciones de Aristóteles sobre el movimiento eran erróneas; en su hipótesis decía que la rapidez de los objetos no dependía de su peso. Al contrario de Aristóteles, no se conformó con observaciones cotidianas, sino que realizó experimentos con esferas de diferente peso para comprobar su idea. Galileo supuso que la rapidez en la caída de los cuerpos aumentaba de manera uniforme con respecto al tiempo. Pero en esa época no se inventaban aún los relojes exactos, por eso Galileo no pudo medir el tiempo exacto de la caída de los objetos. Construyó rampas lisas de madera y de metal e hizo rodar sobre ellas bolas metálicas; también utilizó un reloj de agua para medir el tiempo y así determinar la rapidez de caída. Midió para distintos intervalos de tiempo tanto la caída de las esferas como las distancias recorridas. Se dio cuenta de que la caída de las esferas se realizaba tan rápidamente que no era fácil estudiarla, pues los relojes de arena y de agua de su época no medían periodos de tiempo muy pequeños. Para resolver las dificultades, determinó rodar las esferas sobre una rampa, de aproximadamente seis metros de longitud, la que usó a distintas alturas. Observó que al colocar la rampa casi horizontal, las esferas rodaban muy despacio, y que lo hacían más rápidamente al ir aumentando la altura, hasta colocarla en forma vertical. Con el reloj de agua medía el tiempo empleado por las esferas en recorrer una distancia determinada conforme descendían. Este aparato consiste en un recipiente que se vacía a través de un tubo delgado en un vaso. Después de cada experiencia, Galileo pesaba el agua vertida en el vaso y comparaba esta medición con la distancia que la esfera se había desplazado. El método que desarrolló Galileo para estudiar los fenómenos de la naturaleza se conoce como método de investigación, observación directa y experimentación. Su forma de trabajo consistía en observar cuidadosamente los fenómenos y experimentar sistemáticamente, registrar las medidas y hacer análisis cuidadosos para obtener las conclusiones. Galileo dio a conocer su método cuando publicó sus investigaciones en wˈ sus libros. Mediante el plano inclinado (o rampa) se prolonga la duración del fenómeno y de esa forma se puede medir el tiempo con mayor exactitud (figura 1.40). Cuando se varía la inclinación del plano, la aceleración con que cae el objeto no es la misma, puesto que sobre el plano la aceleración no es toda la gravedad; sino que la fuerza de gravedad mg puede descomponerse en dos direcciones, una paralela y otra normal al plano inclinado. Observa en la figura 1.40 que la fuerza de gravedad (w) se dirige hacia el centro de la Tierra, en dirección hacia abajo. Pero si un cuerpo se desliza por el plano, existe una fuerza perpendicular al plano (w′). · Al variar la inclinación del plano el objeto caerá con distinta aceleración. · A menor inclinación (menor ángulo), menor será la aceleración. Galileo Galilei es un personaje muy importante para la historia de la ciencia, por haber aportado una nueva forma de proponer las explicaciones sobre los fenómenos físicos. Diseñó experimentos, llevó a cabo mediciones, organizó los datos y analizó los resultados para comprobar sus ideas y elaborar nuevos razonamientos.

42

Bloque 1

Actividad

Caída de los cuerpos ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar la rapidez de los cuerpos al caer por un plano inclinado. ¿Qué se necesita? Riel o carril o madera acanalada, cronómetro, balín o canica, cinta métrica y transportador.

¿Cómo hacerlo? 1. Coloca el riel o carril o madera acanalada formando un plano inclinado como lo indica la figura 1.41. Pide a tu maestro que ajuste la abertura del ángulo con el transportador para que la distancia recorrida en el primer segundo sea de 20 centímetros.

Móvil 0 2 0

40

60

80

100

120

140

160

cm 300

Figura 1.41 Plano inclinado para comprobar la caída de los cuerpos.

2. Con ayuda de la cinta métrica marca con gis divisiones en el carril cada 20 cm a todo lo largo del plano inclinado. 3. Ahora, suelta el móvil desde la parte alta del plano y con ayuda del cronómetro registra cada segundo la distancia que recorre. 4. Repite esta experiencia tres veces; con mucho cuidado mide el tiempo para que haya precisión. Registra los datos. 5. Calcula la rapidez a la que se desplaza el móvil en cada segundo. Utiliza la ecuación, considerando que v0 = 0: vf = v0 – a ⋅ t Tiempo

Distancia (m)

6. Repite el experimento con canicas de distintos tamaños y registra los resultados. ¿Al aumentar la masa de las canicas hubo cambios en el tiempo? 7. Aumenta un poco la altura del plano inclinado y repite el experimento. a) ¿Las canicas caen más rápido o más lento? b) ¿A qué se debe? 8. Repite la experiencia disminuyendo la altura del plano inclinado y observa qué pasa. a) ¿Las canicas caen más rápido o más lento? b) ¿A qué se debe?

Magnitud de la velocidad (m/s)

Aceleración (m/s)

1s 2s 3s Para concluir: ¿Qué pasará si colocas el plano vertical? Explica por qué. Investiguen en la biblioteca las biografías de Aristóteles y de Galileo. Elaboren una línea de tiempo que indique dónde y en qué época vivieron Aristóteles y Galileo. 1. Describan el experimento realizado por Galileo, los materiales que utilizó y el procedimiento.

2. ¿A qué se debió el hecho de que usara una rampa para dejar caer las esferas, en lugar de dejarlas caer desde cierta altura? 3. ¿De qué modo midió el tiempo con mayor exactitud? 4. ¿Qué idea puso a prueba con los experimentos realizados?

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

43

Reflexiona Los experimentos realizados por Galileo Galilei, ¿favorecieron de alguna forma el progreso de la ciencia? ¿Podrías mencionar algunos de sus hallazgos o experimentos? En tu vida cotidiana, ¿dónde los aplicas?

Si deseas saber más sobre este tema, consulta la siguiente bibliografía: http://omega.ilce.edu.mx:3000/ sites/ciencia/volumen3/ciencia3/161/html/sec http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd97/ Biografias/11-1-b-galileo.html

2.2 ¿Cómo es el movimiento cuando la velocidad cambia? La aceleración 2.2.1 Experiencias sobre movimientos en los que la velocidad cambia ¿Qué sucede si un automovilista al ir por una carretera se da cuenta de que debe atravesar por una población? (figura 1.42). Podemos representarlo de la siguiente forma:

Figura 1.42 En este movimiento que realiza el automóvil, se observa un cambio en la velocidad.

20 km/h 0

30 km/h T=2s

40 km/h T=4s

10 km/h T=6s

km T

1. Analiza y describe: ¿Cómo cambia la distancia recorrida al transcurrir el tiempo? 2. Comenta con tus compañeros sobre cuál es la rapidez a los 2 segundos y a los 4 segundos. 3. ¿Cuál es la rapidez a los 6 segundos? 4. ¿A qué se debe el cambio de rapidez? La velocidad indica la rapidez con que se realiza un movimiento en una dirección fija. La rapidez es la distancia recorrida en determinado tiempo. a) Calcula la distancia recorrida por el automóvil. b) Comenta con tus compañeros de equipo el resultado obtenido. 5. Discutan qué clase de movimiento se realiza, y con la ayuda del profesor expliquen por qué. Anota tus conclusiones.

Cuando hablamos de un movimiento se utilizan variables; en nuestro ejemplo las variables son: la distancia y el tiempo.

44

Bloque 1

t

E

D

4 h 60 km

C

3 h 45 km

B

2 h 30 km

A

d

1 h 15 km

Figura 1.43 Movimiento rectilíneo uniforme. El móvil lleva una velocidad constante.

Observa que los cambios de posición del atleta respecto al tiempo empleado son dos variables que se relacionan con el movimiento que realiza, la distancia y el tiempo de este movimiento. En el caso de la rapidez con que se mueve el atleta, ésta se expresa en “kilómetros por hora”, que significa: el cociente de la distancia entre el tiempo. Si la distancia se expresa como d, y el tiempo que tarda en recorrerlo como t, ¿cómo podrías determinar la rapidez a la que se desplaza el atleta del ejemplo?

rapidez = v

=

Comenta tu respuesta con tus compañeros del grupo y con la ayuda de tu profesor escríbanla en el pizarrón. Para que comprendas cómo se efectúa este cálculo, analiza la tabla que se presenta abajo. Así: 15 km/1h = 15 km/h 30 km/2 h = 15 km/h 45 km/3 h = 15 km/h 60 km/4 h = 15 km/h En forma general, cuando un cuerpo está en movimiento uniforme: · Recorre distancias iguales en tiempos iguales

Su rapidez se calcula: rapidez =



distancia recorrida tiempo empleado

es decir, v=

d t

por lo tanto, En 1 hora el marchista recorre 15 km En 2 horas el marchista recorre 30 km En 3 horas el marchista recorre 45 km En 4 horas el marchista recorre 60 km Reflexiona y observa que si se divide la distancia que el atleta recorre entre el tiempo que utilizó en desplazarse, se obtiene el valor de la rapidez que lleva. El resultado de los valores anotados en la recta pueden registrarse en la tabla siguiente.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

45

Distancia recorrida en kilómetros (km)

Punto

A B C D E

Tiempo transcurrido en horas (h)

0 15 30 45 60

0 1 2 3 4

Distancia (km) 60

45

30

15 Gráfica 1.6  Gráfica de la rapidez en un movimiento rectilíneo uniforme.

1

2

3

4

Tiempo (t) (h)

Con los valores registrados en la tabla, puedes construir una gráfica, en la que representas en el eje vertical (ordenada) la distancia recorrida expresada en kilómetros, y sobre el eje horizontal (abscisa) el tiempo expresado en horas. Con la ayuda del profesor, contesta lo siguiente: · ¿Cómo es la gráfica resultante? Coméntalo con tus compañeros y escribe tu conclusión: · ¿Cuál es la relación entre la distancia-tiempo? Fundamenta tu respuesta.

Apreciación del cambio de la velocidad de un cuerpo que se desplaza sobre un plano inclinado En la figura 1.44 tenemos dos planos inclinados con rampas de diferentes longitudes, pero con la misma altura. La rampa más corta es casi vertical, el objeto que se desliza por ella adquiere más velocidad a medida que va descendiendo, pero el esfuerzo para sujetarlo es mayor. En la rampa más larga, aun cuando tiene la misma altura Figura 1.44 Un plano inclinado es una superque la corta, el objeto que se desliza por ella adquiere una ficie plana en declive (máquina simple). En la velocidad menor y, por lo tanto, el esfuerzo para sujetarlo disfigura se observa un cuerpo que al desplazarse minuye. sobre la rampa sufre un cambio de velocidad. La ventaja mecánica (VM) del plano inclinado reside en la relación entre su longitud y su altura. Esto significa que cuanto más largo sea, tanto más fácil sería elevar un objeto, aunque lleve más tiempo hacerlo.

46

Bloque 1

Los planos inclinados se utilizan: · En las carreteras, se construyen en los flancos de la montaña para ascender lentamente hasta ganar una gran altura, que no sería posible alcanzar directamente. · Se emplean también para cargar y descargar camiones, haciendo resbalar los bultos por una rampa más o menos larga. · En los tornillos y las escaleras, etcétera. Podrás comprender mejor la ventaja mecánica del plano inclinado, si realizas la actividad siguiente:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para ver la velocidad de un cuerpo que se desplaza sobre un plano inclinado. ¿Qué se necesita? Cinta métrica, balín o canica, riel acanalado de 3 m de longitud (también puedes usar tablones largos y perfectamente lijados, o bien unir varios tubos de plástico transparente de los que usan para guardar dulces), varios libros o plataforma, cronómetro. ¿Cómo hacerlo? Coloca dos libros sobre una mesa o sobre el piso y apoya en ellos el riel, como se observa en la figura 1.45.

Confirma que el riel tenga marcadas las señales cada 0.5 metro. Coloca el balín o la canica sobre el inicio de la ranura del riel y suéltalo, al momento de soltarlo otro compañero pondrá en marcha el cronómetro. Suelta el balín para que se desplace por la ranura y cuando llegue a la primera marca (puedes poner un obstáculo) para el cronómetro y anota los tiempos. Repite esta operación cuatro veces más, y calcula la media aritmética o promedio para obtener un dato más confiable de los tiempos y medidas. Registra tus datos en la tabla que aparece abajo. Media aritmética =

t1 + t 2 + t3 + t4 + t 5 5

Figura 1.45 La magnitud de la velocidad a la que se desplaza un cuerpo depende de la altura y de la longitud del plano inclinado.

Medidas

1

2

3

4

5

Media aritmética

Tiempo

Elabora una tabla igual para las mediciones obtenidas en cada una de las distancias señaladas sobre el riel.

Registra los valores obtenidos en la tabla siguiente y elabora la gráfica correspondiente.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

47

Puntos

d (m)

t (s)

v (m/s)

0

0

0



A



B



C



D



E

Para concluir: Con ayuda del profesor y en forma conjunta, analicen la gráfica obtenida y respondan lo siguiente:

La rapidez del balín: ¿es constante o variable? Expliquen por qué.

Describan la forma que tiene la gráfica

¿Qué ocurre si se aumentan las distancias?



Con el apoyo del maestro y mediante una lluvia de ideas en la que participe todo el grupo, comenten acerca de las dificultades que tuvieron para realizar esta actividad y de qué modo piensan que podrían obtener mejores resultados.

2.2.2 Aceleración como razón de cambio de la velocidad en el tiempo Supongamos que una pelota se desplaza sobre una calle empinada. Si la pelota desciende, aumentará continuamente su rapidez. Pero si la pelota asciende, disminuirá continuamente su rapidez hasta que se detenga. Las palabras velocidad, rapidez y aceleración las empleamos diariamente en nuestro lenguaje. ¿Podrías mencionar algunos ejemplos? En la vida cotidiana los objetos que se mueven, por lo general, no lo hacen de manera rectilínea uniforme, es decir, no todos se mueven con una velocidad constante, sino que realizan diversos tipos de movimientos. Ahora estudiaremos un movimiento que se realiza también en línea recta, pero cuya velocidad cambia. Este movimiento se llama rectilíneo acelerado.

48

Bloque 1

Si el movimiento ocurre con iguales variaciones de la magnitud de la rapidez en cada unidad de tiempo, entonces es uniformemente acelerado. Ejemplo: Observa la figura 1.46, uno de los automóviles gana rapidez al acelerar, por lo que afirmamos que lleva una aceleración positiva, ya que aumenta su rapidez; mientras que el automóvil que frena pierde velocidad, con lo que la aceleración es negativa (desaceleración).

Arranque: aceleración positiva

Frenado: aceleración negativa

Figura 1.46 La variación de velocidad produce aceleración.

Se puede cambiar la velocidad de un objeto al variar su rapidez, su dirección o ambas. La rapidez con que cambia la velocidad es lo que se comprende como aceleración. De forma algebraica la representamos así:

Aceleración =



cambio o incremento de la velocidad tiempo empleado

Aceleración =



tiempo empleado

cuando a =

Aceleración: razón entre la velocidad de un móvil por cada unidad de tiempo.

,

velocidad final − velocidad inicial

a =

Glosario

,

v f – v0 t v f – v0 t

El vocablo aceleración se aplica tanto para cuando se disminuye como para cuando se aumenta la rapidez (figura 1.46). Cuando no cambia la dirección, podemos decir que la aceleración es la razón de cambio de la rapidez en el tiempo; en este caso la aceleración es un vector. ¿Recuerdas por qué? Puedes consultar la página 20.

2.2.3 Aceleración en gráficas velocidad-tiempo Ejemplo: Rafael va a participar en una carrera de autos y llevará al velódromo un automóvil deportivo muy veloz, como el de la figura 1.47, al que le ajustó el motor para que pudiera alcanzar una velocidad de 45 m/s en sólo 9 segundos. ¿Qué aceleración tiene?

t = 1 s

t=2s

v =5

m s

v = 10

m s

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

Figura 1.47 El automóvil lleva un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado.

49

Cuando el automóvil se encuentra en reposo en la línea de salida, su rapidez es cero. Cuando Rafael recibe la autorización para partir, inicia la carrera. Su rapidez final es de 45 m/s. Para conocer su aceleración, utilizamos la expresión algebraica: a =

v f – v0 t

Al sustituir los valores en la expresión algebraica, tenemos:

a =

45

m m – 0 s s 9 s

= – 5

m s2

Al llegar a la “meta”, Rafael frena el automóvil, que tarda 3 segundos para detenerse. Aquí la rapidez final es 0 m/s. En este caso la aceleración es negativa, ya que partimos de la rapidez inicial (al desacelerar) del automóvil, 45 m/s, y sabemos que la rapidez final será de 0 m/s (v0 = 0 m/s) y que tarda 3 s en detenerse. Utilizamos la misma expresión algebraica para calcular la desaceleración: a =

v f – v0 t

Al sustituir los valores, tendremos:

a =

(0 ms ) – (45

m s

3 s

)

= –15

m s2

El signo es negativo porque disminuye la rapidez, y cuando la aceleración es positiva va en aumento. Para conocer la rapidez final (vf) de un cuerpo que lleva una aceleración constante, despejamos de la fórmula la velocidad final de la aceleración como se indica: v f – v0 a = t Como t divide, se multiplican los dos miembros por t

a

•

t =

(v

f

)

– v0 t

t Como v0 está restando a vf se suma a ambos miembros, tenemos:

v0 + a ⋅ t = vf − v0 + v0, quedando vf del lado derecho. Al cambiar los miembros, tenemos: vf = v0 + at rapidez final = rapidez inicial + aceleración × tiempo

50

Bloque 1

Un motociclista que parte del reposo y 5 segundos después alcanza una magnitud de la velocidad de 25 m/s, ¿qué aceleración obtuvo? Aplicando la fórmula de la aceleración, tenemos: a =

v f – vi

a =

t

25

( ms

m s = 5 m s2

)

– 0

5 s

Ahora bien, si realizáramos los cálculos para cada segundo, nos quedaría:

Puntos

A

B

C

D

E

F

Velocidad (m/s)

0

5

10

15

20

25



0

1

2

3

4

5

Tiempo (s)

Observa que el cambio en la velocidad es constante, ya que aumenta cada segundo en la misma proporción, lo cual nos indica que la aceleración permanece constante. Cuando en un movimiento la aceleración es constante, recibe el nombre de movimiento uniformemente acelerado. Si retomamos la información de la tabla de valores, podemos representarla mediante una gráfica de velocidad contra el tiempo, como en la gráfica 1.7. Recuerda que mediante las gráficas obtenemos rápidamente la información. Las variables en este movimiento son velocidad y tiempo.

30

G

Rapidez (m)

25

F

20

E

15

D

10

C

5

B A

1

2

3

4

5

6

Tiempo (s)

Gráfica 1.7 Gráfica de la rapidez-tiempo. La aceleración es positiva y constante.

En el eje horizontal (abscisa) se indica el tiempo y el vertical (ordenado) se emplea para indicar la velocidad. · · · · · ·

En A, el valor del tiempo es de 0 (t = 0 s) y la rapidez es 0 m/s (v = 0 m/s). En B, el valor del tiempo es de 1 s (t = 1 s) y la rapidez es 5 m/s (v = 5 m/s). En C, el valor del tiempo es de 2 s (t = 2 s) y la rapidez 10 m/s (v = 10 m/s). En D, el valor del tiempo es de 3 s (t = 3 s) y la rapidez 15 m/s (v = 15 m/s). En E, el valor del tiempo es de 4 s (t = 4 s) y la rapidez 20 m/s (v = 20 m/s). En F, el valor del tiempo es de 5 s (t = 5 s) y la rapidez 25 m/s (v = 25 m/s).

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

51

La línea de la gráfica 1.7 es recta, lo que indica que al aumentar el tiempo, la velocidad se incrementa. En este movimiento uniformemente acelerado la inclinación de la recta resultante nos indica que la velocidad aumenta uniformemente con el tiempo. Ahora analicemos la gráfica 1.8 de velocidad contra el tiempo. En este caso la gráfica de la línea es diferente al ejemplo anterior. y 50

m v ( ) s

40 F

C

20 10

E

D

30

G

B

H

A

x 1

2

3

4

5

6

7

8

t (s) Gráfica 1.8 La gráfica describe un movimiento uniformemente constante con aceleración positiva, constante y negativa.

Veamos a qué se debe: · · · · · · · · ·

En A, el valor del tiempo es 0 s (t = 0 s) y la rapidez es 0 m/s (v = 0 m/s). En B, el valor del tiempo es 1 s (t = 1 s) y la rapidez 10 m/s (v = 10 m/s). En C, el valor del tiempo es 2 s (t = 2 s) y la rapidez 20 m/s (v = 20 m/s). En D, el valor del tiempo es 3 s (t = 3 s) y la rapidez 30 m/s (v = 30 m/s). En E, el valor del tiempo es 4 s (t = 4 s) y la rapidez es la misma que en el anterior, 30 m/s (v = 30 m/s). En F, el valor del tiempo es 5 s (t = 5 s) y la rapidez permanece constante (v = 30 m/s). En G, el valor del tiempo es 6 s (t = 6 s) y la rapidez 20 m/s (v = 20 m/s), lo que significa que ha disminuido. En H, el valor del tiempo es 7 s (t = 7 s) y la rapidez es de 10 m/s, o sea, continúa su disminución; el móvil está desacelerando. En el tiempo de 8 segundos (t = 8 s) el móvil se encuentra con una rapidez de 0 m/s (v = 0 m/s).

Para determinar la aceleración de cada intervalo de tiempo, utilizamos la expresión algebraica que ya conocemos. Por ejemplo, transcurridos 2 segundos, tendremos:

a =

v f – vi t

a =

(20 ms ) – (0 ms ) 2 s

=

m s = 5m 2 s s2

10

El signo positivo nos indica que la aceleración es positiva. ¿Qué pasaría en 6 intervalos de tiempo?, ¿y en 9 intervalos de tiempo?

52

Bloque 1

Ahora calcula la aceleración en el periodo entre 3 y 5 segundos. 30

a =

m m −30 s s =0 5 s −3 s

Si la rapidez es constante, entonces, la aceleración es cero. 30

a 

m m – 0 s s 5s

m m – 0 20 s s 6s

a 

0

a 



6

m s2

= – 3.33

Glosario Intervalo: espacio que hay entre un tiempo y otro.

m s2

m m – 0 s = 0 m s 9s s2

Actividad Es conveniente que las actividades planteadas a continuación las desarrolles integrando equipos de dos o tres compañeros. De esta forma tendrás la ventaja de

analizar, reflexionar y comentar con tu equipo sobre cada ejercicio, para obtener las respuestas que escribirás en tu cuaderno.

d(m) 30 28 26

F

24 22

Distancia (m)

20 18 E

16 14 12 10

D

8 6 4

C

2 A

0

B 1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12

t(s)

Tiempo (s) Gráfica 1.9 Gráfica distancia-tiempo con aceleración uniforme.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

53

1. Observa y analiza la gráfica 1.7, que es la representación aproximada del movimiento de un cuerpo y contesta lo siguiente: a) ¿Qué tipo de movimiento ha tenido en cada intervalo? Fundamenta tu respuesta. b) ¿Cuál ha sido la rapidez? 2. De la figura de la gráfica 1.8: a) Describe el movimiento que lleva cada intervalo de tiempo. b) ¿Cuál ha sido su rapidez? Fundamenta tu respuesta. 3. La representación gráfica del movimiento de un cuerpo está dada por la gráfica 1.9 (distanciatiempo). Contesta lo siguiente:

a) ¿Qué tipo de movimientos ha realizado el móvil? b) ¿Cuál ha sido la aceleración en cada tramo? 4. Los datos del movimiento de un cuerpo dado están reflejados en la tabla. Tiempo (s)

0

8

16

24

32

40

Distancia (m)

0

18

36

54

72

90

Responde lo siguiente: • Determina la rapidez media entre los intervalos de la tabla. • Representa gráficamente los valores de la tabla. ¿Qué tipo de línea obtuviste? • Explica su significado.

Actividad En tu cuaderno, resuelve los siguientes problemas: a) Un tren reduce su rapidez de 60 a 20 km/h en 8 segundos. Encuentra la aceleración. b) Un automóvil se mueve con un movimiento uniforme desde un punto A hasta el punto B. La rapidez del automóvil en A es de 40 m/s y su rapidez en B es de 60 m/s. Si el incremento

54

Bloque 1

de rapidez requiere 5 segundos, determina la aceleración. Se recomienda el uso del programa de simulación de la actividad “Gráficas de posición I” y ”Gráficas de posición II”, en Enseñanza de la Física con Tecnología, México, ILCE, pág. 108.

3. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar En esta sección de Tecnología vas a realizar algunos proyectos en los que integrarás todos los conocimientos adquiridos aplicándolos en aspectos de la vida cotidiana. Antes de iniciar recordemos:

¿Qué es un proyecto? Un proyecto es un conjunto de recursos humanos, materiales y económicos dispuestos y organizados, cuyo fin deberá ser un producto que se desea elaborar, o bien aquel servicio que se desea prestar. Para elaborar un proyecto se requiere idear, trazar, disponer, proponer, dibujar, calcular y organizar el plan y los recursos.

¿Cómo se lleva a cabo un proyecto? Para iniciar un proyecto es necesario analizar el problema, el cual será la base del mismo, tomando en cuenta a dónde se quiere llegar y cuáles son los recursos disponibles. También es importante descartar las soluciones que resulten imposibles de realizar. Para resolver problemas concretos es importante establecer una serie de pasos ordenados a seguir. Se requiere determinar la finalidad que tiene el proyecto, dentro de qué plazos y en qué sitios. Esto permite establecer el número de actividades a realizar en un tiempo y lugar determinado. Otro punto a tomar en cuenta es el establecer la secuencia de actividades, permitiendo que el trabajo se lleve a cabo con cierto ritmo. Para realizar un proyecto se deben considerar los siguientes puntos: · Organizar las situaciones de trabajo. · Respetar la secuencia en cada una de las instrucciones. · Realizar las actividades de trabajo de una manera cuidadosa, sin distracciones ni pérdidas de tiempo. · Contar con buena voluntad para ayudar a los integrantes del equipo de trabajo. · Ser constante en el trabajo hasta conseguir el resultado deseado. Por último, es importante redactarlo y comunicarlo, utilizando no sólo textos escritos sino otros métodos, como esquemas, dibujos, fotografías, muestra de materiales y todo lo que apoye al proyecto realizado. Ahora bien, en alguna ocasión te has preguntado cómo se forman las olas, cómo se propagan y previenen los terremotos, cómo se detectan, cómo se mide su intensidad, qué debemos hacer durante el tiempo que dure el sismo, qué hacer después del terremoto, cómo puedo ayudar en la seguridad de las personas de mi comunidad, cómo se mide la rapidez en los deportes, cómo potenciamos nuestros sentidos para conocer más y mejor. ¿Has tratado de reflexionar sobre alguna de las anteriores preguntas? A continuación te presentamos algunos proyectos que te pueden dar una idea de lo que tienes que hacer en esta parte del libro. Sin embargo, puedes elegir otros temas que te interesen, por ejemplo, ¿cómo se propagan y previenen los tsunamis?, ¿cómo

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

55

PROYECTO 1 se produce un volcán?, ¿cómo se mide la rapidez en una competencia de lanzamiento de disco?, etcétera. Para la realización del proyecto es necesario que te organices por equipos de 5 integrantes y selecciones el tema de tu interés. Consulta a tu profesor.

Proyecto 1 ¿Cómo se propagan y previenen los terremotos? Los terremotos son las ondas de choque de un movia) Ondas P: surcan el interior de la Tierra y rebotan en miento repentino producido en la corteza terrestre. Imasu núcleo; su movimiento consiste en la transmisión gina que rompes una regla de plástico, escuchas que se de compresiones y rarefacciones de la roca, parecido produce un chasquido que son ondas sonoras que se a la propagación del sonido (figura 1.48a). desplazan a través del aire. Lo mismo sucede cuando b) Ondas S: surcan el interior del manto y se desvían arrojas una piedra a un estanque, también se producen hacia la superficie, son ondas transversales; en este ondas, en este caso en forma de olas pequeñas que se caso las partículas se mueven en dirección perpenpropagan desde el punto donde cayó la piedra hacia las dicular a la dirección de propagación de la perturbaorillas del estanque. ción (figura 1.48b). Algo parecido ocurre con los terremotos; al romperc) Ondas superficiales: sólo se propagan a través de las se las rocas se producen ondas que se propagan a través capas más superficiales de la Tierra, disminuyendo de la Tierra, tanto en su interior como en su superficie. su amplitud con la profundidad. Compresión Se consideran principalmente tres tipos de ondas: Compresión

a)

b)

Dilatación Ondas P (a) Dirección de propagación de las ondas

Dilatación

Dirección de propagación de las ondas

Ondas P

Longitud de onda

(a)

Ondas S

c)

Ondas superficiales Longitud de onda Ondas superficiales Longitud de onda

56

Bloque 1

Figura 1.48 Ondas P, ondas S y ondas superficiales.

Debido a la diferencia en la rapidez de cada tipo de onda, cuando sentimos un terremoto las primeras sacudidas se deben a las ondas P, enseguida percibimos las ondas S y por último las superficiales. La diferencia de rapidez en cada tipo de onda nos permite ubicar el foco del terremoto. Existen muchas recomendaciones y sugerencias para protegerse durante los terremotos, algunas sumamente

apreciadas dada la diversidad de usos que se les puede dar. ¿Sabes cómo aplicarlas en la vida cotidiana, debido a la rapidez con que se mueven las ondas sísmicas? Probablemente las tengas por escrito en casa o en tu escuela. ¿Qué otras formas de difusión se utilizan en tu comunidad?

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para explicar y predecir la rapidez del desalojo de instalaciones por parte de alumnos y/o personal de oficinas, fábricas y otros ámbitos . ¿Qué se necesita? Libreta, lápiz, cartulina, cronómetro o reloj con segundero, libros de física o geografía, enciclopedias, Internet si se tiene, cámara fotográfica, colores. ¿Cómo hacerlo? 1. Formen equipos de tres o cuatro personas. 2. Investiguen en libros, revistas, o en la red escolar (internet) o en otras fuentes textos que describan la propagación y velocidad de las ondas sísmicas. Bibliografía: Lomnitz, Cina (2003), Los temblores, SEP/CONACULTA, México. Tonda, Juan (1995), Los temblores, ADN Editores, México. Fierro Gossman, Julieta, Volcanes y temblores en México, SITESA, México. También puedes consultar las siguientes ligas: http://www.ssn.unam.mx/ http://www.ssn.unam.mx/SSN/Doc/Sismo85/ sismo85-2.htm http://www.acabtu.com.mx/sismos/index.html http://www.ssn.unam.mx/SSN/Doc/que-hacer.html Lugar

Tipo de movimiento

3. Mediante una pequeña encuesta, pregunta a los responsables de edificios, fábricas y otros centros de trabajo sobre el tiempo que tardan sus trabajadores en evacuar el lugar. 4. Traten de identificar, con el apoyo de la investigación previa que llevaron a cabo, algunos de los desplazamientos realizados durante los simulacros de evacuación y la rapidez con que se realizaron. 5. Indiquen la distancia de desplazamiento y el tiempo que tardan en evacuar en algunos de los lugares investigados. Calculen la rapidez con la que lo realizan y el tiempo necesario para llegar a un lugar seguro. 6. Contrasten la rapidez con que se desplazan las ondas sísmicas y el tiempo que se tardan las personas de los lugares seleccionados en evacuar el lugar. Escriban su opinión. 7. Si cuentan con cámara fotográfica, saquen algunas fotos de los simulacros escolares o de los realizados en otras edificaciones. 8. Si no cuentan con la cámara, dibujen lo que consideren más importante. Reporte de la actividad En el siguiente cuadro anota el tipo de movimiento que realizan las personas al evacuar el lugar en que se encuentran, el tiempo que tardan y la rapidez. Comparen su cuadro con el de otros equipos y bajo la dirección de su maestro complétenlo si es necesario. Tiempo de desalojo

Velocidad

Salones de clase Oficinas

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

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PROYECTO 2 Para concluir: a) Presenten al grupo sus investigaciones y enriquezcan su explicación con las fotos o dibujos de los lugares investigados. b) Entre todos los equipos hagan un periódico mural ilustrado con las fotos o dibujos y colóquenlo en algún lugar visible de la escuela.

Se recomienda el uso del programa de simulación de la actividad “Movimiento ondulatorio” y “Propiedades de las ondas”, en Enseñanza de las Ciencias a través de Modelos Matemáticos, págs. 126-130.

Proyecto 2 ¿Cómo se mide la rapidez en los deportes? ¿Sabes cómo se mide la rapidez en algunos deportes, como natación, atletismo, ciclismo, entre otros? Ésta y otras preguntas podrás responderlas si aplicas lo que has aprendido sobre el movimiento de los cuerpos. La rapidez en los deportes se entiende como la capacidad de movimiento de brazos o piernas o de parte del sistema de palancas del cuerpo, o de todo el cuerpo con la mayor rapidez posible. La rapidez es un factor determinante en los deportes, por ejemplo, de ciclismo, natación, remo, su propósito fundamental es la de desarrollar la mayor rapidez posible. mientras que en las competencias de resistencia, como la natación o atletismo, su propósito como factor determinante parece reducirse con el aumento

de la distancia. Por otro lado, la rapidez puede ser un factor determinante directamente, por ejemplo en la reacción al sonido de la pistola en la salida, o indirectamente, como en el desarrollo de la energía cinética al iniciar el primer movimiento para saltar, correr o nadar, entre otros. Enseguida te invitamos a realizar una actividad en donde tendrás la oportunidad de aplicar lo que has aprendido. Si deseas conocer algunos récords de rapidez, te invitamos a consultar la página: http://www.olympic.org/uk/utilities/reports/level2_ uk.asp?HEAD2=8&HEAD1=5

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para determinar la rapidez promedio de un equipo de corredores. ¿Qué se necesita? Cinta adhesiva, bolígrafo, cronómetro o reloj con segundero y flexómetro. ¿Cómo hacerlo? 1. Te sugerimos formar equipos de tres o cuatro personas. 2. Bajo la dirección de su maestro organicen una carrera. 3. En el piso coloca una tira de cinta adhesiva que marcará la línea de salida. 4. Párate colocando los talones sobre la línea de salida. Pide a uno de tus compañeros de equipo que mida 12 segundos con el cronómetro mientras tú corres lo más rápido que puedas. Cuando tu

58

Bloque 1

compañero indique “¡fuera!”, empieza a correr y detente cuando indique “¡alto!” 5. Otro compañero de equipo pondrá una tira de cinta adhesiva en el piso exactamente en el talón de tu pie que haya quedado al frente. 6. Otro compañero del equipo medirá con el flexómetro la distancia recorrida. 7. Cada integrante del equipo realizará la misma actividad, hasta que hayan corrido todos. 8. Diseña una tabla de datos y en ella anota los nombres de los corredores, el tiempo que corrió cada uno (12 s), la distancia recorrida (en m y en km) y la rapidez expresada en cm/s, m/s y en km/h. Para concluir: a) Explica qué tipo de movimiento realizó cada corredor.

PROYECTO 3 b) ¿Qué importancia tiene la rapidez en el básquetbol? Explica. c) ¿Cómo se mide la rapidez de una pelota de beisbol? d) ¿Qué otros ejemplos podrías mencionar? Anótalos. e) Investiga cuáles han sido los récords olímpicos obtenidos en las últimas olimpiadas y diseña una tabla donde anotarás los datos que consideres más importantes. f ) Con la orientación del maestro organicen una plática dirigida a la comunidad escolar y padres

de familia sobre la importancia de la rapidez en los deportes, y mencionen algunos de los récords olímpicos que hayan investigado. g) Por último, en una sesión de trabajo programada por el maestro, comenten lo que aprendieron, las experiencias que les dejó este proyecto, si consideran que lograron su propósito o qué les faltó, cómo se organizaron, cómo sintieron su trabajo en equipo y cuáles fueron sus principales dificultades y sus logros.

Para saber más

Medición de la rapidez de una pelota en el juego de tenis

Figura 1.49 La rapidez de una pelota de tenis se mide con un radar.

La medición de la rapidez se lleva a cabo mediante un par de radares situados a la altura de la línea de saque a cada lado de la red. Así, se crea en la pista una especie de cortinas de ondas. Cuando un jugador efectúa el saque, el radar más próximo emite una onda de frecuencia concreta que intercepta la bola y se refleja en ella. Al regresar y ser interceptada por el radar, hay un cambio en la frecuencia de dicha onda, fenómeno conocido como efecto Doppler, el cual es el cambio en la frecuencia de una onda sonora, debido al movimiento de la fuente o de quien escucha. Una computadora calcula la diferencia de frecuencias de las ondas emitidas y reflejadas, lo que permite conocer la velocidad de su desplazamiento. Tomado de la revista Muy interesante, año 17, núm. 4.

Proyecto 3 Instrumentos de medición El ser humano a través del tiempo ha medido la longitud y el tiempo de distintas formas; utilizó diferentes unidades de medición, así como instrumentos específicos de su cultura. A continuación te invitamos a realizar una investigación sobre la forma de medir la longitud,

el tiempo y el tipo de instrumentos de medición usados por las culturas de tu interés. ¿Cómo lo hicieron los griegos, los aztecas y los mayas? ¿Sabes qué instrumentos utilizaban? ¿Qué medidas e instrumentos han permanecido hasta la fecha?

Investigación Con el apoyo del maestro formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar.

1. Reflexionen e investiguen sobre la forma en que medían la longitud y el tiempo algunos pueblos como:

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

59

PROYECTO 4 • Los griegos • Los aztecas • Los mayas • Los babilonios • Los egipcios 2. Escríbanlos en su libreta e ilústrenla. 3. Cada equipo explicará oralmente lo que haya investigado acerca de las formas de medición de algunas poblaciones de su interés. Anota los datos que consideres importantes. 4. Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas comenten tanto los resultados como lo que han aprendido al realizar esta actividad. Bibliografía: Libros de matemáticas de primer año y libros de metrología, como: González, Carlos y Ramón Zeleny (1998), Metrología, McGraw Hill, México.

También puedes consultar las siguientes ligas: http://www.cenam.mx/dme/ Historia%20del%20tiempo.asp http://proton.ucting.udg.mx/temas/conozca/ edgardo/index.html http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/act_ permanentes/mate/nombres/mate1n.htm http://www.investigacionyciencia. es/03017840000463/Cr%C3%B3nica_de_ la_medici%C3%B3n_del_tiempo.htm http://ciencia.astroseti.org/matematicas/articulo. php?num=3650 http://galileo.phys.virginia.edu/classes/109N/ lectures/Contando_en_Babilonia.htm http://www.science.oas.org/OEA_GTZ/LIBROS/ METROLOGIA/introduccin_mesp.htm

Proyecto 4 ¿Cómo potenciamos nuestros sentidos para conocer más y mejor? Sabemos que a través de los sentidos es posible relacionarnos con nuestro entorno, pero existen limitaciones para nuestros sentidos; por ejemplo, nuestra vista no es capaz de percibir algunos movimientos demasiado rápidos, el oído no puede escuchar sonidos muy bajos o demasiado altos, existen olores que no captamos, etcétera. Por ello el ser humano se ha esforzado para inventar aparatos que le ayuden a potenciar sus sentidos para conocer más y mejor: aparatos ópticos que nos permitan observar los cuerpos que no se ven a simple vista, muy pequeños o demasiado alejados de nosotros, a pesar de ser muy grandes como los planetas;

registrar y difundir los sucesos de importancia, realizar mediciones con mayor exactitud o crear espectáculos grandiosos que nos diviertan; por ejemplo la cámara fotográfica, el telescopio, el microscopio, los anteojos, las cámaras de cine y televisión, etcétera; aparatos auditivos que nos permitan escuchar más y mejor los sonidos de nuestro alrededor, por ejemplo los audífonos, radios, teléfonos, los discos, los DVD, el ultrasonido, entre muchos otros. Solamente mencionaremos uno de los aparatos de mayor importancia, porque no sería posible estudiarlos todos, debido a su gran número.

Investigación ¿Cómo potenciamos nuestros sentidos para conocer más y mejor? ¿Qué beneficios nos aporta la ciencia y la tecnología para potenciar nuestros sentidos y cómo se ha desarrollado este conocimiento y tecnología a través de la historia?

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Bloque 1

¿Para qué lo hacemos? Para conocer cómo la ciencia y la tecnología han ayudado a potenciar nuestros sentidos a través del desarrollo de diversos aparatos y conocer su funcionamiento.

¿Qué se necesita? Libros como: • Navarrete, Néstor (2003), Atlas básico de tecnología/textos, SEP/Paramón Ediciones, México, págs. 72-75 y 80-81. • Stefani, Marta (2002), Historia de la ciencia y la tecnología: la revolución científica, SEP/Diana, México, pág. 96. • Fraiolo, Luca (2002), Historia de la ciencia y la tecnología: el siglo de la ciencia, SEP/Diana, México, pág. 96. ¿Cómo hacerlo? 1. Formen equipos de cuatro o cinco alumnos y dedíquense a investigar durante una semana todo lo que encuentren acerca del invento de uno de los siguientes aparatos y su funcionamiento, así como los datos de su inventor con la biografía del mismo. a) Cámara fotográfica b) Cinematógrafo c) Televisión d) Microscopio e) Reloj de péndulo f) Radio g) Radar h) Sonar 2. Ordenen su información; para ello pueden elaborar resúmenes o fichas y esquemas, diagramas o dibujos con la información que consideren de mayor importancia.

3. Después, esos datos les pueden servir de base en el diseño de folletos o hasta pueden realizar un video si cuentan con los recursos para dar a conocer sus investigaciones. Para concluir: 1. Presenten al grupo sus investigaciones y en el caso de que hayan elaborado alguno de los materiales mencionados anteriormente, preséntense como si fuera un documental o el mismo inventor invitado a dar la conferencia, u otro. Si no cuentan con estos recursos, enriquezcan su explicación con fotos o dibujos de toda la información obtenida. 2. Opinen y debatan: a) ¿Cómo ha influido la ciencia para el desarrollo de estos aparatos? b) ¿Cómo ha influido la tecnología? c) ¿Podrían haberse desarrollado esos aparatos sin ayuda de la ciencia o de la tecnología? Justifiquen su respuesta d) ¿Qué beneficios han aportado estos aparatos a nuestra vida cotidiana? e) Expliquen cómo satisfacen nuestras necesidades la ciencia y la tecnología y cómo han cambiado los estilos de vida del ser humano. 3. Con la ayuda del maestro, todo el grupo discuta las conclusiones a que se ha llegado, y las anotarás en tu cuaderno.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar que la luz pasa a través del objetivo y forma la imagen sobre la película que se encuentra dentro de la cámara. ¿Qué se necesita? Lata vacía (refresco), pedazo de papel de china blanco, papel grueso de color café, dos cajas de cartón chicas que ajusten entre sí (o caja larga), tela oscura (franela negra) y un alfiler.

¿Cómo hacerlo? 1. Corta el extremo cubierto de la lata y pega sobre ella el papel de china blanco. 2. Debes pegar el papel café en el otro extremo. 3. Con mucho cuidado, haz un agujero en el centro del papel café, utilizando el alfiler. 4. Sostén la lata hacia la luz (ventana), cubriendo tu cabeza con una tela oscura (figura 1.50). a) Anota lo que observas.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

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Ahora vamos a hacer otra cámara utilizando la(s) caja(s). 1. Corta un pedazo cuadrado en la base de la caja (como se muestra en la figura 1.50) y cúbrelo con el papel café. 2. Ahora corta el extremo opuesto, córtalo (si has utilizado dos cajas, éstas deberán ajustar una en la otra) y cúbrelo con papel de china blanco (o con un papel translúcido). 3. Con el alfiler, haz un agujero en el papel café. 4. Para observar deberás sostener el agujero frente a la ventana y cubrir tu cabeza con la franela negra (tela oscura). 5. Trata de formar las imágenes de diferentes tamaños, deslizando una caja dentro de otra. 6. Explica qué sucede si haces más de un agujero o bien si tienes una cámara más grande. Para concluir: 1. Visiten centros comerciales o encuesten a personas mayores, especialmente si utilizan cámaras fotográficas, e investiguen actualmente qué tipos de cámaras existen y en qué se diferencian de las primeras que hubo.

Figura 1.50 Construcción de una cámara oscura.

2. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de los avances realizados en este campo. 3. Entre todos elaboren una conclusión final que anotarán en el pizarrón y en su libreta.

Gotitas de ciencia

Con un barómetro Hace muchos años, en un salón de clases de la Universidad de Manchester, en Inglaterra, un maestro estaba a punto de poner un cero a un estudiante por la respuesta que había dado en un problema de física, pese a que éste afirmaba rotundamente que su respuesta era absolutamente acertada. Sin embargo, algunos profesores y estudiantes que estaban también en la cátedra convinieron en pedir arbitraje de alguien imparcial y fue elegido Ernest Rutherford. La pregunta del examen decía: “Demuestre cómo es posible determinar la altura de un edificio con la ayuda de un barómetro” (figura 1.51). El estudiante había respondido: “Hay que llevar el barómetro a la azotea del edificio y atarle una cuerda muy larga, después se descolgará hasta la base del edificio, se marcará y se medirá, ya que la longitud de la cuerda será igual a la longitud del edificio.” Realmente, el

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Bloque 1

estudiante había respondido a la pregunta correcta y completamente; pero la respuesta no confirmaba que el estudiante tuviera ese nivel. Rutherford sugirió entonces que se le diera al alumno otra oportunidad y le concedieron seis minutos para que respondiera la misma pregunta pero, esta vez, con la advertencia de que en la respuesta debía demostrar sus conocimientos de física. Cuando ya habían pasado cinco minutos y el estudiante no había escrito nada, el maestro le preguntó si deseaba marcharse, pero el alumno le contestó que tenía muchas respuestas al problema. Su dificultad era elegir la mejor de todas. En el minuto que le quedaba escribió la siguiente respuesta: “lanzar el barómetro al suelo desde la azotea del edificio y calcular el tiempo de caída con el cronómetro, después se aplica la fórmula h = 1/2 g ⋅ t2 y se sustituyen los valores. Y así obtenemos la altura

del edificio”. En este punto le preguntó el maestro a su colega si el estudiante se podía retirar. Le dio la nota más alta.

Figura 1.51 Barómetro de precisión.

Tras abandonar el despacho, Rutherford se encontró nuevamente con el estudiante y le pidió que le mencionara sus otras respuestas a la pregunta. “Bueno —­respondió—, hay muchas maneras; por ejemplo, coges el barómetro en un día soleado y mides la altura del barómetro y la longitud de su sombra. Si medimos a continuación la longitud de la sombra del edificio y aplicamos Pa una simple proporción, obtendremos también la altura del edificio.” “Perfecto —le dijo Rutherford—. ¿Y de qué otra manera?” “Bueno —contestó el alumno—. Éste es un procedimiento muy básico para medir un edificio, pero también sirve. En este método, tomas el barómetro y te sitúas en las escaleras del edificio en la planta baja. Según vas subiendo las escaleras, vas marcando sobre el barómetro, la altura que lleva el mercurio y cuentas el nú-

mero de marcas hasta la azotea. Multiplicas al final la altura del barómetro por el número de marcas que has hecho y ya tienes la altura. Éste es un método muy directo. Pero si lo que quieres es un procedimiento más complicado, puedes atar el barómetro a una cuerda y moverlo como si fuera un péndulo. Si calculamos que cuando el barómetro está a la altura de la azotea la gravedad es cero y si tenemos en cuenta la medida de la aceleración de la gravedad al descender el barómetro en trayectoria circular al pasar por la perpendicular del edificio, la diferencia de estos valores, y aplicando una sencilla fórmula trigonométrica, podríamos calcular, sin duda, la altura del edificio. En este mismo estilo de sistema, atas el barómetro a una cuerda y lo descuelgas desde la azotea a la calle. Usándolo como un péndulo puedes calcular la altura midiendo su periodo de oscilación. En fin —concluyó—, existen muchas otras maneras. Probablemente, la mejor sea tomar el barómetro y golpear con él la puerta de la casa del conserje. Cuando abra, decirle: ‘señor conserje, aquí tengo un bonito barómetro. Si usted me dice la altura de este edificio, se lo regalo’.” En este momento de la conversación, le preguntó el profesor Rutherford al alumno si no conocía la respuesta convencional al problema (la diferencia de presión marcada por un barómetro en dos lugares diferentes nos proporciona la diferencia de altura entre ambos lugares). El alumno respondió que sí la conocía, pero que durante sus estudios sus profesores habían intentado enseñarle a pensar. El estudiante se llamaba Niels Bohr, físico danés, premio Nobel de física en 1922, más conocido por el modelo del átomo que elaboró basándose en las teorías de Rutherford y en el cual representaba el átomo con un núcleo positivo y los electrones que lo rodean.

Reflexiona Reflexiona y responde lo siguiente: 1. ¿Cuál es la idea esencial de esta anécdota? 2. Con la ayuda del maestro, escojan la respuesta que consideren sea la mejor. Fundamenten su respuesta. 3. Investiga la biografía de Niels Bohr en libros de química, enciclopedias, revistas.

4. ¿Qué opinas ahora acerca de la importancia de los métodos para la resolución de un problema? Al margen del personaje, lo divertido y curioso de la anécdota, lo esencial de esta historia es que le habían enseñado a pensar.

El movimiento. Descripción de los cambios en la naturaleza

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Bl o q u e 2

En este bloque se explica el concepto de fuerza, de distinta naturaleza, para analizar las interacciones entre objetos, y se asocia con las causas que producen cambios. Se introduce después el concepto de energía, el cual te dará una visión integral de la física, desde el punto de vista de la configuración de los sistemas físicos. Con los conocimientos adquiridos y las habilidades desarrolladas al terminar de estudiar este bloque: · Relacionarás las fuerzas con los cambios que se producen en la interacción de objetos, así como los vinculados con el movimiento, la electricidad y el magnetismo. · Comprenderás el comportamiento de la materia y de la energía en presencia de la fuerza, a fin de poder describir algunos fenómenos que acontecen en el entorno.

Las fuerzas La explicación de los cambios

Preguntas clave • ¿Cómo se producen los cambios de posición de los objetos? • ¿Qué interacciones existen entre los cuerpos? • ¿Qué es una fuerza? • ¿Cómo se aplican las fuerzas? • ¿Cómo se produce el movimiento de un objeto de acuerdo con las leyes de Newton? • ¿Por qué las aportaciones de Newton fueron importantes para el desarrollo de la física de su época? • ¿Cómo percibimos la energía y sus transformaciones? • ¿Qué utilidad tienen la energía eléctrica y la magnética en la vida cotidiana? • ¿Qué efectos tienen los imanes? • ¿Qué sabes acerca de las mareas? • ¿Por qué algunos objetos se magnetizan? • ¿Cómo se sostienen los puentes colgantes?

· Verificarás el hecho de que, para que exista una fuerza, debe haber algo que la genere y algo que la reciba. · Comprenderás las leyes del movimiento, así mismo, describirás la relación entre fuerza, masa y aceleración. · Apreciarás la importancia de la experimentación, la medición y análisis para poder hallar las respuestas a los problemas planteados, relacionados con el movimiento, la electricidad y el magnetismo. · Diseñarás actividades experimentales, y además elaborarás algunos dispositivos, a fin de comprobar algunos de los fenómenos observados sobre el movimiento, la electricidad y el magnetismo. · Analizarás las interacciones entre la ciencia y la tecnología y su impacto en la sociedad.

1. El cambio como resultado de las interacciones entre objetos 1.1 ¿Cómo se pueden producir cambios? El cambio y las interacciones Glosario Interacción: acción que se ejerce mutuamente entre dos o más objetos. A las interacciones también se les llama acciones a distancia.

El movimiento que se realiza a tu alrededor, dentro de tu cuerpo o en el planeta Tierra se debe a diferentes fuerzas, aunque no se puedan ver a simple vista, pues dependemos de ellas para llevar a cabo nuestras acciones y mantenernos vivos. Algunas veces nos damos cuenta de los efectos que producen las fuerzas que interactúan con los objetos. Analiza y comenta con tus compañeros del grupo los siguientes ejemplos:

Figura 2.1 El paracaídas y el velero funcionan gracias a la fuerza que ejerce el aire.

Reflexiona Responde las siguientes preguntas: 1. Las imágenes que aparecen en la figura 2.1, ¿están en reposo o en movimiento? Fundamenta tu respuesta. 2. ¿Cómo percibes que se encuentran en reposo o en movimiento? 3. ¿Cómo se sostiene el surfista mientras se desliza sobre las olas del mar? ¿Por qué el paracaidista no se precipita hacia el suelo? 4. ¿Puede suceder que actúen fuerzas sobre un objeto y que éste no se mueva?

5. ¿Y que un objeto se mueva sin ninguna causa aparente? Al responder estas preguntas has creado tu propia visión de los cambios que sufren los objetos cuando actúan una o más fuerzas sobre ellos, así como la forma de percibirlo; sin embargo, tal vez necesites contar con mayor información. En las páginas siguientes te invitamos a descubrir algunos de los fenómenos que se producen en relación con la interacción entre los cuerpos.

¿Por qué los aviones que se mueven con mayor rapidez tienen una forma que reduce la resistencia del aire? ¿Qué le sucede a un cuerpo que está en movimiento cuando se le detiene? ¿Por qué algunos balones se deforman cuando chocan contra el piso? ¿Qué pasa cuando un objeto choca con otro que está en reposo? ¿Por qué algu-

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Bloque 2

nos objetos atraen a otros? ¿Por qué algunos objetos se rechazan cuando se acercan? Podrás responder a éstas y muchas otras preguntas a través de las actividades que se presentan durante el desarrollo de este tema.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para analizar la interacción que se da entre la forma que debe tener un avión y el logro de su vuelo a mayor rapidez. ¿Qué se necesita? Dos hojas de papel. ¿Cómo hacerlo? 1. Con una de las hojas, haz un avioncito como tú quieras. 2. Lanza al aire la hoja de papel que no has usado y observa su movimiento. 3. Ahora lanza el avión y observa su movimiento. a) ¿Qué sucede? b) Explica por qué. Fundamenta tu respuesta.

4. Ahora observa el vuelo de los aviones de tus compañeros. Para concluir: 1. Todos los alumnos del grupo describirán y dibujarán en su libreta los movimientos que vean en el recorrido de los aviones más lentos y de los más veloces. 2. Comenta y discute con tus compañeros del grupo la forma que tienen los aviones que volaron mejor y la forma de los que volaron de forma irregular. 3. Entre todos elaboren una conclusión acerca de la diferencia del vuelo de la hoja y del vuelo de los aviones. 4. Realicen su reporte como les indique su maestro.

La hoja de papel ofrece al aire una superficie mayor que la forma aerodinámica del avión, así que la hoja ondea en el aire de manera irregular; en cambio, el avión se desplaza con una trayectoria regular, porque la forma del avión le permite romper con mayor facilidad la resistencia del aire; por el contrario, la mayor superficie de la hoja de papel le dificulta hacer un recorrido regular como el del avión.

1.1.1 Experiencias en torno a fenómenos de interacción por contacto y distancia Efecto de las pelotas al interactuar con otros objetos Hay muchos deportes en los que se utilizan pelotas. Se pueden lanzar al aire, patearlas, golpearlas con la cabeza, con una raqueta, con un bate, botarlas en el piso y muchas más formas. ¿Qué otras recuerdas? ¿Has notado que las pelotas son diferentes? Porque no se puede jugar beisbol con una pelota de tenis. La clase de pelota que se utiliza en cada deporte es muy importante. En la siguiente actividad vas a jugar con balones y pelotas para conocer cómo interaccionan con otros objetos.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para reflexionar acerca de algunos efectos sobre las pelotas. ¿Qué se necesita? Un lugar abierto (cancha de voleibol, de futbol, otra), balón de basquetbol, balón de futbol, pelota de te-

nis, cronómetro o reloj con segundero, flexómetro de dos metros. ¿Cómo hacerlo? 1. Formen equipos de tres o cuatro integrantes. 2. Busquen un área nivelada de cemento liso, como una cancha de voleibol u otra.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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3. Sostén el flexómetro verticalmente enfrente de ti con una mano y apoya el extremo del cero en el piso. Pide a un compañero que suelte la pelota de tenis desde un metro de altura. a) ¿Qué sucede con la pelota? b) ¿Qué altura alcanza con el bote? c) ¿Cómo es su movimiento? 4. Repite la experiencia a una altura de 1.5 m y después a 2 m y anota tus observaciones. 5. Repite la experiencia utilizando la pelota de beisbol y el balón de basquetbol. 6. Registra tus observaciones. Te sugerimos que hagas una tabla de registro de común acuerdo con los integrantes de tu equipo. 7. Comenta y discute con tus compañeros de equipo:

a) ¿Por qué las pelotas llevan trayectorias diferentes? b) Expliquen a qué se debe el cambio de velocidad en una misma pelota y en pelotas diferentes. c) ¿Observaste qué le sucede al balón al chocar con el suelo? ¿En todos los casos las pelotas chocan igual? Explica por qué. Para concluir: 1. En equipo hagan láminas con dibujos de la secuencia de los efectos de las pelotas al interactuar con los objetos. 2. Exhiban en clase las láminas y evalúen entre todos si los dibujos representan los cambios realizados e interacción de las pelotas.

Si lanzamos un balón contra el piso, rebota y la velocidad del balón se modifica. Se dice que los dos objetos, el piso y el balón, han interactuado, es decir, que han ejercido alguna influencia el uno sobre el otro.

Objetos que se atraen y objetos que se rechazan Todos estamos familiarizados con el uso de la electricidad y el magnetismo, aunque quizá no nos hayamos detenido a pensar en la importancia que tiene en nuestras actividades diarias. Las usamos al abrir la puerta del refrigerador, al encender una lámpara, cuando tocamos un timbre, al llamar por teléfono, cuando encendemos la televisión para disfrutar un programa y en muchas otras situaciones cotidianas. Cuando dos objetos se atraen o rechazan entre sí, ¿interviene la electricidad, el magnetismo o ambos? ¿Qué opinas? ¿Quieres comprobarlo? Realiza la siguiente actividad y observa la interacción por contacto y a distancia en algunos objetos.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para analizar y reflexionar sobre los fenómenos de interacción por contacto y a distancia. ¿Qué se necesita? Peine de plástico, trozo de tejido de lana, pequeños trozos de papel, globos, dos imanes de barra. ¿Cómo hacerlo? 1. Infla dos globos, frótalos contra tu cabello y después acércalos a la pared. 2. Frota el peine con el trozo de lana o con tu cabello y acércalo a los trozos de papel.

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Bloque 2

3. Infla dos globos y frótalos con el trozo de lana, después aproxímalos uno al otro. 4. Para saber cuál es el polo norte de un imán que no está marcado, se puede suspender de un hilo: el extremo que apunte hacia el norte es el polo norte y el que apunte hacia el sur es el polo sur. Márcalos para que no te confundas. 5. Juega con ellos acercando el polo norte al polo sur; después acerca los dos polos norte y los dos polos sur. 6. Diseña una tabla de observaciones para anotar lo que consideres importante.

Para concluir: 1. ¿Cómo explicarías los fenómenos observados? 2. Comenta y discute tu explicación con tus compañeros del grupo. 3. Compara tus respuestas con las de tus compañeros.

4. Entre todos elaboren una conclusión final sobre lo que han aprendido acerca de las interacciones entre los cuerpos que escribirán en el pizarrón y en su libreta.

Este tipo de fuerza es la que causa muchos fenómenos llamados electrostáticos. En nuestra vida cotidiana podemos observarlos: cuando recibimos un ligero “toque” al tomar un metal, después de haber frotado los pies en una alfombra de lana; cuando nos quitamos una prenda de nylon escuchamos un chasquido; lo mismo sucede cuando el ambiente no está húmedo y nos peinamos vigorosamente el cabello con un peine de plástico en un cuarto oscuro y podemos ver las pequeñas chispas que aparecen. ¿Qué otros ejemplos puedes mencionar?

1.1.2 La idea de fuerza en la cotidianeidad Comúnmente utilizamos diferentes vocablos para decir qué es una fuerza. ¿Puedes mencionar algunos ejemplos? ¿Has visto alguna vez un partido de futbol en que el portero se mueva rápidamente, se lance y detenga el balón antes de que entre en la portería? (figura 2.2a). Comenta con tus compañeros acerca de cuántas palabras podrías usar para expresar que la mano ejerce una fuerza sobre la pelota. a)

b)

Se deforman

Detienen el movimiento

Figura 2.2 Una fuerza puede detener el movimiento de un objeto o deformarlo.

Ahora observa la figura 2.2b. ¿Por qué se deforma el globo? ¿Los objetos de la figura 2.2a y b se encuentran en movimiento? ¿Por qué? ¿Te gusta jugar a las canicas? Cuando colocas tus canicas en el piso y lanzas contra ellas otra canica para que choquen, ¿la palabra chocar, también puede significar fuerza? Cotidianamente decimos que un objeto tiene presión, lleva energía, se le impulsó, lo jalamos o lo empujamos. ¿Conoces otras palabras que cotidianamente expresen fuerza? ¿cuáles? Busca otras situaciones en que se manifiesten las fuerzas en la vida diaria y ponles nombre. Diseña tu propia investigación.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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Investigación Problema ¿Qué vocablos se utilizan cotidianamente para expresar el concepto de una fuerza? Plantea un plan de investigación Integrados en equipos de tres o cuatro alumnos planteen un plan de investigación para resolver el problema indicado. Propósitos 1. Definir un procedimiento para llevar a cabo la investigación mencionada. 2. Identificar las diferentes expresiones que se usan comúnmente para designar el significado sobre una fuerza. ¿Qué necesitas? Encuestas, diccionario, libros de física, otros. Bibliografía: Libros de Física de Secundaria (los encontrarás en la biblioteca). Enciclopedias. Diccionario Escolar Academia Secundaria, Fernández Editores, México. Diccionario Escolar Ilustrado Junior, Larousse, México. Diccionario Oxford-Complutense Física, Editorial Complutense, España.

Plan de la investigación 1. Prepara una tabla de datos en tu libreta para registrar los conceptos sobre el vocablo común de fuerza. 2. Analizarás más de un término de fuerza de uso común. Revisa tu plan 1. ¿Qué clase de experiencias harás?¿Cómo distinguirás sus semejanzas y sus diferencias? 2. ¿Dónde llevarás a cabo las encuestas o la investigación bibliográfica y de campo? 3. Observa los efectos de las fuerzas. Identifica el concepto de fuerza que se utiliza cotidianamente. 4. Escribe tu plan y revísalo con tus compañeros de equipo y con tu maestro. Efectúa los cambios que se requieran y lleva a cabo tu investigación. Para concluir: 1. Escribe en tu libreta lo que para ti es una fuerza. 2. Analiza cuántos significados del vocablo fuerza encontraste. 3. Compara tus resultados con los de tus compañeros de grupo. 4. Identifica si hubo algún vocablo sobre el concepto de fuerza que haya sido diferente a los tuyos. 5. Concluye: Entre todo el grupo hagan un listado de los vocablos usados normalmente y que significan “fuerza”. Completa los que te falten. 6. Elaboren una tira cómica sobre los diferentes vocablos que significan fuerza, denlo a conocer a la comunidad escolar y a sus padres.

2. Una explicación del cambio: la idea de fuerza 2.1 La idea de fuerza: el resultado de las interacciones Cuando golpeamos una pelota con los brazos o con cualquier parte de nuestro cuerpo, el movimiento de la pelota cambia. Decimos que los dos objetos, el brazo y la pelota, han interactuado, o sea que han ejercido alguna influencia el uno sobre el otro. Si observaras que una pelota sobre el pavimento de pronto se empieza a mover, de inmediato pensarías que hay una causa que produce su movimiento. De manera general podemos afirmar que la pelota se ha movido debido a una fuerza de algún tipo. Por ello, podemos decir que una fuerza representa la acción de un cuerpo sobre otro.

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Bloque 2

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para identificar el cuerpo que aplica una fuerza y diferenciarlo de quien la recibe. ¿Qué se necesita? Libro de Ciencias, bolígrafo y pelota de esponja.

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¿Cómo hacerlo? Observa las figuras del cuadro e indica dentro de la tabla qué interacciona para producir la fuerza y quién la recibe.

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Figura 2.3 Efectos de una fuerza sobre un objeto.

Figura



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¿Qué interacciona?

¿Qué produce la fuerza?

Para concluir: 1. Compara tus resultados con los de tus compañeros de grupo. 2. Mediante una lluvia de ideas, comenten cada figura. 3. ¿Qué ocurre cuando al interactuar los objetos uno de ellos sufre un cambio? 4. Observa las figuras y describe qué movimiento se produce al interactuar los objetos.

¿Qué la recibe?

5. Con tus manos oprime fuertemente una pelota de esponja. ¿Qué sucede? 6. Coloca la pelota sobre la palma de tu mano izquierda y golpéala fuerte con tu mano derecha. a) Anota lo que sucede. b) Explica a qué se debe. 7. Coméntalo con los compañeros de tu grupo y anota como conclusión final la idea que tengan de lo que es una fuerza.

2.1.1 El concepto de fuerza como descriptor de las interacciones ¿Sabes lo que es una fuerza? Podemos definir a una fuerza como un empujón o un jalón. Cuando cuelgas tu ropa en el clóset, el gancho empuja la ropa hacia arriba. Si pones una pelota sobre la palma de tu mano, la pelota empuja tu mano hacia abajo. Estas fuerzas se generan cuando un cuerpo está en contacto con otro. Así, si

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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sueltas la pelota caerá al piso jalada por una fuerza llamada gravedad. La gravedad es una fuerza que actúa entre los objetos aunque ellos no se Fuerza: causa capaz de encuentren en contacto. En algunas ocasiones las fuerzas, como la de la modificar el estado de regravedad sobre la pelota, producen aceleraciones; otras veces las fuerzas poso o movimiento de un estiran, doblan o comprimen un cuerpo. Todas las fuerzas son vectores, cuerpo, o de producir una porque además de su magnitud, tienen una dirección. Por ejemplo, cuandeformación. do decimos “hacia abajo”, significa la dirección en que jala la gravedad. La interacción entre las partículas es uno de los objetivos fundamentales del estudio de una parte de la física: la cinemática. Podemos mencionar otros ejemplos de fuerzas que interactúan, como las que explican fenómenos tan comunes como la atracción magnética de un clavo por un imán, el movimiento que se realiza cuando empujas un carrito del supermercado o las fracturas que se producen en un edificio por el movimiento durante un terremoto. Todos los ejemplos mencionados son producidos por efectos de las fuerzas. Aunque pueden mencionarse cientos de fuerzas distintas, todas ellas se agrupan en cuatro clases: las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza:

Glosario

· La interacción gravitatoria: es una fuerza atractiva que existe entre todos los cuerpos. La fuerza de gravedad terrestre mantiene a la Luna en su órbita. La fuerza gravitacional de la Luna sobre la superficie terrestre produce las mareas. A pesar de sus efectos en nuestra vida cotidiana, la fuerza de la gravedad es la más débil de las cuatro. · La interacción electromagnética: son fuerzas que surgen de una propiedad fundamental de las partículas llamadas carga eléctrica. Las partículas cargadas en reposo o en movimiento ejercen fuerzas eléctricas unas sobre las otras. Las fuerzas eléctricas y magnéticas se manifiestan en una sola fuerza, la fuerza electromagnética, la cual es muy grande comparada con la fuerza de gravedad. · La interacción nuclear fuerte: se manifiesta principalmente sobre distancias del tamaño del núcleo de un átomo. Mantiene unidas entre sí a las partículas en el núcleo. De las cuatro interacciones, es la más fuerte, cientos de veces mayor que la fuerza electromagnética. Pero actúa únicamente sobre distancias muy pequeñas (del tamaño de los núcleos atómicos). · La interacción nuclear débil: este tipo de fuerza nuclear es mucho más débil que la interacción nuclear fuerte, y puede detectarse sólo en determinadas clases de degradación radiactiva.

2.1.2 La dirección de la fuerza y la dirección del movimiento El resultado de la aplicación de una fuerza externa, por ejemplo patear una pelota, es que la pelota se mueva, y en el momento de golpearla vemos que también cambia de forma. Si la golpeamos o empujamos cuando está en movimiento también puede cambiar la dirección de su movimiento. Por los ejemplos mencionados podemos darnos cuenta que el hecho de apretar, empujar o jalar un cuerpo, va de la mano con la idea que tenemos de una fuerza, la cual no podemos ver ni tocar, pero sí podemos percibir sus efectos y valorar su magnitud. De la misma forma que la velocidad y la aceleración, las fuerzas se representan gráficamente mediante vectores, que se trazan sobre el objeto que recibe la acción.

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Bloque 2

La pila de libros que sostiene una persona en la figura 2.4 está sometida a dos fuerzas: el peso de los libros que se ejerce hacia abajo y la fuerza que recibe de los brazos, que actúa hacia arriba. Estas fuerzas son iguales en magnitud pero de sentido contrario; la fuerza neta será cero. Las fuerzas iguales pero con la dirección opuesta se anulan entre sí, (una fuerza neta es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan simultáneamente sobre un cuerpo). Cuando dos equipos desarrollan la misma magnitud de la fuerza en la misma dirección, pero con sentido contrario, ¿sabes cuál será la fuerza neta? Podemos considerar que una de las fuerzas lleva sentido negativo y la otra positivo; al sumarlas algebraicamente (restarlas) dan cero (figuras 2.5 y 2.6). Las fuerzas iguales, pero con dirección opuesta, se anulan entre sí, así que la fuerza resultante es cero.

Figura 2.4 No se puede conocer el efecto de una fuerza si no se conocen su dirección ni su sentido. Los brazos pueden vencer la fuerza ejercida hacia abajo por el peso de los libros, pero no pueden vencer una fuerza mayor como la que ejerce la caja fuerte, la cual caerá al piso.

Figura 2.5 Las fuerzas ejercidas por los equipos actúan en la misma dirección, pero llevan sentido contrario.

Figura 2.6 La resultante (R), se obtiene restando el valor de la magnitud de las fuerzas.

Reflexiona Observa las figuras 2.5 y 2.6 y contesta: 1. ¿Ejercen los competidores una fuerza sobre el piso?

2. Indica la dirección. 3. ¿Qué efectos tiene la fuerza? 4. Explica tus respuestas.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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2.1.3 Suma de fuerzas

→ F

→ → F=P

Como hemos podido apreciar, por lo general sobre un cuerpo actúan una o más fuerzas. A las fuerzas que actúan de manera conjunta y simultánea las llamamos sistema de fuerzas. → P El peso (→ p ) del cuerpo (gráfica 2.1) actúa hacia el centro de la Tierra. En una esfera suspendida de un hilo actúan dos fuerzas: → su peso (→ p ), que se ejerce verticalmente hacia abajo; y la fuerza ( f), Gráfica 2.1 Las dos fuerzas que actúan que es la tensión del hilo que actúa verticalmente hacia arriba. Las sobre la esfera son de igual magnitud y dos fuerzas son iguales en magnitud y están en sentido contrario. con sentidos opuestos. El resultado es que la esfera se encuentra suspendida en reposo; se representan mediante un diagrama al que nombramos diagrama de fuerzas; se obtiene trazando los vectores que representan las Glosario fuerzas sobre el objeto, todas aplicadas sobre un mismo punto. Resultante: fuerza que Las fuerzas se representan gráficamente mediante flechas ( ), produce el mismo efecto indicando de esta manera la dirección y el sentido en que se ejercen. Adeque las demás al actuar más, se utiliza una escala apropiada, y la longitud de la flecha representa simultáneamente. La la magnitud de la fuerza. resultante de un sistema es igual a la suma vectorial de Cada una de las fuerzas que conforman un sistema se llama componente. todas las que componen Existen diferentes sistemas de fuerzas que actúan sobre un cuerpo: ese sistema. Cuando la resultante de un sistema de fuerzas vale cero, el sistema se encuentra en equilibrio.

1. Fuerzas colineales 2. Fuerzas concurrentes o angulares 3. Fuerzas paralelas La unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades (SI), es el newton, representado por la letra N.

Obtiene la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo y describe el movimiento asociado a dicha fuerza 1. Sistema de fuerzas colineales Las fuerzas colineales son aquellas que actúan sobre la misma línea de acción (figura 2.7). Se presentan dos casos:

Figura 2.7 Cada vagón del tren es jalado por una fuerza que actúa en la misma dirección y el mismo sentido.

a) Misma dirección y mismo sentido: en este caso la resultante se obtiene al colocar una fuerza seguida de otra:

(escala: 1 cm = 10 newtons): F1 = 30 N

F1 = 30 N

F2 = 40 N

F3 = 50 N

F2 = 40 N F3 = 50 N

R = F1 + F2 + F3 = 120 N

b) Misma dirección y sentido contrario: al dibujar una fuerza a continuación de la otra sobre la misma línea de acción, la resultante tiene por magnitud la diferencia de las magnitudes de las fuerzas dadas. 74

Bloque 2

Ejemplo: F2 = − 40 N

F1 = 30 N

F3 = 50 N

R = F1 + F2 + F3 = 30 + (− 40) + 50 = 80 − 40 = 40 N El signo nos indica el sentido en que actúa la resultante. Representa el ejemplo en la gráfica siguiente: Sumando F1 y F3 de signo positivo. Restando F2 de signo negativo.

F1 = 30 N



F3 = 50 N

Gráfica 2.2 Fuerzas colineales: misma dirección y mismo sentido. Gráfica 2.3 Fuerzas colineales: misma dirección y sentido contrario.

F2 = −40 N

R = 40 N

Para obtener la resultante “R”, primero deben sumarse las que poseen el mismo sentido; después, de manera independiente, se suman las magnitudes de las fuerzas que van en sentido contrario. Finalmente, se restan ambas, y el resultado es la magnitud de la fuerza resultante y su dirección es la misma de las fuerzas cuya suma es mayor. Gráficamente lo podemos ver como sigue:

5N

5N

+

5N

–5 N

+ 10 N

5N

10 N

= 0 + –10 N

+

–5 N =

10 N

=

–5 N

5N

= =

–5 N

5N

Las fuerzas. La explicación de los cambios

75

Resuelve en tu cuaderno lo que se te pide: a)  F1 = 8 N, F2 = –10 N, F3 = 6 N b) F1 = –7 N, F2 = 12 N c) F1 = 11N, F2 = –6 N Dibuja las fuerzas resultantes utilizando una escala de: 1 N = 1 cm 2. Sistema de fuerzas concurrentes Las fuerzas concurrentes o angulares tienen su aplicación en el mismo punto (punto de apoyo). Para obtener la resultante del sistema se construye un paralelogramo cuyos lados serán las fuerzas conocidas. La resultante será la diagonal que se traza del origen de las fuerzas al punto de las líneas paralelas donde coinciden los vectores componentes (gráfica 2.4).

Fuerza en equilibrio

Tensión en el cable 1

Gráfica 2.4 Las fuerzas que actúan sobre una piñata son concurrentes.

Fuerza en equilibrio

Tensión en el cable 1

Tensión en el cable 2

Tensión en el cable 2

Peso de la piñata

Peso de la piñata

La fuerza resultante de un sistema de fuerzas concurrentes de dos vectores (fuerzas) se obtiene por el método del paralelogramo.

F2 F2

F2 F1

O

F1

O

F1

Gráfica 2.5 Suma de dos fuerzas por el método del paralelogramo.

76

Bloque 2

R

Actividad 1. Resuelve en tu cuaderno lo que se te pide: a) Un cable se ata alrededor de un poste telefónico. La fuerza del cable de la derecha es de 60 N y la fuerza del cable de la izquierda es de 30 N. Si los cables forman un ángulo de 110º, ¿cuál es la fuerza resultante sobre el poste telefónico? (Utiliza una escala de 1 cm = 10 N). b) Un cuerpo se desplaza hacia el Sur con una fuerza de 250 N, en seguida da vuelta hacia el Oriente y su fuerza es de 600 N. Encuentra la fuerza resultante utilizando el método del paralelogramo. c) Dos cuerdas se atan a uno de los extremos de una viga. La fuerza de la cuerda derecha es de 150 N y la fuerza de la cuerda izquierda es de 50 N. Si las cuerdas forman un ángulo de 70º entre sí, encuentra la magnitud de la fuerza resultante sobre el extremo de la viga utilizando el método del paralelogramo. d) Un joven camina 6 km hacia el este y luego 4 km hacia el sur. Mediante el método del paralelogramo encuentra el desplazamiento resultante. 2. Ahora, en equipo de tres personas, comenten sus resultados y analicen sus diferencias, si es que existieron. Evalúen su trabajo y anoten en su cuaderno las dificultades que encontraron al resolver los ejercicios y cómo las superaron. Método del polígono Este método se aplica a más de dos vectores, por lo tanto es muy útil. Por ejemplo, un carro recorre 80 km hacia el norte durante el primer día de viaje, 50 km al noreste el segundo día y 140 km hacia el este el tercer día. Encuentra el desplazamiento resultante con el método del polígono. 1. Lo primero que debe hacerse es utilizar una escala adecuada, por ejemplo 20 km = 1 cm. Si utilizamos esta escala podemos observar que: 80 km = 80 km

1 cm = 4 cm 20 km

una flecha que represente la magnitud y dirección del primer vector. 3. Traza la flecha del segundo vector de forma que su origen coincida con la punta de la flecha del primer vector. 4. Sigue el proceso hasta que la magnitud y la dirección de todos los vectores queden representados. 5. Traza el vector resultante uniendo el origen de la primera fuerza con la punta de flecha de la última fuerza. 6. Mide con la regla y el transportador para determinar la magnitud y la dirección del vector resultante. 140 km

20

km 45°

R (desplazamiento resultante)

60 km

Kilómetros 0 20 40 60 0

3

Método del polígono 7. Observa que la flecha resultante tiene 13 cm de longitud; por lo tanto, la magnitud es: 60 km = 60 km

1 cm = 6 km 10 km

20 km = 20 km

1 cm = 2 km 10 km

140 km = 140 km

1 cm 50 km = 50 km = 2.5 cm 20 km

1 2 cm

1 cm = 14 km 10 km

Al realizar la medición con una regla, sobre el diagrama a escala, se observa que la flecha resultante tiene 9 cm de longitud. Por lo tanto la magnitud es:

1 cm 140 km = 140 km = 7 cm 20 km 2. Ahora ya tienes la longitud de las flechas que corresponden a cada vector. Después dibuja a escala

R = 9 cm = 9 cm ×

Las fuerzas. La explicación de los cambios

1 cm = 0.9 km 10 km

77

Actividad 1. En tu cuaderno, resuelve lo que se te pide:

na 70 pasos en línea recta hacia el este, después 120 pasos en un ángulo de 75º hacia el noreste, en seguida 70 pasos en un ángulo de 20º hacia el noreste y finalmente 16 pasos hacia el sur, lugar donde se encuentra el botín. ¿A qué distancia de la iglesia y en qué dirección se encuentra el botín del ladrón?

a) Las siguientes cuatro fuerzas actúan simultáneamente sobre un mismo objeto: A = 30 N, 30º norte; 60 N, 250º; C = 20 N, 70º y 20 N, hacia el este. Representa cada fuerza con un vector y determina la resultante por el método del polígono. b) Un corredor corre hacia el oeste una distancia de 300 m, luego gira hacia el norte y recorre 500 m. Después se mueve en dirección 40º sureste, ¿cuál es el desplazamiento resultante utilizando el método del polígono? c) Felipe encontró el mapa de un ladrón y dice que “A partir de la iglesia del poblado cami-

2. Ahora, en equipo de tres personas, comenten sus resultados y analicen sus diferencias, si es que existieron. Evalúen su trabajo y anoten en su cuaderno las dificultades que encontraron al resolver los ejercicios y cómo las superaron.

Actividad F1 =

¿Se mueven? ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar experimentalmente la resultante de un sistema de fuerzas y verificar la condición de equilibrio de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo.

kg;

F2 =

F3 =

kg;

kg

1

2

0

0

0

0 10 10 20 20

¿Qué se necesita? 2 clavos de 2.5 pulgadas, tabla cuadrada con perforaciones (60 cm × 60 cm), 3 dinamómetros de 2 000 kg, hilo o cordón resistente, estuche de geometría. ¿Cómo hacerlo? 1. Con la orientación del maestro, formen equipos de cuatro o cinco integrantes. 2. Introduce los clavos en las perforaciones como se muestra en la figura. Sujeta a cada uno de ellos un dinamómetro y amarra a sus ganchos un hilo de 30 cm de largo. 3. Inserta en el hilo el gancho del tercer dinamómetro y jálalo hasta que el hilo esté tenso. Mide el ángulo que forma el hilo al unir los dinamómetros. Ángulo = 4. Observa y registra la lectura indicada en cada dinamómetro.

78

Bloque 2

20

20

30 30 40 40 50

40 50

40

0

0

10

20 20

3

30

40

40

50

Para concluir: 1. ¿Qué características presentan las fuerzas de los dos dinamómetros que están unidos por medio del cordón? 2. ¿Cómo se llama el sistema que forman estas fuerzas?

  3. ¿Cuál es la magnitud de las fuerzas componentes que se registra en los dinamómetros?   4. ¿Qué ángulo describen las fuerzas componentes de los dinamómetros 1 y 2?   5. ¿Cuál es la magnitud de la fuerza resultante que registra el dinamómetro 3?   6. Con la escala de 1 cm = 10 N representa lo anterior por medio de vectores y haz los trazos correspondientes para que obtengas gráficamente la resultante.   7. Compara el valor de la resultante de la gráfica con la que marca el dinamómetro.   8. Si no coincide la magnitud de la resultante de la gráfica con la que registra el dinamómetro, indica a qué se debe.   9. Coloca los clavos en otras perforaciones de la tabla y haz lo mismo que en la manipulación anterior.

10. Con la escala 1 cm = 10 N representa el sistema de fuerzas por medio de vectores. Haz los trazos que te permitan obtener la fuerza resultante. 11. Contesta las siguientes preguntas: a) ¿Cuál es el ángulo que describen las fuerzas componentes? b) ¿Qué magnitud tienen las fuerzas que forman el sistema? c) ¿Cuál es la magnitud de la fuerza resultante que registra el dinamómetro? d) Si no coincide la cantidad de la resultante de la gráfica con la registrada en el dinamómetro, ¿a qué se debe? 12. Comenten con otros equipos los resultados obtenidos y elaboren una conclusión grupal. 13. ¿Sabes por qué los dinamómetros comerciales usan el kilogramo como unidad? En la siguiente lección podrás descubrirlo.

2.1.4 Reposo Mencionamos anteriormente que una fuerza es capaz de provocar dos efectos en los cuerpos: a) Modificar el estado de reposo o de movimiento de los cuerpos. b) Deformar los cuerpos. Cuando un cuerpo aplica una fuerza sobre otro, ambos, tanto el que aplica como el que recibe modifican en este momento su estado de reposo o de movimiento. La deformación que sufren los cuerpos al aplicarles una fuerza depende de la intensidad de la fuerza aplicada y de la elasticidad de los cuerpos.

Para saber más

Fricción ¿Conoces la causa del desgaste de las suelas de los zapatos? ¿Y la del desgaste de las piezas de las máquinas? ¿Por qué ocurre? En todos los movimientos en donde se encuentran dos superficies en contacto se da una oposición al deslizamiento de una sobre otra, lo que impide que una se mueva indefinidamente con velocidad uniforme. Esta resistencia ocurre en cualquier medio (sólidos, líquidos y gases), actúa siempre en sentido opuesto al desplazamiento de los objetos y es indispensable vencerla para permitir el movimiento de los objetos. Todo ocurre porque existe una fuerza llamada fricción, que actúa sobre los objetos que se deslizan sobre otros (figura 2.8).

Canica Superficie de tierra

Superficie de vidrio Menor fricción Mayor velocidad

a)

Mayor fricción Menor velocidad

Menor fricción Mayor velocidad

b)

Mayor fricción Menor velocidad

Figura 2.8 A menor fricción mayor velocidad y a mayor fricción menor velocidad.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

79

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para apreciar de manera práctica la deformación que sufren los cuerpos cuando se les aplica una fuerza. ¿Qué se necesita? Consigue algunos objetos que puedan deformarse, como un globo inflado, un trozo de plastilina, masa, lodo, pelota de esponja, etcétera. ¿Cómo hacerlo? Presiona con tus manos cada uno de los objetos (no con tus uñas) para que adquiera formas diferentes durante un momento y después deja de presionar. Procura que la fuerza aplicada varíe desde muy suave y aumente poco a poco.

Para concluir: 1 ¿Cómo es la deformación de los diferentes objetos? 2. ¿Cuáles tienen mayor o menor elasticidad? 3. ¿Cómo es la fuerza aplicada en los que presentan mayor elasticidad, comparada con los de menor elasticidad? 4. ¿La intensidad de la fuerza tiene alguna relación con la deformación o movimiento de un objeto? 5. Fundamenta tu respuesta. 6. Con la ayuda del profesor comenta con tus compañeros los resultados de la experiencia y elabora una conclusión que anotarás en tu libreta.

2.2 ¿Cuáles son las reglas del movimiento? Tres ideas fundamentales sobre las fuerzas ¿Sabes qué produce un movimiento? ¿Cómo puede conservarse? ¿Qué significa inercia? En los temas vistos anteriormente se explicaron los movimientos producidos en los cuerpos cuando se jalan, se impulsan o se caen, así como los conceptos de velocidad, aceleración y sus efectos. No todas las fuerzas producen los mismos efectos. El resultado de aplicar una fuerza sobre un cuerpo depende de tres factores: · La magnitud de la fuerza. · El punto del cuerpo donde se aplica. · La dirección y el sentido en que se ejercen. La fuerza es una cantidad vectorial. Y para precisar perfectamente la acción de una fuerza sobre un cuerpo se indica también el punto de aplicación (figura 2.9) El vector que representa la fuerza es un segmento de recta, que a escala conveniente representa la magnitud de la fuerza. Por ejemplo, una fuerza de 20 newtons puede representarse por un segmento de 2 cm de longitud. Su escala es de 1 cm = 10 N. En el Sistema Internacional (SI) las fuerzas se miden en newtons (N). La dirección de la recta a la cual pertenece el segmento que representa al vector es la misma que la de la fuerza. Ejemplo: Norte-Sur; Este-Oeste; a 90° respecto a la horizontal, etcétera. El sentido se precisa mediante una punta de flecha en uno de los extremos del segmento; a éste se le llama extremo libre del vector, el otro es su origen.

80

Bloque 2

El punto de aplicación, como se ha indicado, es de orden físico más que matemático y sólo se indica cuando la fuerza debe ser totalmente determinada.

Origen

Dirección

Sentido

4 N = magnitud

Para pensar

Activ i d a d Indica cuáles de los vectores de la figura 2.10 poseen: 1. La misma dirección. 2. La misma dirección y sentido. 3. Igual magnitud.

Figura 2.9 Características de un vector.

4. ¿Qué vectores son iguales? 5. Mide cada uno y marca cada centímetro; considera que: 1 cm = 10 N.

Dos estudiantes compararon la posición de los vectores que ellos habían dibujado sobre un diagrama de movimiento que mostraba la posición de un objeto moviéndose hacia el Norte y hacia el Oeste, y encontraron que las direcciones de sus vectores no eran las mismas. ¿Por qué supones que observaron esta situación? Coméntala con tus compañeros y entre todos obtengan una respuesta que consideren correcta.

Figura 2.10 Vectores.

2.2.1 La medición de la fuerza Por lo general recurrimos a los instrumentos de medición, como la balanza, para medir las masas, y el dinamómetro para medir pesos o fuerzas. Las fuerzas son magnitudes físicas que pueden medirse. El resultado, al igual que toda magnitud física, necesita de una unidad para representar el valor que corresponde a la fuerza obtenida. El newton “N” se aceptó como unidad de fuerza del SI. Una fuerza resultante de 8 N producirá una aceleración de 8 m/s2, y una fuerza de 12 N producirá una aceleración de 12 m/s2 a una masa de 1 kg. El newton se define como la fuerza que se proporciona a una masa de 1 kg para acelerarla 1 m/s2. La fuerza es una magnitud derivada de las unidades de masa y de las de aceleración. El aparato que se utiliza para medir las fuerzas es el dinamómetro (figura 2.11). 1 N =

1 kg ⋅ m s2

En la práctica se emplea como unidad de fuerza el kilogramo-fuerza, al que representamos como kgf; éste equivale a 9.8 N y para redondearlo se le da un valor de 10 N.

Figura 2.11 El dinamómetro es el aparato que se usa para medir las fuerzas.

1 kgf = 9.8 N o 1 kgf es aproximadamente igual (≈) a 10 N

Las fuerzas. La explicación de los cambios

81

El funcionamiento del dinamómetro se basa en la ley de Hooke (figura 2.12), acerca del alargamiento que experimenta el resorte bajo la acción de una fuerza cuya magnitud se marca sobre una escala (gráfica 2.6). Cuando colgamos una pesa de un resorte, éste se alarga. Si le agregamos más pesas el resorte se alarga aún más, ¿qué ocurre si quitamos las pesas? Así es, el resorte recupera su longitud original, porque el resorte es un cuerpo elástico. Cuando cuelgas una pesa de un resorte, le estás aplicando una fuerza. Las deformaciones experimentadas por el resorte son directamente proporcionales a las fuerzas aplicadas. El alargamiento (a) es directamente proporcional a la fuerza (f) que lo produce (gráfica 2.6). 7

Alargamiento (cm)

6 5 4 3 2 1 0

50

100 150 200 250 300 350 400

Fuerza (kgf ) Gráfica 2.6 Gráfica de la ley de Hooke para un caso particular.

Nota: Para trazar la gráfica es conveniente que inicies con el punto cero (0,0) o punto de reposo. Fórmula: a a′ = f f′ donde: a = alargamiento inicial; es la lectura del alargamiento del resorte (parte inferior), sin peso. a′ = alargamiento final; se toma la lectura del alargamiento del resorte cuando se le puso la pesa. f = fuerza inicial, se refiere a la fuerza que se maneja al inicio de la experiencia, que normalmente corresponde a lectura de la escala cuando el resorte carece de una pesa. f ′ = fuerza final, corresponde a la lectura de la escala con la pesa determinada. Figura 2.12 Balanza de Holli. Demostración de la ley de Hooke.

82

Bloque 2

50 g

Actividad Por medio de una discusión dirigida por el profesor, expongan y comenten en grupos sus respuestas hasta llegar a conclusiones que anotarán en el pizarrón y en su libreta.

2. Observa la gráfica 2.6 que indica el alargamiento del resorte en función de la fuerza aplicada. 3. Interpreta la gráfica 2.6.

Contesten las siguientes preguntas: 1. ¿Cuándo tiene el alargamiento del resorte un valor cero?

Actividad

Construcción de un dinamómetro ¿Para qué lo hacemos? Para obtener la medición de algunas fuerzas. ¿Qué se necesita? Un resorte adecuado o una liga, clavos, adhesivo, un vasito de plástico con tres orificios en la parte superior a igual altura, regla, martillo, papel milimétrico, cartón, monedas de distinta denominación y una báscula (de cocina u otra).

a)

¿Cómo hacerlo? 1. Corten dos tiras iguales, una de cartón y otra del papel milimétrico, y péguenlas. 2. Utilizando el clavo, coloquen el cartón sobre la pared. 3. Suspendan el resorte del clavo, amarren el hilo a los orificios del vaso para suspenderlo del resorte como se observa en la figura 2.13b.

b) Figura 2.13 Construcción de una balanza y de un dinamómetro.

4. Marquen con un lápiz rojo sobre el papel milimétrico, 0 g sobre la base del vaso vacío. 5. Al colocar cualquier objeto en el platillo de tu dinamómetro, el resorte se estirará y esto te permitirá hacer tus mediciones. a) Para establecer la escala de medidas en gramos, utiliza objetos cuya masa conozcas; por

ejemplo, monedas (puedes medir la masa de los objetos que vas a utilizar en las básculas de la cocina). b) Coloca uno por uno los objetos y registra el peso de cada uno, al ras de la base del vasito; por ejemplo: 4 gramos de una moneda; 40 gramos si pones diez, etcétera.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

83

Para concluir: 1. Midan la distancia entre cada nueva marca y la inicial. Puedes usar cada una de las medidas para hacer una escala que te permita conocer el peso de tus monedas.

2. Mediante una gráfica indiquen la relación que existe entre las monedas utilizadas y el alargamiento del resorte.

2.2.2 La idea de inercia Isaac Newton es considerado como uno de los estudiosos de la física más grande de todos los tiempos. Iniciaremos nuestro estudio de su obra conociendo las tres primeras leyes del movimiento, publicadas por primera vez en 1689 en su obra titulada Principia Mathematica Philosophiae Naturalis (Principios Matemáticos de Filosofía Natural). Piensa y analiza las siguientes preguntas, después coméntalas con tus compañeros del grupo y por último anota una conclusión: ¿qué le sucede a un objeto colocado sobre un pedazo de papel si se jala de un tirón el papel? ¿Cuál será la explicación física de este fenómeno?

Actividad Para hacer esta actividad, con ayuda del profesor(a) formen equipos de tres o cuatro alumnos.

moneda, botella de refresco vacía y balín o canica más pequeña que la boca de la botella.

¿Para qué lo hacemos? Para percibir mediante una experiencia sencilla la primera ley de Newton o ley de la inercia.

¿Cómo hacerlo? 1. Pongan en su mano una moneda sobre el pedazo de cartulina, como lo indica la figura 2.15. Cierren el puño de la otra mano y con un solo movimiento del dedo índice golpeen la cartulina.

¿Qué se necesita? Pedazo de cartulina (10 × 10 cm) aproximadamente,

Figura 2.15 La tarjeta debe golpearse con fuerza.

2. Coloquen la cartulina sobre la boca de una botella de refresco vacía, y encima de la tarjeta un balín o una canica, de tal forma que quede exactamente sobre la boca de la botella; a continuación se le da un golpe rápido y fuerte con los dedos a la tarjeta. ¿Qué sucede? Fundamenten su respuesta.

la inercia de los pasajeros los lanza hacia delante hasta que una fuerza opuesta los detiene. ¿Qué objeto ejerce la fuerza, el volante del conductor, el tablero de instrumentos o el vidrio del parabrisas? ¿Qué papel tiene el cinturón de seguridad en estos casos? Fundamenta tu respuesta.

3. La inercia es la causa principal de los accidentes mortales en los choques frontales entre dos vehículos y aunque éstos se detengan bruscamente

Para concluir: Anota tus conclusiones en tu libreta y coméntalas a tu profesor.

84

Bloque 2

Cuando un niño jala mediante una cuerda un carro de juguete se produce un movimiento, pero si de pronto suelta la cuerda, ¿qué pasa? ¿Por qué? La inercia es la tendencia de un cuerpo en reposo a permanecer en ese estado y de un objeto en movimiento a continuar el movimiento con su velocidad original. Por ejemplo, un camión cargado tiene mayor inercia que un camión de juguete, ya que es más sencillo mover el segundo que el primero; además, es más fácil detener el camión de juguete cuando ambos se desplazan a igual velocidad. Primera ley de Newton: ley de la inercia: “Todo cuerpo tiende a permanecer en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo hasta que una fuerza externa actúe sobre él.” Esto significa que los objetos tienden a continuar haciendo lo que ya estaban haciendo. Este principio se demuestra en muchos experimentos sencillos, como los que se indican a continuación. Si sobre el mantel de una mesa se encuentran en reposo platos, tazas u otros objetos, ¿continuarán en reposo si se tira repentinamente del mantel?, ¿los objetos permanecerán sobre la mesa? Si intentas experimentarlo, debes utilizar utensilios de plástico. Cuando un vehículo frena bruscamente, la carga que transporta tiende a continuar en movimiento. Cuando se encuentra en reposo, al acelerar, la carga tiende a permanecer inmóvil, en la figura 2.14 puedes observar que cuando el vehículo arranca (acelera), los ladrillos obedecen la ley de la inercia y tiende a permanecer en su lugar (reposo) hasta que la fuerza externa de la plataforma, los obliga a moverse. De forma semejante, cuando el vehículo se detiene, los ladrillos tienden a continuar en movimiento hasta que son detenidos por la plataforma del camión o por su propio esfuerzo. Toda la materia posee inercia. Figura 2.14 Debido al principio de la inercia, la carga que lleva el vehículo tiende a continuar en movimiento al frenar, y a continuar en reposo al arrancar.

Un cuerpo en movimiento que no es afectado por la fuerza de fricción, o alguna otra fuerza que lo detenga, permanecerá en movimiento. Un objeto lanzado al vacío del espacio exterior se moverá indefinidamente, debido a su propia inercia. ¿Todos los cuerpos poseen la misma inercia? ¿Puede medirse la inercia? Al transitar por un camino de terracería se atascan dos vehículos: un auto compacto y un camión de redilas, por lo que hay que empujarlos para ponerlos en movimiento. ¿Qué será más fácil, empujar el auto compacto o el camión? ¿Se hace el mismo esfuerzo para poner en movimiento a los dos vehículos? ¿Cuál de los dos tiende a conservar su estado inicial de movimiento? ¿Cuál de ellos tiene más inercia? Por supuesto, el camión requiere más esfuerzo porque tiene mayor cantidad de masa; o sea que los cuerpos que contienen mayor cantidad de masa ofrecen mayor resistencia a cambiar su estado de reposo; por lo tanto, la masa es una medida de la inercia. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo, mayor será su inercia. La masa también se define como la cantidad de materia que tiene un cuerpo. No debemos confundir la masa y el peso. Peso es la fuerza que actúa sobre un objeto debido a la gravedad (g).

Las fuerzas. La explicación de los cambios

85

2.2.3 La relación de la masa con la fuerza ¿Qué relación existe entre la fuerza que se aplica a un objeto y la aceleración que le produce? Si se aplica igual fuerza sobre una bola de boliche y sobre un balín, ¿en cuál de los dos objetos se producirá menor aceleración? ¿Cuál tendrá mayor aceleración? ¿Por qué? Si al cruzar una calle vemos un camión desplazándose hacia nosotros, damos marcha atrás inmediatamente. ¿Qué tiene el movimiento del camión que hace que le tengamos miedo? En primer término, la magnitud de su velocidad, quizá de unos 60 km/h; pero no sólo la magnitud de su velocidad es suficiente para rehuir el vehículo. Una mosca lanzada hacia nosotros a 60 km/h no nos haría retroceder. ¿Entonces es la masa a la que debemos temer? Claro que no, ya que si el camión se encuentra estacionado no nos preocupa. Tal parece que la combinación de la velocidad con la masa tiene un significado especial. Newton expresó que al multiplicar la velocidad por la masa del cuerpo se obtiene una magnitud para medir su movimiento; a esta magnitud se le llama cantidad de movimiento. Cantidad de movimiento = masa × velocidad = mv La cantidad de movimiento se considera una cantidad o magnitud vectorial que tiene la misma dirección y sentido de la velocidad, que puede expresarse en unidades, como kilogramo por metro sobre segundo; también en gramos por centímetro sobre segundo e inclusive gramo por centímetro sobre segundo. kgm s

o

gcm s

La cantidad de movimiento se relaciona con las fuerzas. Newton, en su segunda ley, dijo que la rapidez del cambio de la cantidad de movimiento de un cuerpo es proporcional a la fuerza aplicada y que el cambio tiene la dirección de la fuerza. Newton lo expresó de la siguiente forma: Segunda ley de Newton: “La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que la provoca e inversamente proporcional a la masa del cuerpo.” La aceleración es igual al cociente de la fuerza resultante entre la masa. A partir de esta ecuación vemos que si duplicamos la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo, la aceleración se duplicará. Y si es la masa la que se duplica, entonces la aceleración se reducirá a la mitad. Si se duplican tanto la fuerza resultante como la masa, la aceleración será la misma. f =m⋅a

f = Newton (N) m = kilogramo (kg) a =

metros = segundo2

m s2

Empuja una carretilla vacía. Después empuja, con la misma fuerza, la misma carretilla llena de ladrillos. La carretilla cargada se acelerará mucho menos que la vacía. Lo que nos demuestra que la aceleración depende de la masa del cuerpo que empujas.

86

Bloque 2

La expresión algebraica de la segunda ley de Newton indica que la unidad de fuerza es el Newton (N), que, como ya vimos, equivale a las unidades de masa por la de aceleración: kg × m N = s2 En la ecuación de la Segunda ley de Newton, la masa está dada en kilogramos (kg), la unidad de fuerza debe estar en newtons (N) y la unidad de aceleración en metros por segundo al cuadrado (m/s2). Fuerza (N) = masa (kg) × aceleración (m/s2)

Actividad 1. ¿Cuál será la fuerza que requiere aplicar el ciclista ganador de la figura 2.16 para acelerar su bicicle-

2

ta 15 m/s , si la masa del ciclista y la bicicleta es de 70 kg?

Figura 2.16 El ciclista obtuvo mayor aceleración al aplicar mayor fuerza a los pedales.

2. Obtén la magnitud de la fuerza que se aplicó a la carretilla, de 50 kg de masa si la aceleración que 2 adquirió fue de 2 m/s (figura 2.17).

3. Un automóvil descompuesto se quiere remolcar con otro auto usando una cuerda. ¿Has observado lo que sucede cuando se tira bruscamente de la cuerda? ¿De qué forma debe remolcarse el auto? Fundamenta tu respuesta.

Figura 2.17 La aceleración es inversamente proporcional a la masa del cuerpo.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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Actividad 1. En tu cuaderno resuelve lo que se te pide: a) ¿Qué aceleración causará la magnitud de una fuerza de 25 N si actúa horizontalmente sobre un carrito de 50 kg? b) Una masa de 3 kg recibe una aceleración de m 2.5 2 . Determina la magnitud de la fuerza s que se aplica en newtons. c) Un automóvil de 600 kg es acelerado desde el estado de reposo hasta alcanzar una magm nitud de la velocidad de 12 2 en 8 s en una s carretera recta. ¿De qué magnitud es la fuerza que se requiere para moverlo?

2. Ahora, en equipo de tres personas, comenten sus resultados y analicen sus diferencias, si es que existieron. Evalúen su trabajo y anoten en el cuaderno las dificultades que encontraron al resolver los ejercicios y cómo las superaron. Se sugiere trabajar con programas de modelación de los fenómenos físicos como: SEP (2000), “Primera Ley de Newton” y “Segunda Ley de Newton”, en Enseñanza de la Física con Tecnología, México, ILCE, pág. 111.

2.2.4 La acción y la reacción Isaac Newton formuló una tercera ley tan importante en su repercusión física como la primera y segunda leyes, en las que se explica la forma en que se mueven los cuerpos al someterlos a la acción de fuerzas. La tercera ley de Newton describe una característica de todas las fuerzas. La tercera ley de Newton se conoce como ley de la acción y reacción, debido a que normalmente la planteamos de la siguiente forma: Tercera ley de Newton: acción y reacción: a toda acción corresponde una reacción de igual magnitud, pero en sentido contrario. El principio de esta acción y reacción se puede ilustrar mediante dos dinamómetros, en donde los dos ejercen una fuerza de 5 N pero en sentido contrario (figura 2.18). En el esfuerzo realizado al jalar los dinamómetros, el primero ejerce una acción sobre el otro y el segundo a su vez ejerce una reacción igual y opuesta sobre el primero. G

Figura 2.18 Dos fuerzas iguales y al mismo tiempo opuestas.

Fuerza de 5 N Acción

F

Fuerza de 5 N Reacción

En el ejemplo de la figura 2.18 vemos que las fuerzas actúan en direcciones opuestas y sobre objetos diferentes (dinamómetros). La fuerza F1 ejercerá la acción del objeto 1 hacia el objeto 2 y la fuerza F2 proviene del objeto 2 al objeto 1. Representamos la ecuación de la tercera ley de Newton de la siguiente manera: F1 = −F2

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Bloque 2

Otro ejemplo lo tenemos al caminar. Al andar ejercemos con los zapatos una acción (fuerza) hacia atrás sobre el suelo debida a la fricción, y el suelo nos responde con una reacción de igual magnitud sobre los zapatos. Esta fuerza de reacción es la que permite que una persona acelere hacia adelante y pueda caminar. Es el mismo mecanismo que hace mover a un bote de remos en el agua (figura 2.19). ¿Cuál será la reacción del bote si el hombre ejerce una acción de 22 N?

Acción

Reacción

Figura 2.19 El bote se aleja en el momento que el hombre salta sobre el muelle.

La tercera ley de Newton tiene gran aplicación en la actualidad en la fabricación de cohetes espaciales, satélites artificiales y otros proyectos aeronáuticos.

Figura 2.20 Los libros ejercen una fuerza hacia la mesa; sin embargo, la mesa ejerce sobre ellos una fuerza de la misma magnitud, de otro modo caerían debido a su peso.

Actividad 1. Busca otros ejemplos de la tercera ley de Newton e ilústralos y señala las fuerzas en tu cuaderno.

2. Comenta con tus compañeros los ejemplos anotados.

Pa r a p e n s a r El profesor Gabriel muestra a sus alumnos un dibujo como el siguiente: F N = 30 N

P = 30 N Dos alumnos discuten de la siguiente manera: Rafael dice que el esquema simboliza a un cuerpo que puede estar en movimiento, probablemente moviéndose horizontalmente. Sin embargo, su amiga Tere está en desacuerdo, pues ella piensa que como no hay una fuerza que actúe en esa dirección, el objeto no puede moverse y que probablemente esté en reposo sobre la superficie debido a que las fuerzas se encuentran en equilibrio. ¿Quién tiene razón? Justifica tu respuesta.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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2.2.5 Descripción y predicción del movimiento mediante las leyes de Newton ¿Te gusta acudir a las funciones de circo? ¿Te has dado cuenta de la cantidad de movimientos que se presentan en cada función? Por ejemplo, un trapecista se traslada de un trapecio a otro colocados a gran altura; un acróbata se para sobre el lomo de un caballo que va corriendo alrededor de la pista; los elefantes realizan asombrosas hazañas de equilibrio; algunos malabaristas demuestran sus habilidades lanzando varias pelotas hacia arriba sin que se les caigan y los payasos dan la nota de risas y alegría. Todos estos actos causan asombro y todos ellos se basan en el movimiento de los cuerpos. Los mismos movimientos se aplican en las actividades cotidianas. Por ejemplo, caminas para trasladarte de un lugar a otro, escribes o dibujas moviendo la mano. Pero, ¿cómo puedes predecir o describir un movimiento? Muy sencillo, haciendo una investigación semejante a la que realizan los científicos, como en su tiempo lo hizo Isaac Newton, quien se planteó varias hipótesis sobre las causas y efectos del movimiento. Porque él deseaba saber, intentaba conocer el porqué de los movimientos. Imagínense que son científicos y les piden la explicación acerca de cómo se mueven los cuerpos. ¿Cómo planificarías tus actividades y qué pasos seguirías? Vamos a ayudarte un poco, responde las preguntas que aparecen en cada caso y realiza la actividad siguiente.

Actividad Problema ¿Qué relación existe entre la fricción y la aceleración de un cuerpo? ¿Para qué lo hacemos? Para demostrar la relación que existe entre la fricción y la aceleración. Formula una hipótesis Analiza en grupo cómo afecta la fricción de un cuerpo a su aceleración. Apila dos libros y apoya otro en el extremo de la pila para hacer una rampa (plano inclinado), o sea, una superficie en pendiente. Si dejas rodar por la rampa de un libro dos objetos de masa diferente, ¿cuál sería más rápido: el más liviano o el más pesado? ¿Qué proporciona la fuerza constante que actúa sobre los cuerpos? Mientras analizas esta situación, piensa qué sucedería si aumentas la inclinación de la rampa con otro libro; y con otros dos más, ¿qué pasaría? Si rociamos la superficie con algún lubricante como talco, agua o grasa, ¿disminuirá la fricción?

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Bloque 2

¿Para qué lo hacemos? Para medir la distancia que recorren dos objetos de masas diferentes durante el mismo tiempo. Para relacionar la masa y la aceleración. Para conocer cómo afecta la fricción a la magnitud de la velocidad de los cuerpos. ¿Qué se necesita? Selecciona varios objetos pequeños: una piedra, una moneda, una goma, un cochecito, una canica, una pelota, 2 o 3 libros iguales y talco. ¿Cómo hacerlo? 1. Antes de planear el experimento, revisa que los objetos seleccionados no tengan raspaduras o roturas. 2. ¿Qué experimento puedes diseñar para probar tu hipótesis? Necesitas planear tu experimento de modo que tengas una sola variable en cada prueba. ¿Cómo medirás el tiempo? ¿Es constante la fricción? ¿Qué cambiarás en cada prueba? ¿Cómo cambiarán los resultados de cada prueba?

3. Después de haber considerado estos aspectos, redacta el procedimiento que utilizarás para probar tu hipótesis. 4. Diseña una tabla de datos en tu libreta. ¿Qué medirás? ¿Qué datos registrarás en la tabla? 5. Revisa tu plan: ¿cómo piensas medir la distancia recorrida por los objetos? 6. Antes de continuar con el experimento, asegúrate de que tu profesor haya aprobado tu plan. 7. Realiza el experimento y registra las mediciones en la tabla de datos.

Para concluir: 1. Analiza si se comprobó tu hipótesis. Explica. 2. Compara y contrasta cómo cambia el promedio de la magnitud de la velocidad al incrementar el número de libros. 3. Analiza cuáles son las dos fuerzas que actúan sobre la pelota cuando rueda al bajar la rampa. 4. Analiza cómo afecta la fricción a la velocidad de la pelota.

2.2.6 La aportación de Newton y su importancia en el desarrollo de la física y en la cultura de su tiempo ¿Te parece interesante que a Isaac Newton se le haya considerado como a uno de los científicos más importantes de su época? ¿Qué hizo para destacar durante tantos años, a grado tal que en nuestra época aún se le reconoce como a uno de los mayores estudiosos de la física? ¿Por qué sus aportaciones dieron un gran impulso al desarrollo de la física? Dar respuesta a estas cuestiones te permitirá entrar en el mundo de uno de los científicos más brillantes que han existido, además de conocer su obra y la forma en que sus aportaciones lograron el avance de la física. Realiza la actividad siguiente y podrás conocer las respuestas a las preguntas planteadas en el párrafo anterior.

Investigación

Las aportaciones de Newton y el desarrollo de la física Isaac Newton siempre se interesó por comprender los fenómenos que se producían a su alrededor. De esta manera, impulsado por su curiosidad, logró interpretar las características del movimiento y las causas que lo producen. Aplicando mediciones y comparaciones y realizando experiencias de laboratorio para comprobar sus hipótesis, describió sus descubrimientos y elaboró informes de sus experimentos. Busquen información en libros de física, enciclopedias, revistas especializadas o en el Internet de la red escolar. Bibliografía: Enciclopedias. Mason, S. (2001), Historia de las Ciencias, 3, Alianza Editorial, Madrid. Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 1, Alianza Editorial, Madrid, págs. 182-192.

Respondan las preguntas siguientes: 1. ¿Podrían indicar qué aportaciones realizó Newton a la ciencia? 2. ¿Qué importancia les parece que tienen estas aportaciones para el desarrollo de la física? 3. Mencionen algunos de sus descubrimientos científicos y analicen el impacto que causaron en la cultura de su época. 4. ¿De qué modo el conocimiento de estos principios puede ayudarnos en nuestro desarrollo científico y tecnológico? 5. ¿Por qué es importante la cooperación entre distintas naciones para el desarrollo de la ciencia y la tecnología?

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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Durante 1665 y 1666, Isaac Newton desarrolló tres leyes que describen todos los estados del movimiento (reposo, movimiento continuo y movimiento acelerado). Además, esas tres leyes explican de qué forma las fuerzas causan los movimientos. En ese tiempo la mayoría de los científicos estaban de acuerdo con muchas de las ideas de Aristóteles, quien pensaba que el estado natural de las cosas era el reposo. Para mantener cualquier movimiento se requiere la acción de una fuerza. Los cálculos de Newton probaron que muchas de las ideas aristotélicas sobre el movimiento eran erróneas. La importancia de las leyes de Newton ha sido reconocida durante cientos de años; pero el significado de su contribución fue, quizás, mejor expresado por la euforia de la tripulación de la nave espacial “Apolo”, cuando volaron por primera vez con dirección a la Luna. Ellos radiaron un mensaje desde su nave a la base de control en la Tierra diciendo: “Nos gustaría agradecer a la persona que hizo posible este viaje: sir Isaac Newton.”

Para saber más

Efectos de la ingravidez ¿Has visto por televisión o en los periódicos a los astronautas trabajando, descansando o jugando en un transbordador espacial con una fuerza de gravedad aproximadamente de cero? ¿Qué sucede en esos momentos con las leyes de la física? Pero, ¿qué pasa 2 al descender a la Tierra a 9.8 m/s ? En este caso algunas leyes de Newton se vuelven primordiales. Por ejemplo: si quisieras cruzar caminando tu salón de clase, según la tercera ley de Newton, el piso te empujará hacia delante debido a las fuerzas de fricción que se generan entre el piso y tu zapato. Pero en el espacio, donde no hay fuerza de gravedad, no podrás caminar y estarás como en reposo y

permanecerás así, hasta que alguien o algo te aplique una fuerza externa. Si deseas mover un botón, debes ejercer una fuerza sobre él para girarlo; sin embargo, en el espacio, sin la fuerza que se produce entre los zapatos y el suelo, quien giraría serías tú y no el botón. Por lo que los astronautas deben aprender a asirse de alguna parte del transbordador, para evitar rotar al realizar el trabajo antes mencionado. ¿Cómo afectaría la ingravidez la manera en que comes, duermes o al lavarte los dientes? Se recomienda proyectar el video “Movimiento. Las leyes de Newton”, col. Física elemental, vol. 1, México, SEP.

2.3 Del movimiento de los objetos en la Tierra al movimiento de los planetas. La aportación de Newton 2.3.1 El estudio de los astros en distintas culturas. Evolución de las ideas sobre el Sistema Solar a lo largo de la historia ¿Qué clase de fuerza causa el movimiento de los planetas? ¿Qué diferencia existe entre la masa y el peso? ¿De qué manera se explican los fenómenos gravitatorios de nuestro planeta?

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Bloque 2

Desde la antigüedad, los hombres se dedicaban a observar los movimientos de los astros y los cambios en el cielo y en la Tierra. Posteriormente, en Mesopotamia, los babilonios y los asirios comprendieron con bastante claridad el movimiento de los cuerpos celestes; pudieron predecir los eclipses de Sol y de Luna. La egipcia, otra civilización antigua que llegó a conocer la aparición de Sirio, la estrella más brillante en el Hemisferio Norte, podían predecir las épocas convenientes para sembrar los campos y recoger las cosechas. Los egipcios, chinos y mayas hicieron calendarios basados en los astros y mapas de las constelaciones. Durante la época de la civilización griega, se tuvieron ideas muy diferentes sobre el mundo en que vivían. Algunos pensaron que la Tierra era como un cilindro achatado, otros que era plana. También se pensaba que la Tierra estaba inmóvil y era el centro del Universo, otros creían que el Sol giraba a su alrededor. No había acuerdo sobre estos temas. Los filósofos griegos Platón y Aristóteles tomaron ideas de las culturas de su entorno y de otras que les antecedieron, de ese modo trataron de explicarlo desarrollando un modelo geocéntrico mediante el cual situaban a la Tierra como el centro del Universo y los planetas, el Sol, la Luna y las estrellas giraban a su alrededor. En el siglo ii Ptolomeo aún aceptaba la teoría geocéntrica, pues suponía que los planetas giraban en torno a la Tierra con un movimiento circular. Esta teoría se mantuvo durante casi trece siglos. En 1543, Nicolás Copérnico publicó su teoría heliocéntrica, en la que considera al Sol como centro del Universo. Entre los siglos XV y XVII, las observaciones astronómicas en Europa empezaron a tener mayor precisión y fueron más sistemáticas gracias al trabajo de Tycho Brahe (1546-1601). Joannes Kepler, estudió los trabajos de Tycho Brahe y con base en ellos encontró la órbita de Marte y posteriormente propuso tres leyes para el movimiento de los planetas. Galileo Galilei (1564-1642) utilizó por primera ocasión un telescopio para estudiar los cuerpos celestes, de este modo descubrió cuatro satélites de Júpiter y los cráteres de la Luna. Isaac Newton (16421727) también aprovechó los estudios realizados por sus antecesores para formular a las tres leyes del movimiento de los cuerpos y la ley de la Gravitación Universal, entre otros. Gracias a su constancia, estos astrónomos obtuvieron gran cantidad de datos sobre el movimiento de los astros. En el siglo xvi el matemático y astrónomo Nicolás Copérnico formuló un modelo heliocéntrico para explicar el movimiento de los astros, en el que se consideraba al Sol en un estado de reposo y a la Tierra y los planetas girando a su alrededor en órbitas circulares. El modelo de Copérnico revolucionó la antigua creencia sobre el movimiento de los cuerpos celestes y dio lugar a una serie de cuestionamientos sobre su movimiento, entre ellos, ¿qué trayectorias tienen los planetas en su movimiento en torno al Sol?, ¿qué los mantiene en movimiento? El matemático y astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630), explicó que las trayectorias de las órbitas planetarias son elípticas; así sus leyes fueron útiles para vincular la física con la astronomía; además, sentaron las bases para que Newton estableciera la ley de la gravitación universal.

2.3.2 La gravitación como fuerza. La ley de Newton Tiempo después, Isaac Newton descubrió las tres leyes de la dinámica, explicó el movimiento de los cuerpos celestes que forman el Universo y la atracción que tienen

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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entre sí (figura 2.21). Dedujo que existe una fuerza que afecta a todos los cuerpos del Universo, a la que llamó fuerza de gravedad.

Figura 2. 21 Newton, físico, matemático y astrónomo, es considerado como uno de los científicos más relevantes de todos los tiempos.

Sin embargo, cuando se refirió a la fuerza que actúa sobre la superficie de la Tierra o de otros cuerpos, habló de una fuerza que existe entre ellos en todo el Universo. Con relación a la Luna dedujo que como ésta se mueve alrededor de la Tierra, por tanto se mueve alrededor de un círculo, así que la Tierra debía estar ejerciendo una fuerza sobre ella. Después se dio cuenta de que la intensidad de la fuerza de atracción se incrementaba conforme aumentaba la masa de los cuerpos y disminuía la distancia entre ellos. Finalmente dio a sus ideas una expresión matemática, la cual estudiaremos más adelante. Recordemos que la fuerza que actúa sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que le produce. Estos razonamientos le permitieron a Newton deducir que la fuerza de atracción terrestre sobre un cuerpo cualquiera disminuye a medida que el cuerpo se aleja del centro de la Tierra (figura 2.23). ¿Por qué la Luna se mueve alrededor de la Tierra y no cae hacia ella? La Luna se mantiene en órbita, cae hacia la Tierra constantemente, porque la magnitud de su velocidad la mantiene en órbita a pesar de que está acelerada por la fuerza que la impele de la Tierra. Si no existiera esa fuerza, el cuerpo saldría disparado en línea recta en la dirección en que viajaba cuando la fuerza ya no tuviera efecto sobre él. Esta fuerza recibe el nombre de fuerza centrípeta. Así, la Luna en su trayectoria está bajo el efecto de una fuerza centrípeta. Otro ejemplo de este movimiento es la honda que gira por la tensión de la cuerda. La tensión de la cuerda es la que le proporciona la fuerza centrípeta necesaria para el giro. Si falta la tensión al soltar la cuerda, la piedra queda libre de las fuerzas Figura 2.22 Newton dedujo que todos los y, por lo tanto, según lo que indica la primera ley de Newton, cuerpos ejercen fuerzas gravitacionales seguirá un movimiento rectilíneo y uniforme debido a la inersobre otros cuerpos, por eso el paracaidista cia y saldrá disparada por la tangente de la circunferencia (fies atraído por la fuerza gravitacional de la Tierra. gura 2.24).

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Bloque 2

a)

Figura 2.23 La fuerza de gravitación de cualquier cuerpo actúa sobre cualquier partícula de materia y ambos tienden a reunirse por la atracción mutua.

b)

Figura 2.24 a) La honda gira por la tensión de la cuerda. b) Si ésta falta, la piedra se sale por la tangente.

Para que un cuerpo se mueva en una trayectoria circular se necesita de una fuerza dirigida hacia el centro del círculo que describe el cuerpo en movimiento. Durante un movimiento circular uniforme, la magnitud de la velocidad del cuerpo permanece constante aunque varía su dirección al rotar. La fuerza centrípeta produce una aceleración centrípeta dirigida, como la fuerza, hacia el centro de la circunferencia.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar la fuerza centrípeta. ¿Qué se necesita? 1.20 m de cuerda y una pelota de esponja. ¿Cómo hacerlo? 1. Amarra un extremo de la cuerda alrededor de la pelota (figura 2.25).

2. Toma el otro extremo y haz girar la pelota en una circunferencia alrededor de tu cabeza. Realiza la misma experiencia dando, primero, mayor longitud a la cuerda y, después, acorta su longitud. 3. ¿Cuál es la trayectoria que describe la pelota en su movimiento? 4. La cuerda ejerce una fuerza que trata de llevar hacia el centro la pelota.

Figura 2.25 La tensión en la cuerda hace que la pelota mantenga un movimiento circular. Si la cuerda se rompe, la pelota saldría por la tangente.

5. ¿Por qué al rotar no se acerca al centro de su órbita? 6. ¿Qué sucede cuando rota la pelota con una longitud de cuerda mayor? ¿Qué observas cuando la cuerda es más corta?

Para concluir: Elaboren una conclusión acerca de la fuerza de atracción entre los cuerpos; escríbanla en el pizarrón y en su cuaderno.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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De esta forma, Newton comprendió que la fuerza de atracción entre cualquier planeta y el Sol es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del planeta al Sol. También descubrió que la fuerza es directamente proporcional a la masa de cada planeta, es decir, que la fuerza de atracción es mayor en los planetas que poseen más masa. Si se duplicara la masa del planeta, la fuerza de atracción gravitacional entre el planeta y el Sol, también se duplicaría. Si la masa del Sol fuera el doble, la fuerza gravitatoria entre ambos igualmente se duplicaría. Si la masa de los dos, el Sol y el planeta, se duplicaran, la fuerza gravitacional entre ellos aumentaría en un factor de 4, por lo que la fuerza gravitacional que existe entre dos cuerpos aumenta de acuerdo con el producto de sus masas. Newton concluyó que la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos es de la misma clase que la fuerza existente entre un planeta y el Sol. La fuerza de atracción entre los cuerpos celestes es mayor cuando contienen más cantidad de masa y depende inversamente del cuadrado de la distancia entre ellos. Ley de la gravitación universal: “Toda partícula del Universo atrae a cualquier otra partícula con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.” Su fórmula matemática es: f = G

m1m 2 r2

donde: m1 = masa de un cuerpo, en kilogramos (kg) m2 = masa del otro cuerpo, en kilogramos (kg) r2 = distancia entre los centros de ambos cuerpos en metros (m) f = fuerza entre los cuerpos expresada en newtons (N) G = constante de proporcionalidad, con unidades de

Nm2 kg 2

La constante de proporcionalidad G que se observa en la ecuación es una constante universal llamada “constante de la gravitación”. En el Sistema Internacional de unidades tiene un valor de: Nm2 G = 6.67 × 10−11 kg 2

2.3.3 Relación de la gravitación con la caída libre y el peso de los cuerpos Sabemos que masa es la cantidad de materia contenida en un cuerpo, y generalmente se mide en kilogramos. La masa de un cuerpo es la misma en cualquier parte y no cambia a pesar de que la llevemos de Acapulco a la punta del Himalaya, o de Houston a Marte o a cualquier otra parte del espacio. En cambio, el peso corresponde a la fuerza de atracción que ejerce la Tierra u otro cuerpo sobre los objetos, y su magnitud se obtiene aplicando la segunda ley de Newton, cuya expresión matemática como ya vimos es: f = m ⋅ a Fuerza = masa × aceleración

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Bloque 2

El peso es una fuerza. Si conoces la masa y la aceleración de caída de un objeto, puedes determinar la fuerza ejercida sobre éste. Pero, ¿hay alguna forma de medir directamente una fuerza? Haz la actividad siguiente:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para analizar la relación entre la caída libre con la gravitación y el peso de un objeto.

2. ¿Por qué se estira el resorte? ¿Cuánta fuerza ejerce la masa sobre el resorte? 3. Dibuja lo que observas.

¿Qué se necesita? Una masa de 1 kg con gancho y un dinamómetro calibrado en newtons.

Para concluir: Registra en tu cuaderno tus observaciones y respuestas.

¿Cómo hacerlo? 1. Cuelga la masa de 1 kg del gancho del dinamómetro.

Actividad

¿Qué pasa si cambio la fuerza? ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar experimentalmente qué efecto produce en un sistema acelerado el mantener constante la masa cuando cambia la fuerza, y qué sucede cuando la masa es la que varía y la fuerza se mantiene constante. ¿Qué se necesita? Carrito de may o de laboratorio (se pueden usar de carga), regla de 1 m, 1 m de hilo de cáñamo encerado, marco de pesas, tabla de 2 m de superficie bien pulida o encerada (pista), pelota con soporte, cronómetro. ¿Cómo hacerlo? 1. Con la orientación de tu maestro formen equipos de cuatro o cinco integrantes. 2. Marca sobre la tabla distancias de 50 cm. Sujeta la polea del borde de la tabla, como se observa en la figura. 3. Amarra de un extremo del hilo el carrito, pásalo por la polea amarrando en el otro extremo del hilo

a)

una pesa de 50 g, hasta lograr el reposo del carrito (conserva este peso de caída durante todo su experimento). 4. En tu cuaderno contesta: a) ¿Un cuerpo en reposo tiene aceleración? Justifica tu respuesta. b) Un cuerpo que se desplaza con un movimiento rectilíneo uniforme, ¿tiene aceleración? Justifica tu respuesta. c) ¿Qué relación existe entre la fuerza (F) y la aceleración del carrito (a), cuando la masa no cambia? 5. Agrega al extremo del hilo una pesa de 100 g y deja que el carrito se deslice (figura b). Mide el tiempo que tarda en recorrer las diferentes distancias. Determina las velocidades promedio y la acea) leración. Registra tus datos en la tabla. Repite cada 50 g medición tres veces.

50 g

50 g b)

Las fuerzas. La explicación de los cambios 50 g b)

100 g

100 g

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Distancia (cm)

Tiempo para recorrer la misma distancia (s)

t1

t2

t3

Promedio

Aceleración cm/s2

50 100 150 200 ¿Cómo es la aceleración en cada caso? 6. Repite la operación anterior sustituyendo la pesa Distancia (cm)

de 100 g por una de 200 g. Registra los resultados en la siguiente tabla.

Tiempo para recorrer la misma distancia (s)

t1

t2

t3

Promedio

Aceleración cm/s2

50 100 150 200 a) ¿Cómo es la aceleración en cada caso? b) ¿En cuál de las fuerzas aplicadas la aceleración del carrito es menor? c) ¿Qué ha permanecido constante? d) ¿Si la masa de un cuerpo no cambia, la relación existente entre la fuerza y la aceleración es directamente proporcional o inversamente proporcional? 7. Equilibra nuevamente el sistema dejando sólo la pesa de 50 g amarrada al extremo del hilo. 8. Ahora coloca sobre el carrito una pesa de 50 g y dos más de 100 g cada una. Suelta el carrito y mide el tiempo que tarda en recorrer cada una Masa (g)

de las distancias de la tabla o mesa. Registra los datos. Nota: Procura detener el carrito antes del choque con la polea y que la dañe. 9. Quita del carrito una pesa de 100 g, después retira la otra de 100 g y mide en cada caso las distancias recorridas. a) En esta experiencia, ¿qué es lo que permanece constante? b) ¿Cómo es la aceleración? c) ¿La relación existente entre la masa del cuerpo y la aceleración producida es directa o inversamente proporcional?

Tiempo para recorrer la misma distancia (s)

t1

t2

t3

Promedio

Aceleración cm/s2

250 150 50 Para concluir: En equipos de dos personas contesten lo que se les solicita en su cuaderno. a) Describan qué relación observan entre la fuerza aplicada y la aceleración producida. b) ¿Cuál será la aceleración producida si la fuerza aplicada es de 300 Newtons?

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Bloque 2

c) ¿Cuál será la aceleración producida si la fuerza aplicada es de 10 Newtons? d) ¿Cuál es el valor de la masa del carrito con el que se hizo este experimento? e) Describan con sus propias palabras lo que significa la segunda ley de Newton. f) Discutan sus ideas con el resto del grupo.

g) Elaboren sus conclusiones acerca de las leyes de Newton en nuestras actividades cotidianas y coméntenlas con el grupo. h) Obtengan de forma grupal una conclusión sobre esta actividad.

Se sugiere trabajar con programas de modelación de los fenómenos físicos como: ILCE (2005), “La primera ley de Newton y las fuerzas de fricción”, “La segunda ley de Newton y las fuerzas de fricción” y “La tercera ley de Newton”, en Enseñanza de la Ciencia con Tecnología (ECIT), México.

3. La energía: una idea fructífera y alternativa a la fuerza 3.1 La energía y la descripción de las transformaciones 3.1.1 Experiencias alrededor de diversas formas de energía ¿Puedes explicar qué es la energía? ¿En dónde se produce energía? ¿Por qué es tan importante en nuestra vida diaria? ¿Cómo y en qué se transforma? A pesar de ser común a todos, el término energía es difícil de definir; sin embargo, cotidianamente utilizamos o escuchamos que se menciona la palabra energía. El hombre ha aprovechado las fuerzas de la naturaleza para su beneficio; por ejemplo: a partir del movimiento del agua o del viento (figura 2.27) se puede obtener energía mecánica suficiente para producir energía eléctrica. Figura 2.27 La energía que También los alimentos que produce la naturaleza son una fuente energétiproporciona la naturaleza es ca esencial para nuestro organismo; diariamente necesitamos consumir una infinita; aquí observamos que la determinada cantidad de alimentos para realizar nuestras actividades. De embarcación y el agua se muelos alimentos obtenemos la energía necesaria para respirar, caminar, correr, ven por la fuerza del viento. leer, jugar o dormir. Otras fuentes de energía son los combustibles que utilizamos cotidianamente, como el carbón, el gas doméstico o la leña, para cocinar o calentar nuestros hogares; y la gasolina, para mover los automóviles. En la actualidad, los combustibles que se queman proporcionan la energía necesaria para el funcionamiento de las máquinas agrícolas, industriales, aeronaves, etcétera. Es muy difícil explicar con claridad el concepto de energía porque no podemos percibirla con los sentidos, ya que es algo inmaterial. ¿Qué forma tiene? ¿Cuál es su color? ¿Qué sonidos emite? ¿Cuál es su sabor?

Reflexiona Con base en la lectura anterior responde en tu cuaderno las siguientes preguntas: 1. En periódicos, revistas, televisión y otros medios de comunicación se mencionan las formas de energía y su impacto sobre el medio ambiente. ¿Puedes mencionar algunas de esas formas de energía y de qué modo influyen en el medio ambiente?

2. En la figura 2.27 se muestra la fuerza del viento. ¿De qué forma de energía se trata? 3. ¿Por qué la energía solar está considerada como la más importante para la vida de nuestro planeta? 4. ¿Podrías mencionar algunas de las ventajas de la energía solar sobre otras formas de energía que utilizamos cotidianamente?

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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Los cuerpos no se encuentran aislados, sino que se interrelacionan unos con otros formando un sistema y los cambios que se presentan se deben a la interacción entre los mismos (figura 2.28). La energía se manifiesta en un sistema físico, en el que los componentes interactúan y en consecuencia experimentan transformaciones; uno de los componentes es la fuente (quien provoca el fenómeno) y el otro es el receptor (el que recibe la acción) (figura 2.28).

Figura 2.28 a) En una central hidroeléctrica la energía del agua que cae se transforma en energía eléctrica. b) El viento mueve las aspas de los molinos. a)

b)

Actividad Identifica manifestaciones de la energía A un carrito de juguete, colócale un globo inflado en la parte posterior, adherido con tela adhesiva, y suelta el globo. a) ¿Qué observas? b) ¿A qué crees que se deba?

c) En este sistema, ¿quién es la fuente y quién el receptor? d) Coméntalo con tus compañeros del grupo y entre todos ideen un concepto de energía que escribirán en el pizarrón y en su libreta.

Si a un carrito de juguete le colocamos un globo inflado en la parte posterior adherido con tela adhesiva y soltamos el globo, el carro se mueve, por lo que observamos una manifestación de energía como resultado de una transformación de la misma, en el sistema formado por los componentes mencionados; la fuente será el globo inflado y el carrito es el receptor. Podemos entender la energía como una propiedad de las cosas o sistemas físicos que les permite producir cambios en ellos o en otros cuerpos o sistemas. Siempre que se da un tipo de transformación, ha habido cambio de energía. Esta propiedad de los sistemas permite relacionar diversas magnitudes, como el movimiento, la temperatura, la posición espacial, etcétera.

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Bloque 2

3.1.2 La idea de “energía” en la cotidianeidad La palabra energía se emplea diariamente en nuestro lenguaje. ¿Puedes mencionar algunos ejemplos? ¿Has visto alguna vez un partido de voleibol que muestre a los jugadores moverse rápidamente, estirarse, detener el balón antes de que caiga en la cancha? ¿Qué te llamó la atención de esta situación? Si observamos a nuestro alrededor, la energía en sus diversas formas está presente en nuestra vida. Las plantas, por la energía solar, realizan la fotosíntesis, indispensable para su vida. En una presa hidroeléctrica la energía que tiene el agua es energía potencial, y al momento de abrir las compuertas esa energía se convierte en energía cinética, la cual se transforma en energía eléctrica por medio de un transformador que se encuentra en la parte inferior de la caída del agua de la presa. Esta energía eléctrica es la que hace funcionar la mayoría de los aparatos domésticos, las comunicaciones y, en diferentes industrias, mueve las máquinas para fabricar múltiples objetos (figura 2.29).

Figura 2.29 La electricidad ofrece múltiples servicios a la humanidad.

La energía química de algunas sustancias hace posible el movimiento de los seres y de las diversas máquinas. Lo mismo sucede con la energía calorífica, que transforma el agua en vapor y forma las nubes. También esta energía se utiliza en la conservación y transformación de sustancias y alimentos. Toda la energía, en cualquiera de sus formas, es útil y necesaria. Cotidianamente decimos que un objeto se encuentra sin energía cuando aparentemente no se mueve: por ejemplo, un lápiz sobre el pupitre, unas uvas colgando de una rama o una hoja flotando en el agua. Glosario ¿Qué clase de energía poseen los objetos mencionados? Entonces, ¿qué Energía: capacidad para es la energía? En nuestro lenguaje diario decimos que un ciclista tiene producir un trabajo. mucha energía, o que un tren lleva mucha fuerza, que “me sostuve con mucha energía para no caer”, que el mar se encuentra embravecido, que el sonido del rayo es más intenso que tu voz, etcétera. Te invitamos a buscar otras ideas para nombrar la energía cotidianamente. Diseña tu propia investigación.

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Investigación

Energía y más energía Probablemente te hayas familiarizado con el término que expresa la idea de energía que escuchas a tu alrededor. Ese concepto proviene de la interacción entre los objetos y los efectos que produce en ellos. Existen muchos ejemplos que puedes sentir, aplicar u observar en el entorno, pero ¿qué es la energía? Problema ¿Qué vocablos se utilizan cotidianamente para expresar la idea de energía? Plantea un plan de investigación Integrados en equipos de tres o cuatro alumnos planteen un plan de investigación para resolver el problema indicado. Propósitos 1. Definir un procedimiento para llevar a cabo la investigación mencionada. 2. Identificar las diferentes expresiones que se usan comúnmente para designar la idea sobre la energía y diferenciarla del término científico. ¿Qué necesitas? Encuestas, diccionario, libros de física, otros. Bibliografía: Libros de Física de Secundaria (los encontrarás en la biblioteca). Enciclopedias. Diccionario Escolar Academia Secundaria, Fernández Editores, México. Diccionario Escolar Ilustrado Junior, Larousse, México. Diccionario Oxford-Complutense Física, Editorial Complutense, España.

Plan de la investigación 1. Prepara una tabla de datos en tu libreta, para registrar los conceptos sobre el vocablo común de energía. 2. ¿Analizarás más de un término de energía de uso común? 3. Compáralo con el término científico. Revisa tu plan 1. ¿Qué clase de experiencias harás? ¿Cómo distinguirás sus semejanzas y sus diferencias? 2. ¿Dónde llevarás a cabo las encuestas o la investigación bibliográfica y de campo? 3. Observa los efectos de la energía. Identifica el concepto de energía que se utiliza cotidianamente. 4. Escribe tu plan y revísalo con tus compañeros de equipo y con tu maestro. 5. Efectúa los cambios que se requieran y lleva a cabo tu investigación. Para concluir: 1. Escribe en tu libreta lo que para ti es la energía. 2. Analiza cuántos significados del vocablo energía encontraste. 3. Compara las diferencias entre la idea de energía que tienen las personas cotidianamente y el término científico. 4. Identifica si hubo alguna idea sobre la energía que fuera semejante a tu propia idea. ¿Qué diferencia existe entre estos términos y el que se usa en ciencias? 5. Concluye con todo el grupo y hagan un listado de los vocablos usados normalmente y que significan “energía”. Completa los que te falten.

3.2 La energía y el movimiento 3.2.1 La energía cinética y potencial Cualquier objeto en movimiento, desde un vagón de la montaña rusa hasta un trozo de papel que cae, es capaz de causar algún cambio en algún objeto que toque. Los objetos en movimiento tienen una forma de energía llamada energía cinética (Ec) (figura 2.30). La energía cinética se expresa matemáticamente con la ecuación siguiente: Ec =

102

Bloque 2

1 mv2 2

Energía cinética = un medio de la masa × su velocidad al cuadrado ⎡m⎡ La unidad de la energía cinética corresponde a 1 ⎡⎣kg⎡⎣ × ⎢ 2 ⎢ , ⎣s ⎣ lo que significa: 2 ⎡kg⎡ × ⎡⎢m ⎡⎢ que es igual a un joule (J) 2 ⎣ ⎣ ⎣s ⎣ Para llegar a esta ecuación se requiere de un proceso que detallamos más adelante. ¿De dónde obtiene el vagón de la montaña rusa su energía cinética? A medida que el vagón sube hasta la cima, se va acumulando el trabajo realizado por el motor eléctrico. El vagón tiene energía potencial cuando se encuentra arriba. Los vagones almacenan energía potencial como resultado de la altura que alcanzan, ya que se realizó trabajo para subirlos en contra de la gravedad. Cuando descienden, la energía potencial se transforma en energía cinética. Ec =

Figura 2.30 La fuerza que se produce al liberar agua en una presa tiene un movimiento. La fuerza de gravedad atrae el agua de la presa hacia abajo, y al hacerlo provoca que se mueva y así adquiere energía cinética de traslación.

1 mv2 2

Donde m es la masa de los vagones y v la velocidad con la que descienden. La energía cinética es proporcional a la masa de los vagones. De acuerdo con la segunda ley de Newton: F=m⋅a Un vagón se acelera si sobre él actúa una fuerza neta constante. En este caso la fuerza es la gravedad. El trabajo realizado sobre un vagón es igual a la fuerza sobre el vagón por el desplazamiento final que recorre (bajo la acción de esa fuerza): W=F⋅d Recuerda que el trabajo es igual a fuerza por desplazamiento final. Y si de acuerdo con la segunda ley de Newton la fuerza es igual a la masa por la aceleración: F=m⋅a entonces el trabajo realizado es: W = (m ⋅ a) d y la distancia (d) es igual a la velocidad media por el tiempo. ⎛ v f + vi ⎛ v f + vi Se sabe que la vm = ⎜ , por lo tanto: d = ⎜ t, si se considera 2 ⎝ ⎝ 2 vt que el objeto parte del reposo la vi = 0 y la d = . 2 ⎛ ⎜ ⎝

⎛ ⎜ ⎝

Asimismo, ya sabes que aceleración es un cambio en la velocidad por tiempo: a =

v t

Las fuerzas. La explicación de los cambios

103

Al combinar estas relaciones matemáticas y sustituyéndolas en la ecuación de trabajo, obtendremos la ecuación de la energía:

( ma)

W =

mvvt 1 mv 2 = 2t 2

d =

Así que W = Ec; el trabajo realizado es igual al cambio en la energía cinética, y su unidad es el joule (J). Ejemplo: Analiza el sistema físico siguiente: ¿Cuál será la energía cinética (Ec) de un cohete de 10 kg que avanza con una velocidad de 500 m/s? Solución: La energía es directamente proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad del objeto. Es decir, la Ec de un objeto será mayor si aumenta su masa y también su velocidad. Como la expresión matemática que permite calcular la energía cinética (Ec) de un objeto en movimiento es: 1 mv2 2

Ec =

Considerando que el cohete posee una masa de 10 kg (m = 10 kg) y se desplaza con una velocidad (v = 500 m/s) su energía cinética será:

(

)

2

⎛ ⎜ ⎝

Ec =

⎛ m 10 kg ⎜500 ⎝ s 2

= 1.25 × 106 kg

m2 s2

Ec = 1.25 × 106 J



¿Cómo es la Ec con relación al cuadrado de la velocidad?

Utilización de las unidades de energía La energía gravitatoria potencial se expresa matemáticamente de la forma siguiente: Ep = m ⋅ g ⋅ h Es el trabajo hecho para elevar al objeto de peso (mg) a una altura (h). donde: Ep = Energía potencial m = masa del objeto h = altura a la que se encuentra g = valor de la aceleración de la gravedad, que es la que corresponde al nivel del mar, que equivale a 9.8 m/s2. Las unidades de Ep son: ⎡E ⎡ = ⎡mgh⎡ = ⎡kg⎡ ⎣ p⎣ ⎣ ⎣ ⎣ ⎣

104

Bloque 2

⎡m⎡ ⎡ ⎡ ⎢ 2 ⎢ ⎣m⎣ = ⎣s ⎣

J

Ejemplo: Analiza el sistema físico siguiente: la proporcionalidad de la energía en relación con la masa y la velocidad y deduce las unidades. Un puente se encuentra 300 m por encima de un río. Calcula la Ec de una piedra de 0.6 kg al chocar con el agua, después de haberla dejado caer desde el puente. Solución: Debido a que la piedra de masa m = 0.6 kg se localiza 300 m por arriba del río, posee una energía potencial (Ep) relativa al río de:

(

Ep = m ⋅ g ⋅ h = 0.6 kg

)

 m  9.8 s2 

(300 m)

= 1 764 J

Sabemos que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Entonces, la energía potencial gravitatoria de la piedra se transforma en energía cinética cuando llega hasta el río. Cuando la piedra llega al río posee una energía potencial igual a cero, pues toda la energía potencial se ha transformado en cinética; por lo tanto, su energía cinética será igual a la energía potencial que tenía arriba del puente, es decir: Ec = Ep = 1 764 J Como puedes ver, la energía potencial de la piedra se convierte en energía cinética (Ec ). ¿Cómo es la unidad que representa a la energía cinética con respecto a la energía potencial?

Actividad Resuelve el siguiente problema: Una esfera de 100 g de masa se deja caer de una altura de 10 m. Calcula la energía cinética en el momento en que tiene contacto con el suelo.

Solución: a) Con la ayuda del maestro(a) compara tu resultado con los obtenidos por otros compañeros, discutan sobre las facilidades y dificultades de este procedimiento y escriban sus conclusiones en su cuaderno. b) Resuelvan el problema en el pizarrón y comparen sus resultados.

3.2.2 Transformaciones de la energía mecánica En la naturaleza se realizan diferentes transformaciones de energía. Los seres humanos siempre han necesitado energía para mover los objetos. Cuando se logra que un objeto se mueva o cambie de lugar, decimos que se produce un trabajo mecánico. Los alimentos son la fuente de energía que las personas requieren para aplicar fuerzas y mover los cuerpos, y algunas máquinas utilizan la energía química de los combustibles para poder funcionar y mover un objeto. Cuanta más energía posea un objeto, tendrá mayor capacidad de realizar un trabajo. El girar de las ruedas, el fluir del agua, el vuelo de las aves, el galopar de los caballos, el niño que lanza una pelota y, en general, todos los objetos que se mueven, son

Las fuerzas. La explicación de los cambios

105

manifestaciones de una forma activa de energía, que permite el movimiento, por lo que es llamada energía cinética. Los cuerpos no siempre están en movimiento y se dice entonces que tienen energía potencial, cuando son capaces de realizar un trabajo, ya sea por razón de su posición, de su composición química o de su condición. Por ejemplo, un automóvil situado en la cumbre de una pendiente posee energía potencial debido a su “posición”, y al descender perderá la energía potencial que tenía, porque ésta se habrá convertido en energía cinética o de movimiento (figura 2.31).

Figura 2.31 Transformación de la energía potencial en energía cinética o de movimiento.

Actividad En el siguiente diagrama se muestran algunos ejemplos de manifestaciones y transformaciones de energía. Algunas imágenes ilustran objetos en movimiento, por lo que decimos que manifiestan energía cinética o de movimiento. Otras ilustraciones muestran objetos que por su posición y por encontrarse en interacción con otros objetos manifiestan energía potencial.

Anota en tu cuaderno lo que se indica y explica por qué. a) Observa cuidadosamente las siguientes figuras y anota en cuáles de ellas se realiza un trabajo y en cuáles no. Explica por qué.

Figura 2.32 Algunas manifestaciones de la energía.

b) Ahora observa las figuras de la página siguiente y contesta: • ¿El perro tiene energía cinética? ¿Por qué? ¿Y energía potencial? ¿Por qué?

106

Bloque 2

• El niño del columpio, ¿posee alguna de estas dos energías? ¿Por qué? • ¿Y cada uno de los otros dos niños? ¿Por qué?

Figura 2.33 Manifestaciones de la energía.

Un objeto en reposo situado a cierta altura sobre el suelo se considera que tiene energía potencial. Al caer, su energía potencial se transforma en energía cinética. Una roca en estado de reposo situada sobre el suelo no manifiesta su energía; si levantas la roca hasta cierta altura y después la pones en movimiento, dejándola caer, manifestará su energía potencial gravitatoria al caer. La figura 2.34 nos muestra un ejemplo de esta energía.

Ep = mgh m

h

mg

mg

h

Figura 2.34 La energía potencial gravitacional (Ep) de un ladrillo de masa (m) que se levanta a una altura (h) sobre la superficie terrestre, se transforma al caer en energía cinética (Ec).

Cuando el niño levanta un ladrillo de masa m inicialmente en reposo sobre el nivel del piso, aumenta la energía potencial (Ep) del ladrillo. La energía potencial de un objeto depende de su masa (m) y de la altura (h) a la que se levanta, y la determinamos con la siguiente expresión algebraica: Ep = m ⋅ g ⋅ h Energía potencial = masa × gravedad × altura Así, la masa (m) se expresa en kilogramos (kg), la gravedad (g) es la constante de la aceleración de la gravedad y equivale a 9.81 m/s2, y la altura (h) se expresa en metros (m), razón por la cual la unidad de la energía potencial es:

Las fuerzas. La explicación de los cambios

107

Ep

=

kg

m s2

m lo que corresponde a joules (J)

Con el ejemplo mencionado, vemos que la energía se encuentra íntimamente relacionada con el trabajo. Ya que podemos pensar que para que un objeto esté a cierta altura sobre el piso, alguien debió hacer un trabajo para subirlo. Analicemos el sistema físico siguiente: Problema: Si tu mochila tiene una masa de 5 kg y la sostienes a 1 m de altura sobre el piso, calcula su energía potencial. Solución: La energía potencial de un cuerpo (Ep) es proporcional a la altura a la que se encuentre con respecto a un marco de referencia. En este caso, se considera como marco de referencia el piso y el cuerpo se encuentra a una altura de 1 m. Datos que conocemos: Masa del cuerpo = 5 kg Altura = 1 m en relación con el piso Incógnitas: Ep es la energía potencial Valor de la gravedad = 9.8 m/s2 Fórmula: Ep = m ⋅ g ⋅ h

(

Ep = 5 kg

)

Ep = 49.0 kg

⎛ m ⎜ 9.8 2 s ⎝

⎛ ⎜ ⎝



(1 m)

m2 ⋅ m = 49 J s2

Actividad Resuelve en tu cuaderno los problemas siguientes: 1. Un gato tiene una masa de 4 kg y se encuentra sobre la rama de un árbol a una altura de 3 m sobre el piso. ¿Cuál será la energía potencial gravitatoria que posee? 2. Un alumno ayuda a subir una caja de libros y los coloca encima del escritorio a una altura de 1.20 m, la caja tiene una masa de 9 kg. ¿Qué energía potencial gravitatoria adquiere la caja? 3. La energía potencial elástica depende de la compresión o estiramiento del resorte y de su constante elasticidad. ¿En qué casos se almacena energía potencial elástica?

108

Bloque 2

a) Al doblar un alambre de cobre. b) Al saltar de un trampolín. c) Al estirar una liga. d) Al romper un bolígrafo. 4. Explica en tu cuaderno, de la manera más minuciosa posible, las transformaciones energéticas que se presentan en las situaciones siguientes: a) Una persona da cuerda a un reloj de péndulo. b) Una persona lanza verticalmente hacia arriba una piedra. 5. Con la ayuda del maestro, comenta y compara con tus compañeros los resultados de los ejemplos planteados y elabora una conclusión, que anotarás en tu cuaderno.

Energía cinética La energía cinética es la que tiene un objeto cuando está en movimiento. La energía se manifiesta de muchas formas. En la siguiente actividad distinguiremos las más sencillas: energía cinética, energía potencial y energía térmica.

Actividad Para qué lo hacemos? Para comprobar que la energía que proporciona el calentador se transforma en Ec. ¿Qué se necesita? Tres corchos perforados en el centro, bote, agua, mechero o lámpara de alcohol, alambre y papel aluminio o lámina delgada.

En equipo, comenten y discutan la efectividad de su calentador. ¿Creen que se requiera de algunos cambios a fin de mejorar su funcionamiento? Si es así, háganlos después de exponerlos en voz alta frente al grupo.

45

˚

¿Cómo hacerlo? 1. Observa la figura 2.35. 2. A un bote ponle agua hasta la mitad y cierra perfectamente con el tapón (paso 1). 3. Amarra un alambre en la parte superior del bote, corta 3 cm más de alambre (paso 2). 4. En papel aluminio o en una lámina delgada traza y recorta una circunferencia de 10 cm (paso 3). 5. Coloca dos corchos perforados a cada lado del círculo de 10 cm y amárralos al bote con alambre (paso 4). 6. Haz una pequeña perforación al tapón del bote, pon a calentar el agua del bote y observa (paso 5).

Para concluir: 1. ¿Qué clase de energía se manifiesta en el mechero? 2. ¿Qué efecto produce el agua caliente del bote? 3. ¿Qué sucede con las moléculas del agua? 4. ¿En qué forma se escapan del bote? 5. ¿Qué clase de energía produce el movimiento del rehilete? 6. ¿Qué tipo de energía hace mover al rehilete? 7. ¿En qué momento aprecias la manifestación de la energía cinética? 8. Describe la cadena de las diversas clases de energía que se manifiestan en la figura 2.35.

(1)

(2)

(3)

1.5 2 3

(5) 10

10

(4)

Las fuerzas. La explicación de los cambios

Figura 2.35 La energía que proporciona el calentador hace que cambie el estado del agua. El vapor de agua en movimiento es la causa de que gire el papel aluminio (Al) y se le transmita energía cinética.

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Conocimiento de la potencia mecánica mediante ejemplos cotidianos Cuando te diriges a tu escuela, ¿qué medio de transporte usas?, ¿caminas?, ¿vas en bicicleta?, ¿en autobús?, ¿en metro?, ¿con cuál de los medios que conoces llegarías más pronto a tu escuela?, ¿por qué?, ¿tiene que ver con ello la rapidez? Así como los medios de transporte son más rápidos unos que otros, también hay personas más rápidas que otras para realizar las actividades o trabajos. Ejemplo: Supongamos que Marina y Paty tienen el mismo peso y por la tarde deciden alquilar dos bicicletas idénticas para dar la vuelta al parque. Después de pedalear durante dos kilómetros, Marina comienza a sentirse cansada. Llega a una curva y descubre que aún debe subir medio kilómetro más en una colina empinada. Ella trata de pedalear hasta la cima y observa que Paty baja de su bicicleta para empujarla. Marina llega primero a la cima de la colina. ¿Realizaron las dos igual cantidad de trabajo? ¿Cómo podemos saberlo? Recuerda que Trabajo = fuerza × desplazamiento final. El trabajo realizado por una fuerza F que actúa sobre un cuerpo se define como el producto de la fuerza por el desplazamiento. En nuestros días, requerimos en muchas actividades la mecanización del trabajo, es decir, que el hombre se esfuerce menos y rinda más con el apoyo de los instrumentos de trabajo. A mayor potencia más trabajo realizado en menos tiempo, lo cual redundará en un incremento de ganancias que movilizarán la economía. Entonces, la potencia tiene relación con la rapidez con que realizamos un trabajo.

potencia =

trabajo tiempo

p=

110

Bloque 2

t = 3 min ⎛ 1 min − 60 s ⎞ así ⎝      = 180 s 3 min − X ⎠ por lo que la potencia es: p = 500

J = 2.77 W 180 s

p = 2.77 W

W t

Donde p es la potencia, W es el trabajo realizado o la energía transmitida y t el tiempo en que se efectúa el trabajo. joule ⎛ J ⎞ ⎜ ⎟ llamaLa unidad de potencia es el segundos ⎝ s ⎠ da watt (W) en el sistema internacional. ⎡ W⎤ J =W ⎥= ⎢p = t ⎦ s ⎣ J W= s

El watt es la potencia que efectúa un joule de trabajo mecánico por cada segundo. Se le dio este nombre en honor al científico inglés James Watt (17361819). Ejemplo: ¿Cuál será la potencia que se desarrolla cuando se realiza un trabajo de 500 J en tres minutos? Solución: La potencia es la rapidez con que se realiza un W trabajo, por lo que su expresión es p = t Ahora, para expresar la potencia en watts, hay que convertir el tiempo expresado en minutos a segundos, de la siguiente forma: podemos transformar los minutos a segundos, mediante una regla de tres simple o bien utilizando el factor de conversión:

Figura 2.36 La potencia que se necesita para levantar un vaso con agua es aproximadamente de un watt.

Algunos ejemplos cotidianos de potencia son los que se muestran en las figuras 2.37 y 2.38.

Figura 2.38 Cuánto más rápido sube la pendiente para llegar a la cima, tanto mayor deberá ser la potencia con que se debe empujar la silla de ruedas.

Figura 2.37 Cuanto más rápido sube el elevador, mayor es la potencia empleada para el ascenso.

Utilización de las unidades de potencia Ya mencionamos anteriormente que la unidad de trabajo es el joule y la de tiempo el segundo; así, la pojoule , unidad llamatencia estará expresada en segundos da watt, la cual tiene múltiplos y submúltiplos como el kilovatio, el megavatio, el microvatio, etcétera.

J s 1 kilowatt = 1 000 W Watt = 1 W = 1

En la práctica, se utilizan también: CV (caballo de vapor) = 735 W HP (caballo de fuerza) = 746 W

Para saber más

El caballo de vapor El nombre de esta unidad de potencia tiene su origen en los intentos de James Watt por convencer a los propietarios de las minas de Gales para que sustituyeran los caballos que utilizaban en la extracción del mineral por los “caballos de vapor” de las máquinas que él había inventado. A este caballo mecánico le atribuyó una potencia doble de la que puede desarrollar un

caballo fuerte en la flor de su edad. Según Watt, un caballo de vapor era capaz de elevar 33 000 libras a un pie de altura en un minuto lo que, transformado al Sistema Internacional (SI), es igual a 75 kg a un metro de altura en un segundo. El ser humano ha construido máquinas capaces de desarrollar potencias superiores a 50 000 CV.

Actividad Siempre con la orientación del maestro, formen equipos de tres o cuatro alumnos. Comenten y discutan los siguientes ejemplos:

1. Rafael tiene una masa de 62 kg (para encontrar su cm peso en newtons habrá que multiplicar por 9.8 2 ) s y para llegar a su salón sube normalmente una escalera de 2.5 m de altura y 5 m de longitud. ¿Qué trabajo realiza?

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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2. A la siguiente clase, baja al patio para saludar a su amiga Patricia. Al darse cuenta de que la profesora entraba a su salón, se despide y sube la escalera en ocho segundos. ¿Qué potencia desarrolla en W y en HP? 3. En el laboratorio de física el maestro levanta una caja que contiene materiales para la clase a una altura de 0.90 m. ¿Qué trabajo realizó? 4. Para que el grupo comprenda bien la diferencia entre trabajo y potencia, la maestra hace el mismo trabajo en dos segundos. ¿Qué potencia desarrolla en W y HP?

Comparen sus respuestas con las de sus compañeros del grupo y compruébenlas en el pizarrón. Los alumnos de segundo “E” quisieron saber de cuánto era la potencia de cada uno y decidieron medir el tiempo que tardaban en subir las escaleras hasta el segundo piso a tres metros de altura. Para ello, registraron en una tabla sus pesos personales y el tiempo que tardó cada uno en subir. Completen los datos que faltan en la tabla para obtener la potencia en W y en HP de cada uno de los tres primeros compañeros.

Peso (masa [kg] × Alumnos

Masa (kg)

Hugo

45 kg

Francisco

38 kg

Luis

40 kg

m 9.81 2 ) s

Distancia (m)

Trabajo (F × d) joule

Tiempo (s)

Potencia (W y HP)

Tabla 2.2 Relación entre la potencia y el peso de los alumnos.

1. ¿Cómo es la proporción de la potencia con respecto al trabajo? 2. ¿Cómo es la potencia con respecto al tiempo? 3. ¿Conocen dónde se utilizan las unidades de potencia? 4. ¿Saben en qué unidades se mide la energía eléctrica para conocer su consumo? 5. Los aparatos eléctricos que hay en casa o en la escuela tienen una placa en la que se indica la potencia que desarrollan: a) Investiguen algunos de ellos e indiquen su nombre y su potencia. b) Coméntenlo en el grupo e intercambien información.

Analicen, reflexionen y comenten con su grupo acerca de las siguientes cuestiones y anoten sus respuestas en sus cuadernos y en el pizarrón. 1. ¿Un hombre podría desarrollar una potencia de un HP o más? Fundamenten su respuesta. 2. ¿Cuándo desarrollan mayor potencia, al subir una escalera o al colocar cargas sobre la mesa? 3. Expliquen a qué se debe la diferencia de potencia desarrollada en los ejemplos anteriores. 4. ¿Crees que sea posible que una persona sea capaz de desarrollar una gran potencia y mantenerla durante un lapso largo de tiempo? Fundamenten su respuesta.

Fuerza y energía mecánica ¿Sabes cuál es la diferencia entre una fuerza y la energía mecánica? ¿Has observado cómo se suben los materiales como ladrillos, mezcla o varillas, para construir un edificio? ¿Cuántas máquinas que se utilizan para realizar un trabajo conoces? ¿Podrías, en un minuto, relacionar diez de ellas? ¿Cuál de las que relacionaste es la más simple y cuál la más complicada? Diariamente utilizamos máquinas, estemos donde estemos y hagamos lo que hagamos, ya en tiempos remotos los hombres prehistóricos las usaban. El hacha de piedra

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Bloque 2

era una máquina; las sencillas herramientas de piedra de nuestros antepasados fueron tan útiles para ellos como lo es para nosotros toda la diversidad de maquinaria compleja que utilizamos en estos tiempos. Algunas máquinas son herramientas sencillas, como tijeras, tornillos, cortauñas, destapadores de botellas, martillos, etcétera; otras, en cambio, son más complejas como bicicletas, motonetas, perforadoras. Las máquinas son aparatos o herramientas que facilitan nuestro trabajo. Existen en gran variedad y continuamente se inventan otras o se combinan entre sí las ya conocidas. El funcionamiento de todas está determinado por ciertos principios comunes. · Las máquinas transforman la energía de una clase a otra. · Una máquina facilita el trabajo cambiando la magnitud o la dirección de la fuerza. Consideremos la cuchara de la figura 2.39. Cuando la utilizas levantas el mango realizando trabajo sobre la cuchara. Ésta levanta la tapa, realizando trabajo sobre ella. El trabajo que tú realizas se llama trabajo de entrada, We. El trabajo que realiza la máFigura 2.39 Palanca quina (cuchara) se llama trabajo de salida Ws. de primer género. Recuerda que el trabajo es la transferencia de energía por medios mecánicos. El trabajo que realizas sobre la máquina transfiere energía a la cuchara. La máquina a su vez realiza trabajo sobre otro objeto: la cuchara transfiere energía a la tapa. La cuchara no es una fuente de energía, de modo que la tapa no puede recibir más energía que la que tú le transfieres a la cuchara. De tal manera, el trabajo de salida nunca podrá ser mayor que el trabajo de entrada. La máquina solamente nos ayuda a transferir energía a la tapa del bote. Existen diferentes máquinas simples. En este curso vamos a estudiar las más usuales. Normalmente pensamos que una máquina tiene un motor que efectúa trabajo, lo cual es correcto. Pero una máquina es, en realidad, cualquier aparato o dispositivo que realiza trabajo (figura 2.40). No es necesario que tenga un motor. Una máquina dirige una fuerza y controla la dirección y velocidad de ésta, pero no puede producir energía. Nunca hace más trabajo que el equivalente a la cantidad de energía que se le suministra. La palanca es, proFigura 2.40 Las alcayatas y el piolet son máquinas simples bablemente, la máquina más eficiente. El trabajo que utilizan los alpinistas para facilitar su ascenso en las que realiza es casi igual que la energía que recimontañas. be, porque la energía que se pierde por fricción es muy pequeña (figura 2.41).

Resistencia O R

Fuerza O P Punto de apoyo O P de A

El punto de apoyo se encuentra entre R y P.

A R

P Punto de apoyo

F

Brazo de fuerza

la

Brazo A de la ia resistenc R

Punto de apoyo R A = brazo de la resistencia P A = brazo de la fuerza A se halla entre R y P

El brazo de la fuerza debe ser más largo que el brazo de la resistencia para poder realizar el trabajo.

Figura 2.41 Palancas.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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Plano inclinado ¿Conoces un plano inclinado? ¿Sabes para qué se usa? ¿En dónde se utiliza? ¿Sabes cómo subieron los bloques de piedra los aztecas para construir Glosario sus pirámides? ¿Puedes mencionar algunos ejemplos de plano inclinado? Plano inclinado: superficie Cualquier cosa se puede jalar en un plano inclinado hasta llegar a una elevada por uno de sus plataforma más fácilmente que si se levantara verticalmente. Se puede extremos con un cierto comprobar al observar a los albañiles cómo suben los ladrillos para consángulo. truir un edificio, ellos llevan varios al subir caminando por una rampa. ¿Qué pasaría si no utilizaran la rampa? Las escaleras, en sentido estricto, no son ejemplos de un plano inclinado, pues no cumplen la función de descomponer el peso en dos fuerzas y disminuir el esfuerzo necesario. En cambio, las rampas son ejemplos del plano inclinado. La facilidad de subir un objeto en un plano inclinado se pierde en distancia porque, aunque la pendiente es más larga y el esfuerzo es menor, la distancia que se recorre es mayor, por lo tanto la cantidad de trabajo es igual; es la razón de por B qué los caminos montañosos se construyen con curvas en lugar de rectas para llegar a la cima. Los grandes bloques f de piedra utilizados para la construcción de las pirámides l de Mesoamérica fueron transportados por rampas largas hechas de tierra; las rampas se alargaban constantemente mientras la pirámide crecía en altura. h La cantidad de trabajo que se necesita para subir un objeto es la misma que se requiere para subirlo verticalmente o por medio de un plano inclinado. En la figura 2.42 se reC presenta un esquema de un plano inclinado, cuya longitud A W es AB y altura CB. El trabajo que se realiza contra la gravedad para subir el objeto de peso W a la altura CB, la que se expresa por h, es igual al trabajo realizado al recorrer el camino AB para alcanzar la altura indicada, o sea que recorre la longitud l del plano y si la fuerza que se requiere para llevarlos es f, su expresión algebraica es la siguiente: f⋅l=w⋅h

Figura 2.42 Plano inclinado.

Como el trabajo es igual a la energía necesaria que se requiere para subir la resistencia hasta la altura h y la energía no se crea, entonces la energía se conserva.

Ejemplo: Un chofer quiere subir un barril de 240 N a una camioneta, a una altura de 1.20 m. Si lo hiciera directamente tendría que realizar un esfuerzo igual al peso del barril; sin embargo, si utiliza un plano inclinado de 2.5 m de longitud, ¿cuál será la fuerza necesaria? Solución: Los datos conocidos son: w = 240 N h = 1.20 m f = ? l = 2.5 m 114

Bloque 2

La expresión algebraica conocida es: f⋅l=w⋅h Podemos despejar la fuerza: f=

f =

w⋅ h l

240 N × 1.20 m = 115.2 N 2.5 m f = 115.2 N

La fuerza necesaria es poco menos que la mitad del peso del barril. De este modo, con ayuda del plano inclinado, el esfuerzo necesario es menor. ¿Es distinto el trabajo que se hace cuando se levanta un objeto por una vertical que cuando se sube por un plano inclinado? Podrás contestar la pregunta después de realizar la actividad siguiente:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para identificar las transformaciones de la energía mecánica en un plano inclinado.



¿Qué se necesita? Un carro de juguete lleno de piedras u otro material, con peso conocido, cinco ladrillos (o libros, bloques de madera, otros), una tabla plana de 1 metro de longitud, dinamómetro, metro o cinta métrica, hilo de cáñamo. ¿Cómo hacerlo? 1. Arma el plano inclinado (figura 2.43), de manera que forme un ángulo en relación con el piso; para aprovechar las ventajas del plano inclinado, el ángulo que forma con la línea horizontal debe ser menor de 45º. Utiliza los cinco ladrillos. Mide la altura del plano inclinado. m h= 2. Eleva el carro deslizándolo sobre la rampa hasta la parte superior de la tabla, tira del dinamómetro y anota la fuerza requerida para subir el objeto. F= N 3. Retira un ladrillo, coloca nuevamente la tabla para formar el plano, repite el segundo paso y mide su altura.

Figura 2.43 Plano inclinado.

h=

m y la fuerza

F= N 4. Cambia nuevamente retirando otro ladrillo y repite el segundo paso midiendo además la altura del plano.

h=

m y la fuerza

F=

N

Para concluir: Haz el reporte de la actividad.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

115



Plano

Masa del carro

Determinación del Obtención del resultado resultado con fórmula experimental

5 ladrillos 4 ladrillos 3 ladrillos Responde en tu libreta las siguientes cuestiones: a) ¿Cuándo se hizo más fuerza? b) ¿En qué casos se realizó menor esfuerzo? c) Responde la pregunta planteada antes de la actividad, coméntala y discútela con tus compañeros del grupo.

d) Anota en tu cuaderno tus conclusiones en relación con lo que hayas aprendido sobre el plano inclinado.

La cuña La cuña es otra aplicación del plano inclinado. La cuña penetra debajo de un objeto y dentro de él (figura 2.44), es una herramienta que realiza su trabajo mediante el movimiento y se utiliza para cortar. Son ejemplos de cuñas el hacha, cuchillo, cincel, clavo, arado, cepillo de carpintero, entre otros.

Figura 2.44 Ejemplos de máquinas simples llamadas cuñas.

El tornillo Ya mencionamos que una de las formas más sencillas de mover un gran peso es deslizándolo o empujándolo por una rampa, en vez de levantarlo verticalmente. El matemático griego Arquímedes valoraba al tornillo igual que a un plano inclinado que daba vueltas en un cilindro. Si enrollamos en un cilindro un plano inclinado tendremos la rosca o cuerda de un tornillo. En un tornillo, como en un plano inclinado, cuanto menos inclinada sea la rosca alrededor de un cilindro, menos esfuerzo tendremos que haGlosario cer para dar vueltas al tornillo (figura 2.45). Estas máquinas son útiles, en Tornillo: cilindro de metal primer lugar, para fijar los objetos y mantenerlos en un sitio; y, en seguno madera con resalto en do, para mover grandes cargas. Un ejemplo de esta máquina simple es un hélice que entra en una tornillo para madera o el gato que se utiliza para levantar automóviles y tuerca. hasta edificios. Generalmente la cabeza del tornillo del gato tiene una perforación, en la que se mete una palanca para hacerlo girar.

116

Bloque 2

F

P

F

r

Figura 2.45 Tornillo, sucesión de planos inclinados.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para construir un tornillo. ¿Qué se necesita? Tarjeta de cartulina de 15 × 10 cm, tijeras, lápiz, bolígrafo, cilindro con punta en un extremo, cinta adhesiva. ¿Cómo hacerlo? 1. Corta la tarjeta de tal manera que formes dos triángulos rectángulos. 2. Enrolla uno de los triángulos alrededor del lápiz a partir del lado mayor del triángulo, de tal manera que el lado menor forme una espiral en dirección al extremo romo del lápiz. 3. Usa un marcador para colorear dicho lado mayor. Esto hará resaltar la espiral que vas a construir. Sostén la línea base del triángulo al enrollarlo. Así construirás una espiral a lo largo del lápiz en forma parecida a la cuerda de un tornillo. Porque en realidad el tornillo es un plano inclinado, como se muestra en las figuras 2.46a, b y c. Para concluir: 1. Cuando introduces un tornillo dentro de un objeto, ¿cómo se realiza el movimiento del material? 2. ¿De qué depende que un tornillo se mueva hacia arriba o hacia abajo en cada vuelta? 3. Para que se desarrolle menor esfuerzo, ¿qué características debe tener el tornillo? 4. Menciona algunas aplicaciones que hayas observado del tornillo.

a) Corta un triángulo rectángulo

b) Enróllalo firmemente en un lápiz

c) Figura 2.46 Construcción de un tornillo.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

117

¿Qué es una palanca?

Glosario

Una palanca es una barra rígida de fierro, de madera o de cualquier otro material a la que le debemos encontrar un punto donde apoyarnos para así poder aplicarle una fuerza en el otro extremo y empujar o levantar lo que se desee. Una palanca debe ser aquella herramienta que nos facilita mover, subir, bajar, meter o sacar objetos pesados en lugares difíciles; estas herramientas forman parte de lo que son las máquinas simples. Para obtener el equilibrio de una palanca se multiplica la fuerza por su brazo de palanca, y la carga o resistencia por su correspondiente brazo de palanca:

Palanca: máquina simple, formada por una barra rígida que puede construirse con distintos materiales (metal, madera, etcétera) y que gira sobre un lugar llamado punto de apoyo o fulcro.

F⋅a=R⋅b donde:

F = potencia o fuerza a = brazo de la fuerza R = resistencia o carga b = brazo de la resistencia F A

R

R

F A

a

b

Figura 2.47 Palanca de primer género cuyo punto de apoyo queda entre la fuerza y la resistencia. A Punto de apoyo

R Resistencia

F

A

Fuerza

Punto de apoyo

F

R

Fuerza

Resistencia

F se encuentra entre A y R Figura 2.48 En las palancas de segundo género la resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la fuerza.

Figura 2.49 En las palancas de tercer género la fuerza se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia.

Existen otras máquinas simples como las ruedas y ejes, las poleas y otras que combinan las máquinas simples.

Figura 2.51 Máquina compuesta para verificar el control de calidad en la resistencia de algunos metales.

Figura 2.50 La máquina de coser es una combinación de distintas máquinas simples: rueda, polea, entre otras.

118

Bloque 2

Las combinaciones más conocidas de máquinas simples son las utilizadas en la industria o en la agricultura, tales como: máquinas de coser y de escribir, las barredoras, las palas mecánicas, las cortadoras de telas o papel, el tractor, el arado, la bicicleta, el reloj, la cosechadora de trigo o la excavadora (figura 2.52). Figura 2.52 La excavadora es una combinación de máquinas simples, entre las cuales están las palancas.

Investigación 1. Integrados en equipos de cuatro o cinco alumnos, investiguen cuáles son las máquinas simples que forman la pala mecánica o excavadora. 2. Algunas máquinas compuestas utilizan una gran cantidad de electricidad. Hagan una lista de las que se utilizan en sus hogares. 3. Indiquen cuáles de ellas pueden ser reemplazadas, para ahorrar energía, por máquinas simples.

4. Nombra al menos tres tipos de energía que utilicen las máquinas compuestas. 5. ¿Puede una máquina compuesta funcionar adecuadamente si se rompe una de las máquinas simples que la constituyen? 6. Presenten al grupo su investigación y comenten con sus compañeros cada una de las respuestas. 7. Anoten sus conclusiones sobre el funcionamiento de las máquinas compuestas.

4. Las interacciones eléctrica y magnética 4.1 ¿Como por acto de magia? Los efectos de las cargas eléctricas 4.1.1 Experiencias alrededor de fenómenos electrostáticos. El relámpago Supón que es una tarde de verano, de pronto el Sol se oculta tras densos nubarrones y de pronto observas una luz resplandeciente y escuchas el estrépito de un trueno y ves cómo una tormenta eléctrica se desplaza a través del cielo. Primero aparecen los destellos blancos de relámpagos y luego líneas como las que se producen cuando un vidrio cruje al romperse. ¿Sabes qué produce esta energía y qué hace que se dirija del cielo a la Tierra? ¿Es ésta la misma forma de energía que hace funcionar los focos y las licuadoras? Ahora veremos acerca de una forma de energía que utilizamos cotidianamente. ¿Te imaginas cómo sería nuestra vida sin ella?

Electrización Todavía hace un poco más de cien años este tipo de energía, la electricidad, era una invención misteriosa. Ahora sabemos que casi todas las sustancias pueden presentar un comportamiento semejante al del ámbar, o sea, que al ser frotadas con otra sustancia pueden electrizarse (figura 2.53). En la actividad siguiente, explora uno de los fenómenos eléctricos más sencillos. Las fuerzas. La explicación de los cambios

Figura 2.53 Al frotar dos objetos, éstos se transfieren electrones uno a otro. Carga por fricción

119

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar la interacción entre las cargas eléctricas. ¿Qué se necesita? Globos, trozos de papel, una cucharada de azúcar, un peine de plástico y un trozo de tela de lana (suéter). ¿Cómo hacerlo? 1. Infla los globos y anúdalos para evitar que se escape el aire. 2. Ahora frota con fuerza el globo contra tu suéter o cabello. Pásalo sobre los trozos de papel. Después sostén un globo encima del azúcar. Describe lo que ocurre. 3. Frota vigorosamente el peine en tu cabello y acércalo a pequeños pedazos de papel. ¿Qué sucede? 4. Ahora toma con la mano el trozo de lana seco (suéter) y con la otra frota el peine varias veces. Luego coloca el peine sobre los pedazos de papel. ¿Qué sucede?

Para concluir: 1. Comenta y discute con tus compañeros: ¿Cómo puede el peine producir una fuerza que supera la gravedad? ¿Por qué el papel salta hacia el peine después de frotar este último con el suéter? ¿Qué le produjo al peine el frotamiento con la lana? 2. Con el apoyo del maestro elaboren entre todos una conclusión sobre lo que hayan aprendido acerca del campo magnético que escribirán en el pizarrón y en su libreta.

Figura 2.54 Efectos de las cargas eléctricas.

Después de que frotaste el globo y el peine en el suéter, éste atrajo los trocitos de papel. Tal vez hayas sentido una sacudida al quitarte la ropa. Inclusive si estabas en la oscuridad puedes haber visto saltar algunas chispas. Todo esto se produce por efecto de la electricidad estática. Uno de los resultados más grandiosos de dicho fenómeno es el rayo. En la actividad siguiente puedes comprobar otra propiedad de la electricidad estática.

El relámpago ¿Sabes cómo se forman los rayos, el relámpago y el trueno? Te invitamos a reflexionar sobre este fenómeno mediante la actividad siguiente:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar la producción de relámpagos. ¿Qué se necesita? Bandeja de metal para horno, plastilina, bolsa de plástico y una tapa de metal de un bote de conservas. ¿Cómo hacerlo? 1. En el centro de la bandeja pega un trozo de plastilina.

120

Bloque 2



Procura presionar el trozo lo suficiente para que se adhiera bien. 2. Extiende la bolsa de plástico sobre una superficie plana, coloca la bandeja y, sujetando la plastilina, frota la bandeja contra la bolsa durante un minuto. 3. Sujeta la plastilina y sin tocar la bandeja, levántala. Acerca la tapa metálica a una de las esquinas de la bandeja. ¿Qué sucede?

Para concluir: 1. Comenta y discute con tus compañeros: ¿Cómo puede el metal al frotarlo contra el plástico producir tal fuerza? ¿Por qué la chispa salta hacia uno y otro lado? 2. Con el apoyo del maestro elaboren entre todos una conclusión acerca de la manera en que se forman los rayos, el relámpago y el trueno que escribirán en el pizarrón y en su libreta. Figura 2.55 Un relámpago se puede desplazar a una velocidad hasta de 160 000 km/s.

Cuando se produce una tempestad o tormenta eléctrica, lo que sucede es que las nubes se cargan eléctricamente por frotamiento debido al aire que las rodea. Las nubes más próximas a la superficie de la Tierra le inducen carga eléctrica. A medida que las nubes acumulan carga eléctrica es mayor su campo eléctrico, hasta que se presenta una ruptura eléctrica del medio y así la descarga eléctrica se da entre las nubes o entre las nubes y la tierra. La descarga eléctrica calienta el aire produciendo un sonido en forma de estallido. Una de las aplicaciones del poder de las puntas es el pararrayos, que fue inventado por el estadounidense Benjamín Franklin. Un pararrayos consiste en una o varias puntas de metal colocadas en forma vertical en el lugar más alto que se desee proteger, conectado a tierra mediante un conductor metálico grueso (cable de cobre) que termina en una placa grande que es la que se entierra en el suelo (figura 2.56). Al pasar una nube cargada eléctricamente por el lugar donde hay un pararrayos, el campo eléctrico que se crea entre la nube y la tierra se torna muy potente en las proximidades de las puntas. De tal forma que el aire que le rodea se polariza, volviéndose conductor y haciendo que la descarga eléctrica sea captada por las puntas y pase a tierra a través de ellas.

Nube con carga negativa Carga espacial de iones positivos Pararrayos

Cable conductor grueso de cobre

Placa de metal enterrada en el suelo

4.1.2 Formas de cargar eléctricamente los objetos Las cargas eléctricas se pueden transferir de un lugar a otro por frotamiento. Cuando frotamos una pluma o bolígrafo con piel se transmiten cargas negativas, de la piel a la pluma. Como el bolígrafo gana cargas negativas, se carga en forma negativa, mientras que la piel se carga positivamente. El flujo de cargas negativas constituye una corriente eléctrica similar a la corriente de agua. La electrostática se encarga solamente de cargas eléctricas en reposo (estáticas) y de los efectos de atracción y repulsión entre ellas (figura 2.57). Todas las sustancias que al frotarse se cargan son aisladoras. El mismo principio que rige el fenómeno anterior sirve de base a un aparato muy sensible para detectar la electricidad estática: el electroscopio de láminas metálicas (figura 2.58).

Las fuerzas. La explicación de los cambios

Antes

Después

Figura 2.56 El pararrayos tiene una punta de espiga unida a un cable grueso de cobre que baja por el exterior del edificio hasta llegar a una placa metálica enterrada en el suelo. La nube de tormenta, con carga, que se encuentra encima del edificio, induce en las espigas del pararrayos polarizando ese medio; si es muy fuerte el campo eléctrico de polarización, se produce la descarga entre el pararrayos y las nubes.

121

Figura 2.58 El electroscopio de láminas metálicas es un dispositivo para detectar cargas eléctricas estáticas. Ambas hojas van cargadas igualmente y se repelen una a otra. Para fabricar en casa un electroscopio pueden emplearse dos trozos de papel de estaño.

Figura 2.57 Al inducir una carga de signo contrario a los objetos la barra los atraerá.

El electroscopio consta de dos láminas muy finas de metal unidas por un extremo. Al aproximar un cuerpo cargado eléctricamente al electroscopio, las láminas se separan, pero vuelven a juntarse al retirar el cuerpo cargado; para que no suceda esto se toca la varilla del electroscopio con el cuerpo cargado y así las láminas quedan cargadas.

Inducción electrostática Se llama inducción a la acción a distancia de un cuerpo cargado eléctricamente sobre otro que no lo está. En el dispositivo de inducción se suministra una carga a una sección del aparato y ésta se mueve cerca de otra sección en la que se induce una carga. La carga así inducida puede almacenarse y ser trasladada, y la carga original se puede utilizar de nuevo para volver a inducir otras cargas (figuras 2.59 y 2.60).

Figura 2.59 Al frotar nuestro cabello, cada uno se carga eléctricamente con energía del mismo signo, por lo que se repelen y alzan.

Figura 2.60 La fricción que experimenta el cabello con el peine es lo que lo electriza; al tener todos los cabellos la misma carga, se repelen y se separan.

Investigación 1. Investiga en libros, revistas especializadas y en otras fuentes de información qué otras formas existen de cargar eléctricamente los objetos. Bibliografía: Libros de Física de Secundaria (los encontrarás en la biblioteca). Se sugiere la consulta de las páginas electrónicas: http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/ electrostatica/html/contenido.html

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Bloque 2

http://www.acienciasgalilei.com/videos/ electroestatica.htm http://es.answers.yahoo.com/question/index? qid=20070407124157AALdqeS 2. Con el apoyo del maestro y mediante una lluvia de ideas intercambien su información dentro del grupo de alumnos. 3. Analicen las diferentes aportaciones y entre todos elaboren una conclusión final.

4.1.3 Interacción entre cargas eléctricas. La fuerza eléctrica ¿Cómo cambia la fuerza entre cuerpos cargados cuando varía la distancia? ¿Cómo se mide la fuerza de atracción entre dos cargas eléctricas? En la época de Charles Coulomb (1736-1806) los fenómenos electrostáticos ya se conocían, pero aún no se encontraba la forma en que cambiaban las fuerzas de atracción y repulsión (fuerza eléctrica) (figura 2.61). Benjamín Franklin (figura 2.62) determinó que las interacFigura 2.61 El relámpago es una de las manifestaciones eléctricas responden a la existencia de una propiedad ciones más visibles de la electricidad, y se produce de la materia que llamó carga eléctrica; además, después de por la enorme diferencia de potencial, algunos múltiples experimentos con caucho y vidrio, constató que hay millones de voltios, entre la tierra y las nubes. dos tipos de carga eléctrica. Ésta fue su conclusión después de observar que si se frota una barra dura de caucho contra una piel (de gato) y luego se suspende de un hilo y, paralelamente, se frota una barra de vidrio contra una tela de seda y luego se acerca a la barra de caucho, observaremos que existe una fuerza de atracción entre ambas barras (tienden a juntarse); mientras que si se acerca una de las barras de caucho a otra que también haya sido frotada contra la piel, podremos observar que entre ellas hay una fuerza de repulsión (tienden a separarse). Lo anterior implica que existen dos estados de electrificación. Para diferenciarlos, Franklin les dio el nombre de estados de carga positiva (+) y carga negativa (–). Así y de acuerdo con la convención adoptada por él, decimos que la carga eléctrica del vidrio es positiva y la carga eléctrica del caucho, negativa. Y también de acuerdo con esto decimos que: “las cargas iguales se repelen, y las cargas de signo contrario se atraen”. Figura 2.62 Benjamín Franklin. Los campos eléctricos son una forma de representar la fuerza asociada a una interacción determinada. Asimismo, a cualquier interacción le podemos asociar un campo. De esta forma, existe el campo gravitacional generado por una partícula u objeto que tiene masa; o el campo eléctrico, el cual sabemos que es generado por partículas u objetos que tienen carga eléctrica.

Ley de Coulomb En 1785, Coulomb construyó un aparato al que llamó balanza de torsión, con el que podía medir las fuerzas de atracción y repulsión entre cuerpos electrizados (figura 2.63). En la balanza de torsión hay dos esferas en equilibrio en los extremos de una varilla metálica, colocada en forma horizontal suspendida de un hilo o filamento. La esfera 1 se encuentra electrizada, lo mismo que la esfera 2; esta última se acerca a la esfera 1. Como las esferas 1 y 2 están cargadas eléctricamente, la varilla gira produciendo una torsión en el filamento, lo que nos permite conocer el valor de las cargas eléctricas, y además se mide el ángulo de torsión. Con esta medición, Coulomb determinaba el valor de la fuerza entre las esferas. Esta ley se expresa así: “Dos cuerpos electrizados se atraen o se rechazan con una fuerza cuya intensidad es directamente proporcional al producto de sus cargas eléctricas, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que los separan” (figura 2.64). Figura 2.63 Reproducción del diseño de la balanza de torsión construida por Coulomb para determinar el valor de la fuerza eléctrica entre dos objetos.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

123

q2

q1

r Figura 2.64 Ley de Coulomb. Las fuerzas iguales entre sí están sobre la línea que une las dos cargas. Los cuerpos cargados se supone que son muy pequeños, comparados con la distancia r.

Su fórmula es:

F = k

q1 × q2 r2

donde: F = fuerza de atracción o repulsión entre los cuerpos en newtons (N) k = constante electrostática, en (N ⋅ m2/C2) (la k es una constante de unidades) q1 = carga eléctrica del cuerpo uno en coulombs (C) q2 = carga eléctrica del cuerpo dos en coulombs (C) r2 = distancia entre los dos cuerpos (m2). La ley que establece las atracciones entre las masas de los cuerpos (ley de la gravitación universal, descubierta por Isaac Newton), es semejante a la que establece las atracciones entre las cargas eléctricas. Esto no indica que las fuerzas eléctricas y las gravitacionales tengan igual naturaleza, aunque su expresión matemática tiene forma similar:



Ley de Coulomb F = k

q1 × q2 r

2



Ley de la gravitación universal Fg = k

m1 × m2 r2

Analiza ambas expresiones, describe cuáles son las similitudes y cuáles las diferencias.

4.1.4 Energía eléctrica Nos encontramos inmersos en un mundo que utiliza a diario la energía eléctrica para muchas necesidades, algunas de ellas son divertidas como cuando ves tus programas favoritos en la televisión, preparas rosetas de maíz en el horno de microondas, ¿qué otras se te ocurren? Todos conocemos varios aparatos eléctricos de la vida actual (plancha, lámparas eléctricas, tostadores, televisión, videocaseteras, refrigeradores, aspiradoras, máquinas de lavado de ropa o de vajilla, etcétera). El funcionamiento de estos aparatos eléctricos depende de uno o más de los efectos producidos por la corriente eléctrica, los cuales son: · El efecto térmico · El efecto magnético 124

Bloque 2

· El efecto mecánico · El efecto químico y de: · El voltaje · La potencia eléctrica · La resistencia Estos tres aspectos se relacionan con la ley de Ohm, la cual veremos más adelante. En seguida vas a construir un aparato muy sencillo mediante el cual puedes observar las transformaciones de la energía eléctrica.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para verificar las transformaciones de la energía eléctrica. ¿Qué se necesita? Tres pilas de 4.5 v, alambre de cobre recubierto, una tabla de madera con dos grapas clavadas y tres tiras de aluminio de diferentes anchos. ¿Cómo hacerlo? 1. Arma el dispositivo que se muestra en la figura 2.65, y ten cuidado de que los polos queden alternados. 2. Coloca la tira de aluminio más ancha sobre las grapas. 3. Ahora coloca una a una las otras tiras, dejando al final la más angosta.

Para concluir: 1. Explica lo que sucede en cada caso. 2. ¿Por qué ocurre esto? 3. Anota otros ejemplos de la transformación de la energía eléctrica en calor que hayas percibido en tu vida cotidiana.

Figura 2.65 Transformación de la energía eléctrica.

4.2 Los efectos de los imanes 4.2.1 Experiencias alrededor de los imanes. El magnetismo terrestre ¿Cuáles son los efectos de los imanes? ¿Qué tipos de materiales atraen los imanes? ¿Podemos magnetizar un objeto? ¿La Tierra posee fuerza magnética? A éstas y otras muchas cuestiones podrás responder en las actividades siguientes.

Actividad Los imanes atraen metales como el hierro y el acero. Su mayor fuerza está en los extremos, a los que se denomina polos. Cada imán tiene dos polos diferentes, el polo norte y el polo sur.

¿Para qué lo hacemos? Para analizar la manera en que interactúan los imanes. ¿Qué se necesita? Dos imanes de barra, hilo o cordel, trozo de cinta adhesiva y plumón.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

125

¿Cómo hacerlo? 1. Sostén un imán, como se indica en la figura 2.66. Cuando deje de oscilar, registra la dirección de la barra. 2. Gira el imán un poco, enseguida déjalo girar por sí mismo. ¿Qué sucede? 3. Cuelga el imán en otro lugar. Cuando deje de balancearse, ¿en qué dirección se sitúa? 4. Coloca un pedacito de cinta adhesiva a cada extremo de tus imanes. Determina con una brújula cuál es el polo norte, marcándolo con una N; luego el polo sur con una S. Para ello puedes utilizar lápiz, tinta o plumón delgado. 5. Acerca los extremos de los dos imanes. a) ¿Notas alguna fuerza? b) ¿Puedes explicarlo? 6. Dale la vuelta a un imán, acerca nuevamente los extremos de los dos imanes y anota lo que observes. 7. Recorre tu casa o tu escuela tratando de atrapar diferentes objetos pequeños con tus imanes. Recoge clips, papel, lápices, gomas, ligas. Ve si puedes atrapar madera, plástico, telas. Trata de levantar bolitas de distintos materiales, granos de arena, sal, azúcar o monedas de cualquier denominación.

Figura 2.66 Polos magnéticos de un imán.

Para concluir: ¿De qué forma se utilizan los imanes en la casa y en la escuela? Haz un listado de la utilización que se les da. Coméntalo con tus compañeros del grupo y entre todos elaboren una lista de diez usos más.

En 1819, Hans Oersted realizó una serie de experimentos que demostraron categóricamente que la corriente eléctrica que circulaba por un conductor era capaz de crear un campo magnético. Unos años más tarde, en 1831 Michael Faraday probó que el magnetismo puede, a su vez, engendrar una corriente eléctrica. Aquellos sencillos experimentos de laboratorio fueron el arranque de todas las posteriores conquistas en el conocimiento de la electricidad y sus aplicaciones prácticas, que han permitido todas las maravillas de nuestro tiempo: el telégrafo, el teléfono, el motor eléctrico, los generadores de electricidad, la radio, la televisión. Aún en la actua1idad, se emplean grandes imanes para producir la corriente eléctrica, mediante la cual funcionan las fábricas y se iluminan en la noche nuestros hogares. Así, el hombre ha conseguido poner a su servicio la electricidad y el magnetismo, aunque todavía no haya llegado a descubrir las relaciones más íntimas entre ambos fenómenos, que aún no han dado su respuesta definitiva y satisfactoria a los científicos. Figura 2.67 Formas de imanes.

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Bloque 2

El vocablo magnetismo proviene de Magnesia, nombre de una antigua ciudad de Asia, en donde se encontró un mineral llamado magnetita, que desde la época de los griegos se descubrió que tenía la propiedad de atraer el hierro. A los materiales que poseen esta propiedad se les llama imanes. Los imanes pueden ser naturales o artificiales. Los naturales son aquellos que se constituyen de magnetita u óxido férrico (Fe2O3). Los artificiales son los que fabrica el hombre con hierro, cobalto y níquel (figura 2.67).

Polos del imán Si un imán se introduce en limaduras de hierro, éstas se adhieren más en ciertas zonas llamadas polos del imán. Los imanes artificiales generalmente tienen dos polos que se localizan en sus extremos. Si una barra imán se cuelga por su centro de un hilo destorcido, después de algunas oscilaciones termina por quedar en una Figura 2.68 Fuerzas entre los polos. dirección definida, aproximadamente la de norte-sur. El polo del imán que apunta al norte se llama polo norte. El polo del imán que apunta al sur se llama polo sur. Acercando ahora los polos de otro imán, se pueden notar atracciones y repulsiones según la ley siguiente (figura 2.69). Polos del mismo signo se rechazan; polos de signo contrario se atraen. N

S

Imanes frente a frente S

N

S

S N

N S

N

N

Polos de distinto signo se atraen

N S

N S Polos del mismo signo se repelen

S

Figura 2.69 Polos del mismo signo se repelen y polos de signo contrario se atraen.

Actividad El magnetismo no se ve, no se escucha, no se huele, no se gusta ni puede sentirse directamente; y carece de peso. Como no es posible encontrarlo por medio de los sentidos, la única forma en que podemos aprender algo acerca de él es tratando de saber lo que hace. Vamos a ver si nos puede dirigir hacia el norte terrestre.

¿Para qué lo hacemos? Para localizar el polo norte magnético. ¿Qué se necesita? Un recipiente de plástico, agua, un imán de barra, una tapa de plástico más chica que el recipiente, cinta adhesiva de color rojo y azul, círculo de cartulina de 3 cm de diámetro y plumón.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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¿Cómo hacerlo? 1. Fija el imán con la cinta adhesiva al centro de la tapa como se observa en la figura. 2. Coloca la tapa sobre la superficie del agua. En el borde del recipiente marca con papel, plumón delgado u otra forma el sitio al que apuntan los polos del imán. 3. Haz girar la tapa con el imán. Cuando se pare vuelve a hacer la prueba. ¿Qué sucede? 4. En el círculo de cartulina marca los puntos cardinales (N, S, E y O). Pon el círculo en la tapa con la “N” sobre el polo positivo del imán. Haz girar la tapa. Cuando deje de moverse registra lo que sucede. Para concluir: Explica por qué aunque hagas girar muchas veces la tapa siempre se detiene en la misma posición.

La propiedad que tienen los imanes de orientarse se aprovecha en las brújulas (figura 2.70). Ya los chinos empleaban la piedra imán para orientarse (figura 2.71).

N Polo en dirección norte Polo en dirección sur

Figura 2.70 Diferentes tipos de brújulas.

Figura 2.71 Imán-brújula.

Aplicación del magnetismo terrestre en el funcionamiento de la brújula Una brújula es un instrumento que permite establecer la ubicación de la misma en relación con la superficie terrestre. Este instrumento tiene una aguja que indica la dirección del norte magnético de la Tierra. Ordinariamente consiste en un recipiente con tapa, que contiene una aguja imantada, colocada sobre un eje o flotando en un medio acuoso, que apunta hacia el norte magnético. Este instrumento fue creado por los chinos. Estaba compuesto por un trocito de caña, en el que se clavaba una aguja magnetizada, que se ponía a flotar en el agua. De esta forma se podía conocer el norte magnético, ya que esa cultura conocía el magnetismo.

128

Bloque 2

El magnetismo terrestre La Tierra se comporta como si tuviera en su interior una barra imán inclinada con respecto al eje terrestre, con su polo norte hacia el sur terrestre, y su polo sur hacia el norte terrestre. Por esta razón, las brújulas se orientan con su polo norte apuntando aproximadamente hacia el norte geográfico (figuras 2.72 y 2.73). Eje geográfico

N

PN

N

S PS

S

Eje magnético

Figura 2.72 Campo magnético de la Tierra.

Figura 2.73 Representación esquemática del campo magnético terrestre.

Experimento de Oersted Durante mucho tiempo, el estudio de los fenómenos magnéticos se redujo a los originados por los imanes. Los físicos supusieron que había una relación entre la electricidad y el magnetismo; acercaron brújulas a cargas eléctricas en reposo sin que se modificaran sus propiedades y, por otro lado, los imanes tampoco producían ningún cambio sobre los electroscopios electrizados. Un profesor danés, Hans Christian Oersted, realizó en 1820 un experimento ante sus alumnos para demostrar que no había interacción entre magnetismo y electricidad. Acercó un alambre con corriente eléctrica paralelamente a una brújula y quedó perplejo al ver moverse la brújula hasta colocarse perpendicular al alambre: había descubierto la relación entre la electricidad y el magnetismo.

4.2.2 El comportamiento de los imanes. Fuerza magnética ¿Un campo magnético ejerce fuerza sobre una carga? ¿Dónde se localiza la zona de un campo magnético? Veamos la actividad siguiente:

Actividad

Campo magnético ¿Para qué lo hacemos? Para verificar las fuerzas magnéticas. ¿Qué se necesita? Imanes (de barra, de herradura o redondos), hoja de papel (también puedes utilizar: cartón delgado, plástico o una placa de vidrio delgado) y limaduras de hierro.

¿Cómo hacerlo? 1. Sobre una mesa coloca la hoja de papel encima de un imán y espolvorea limaduras de hierro de manera suave y pareja sobre el papel, cubriendo el área que abarca el imán y en cuatro o seis centímetros más.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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2. En seguida golpea muy levemente varias veces con la punta de un lápiz, de modo que las limaduras se desparramen por igual. a) Dibuja lo que observes. b) Explica el fenómeno observado. c) ¿Cómo actúan las fuerzas magnéticas? d) ¿Dónde tiene mayor fuerza un imán? Fundamenta tu respuesta. 3. Repite el mismo experimento, colocando ahora los polos N y S de dos imanes a una distancia de 2 cm. ¿Cómo se distribuyen las líneas de fuerza magnética? Dibújalas. 4. Repite nuevamente el experimento, colocando los polos iguales de dos imanes cerca el uno del otro. ¿Cómo se alinean las limaduras de hierro en este caso? Dibuja el fenómeno observado.

Para concluir: 1. Integrados en equipos de tres o cuatro alumnos, analicen y comenten los resultados de los experimentos realizados. 2. ¿Creen que las leyes de Newton estén presentes en estos fenómenos? Fundamenten su respuesta. 3. ¿A cuál de estas leyes hacen referencia estos principios? Fundamenten su respuesta. 4. Opinen sobre en qué otros fenómenos magnéticos se pueden aplicar las leyes de Newton. 5. Con la ayuda del maestro y mediante una lluvia de ideas, elaboren una conclusión final sobre lo que hayan aprendido acerca del campo magnético que anotarán en el pizarrón y en su libreta.

Campo magnético El campo magnético puede hacerse visible con limaduras de hierro que forman cadenas por polarización. Las figuras obtenidas, llamadas espectros magnéticos, representan el campo magnético alrededor de los imanes (figura 2.74). Si en el campo se coloca una pequeña brújula en diferentes lugares puede comprobarse que siempre quedan en posición tangente a las líneas formadas por las limaduGlosario ras. Estas líneas representan las llamadas líneas magnéticas y su sentido es, Polarización: alineación por convención, el indicado por el polo norte de la brújula, lo que equivale de las vibraciones de una a decir que las líneas magnéticas salen por el norte del imán y llegan al onda transversal. sur del mismo (figura 2.75).

Líneas de fuerza

Líneas de fuerza Se atraen

Se repelen

Figura 2.74 Enfrentamiento de dos polos magnéticos iguales en los que se notan las líneas de inducción.

Figura 2.75 Enfrentamiento de dos polos magnéticos diferentes; observa cuidadosamente las líneas de inducción.

Además, se conviene en que el número de líneas magnéticas que atraviesan a la unidad de área representa la intensidad del campo magnético. Así, donde el campo magnético es débil las líneas magnéticas quedarán muy separadas y donde sea intenso quedarán muy próximas. 130

Bloque 2

PROYECTO 1

5. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar Proyecto 1 ¿Cómo se producen las mareas? ¿Te has preguntado por qué el nivel del agua marina en ocasiones cubre totalmente una playa y en otras las deja descubiertas? ¿Sabes cuál es la razón de que la Luna gire alrededor de la Tierra, de igual manera que los planetas giran alrededor del Sol, y no cae a la superficie terrestre? ¿Cómo son las fuerzas que la mantienen en su lugar? ¿Sabías que la Tierra tiene una masa 81 veces mayor a la de la Luna y que ésta se encuentra a una distancia de 380 000 km de la Tierra?

Éstas y muchas otras preguntas podrás responderte cuando hayas realizado los proyectos siguientes. En la figura 2.76 aparece la órbita de la Tierra en su trayectoria alrededor del Sol. Sabemos que la fuerza de atracción solar hace posible que la Tierra y los otros planetas continúen girando en torno a él. ¿Qué les pasaría a los planetas si de pronto desapareciera la fuerza de gravedad?

Figura 2.76 Órbita de la Tierra.

También hay factores del ambiente marino que no podemos ver, pero que sí percibimos y que producen las mareas. Además del oleaje formado por el viento, los mares del mundo tienen también otra forma de movimiento: las mareas. El nivel del mar sube y baja dos veces al día. Cuando sube se llama pleamar y cuando baja, bajamar: ¿cómo se llama al nivel más alto si al más bajo se le llama marea baja? Cuando la marea baja, quedan al descubierto franjas anchas de arena o de lodo. La fuerza de atracción de la Luna levanta el agua de los océanos en el lado de la Tierra al que se trasladó, con

tal fuerza que se forma una colina de marea alta. En el lado opuesto surge otra marea y su formación se debe a la fuerza de repulsión. Como la Tierra rota, ambas colinas de marea alta van avanzando alrededor de ella en forma de olas de marea. El Sol también ejerce una fuerza de atracción sobre la Tierra. Sin embargo, su fuerza para formar mareas es de la mitad de la de la Luna, debido a que el Sol se encuentra a una distancia 390 veces más lejos de la Tierra que la Luna.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para localizar las fuerzas y la energía que afectan el agua de los mares produciendo las mareas. ¿Qué se necesita? Dos esferas de unicel: una de 8 centímetros de diámetro y la otra de 3.5, popote o palo redondo de madera de 18 centímetros de largo, placa de unicel o cartón, clavo o tornillo, rondanas, una libreta y un lápiz. Nota: puedes utilizar otros materiales que se adapten a tu diseño. ¿Cómo hacerlo? 1. Con la ayuda de tu maestro o maestra organicen equipos de cuatro o cinco integrantes e investiguen en libros de geografía, de física, en enciclopedias u otras fuentes bibliográficas o en internet, si lo tienen, lo relacionado con tu proyecto.

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Bibliografía: Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://www.cnice.mecd.es/eos/Materiales Educativos/mem2000/astronomia/chicos/ basicas/mareas/index.html http://educared.cl/tierra_marea_ini.htm Observen las figuras que representan un modelo de la rotación de la Luna girando alrededor de la Tierra y comenten cuáles son las fuerzas existentes entre ellas que permiten mantenerlas unidas. Arma tu modelo (puedes cambiar los materiales sugeridos por otros que se te faciliten más) como se observa en la figura 2.77. Además, con otra esfera puedes representar el Sol. Localiza, por el método del ensayo y el error, el lugar en que el sistema quede equilibrado, y perfora un agujero en ese punto. Monta el sistema sobre una placa, utilizando el clavo o tornillo, con rondanas en la parte posterior, de tal forma que giren suave y uniformemente.

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Bloque 2

a) Con el material que tengas, diseña las fuerzas que representen la atracción entre la Tierra y la Luna; entre la Luna y el Sol y entre la Tierra y el Sol. Colócalas adecuadamente.

Figura 2.77 Modelo de la rotación de la Luna alrededor de la Tierra.

b) Puedes mejorar tu modelo anotando las explicaciones convenientes, esquemas adicionales y un mapa que puedes pegar a la esfera que representa la Tierra. Para concluir: 1. Comenta y discute con tus compañeros del grupo las trayectorias que representan las órbitas de la Tierra y la Luna al desplazarse. Explica la respuesta. 2. Utiliza gráficas o diagramas de fuerzas para explicar la atracción gravitacional entre los cuerpos. 3. Presenten sus modelos a todo el grupo y seleccionen los mejores. 4. Con la ayuda del maestro comenten y discutan: ¿Cómo podrían mejorar algunos de sus diseños? 5. ¿De qué manera afectan las mareas al ambiente de las costas? Fundamenta tu respuesta.

PROYECTO 2 Proyecto 2 ¿Qué materiales se pueden magnetizar y qué aplicaciones tiene esta propiedad? La fuerza producida por los imanes es la fuerza magnética; por ello es peligroso acercar un imán a un reloj de muelle de acero, debido a que las partes que lo constituyen podrían magnetizarse de manera permanente

y evitar su movimiento anulando su funcionamiento. Comprueba las propiedades de los imanes realizando la siguiente actividad.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para identificar los materiales que se magnetizan y las aplicaciones de la energía magnética en la vida cotidiana. ¿Qué se necesita? Un imán fuerte, objetos diversos de vidrio, madera, plástico, tela, papel, hierro, acero, un pedazo de hilo, un frasco de vidrio, agua y varios clips. Se sugiere la consulta de la siguiente página electrónica: http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/ Rincon-C/Curiosid/rc-66/rc-66.htm ¿Cómo hacerlo? 1. Clasifica los objetos en dos grupos: metálicos y otros. 2. Prueba tu imán atrayendo los objetos metálicos que hayas reunido, uno cada vez. 3. Repite la experiencia con los objetos del otro grupo. a) ¿Qué materiales atrae? b) ¿Qué materiales no atrae? c) ¿Por qué los imanes atraen los objetos de hierro o acero? Fundamenta tu respuesta.

4. Amarra el imán con el hilo y acércalo a diferentes cuerpos de tu entorno (pared, ventanas, puerta, juguetes, etcétera). a) ¿Qué sucede?, ¿qué objetos atrajeron el imán y cuáles lo rechazaron? b) Explica por qué sucede esto. 5. Pon un montón de clips como se muestra en la figura y coloca el imán sobre ellos. Observa lo que pasa. a) ¿Qué potencia tiene tu imán? b) ¿Cuántos clips puede atraer? 6. Deja caer un clip en el frasco con agua y trata de subirlo con el imán. a) ¿Actúan los imanes a través del vidrio y del agua? b) ¿Qué pasaría con el clip si las paredes del frasco fueran de hierro o de acero? Fundamenta tu respuesta. Para concluir: Elabora tu reporte.

Figura 2.78 Los imanes naturales están constituidos por magnetita.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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PROYECTO 3 Proyecto 3 ¿Cómo intervienen las fuerzas en la construcción de un puente colgante? A través de estructuras capaces de soportar grandes pesos, podemos cruzar una depresión del terreno u otros obstáculos como un río, lago, etcétera. Los puentes nos proporcionan una vía de comunicación, mediante una carretera o una línea férrea. También soportan tuberías, líneas de distribución de energía o de agua, como los acueductos. Se construyen puentes de diferentes tipos y constan de dos elementos fundamentales: los elementos que soportan los apoyos del puente y otra estructura que se coloca entre estos elementos. ¿Qué tipos de puentes

se han construido en la comunidad donde habitas? ¿Para qué los utilizan? ¿Qué clase de obstáculos se encuentran debajo de los puentes construidos? ¿Con qué materiales se construyeron? Los puentes colgantes generalmente son muy altos. El peso del puente se sostiene sobre los soportes verticales que se apoyan en el suelo y en los anclajes de las cuerdas. Las torres se fijan a los pilares de sujeción, que pueden estar muy separados entre sí, y sirven de apoyo para los cables.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar las fuerzas que intervienen en la construcción de los puentes colgantes. ¿Qué se necesita? Dos pedazos de madera de 5 cm de ancho por 10 cm de largo, un cartón fuerte, una tira de cartón de 4 cm por 8 cm. ¿Cómo hacerlo? 1. Formen equipos de tres o cuatro compañeros. 2. Claven los dos pedazos de madera en el cartón fuerte, para hacer una base y poder construir modelos de distintos tipos de puentes, como se observa en la figura 2.79. 3. Apoya la tira de cartón sobre los pedazos de madera. a) ¿Qué tipo de puente obtuviste? b) ¿Cómo son las fuerzas que lo sostienen? c) Haz un diagrama representando estas fuerzas. 4. Consulta enciclopedias, libros de física, internet, si lo tienes, y otras fuentes de información para obtener los datos necesarios para que puedas construir un modelo de puente colgante sobre la base hecha. a) Con la ayuda del maestro, intercambien su información con los otros equipos. b) Reflexionen y discutan sobre cuál sería la mejor manera de construir el puente colgante sobre la base anterior o bien, si es posible, construir otra base diferente. c) Diseñen su modelo y comenten acerca de la construcción del modelo. 5. Ahora construye tu modelo de puente colgante.

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Bloque 2

Para concluir: 1. Dibuja tu modelo. 2. Señala sobre tu dibujo las fuerzas que intervinieron en la construcción del puente. 3. Explica cómo intervienen las fuerzas en la construcción del puente. 4. Compara y discute tus respuestas con las de los otros equipos. 5. En equipo comenten y discutan la efectividad de su puente. ¿Creen que se requiera de algunos cambios a fin de mejorar su funcionamiento? Si es así, háganlos después de exponerlos en voz alta frente al grupo y demostrar su funcionamiento. 6. Entre todos elaboren una conclusión final sobre las fuerzas que intervienen en la construcción de un puente colgante, que escribirán en el pizarrón y en su libreta.

Figura 2.79 Construcción de un puente.

Gotitas de ciencia

Las llantas de los automóviles ¿Qué tan importantes son las llantas para tu seguridad cuando vas en un automóvil?, ¿qué evita que las llantas se patinen y que permita al conductor controlar el automóvil cuando da vuelta o frena?, ¿qué fuerzas se presentan al realizarse las maniobras anteriormente descritas? El rayado, o patrón de rodadura, de las llantas tiene un papel preponderante en su fricción o resistencia a patinar. Por ejemplo: en pisos o caminos secos o pavimentados, una llanta lisa proporciona mejor tracción que una estriada, debido a que tiene una mayor área de contacto para desarrollar las fuerzas de fricción. Sin embargo, una llanta muy lisa proporciona poca tracción en condiciones de humedad, ya que las fuerzas de fricción se reducen por una película lubricante de agua entre la llanta y el pavimento.

Las llantas con ranuras hacen que el agua se meta en las ranuras y de esta manera permiten que haya un área de contacto directo mejor entre la llanta y la superficie; por lo que las llantas estriadas generan coeficientes de fricción seco y húmedo de 0.7 y 0.4, respectivamente, mientras que una llanta lisa maneja unos valores de 0.9 (seco) y 0.1 (húmedo). Para calcular la seguridad de frenado no basta con conocer el coeficiente de fricción de las llantas, pues también se deben considerar la flexibilidad de su estructura y el rayado de las llantas. Por otro lado, el ancho de las llantas es importante debido a que a mayor área de contacto entre la rueda y el piso, mayor será la tracción del coche y también tendrá mayor capacidad de frenado.

Reflexiona 1.  En equipo, discutan el siguiente problema. Durante las carreras de autos, algunos de los participantes ponen sus ruedas al fuego para suavizar el caucho e incrementar el coeficiente de rozamiento. ¿Qué papel desempeña el rozamiento durante la carrera? 2.  Realicen una investigación sobre los tipos de pavimentos que existen en tu región. 3.  Investiguen los tipos de llantas que existen y qué función tiene cada una.

4.  Analicen la importancia de la utilización de llantas adecuadas para el lugar donde vives en cada época del año: invierno, verano, lluvia, periodo seco. 5.  Discutan sobre la importancia de conocer y escoger adecuadamente las llantas de automóviles y camiones. 6.  Realicen una lista enumerando las ventajas del punto anterior.

Las fuerzas. La explicación de los cambios

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Bl o q u e 3

Continuarás el estudio de las interacciones de la materia y potenciarás tus habilidades para representar fenómenos imperceptibles a los sentidos. Esto se relaciona directamente con la generación de imágenes y representaciones a través del análisis del modelo cinético molecular de la materia, a partir del estudio de fenómenos que sirven como puente entre dos niveles de abstracción: el macroscópico y el microscópico. Con el estudio, podrás elaborar otro tipo de interpretaciones de fenómenos no mecánicos, por ejemplo los asociados con el calor. Con los conocimientos adquiridos y las habilidades desarrolladas al terminar de estudiar este bloque podrás: · Desarrollar explicaciones simples de fases y fenómenos macroscópicos que se encuentran en relación con el calor, la presión o los cambios de estado, usando el modelo cinético corpuscular.

Las interacciones de la materia Un modelo para describir lo que no percibimos

Preguntas clave • ¿Cuáles son las características de la materia? • ¿De qué está hecho el Universo, la Tierra y las cosas que nos rodean? • ¿Cómo se representa la estructura de la materia? • ¿Se relaciona la velocidad de las partículas con su modelo cinético? • ¿Es lo mismo el calor que la temperatura? • ¿Cómo se expresa el principio de la conservación de la energía? • ¿Qué diferencia hay entre fuerza y presión? • ¿Cómo se producen los estados de agregación de la materia? • ¿Podemos conocer las variaciones del clima de nuestro ambiente? • ¿Te has preguntado por qué un submarino puede navegar a grandes profundidades?

· Entender el papel de los modelos en las interpretaciones de los fenómenos físicos, sus ventajas y desventajas. · Estudiar los problemas que se tuvieron que vencer a lo largo del desarrollo histórico del modelo cinético. · Utilizar e integrar sus habilidades, actitudes y valores mientras diseñan los proyectos donde incluyan experimentos que les ayuden a explicar y prever algunos fenómenos del ambiente relacionados con la temperatura, el calor y la presión. · Analizar la evolución tecnológica relacionada con el calor, la temperatura y la presión, sus alcances ambientales y sociales.

1. La diversidad de objetos 1.1 Características de la materia. ¿Qué percibimos de las cosas? El estudio de la estructura y comportamiento de la materia ha sido de vital interés para el ser humano. En el largo proceso de investigación para encontrar las respuestas se han podido adquirir los conocimientos actuales para explicarnos las manifestaciones y naturaleza de la materia. En tu entorno, muy cerca de ti (figura 3.1), puedes encontrar una gran variedad de materiales, objetos comunes como tu libro, tu libreta de notas, un lápiz, una botella de agua, una bicicleta, un par de zapatos tenis, unos pantalones de mezclilla, una malteada de chocolate, un lago o un río, una montaña. Puede ser que también veas un trozo de tu pizza favorita en una estupenda combinación de salsa de tomate, queso y lo que más te agrade, todo en una combinación armoniosa, exquisita al paladar y cuidadosamente horneado. No podemos olvidar la belleza del cielo donde podemos ver un espacio inmenso totalmente azul, salpicado por nubes blancas y esponjosas. Pero, ¿qué es todo este material? En el libro y en la libreta hay papel, en el lápiz madera, en la botella agua, la bicicleta es de aluminio, lo zapatos tenis son de una combinación de materiales de piel, vinil, textiles y otros, los pantalones son de mezclilla, en la pizza hay queso y salsa de tomate; pero, ¿qué son el papel, la madera, el plástico, la piel, el vinil, los textiles y la mezclilla?, ¿de qué están hechos el pan de la pizza, el queso y la salsa de tomate?, ¿por qué un material es diferente de otro? Para responder a estas cuestiones, los científicos clasifican a la materia según su composición.

Elaboración

Figura 3.1 Observa con cuidado este paisaje para que puedas comprobar que existen diferentes tipos de materia. Como te habrás dado cuenta, cada una de ellas presenta ciertas características que permiten diferenciar unas de otras.

Reflexiona Con base en la lectura anterior, responde en tu cuaderno las preguntas siguientes: 1. ¿Qué características tienen las cosas que te rodean? 2. ¿Cuántas clases de materiales puedes distinguir? 3. ¿Cuáles son sólidos, cuáles líquidos y cuáles gaseosos?

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Bloque 3

4. ¿Las cosas que observas están formadas por un solo material? 5. Menciona varios ejemplos e indica los materiales que los conforman a simple vista.

1.1.1 Experiencias alrededor de algunas características de la materia: sus estados de agregación La materia integra todas las cosas que te rodean: el metal y el vidrio de una ventana, el papel y la tinta de un libro, el plástico y el líquido de una botella de agua, el aire que respiras y los materiales que conforman tu organismo. Con sólo examinar o manipular un pequeño trozo de materia, puedes determinar algunas de las propiedades de la materia: ¿qué color tiene?, ¿es un sólido, un líquido o un gas?

Actividad Características de la materia Indica de qué están hechas las cosas que se mencionan en el cuadro siguiente.



Cosas Bolígrafo Suéter Escritorio Televisor Lámpara Libro Maceta

Material Plástico, metal, tinta

Para concluir: 1. Compara tus respuestas con las de tus compañeros. 2. Anoten otros ejemplos en el pizarrón.

Los experimentos son la columna vertebral de la física, la química y la ciencia en general. A través de la historia de la humanidad se han encontrado algunos científicos que tenían mucha creatividad e iniciativa, característica con la que lograron sus asombrosos descubrimientos. Lo mismo que ellos, tú también puedes llevar a cabo algunas experiencias de laboratorio de manera exitosa. Te invitamos a realizar los experimentos siguientes.

Glosario Propiedades de la materia: cualidades o características que tienen las sustancias y que permiten identificarlas. Cuerpo: porción limitada de materia.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar algunas características de los materiales. ¿Qué se necesita? Un globo pequeño, dos recipientes (tazón y botella chica), vaso, taza, cucharita, agua caliente, levadura. ¿Cómo hacerlo? 1. Observa la levadura seca y anota sus características. 2. Consulta en un diccionario el significado de levadura y escríbelo en tu cuaderno.

3. Mezcla en el vaso de vidrio dos cucharaditas de levadura con dos cucharadas de agua caliente. Observa y anota lo que sucede. 4. Ahora añade una cucharadita de azúcar y mezcla muy bien. 5. Vierte la mezcla dentro de la botella y después introduce la boca de la botella en la boca del globo (previamente estira el globo para suavizarlo). 6. Introduce la botella durante 15 minutos dentro del tazón con agua caliente (figura 3.2).

Las interacciones de la materia

139

7. Describe lo que observaste y haz un dibujo. 8. ¿Podrías indicar las características que identificas en esta experiencia? Escríbelas. 9. Anota las explicaciones probables para los fenómenos observados. Para concluir: Con ayuda del maestro, investiguen las respuestas a las preguntas que se formulan a continuación: 1. ¿Qué gas produce la levadura al reaccionar con las otras sustancias? 2. ¿De dónde salen las burbujas? 3. ¿Por qué se infla el globo?

4. ¿Qué estados de agregación percibiste? 5. ¿Por qué?

Figura 3.2a La levadura seca parece un polvo sin vida, pero en realidad está formada por millones de minúsculos microbios, que están inactivos hasta que reciben humedad y calor.

1.1.2 Noción de materia Reflexiona las preguntas siguientes y elabora las respuestas correspondientes, para que al finalizar el tema compruebes si tus ideas eran correctas. 1. 2. 3. 4.

¿Cuál es el estado de la materia más abundante de la naturaleza? ¿Qué hace diferente a un sólido de un gas? ¿Por qué la madera y muchos metales no son gases o líquidos? ¿Podrían serlo?

Ya mencionamos que todo lo que te rodea está constituido por materia, el aire, el agua, las piedras, los animales, las plantas y todo cuerpo que exista en el Universo. Hay objetos de metal, plástico, vidrio, madera, tela, materia orgánica, como las plantas, etcétera; pero además también hay objetos que se estructuran combinando los materiales mencionados. ¿Podrías anotar algunos ejemplos? Una explicación más precisa de materia es cualquier cosa que tiene masa y energía y ocupa un lugar en el espacio. ¿Pero, todo lo que puedes tocar, oler, ver y sentir es materia? Casi todas las cosas están formadas por materia. Observa las cosas de la figura 3.2b y determina cuales de ellas son materia.

Figura 3.b Distintas representaciones de materia.

¿Qué no es materia? Tú puedes ver las palabras de esta página porque la luz viene del Sol o de alguna fuente de energía luminosa (por ejemplo, un foco). Pero, ¿la luz tiene masa u ocupa un lugar en el espacio? La luz y el calor no tienen masa, ni ocupan un lugar en el espacio. No son materia. Las emociones, los pensamientos e ideas no son materia. La masa es la cantidad de materia que contiene un cuerpo. La masa es una magnitud física fundamental, y como unidad de medida tiene al kilogramo (kg), que se mide en una balanza. 140

Bloque 3

Podemos confundir la masa con el volumen cuando pensamos que, mientras mayor volumen ocupe un cuerpo, mayor cantidad de materia tendrá. Esto no siempre es así, ya que la masa y el volumen son magnitudes físicas diferentes. No ocupa el mismo espacio un kilogramo de unicel que uno de plomo. ¿Será igual patear una pelota de esponja que una de metal?, ¿o será lo mismo tratar de detener el vuelo de un insecto que el de un pájaro? ¿Tú qué opinas?, ¿a qué se debe? ¿Encuentras alguna relación entre la masa de los cuerpos en movimiento y la fuerza que se tenga que aplicar para detenerlos?, ¿cómo podrías describirlo? Coméntalo con tus compañeros. Otra propiedad importante es que la masa es invariable, esto quiere decir que se conserva íntegramente en cualquier lugar en que se encuentre, de tal manera que si tú viajaras a diferentes lugares, tendrías la misma cantidad de materia tanto si te encuentras en México, en el Ecuador o en algún planeta lejano (figura 3.3). Figura 3.3 Un astronauta tendrá la ¿Sabes si las siguientes cosas son materia?: el calor y la luz del Sol, misma cantidad de masa en la Tierra que en Marte, Urano o Neptuno. los pensamientos, las ideas, las ondas de radio y los campos magnéticos. Coméntalo con tus compañeros. La estructura de la materia nos indica de qué está hecha y la forma en que se organiza. El comportamiento de la materia describe sus características o propiedades y los cambios que experimenta. Al observar o manejar un determinado trozo de materia puedes detectar algunas de sus propiedades: ¿es un sólido, un líquido o un gas?, ¿qué color tiene?; si es un sólido, ¿es suave o duro?, ¿rígido o elástico?, ¿es corrosivo?, ¿se disuelve en agua?, ¿qué le sucede cuando lo mezclas con otra clase de materia? Veamos un ejemplo de una de las propiedades de la materia: la masa.

Actividad Con la orientación de su maestro formen equipos y realicen la construcción de una balanza, la que podrán utilizar para realizar distintas mediciones en las clases de física o matemáticas. Un modelo es un duplicado del original que sirve para favorecer la comprensión del principio que se estudia. Harán un modelo a escala de una balanza que podrán utilizar en una actividad semejante al trabajo de los científicos cuando investigan algo desconoci-

do. Al finalizar su trabajo los científicos divulgan sus conclusiones y, de esta forma, favorecen las investigaciones de otros hombres de ciencia y contribuyen al desarrollo de la ciencia y la tecnología. ¿Para qué lo hacemos? Para construir un modelo. ¿Qué se necesita? Bote de lámina, hilo de cáñamo, tijeras para cortar metal, monedas y hoja de papel.

Figura 3.4 Para construir una balanza de mano usa como platillos la tapa o el fondo de un bote de lámina que cortarás con tijeras para metal.

Figura 3.5 Dibuja los modelos para la barra, el fiel y el soporte en una hoja de papel, y después pásalo a la lámina.

Las interacciones de la materia

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Figura 3.6 Usa monedas cuyos pesos conozcas para calibrar los trozos de metal que te servirán como pesas. Una tira de lámina de 5 g puedes cortarla en 4 partes de 1 g y dos partes de 0.5 g.

Figura 3.7 Se realizan tres perforaciones en la tapa o fondo del bote de lámina (como se indica en la ilustración) para sujetarlas con el hilo de cáñamo.

Figura 3.8 Corta con tijeras. Dobla las tiras de lámina como se muestra en el dibujo y, con un clavito, une las dos piezas. Así tendrás el soporte para los platillos de la balanza.

Figura 3.9 Arma la balanza y equilibra el peso en ambos platillos. Si no queda en equilibrio, coloca un pequeño jinete (trozo de lámina doblado) sobre el brazo que esté más alto.

La masa es una unidad fundamental. La masa de un cuerpo se mide en una balanza. En la balanza construida midan la masa de algunos objetos, tales como libros, libretas, relojes, lápices, plumas, gomas, monedas, sacapuntas, pulseras, aretes, arroz, cacahuate, frijol y una lata vacía (atún, chiles, verduras, etcétera). ¿Cómo hacerlo? 1. Equilibren los platillos de la balanza.

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Bloque 3

2. Coloquen en un platillo el objeto y equilibren, con pesas, el otro platillo. 3. Realicen la misma operación con todos los objetos escogidos y registren los resultados en el cuadro de datos. 4. Midan la masa de una caja de arroz y otra de frijol, anoten el valor obtenido.



Objetos



Lápiz



Pluma



Goma



Caja de arroz



Lata de frijol

Masa (g)

5. ¿Cómo es la masa de los diferentes objetos?, ¿cuál de ellos tiene mayor masa y cuál menor? 6. ¿Cómo es la masa de la caja de arroz comparada con la masa de la lata de frijol? 7. Saca conclusiones: ¿Por qué existe esa diferencia de masas? 8. Comenta, con los integrantes de tu equipo, ¿cómo pueden conocer la masa de veinte hojas de tu libro? 9. Anota el resultado en tu cuaderno. Para concluir: Realicen la investigación siguiente: 1. Formen equipos de tres o cuatro alumnos.

2. Investiguen cómo se pesaban algunas semillas o granos como el arroz y el frijol en nuestro país a principios del siglo xx. 3. En su comunidad, ¿cómo se pesan actualmente estas semillas? 4. Comenten el resultado de la investigación y, con la ayuda del profesor, lleguen a una conclusión final que anotarán en su cuaderno. 5. En equipo, comenten y discutan la efectividad de su balanza. ¿Creen que se requiera de algunos cambios a fin de mejorar su funcionamiento? Si es así, háganlos y después expónganlos en voz alta frente al grupo.

1.1.3 Propiedades generales de la materia y su medición Todo lo que vemos, tocamos o sentimos en el mundo que nos rodea está formado por materia. Al diferenciar las distintas clases de materia, el hombre ha podido modificar su forma de vida; por ejemplo: aprovechar a los animales y a las plantas para alimentarse, vestirse o recuperar la salud; construir herramientas o utensilios de piedra, madera o metal que le facilitan el trabajo diario; construir su vivienda con palma, madera, ladrillos y piedra para protegerse del medio ambiente; diseñar transportes de madera, metal o fibra de vidrio que le han permitido viajar por tierra, agua y aire.

¿Qué es la materia? A pesar de los adelantos científicos o tecnológicos que el ser humano ha logrado hasta la fecha, aún no se conoce todo sobre la materia. Sabemos que aquello que pueden percibir nuestros sentidos es materia; pero mediante el tacto y la vista percibimos el calor y la luz y ninguno de los dos es materia, sino energía. Sin embargo, al ver, tocar y oler los objetos y seres vivos que están en nuestro entorno, podemos tener la certeza de que ocupan un lugar en el espacio y se presentan en diferentes formas: de sólidos, como la madera y la mayoría de los metales; líquidos, como el agua, aceite o vinagre, y gaseosos, como el aire. Y todos están formados por materia. Actualmente se conoce un cuarto estado de la materia llamado “plasma”.

Las interacciones de la materia

Glosario Materia: todo aquello que ocupa un lugar en el espacio; se presenta en tres estados físicos: sólido, líquido, gaseoso y plasma. Peso: fuerza de gravedad que ejerce un cuerpo sobre otro y que se mide en newtons.

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Actividad Con la orientación de tu maestro formen equipos de trabajo y realicen la actividad siguiente:



Sustancia

1. Observa y comenta, ¿de qué materiales están hechos los objetos que se anotan en el cuadro? ¿Qué forma tienen?

Estado físico (sólido, líquido o gaseoso)

Color

Olor

Forma

Agua de la llave Azúcar El libro que lees Un lápiz Un automóvil El aire que respiras El gas que sirve de combustible para la estufa Aceite de cocina Las nubes Tu loción preferida

2. Anota los nombres de objetos que hay en tu salón de clases. 3. Anota los nombres de objetos que haya en tu casa. 4. Anota los nombres de objetos que haya en la calle.

5. Discute con los integrantes de tu equipo las semejanzas y diferencias de los objetos anotados. Para concluir: Anota tus conclusiones en el cuaderno, describiendo las clases de materia de que están hechos los objetos.

Se llaman propiedades de la materia a las cualidades o características que tienen las sustancias y que permiten identificarlas, como el color, el olor, la masa. Así, encontramos que los cuerpos que nos rodean están hechos de diferentes materiales; por ejemplo, sabemos que una caja puede estar hecha de madera, cartón, metal o vidrio; que un plato puede ser de metal, barro, porcelana, plástico o vidrio. También vemos que hay cuerpos diferentes que están hechos del mismo material: por ejemplo, de plástico encontramos botellas, bolsas, tazas, platos, recipientes, bolígrafos, cajas, etcétera. Asimismo, podemos diferenciar o distinguir a los cuerpos por las características de los materiales que los forman, como el olor, sabor, color, forma, tamaño: recuerda que a estas características se les llama propiedades de la materia. Las distintas sustancias que forman los materiales de que están hechas las cosas tienen el nombre común de materia.

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Bloque 3

Actividad Bajo la dirección de tu maestro realiza lo siguiente: 1. Colecciona y examina distintos materiales. a) Observa en qué se parecen. b) Observa en qué son diferentes. 2. Examina los materiales coleccionados por tus compañeros de grupo y muéstrales los tuyos.

3. Discute con ellos las características de los materiales coleccionados. Percibe su olor, color, textura y forma. Para concluir: Anota tus conclusiones, sobre las propiedades de la materia.

Identificación de algunas propiedades generales de la materia Ahora estudiarás las propiedades siguientes.



Generales

Específicas

1. Masa

1. Dureza

2. Peso

2. Tenacidad

3. Volumen o extensión

3. Ductilidad

4. Inercia

4. Maleabilidad

5. Elasticidad

5. Solubilidad

6. Impenetrabilidad

6. Punto de ebullición

7. Divisibilidad

7. Punto de fusión

8. Porosidad

8. Densidad

Las propiedades de la materia se dividen para su estudio en: generales y específicas. Los cuerpos están formados de materia y presentan propiedades comunes como la masa, el peso y el volumen. Iniciaremos el estudio de la materia con las propiedades generales.

Masa y peso La masa y el peso son propiedades que están íntimamente relacionadas entre sí y que en ocasiones causan cierta confusión. Mientras mayor masa posee un objeto, se dice que es más masivo. Por ejemplo: una pelota de beisbol posee mayor masa que una pelota de esponja de igual tamaño; entonces, la pelota de beisbol es más masiva. Otro ejemplo sería: un elefante posee mayor cantidad de masa que un ratón. Una particularidad propia de la masa de los cuerpos es que se mantiene invariable en cualquier parte. La masa es la misma en la Tierra, en la Luna o en cualquier lugar del Universo. La masa de los cuerpos se determina con un aparato llamado balanza (figura 3.10), y se mide en gramos (g) o kilogramos (kg).

Glosario

Masa: cantidad de materia que posee un cuerpo.

Figura 3.10 La balanza se utiliza para determinar la masa de los cuerpos.

Las interacciones de la materia

145

Glosario

El peso de un cuerpo Anteriormente dijimos que la masa está relacionada con el peso, pero la masa y el peso de un cuerpo son diferentes. El peso depende de la fuerza de gravedad que ejerce un cuerpo sobre otro, el cual puede cambiar dependiendo en donde está localizado un objeto. Si pudieras viajar a otros planetas, tu peso cambiaría, pero tu tamaño y tu masa seguirían siendo iguales. Esto es porque la fuerza gravitacional es diferente en cada planeta (figura 3.11). El peso de un cuerpo se puede medir con un aparato llamado dinamómetro y sus unidades de medida son los newtons (N) (figura 3.12).

Peso: fuerza de atracción que ejerce la gravedad sobre los cuerpos.

Figura 3.11 Una persona en la Luna tendrá la misma cantidad de masa que en la Tierra pero menor peso.

Glosario

Figura 3.12 El dinamómetro mide el peso de un cuerpo y las fuerzas (tiene una escala en newtons, N).

Volumen o extensión

El volumen de un cuerpo lo podemos tener en cualquiera de los tres estados de agregación molecular (sólido, líquido o gaseoso); por ejemplo, una lata llena de pintura, un tinaco lleno de agua, un globo inflado, una pelota, un lápiz, etcétera. El volumen es el espacio ocupado por la cantidad de pintura que contiene la lata, el agua que está dentro del tinaco, la cantidad de gas (espacio) que ocupa el globo o la 3 (1 cm ) pelota y la extensión que tiene el lápiz. 10 cm La unidad de volumen en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m3). Para obtener el volumen de un cuerpo regular existen fórmulas establecidas que nos permiten calcularlo. Si se desea obtener el volumen de un cubo se debe medir el largo, el ancho y el alto de éste. Para obtener el resultado se multiplica 10 cm largo por ancho por alto. 10 cm Si el cuerpo es redondo se mide su radio, para que con éste se pueda calcular la fórmula. 3 Con las medidas que se obtienen se puede Figura 3.13 El cubo tiene un volumen de 1 000 cm . El volumen o extensión del cubo es el lugar que ocupa en el espacio. calcular el volumen de los cuerpos (figura 3.13). Volumen o extensión: espacio que ocupa un cuerpo.

146

Bloque 3

Inercia Ningún cuerpo puede modificar por sí mismo su estado de reposo o de movimiento. La inercia es la tendencia natural de un objeto a mantener un estado de reposo o a permanecer en movimiento. Para mover un auto se necesita aplicarle una fuerza; lo mismo sucede cuando deseamos que se detenga o que cambie su trayectoria (figura 3.14).

Figura 3.14 Por la inercia, los cuerpos que están en reposo tienden a permanecer en reposo.

Elasticidad La elasticidad tiene un límite y cuando éste se pasa, el cuerpo deja de ser elástico e incluso puede romperse (figura 3.15).

Impenetrabilidad Considerando la definición de impenetrabilidad, al colocar una piedra en un vaso con agua aumentará la altura del líquido, debido al volumen ocupado por el objeto que añadimos, pues la piedra es impenetrable al agua (figura 3.16).

A

B

Figura 3.15 Elasticidad o deformación temporal de un cuerpo.

Figura 3.16 Impenetrabilidad. Cuando sumergimos un objeto en un líquido, se desplaza un volumen de líquido igual al volumen del objeto, pues el líquido no puede penetrar en ese sólido.

Divisibilidad Un trozo de sal puede reducirse hasta pulverizarse, un terrón de azúcar puede pulverizarse en pequeñas partículas; un plato se puede dividir en pedazos (figura 3.17).

Glosario Divisibilidad: propiedad que tiene la materia de poderse dividir en partes cada vez más pequeñas hasta llegar a proporciones diminutas.

Figura 3.17 La divisibilidad es una propiedad que tienen los objetos de fragmentarse.

Las interacciones de la materia

147

Porosidad Si introduces un tabique en el agua, ésta penetra en él por los poros; lo mismo sucederá con una esponja, el algodón… (figura 3.18).

Figura 3.18 La porosidad son los huecos que presenta un sólido, por ejemplo una esponja.

Actividad 1. Escribe tres casos que ejemplifiquen la elasticidad, tres la porosidad y tres la inercia.







Ejemplo 1



Ejemplo 2



Ejemplo 3

Elasticidad

2. Llena un recipiente mediano (bandeja) con agua hasta la mitad. Toma un pedazo de papel y colócalo dentro de un vaso. Invierte el vaso e introdúcelo boca abajo en el recipiente con agua. a) ¿Qué sucede? b) ¿El papel se moja?

Porosidad

Inercia

c) Con este experimento demostramos la propiedad de la impenetrabilidad. ¿Sabes por qué? 3. Coméntalo con los compañeros de tu grupo y anoten en su libreta sus conclusiones sobre la impenetrabilidad.

Actividad Observa con cuidado el mapa conceptual de “El Universo”, porque contiene una explicación clara y breve acerca de las propiedades de la materia. Con los conocimientos que posees, ¿podrás describir alguna de estas propiedades? Si no logras hacerlo, investiga en la biblioteca el significado de las propiedades que no recuerdes. Bibliografía: Libros de Física de la biblioteca. Por medio de una discusión dirigida y con ayuda de tu maestro, comenta en el grupo cada uno de los

148

Bloque 3

significados de otras propiedades de la materia, identificando si corresponde a las propiedades generales o extensivas o a las propiedades específicas o intensivas. Explica las respuestas que des a las preguntas siguientes y determinen cuál es la conclusión general del grupo sobre ellas, la cual anotarás en tu cuaderno. 1. ¿Qué propiedades de la materia puedes apreciar a simple vista? 2. ¿Qué beneficios le reporta al hombre conocer estas propiedades?

A continuación encontrarás un mapa conceptual incompleto que se refiere a estas propiedades de la materia, anota dentro de los espacios vacíos las que faltan.

El Universo está constituido por Propiedades físicas presentan

Propiedades generales o extensivas

Propiedades específicas o intensivas

divididas en

Propiedades específicas de los elementos las poseen Todas las sustancias que dependen de La cantidad de materia como

referidas al

Propiedades específicas de los elementos

Comportamiento de las sustancias en las reacciones químicas

con Valores específicos porque no dependen de La cantidad de materia por ejemplo Puntos de fusión y ebullición

Volumen

Las interacciones de la materia

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1.2 ¿Para qué sirven los modelos? ¿Saben qué es un modelo? ¿Podrían mencionar algunos? Cuando miras un mapa de América sabes que no estás viendo el continente americano en sí mismo, sino que éste es un modelo, una pequeña y muy valiosa representación de un cuerpo mucho más grande y muy complicado: el continente americano (figura 3.19). Pero, ¿podrías representar cosas muy pequeñas como las moléculas del aire que respiras o las células que conforman tus músculos? Un mapa de América es un modelo físico real que puedes ver y tocar. De igual forma puedes hacer representaciones mentales de cosas que desees comprender; como las moléculas de aire y las células de tus músculos; es decir, puedes elaborar modelos mentales. En la actividad siguiente, explora cómo puedes definir la forma de un objeto que no ves.

Figura 3.19 Modelo del continente americano.

Actividad ¿Cómo puedes determinar la forma de un objeto sin verlo? Investiga cómo puedes hacerlo. 1. Coloca un clip, un bolígrafo, un ladrillo o una bolsa chica con arena sobre el piso. Encima de los objetos coloca una lámina grande de cartón a una altura de 15 centímetros. 2. Sin ver bajo el cartón, haz rodar una canica debajo de éste. 3. Compara la dirección que siguió la canica hacia el objeto con la dirección que siguió después de chocar contra éste.

4. Rueda la canica hacia el objeto desde distintas direcciones. Registra y haz un diagrama de tus observaciones en tu libreta. Con base en éstas, ¿puedes determinar cuál objeto se encuentra debajo del cartón? a) ¿Qué beneficios le reporta al hombre elaborar esta clase de modelos? b) Enumera los beneficios que te han proporcionado en tu vida cotidiana.

A veces, un modelo es algo que puedes ver y manipular, por ejemplo los modelos de automóviles, de aviones, de barcos o quizás un modelo a escala de un edificio o de una unidad habitacional trazado o hecho por un ingeniero o un arquitecto. La figura 3.20 muestra que los modelos son herramientas fundamentales en diferentes ámbitos. Los modelos se usan, se someten a pruebas y se revisan periódicamente para realizar otras pruebas.

1.2.1 Los modelos y las ideas que representan Figura 3.20 Los modelos te ayudan a ver y comprender una estructura, ya sea en el diseño de un nuevo avión o una molécula química otro objeto que desees comprender.

150

Bloque 3

Tal vez ahora ya te hayas dado cuenta de que existen distintas clases de un modelo; por ejemplo modelos de transportes, de casas habitación, de parques, del Sistema Solar. Un modelo nos ayuda a comprender cómo se construye un objeto o cómo funciona. Un modelo bien hecho de un objeto puede explicar

claramente todas las observaciones en relación a él. En diversas ocasiones no se trata de un objeto que puedas tocar o manipular, sino de una representación mental o una idea. Probablemente te hayas familiarizado con varios modelos que expresan la idea del objeto real. Para tener más clara la idea de modelo y de los tamaños de las cosas que hay a tu alrededor, van a dibujar un modelo a escala. Si quieres dibujar, por ejemplo el plano del salón de clases, de la escuela o de la localidad donde vives, nunca podrías representarlo con el tamaño exacto que tienen, ya que el dibujo o la maqueta tendría que ser tan grande como en la realidad. Por ello, debes elegir una escala. Una escala es una relación de medida que existe entre la medida real y la representación que se quiere hacer. Por ejemplo, puede ser que 1 cm en el papel equivalga a 100 km en el terreno, como pasa en el caso de los mapas. Con los datos siguientes van a construir un modelo del Sistema Solar: En la tabla de abajo aparecen los nombres de los astros, la distancia que los separa del Sol en unidades astronómicas (UA) y el diámetro de todos ellos, considerando como unidad el diámetro de la Tierra. Usen las escalas: 1 m = 1 UA y 0.1 mm = 1 diámetro terrestre.



Astro

Distancia al Sol

Diámetro (Tierra = 1)



Sol

—

110



Mercurio

0.4

0.4



Venus

0.7

1.0



Tierra

1.0

1.0



Marte

1.5

0.5



Júpiter

5.2

11.2



Saturno

9.5

9.5



Urano

19.2

3.7



Neptuno

30.1

3.5

Tabla 3.1 Medidas astronómicas.

Investigación

Construcción de un modelo del Sistema Solar Problema ¿Qué tamaño debe tener el modelo que vas a hacer? Plantea un plan de investigación. Integrados en equipos de tres o cuatro alumnos planteen un plan de investigación para resolver el problema indicado. Propósitos a) Determinar el tipo de modelo que van a representar mediante un dibujo a escala. b) Definir un procedimiento para llevar a cabo la construcción del modelo escogido. c) Seleccionar los materiales que van a utilizar para tener una mejor idea del tamaño del objeto.

¿Qué se necesita? Papel bond, cinta métrica, compás, lápices y colores. Plan de la investigación 1. Prepara una tabla de datos en tu libreta para registrar la escala previamente determinada y el tamaño real del objeto a modelar. 2. Lleva a cabo la construcción del modelo seleccionado. Revisa tu plan 1. ¿Qué clase de experiencias harás? ¿Cómo distinguirás sus semejanzas y sus diferencias?

Las interacciones de la materia

151

2. ¿Dónde llevarás a cabo la construcción de tu modelo? 3. Determina las dimensiones del objeto real. Iden-tifica cómo reproducirás cada planeta en tu modelo. 4. Escribe tu plan y revísalo con tus compañeros de equipo y con tu maestro. Efectúa los cambios que se requieran y lleva a cabo la construcción (dibujo) de tu modelo.

Para concluir: 1. Escribe con tus propias palabras tu idea de modelo. 2. Analiza: ¿Cuántos modelos diferentes hicieron en el grupo? 3. Compara las diferencias entre un modelo y otro. 4. Identifica: Hubo alguna idea sobre los modelos construidos que fuera semejante a tu propia idea. 5. Concluye: Muestren al grupo sus modelos y entre todos evalúen si los dibujos de cada astro están hechos a escala.

1.2.2 El papel de los modelos en la ciencia Para estudiar ciencia debes utilizar perspectivas micro y macroscópicas. Por ejemplo, tanto la balanza que construiste en una actividad anterior (figura 3.21) como las balanzas que hay en las industrias miden la masa de un cuerpo. Ambas coinciden en que pueden medir la masa de un objeto; pero tu modelo solamente mide masas pequeñas y las balanzas de una industria son capaces de medir varias toneladas de masa, o sea que el modelo mide a nivel micro y la balanza industrial a nivel macro. El modelo del Sistema Solar que dibujaste es un ejemplo de un modelo científico, es decir, un instrumento diseñado que ayuda a entender y a explicar las observaciones que se ven a simple vista Figura 3.21 La balanza hecha a esca(macroscópicas). Un modelo científico puede representarse con una la es un modelo científico. ecuación, una maqueta, un diagrama o un mapa. El modelo nos ayuda a explicar un fenómeno, por ejemplo: el ciclo del agua, el comportamiento de una parte del Universo o la rapidez de un cuerpo. A continuación te mostramos un modelo científico que ha sido utilizado para interpretar el comportamiento de los astros (figura 3.22).

Investigación Formen equipos de trabajo en el grupo, comenten y discutan el modelo de la figura 3.22 y traten de responder lo siguiente: a) ¿Qué ventajas ha tenido para el hombre poder representar mediante un modelo los acontecimientos naturales que lo afectan directamente? b) ¿Qué características se observan en los modelos científicos? c) ¿Qué otras cosas se pueden representar mediante un modelo científico? Fundamenten su respuesta. d) Intercambien y comenten las informaciones obtenidas con los otros equipos, y por medio de una discusión dirigida por su profesor obtengan conclusiones finales, que anotarán en su cuaderno.

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Bloque 3

7

8

6 5 4 3 2 1

Sol 1- Mercurio 2- Venus 3- Tierra 4- Marte 5- Júpiter 6- Saturno 7- Urano 8- Neptuno

Figura 3.22 Los modelos científicos permiten la explicación lógica del desarrollo de los fenómenos.

2. Lo que no percibimos de la materia 2.1 ¿Un modelo para describir la materia?

co

lie

e nt

Se

Ca

En la antigüedad, los filósofos griegos pensaban que la materia se formaba por cuatro “elementos”: agua, aire, tierra y fuego (figura 3.23). Esta idea se mantuvo Fuego durante mucho tiempo. Los romanos ya conocían nueve de los elementos que hoy sabemos que forman la materia: carbono, azufre, oro, plata, hierro, cobre, estaño, plomo y mercurio. Actualmente se conocen más de 107 elementos. En el siglo v antes de nuestra era, el filósofo griego Empédocles de Agrigento (450 a.n.e.) expuso su hipótesis que parecía bastante lógica: Agua aseguraba que todas las cosas del planeta estaban compuestas por cuatro sustancias fundamentales a las que llamó elementos: tierra, fuego, agua y aire. Después que falleció Empédocles, por el año 400 a.n.e., Demócrito estableció una teoría diferente; declaraba que toda la naturaleza está compuesta Figura 3.23 Los cuatro “elede minúsculas partículas elementales a las que llamó átomos (en griego átomo mentos” de la antigüedad. significa indivisible). Cincuenta años después de la muerte de Demócrito, Aristóteles (384-322 a.n.e.) agregó un quinto elemento a los cuatro de Empédocles, y lo llamó éter, este era el componente básico del cielo y de los cuerpos celestes. Esta idea dominó el pensamiento de los científicos durante casi dos mil años. En Oriente también desarrollaron importantes contribuciones al avance de las ciencias y la filosofía. En el siglo VIII n.e., con la invasión a la península hispánica, los conocimientos que tenían los árabes fueron transmitidos a los europeos, abarcando diversas áreas como la arquitectura, la literatura, la filosofía, la medicina, la química, la metalurgia, el arte, la matemática y la astrología. H

úm ed o

Aire

Tierra

ío

Fr

Investigación 1. Busca la biografía de John Dalton y escríbela en tu cuaderno. Bibliografía: Enciclopedias. Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 2, Editorial Alianza, España, págs. 318-321. Chamizo, José Antonio (1992), El maestro de lo infinitamente pequeño. John Dalton, colección Viajeros del Conocimiento, Dirección General de Publicaciones del CNCA/Pangea, México. Pellón González, I. (2003), El hombre que pesó los átomos. Dalton, Nívola, España.

Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/ publicaciones/publi_quepaso/john-dalton.htm http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ ed99-0280-01/Daltonholton.html http://aportes.educ.ar/quimica/nucleo-teorico/ recorrido-historico/siglo-xix-el-siglo-de-lasreacciones-quimicas/el_nacimiento_de_la_ teoria_ato.php 2. Con la ayuda del profesor comenten y discutan en el grupo las aportaciones más importantes de este científico para el beneficio del ser humano. Elaboren una conclusión que escribirás a continuación.

La brillante percepción de John Dalton sobre la naturaleza de la materia favoreció significativamente el progreso de la química en el siglo xix. En 1803, Dalton (17661844) reflexionó sobre los fenómenos que estaba estudiando y consideró que si la

Las interacciones de la materia

153

materia fuera continua, no existiría ninguna razón para que dos elementos no pudieran unirse en cualquier proporción, pero esto no ocurría, porque algunos elementos reaccionan con otros en proporciones fijas y Núcleo determinadas. En cambio, si existieran los átomos de Demócrito, sería posible que cada elemento químico poseyera átomos iguales entre sí, pero diferentes de otros elementos; y así, un átomo de un elemento podría unirse con uno, dos o tres átomos de otro elemento, pero no en cualquier proporción. Las hipótesis de Dalton permitieron fundamentar la comprensión de Nube de electrones muchos fenómenos y de ella surgieron nuevas preguntas, lo que llevó a los científicos a buscar las respuestas mediante la experimentación. Así, lograron observar nuevos fenómenos, para los cuales se emitieron nuevas Figura 3.24 Este modelo del explicaciones con el fin de entenderlos. Esto permitió superar las ideas de átomo muestra a los electrones Dalton sobre su modelo atómico. moviéndose en una región llamaPor la década de 1930, los científicos comenzaron a dudar sobre la da nube de electrones. La parte de color rojo representa el área indivisibilidad del átomo, debido a que el desarrollo de la física había lledonde el electrón es más probable vado a descubrir la existencia de partículas más pequeñas que los átomos, que se encuentre. y que aunque aparentaban formar parte de ellos, podían separarse de forma espontánea o mediante dispositivos adecuados. Con estos estudios se llegó a la conclusión de que la estructura de todos los elementos podía explicarse con la existencia de sólo tres partículas elementales: el protón, el neutrón y el electrón (figura 3.24). Los científicos siguieron estudiando a los átomos, utilizando nuevos instrumentos y entre los años treinta y sesenta, descubrieron que el número de partículas elementales encontradas era mayor: positrón, neutrinos, muones y mesones de diversos tipos. En 1962, el físico estadounidense Murray Gell-Mann (premio Nobel de Física 1969) sugirió que de las partículas conocidas, sólo seis llamadas leptones (el electrón, el muón negativo, la partícula tau y los tres neutrinos) y sus antipartículas correspondientes, eran elementales; y que todas las demás estaban formadas por quarks. Hoy en día, su teoría se ha confirmado, puesto que se dividieron los protones y electrones en partículas más pequeñas llamadas quarks. Existen seis tipos de quarks y son: arriba, abajo, extraño, encanto, cima y fondo. Actualmente sabemos que los átomos son divisibles y que cuando se dividen podemos aprovechar la energía que se libera durante este procedimiento. Esto ha dado lugar a una serie de experimentos y nuevos descubrimientos sobre la estructura del átomo. Gracias a estas nuevas investigaciones, los físicos han logrado formar elementos que no existían en la naturaleza. El estudio de la ciencia es un campo apasionante que nos lleva a nuevas hipótesis, experimentos y descubrimientos. Nunca se terminan de construir interpretaciones cada vez más complejas para comprender el mundo que nos rodea.

Actividad Elabora una línea del tiempo respecto a la transformación de las ideas acerca de lo que es la materia. Formen equipos de cuatro integrantes y elaboren una

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Bloque 3

historieta que exprese lo más relevante de las ideas acerca de la materia.

2.1.1 Experiencias alrededor de la estructura de la materia ¿Por qué algunos de los primeros experimentos se realizaron con gases? Dado que la mayor parte de los gases son invisibles, ¿cómo sabían los primeros científicos lo que estaban haciendo? Algo innato en los hombres de ciencia es su curiosidad. Si sostienes un vaso boca abajo y lo presionas para introducirlo en un recipiente con agua, ¿qué sucede? Si fueras curioso, empezarías por preguntarte qué hay dentro del vaso que impide que el agua entre. De esta manera más o menos ha sido el comportamiento de los científicos a lo largo de la historia de la humanidad. Casi todos ellos iniciaron sus investigaciones a partir de algo que no comprendían y a lo que deseaban dar una respuesta. Para poder responder sus preguntas usaron diferentes clases de investigaciones, por ejemplo los modelos. También investigaban los fenómenos realizando experimentos controlados, es decir, involucraban cambios en el fenómeno y observaban sus efectos manteniendo constantes otras variables. La experimentación es uno de los elementos básicos que utilizan los científicos. El experimento es un forma a través de la cual se intenta comprobar una o varias hipótesis en relación con un determinado fenómeno, a través de cambiar las variables que se cree lo causan. A continuación te invitamos a realizar algunas actividades sobre la estructura de la materia.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar la compresión y expansión de los gases. ¿Qué se necesita? Botella de agua mineral vacía, de vidrio transparente y con cuello delgado, 3 cerillos de papel partidos a la mitad (con cabeza), agua. ¿Cómo hacerlo? 1. Llena completamente la botella con agua (figura 3.25). 2. Introduce las mitades de los cerillos con cabeza dentro de la botella. 3. Cubre bien la boca de la botella con tu dedo pulgar y presiona un poco. 4. Observa lo que sucede. Deja de presionar con el pulgar y compara lo que ocurre con lo que viste. a) ¿Cómo puedes explicar el fenómeno observado? b) Redacta brevemente tu respuesta. 3 Toma una jeringa de 5 cm (sin aguja), recorre el ém3 bolo hasta la marca de 3 cm , luego tapa el orificio de salida con un dedo y empuja el émbolo hacia delante

hasta que ya no puedas recorrerlo más, a continuación suelta el émbolo y observa lo que sucede. ¿Qué demostraste al realizar esto? Explica tu respuesta. Para concluir: ¿Cómo explicarías el fenómeno de compresión en los gases?

Figura 3.25 Ejemplo de la expansión y la compresibilidad de los gases (aire).

Las interacciones de la materia

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Actividad En equipos realiza lo siguiente: ¿Para qué lo hacemos? Para conocer el punto de ebullición de algunos líquidos. ¿Qué se necesita? Tres recipientes que soporten calor, agua, agua con sal, agua con detergente, termómetro de laboratorio, lámpara de alcohol.



Líquido

¿Cómo hacerlo? 1. En distintos recipientes calienta la misma cantidad de líquidos (agua, agua con sal y agua con detergente). 2. Introduce el termómetro cuidando de hacerlo sólo en el líquido. Mide la temperatura a la cual comienza a hervir cada uno y registra.

Temperatura (ºC)



Agua



Agua con sal



Agua con detergente

Para concluir: 1. Observa los datos obtenidos y comenta con tus compañeros lo que sucede.

2. Investiga a qué propiedad de la materia se refiere esta experiencia de laboratorio y anótala. Fundamenta tu respuesta.

2.1.2 Las ideas de Aristóteles y Newton sobre la estructura de la materia Empédocles de Agrigento (495 – 435 a.d.e.) fue médico, filósofo y político. Fue el primero en afirmar que toda la materia que existía estaba formada por “cuatro elementos” que son: fuego, aire, tierra y agua. Por esa misma época también vivió un filósofo griego llamado Leucipo quien fue el primero que pensó en dividir la materia hasta obtener una partícula tan pequeña que no pudiera dividirse más. Esto ocurrió en Tracia, aproximadamente 450 a.n.e. Leucipo fundó la primera escuela atomista, le siguieron Demócrito y Epicuro. Demócrito enseñaba que todo puede dividirse en partículas esféricas pequeñísimas y fue el primero en utilizar la palabra átomo, vocablo griego que significa lo que es indivisible (figura 3.26). Para Demócrito, toda la materia estaba constituida por átomos y si entre ellos había espacios, esos espacios no contenían nada. Aristóteles conocía los trabajos de Empédocles sobre los “cuatro elementos”. Aristóteles: Concibió a los elementos como combiFigura 3. 26 Todo lo que nos rodea, agua, árboles, naciones de dos pares de propiedades opuestas: frío y piedras, aire y nuestro propio cuerpo, está formado por calor, humedad y sequedad. Las propiedades opuespartículas llamadas átomos, tan increíblemente pequeñas tas no podían combinarse entre sí. De esta manera se que son invisibles a simple vista.

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Bloque 3

conforman cuatro posibles parejas diferentes, cada una de ellas Aire dará origen a un elemento: calor y sequedad originan el fuego; calor y humedad, el aire; frío y sequedad, la tierra; frío y humedad, el agua (figura 3.27). Durante la Edad Media estuvieron vigentes las ideas de Aristóteles y junto con los conocimientos adquiridos de los árabes, la ciencia empezó a cambiar y adquirir mayor formalidad, ya que Fuego Agua no sólo se reflexionaba sobre los fenómenos sino que se empezó a experimentar entre los siglos XII y XIV. El inglés Roberto de Grosseteste (1175-1253) fue el innovador Tierra de la tradición científica en Inglaterra, ya que para él hacer ciencia significaba que se tenía que observar, experimentar y analizar los Figura 3.27 Hace más de dos mil años, en datos. Su forma de trabajar se conoció como Método Inductivo. Grecia, los filósofos tenían la idea de que En el siglo XIII, Roger Bacon (1220-1292 n.e.) continuó los el aire, la tierra, el fuego y el agua eran los elementos que conformaban toda la materia. trabajos de Grosseteste y reafirmó la importancia del trabajo exObserva la relación entre cada elemento. perimental. Desarrolló un nuevo método para el estudio de la ciencia, considerando que los estudios debían centrarse en las leyes de la naturaleza. Fue el primero en describir el método científico, donde se tenía una serie de pasos que eran: observación, hipótesis, experimentación y necesidad de verificar los resultados de forma independiente. Bacon llevaba un registro muy cuidadoso de la forma en que realizaba sus experimentos, de manera que otros pudieran repetir sus experimentos y comprobar los resultados (verificación independiente). Durante el siglo XIV, en Inglaterra, un grupo de filósofos a los que se les llamó mertonianos o calculadores, utilizaron las matemáticas para el estudio de la física (movimiento), entre ellos tenemos a Jean Buridan, Domingo de Soto, Thomas Bradwardine, Nicolás Oresme, William Heytesbury y Richard Swineshead. Pero la peste negra en 1348, dio fin al desarrollo científico que se estaba originando. Con el resurgimiento de las artes y las humanidades se inició la época del Renacimiento en el siglo xv, se establece una nueva forma de pensar donde la dignidad del ser humano pasa a ser objeto de estudio principal y existe poco trabajo científico en las áreas de física y astronomía. Sin embargo entre los siglos XIV y XVIII, Copérnico, Descartes, Leonardo Da Vinci y Galileo Galilei fueron los científicos más prominentes de su época. Galileo Galilei (1564-1542) introdujo los métodos experimentales y matemáticos al campo de la física. Descartes (1596-1650) dejó como legado el mensaje de que existe un sistema completo que tiene un mecanismo universal que puede explicar todos los fenómenos con el apoyo de sólo tres conceptos: forma, extensión y movimiento. Este pensamiento estimuló la posterior investigación científica. Isaac Newton, (1643-1727) recuperó las ideas de Galileo y Bacon sobre el método científico y agregó que se debe confirmar mediante la experimentación los resultados obtenidos por las hipótesis y se debe valorar los resultados de las consecuencias que van más allá del fenómeno de estudio. Newton: Tenía la idea de que la materia casi siempre está agrupada formando cuerpos, y a eso contribuye la fuerza gravitatoria que surge entre las masas, y la fuerza electrostática, que se origina entre las cargas eléctricas. Estas dos fuerzas regulan la forma de agrupar la materia, aunque la gravitación sólo produce efectos apreciables en los cuerpos de gran masa (planetas, estrellas, etcétera).

Las interacciones de la materia

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Fuerza gravitatoria En el siglo xvii, Isaac Newton estableció la idea de que dos cuerpos cualesquiera, como la Tierra y una manzana, o Marte y el Sol, se atraen mutuamente debido a su masa y con una fuerza que es tanto mayor: a) Cuanto mayores son las masas de ambos cuerpos. b) Cuanto menor es la distancia entre sus centros (cuanto más cerca están uno del otro). M

FB

FA

A

B

A

B

El cuerpo B ejerce una fuerza sobre A, que expresamos por fuerza de B sobre A (FB /A). Al mismo tiempo, el cuerpo A hace lo mismo sobre B. Las dos fuerzas FA/B y FB /A son iguales. La atracción es mutua. La fuerza gravitatoria se origina por una propiedad de los cuerpos (la masa) que hace que unos atraigan a los otros. En el siglo xvi nació la ciencia moderna, lo que permitió que se agregaran otros elementos importantes para el avance del concepto del átomo. En esta época se impulsó el desarrollo de la física, la biología y la astronomía, así como el de la química, con las investigaciones de hombres dedicados a la investigación científica, como Robert Boyle, quien por primera vez utilizó el concepto de elemento. Robert Boyle: Echó abajo la creencia de que el agua, el aire, la tierra y el fuego eran las sustancias básicas de la materia y demostró que aún en forma experimental algunas sustancias no podían ser descompuestas en algo más simple que ellas y por lo tanto parecían ser elementos. Cien años después, el químico francés Antoine Laurent Lavoisier manifestó que un elemento químico no puede ser separado en otras sustancias por procedimientos químicos.

Actividad Análisis y debate sobre la estructura de la materia Con los avances científicos y tecnológicos, y con las comunicaciones, probablemente tengas una idea más concreta sobre la estructura de la materia, que la ideas que antecedieron desde la antigüedad hasta la fecha. ¿Para qué lo hacemos? Para analizar y debatir acerca de las ideas relacionadas con la composición de la materia que se han propuesto en la historia de la humanidad y compararlas con las ideas propias. ¿Qué se necesita? Libros de física, química, enciclopedias, revistas especializadas, periódicos e Internet, si se tiene.

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Bloque 3

Bibliografía: Enciclopedias. Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 1, Editorial Alianza, España, págs. 17-19, 27-31, 164-167, 271-277. Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 2, Editorial Alianza, España, págs. 318-321. Pellón González, I. (2003), El hombre que pesó los átomos. Dalton, Nívola, España. ¿Cómo hacerlo? 1. Dividan el grupo en tres equipos: defensores, fiscales y jurado, y realicen lo siguiente:

2. Durante una semana, los fiscales y defensores deben llevar a cabo las actividades siguientes: Defensores Investiguen en libros, revistas, periódicos, Internet, etcétera, acerca de todo lo que encuentren sobre las ideas en relación con la estructura de la materia, desde los filósofos griegos hasta la Edad Media. Redacten un escrito en defensa de las ideas más relevantes en esta época sobre la estructura de la materia. Fiscales Investiguen en libros, revistas, periódicos e Internet, etcétera, acerca de las ideas sobre la estructura de la materia a partir del siglo xvi hasta la fecha. Hagan por escrito una acusación formal en contra de las ideas anteriores al siglo xvi. Se sugiere tomar en cuenta los aspectos siguientes: ideas de Aristóteles, ideas de Newton y sus propias ideas. 3. Desarrollo del juicio: Cuando defensores y fiscales hayan reunido toda la información, se reúnen los equipos para leer los escritos en voz alta. Se inicia un debate general sobre los pros y contras sobre las ideas de unos y otros. Tendrá una duración aproximada de 20 minutos. a) Los defensores deben intentar refutar los argumentos de los fiscales, en cuanto a los problemas que generan las ideas anteriores a Newton.

b) Los fiscales intentan refutar los argumentos de los defensores, tendientes a minimizar los factores que dan solidez a las ideas de unos y otros. Para concluir: Al finalizar el debate, los integrantes del jurado se reunirán durante 10 minutos para: a) Analizar el contenido de las pruebas presentadas por defensores y fiscales y evaluar la validez e importancia de las mismas. b) Elaborar por escrito un dictamen que considere las pruebas presentadas por defensores y fiscales y, además, del análisis hecho por el jurado. Aportarán soluciones factibles a la problemática presentada por ambas partes. c) El juicio termina cuando el jurado emite un dictamen y todo el grupo con el apoyo del profesor, lleva a cabo un debate sobre las soluciones planteadas, que tendrá un tiempo de 15 minutos. Responde las preguntas siguientes: 1. ¿Cuál es tu criterio sobre la aportación al avance científico de las ideas propuestas por Newton? 2. ¿Qué diferencia fundamental existe entre la teoría propuesta por Newton y la que imperaba en la Grecia antigua? 3. Comenten en el grupo sus respuestas y con la ayuda del profesor obtengan las conclusiones que anotarán en su cuaderno.

2.2 La construcción de un modelo para explicar la materia Durante muchos siglos las ideas acerca del concepto del átomo sólo fueron especulaciones, ya que nadie había podido demostrarlas. Integrados en equipos de tres o cuatro alumnos, realicen la investigación siguiente:

Actividad

Un modelo atómico A simple vista no puedes decir que la sal común está compuesta de un átomo de sodio y otro de cloro. ¿Cómo podemos saber con seguridad que la materia está compuesta de átomos? Una manera de establecerlo es mediante un modelo. En el siguiente experi-

mento, utilizarás el modelo para probar una predicción basada en la teoría atómica. ¿Para qué lo hacemos? Para conocer qué relación hay entre las masas de los átomos cuando éstos se combinan.

Las interacciones de la materia

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Formulación de la hipótesis ¿Se afecta la masa cuando se forma un compuesto? ¿La suma de las masas de los elementos es igual a la masa del compuesto? Propósitos 1. Comparar la suma de los elementos por separado con la masa del compuesto formado. 2. Calcular las proporciones de las masas. ¿Qué se necesita? Monedas de cincuenta centavos, de un peso y de dos pesos, cinta adhesiva, la balanza que hiciste anteriormente. ¿Cómo hacerlo? 1. ¿Qué pesarás como monedas de a peso separadas? ¿Qué “compuestos de un peso” formarás con las monedas de un peso y la cinta adhesiva? 2. ¿Elaborarás una tabla de datos para registrar tus resultados? 3. ¿Qué operaciones matemáticas debes realizar para llevar a cabo las comparaciones? Revisa el plan: a) ¿Por qué es importante usar la misma balanza, las mismas monedas y el mismo procedimiento en cada pesada?

Figura 3.28 John Dalton (1766-1844), fundador de la teoría atómica, basada en la ley de la conservación de la materia.

b) ¿Revisó el plan tu maestro antes de que inicies el experimento? Para concluir: 1. ¿Qué relación existe entre la masa de los “compuestos de un peso” y la suma de las masas de las monedas individuales? ¿Cuál es la proporción de la masa total del compuesto de las monedas de a peso con relación a la masa total del compuesto de otras monedas? 2. Plantea una hipótesis acerca de la proporción de la masa de cien de tus primeras monedas de un peso respecto de la masa de cien de tus segundas monedas de un peso. ¿Cuál sería la masa de cien unidades de este “compuesto de un peso”? 3. Infiere: ¿Cuál sería la relación esperada entre los elementos de un compuesto? 4. Predice: ¿Cuál sería la proporción de dos átomos de hidrógeno en relación con un átomo de oxígeno? ¿Cuál sería la proporción de hidrógeno y oxígeno en una molécula de agua, y en un litro de agua?

Cuando John Dalton analizó las masas de los elementos, se encontró igual clase de proporciones que tú observaste en tu actividad anterior. Dalton creó un modelo para explicar las proporciones que observó, llamado teoría atómica de la materia. Dalton afirmó que elementos diferentes estarían compuestos por átomos diferentes. De igual forma que la moneda de cincuenta centavos es diferente a la moneda de un peso, los átomos de hidrógeno son diferentes a los de cloro, y al igual que todas las monedas de un peso son iguales, los átomos de hidrógeno son iguales también. Los átomos de un elemento difieren en masa de los átomos de otro elemento, al igual que la masa de una moneda de un peso difiere de la masa de una moneda de cincuenta centavos. A partir de 1808 John Dalton (figura 3.28), químico inglés considerado el pionero de la teoría atómica, basada en las leyes de la conservación de la materia, definió su modelo del átomo con los siguientes postulados:

1. Todos los cuerpos están compuestos de partículas indivisibles, llamadas átomos. 2. Los átomos de un elemento determinado son iguales entre sí, especialmente en peso y distintos a los otros elementos. 3. Cuando los átomos forman moléculas, se unen en proporción de números enteros simples, 1:1, 1:2, 1:3, etcétera.

160

Bloque 3

4. Ninguna reacción puede cambiar los átomos en sí mismos, aunque los átomos se combinan y las moléculas se descomponen en átomos. Con el fin de que su teoría se comprendiera mejor, propuso además de su modelo un sistema de símbolos (figura 3.29) para señalar los átomos de cada elemento. Es necesario señalar que el átomo es una partícula tan pequeña que aún no ha sido posible observarla, ni con los microscopios electrónicos que son de gran potencia y con los que solamente se han tomado fotografías de moléculas muy grandes. Dalton concluyó que era casi imposible observar el átomo directamente, pero también pensó que de forma indirecta se podría obtener información sobre sus pesos relativos. Bióxido de carbono

Agua

CO

CO2

H2O

o

óg e no

en

íg Ox

Carbono

g Oxí

Amoniaco

Óxido de magnesio

Óxido de cobre

NH3

MgO

CuO

o

en

re

íg Ox

b

ne s io

Co

r

g Nitró

g Ma

Hi d

óg e no

en o

Cu

no

o

ge

en

no

ge n

r Hid

b

ge Oxí

í Ox

Car

on o

o

Monóxido de carbono

í Ox

Figura 3.29 John Dalton formuló un sistema de símbolos para nombrar los átomos de cada elemento.

Dalton creía que una molécula de agua estaba formada por un átomo de hidrógeno y otro de oxígeno y que, si una parte de hidrógeno se combinaba con ocho partes de oxígeno para formar la molécula de agua, por lo tanto un átomo de oxígeno era ocho veces más pesado que el átomo de hidrógeno. Así determinó que el peso del átomo del hidrógeno era 1 y el de oxígeno 8 (ahora sabemos que el agua está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno). Los átomos son muy pequeños. Su diámetro puede ser de 10−8 cm (0.00000001 cm), sería necesario reunir cien millones de átomos en línea recta para alcanzar una longitud de 1 cm. Con base en sus conocimientos Dalton estableció la primera tabla de pesos atómicos, la cual tuvo bastantes errores; sin embargo, ofreció a los científicos de su época cierto número de conceptos nuevos e importantes que permitieron el desarrollo de la química.

Actividad Reflexiona y analiza las preguntas antes de comentarlas. 1. ¿Cuál es, a tu criterio, la aportación al avance científico de la física y la química que proporcionó la teoría de Dalton?

2. ¿Qué diferencia fundamental existe entre la teoría propuesta por Dalton y la que imperaba en la Grecia antigua? 3. Comenten con el grupo sus respuestas y con la ayuda del profesor obtengan las conclusiones que anotarán en su cuaderno.

Las interacciones de la materia

161

2.2.1 Desarrollo histórico del modelo cinético de partículas de la materia: de Newton a Boltzman Recordemos que los filósofos griegos Leucipo y Demócrito (figuras 3.30 y 3.31) declararon que el mundo está compuesto por átomos (partículas indivisibles que siendo infinitas en número e invisibles, son además indestructibles, absolutamente simples y todas iguales en cualidad, pero difieren en la forma, el orden y la posición), que estos átomos no podían llenar el mundo completamente ya que de hacerlo no podría tener lugar ningún movimiento; por lo tanto tenía que existir un vacío en el que las partículas pudieran moverse. Demócrito fue más allá declarando que en los átomos se realizaban rápidos movimientos aún en el caso de que los cuerpos estuvieran aparentemente en reposo, y que esos movimientos se debían únicamente al peso de los mismos átomos y que se realizaban en sentido descendente. Esas ideas se transmitieron hasta la época medieval en Europa debido a la influencia de los filósofos árabes que se encontraban en España. En 1704, Isaac Newton (figura 3.32), en su libro Optiks, expuso su visión del átomo después de exponer sus teorías sobre las leyes del movimiento planetario y manifestó que:

Figura 3.30 Leucipo de Abdera (500 a.n.e.- ?).

Figura 3.31 Demócrito de Abdera (460 a.n.e.-370 a.n.e).

Figura 3.32 Isaac Newton (1642-1727).

“...la materia está formada por partículas sólidas, fuertes, duras, impenetrables y en movimiento, de diferentes tama os y formas, con diferentes propiedades y determinadas proporciones dependiendo de la finalidad para las que fueron creadas; y que esas partículas compactas son más fuertes que cualquiera de las entidades porosas por ellas compuestas; tan potentes que no pueden ser separadas en pedazos...”

Figura 3.33 Leonhard Euler (1707-1783).

162

De manera que las antiguas ideas acerca de una partícula dura e indivisible fueron reemplazadas por una teoría científica basada en resultados experimentales y en deducciones matemáticas. Sin embargo, con las nuevas ideas sobre la mecánica del Universo se desarrollaron nuevos modelos atomísticos de la materia, pero ninguno se acerca a lo que ahora conocemos como teoría cinética. En 1729 Leonhard Euler (figura 3.33) trató de explicar las diversas propiedades del aire. Él creía que las partículas que constituían el aire eran esferas que rotaban; además, suponía que la velocidad lineal asociada con el movimiento de rotación era la misma para todas las moléculas. En 1738, Daniel Bernoulli (figura 3.34) publicó un tratado sobre mecánica de fluidos, denominado Hydrodynamica, en el que dedicaba cuatro páginas

Bloque 3

a tratar las propiedades y movimientos del aire mediante un modelo corpuscular, donde expone la teoría de que el aire no es otra cosa que un conjunto infinito de corpúsculos diminutos y esféricos en rápido y continuo movimiento de traslación. Éste es el mismo modelo de Newton; sin embargo, Bernoulli establece el origen cinético de la presión y a través de modelos experimentales logra observar que la presión del gas aumenta cuando sufre un aumento de temperatura. De ahí su afirmación de que el calor se relaciona con el movimiento de las partículas. En 1750, Mikhail Vasilyevich Lomonosov (figura 3.35) escribió un artículo donde hablaba sobre las energías de traslación, rotación y vibración de las moléculas y reflexionó sobre el efecto que tendrían las colisiones entre ellas. En 1758, Roger Joseph Boscovich (figura 3.36) afirmó antes que ningún otro que la naturaleza de los átomos que forman los sólidos y los líquidos era la misma que la de los átomos que forman los gases. En 1816, John Herapath publicó el texto Acerca de las propiedades físicas de los gases, en el que a través de un modelo obtenía las leyes de los gases ideales. El problema de sus trabajos es que eran muy teóricos en una época donde se consideraba la actividad científica más experimental.

Figura 3.34 Daniel Bernoulli (1700-1782).

Figura 3.35 Mikhail Vasilyevich Lomonosov (1711-1765).

Figura 3.36 Roger Joseph Boscovich (1711-1787).

James Prescott Joule publicó varios trabajos sobre la naturaleza del calor desde 1844, y empleaba un modelo microscópico. Después de leer los trabajos de Herapath, elaboró una teoría donde hipotetizaba que el movimiento de traslación era el responsable de las propiedades de los gases y lo llevó a concluir que la temperatura de un gas es proporcional al cuadrado de la velocidad y por lo tanto a la vis viva de las partículas, esto es, a su energía cinética. En 1843, John James Waterston publicó Pensamientos sobre las funciones mentales, en el que su teoría hablaba sobre la naturaleza física de los sistemas gaseosos. En su libro Acerca de la física de los medios compuestos por moléculas libres y perfectamente elásticas en movimiento, donde habla sobre las propiedades de los gases en relación con el calor y la elasticidad, comenta que el calor es provocado por rápidos y pequeños movimientos de las partículas de la materia. Imagina que los átomos de un gas están en continuo movimiento en todas direcciones, estando limitados a permanecer en el interior de un espacio determinado por las colisiones entre ellos y con las partículas de los cuerpos que lo rodean. La vis viva (energía cinética) de los movimientos en una porción determinada de gas forma la cantidad de calor contenida en ella. Además, demuestra que la velocidad Figura 3.37 Rudolf Clausius. con la que los átomos se propagan es igual a la conservada por esos átomos. (1822-1888).

Las interacciones de la materia

163

Karl Krönig publicó en 1856 un artículo en el que desarrollaba una teoría cinética muy parecida a la de Bernoulli y la de Herapath, pero de manera independiente. En 1857, Rudolf Clausius (figura 3.37) publicó el texto Sobre la naturaleza del movimiento al que llamamos calor, donde explicaba su teoría cinético-molecular. Además, supuso que las partículas de un gas podían conservar energía relacionada con la rotación y vibración de las partículas independientemente de la energía correspondida al movimiento de traslación. Clausius fue el primer científico en manifestar una teoría cinética de los gases ideales poliatómicos. En 1866, James Clerk Maxwell (figura 3.38) desarrolló una teoría en la Figura 3.38 James Clerk que las moléculas que constituían los gases tenían movimientos aleatorios, Maxwell (1831-1879). y mediante cálculos matemáticos demostró cómo las partículas del gas, que se movían al azar, producían una presión contra las paredes del recipiente que lo contenían y que esa presión cambiaba al comprimir o expandir las partículas (teoría cinética de los gases). Cinética = movimiento Maxwell y Ludwig Boltzmann elaboraron la misma teoría casi al mismo tiempo, de ahí que compartan los créditos de la teoría cinética de los Movimiento aleatorio: gases. movimiento sin dirección En 1875, los datos obtenidos por Kundt y Warburg a través de sus exfija. perimentos comprobaron la veracidad de las teóricas planteadas por Clausius y Maxwell. Los últimos estudios sobre la teoría cinética son de Prigogine, Paveri-Fontana, Gibbs y Dulong-Petit.

Glosario

Actividad Después de haber estudiado algunas de las ideas relacionadas con la composición de la materia que han sido propuestas por diferentes científicos a través de la historia de la humanidad, elaboren una línea de tiempo sobre la forma en que se fue construyendo el modelo del átomo a través de los años. a) Elaboren una historieta donde expresen cuales fueron los experimentos y conclusiones de los trabajos del modelo atómico.

b) Analicen y comenten el trabajo de investigación realizado por los científicos mencionados. c) Anota tus conclusiones sobre la composición de la materia y expresa en qué forma se beneficia el hombre con estas aportaciones científicas.

2.2.2 Aspectos básicos del modelo cinético de partículas Los estudios de la estructura de la materia han sido dados desde diferentes puntos de vista según el grado de complejidad de los modelos científicos que se utilizan. Recuerda que un modelo puede ser la simplificación de un fenómeno real que se utiliza para

164

Bloque 3

poderlo estudiar. El más sencillo es el modelo cinético, que busca profundizar al modelo atómico clásico.

Modelo cinético-molecular Este modelo considera que la materia está formada por partículas pequeñísimas, que son invisibles aún a los mejores microscopios. Si nos las imaginamos como una unidad, cada sustancia tendría las propias, que serán iguales entre sí pero diferentes a otra sustancia. Por ejemplo, todas las partículas del agua son iguales, pero son diferentes de las de azufre o de las del carbono. La teoría cinética establece que todas las partículas se encuentran en continuo movimiento y entre ellas existen fuerzas de atracción, llamadas fuerzas de cohesión. La intensidad de las fuerzas de cohesión dependerá de la distancia que las separa y de la naturaleza de las partículas. La energía de los objetos en movimiento se llama energía cinética. Para resumir, podríamos decir que en el modelo cinético: 1. Toda la materia está constituida por partículas pequeñísimas. 2. Las partículas que forman la materia se encuentran en movimiento continuo, como en el caso de los gases y líquidos que vibran más que en los sólidos. 3. Las partículas que chocan entre sí, no pierden energía. Con este modelo puede explicarse perfectamente el hecho de que la materia pueda encontrarse en tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Este modelo permite, también, explicar la razón por la que un sólido pueda convertirse en líquido o un gas en líquido.

Figura 3.39 Modelo de un sólido que representa las partículas, las cuales, con gran fuerza de atracción entre ellas, tienden a permanecer unidas y no se desplazan.

Glosario Átomo: vocablo griego que significa lo que es indivisible. Amorfo: sustancia que no tiene una forma determinada.

1. Sólido. Las fuerzas de atracción entre los átomos de los sólidos son grandes, por lo que permanecen fuertemente ligados. Sin embargo, son capaces de realizar movimientos vibratorios en torno a posiciones de equilibrio que permanecen fijas. Como sus partículas están ordenadas y unidas fuertemente por las fuerzas de atracción, llamadas también de cohesión, tienen forma y volumen definidos, como puedes observar en los modelos que se presentan en las figuras 3.39, 3.40 y 3.41. Algunos sólidos, por ejemplo el carbono (C), pueden presentarse en forma cristalina y amorfa; en los sólidos cristalinos, el arreglo de sus partículas es geométrico, por ejemplo, en el modelo que representa la sal común o cloruro de sodio (NaCl) y el diamante (figura 3.42). En los sólidos amorfos, sus partículas no presentan un arreglo regular.

Figura 3.40 En este modelo se muestra la manera en que las partículas de los cuerpos sólidos pueden estar ordenadas en forma geométrica.

2. Líquido. Al ser las fuerzas de cohesión más débiles que en los sólidos, las partículas carecen de posición fija y se hallan en constante movimiento. Los líquidos tienen volumen definido, pero no tienen forma propia y toman la del recipiente que los contiene. Poseen fluidez, es decir, pueden correr o escurrirse a través de un recipiente o tubería. En ellos puede presentarse el fenómeno de difusión, que ocurre cuando una sustancia se va repartiendo en otra, poco a poco, hasta lograr un reparto homogéneo; esto sucede por ejemplo, con el agua y el alcohol, los cuales al juntarse se van integrando de tal manera que no pueden Figura 3.41 Los sólidos son incomdistinguirse, aunque no se agite la mezcla. Observa las figuras 3.43 y presibles, pues su volumen no se 3.44, correspondientes a los líquidos. reduce si se les aplica una presión.

Las interacciones de la materia

165

Átomos de carbono

Figura 3.42 Modelo de una red cristalina del diamante. Cada átomo de carbono está enlazado a otros cuatro átomos de carbono.

Figura 3.43 Modelo de líquido. La atracción entre las partículas permite que permanezcan unidas, pero se desplazan entre sí.

Figura 3.44 Los líquidos, llamados también “fluidos”, no son compresibles, es decir, no se pueden comprimir.

3. Gaseoso. Las fuerzas de atracción entre los átomos son casi nulas, por ello los gases se mueven con gran libertad y llenan la totalidad del espacio en el que están encerrados. No tienen forma ni volumen definidos. El espacio intermolecular es muy grande y pueden expandirse si el medio que los rodea se los permite. Se les denomina también “fluidos” y se difunden y comprimen fácilmente. Los gases ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene. Analiza los modelos que representan las figuras 3.45 y 3.46 de los gases.

Figura 3.45 Modelo de gas. Las partículas están separadas y se mueven con mayor velocidad que en los líquidos.

Figura 3.46 La expansión de los gases permite percibir diferentes olores, entre ellos el aroma de un perfume.

Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://perso.wanadoo.es/cpalacio/Modelos2.htm http://perso.wanadoo.es/cpalacio/ModSolido2.htm http://perso.wanadoo.es/cpalacio/ModLiquido2.htm http://perso.wanadoo.es/cpalacio/ModGas2.htm Donde se presenta una breve explicación y simulaciones del comportamiento de las partículas en los tres estados de agregación.

2.2.3 Volumen, masa, densidad y estados físicos interpretados con el modelo cinético de partículas El aire tiene masa y volumen. En las figuras 3.47 y 3.47a se muestran dos recipientes iguales, uno destapado y otro que contiene aire; ambos tienen igual cantidad de masa. Quizás pienses que el aire no tiene masa. Veamos el ejemplo siguiente:

166

Bloque 3

Coloca los recipientes sobre los platillos de la balanza, como se muestra en la figura 3.48, y comprueba su masa (la balanza debe quedar en equilibrio). En el recipiente con tapa introduce aire a presión con una bomba de bicicleta, vuelve a comparar sus masas. ¿Qué observas?, ¿por qué crees que suceda esto? Si continuáramos agregando aire, la balanza marcará mayor cantidad de masa para ese recipiente. El aire tiene masa. Llena con agua dos recipientes amplios (donde quepa un vaso cómodamente), en seguida introduce un vaso “vacío” dentro del agua, como se observa en la figura 3.48. ¿Qué ocurre?, ¿por qué no entra el agua dentro del vaso?, ¿qué tipo de materia ocupa el espacio “vacío” del vaso? Si inclinas el vaso, el aire sale y el agua ocupa su lugar. El aire ocupa un volumen. El aire, igual que todos los gases, es materia porque tiene masa y ocupa un volumen.

Figura 3.47 Los dos recipientes tienen la misma masa.

Figura 3.47a El recipiente con aire a presión tiene más masa.

Figura 3.48 El aire ocupa todo el volumen del vaso.

La cantidad de materia contenida en un cuerpo es la masa y ocupa un espacio, es decir, el volumen. La masa y el volumen son propiedades generales de la materia, ambos nos sirven para distinguir un material de otro: todo tiene masa y volumen. “Masa es la cantidad de materia que contiene un cuerpo”, la cual permanece constante en cualquier lugar del Universo. Todos los cuerpos, por muy pequeños que sean, tienen masa, es decir, todo lo que conforma el Universo tiene masa (rocas, árboles, aire, agua…). El Sistema Internacional de unidades establece que para medir la masa se usa el kilogramo (kg). El gramo (g) es otra unidad de masa y equivale a 1/1 000 kg, o sea, una milésima parte del kilogramo (figura 3.49). Extensión o volumen es el lugar que ocupa un cuerpo en el espacio y se mide en tres dimensiones (largo, ancho y alto). Todos los cuerpos poseen esta propiedad; por ejemplo un lápiz, una fruta, un árbol, el aire, el agua, una persona. Así, cuando se infla un globo, al introducirle aire aumenta su volumen.

Figura 3.49 La masa de un pájaro se mide en gramos. La de un elefante en kilogramos.

Las interacciones de la materia

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1m

Unidades de volumen La unidad de volumen en el Sistema Internacional (SI) es el “metro cúbico” (m3). Un metro cúbico es el espacio ocupado por una caja de 1 m × 1 m × 1 m = 1 m3 (figura 3.50). La unidad de capacidad relacionada con el volumen es el litro (L).

1m

1 L = 1 dm3 = 1 000 cm3 En la siguiente tabla se encuentran las unidades de volumen. En ocasiones es útil poder transformar un dato, en este caso de volumen, en otra unidad. Para ello necesitamos saber la equiFigura 3.50 El metro cúbico es la unidad básica de volumen. valencia entre ambas. Podemos tener una “razón unitaria” de ella. Por ejemplo, si sabemos que 1 L = 1 000 cm3, las divisiones 1 L /1 000 cm3 y 1 000 cm3/1 L deben Medidas de volumen ser igual a 1, como siempre que dividimos dos co 1 m3 = 1 000 000 cm3 sas iguales entre sí. Esta división la podemos usar para hacer las conversiones, aprovechando el he 1 cm3 = 1 000 mm3 cho de que la multiplicación por uno no altera las 1 L = 1 000 cm3 cantidades. Por ejemplo, si tenemos un cubo de 3.750 L y 1 galón = 3.785 L queremos saber a cuánto equivale en cm3, podemos hacer las operaciones: 1m

1 000 cm3 3.750 L × = 1 L

Glosario Capacidad: volumen máximo que ocupa un líquido en un recipiente. Galón (gal): unidad de volumen del Sistema Inglés que equivale a 3.785 L.

(3.750 L) (1 000 1 L

cm3

)

= 3 750 cm3

La regla siguiente te será de utilidad: Incógnita = dato × factor de conversión Factor de conversión es la relación matemática correspondiente a una fracción donde el numerador y el denominador son equivalentes.

Ejemplo:

1 000 g 1 L , 3 1 kg 1 000 cm

Es decir, un litro (1 L) equivale a 1 000 cm3 y 1 000 g equivalen a 1 kg.

Actividad 1. Realiza las siguientes conversiones en tu cuaderno: a) 800 mm b) 5 m

3

c) 14 L d) 40 cm3

168

m

3

3

e) 69 litros f) 40 galones g) 32 m3 h) 27 L

cm3

i) 46 galones

galones

Bloque 3

j) 70 mm

m3 L

cm

3

cm3

mL 3

L cm

3

2. Compara tus resultados con los de tus compañeros. Si existe alguna discrepancia, analícenla y encuentren a qué se debió.

3. Escriban si existió alguna dificultad para realizar el ejercicio y cómo la superaron.

Actividad Investiga en la cocina de tu casa lo siguiente: 1 ¿Qué utensilios has ocupado para medir volúmenes y para qué? 2. ¿Qué unidad de volumen se ocupa para medir la capacidad de un tinaco de gas?

3. Por medio de una discusión dirigida por el maestro, comenta con el grupo el significado de volumen y determinen cuál es la conclusión general del grupo sobre lo que han aprendido acerca de esta propiedad de la materia.

Medición del volumen de cuerpos regulares e irregulares. Medida del volumen de un sólido regular Para calcular el volumen de un sólido regular lo hacemos por largo, ancho y alto por medio de fórmulas: 1. Volumen de un cubo: lado (l) × lado (l) × lado (l) = l3 2. Cilindro circular recto: V = π r 2 h El volumen es el área de la base (π r 2 ) por la altura (h) (figura 3.51) 3. Volumen de la esfera: V =

4 3 πr 3

4. Volumen de un prisma ortoedro: V = l ⋅ a ⋅ h (figura 3.52) a = ancho l = lado h = altura π = 3.1416, es una constante r = radio de una esfera Cilindro circular recto

Esfera

Ortoedro

o cha n a

r r altura

h

V=

V = π r 2h Figura 3.51 Cilindro y esfera.

h l largo

4 3 πr 3

V=l⋅a⋅h Figura 3.52 Volumen de un ortoedro.

Las interacciones de la materia

169

Actividad 1. Resuelve los siguientes ejercicios en tu cuaderno: a) Las dimensiones de una sala de exposiciones son 15 m de largo, 12 de ancho y una altura de 4 m. ¿Cuál será su volumen? b) Una piscina tiene 25 m de largo, 12 de ancho y 2.5 de profundidad. Si el agua llega hasta los bordes, ¿cuántos litros de agua le caben? Si para llenarla empleamos agua de un pozo que nos da un caudal de 5 L por segundo, ¿qué tiempo emplearemos en llenarla? c) Se desea cubrir moldes para pastel de 25 cm de lado por 8 cm de profundidad con papel aluminio y la cantidad disponible del papel aluminio cubre 100 metros cuadrados. ¿Cuántos moldes podrían cubrirse? d) Luis construyó un depósito en forma de cubo para almacenar granos. Mide 12 m de arista. ¿Cuál es el volumen?

e) Si una esfera tiene un radio de 2 m, calcula su volumen. f) Calcula el área y el volumen de un cilindro de base 0.8 m y una altura de 1.75 m. g) Un tanque cilíndrico de gasolina tiene 3 m de longitud y 1.3 m de diámetro. ¿Cuántos kilogramos de gasolina es capaz de almacenar el tanque? h) Si una esfera tiene un radio de 1.5 m, calcula su volumen y su capacidad. 2. Compara tus resultados con los de tus compañeros. Si existe alguna discrepancia, analícenla y encuentren a qué se debió. 3. Escriban si existió alguna dificultad para realizar el ejercicio y cómo la superaron.

Medida del volumen de un sólido irregular Para determinar el volumen de los sólidos irregulares se usan procedimientos de medición indirectos. Comúnmente se utiliza el método por desplazamiento de agua, que consiste en sumergir el cuerpo cuyo volumen deseamos conocer dentro de un recipiente graduado con determinado volumen de agua; la cantidad de líquido desplazado corresponde al volumen del cuerpo irregular (figura 3.53).

Figura 3.53 Probeta con líquido.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para conocer el volumen de un sólido irregular. ¿Qué se necesita? Recipiente graduado (probeta de 100 mL), cuerpo irregular (piedra, clip, tornillo, arete, otro), recipiente con agua. ¿Cómo hacerlo? 1. Vierte agua dentro de la probeta hasta la mitad de su capacidad; te sugerimos tener el cuidado de

170

Bloque 3

leer en la parte baja de la concavidad (menisco) de la superficie del líquido. Registra la lectura del agua (V1). 2. Introduce el sólido irregular dentro de la probeta y registra la lectura del agua (V2). 3. El volumen del cuerpo irregular se obtiene mediante la diferencia entre el volumen final (V2) y el inicial (V1). V = V2 − V1

Para concluir: 1. Comenta y discute con tus compañeros y compañeras la razón por la que deben realizar la lectura en la parte baja del menisco. 2. ¿Habría algún inconveniente si midiéramos los volúmenes de varios cuerpos irregulares al mismo tiempo?, ¿cuál podría ser? Fundamenta tu respuesta.

3. ¿Cómo podrías determinar el volumen de cierta cantidad de arena? Después de comentarlo con todo el grupo, realícenlo en el laboratorio, dibujen en su cuaderno el procedimiento y anoten los resultados.

Medida del volumen de un líquido Para ello, basta tener cualquier instrumento calibrado que pueda contener líquido: una probeta, pipeta, matraz, taza graduada, como los que se ilustran en la figura 3.54. Pueden estar graduados en mililitros o en centímetros cúbicos. Se puede determinar el volumen de una gota de agua utilizando un gotero y una probeta graduada. Se introduce una cantidad de gotas dentro de la probeta y se registra el volumen total. ¿Cuál será el volumen de una sola gota de agua? Medida del volumen de un gas por desplazamiento de un líquido Para medir volúmenes de gases, en el laboratorio se monta el dispositivo de la figura 3.55. Se mide por el desplazamiento del agua contenida en el recipiente graduado. Para conocer el volumen ocupado por el gas, se lee la escala graduada de la probeta. El líquido utilizado más frecuentemente es el agua, pero debe evitarse cuando el gas a medir es soluble en ella.

Figura 3.54 Instrumentos calibrados para medición de líquidos.

Densidad La densidad es una magnitud derivada de la masa y volumen de un cuerpo cuya magnitud nos indica la masa contenida en una unidad de volumen. Se calcula con la siguiente expresión: densidad =

masa volumen

En el caso de dos cuerpos, uno de unicel y el otro de madera (fiFigura 3.55 Dispositivo para medir el gura 3.56) que tienen igual volumen y diferente cantidad de masa, volumen de un gas. sus densidades son distintas. El de madera se sumerge más en el agua (líquido) que el de unicel por tener mayor densidad. Cuando decimos que la densidad del agua corresponde a 1 000 kg/m3, quiere decir que cada metro cúbico de agua tiene una masa de mil kilogramos. La densidad está representada por la letra griega ρ (rho)

ρ =

masa volumen

Las interacciones de la materia

171

En el Sistema Internacional la unidad de masa es el kilogramo (kg) y la de volumen el metro cúbico (m3), por lo que: kg g La unidad de la densidad en los sólidos es 3 y en los líquidos m g mL y en los gases se expresa en . L La densidad varía según el estado físico de las sustancias: · Los gases son menos densos que los líquidos. · Los líquidos, generalmente, tienen menor densidad que los sólidos. Para que un cuerpo flote en un líquido o en un gas su densidad debe ser menor que la del medio. La temperatura altera la densidad de las sustancias; por ejemplo, al calentarse, un metal se dilata, es decir, a mayor temperatura aumenta su volumen. Esto no ocurre en el agua, que a 4 °C tiene su mayor densidad: 1.00 g/mL, y aumenta su volumen cuando su temperatura disminuye a 0 °C. El hielo flota en el agua líquida porque su densidad es menor. Para una cantidad fija de masa, generalmente ocurre que:

Figura 3.56 La densidad es la relación de las masas de diferentes materiales con volúmenes iguales.

A mayor temperatura

mayor volumen

menor densidad

A menor temperatura

menor volumen

mayor densidad

La densidad permite “identificar sustancias”; por ejemplo, si queremos saber si un objeto es de oro o de plata hay que obtener su densidad experimentalmente. En la tabla siguiente se dan las densidades de algunos materiales. 0 ºC a presión atmosférica

Tabla 3.2 Densidades de algunas sustancias.

Temperatura 20 ºC

Temperatura 20 ºC

kg

Gases

  g L

Líquidos

g mL

Sólidos

Hidrógeno

0.09 Gasolina

0.69

Aluminio

2 700

Nitrógeno

1.25 Alcohol etílico

0.79

Hierro

900

Aire

1.29 Aceite de oliva

0.92

Cobre

8 900

Oxígeno

1.43 Glicerina

1.26

Plomo

11 400

m3

Bióxido de carbono 1.96 Mercurio

13.60 Oro

19 300

Cloro

1.00

917

3.17 Agua

Hielo *(agua)

Si en un recipiente volumétrico previamente pesado colocamos 250 mL de alcohol etílico (coloreado) y volvemos a pesar el recipiente con el contenido, la diferencia de masa nos dará la masa del volumen (250 mL) del líquido. Aplicando la fórmula (para la densidad) podremos encontrar la densidad del fluido. Si la masa del alcohol es de 197.5 g, entonces:

172

Bloque 3

ρ =

m v

densidad =

ρ alcohol =

masa volumen

197.50 g g = 0.79 250 mL mL

Si repetimos el mismo ejercicio con diferentes volúmenes de la misma sustancia y hacemos lo mismo con otras sustancias, observamos que la densidad de una sustancia es la misma, independientemente de la cantidad o el lugar en que se encuentre.

Actividad

Densidad de cuerpos irregulares ¿Para qué lo hacemos? Para determinar la densidad de un cuerpo irregular.

2. Representa gráficamente en tu cuaderno el experimento.

¿Qué se necesita? Balanza, piedra o mineral, probeta, agua.

Para concluir: Comparen su estrategia y resultados con los de otros equipos; con la ayuda del profesor discutan sobre los beneficios y dificultades de esta propiedad específica y escribe tus conclusiones en tu cuaderno o libreta.

¿Cómo hacerlo? 1. Comenten y discutan la estrategia experimental más adecuada para obtener la densidad del cuerpo irregular que tienes (piedra o mineral u otro).

Estados físicos de la materia interpretados con el modelo cinético de partículas Al ser calentada por calor del Sol, la nieve de una montaña se funde lentamente y pasa a estado líquido. El agua líquida baja lentamente la montaña y en el camino va cambiando de líquido a gas. En estos dos casos se produce un cambio de estado físico. El agua se encuentra en todas partes y tiene cientos de usos. Piensa en las diferentes formas en que diariamente la utilizas: para beber, cocinar, limpiar, regar, lavar. El agua es necesaria para la vida, sin ella no podrías sobrevivir más allá de siete días. Es imposible pensar en un mundo sin agua. Realiza la siguiente actividad para que conozcas un poco más sobre el comportamiento de esta clase de materia.

Actividad

Cambios de estados físicos del agua ¿Para qué lo hacemos? Para identificar el comportamiento del agua y sus cambios de estado físico. ¿Qué se necesita? Cuatro vasos de precipitados, agua destilada o de la llave, mechero, soporte, hielo picado, vidrio de reloj, cristales de yodo, termómetro, cloruro de amonio.

¿Cómo hacerlo? 1. Coloca un poco de hielo picado en un vaso de precipitados, toma varias veces la temperatura y anótala. a) ¿Qué sucedió? b) ¿A qué temperatura se licuó el hielo?

°C

Las interacciones de la materia

173

2. Calienta el agua hasta la ebullición durante 2 o 3 minutos y registra la temperatura cada minuto.

0.5 min =

°C

1 min =

°C



1.5 min =

°C

2 min =

°C



2.5 min =

°C y 3 min =

°C

Describe lo que observaste 1. Investiga cómo se llama este fenómeno. 2. ¿Cambia la temperatura de ebullición si se continúa el calentamiento? 3. Coloca un vidrio de reloj sobre un vaso de precipitados para recibir los vapores del agua. Explica lo que ocurrió. a) Coloca unos cristales de yodo en un tubo de ensayo, calienta suavemente y tapa el tubo con un trozo de papel blanco. b) Ilustra tu experiencia y explica con claridad lo sucedido.

c) En el vaso que contiene el hielo agrega 10 g de cloruro de amonio. Vierte 10 ml de agua a un tubo de ensayo, déjalo reposar durante 3 minutos dentro del hielo y empieza a agitarlo sin sacarlo del hielo. d) Toma la temperatura constantemente e indica a qué temperatura pasó de líquido a sólido. e) ¿Cambia la temperatura del líquido antes de solidificarse totalmente? f) Ilustra tu reporte anotando el cambio de estado físico. Para concluir: Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados.

Actividad Todo lo que percibimos en la naturaleza se encuentra en alguno de los estados físicos que ya hemos descrito. Sin embargo, ciertos fenómenos pueden provocar que un material pase de un estado a otro. Con la dirección de tu profesor, observa con atención la figura 3.57, reflexiona y discute con tus compañeros hasta encontrar los cambios de estado físico que se presentan durante la erupción de un volcán. Piensa cuál es la causa del cambio interpretados con el modelo cinético de partículas y anota en tu cuaderno las conclusiones a que se haya llegado.

A

B

C

Figura 3.58 Los sólidos (A) tienen mayor cohesión entre sus moléculas; los líquidos, al elevar su temperatura, alteran la fuerza de cohesión (B), y en los gases (C) casi no hay cohesión.

174

Bloque 3

Figura 3.57 Un ejemplo de solidificación es la lava que surge de un volcán.

Sabemos que la materia se encuentra en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso (figura 3.58). Al proporcionar calor a un cuerpo se eleva su temperatura y se produce un aumento en la agitación de sus moléculas, alterando la fuerza de cohesión entre los átomos, lo que provoca un cambio de fase (cambio de estado físico de la materia). La disminución de la temperatura produce efectos inversos (figura 3.59).

Mientras se produce el cambio de estado la temperatura se mantiene constante.

Gas

ión

ció n

mac

iza

ns ac

Subli

or

de ió n

Figura 3.61 Bajo el calor del Sol, la nieve y el hielo cambian de estado y se transforman en agua.

n Co

El punto de fusión de una sustancia se define como la temperatura a la cual cambia del estado sólido al líquido, o viceversa, a una presión atmosférica normal (figura 3.60). El punto de fusión es particular para cada sustancia; el del agua es de 0 °C, el del aluminio es de 658 °C, el del cobre es de 1 080 °C y el del mercurio es de –39 °C. Puedes observar que algunas sustancias cambian de fase con temperaturas muy bajas y otras requieren temperaturas muy elevadas. La temperatura del medio ambiente es suficiente para fundir el hielo (figura 3.61), pero para otro tipo de sustancias, como grasas o ceras, es necesario agregar un poco de calor. Algunas otras, en cambio, requieren gran cantidad de calor para alcanzar el punto de fusión. El calor latente de fusión es la cantidad de calor que necesita un gramo de un sólido para transformarse en un gramo de líquido. Para fundir un gramo de hielo se necesitan 80 calorías, y para fundir un gramo de oro, 16 calorías. La solidificación es el proceso inverso a la fusión. En este caso la sustancia libera calor en lugar de absorberlo. La cantidad de calor que libera la sustancia para solidificarse es la misma que requiere para fundirse (figuras 3.62 y 3.63). La vaporización es el cambio del estado líquido al gaseoso y se puede producir de dos maneras: por ebullición o por evaporación (figura 3.64). La ebullición es cuando el cambio se produce rápidamente en toda la masa del líquido. El agua de un recipiente entra en ebullición cuando llega a 100 °C de temperatura. El cambio se efectúa lentamente; por ejemplo, el agua sobre la superficie del mar, ríos, lagos o charcos, la ropa mojada que se coloca en un tendedero.

p Va

Fusión y solidificación

ión

Fus

n

ció

fica

idi Sol

Líquido

Sólido

Figura 3.59 Cambios de estado físico de la materia.

Figura 3.60 Hierro fundido.

Glosario Caloría: unidad de energía térmica que se usa en termodinámica. Cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius, de 14.5 °C a 15.5 °C.

Figura 3.62 El hielo necesita mayor espacio que el agua líquida.

Las interacciones de la materia

Figura 3.63 Solidificación.

175

Figura 3.64 Cuando un líquido absorbe calor de su alrededor, éste se evapora.

La evaporación sucede cuando el agua alcanza una temperatura de 100 °C; si se proporciona más energía térmica el agua hierve y se convierte en vapor. Para que se lleve a cabo este cambio de fase es necesario suministrar 540 kilocalorías, y se consumen 1 000 kilocalorías, sin pasar por el estado líquido y viceversa (figura 3.65). La condensación es el proceso inverso a la vaporización, es decir, el cambio de gas a líquido por liberación de calor (figura 3.66). La sublimación es el cambio directo de sólido a gas, sin pasar por el estado líquido, y viceversa; se sublima el yodo, las pastillas desodorantes, las bolitas de naftalina y, en algunos casos, la nieve y el hielo (figura 3.67). Hay otras clases de materia que tienen un comportamiento semejante a los del agua porque pueden transformarse de sólidos a líquidos, de líquidos a gases, de sólidos a gases y viceversa. ¿Quieres conocer algunos de ellos? Haz la actividad siguiente y observarás estos cambios.

Hielo

Figura 3.65 Durante la ebullición, el líquido cambia a gas formando burbujas que suben a la superficie.

Figura 3.66 Condensación. El agua, al hervir, se evapora. El vapor se condensa en la superficie del plato frío.

Naftalina

Alcanfor

Figura 3.67 Sublimación.

Actividad

El calor y las transformaciones del estado de la materia ¿Para qué lo hacemos? Para observar el fenómeno de fusión de algunos materiales mediante el incremento de temperatura. ¿Qué se necesita? Trozos chicos de vela, azúcar, hielo, manteca o margarina, bolsas de naftalina, recipiente refractario (cacerola), agua, un termómetro de laboratorio, corcholatas de refresco metálicas o latas pequeñas, lámpara de alcohol.





Azúcar

¿Cómo hacerlo? 1. En el recipiente refractario vierte un poco de agua y coloca un trozo de cada sustancia en cada corcholata y ponlas en la superficie del agua. 2. Enciende la lámpara y calienta suavemente; introduce el termómetro en el agua y registra la temperatura del agua (puedes pedir ayuda a tu maestro) en el momento en que cada uno de los materiales sólidos se funden.

Hielo

Manteca

Naftalina

Vela

Temperatura de fusión °C Para concluir: 1. Analiza el cuadro de registro y comenta con tus compañeros qué material se funde primero y cuál

176

Bloque 3

al final. ¿A qué creen que se deba? Investiguen y fundamenten su respuesta.

2. Elabora una gráfica que represente la temperatura de fusión de cada uno de los materiales. 3. Compárala y coméntala con la de tus compañeros. 4. Comparen su estrategia y resultados con los de otros compañeros; con la ayuda del maestro dis-

cutan sobre los beneficios y dificultades del cambio de estado físico estudiado y elabora tus conclusiones sobre la fusión de los materiales utilizados, anotándolas en tu cuaderno.

3. Cómo cambia el estado de la materia 3.1 Calor y temperatura, ¿son lo mismo? ¿Por qué el fuego es tan apreciado por los seres humanos? ¿Qué pasaría con nosotros si viniera una época de glaciación? ¿Alguna vez has escuchado que “el fuego y el confort van de la mano”? ¿A qué se debe? No existe nadie sobre el planeta que desconozca la acción del calor; en su lucha por la supervivencia, el ser humano poco a poco fue descubriendo la forma de utilizar el calor: con él calentaba su morada, cocía sus alimentos y forjaba los metales para construir utensilios y armas. El calor se genera mediante distintas fuentes (leña, carbón, petróleo, atómica); pero el principal productor de energía es el Sol. La energía solar constituye la fuente primordial del calor que consume el ser humano. Si el Sol dejara de emitir energía, la Tierra se enfriaría hasta congelarse y la vida sobre ella estaría en peligro de desaparecer. En esta unidad de nuestro curso de Ciencias con énfasis en física, estudiaremos el calor y la temperatura. ¿Cómo empleamos la energía térmica? Si es la esencia de nuestro progreso y base de nuestra vida cotidiana, debemos utilizarla en casi todas las actividades que realizamos. ¿Puedes mencionar algunas? Coméntalas con tus compañeros del grupo y elaboren una lista de sus usos en el pizarrón. Usualmente se piensa que la energía térmica (calor) es lo mismo que temperatura, pero son distintos, ya que el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro en virtud de su diferencia de temperatura. ¿Qué es el calor? ¿Qué es la temperatura? ¿Qué relación hay entre uno y otra? Como mencionamos anteriormente, existe una diferencia entre estos dos conceptos; por ejemplo, cuando tocamos una taza de café hirviendo, sentimos calor; si tocamos un vaso con nieve, sentimos frío. Mediante las diferencias como las del ejemplo percibimos la sensación de caliente, tibio, frío o helado. La forma comúnmente usada para distinguir la temperatura de un cuerpo es compararlo con la temperatura que corresponde a lo caliente o frío que está algo, de acuerdo a una escala definida.

Actividad ¿Con las manos puedes identificar la temperatura? Comenta con tus compañeros de equipo la respuesta a la pregunta y compruébalo a través del siguiente experimento. ¿Para qué lo hacemos? Para identificar la temperatura de una sustancia, comparándola con lo caliente o fría que está el agua.

Figura 3.68 Calor y temperatura, ¿son lo mismo?

Las interacciones de la materia

177

¿Qué necesitan? Tres recipientes grandes, agua (caliente, tibia y fría), cronómetro. ¿Cómo lo harán? 1. Acomoda los tres recipientes sobre una mesa y llénalos hasta la mitad, el primero con agua fría, el segundo con agua tibia y el tercero con agua caliente (cuidado, no debe ser tan caliente que te puedas quemar). 2. Introduce un minuto tu mano izquierda en el recipiente con agua fría y la derecha en el agua caliente (figura 3.68). 3. Saca rápidamente la mano del agua caliente e introdúcela en el recipiente con agua tibia. Luego

saca tu mano derecha y mete la izquierda en el agua tibia. 4. Ahora saca tu mano derecha y mete la izquierda en el recipiente con agua tibia. Coloca ahora tu mano izquierda durante 15 segundos en el agua fría y la derecha en la caliente. 5. ¿Qué percibes en cada caso con relación a la temperatura del agua tibia? Para concluir: 1. Comenta con tus compañeros de equipo sobre la confiabilidad de tu sentido del tacto como un recurso para medir la temperatura de un cuerpo. 2. Anota las conclusiones.

El calor se manifiesta por el movimiento de las moléculas y que el aumento de esta energía se manifiesta con el aumento de la temperatura de Glosario un cuerpo. Así encontramos que un cuerpo está frío o caliente según la Molécula: unidad química impresión que nos produce al tocarlo. Cuando tocamos dos o más cuerpos de la materia. Es la partícula el más caliente tiene más temperatura. Sin embargo, sabemos que la sensamás pequeña de sustanción de frío o calor es relativa. cia que puede existir en Para todos nosotros la temperatura tiene un significado familiar: es la estado libre y conservar las medida de lo caliente o frío que está un objeto. El instrumento que se propiedades del todo. utiliza para medirla es el termómetro. Es conveniente que aprendamos a distinguir con claridad a qué se debe la temperatura de un cuerpo. Comúnmente la materia se presenta en tres estados físicos: sólido, líquido, gas. Sin embargo, si se aumenta la energía al estado gaseoso, las moléculas se rompen en iones y electrones y se obtiene un cuarto estado de la materia llamado plasma. Las moléculas se encuentran en movimiento continuo y se atraen unas a otras porque entre ellas existe una fuerza de atracción llamada cohesión. En los sólidos esa fuerza de atracción es mayor y sus moléculas producen movimientos de vibración (figura 3.69), en relación a una posición media de equilibrio. Ésta es la razón de que los sólidos tengan forma y volumen propios y además presenten resistencia para deformarse. En cambio, en un líquido las moléculas se mueven con movimiento de traslación en el interior del líquido debido a que la fuerza de cohesión es menor entre ellas (figura 3.70). Debido a ello los líquidos pueden escurrir o fluir con mucha facilidad, y toman la forma del recipiente que los contiene. En los gases, la fuerza de cohesión casi no existe; en ellos, las moléculas se encuentran muy separadas unas de otras, ya que la energía debida a la velocidad que desarrollan es suficiente para vencer la fuerza de atracción que hay entre ellas. Debido a esto, las moléculas se mueven en todas direcciones y sentidos, chocan entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene (figura 3.71), razón por la cual los gases tienden Figura 3.69 En el estado sólido, a ocupar todo el espacio del recipiente que los contiene, careciendo de las moléculas vibran en torno a su posición de equilibrio. forma y volumen propios.

178

Bloque 3

A

B

C

A

B C

A BC

Figura 3.70 En el estado líquido, el movimiento entre sus moléculas o átomos es mayor que en los sólidos.

Figura 3.71 En el estado gaseoso, las moléculas o átomos tienen mayor energía cinética.

3.1.1 Experiencias cotidianas alrededor del calor y la temperatura Observa la figura 3.72. Recordarás que en muchas ocasiones has visto helarse el agua en invierno. Cuando los días son muy fríos y sales de tu casa muy temprano, encuentras el agua de los charcos y de las fuentes heladas. Si miras detenidamente puedes captar cómo una gota de agua al caer se transformó en una aguja fina de hielo que quizás te hayas entretenido en romper; luego sale el Sol y el hielo desaparece y vuelve a hacerse agua líquida. También se puede ver que en esta época de frío en algunos casos se congela el aceite. Al encender una vela puedes ver que la sustancia sólida de que está hecha se transforma en un líquido con el calor de la llama. Lo mismo sucede si tomas un trozo de azufre y lo colocas dentro de un tubo de ensayo que esté seco, si lo acercas a la llama del mechero de gas verás que se vuelve líquido. Figura 3.72 El agua en invierno Esto sucede con muchos de los cuerpos que por acción de la energía térllega a congelarse. mica pasan del estado sólido al líquido. En este caso se dice que hay fusión. Existen cuerpos sólidos que no se funden con la acción de la energía térmica, como la madera, el carbón, el plástico, el papel, ya que el calor primero los descompone y si están en contacto con el oxígeno los quema. Sabemos que la materia existe en estado sólido, líquido o gaseoso. El agua se encuentra en estos tres estados: sólido (hielo), líquido (agua) y gaseoso (vapor) (figura 3.73). Cuando las sustancias se encuentran en condiciones normales de presión y temperatura pueden existir en los tres estados de agregación molecular, siempre y cuando no se expongan a elevadas temperaturas. El punto de fusión y el punto de ebullición de algunas sustancias se indican en la tabla 3.3. La fusión es una propiedad específica de la materia y se produce cuando las moléculas obtienen energía cinética debido al aumento de energía térmica. La ebullición se detecta cuando las sustancias forman burbujas en el interior del líquido

Las interacciones de la materia

179

(hierve) y también se produce a determinada temperatura para cada sustancia. Por ejemplo, a presión normal (nivel del mar = 1 atmósfera de presión o 76 cm de mercurio) el punto de fusión del agua es 0 °C y el de ebullición es 100 °C. Los cambios de estado van acompañados de absorción o desprendimiento de calor y por lo regular de cambios de volumen. El punto de fusión se define como la temperatura a la que una sustancia cambia de estado sólido a líquido, o viceversa, a presión normal. Es muy importante conocer el punto de fusión y el punto de ebullición de las sustancias debido a las aplicaciones que Figura 3.73 El agua presenta los tres estados de agregación de la materia: sólido (hielo), líquido se les da a cada una de ellas. Por ejemplo, son utilizados (agua) y gaseoso (vapor). como refrigerantes para enfriamiento: el dióxido de carbono sólido, el aire líquido, el hidrógeno líquido y el helio líquido; mientras que para los hornos diseñados para muy altas temperaturas se utilizan metales como el wolframio y el platino.



Tabla 3.3 Punto de fusión y de ebullición de algunas sustancias.

Sustancia



Agua



Punto de fusión (ºC) en Punto de ebullición (ºC) condiciones normales en condiciones normales

0

100

Aire

– 212

– 191



Helio

– 271

– 268



Hidrógeno

– 259

– 252



Mercurio

– 39

357



Nitrógeno

– 210

– 195



Oxígeno

– 219

– 184

Nota: Condiciones normales de presión y temperatura (se simboliza como CNPT) o presión y temperatura normales (se simboliza como PTN), son términos químicos que implican que la temperatura referenciada es de 0 ºC (273 K) y la presión de 1 atm = 101 300 Pa. Referencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Condiciones_normales_de_presi%C3%B3n_y_temperatura

Actividad Observa la tabla 3.3 y contesta lo que se indica. 1. ¿Qué factor influye en las temperaturas de fusión y de ebullición de las sustancias indicadas en la tabla? Compara.

2. ¿Qué sustancia se funde a menor temperatura y cuál se funde a mayor temperatura? 3. ¿Qué sustancia hierve a menor temperatura y cuál hierve a mayor temperatura?

Punto de fusión



180

Sustancia

Bloque 3

Menor temperatura

Mayor temperatura

3. ¿Qué sustancia hierve a menor temperatura y cuál hierve a mayot temperatura? Punto de ebullición



Sustancia

Menor temperatura

4. Elabora una gráfica con los puntos de fusión y ebullición obtenidos. Comenta con tu equipo la gráfica obtenida. 5. Haz tu reporte por escrito, incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas

Mayor temperatura

sobre el factor que influye en las temperaturas de fusión y de ebullición de las sustancias; después, analiza los resultados.

Factores que modifican la fusión y la ebullición Los factores que influyen en los cambios que se realizan en la temperatura de fusión y la de ebullición de las sustancias son la presión y las impurezas. Se puede comprobar en forma experimental que cuando hacemos variar la presión a la que se encuentra sometida una sustancia, la temperatura de fusión y de ebullición también sufren modificaciones. Así, encontramos que a una presión de 760 mm de mercurio (1 atmósfera o 101 300 Pa) (Pa = Pascal), el agua hierve a 100 °C y el hielo se funde a 0 °C. Sabemos que cuando una sustancia sólida se funde, aumenta su volumen. Casi todas las sustancias se comportan de esta manera, excepto el agua, que a los 4 °C antes de congelarse se dilata o aumenta su volumen. Si se coloca dentro del congelador una botella llena con agua se rompe, ya que al solidificar el agua aumenta su volumen. Si tomamos con la mano un puñado de nieve y la apretamos, disminuye levemente su temperatura y se funde un poco, al retirar la presión de la mano nuevamente el líquido se congela y la nieve se solidifica. Lo mismo sucede cuando una patinadora ejerce presión al deslizarse sobre una pista de hielo, que se funde a pesar de tener su temperatura menor a 0 °C (figura 3.74).

Glosario Atmósfera: capa gaseosa que rodea a la Tierra y a algunos planetas y estrellas. Unidad de presión numéricamente igual al peso de una columna cilíndrica de mercurio de 76 cm de alto y 2 1 cm de sección. Temperatura: magnitud física que se percibe por la sensación de caliente o frío, relacionada con la energía cinética media de agitación de las moléculas. Pascal: unidad de presión del Sistema Internacional de unidades; es la presión que ejerce un newton en un metro cuadrado de superficie 2 (N/m ).

Figura 3.74 Por la presión que ejerce la patinadora sobre el hielo, éste se funde bajo las cuchillas de los patines aunque esté a menos de 0 °C.

Las interacciones de la materia

181

Las impurezas alteran el punto de fusión En la vida diaria vemos que para abatir el punto de congelación del agua se le disuelven ciertas sustancias. Así tenemos que al agua de los radiadores de automóviles se les protege agregando glicerina, alcohol u otro tipo de sustancia conveniente. Para preparar las nieves de sabores, se le agrega sal de grano al hielo que rodea el recipiente que la contiene, debido a que la sal hace descender el punto de congelación del hielo. La presión influye sobre el punto de ebullición Al aumentar la presión, también se aumenta la temperatura de ebullición. En una montaña, por ejemplo, si la presión es de 525 mm de mercurio, la temperatura de ebullición del agua es de 90 °C, lo que dificulta el cocimiento de los alimentos y sólo puede lograrse si se utiliza una olla de presión. Con esta olla, el vapor queda dentro del recipiente y ejerce presión sobre la superficie del agua. La presión se eleva a dos atmósferas y la temperatura de ebullición alcanza los 120 °C, permitiendo que los alimentos se cuezan con mayor rapidez que en un recipiente abierto (figura 3.75). Observa que a menor altura, mayor temperatura del punto de ebullición del agua.

Figura 3.75 Olla de presión.



Tabla 3.4 Algunos ejemplos de la temperatura de ebullición del agua a diferentes alturas sobre el nivel del mar.

Temperatura (0 ºC)

Altura (m)

Presión atmosférica (mm de mercurio)

70

9 000

240

90

3 600

525

95

1 500

640

100

0

760

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para identificar los factores que modifican los puntos de fusión y ebullición. ¿Qué se necesita? Un vaso de precipitados, lámpara de alcohol, tenazas, un cubo de hielo, hilo, un trozo de hielo de 30 cm, tripié, botella chica, agua, sal, una cacerola. ¿Cómo hacerlo? 1. Vierte agua hasta la mitad en un vaso de precipitados y coloca el cubo de hielo dentro. ¿Puedes con ayuda del hilo sacar el hielo sin mojarte las manos? 2. Coloca uno de los extremos del hilo sobre el hielo (observa la figura) y espolvoréalo con un poco

182

Bloque 3

de sal, espera un momento y jala del hilo con suavidad. a) ¿Qué sucede? b) ¿Por qué? ¿Tendrá la sal algo que ver? c) Coméntalo con tu equipo y registra la conclusión. 3. Vierte agua hasta la mitad de la cacerola y calienta sobre el tripié hasta que empiece a hervir. 4. Vierte agua en la botella chica hasta la mitad y con ayuda de las tenazas introdúcela al agua hirviendo sin tocar el fondo (observa la figura 3.76). Observa durante tres minutos y registra lo que pasa.

Hielo Hielo

5. Agrega tres cucharadas de sal al agua de la cacerola. a) Observa durante unos minutos y anota lo sucedido. b) Comenta con tus compañeros de equipo a qué se debe este fenómeno. c) Registra las conclusiones. Para concluir: Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados. Con el apoyo del maestro y mediante una lluvia de ideas en la que participe todo el grupo, comenten acerca de las dificultades que tuvieron para identificar los factores que modifican los puntos de fusión y de ebullición y de qué modo piensan que podrían obtener mejores resultados.

Hielo

Figura 3.76 Experiencias para identificar los factores que modifican los puntos de fusión y de ebullición.

3.1.2 Explicación de la temperatura en términos del modelo cinético; la medición de la temperatura ¿Qué les pasa a tus moléculas cuando tienes fiebre? ¿Por qué en el agua caliente el colorante vegetal se disuelve más rápido? Si observas con cuidado lo que sucede a tu alrededor, te darás cuenta que muchas sustancias aumentan su tamaño cuando se eleva su temperatura. El concepto de temperatura a partir del movimiento de las moléculas de un cuerpo nos explica este fenómeno. Las moléculas ocupan un espacio y cuanto más rápido se mueven más espacio ocuparán. Puedes observar que lo mismo sucede con diez parejas de acróbatas, que necesitan mayor espacio que diez parejas bailando danzón. Los fabricantes de objetos deben conocer la dilatación térmica y tomar en cuenta el aumento de dimensiones y las deformaciones debidas a la dilatación térmica. Algunos objetos llegan a romperse; por ejemplo, al enfriar bruscamente un vaso de vidrio o cuando el vidrio se encuentra frío y se calienta rápidamente. Debido a que los cambios de temperatura tienen lugar a distintas velocidades en las paredes del vaso, el vidrio se dilata o se contrae de manera desigual y se rompe con facilidad. Existen objetos de vidrio resistentes a los cambios de temperatura, que se dilatan y se contraen relativamente poco con ellos, por lo que es menos probable que se rompan. Ya has podido comprobar que los cambios de temperatura son la causa de la dilatación de los sólidos, los líquidos y también de los gases, por lo tanto en todos estos cambios se puede medir la temperatura. Los que más se dilatan son los gases y lo hacen en 1/273 de su volumen a 0 °C por cada grado de aumento de temperatura. Así, cuando tienes fiebre, tus moléculas se mueven con mayor rapidez; por lo mismo, en el agua caliente las moléculas se mueven a mayor velocidad y se mezclan más pronto con las del colorante vegetal.

Las interacciones de la materia

183

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para verificar la dilación de los líquidos. ¿Qué se necesita? Mechero de Bunsen o lámpara de alcohol, anilina roja, soporte universal completo, tapón de hule con una horadación, agua, matraz, tubo capilar. ¿Cómo hacerlo? 1. Monta el aparato como se observa en la figura 3.77, antes de colocar el tapón colorea el agua y para introducir más fácilmente el tubo capilar en el tapón mójalo un poco. 2. Con el mechero calienta lentamente el matraz y anota lo que pasa al iniciar el calentamiento. a) ¿Qué sucede al continuar calentando el matraz? b) ¿Qué se produce al retirar la llama del mechero? c) Escribe lo que se produce al retirar el mechero del matraz. Para concluir: 1. Comenta tus observaciones con tus compañeros de equipo. Registra por escrito las conclusiones a que lleguen.

a) ¿Por qué asciende la disolución coloreada? b) ¿El aparato de tu experimento se parece a algún instrumento? c) ¿A cuál? 2. Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados.

Figura 3.77 Dilatación volumétrica.

En la experiencia realizada observamos cómo se dilata un líquido al aumentar su temperatura; esta regla se aprovecha para la fabricación de termómetros. Los termómetros son instrumentos que utilizan la dilatación que experimenta un sólido, un líquido o un gas hasta lograr su equilibrio térmico con el cuerpo con que se encuentra en contacto. Capilar

Tipos de termómetros

Columna

Bulbo

Figura 3.78 Termómetro de mercurio.

184

Se conocen muchas clases de termómetros y todos funcionan en relación con el cambio de determinadas propiedades físicas, cuya valoración se modifica cuando la temperatura varía. Termómetros bimetálicos. Se utilizan para medir la temperatura de sólidos y constan de una varilla de dos metales diferentes. Cuando ambos tienen cambios de longitud, al calentarse uno se dilata más que otro y la barra se dobla. Termómetros a base de líquidos. Aprovechan la diferencia de dilatación entre los líquidos. Para que la dilatación se observe con mayor claridad existe un bulbo o depósito voluminoso del líquido y un tubo capilar muy delgado que permite ver cualquier variación de volumen. Por ejemplo: 1. De mercurio: consiste en un tubo con un conducto muy delgado (tubo capilar), unido a un bulbo más grande que contiene mercurio. Cuando el termómetro está en contacto con un cuerpo que tiene mayor temperatura, se transmite calor hacia él y la temperatura del mercurio aumenta, dilatándose más rápido que el vidrio debido a que el mercurio tiene poca inercia calorífica; esto hace que fluya muy rápido dentro del tubo capilar, ya sea ascendiendo si existe mucha temperatura o descendiendo cuando la temperatura es menor (figura 3.78).

Bloque 3

2. De alcohol: se rige por el mismo principio de los termómetros de mercurio; se utiliza alcohol coloreado. Es indispensable en los lugares fríos, ya que en ellos el mercurio se solidificaría. Termómetros especiales. Recordemos que el termómetro clínico es un termómetro de máxima, ya que el mercurio sube a través del tubo capilar pero es incapaz de bajar si no se le sacude. Para la medición de la temperatura en meteorología se utilizan termómetros de máxima y mínima. En los termómetros de máxima y mínima se indican la temperatura más alta y la más baja que puede registrarse en un determinado periodo, que puede ser de un día (figura 3.79).

Escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y Kelvin o escala absoluta En la actualidad, la medición y control de la temperatura son de gran importancia en diferentes actividades que realiza el ser humano; por ejemplo en la medicina, en la industria, en un invernadero, en un acuario, en laboratorios de ciencia, en el hogar. Constantemente se utilizan los termómetros para medir y controlar la temperatura de diversos cuerpos en condiciones especiales. El primer dispositivo que se construyó para apreciar cambios de temperatura fue el de Galileo Galilei en 1592. Después surgieron los termómetros. En algunos se sustituyó el agua por alcohol, pero además del líquido del termómetro se elaboró una escala de medición que señala o indica la temperatura. La selección de la escala termométrica fue motivo de múltiples esfuerzos y gran cantidad de experiencias de laboratorio entre los hombres de ciencia de la época. El primer científico que estableció una escala termométrica y dos puntos fijos en ella fue Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736), quien utilizó mercurio en lugar de agua y determinó en su escala dos puntos de referencia (figura 3.80). Señaló el punto cero de su escala con la mezcla más fría que pudo obtener artificialmente formada con: agua, hielo, sal marina y amoniaco. Registró el punto cien con la mayor temperatura de la sangre de una persona sana. En esta escala (si la presión se conserva a 760 mm de mercurio) tenemos:

Figura 3.79 Actualmente se utilizan distintos tipos de termómetros para medir la temperatura del cuerpo. Por ejemplo, electrónicos y de mercurio.

· Temperatura de fusión del hielo, 32 °F. · Temperatura de ebullición del agua 212 °F. El intervalo entre estos dos puntos de referencia los dividió en 180 partes iguales (figura 3.81). A cada una de estas divisiones de la escala se le conoce como grado Fahrenheit: 212 – 32 = 180 grados

Figura 3.80 Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) construyó el primer termómetro preciso.

Las interacciones de la materia

185

180 divisiones

212 ºF

32 ºF

32 ºF Agua

Hielo

Figura 3.81 Puntos de referencia. 32 ºF, punto de fusión del hielo; y 212 ºF, punto de ebullición del agua.

A mediados del siglo xviii, Andrés Celsius (figura 3.82) propuso una escala (llamada celsius). Al punto de congelación del agua le dio el valor de 0 °C y al punto de ebullición de la misma 100 °C. Dividió el intervalo en cien partes iguales y a cada unidad se le denominó grado Celsius. El número de divisiones entre los puntos fijos de las dos escalas nos permite obtener una fórmula para efectuar conversiones entre ellas (figura 3.83). Relación entre la escala Celsius y la escala Fahrenheit Se toman los puntos de ebullición de cada escala: TF TC Figura 3.82 Andrés Celsius (1701-1744) inventó la escala termométrica centesimal.

C 100 TC

212 ºF

TC

TF

=

32

TF − 21 TC TF − 32 TC

Figura 3.83 Escala de grados celsius y escala de grados Fahrenheit.

186

212 − 32 100

Se simplifica la fracción, quedando:

(TF−32) 0

212 100

Se equilibran los termómetros restando 32 a cada miembro de la igualdad: TF − 32

F

=

Bloque 3

=

=

180 100 180 100

Tomando en cuenta la relación entre ambas escalas se despeja cada variable para obtener la fórmula que deseamos ocupar. Veamos el diagrama siguiente:

Relación entre las escalas TF a TC y viceversa TF − 32 TC

=

180 100

Fórmula para convertir de TF a TC (se despeja de la relación TF) TF =

Fórmula para convertir de TC a TF (se despeja de la relación TC)

9 T + 32 o TF = 1.8 TC + 32 5 C

TC =

5 T – 32 9 F

(

)

o TC =

(T

F

1.8

Ejemplo 1: En un termómetro graduado en TF se tiene una lectura de 104 °F. Transfórmala a TC . Solución: Se toma la siguiente fórmula y se sustituyen los valores:

TC =

(T

F

− 32 1.8

)

=

(104

− 32

1.8

)

= 40 °C

Ejemplo 2: Un termómetro tiene una lectura de 30 °C. ¿Cuál será la lectura en grados Fahrenheit? Solución: Se toma la siguiente fórmula y se sustituyen los valores: TF = 1.8 TC + 32 = 1.8 (30 °C) + 32 = 86 °F La escala Celsius se utiliza como prototipo en el SI y la Fahrenheit aún se emplea en los países de habla inglesa.

Las interacciones de la materia

)

– 32

187

Actividad 100 °C

¿Para qué lo hacemos? Para calibrar un termómetro en la escala Kelvin. ¿Qué se necesita? Dos termómetros de laboratorio, dos vasos de precipitados, agua, cinta adhesiva blanca, soporte universal completo, mechero de Bunsen o lámpara de alcohol, hielo, una regla graduada. ¿Cómo hacerlo? 1. Coloca la cinta adhesiva sobre la escala de los termómetros procurando que se vea el tubo capilar. 2. Introduce durante 2 minutos ambos termómetros en un vaso de precipitados que contenga una mezcla de hielo triturado y agua. Observa la columna capilar y marca en un termómetro 0 ºC sobre la cinta adhesiva y en el otro 273 K. 3. Monta el aparato como se observa en la figura 3.84, pon a hervir el agua, introduce primero un termómetro y mantenlo dentro del agua hirviendo durante 2 minutos. a) Observa hasta dónde subió la columna del mercurio y marca sobre la cinta adhesiva 100 ºC. b) Repite la operación con el otro termómetro y marca 373 K. 4. ¿Cómo es el nivel del mercurio en ambos termómetros?





Escala

Nivel del agua con hielo

0 °C 0 °C

0 °C 0 °C

373 K 373 K 273 K 273 K

273 K 273 K

Figura 3.84 Calibración de un termómetro en la escala Kelvin.

Escala



0 °C

100 °C



273 K

373 K

5. Con mucho cuidado, retira la cinta adhesiva de cada termómetro y compara las dos escalas. a) Un grado celsius, ¿qué intervalo de temperatura Kelvin representa? b) ¿Por qué? 6. Mide la distancia que separa las dos marcas en cada una de las escalas y divídelas en 100 partes. Cada una de las divisiones representa un grado. 7. Cada cinco grados, marca una división en ambas escalas. Anota otras marcas debajo de 0 ºC; 273 K y arriba de 100 ºC y 273 K.

188

100 °C

Bloque 3

Nivel del agua con agua hirviendo

Para concluir: 1. Comenta con tus compañeros sobre cuál es la diferencia entre ambas escalas. ¿En cuál de ellas se pueden medir temperaturas más bajas? 2. ¿Cuál de las dos escalas crees que se pueda utilizar para efectuar estudios científicos? ¿Por qué? 3. Elabora tu reporte en tu libreta incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas sobre la importancia de calibrar un termómetro en la escala Kelvin después de analizar los resultados.

Temperatura Kelvin o escala absoluta

TK

473 K

150

423

100

Así:    272.15 K corresponde a 1 °C    271.15 K corresponde a 2 °C, etcétera. Observa que no depende de puntos fijos arbitrarios y se llama cero absoluto, es decir, que es una aproximación al valor exacto –273.15. El cero absoluto es la temperatura más fría que se conoce en la escala absoluta de temperatura. A esta escala se le llama kelvin, en honor a Lord Kelvin (William Thomson, físico británico), científico inglés que realizó muchas contribuciones al estudio del calor. Un grado en esta escala tiene el mismo intervalo que los de la escala Celsius. La escala Kelvin difiere sólo en el punto cero; así, la temperatura del punto de fusión del hielo corresponde a 273.15 K y la del punto de ebullición del agua a 373.15 K (figura 3.85). Para obtener la relación entre la escala Celsius y la Kelvin se suma 273 al valor de los grados celsius. TK = TC + 273 Para obtener la relación de la escala Kelvin y la Celsius, se resta 273.15 al dato en la escala Kelvin:

50

323

473 K

En la figura 3.85 se observa que la relación entre 273.15 K corresponde a 0 °C y 273.15 K a 2 °C.

373.15

0 ºC

273.15 K

−50

223

−100

−273 ºC

EC = 0

+200 ºC

200 ºC

173

−150

123

−200

73

−273

K = 273 + t ºC

Esta escala se utiliza en investigaciones y trabajos científicos, ya que debido a investigaciones efectuadas se observa que no ha sido posible alcanzar una temperatura inferior a 0 K: porque a esta temperatura las moléculas que conforman una sustancia estarían prácticamente inmóviles, es decir, que su energía cinética (EC) tendría un valor de cero (llamada cero absoluto).

TC

0

Figura 3.85 Escala de grados celsius y escala Kelvin.

TC = TK − 273 En física se utiliza bastante la escala Kelvin o escala absoluta.

Actividad Con la orientación de tu maestro formen equipos de 3 o 4 alumnos y realicen las siguientes conversiones:

50 ºC =

ºF

89 ºC =

ºF



50 ºF =

ºC

98 ºC =

K

89 ºF =

ºC

348 ºK =

ºC

1. Discute con tus compañeros de equipo si es posible obtener resultados con otro procedimiento y si lo creen necesario, llévenlo a cabo. 2. Comenten el procedimiento con los otros equipos y elaboren una conclusión final; escríbela en tu cuaderno.

Las interacciones de la materia

189

Para pensar Con la orientación del maestro, formen equipos de tres o cuatro alumnos y efectúen los siguientes ejercicios: 1. Escriban en su cuaderno cuál de las siguientes respuestas es la correcta y justifiquen su decisión.

A. Considerando que la temperatura se refiere a la masa ``m´´ de la misma substancia, ¿cuál temperatura es la que representa mayor calor? a) 12 ºC

b) 12 ºF

c) 12 ºK

d) –12 ºK

B. De las siguientes escalas de temperatura, ¿cuál de ellas tiene el intervalo de unidad más grande? a) Fahrenheit

b) Kelvin

c) Rankine

d) Celsius

C. La escala de temperatura que se utiliza para la investigación científica y cuya unidad fue seleccionada como unidad de temperatura en el SI, es: a) Kelvin

b) Rankine

c) Celsius

d) Fahrenheit

2. Analicen el siguiente ejercicio y justifiquen sus respuestas.

Un trozo de cobre se encuentra a una temperatura de 180 ºF; al enfriarse desciende a 110 ºF. ¿Cuál es el cambio producido en ºC? ¿Cuál es la temperatura final en ºC?

3. Comparen sus resultados con los de otros equipos y observen si existen diferencias. Analicen a qué se deben las diferencias y defiendan sus resultados. 4. De manera grupal, indiquen cuáles fueron los problemas que tuvieron para resolver cada ejercicio y cómo los superaron.

3.1.3 Explicación del calor en términos del modelo cinético. La energía térmica Energía térmica Es la energía interna que tiene un cuerpo debido al movimiento de los átomos y moléculas que lo forman. Habrás percibido que al introducir un objeto caliente en agua fría, el objeto se enfría y el agua aumenta su temperatura. Podemos entender con este ejemplo que el calor pasa de un cuerpo a otro y es lo que llamamos energía en tránsito. Transmisión del calor El calor se transmite de un cuerpo más caliente a otro más frío debido a que tiene diferente temperatura. La propagación o transmisión del calor se puede realizar en tres formas: conducción, convección y radiación. Transmisión del calor por conducción La conducción del calor significa transmisión de energía entre las moléculas de un cuerpo. Al introducir una cuchara de metal en café caliente, la parte inferior se calienta y poco después la parte superior, aunque esta última no toque el líquido. El café ha cedido un poco de energía térmica o calorífica, que transmitió de la parte inferior de la cuchara hasta el mango de la misma (figura 3.86). La transmisión del calor por contacto molecular se llama conducción. La conducción del calor es el resultado de las colisiones entre las moléculas, en las que las moléculas con mayor energía cinética transmiten calor a las de menor energía. No hay dos materiales que tengan idéntica estructura molecular o atómica, por lo que su comportamiento es diferente con respecto a la capacidad para conducir el calor.

190

Bloque 3

Figura 3.86 Diferencia de temperaturas como motivo de transferencia de energía térmica.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar la conductividad calorífica. ¿Qué se necesita? Cuatro cucharas de distintos materiales (plástico, madera, peltre, metal, etcétera) del mismo tamaño, cerillos de madera, vaso de precipitados, mechero o lámpara de alcohol, soporte completo, tres alambres de 30 cm (cobre, aluminio y hierro), alfiler, agua y parafina. ¿Cómo hacerlo? 1. Vierte el agua dentro del vaso de precipitados y ponlo sobre la tela de alambre con asbesto que está en el soporte o tripié, acerca la llama del mechero hasta que hierva el agua. 2. Introduce dentro del líquido caliente las cucharas y después de dos minutos tómalas con tu mano. a) Dibuja el aparato utilizado, anotando los nombres de los materiales y sustancias. b) ¿Todas las cucharas que están dentro del agua caliente tienen la misma temperatura? c) ¿Qué cuchara es la peor conductora del calor? Escribe, en relación con su capacidad de conducir el calor de las cucharas, la conductibilidad calorífica de las cucharas empezando por la mejor conductora del calor y al final anota la peor. 3. Ahora vas a trabajar con un cerillo y un alfiler. Enciende el cerillo como se indica en la figura. 4. Con la otra mano sostén un alfiler por la cabeza y acerca la punta a la llama del cerillo. a) ¿Percibes en tu mano el calor del cerillo encendido? b) ¿Qué le sucede a tu mano cuando sostienes el alfiler y lo introduces en la llama del cerillo? c) ¿Qué puedes deducir de este experimento?

Figura 3.87 Conducción del calor.

5. Une los tres alambres, como se observa en la figura 3.88, sujetándolos con el soporte o sosteniéndolos con unas pinzas. 6. En cada uno de los extremos libres de los alambres embarra un poco de parafina, acercando la llama del mechero al extremo que se encuentra trenzado. Anota lo que sucede a la parafina. ¿En qué orden se desprende la parafina de los alambres? Hierro

Aluminio

Cobre

Figura 3.88 Conducción del calor en distintos metales.

Para concluir: Comenta con tus compañeros de equipo los experimentos realizados y anota tus conclusiones acerca de la conductividad calorífica. Elabora cuidadosamente tu reporte en tu libreta.

Las interacciones de la materia

191

Aplicaciones de la conductibilidad térmica ¿Cómo puede lograrse que un cuerpo caliente conserve su calor sin enfriarse? El cobertor de lana con que te cubres en invierno, los abrigos de lana, de piel o de plumas de aves permiten que un cuerpo se proteja del frío. La protección se logra porque el aire queda atrapado entre las fibras de lana, los pelos de la piel de los animales o las plumas de las aves que funcionan como aislantes (figuras 3.89 y 3.90).

Figura 3.89 Las plumas de las aves funcionan como aislante térmico para conservar su temperatura corporal.

Figura 3.90 El cobertor de lana permite que te protejas del frío.

Para cocer un alimento que necesita varias horas, se puede economizar tiempo y combustible si colocamos la cacerola tapada, después de que ha hervido algunos minutos, en una caja llena con aserrín de madera o de corcho, de tal manera que forme una pared de 5 o 10 cm de grueso. Si se mantiene la cacerola dentro del aserrín toda la noche, en la mañana los alimentos ya estarán cocidos (figura 3.91). Las botellas termo se encuentran recubiertas de materiales aislantes, como lana de vidrio, con el fin de conservar el calor (figura 3.92). En ocasiones se necesita que un cuerpo permanezca frío. A continuación te damos algunos ejemplos utilizados en la práctica. a) Para evitar que el hielo se funda se puede guardar envuelto en lana, en corcho, en aserrín o cubierto con tierra. b) Los refrigeradores industriales o domésticos tienen un recubrimiento de material aislante. Tapón Soporte aislante

Botella de doble pared de vidrio o plástico plateada por dentro

Vacío

Figura 3.91 Caja de madera para cocer alimentos.

Recipiente exterior Soporte aislante

192

Bloque 3

Figura 3.92 Botella termo.

Transmisión del calor por convección Es la forma en que se transmite el calor en los líquidos y en los gases. Los vientos, las corrientes de aire, las brisas, tanto de mar como de tierra, son corrientes de convección o de transportación. Las brisas tienen un calor específico menor al del agua líquida; el aire se calienta más rápido durante las horas en que hay sol, se expande y asciende para ser sustituido por otro de mayor densidad que se encuentra sobre el agua. Así, el aire continúa moviéndose constantemente formando la brisa.

Glosario Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un cuerpo de un kilo de masa.

Actividad 1. Con la orientación de tu maestro, integren equipos, analicen y escriban sus conclusiones. a) ¿Qué función desempeña la temperatura en el globo terráqueo? b) Explica las causas de los diferentes climas sobre la superficie de la Tierra. c) Comenta y analiza con tus compañeros la importancia que tienen los grandes depósitos de agua en la Tierra. 2. Comenten sus conclusiones con otros equipos y defiendan sus puntos de vista. Si existen diferencias con otros equipos analícenlas y verifiquen sus resultados. 3. Indiquen si existieron algunas dificultades para resolver los planteamientos anteriores e indiquen cómo los superaron. 4. Escriban en el pizarrón una conclusión grupal sobre la actividad. Matemáticamente, el calor específico se puede obtener con la siguiente fórmula:

Calor específico =

Donde: Q = cantidad de calor absorbido o cedido por un cuerpo (Kcal, cal, Btu, J) m = masa del cuerpo en gramos (g) Δt = variación de la temperatura (t2 − t1) La unidad de calor específico generalmente utilizada es: Calorías sobre gramo por grado Celsius.

Ce =

Calorías × grado celsius = gramo

cal g °C

En el Sistema Internacional (SI) la unidad de calor específico es el Joule sobre kilogramo por grado kelvin.

Ce =

J kg

•

K

Capacidad calorífica Q Ce = Masa mρt

Transmisión del calor por radiación La energía calorífica que recibimos del Sol se transmite en el vacío en forma de radiación. El calor en forma de radiación se recibe de cualquier fuente mediante ondas electromagnéticas.

3.1.4 Diferencias entre calor y temperatura Energía interna. Según las teorías actuales, toda la materia está constituida por partículas (átomos o moléculas) que se mueven constantemente. Llamamos energía interna de un cuerpo a la suma de las energías cinéticas y potenciales de las partículas que constituyen el cuerpo; es la energía total que posee.

Las interacciones de la materia

193

Por todo lo anterior, podemos decir que la temperatura de un cuerpo es una de sus propiedades y, al igual que el tiempo, es difícil de definir en forma sencilla. La temperatura es una de las energías cinéticas que tiene un cuerpo, pero una forma accesible a este nivel consiste en definirla como una propiedad de los cuerpos, que se aprecia, por ejemplo, por la dilatación de una columna de una sustancia (mercurio, alcohol, etcétera) en donde se establece una escala de medición. Para medir la temperatura de un cuerpo se utilizan los aparatos llamados termómetros. Es fundamental que podamos distinguir la diferencia entre energía térmica y temperatura. La cantidad de energía térmica contenida en un cuerpo es la suma de la energía de cada una de sus moléculas, en tanto que la temperatura es la energía cinética promedio de las moléculas que constituyen el cuerpo. Cuando las partículas aumentan su velocidad, aumenta su energía cinética, incrementando de esta forma la temperatura del cuerpo. Cuando un cuerpo recibe calor aumenta su energía interna y esta energía decrece si disminuye la cantidad de calor que recibe. Ya hemos indicado que calor y temperatura son dos cosas diferentes, aunque las relacionamos. La temperatura nos indica en qué dirección va a fluir el calor cuando un cuerpo se pone en contacto con otro. Siempre el calor —que es una forma de energía en tránsito— pasa del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. También hay intercambio de energía térmica entre dos objetos aunque no haya contacto. Esto sucede debido a que la energía térmica puede irradiarse en el espacio, en forma de radiación, como la que se recibe del Sol. Al objeto de mayor temperatura se le llama cuerpo caliente o fuente calorífica y al de menor temperatura, cuerpo frío o refrigerante. La energía transferida de un cuerpo a otro es lo que llamamos calor. Los termómetros son instrumentos que se utilizan para determinar la temperatura de un sistema. Todos los termómetros aprovechan el cambio de alguna propiedad física con la temperatura. Algunos ejemplos de propiedades físicas son: · · · ·

El cambio de volumen de un líquido. El cambio de longitud de un sólido. El cambio de presión de un gas que se encuentre a volumen constante. El cambio de color de algún cuerpo, entre otros.

Observa que en la figura 3.93, el hielo cambia su estado físico de sólido a líquido y el agua líquida a vapor cuando se aumenta el calor. Calor y temperatura son dos cosas distintas y nunca deben confundirse entre sí.

Figura 3.93 El calor se puede percibir a través de los cambios de estado que se producen en la materia (fusión del hielo, ebullición del agua y evaporación).

194

+ calor

1 kg de hielo

Bloque 3

+ calor

1 kg de agua

Vapor

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprender la diferencia entre calor y temperatura. ¿Qué se necesita? Termómetro, cinco vasos de precipitados, tela de asbesto, soporte, mechero, probeta graduada, placa graduada, placa de vidrio delgada de 10 × 10 cm, anillo, hielo, agua de la llave. ¿Cómo hacerlo? 1. Vierte agua hasta la cuarta parte de un vaso de precipitados y en otro un poco más de la mitad.

Con un termómetro toma la temperatura de ambos vasos, procura no tocar las paredes con el bulbo del termómetro. Anota las temperaturas. ¿En cuál de los vasos la temperatura es mayor? 2. Coloca en un vaso de precipitados 50 mL de agua, tápalo con la placa de vidrio y calienta hasta la ebullición. Registra tus observaciones en el cuadro. 3. En otro vaso de precipitados coloca 100 mL de agua fría, tapa y calienta hasta la ebullición. Registra tus observaciones en el cuadro.

Cuadro de observaciones



Vaso de 50 mL

Vaso de 100 mL

Temperatura del agua fría Tiempo que tarda en llegar a la ebullición Marca con una X el que tenga más moléculas Marca con una X el que reciba más calor Temperatura de ebullición 4. Con mucho cuidado toma la temperatura de los dos vasos de precipitado; cuidado, el agua estaba ebullendo, no te vayas a quemar. Anota tus observaciones. a) Cambia el hielo al vaso con agua caliente y observa. ¿Qué sucede con el hielo? b) Indica cuál de los dos cuerpos aumentó su temperatura y por qué. 5. Registra la temperatura del hielo, del agua fría y la del agua hirviendo. 6. Elabora una gráfica que represente la temperatura y el tiempo que tarda en llegar a la ebullición.

7. Compárala con las de tus compañeros. Comenten en clase al respecto. Para concluir: 1. Comenta tus experiencias con tus compañeros de equipo y anota la diferencia entre calor y temperatura sin consultar tu libro ni notas. 2. Consulta tu libro o tus notas de clase y escribe la diferencia entre calor y temperatura; compara tus respuestas. 3. Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados.

3.1.5 Transformaciones entre calor y otras formas de energía Conversión parcial del calor en trabajo Se llama máquina térmica a aquella que transforma el calor en trabajo. En una máquina térmica, parte del calor suministrado se transforma en trabajo y otra parte pasa al medio ambiente. Las primeras máquinas térmicas que se conocen fueron inventadas en el siglo xviii. Eran muy elementales y se obtenía poca energía mecánica del calor. Su utilidad era mínima, a pesar de la gran cantidad de combustible que consumían, por lo que producían poco trabajo. Las interacciones de la materia

195

En 1771, el inventor escocés James Watt obtuvo una patente para convertir la máquina de vapor en fuente de energía de usos múltiples (figura 3.94). Esta máquina en un principio fue utilizada para mover molinos y operar las bombas que extraían el agua de las minas, y poco después en locomotoras y barcos de vapor (figura 3.95). El aprovechamiento de la máquina de vapor para manejar los aparatos industriales de las fábricas dio un gran impulso al desarrollo del trabajo fabril, a tal grado que se le considera como uno de los factores primordiales que dieron lugar a la Revolución Industrial en el siglo xix. En 1824, un joven ingeniero francés, llamado Nicolás Léonard Sadi Carnot, estudió cómo obtener energía mecánica partiendo de la energía calorífica. Diseñó una máquina térmica idealizada con la que demostró cómo con este tipo de máquina se obtenía el máximo rendimiento. Aquella máquina fue el antecedente del motor diesel.

Figura 3.94 Con la máquina de Watt se obtuvo el mayor rendimiento con una cantidad menor de combustible.

Figura 3.95 George Stephenson y su locomotora de vapor, que fue el principio de la locomotora moderna.

El rendimiento térmico de los motores El rendimiento de una máquina es la relación entre la energía que se le suministra y el trabajo que produce. El concepto de rendimiento se aplica a todas las máquinas, desde la palanca, la rueda, la prensa hidráulica, hasta las centrales nucleares. r =

Trabajo producido Energía recibida

Las máquinas térmicas transforman el calor en trabajo. Los ingenieros deben conocer cuánto combustible requiere un motor para producir una determinada cantidad de trabajo útil. Los combustibles usuales son el carbón, que puede utilizarse en las calderas de las máquinas de vapor, y los derivados del petróleo, que se usan tanto en calderas como en motores de combustión interna (de explosión y diesel) (figuras 3.96 y 3.97). Las máquinas térmicas más eficaces son las que convierten la mayor cantidad de calor del combustible utilizado en trabajo útil. Ninguna máquina puede tener un rendimiento de 100%, y la mayoría sólo alcanza a redituar una proporción muy baja.

196

Bloque 3

Figura 3.96 Locomotora de vapor.

Figura 3.97 Locomotora diesel.

La máquina de vapor a pistón es la de menor rendimiento. La mejor solamente logra transformar 20% de la energía térmica del combustible en trabajo, el resto se pierde con el vapor de escape, por la pérdida de calor de la caldera y con los gases calientes que salen por la chimenea (figura 3.98). La fricción del motor desaprovecha más energía, lo que da como resultado que en una locomotora de vapor las pérdidas lleguen a 93% del total de la energía calorífica del carbón.

Humo

Vapor

6 5

1

2

7

3

8

Cilindro

4 9 La válvula de seguridad deja salir el vapor cuando hay un exceso de presión (peligro de explosión) Cúpula

10 Medidor que indica el nivel de agua en la caldera (vasos comunicantes)

1 Caldera de tubos para el vapor de agua 2 Unos 200 tubos 3 Fuego 4 Depósito para la ceniza 5 Domo del vapor y boca del tubo conductor 6 Válvula de seguridad 7 Tubo conductor del vapor al cilindro 8 Chorro de vapor para ayudar a la descarga del humo 9 Rueda motora y su rueda acoplada 10 Rueda libre

El manómetro mide la presión 4 8 0

Resorte de espiral

Las divisiones indican las atmósferas (atm)

Caldera

12

16 24

Vapor de la caldera

Las interacciones de la materia

Sector dentado Membrana metálica

Figura 3.98 Funcionamiento de la locomotora de vapor y las partes que la integran.

197

Actividad Realiza lo siguiente: 1. Llena con alcohol un gotero y coloca unas pocas gotas sobre la parte interna de tu muñeca. Registra tus observaciones. 2. Infla un neumático con una bomba de aire. Después de llenarlo, toca la válvula. ¿Está caliente o

fría? ¿Realizaste algún trabajo? Mantenlo así durante 10 minutos. Abre la válvula y deja que salga el aire. Toca de nuevo la válvula. ¿Está caliente o fría? ¿Cómo podría utilizarse este hecho para enfriar algo?

¿Qué clase de máquina es el refrigerador? Un refrigerador es una máquina térmica que funciona a la inversa. Todos sabemos que los refrigeradores en su interior están fríos; sin embargo, pocos saben que estos aparatos elevan la temperatura de la habitación donde se encuentran. Si colocas la mano en la parte de atrás del refrigerador cuando esté funcionando el motor, podrás sentir una corriente de aire tibio. El refrigerador transporta al exterior el calor que libera de la parte interior; por sí mismo el calor no puede ascender, por lo que es necesario proporcionar trabajo al sistema. En la figura 3.99 se tiene el esquema del funcionamiento del refrigerador. El sistema cerrado contiene un gas que se licua al aumentar la presión o al disminuir la temperatura. Los refrigerantes usuales son el amoniaco, freón 12, cloruro de metilo y bióxido de azufre. En un refrigerador doméstico, el extremo caliente se encuentra detrás del aparato y el extremo frío junto a la bandeja de los cubos de hielo. En el espacio donde funciona el serpentín caliente de compresión hay un ventilador que envía aire a través del serpentín y absorbe calor para calentar el lugar. Este sistema de calefacción recibe el nombre de bomba térmica. En el verano algunos sistemas circulan en una dirección, absorbiendo el calor del interior de la habitación y liberándolo en el exterior; durante el invierno se invierte el sentido y el calor dentro de la habitación se eleva y el aire libre es más frío. Se sugiere la consulta de la siguiente página electrónica: http:/usuarios.lycos.es/aprendetecno/ficheros/vapor.pdf 2. A medida que el líquido entra en el evaporador (compartimiento del congelador), el diámetro de la tubería y la presión disminuye. Se evapora rápidamente y absorbe el calor del interior del refrigerador.

Evaporador

La evaporación enfría el aire

Figura 3.99 Los refrigeradores funcionan mediante la circulación del gas freón, que pasa del estado gaseoso al líquido y viceversa; al evaporarse, enfría el interior.

198

1. Un motor eléctrico acciona el compresor que hace circular el gas freón y lo envía a presión al condensador. En los estrechos tubos del condensador, el freón, a elevada presión, se licua y el calor se disipa al exterior por las aletas metálicas.

3. El aire enfriado de la parte superior del refrigerador desciende a la inferior y el caliente asciende para enfriarse. 4. El gas freón es aspirado de nuevo hacia el compresor, y el ciclo se repite.

Condensador Compresor y motor

Bloque 3

Investigación Con la orientación de tu maestro integren equipos e investiguen en libros de física, enciclopedias o Internet, lo que se te pide. Bibliografía: Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 2, Editorial Alianza, España, págs. 302-304, 481-484. Bernald, J. (2003), La Ciencia en la Historia, Nueva Imagen, México, págs. 509-512, 517-518, 551-566. Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/ volumen2/ciencia3/085/htm/sec_10.htm

http://redalyc.uaemex.mx/redalyc/pdf/294/ 29404510.pdf 1. Explica qué es el calor. 2. Forma equipos de trabajo y realiza una investigación bibliográfica acerca de los estudios hechos sobre el calor. 3. Compárala con lo que hayan investigado tus compañeros del grupo. 4. Discute con los integrantes de tu equipo cuáles son las diferencias entre las teorías sobre el calor. 5. Explica por qué razón se aceptan algunas y se impugnan otras.

3.1.6 Principio de conservación de la energía ¿Qué será entonces el calor? Los griegos de la antigüedad creían que el calor era una sustancia. Explicaban la dilatación de los cuerpos mediante la agregación de esta sustancia, a la que nombraron “calórico”. En el siglo xviii surgió la teoría del calórico, la cual consideraba al calor como un fluido invisible que contienen en su interior todos los cuerpos y que no tiene peso. La teoría del calórico permaneció durante varios siglos, porque en cierta forma daba una explicación sencilla respecto al calor; aunque con ella nunca se explicó la obtención de calor por frotamiento o debido al trabajo. Son dos los científicos a quienes se debe la explicación que actualmente conocemos acerca del calor: el conde de Rumford Benjamin Thompson (1753-1814) (figura 3.100) y James Prescott Joule (1818-1889) (figura 3.101). Rumford fue comisionado por el gobierno de Baviera para dirigir el taladrado de los cañones. Observó que al taladrar los cañones, los bloques de metal se calentaban mucho y se enfriaban con cubetas de agua. Por ello, según la teoría del calórico, se pensaba que el calor era un fluido que se agregaba al metal al estarlo torneando (figura 3.102). Sin embargo, Rumford observó que el agua continuaba hirviendo a pesar de que la herramienta para taladrar el cañón ya no funcionaba. Rumford concluyó que el calor no era un fluido sino una forma de energía que, debido al trabajo que se realizaba con la herramienta, se transformaba en calor.

Figura 3.100 El conde de Rumford efectuó estudios acerca del calor por fricción.

Las interacciones de la materia

Figura 3.101 James Prescott Joule estudió en su laboratorio el principio de la conservación de la energía.

199

Figura 3.102 Barrenadora de cañones adaptada por el conde de Rumford a sus experiencias. La fricción producida a medida que el taladro sin afilar penetraba en el metal produjo el suficiente calor para hacer hervir el agua. La energía mecánica se convirtió en energía térmica.

Después de serruchar un trozo duro de madera, la hoja del serrucho está caliente al tacto; naturalmente se ha producido calor, pero, ¿cómo? El calor debe proceder de alguna parte. No es posible que haya surgido del serrucho porque éste se encontraba frío al iniciar la actividad. El calor tampoco surgió de la madera, ya que su temperatura no ha descendido. Para serruchar se utilizó cierta cantidad de energía, y parte de ella se usó para vencer la fricción de la sierra en contacto con la madera rugosa. Por otro lado, la energía no desaparece. Si desaparece en una forma, debe aparecer en otra. La energía utilizada para vencer la fricción se transforma en calor que eleva la temperatura de la hoja del serrucho. Esto quiere decir que la energía mecánica se ha transformado en energía calorífica. El presente fenómeno es aprovechado por el ser humano de esta manera: cuando hace mucho frío, las personas intentan mantener una temperatura aceptable por medio del calor que se obtiene del frotamiento de sus manos, moviéndose rápidamente o saltando de un lado a otro; en todos estos casos, el trabajo se convierte en calor. Cuando se realiza un trabajo, parte de éste se convierte en energía térmica. Al hacer ejercicio sudamos debido a que se realiza un trabajo, y el sudor se produce debido al cambio de parte de esa energía en calor que nuestro cuerpo emite. El calor puede transformarse en trabajo mecánico. Si calentamos agua hasta la evaporación, el vapor se puede aprovechar para mover un generador. El científico James Prescott Joule comprobó, con base en sus experimentos, el trabajo necesario para obtener una cantidad determinada de calor, al que llamó equivalente mecánico del calor. En todos los experimentos, Joule siempre encontró que el trabajo consumido se transformaba en calor; también podemos decir que la energía se conserva. El trabajo de 1 joule = 0.239 cal y la energía de 1 cal = 4.18 joules de trabajo mecánico. Así vemos nuevamente que la energía no se destruye, sino que sólo cambia de una forma a otra. Ya mencionamos que a este principio se le conoce como primera ley de la termodinámica, y se enuncia así: La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

200

Bloque 3

3.2 El modelo de partículas y la presión 3.2.1 Experiencias alrededor de la presión ¿Por qué un lápiz es sólido?, ¿por qué el agua de la llave es líquida?, ¿por qué el aire que respiramos es un gas? Trata de pensar cómo explicar estas preguntas y para ayudarte vas a realizar la actividad siguiente.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar la presión en los cuerpos sólidos y fluidos (figura 3.103). ¿Qué se necesita? Un trozo de papel, un pedazo de jabón en pastilla, un lápiz, un tubo de ensayo, agua, un trozo de vela, un trozo de plástico, un palillo, una espátula, un globo chico, recipientes de diferentes formas y tamaños. ¿Cómo hacerlo? 1. Con tus manos rompe primero el trozo de papel y después el plástico. a) ¿Cuál se rompió con mayor facilidad? b) ¿A qué supones que se debe? 2. Con la uña de uno de tus dedos raya la superficie del jabón, de tu lápiz, de tu gis y otros materiales. 3. Repite la experiencia utilizando el palillo y enseguida la espátula. a) ¿Con cuál fue más fácil? b) ¿Por qué? 4. Vierte el agua en uno de los recipientes y a continuación trasvasa el agua de uno en uno a los otros recipientes. a) Dibuja lo que pasa. b) ¿Qué observas? c) Coméntalo con tus compañeros. d) ¿A qué se debe? 5. Coloca un globo pequeño que ajuste muy bien en la boca del tubo de ensayo, calienta el tubo con la vela. a) ¿Qué observas? b) ¿Qué sucede después de un tiempo, cuando todo el sistema (el tubo de ensayo con el globo y el aire contenido) retorna a temperatura ambiente? c) ¿Por qué?

Para concluir: Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas acerca de la presión después de analizar los resultados.

Figura 3.103 Presión en cuerpos sólidos y fluidos.

Las interacciones de la materia

201

Para saber más ¿Sabías que las partículas que constituyen un cuerpo no siempre son moléculas? Las moléculas no tienen carga eléctrica y hay otras partículas que sí la tienen, por eso, por ejemplo, para los metales hablaremos de partículas y no de moléculas. Más adelante en el libro verás por qué. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de la mayoría de los materiales plásticos es mayor a temperatura ambiente que las que mantienen unidas las moléculas de una hoja de papel. Las atracciones intermoleculares en el jabón son, evidentemente, mucho más débiles que las fuerzas que mantienen unidas las partículas en una uña, un palillo de madera o una espátula de acero. Por otra parte, las fuerzas de atracción entre las partículas de una espátula de acero son mucho más fuertes que las atracciones intermoleculares en la uña. Por eso, con la uña no puedes rayar tan fácilmente. En cambio, con la espátula de acero puedes hacer marcas sobre diversos materiales. En el experimento número cinco de la actividad anterior trabajamos con gases. Y al calentar el tubo de ensayo, con el aire que contiene el tubo y el globo, las moléculas de los gases que forman el aire se mueven más rápidamente.

Glosario Viscosidad: propiedad de los líquidos y gases que caracteriza su resistencia a fluir.

Por lo tanto, chocan con más frecuencia contra las paredes del globo y, consiguientemente, su tamaño aumenta. Ahora comprende por qué puedes inflar un globo de dos formas: • Insuflando el aire, o sea aumentando el número de moléculas dentro de él. • Calentando el gas que contiene, o sea aumentando la velocidad media de sus moléculas (energía cinética de las moléculas). ¿Sabías que...? ...las moléculas de distintos gases a una misma temperatura se mueven, en promedio, con velocidades distintas. Por ejemplo, las moléculas de hidrógeno son cuatro veces más veloces que las del oxígeno. ¿Y sabías que...? ...el hidrógeno es el gas con el cual frecuentemente se inflan los globos para que se eleven en el aire. ...cuanto menos denso es un gas, más veloces son (en promedio) sus moléculas. Y el hidrógeno es el menos denso de todos los gases.

Los sólidos son cuerpos que presentan forma y volumen propios, tienen sus moléculas muy cercanas entre sí, es decir, que sus fuerzas de cohesión son muy grandes, lo que hace que pierdan la posibilidad de separarse unas de otras o de poder deslizarse (figura 3.104).

Figura 3.104 La cohesión entre las moléculas de un sólido le da a éste una forma definida. Si levantamos un extremo del lápiz, la otra punta lo acompaña. Esta propiedad se denomina rigidez.

Por lo tanto, concluimos que el sólido conserva su forma y volumen. El líquido toma la forma del recipiente que lo contiene (figura 3.105). El gas carece de forma o de volumen propio y depende de las presiones que soporta o el utensilio que lo contiene.

202

Bloque 3

Hay líquidos de apariencia sólida, como el chapopote, que fluye muy lentamente; otros como algunas gelatinas diluidas, cuya superficie no se mantiene horizontal al inclinar ligeramente el recipiente. Los primeros están considerados muy viscosos y los segundos algo rígidos.

La presión en los fluidos Los fluidos son las sustancias que se presentan en dos estados de agregación, las cuales permiten que sus partículas se muevan libremente, es decir, que pueden fluir. Así, tanto los líquidos como los gases son fluidos. La manera como los fluidos ejercen presión sobre los cuerpos es totalmente diferente de la forma en que la ejercen los sólidos. Cuando sumergimos nuestro cuerpo en un fluido, este nos rodea como si nos abrazara, ejerciendo fuerzas perpendiculares a la superficie de todo nuestro cuerpo; es lo que también sucede con el aire que nos rodea. Un cuerpo sumergido en un fluido experimenta fuerzas en toda su superficie y estas son perpendiculares.

Figura 3.105 Los líquidos no poseen forma propia. Por esta razón es necesario sostenerlos no sólo por debajo sino también por los costados.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar las características que presentan los fluidos. ¿Qué se necesita? Dos frascos de vidrio iguales, un recipiente profundo (cubeta, bote), agua. ¿Cómo hacerlo? 1. Llena el recipiente con agua. 2. Coloca los frascos hacia abajo y sumérgelos dentro del recipiente con agua. 3. Inclina un poco hacia arriba uno de los frascos hasta que se llene de agua. Trasvasando aire.

4. Coloca más alto el frasco que contiene el agua, acerca ambos e inclina un poco el frasco con aire de tal forma que puedas pasar el aire al frasco que tiene agua. a) ¿Qué sucede cuando empieza a penetrar el aire en el frasco que contiene agua? b) ¿Por qué al sumergirlos no se llenan de agua? c) Cuando vacías un líquido de un recipiente a otro, ¿qué sustancia desplazas? d) ¿Cómo se demuestra que los líquidos y gases son fluidos? Para concluir: Elabora tu reporte en tu libreta.

Volumen de un gas Para que nuestro cuerpo realice el proceso de la respiración se necesitan dos partes fundamentales de nuestro organismo para esta función. Al aspirar, movemos las costillas hacia fuera y el diafragma hacia abajo, lo que aumenta el volumen ocupado por los pulmones. Se debe a que los pulmones, con mayor espacio, se expanden y al separarse presionan menos. Si aumentamos el volumen de los pulmones tapándonos la boca y la nariz, prácticamente no cambiaría nada por la presión que se ejerce del exterior, que tiene un valor de 1 kgf/cm2, lo que empuja el aire dentro de los pulmones. El proceso contrario se realiza al expirar el aire: el diafragma se eleva y las costillas se mueven hacia adentro, lo que hace comprimirse a las moléculas y aumentar la presión, expulsando a la vez parte del aire, con lo que disminuye el volumen.

Las interacciones de la materia

203

Podemos concluir que el volumen de un fluido puede ser modificado por la presión que se ejerce sobre las paredes superficiales del recipiente que lo contiene. Los gases son los que sufren mayor expansión y, por lo tanto, aumentan más su volumen.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar el volumen de los gases. ¿Qué se necesita? Un recipiente con tapa, un popote, un globo, plastilina. ¿Cómo hacerlo? 1. Perfora la tapa e inserta el popote, enseguida sella con plastilina para evitar que entre o salga aire (figura 3.106). 2. Infla ligeramente el globo y colócalo dentro del recipiente, ciérralo y aspira el aire por el popote. Observa: a) ¿Qué le ocurre al globo? b) ¿Tendrá alguna relación lo que le ocurre al globo con el volumen del aire que contiene? c) ¿Por qué? d) Explica el proceso de la respiración.

Figura 3.106 Al disminuir la cantidad de aire dentro del recipiente herméticamente cerrado, se produce una disminución de presión.

3. ¿Este proceso tiene alguna semejanza con el experimento realizado? ¿Cuál? Explícala. Para concluir: Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados.

Leyes de los gases Ley de Charles El físico francés Alejandro Charles (1746-1823) mantuvo el volumen constante de un gas y midió el aumento de presión y de temperatura al calentar el gas. También descubrió que al duplicar la temperatura absoluta se duplica la presión, y que al triplicar la temperatura, se triplica la presión, etcétera. Por lo tanto, “la presión que ejerce un gas, a volumen constante, es directamente proporcional a su temperatura absoluta”. Matemáticamente se expresa de esta manera: P2 P1

=

T2 T1

donde: P1 = presión inicial P2 = presión final T1 = temperatura inicial en grados Kelvin T2 = temperatura final en grados Kelvin Ejemplo: Un gas ejerce 125 atmósferas de presión a 32 °C. ¿Qué presión ejercerá a –56 °C si el volumen se mantiene constante?

204

Bloque 3

Datos

Fórmula

P2 P1

=

Sustitución

T2 T1 P2

P1 = 125 Torr P2 = ? T1 = 32 + 273 = 305 T2 = –56 + 273 = 217 K

=

217 K

125 Torr 305 K (217 K) (125 Torr) P2 = 305 K

Operaciones 125 × 217 27125 = = 88.9 305 305

Resultado P2 = 88.9 Torr

Actividad Resuelve el siguiente ejercicio en tu cuaderno: Si tenemos un globo grande lleno de aire con un volumen de 250 litros a 0 °C, ¿cuál será su volumen

si aumentamos la temperatura a 60 °C si la presión permanece constante?

Ley de Boyle-Mariotte En la actualidad todos hemos escuchado hablar acerca del aire comprimido que se utiliza en maquinarias y aparatos. ¿Sabías que hace sólo tres siglos Pascal descubrió que los gases se pueden comprimir? Posteriormente, en 1660, el científico Roberto Boyle (1626-1691), realizó por primera vez estudios serios sobre la compresibilidad de los gases. Boyle descubrió la relación entre la presión ejercida por un gas y el volumen ocupado por el mismo. A esta relación se le conoce como la Ley de Boyle (figura 3.107). La misma ley deducida por Boyle en 1662 en Inglaterra fue descubierta por Mariotte en 1676 en Francia con un aparato semejante al de Boyle (figura 3.108, en la página siguiente). En el experimento se considera que cuando la columna de mercurio en los tubos AB se encuentran al mismo nivel, la presión experimentada por el gas es igual a la exterior. Si el nivel de la columna B es superior, la presión que experimenta el gas encerrado es igual a la exterior, o la presión atmosférica más la que corresponde a la columna de mercurio con una altura equivalente al desnivel del líquido en las dos columnas. Boyle y Mariotte encontraron que en este experimento el producto de la presión por el volumen correspondía a una cantidad constante. Si se representa con P a la presión y con V al volumen, tenemos.

Presión baja

Figura 3.107 Roberto Boyle (1627-1691). La diferencia entre los niveles de agua en el interior y el exterior del frasco, nos muestran que la presión del aire encerrado ha aumentado, y su volumen se ha reducido el mismo tiempo.

P V = constante •

y se enuncia como sigue: “La presión que ejerce una masa gaseosa es inversamente proporcional a su volumen, siempre y cuando la temperatura se mantenga constante”: P1 V1 = P2 V2 •

P1 = presión inicial V1 = volumen inicial

•

P2 = presión final V2 = volumen final Las interacciones de la materia

205

Ejemplo: A temperatura constante se comprimen 25 litros de un gas que se encuentra a 760 Torr (1 atmósfera de presión = 1 kg/cm2) hasta 6 litros. Calcular a qué presión en Torr y en kg/cm2 va a comprimirse el gas. B

Longitud equivalente al volumen

A

Longitud equivalente al exceso de presión; las presiones se miden en cm de mercurio

Datos

P1 = ?  P2 = 251  V1 = 61  V2 = 760 Torr

Fórmula

P1 • V1 = P2 • V2

Despejando P1 =

Sustitución P1 =

Presión atmosférica (cm)

Figura 3.108 Aparato de Mariotte para determinar su ley de los gases.

Resultado

P2 V2 •

V1 25 litros 760 Torr •

6 litros

P1 = 3.16

kg cm2

=

o 3 166 Torr

Actividad Resuelve el siguiente ejercicio en tu cuaderno: ¿Qué volumen de gas hidrógeno a presión atmosférica se requiere para llenar un tanque de 4 000 cm3 bajo una presión manométrica de 430 kPa? Recuerda que la presión atmosférica es de 101.3 kPa absoluta. La ley de Charles y la ley de Boyle se pueden combinar, obteniendo así una relación entre la presión, el volumen y la temperatura de un gas. La relación obtenida recibe el nombre de ley general del estado gaseoso y matemáticamente se expresa como sigue:

P1 V1 •

T1

=

P2 V2

y en donde la presión absoluta es de 7 × 104 N/m2 y la temperatura es de –20 °C. ¿Qué volumen de oxígeno puede suministrar el recipiente bajo estas condiciones? Nota: Recuerda que la temperatura que se utiliza en gases ideales se tiene que convertir a grados Kelvin. Datos

           T1 = –20 ˚C            P2 = 7 × 104 N/m2 P1 = 6 × 106 N/m2   T2 = –20 ˚C

Fórmula

V1 = 201   V2 = ? K = ˚C + 273

•

Sustitución

T2

Ejemplo: Un recipiente con oxígeno tiene un volumen interno de 20 L y se encuentra a una presión absoluta de 6 × 106 N/m2 a una temperatura de 20 °C. El oxígeno se utiliza para una aeronave que puede volar a grandes alturas

V1 =

  = Resultado

(6 × 106 N/ m2)(20 litros)

293 K (7 × 104 N/ m2)

=

3.04 × 1010 (N × litro × k)/m2

2.05 × 107 (N × k) m2

V2 = 1 482.9 litros

Actividad 1. Resuelve los siguientes ejercicios en tu cuaderno: a) Un tanque con un volumen interior de 20 litros se llena con oxígeno bajo una presión absoluta N de 5 × 10−6 m2 a 20 °C. El oxígeno se va a uti-

206

Bloque 3

lizar en un avión que se elevará analizando una N presión absoluta de 7 × 10−3 m2 y la temperatura será de –15 °C. ¿Qué volumen de oxígeno suministrará el tanque en esas condiciones?

b) Un compresor de aire toma 1.5 m3 de aire a 20 °C y a presión atmosférica (101.3 kPa). Si el compresor descarga en un tanque de 0.5 m3 a una presión absoluta de 1 500 kPa, ¿cuál es la temperatura del aire descargado?

2. Comparen sus resultados con los de otros equipos y observen si existen diferencias. Analicen a qué se deben las diferencias y defiendan sus resultados. 3. De manera grupal indiquen cuáles fueron los problemas que tuvieron para resolver cada ejercicio y cómo los superaron.

3.2.2 Relación de la presión con las colisiones de partículas Las partes de la física que se encargan del estudio del equilibrio y de las propiedades dinámicas o de movimiento de los fluidos (líquidos y gases) son la hidrostática y la hidrodinámica. Las fuerzas a las que se debe el comportamiento de un fluido son de dos clases: internas y externas. Las fuerzas internas de los fluidos son aquellas que se relacionan con sus propias partículas, característica que se observa en la fluidez (propiedad de los líquidos o gases de derramarse o desplazarse). Las presiones sobre las diferentes partículas de un fluido en equilibrio varían de acuerdo con su posición dentro de la masa del fluido. Otras fuerzas que influyen en el comportamiento de los fluidos están relacionadas con la viscosidad. Son las fuerzas de fricción producidas entre las capas que se deslizan entre sí cuando el líquido está en movimiento. Si en un fluido la viscosidad es mínima, puede no ser tomada en cuenta y a este fluido se le llama fluido ideal. Las fuerzas externas de un fluido son causadas por la presión que ejerce sobre él otra sustancia del exterior; por ejemplo, en un recipiente con agua la superficie de la misma recibe influencia de la presión atmosférica. La presión de un cuerpo es la fuerza que se aplica en cada unidad de área. Por ejemplo: si tenemos un cuerpo apoyado en una superficie plana, denominamos a su peso F (figura 3.109) y A a la superficie de apoyo. Se observa que la fuerza que corresponde a su peso la ejerce el cuerpo y se reparte sobre toda el área. Por lo tanto, si vemos la figura 3.109, tenemos que los tacones altos se hunden profundamente en la tierra por la enorme presión ejercida sobre ella; en cambio los talones de un pie descalzo solamente producen una impresión muy ligera (la presión es menor porque el peso del cuerpo se reparte en una superficie mayor). La fuerza del agua se utiliza entre otras cosas para generar electricidad en las centrales eléctricas. Esto se logra aprovechando que la fuerza y presión del agua es mayor en el fondo. Puedes comprobarlo mediante la actividad siguiente.

Figura 3.109 A menor área mayor presión.

Las interacciones de la materia

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Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar la presión en columnas de líquidos. ¿Qué se necesita? Una botella de plástico, clavo, cinta adhesiva, plastilina, tijeras, recipiente con agua, colorante vegetal. ¿Cómo hacerlo? 1. Con cuidado corta la parte superior de la botella (figura 3.110). 2. Con el clavo, haz tres agujeros en la botella, deben estar en línea vertical, y cúbrelos con la cinta adhesiva o plastilina. 3. Coloca la botella dentro de la tarja, en el lavabo o en cualquier otro recipiente, agrega el colorante al agua y viértela dentro de la botella. 4. Retira rápidamente la tela adhesiva o plastilina. Observa. a) Dibuja cómo salen los chorros de agua al retirar la cinta adhesiva. b) ¿Cuál chorro llega más lejos?

Escasa presión

Elevada presión

Figura 3.111 Este esquema muestra que la presión del líquido se ejerce lateralmente, al igual que en otras direcciones.

Para concluir: 1. Comenta con tus compañeros a qué se debe. Regístralo en tu cuaderno. 2. ¿Tendrá alguna relación la altura de la columna de agua con la distancia que alcanzan los chorros de agua? ¿Cuál? 3. Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas acerca de lo que hayas aprendido sobre la presión en columnas de líquidos después de analizar los resultados.

Figura 3.110 Elementos para realizar la actividad.

Si tenemos un recipiente con líquido a una altura “h”, podemos calcular la presión que ejerce el líquido sobre el fondo del recipiente. Vamos a considerar que el recipiente tiene la forma de un cilindro (figura 3.112) en el que la base tiene una superficie “n”. El peso “w” de la columna del líquido del cilindro lo expresamos (anótalo en tu cuaderno). Recordemos que el peso “w” de un cuerpo es la fuerza con la que la gravedad lo atrae hacia el centro de la Tierra y que se obtiene multiplicando la masa “m” por la aceleración de la gravedad “g”. w=m g •

En la segunda ley de Newton se indica que la fuerza “F” es igual al producto de la masa “m” por la aceleración “a”: F=m a •

Se puede igualar el peso y la fuerza: w=F Tenemos que “m” es la masa del líquido y “g” corresponde a la aceleración debida a la gravedad. La masa del líquido podemos representarla mediante la fórmula de la densidad ρ = m / V; despejando, la masa “m” es igual a la densidad “ρ” por el volumen “V”: m=ρ V g •

208

Bloque 3

•

Como el líquido adopta la forma de un cilindro, cuyo volumen es igual al producto del área de la base (A) por su altura “h”, determinamos el volumen “V”, multiplicando la superficie “A” de la base del cilindro por su altura “h” y tenemos: V=A h

h

•

A

Al sustituir el peso de la columna del líquido en las ecuaciones, tenemos: w=ρ V g •

•

Figura 3.112 La presión en el fondo del cilindro es proporcional a la altura de la columna del líquido.

Mediante la fórmula que acabamos de obtener se puede calcular el peso no sólo en el fondo del recipiente, sino también en cualquier punto del líquido. Para ello basta considerar a “h” como la distancia de dicho punto a la superficie libre: w=ρ A h g •

•

•

Donde el cociente del peso “w” entre la superficie “A” se obtiene la presión dentro de la columna de un líquido: w = ρ

•

A A

h

•

•

Figura 3.113 El esquiador ejerce poca presión sobre la nieve, mientras el observador se hunde, debido a que la superficie de las suelas de sus zapatos es menor que la de los esquíes.

g

w=ρ g h •

•

3.2.3 Presión y fuerza, dos conceptos diferentes Si el peso “w” también es una fuerza “F”, entonces la cantidad de fuerza “F” entre el área o superficie “A” considerada como la presión es proporcional a la altura “h”, la densidad “ρ” y la gravedad “g”. La presión “P” ejercida por la fuerza “F” en la dirección de superficie “A” es la relación que existe entre la magnitud de la fuerza “F” y el valor del área “A”. Matemáticamente se expresa: Presión =

Fuerza Área

P =

F A

De acuerdo con la definición de la presión, sus unidades deben darse por la relación entre una unidad de fuerza y otra de área. En el SI la unidad de fuerza es el newton (N) y la de área es el metro cuadrado (m2), por lo tanto en este sistema la unidad de presión será 1 N / m2, llamada pascal (Pa).

Glosario Pascal (Pa): unidad de presión en el SI igual a 2 Newton/metro .

Ejemplo: Un ladrillo que ejerce una fuerza de 20 newtons (N) se encuentra sobre el suelo. El ladrillo tiene las siguientes dimensiones, 20 cm × 10 cm × 8 cm, respectivamente. Determina cuál es la superficie del ladrillo que se encuentra en contacto con el suelo y la presión que ejerce el ladrillo sobre el piso. Solución: El área de la cara que está en contacto con el suelo es:

Las interacciones de la materia

209

A = 20 cm × 10 cm = 200 cm2

a b

8 cm

c

Donde: 200 cm2 × 

0.000 m2 1 cm2

= 0.02 m2 = 2 × 10−2 m2

Para calcular la presión:

20 cm

10 cm

P =

Figura 3.114 Dimensiones del ladrillo.

F 20 N = = 1 000 Pa A 2 × 10−2 m 2

En la práctica también se puede utilizar la libra sobre pulgada cuadrada (lb/pulg2). Para medir la presión en los gases, en forma experimental o en el laboratorio se usa el milímetro de mercurio (mm Hg) como unidad de presión. Cuando se realiza la medición de presiones elevadas, como son gases que se encuentren comprimidos o el vapor en una caldera, se utiliza la unidad de presión llamada atmósfera (atm). Una atmósfera es la presión ejercida sobre una columna de mercurio de 76 cm de altura. 1 atm = 76 cm de Hg (mercurio) = 760 mm de Hg (mercurio) Si aplicamos este principio a los líquidos, podemos decir que las presiones en los distintos puntos del líquido en equilibrio varían con sus posiciones dentro de la masa líquida. Los líquidos ejercen presión en todas las direcciones. Tenemos conocimiento de la enorme presión que pueden soportar los submarinos o los nuevos trajes de buzo con adaptaciones especiales como: visor inastillable, mayor cantidad de oxígeno dentro de cilindros construidos con materiales muy ligeros, etcétera. Esto es importante, ya que cualquier persona que nade en aguas profundas o simplemente en una alberca está sometida a la presión del agua. Lo anterior se percibe incluso a pocos metros de profundidad, especialmente en los oídos. Por lo general, excepto los nadadores expertos, se sienten afectados por la presión cuando rebasan una profundidad de 3 a 5 metros (figura 3.115). A mayor profundidad la masa del líquido aumenta sobre el cuerpo sumergido; por ello se concluye que a Figura 3.115 La presión producida por un líquido se mayor profundidad hay mayor presión (figura 3.115). ejerce en todas direcciones y aumenta con la profunEste fenómeno se produce en todos los fluidos de manera didad. El dolor de oídos es una manifestación de este general. fenómeno.

Actividad Resuelve los siguientes ejercicios en tu cuaderno: a) Un vaso que está sobre una mesa ejerce una fuerza de 3.5 N. El fondo del vaso tiene una superficie de 0.007 m2. Calcula la presión que ejerce el vaso sobre la mesa. b) Un estudiante pesa 650 N. Los zapatos del estudiante están en contacto con el piso cubriendo un área de 0.015 m2. Calcula la presión ejercida por el estudiante sobre el piso.

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Bloque 3

c) Un tubo contiene agua con una presión manométrica de 200 kPa. Si tapas con un trozo de cinta adhesiva un agujero de 5 mm de diámetro en el tubo, ¿qué fuerza será capaz de soportar el trozo de cinta adhesiva? d) La presión manométrica en un neumático de kg automóvil es de 14 dm2 . Si la rueda soporta 500 kg, ¿cuál es el área del neumático que está en contacto con el suelo?

Importancia de la presión en las columnas de líquidos Cuando se construyen aparatos que deban utilizarse bajo el agua, es conveniente que se diseñen para resistir la presión que van a soportar. Por ejemplo, las presas se hacen gruesas en la parte inferior y delgadas arriba (figura 3.116). Al abrir una llave de agua, el agua es empujada por la fuerza del líquido, debido a que se almacena en depósitos ubicados en cerros o lugares altos. Los tubos llevan el agua a las ciudades que se encuentran a menor altura y la presión se debe a la diferencia de altitud (figura 3.117). Los edificios altos y las fábricas suelen usar cisternas con bombas (figura 3.118). 10 m 35 m Agua

Figura 3.116 Las paredes de una presa son gruesas en la parte inferior y delgadas en la parte superior para poder soportar la presión del agua.

Figura 3.117 Distribución del agua en las poblaciones. La cisterna, a la que se hace llegar toda el agua potable que necesita la población, debe encontrarse más alta que todas las casas de la población, adonde el agua les llega por medio de tuberías, sin necesidad de bombas.

Figura 3.118 Los edificios altos y las fábricas suelen utilizar cisternas.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para conocer cómo funciona un manómetro y qué aplicaciones tiene. ¿Qué se necesita? Un globo o papel transparente para envolver alimentos, un embudo chico, un tubo de vidrio, una manguera de látex, hilo o alambre delgado, una tabla o cartón de 10 × 40 cm, ligas, colorante vegetal, agua, un recipiente grande. Presiona ligeramente sobre el trozo de hule; el nivel de agua en la sección larga del tubo (donde pegaste la escala) aumentará. La distancia que ésta ascienda es una medida de la cantidad de presión sobre el trozo de hule. ¿Cómo hacerlo? 1. Corta un trozo de manguera de 10 cm y con ella une los tubos como se indica en la figura. 2. Fija los tubos a la tabla con el hilo o alambre y arma el manómetro como está en la figura. Coloca la membrana elástica o globo sobre la boca del embudo y sostenla con una liga. 3. Colorea el agua con el colorante vegetal y viértela en el manómetro. Observa el nivel en las columnas y regístralo en tu cuaderno.

4. Sumerge el embudo del manómetro dentro del recipiente con agua. a) ¿Qué pasa con las columnas del manómetro? b) Cambia las profundidades a la que sumerges el manómetro y registra la altura del líquido en las columnas.

Profundidad 1 =



Profundidad 2 =



Profundidad 3 =

c) ¿Varió la altura del líquido en las columnas o se mantuvo igual? Para concluir: 1. Discute con tus compañeros a qué se debe y para qué se utiliza un manómetro. 2. Anota tus conclusiones. 3. Mediante una lluvia de ideas mencionen qué aplicaciones se da al manómetro y escríbelas.

Figura 3.119 Funcionamiento de un manómetro.

Las interacciones de la materia

211

Recuerda que la densidad “ρ” (o masa específica) de un cuerpo es el cociente que resulta de dividir su masa “m” entre su volumen “v”. m ρ = v

3.2.4 Presión en líquidos y gases. Principio de Pascal Realiza la siguiente actividad relacionada con la presión en líquidos y gases.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar la presión en los líquidos.

2. Comenta con tus compañeros el fenómeno efectuado y escribe las conclusiones.

¿Qué se necesita? Una pelota de esponja (ping-pong), un clavo, aguja de tejer, una jeringa desechable, un recipiente grande, agua.

Para concluir: 1. Elabora tu reporte por escrito en tu libreta. 2. Investiga y anota quién descubrió el principio que dice “La presión ejercida en un punto de un líquido en equilibrio se transmite íntegramente a todos los puntos del líquido”.

¿Cómo hacerlo? 1. Haz varios agujeros a la pelota con el clavo. Sobre el recipiente o lavabo inyecta con la jeringa agua a la pelota y observa. Dibuja lo que sucede.

Jeringa de Pascal Pascal también construyó un recipiente como el que se ilustra en la figura 3.120, al que le dio el nombre de jeringa hidráulica. Ésta consiste en un recipiente horadado en diferentes partes de su superficie, se tapa cada orificio con cera u otro material, se procede a llenar con agua la jeringa y se oprime el émbolo F. La presión se transmite a todo el líquido y éste saldrá por los orificios con la misma fuerza.

F

Principio de Pascal

Figura 3.120 Jeringa de Pascal.

Figura 3.121 El tonel de Pascal. Experimento que comprobó la ley fundamental de la hidrostática. Al agregar una pequeña cantidad de agua por la parte superior del tubo delgado, el barril estalló debido a la presión que ejerció el agua encerrada en el tubo superior.

212

Esta propiedad fue estudiada por primera vez por el físico francés Blaise Pascal en el siglo xvii, quien para demostrar su teoría construyó un tonel como el de la figura 3.121. Actualmente se conoce como experimento del tonel de Pascal y consiste en reventar un tonel después de haber sido llenado agregándole un litro más de agua. Se necesita un barril (tonel) lleno con agua. En la pared superior se fija un tubo estrecho de 1.5 m de largo. Por el extremo superior del tubo se vierte agua hasta que se llena. Debido a que el tubo es muy estrecho, no cabe más de un litro. Antes de terminar de llenarlo el tonel revienta, a pesar de que el peso del agua no ha aumentado más de un litro, ya que la presión ejercida sobre las paredes ha crecido enormemente. Recordemos que los líquidos son incompresibles, es decir, que no disminuye en ellos su volumen aunque se les someta a grandes fuerzas.

Bloque 3

Principio de Pascal: “La presión ejercida sobre un líquido se transmite íntegramente en todas direcciones y con la misma intensidad.”

Llenamos completamente con agua un frasco de dos bocas (figura 3.122) y las tapamos con corchos, luego apretamos fuertemente hacia abajo uno de los tapones; observaremos que el otro saltará y será proyectado. Se debe a que la presión que se hace en uno de los tapones, se transmite a todos los puntos del líquido. La aplicación más importante de este principio es la prensa hidráulica (figura 3.123). Se compone de dos cilindros que comunican secciones muy diferentes; los dos están llenos con agua y llevan pistones móviles. Sobre el pequeño, generalmente con una palanca el obrero ejerce una fuerza, y la presión producida en el líquido del cilindro pequeño se transmite a todo el líquido, es decir, a los puntos del mismo que están en contacto con el émbolo mayor. Si éste tiene una superficie, por ejemplo 100 veces mayor, la fuerza desarrollada en él será 100 veces mayor que la que se ejerció sobre el cilindro pequeño. P

F

F2

F1

FB

A1

A

B FA

A L1

L2

P

P P P Fluido

Fluido Válvula 1

Figura 3.122 Frasco con dos bocas.

Figura 3.123 Esquema de la prensa hidráulica.

2

Válvula 2

Figura 3.124 Gato hidráulico.

El émbolo mayor va unido a una plataforma movible, sobre la que se colocan los objetos que se van a prensar. Los objetos son comprimidos contra una superficie fija situada en la parte superior. Si en el émbolo más pequeño se recibe una fuerza f, el líquido recibe la presión f /a; al mismo tiempo que sobre el émbolo mayor se ejerce la presión F/A, debida a la fuerza F que se produce. De acuerdo con el principio de Pascal, estas dos presiones serán iguales, por lo que: f F = a A donde: f = Fuerza ejercida en el émbolo pequeño en newtons (N) a = Área del émbolo pequeño, en metros cuadrados (m2) F = Fuerza que resulta en el émbolo mayor, en newtons (N) A = Área del émbolo mayor en metros cuadrados (m2) Ejemplo: Con el apoyo del maestro integren equipos de dos o tres personas y resuelvan en su cuaderno el problema siguiente: En un elevador de estación de servicio, el émbolo mayor mide 962.12 cm2 de área y el menor 3.14 cm2 de área. ¿Cuál será la fuerza que se tenga que ejercer al émbolo chico para levantar un automóvil, que junto con el émbolo grande y las vigas de soporte pesan 40 000 N? Las áreas de dos pistones de una prensa hidráulica, uno pequeño y otro grande, son de 0.5 y 0.8 m2, respectivamente. ¿Cuál es la ventaja mecánica ideal de la prensa?, ¿qué fuerza se tendrá que ejercer para elevar una carga de una tonelada?, ¿sobre qué distancia tendrá que actuar la fuerza aplicada si se desea levantar esa carga a una altura de 0.6 m? Las interacciones de la materia

213

Investigación 1. Realiza una investigación bibliográfica sobre quién fue Blaise Pascal y qué sucedía en México en la época en que demostró su principio.

Bibliografía: Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 2, Editorial Alianza, España, págs. 158-160. Swaan Bram (1999), Blaise Pascal, el malabarista de los números, colección Viajeros del Conocimiento, Dirección General de Publicaciones del CNCA/Pangea, México.

Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://www.portalplanetasedna.com.ar/pascal. htm http://antroposmoderno.com/antro-articulo. php?id_articulo=13 2. ¿Cómo se aplicaron estos principios para desarrollar nuevas tecnologías? 3. Comparen las investigaciones realizadas y elaboren un resumen para incluirlo en el portafolio.

Principio de Arquímedes Arquímedes (287-212 a.n.e.), filósofo, matemático y físico griego nacido en la ciudad de Siracusa, tal vez fue el científico más destacado de la Antigüedad, pues hizo muchos descubrimientos importantes: la polea, la palanca, la catapulta y el tornillo de Arquímedes (utilizado para sacar agua de las minas); también por sus múltiples principios matemáticos. Seguramente habrás sentido alguna vez que cuando te metías al agua, te sentías más ligero que cuando salías de ella. Cuando estás bajo el agua, experimentas la presión del agua sobre ti empujando en todas direcciones. Igual que el aire incrementa su presión cuando subes una montaña, la presión del agua se incremente al nadar a mayor profundidad. La presión del agua se incrementa en el fondo. Como resultado el aumento de presión en la parte inferior de un objeto es mayor que la presión sobre ella hacia abajo. Debido a que la parte inferior del objeto es más profunda que la parte superior. La diferencia en el resultado de la presión es una fuerza que empuja el objeto sumergido hacia arriba y que se conoce como fuerza de empuje. Si la fuerza de empuje es igual al peso del objeto, el objeto flotará. Si la fuerza de empuje es menor que el peso del objeto, el objeto se hundirá.

¿Qué determina la fuerza de empuje?

Figura 3.124a Un objeto que tiene la misma densidad que el líquido se mantiene al mismo nivel aunque lo traslades a un recipiente de menor tamaño.

214

Hoy en día, de acuerdo al principio de Arquímedes, la fuerza de empuje de un objeto es igual al peso de un fluido desplazado por un objeto. En otras palabras, si colocas un objeto en un vaso que ya está lleno con agua hasta el borde, se derramará agua fuera del vaso. Si pesas el agua derramada, encontrarás la fuerza de empuje sobre el objeto. Entender la densidad puede ayudarte a predecir cuando un objeto flotará o se hundirá. La densidad es la masa dividida entre el volumen. Un objeto flota en un fluido cuando es más denso que el mismo y se hunde cuando es menos denso que él. Si un objeto tiene la misma densidad, el objeto no flotará y tampoco se hundirá, estará al mismo nivel que el fluido. A la fuerza que ejercen los fluidos contra cualquier cuerpo sumergido en su interior se le llama empuje. ¿Puedes dar dos ejemplos en los que hayas comprobado el empuje de los fluidos? (piensa cuando te sumerges dentro del agua de una tina o de una alberca). ¿Conoces la diferencia entre el empuje y el peso aparente?

Bloque 3

De esta forma puedes calcular la masa de agua, ya que: m=V⋅ρ El empuje ejercido por el agua es: E = magua ⋅ g que coincidirá con la diferencia marcada en el dinamómetro (figura 3.125). También podemos poner la masa del líquido (agua) desalojada como el producto de su volumen (V) por la densidad (ρ). Con lo que:

magua = V agua desalojada ⋅ ρ agua

1 000 gramos

875 gramos

Agua desplazada 1 000 gramos

Empuje: 125 gramos

125 gramos

Figura 3.125 El dinamómetro y la balanza hidrostática son instrumentos útiles para determinar experimentalmente el empuje de un cuerpo.

E = Vlíquido ⋅ ρlíquido ⋅ g Vlíquido desalojado = Vcuerpo

Así, Arquímedes demostró que: Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba, cuyo valor es el peso del volumen del líquido desalojado por el cuerpo. Experimentalmente, el empuje de un cuerpo se puede obtener mediante la balanza hidrostática o con la ayuda de un dinamómetro (figura 3.125). Ejemplo: Imagina que has pesado con el dinamómetro una piedra cuyo valor es de un newton (N) en el aire y al introducirlo en el agua totalmente pesaba 0.8 newtons (N). Calcula el volumen de la piedra y su densidad. (Consulta la Tabla de densidades de algunas sustancias.) Densidad del agua, d = 1 000 kg/m3. Solución: El empuje producido por el agua es E = 1 – 0.8 = 0.2 N Como acabamos de ver que el E = 1 – 0.8 = 0.2 N Matemáticamente tenemos: E = V ⋅ ρ ⋅ g Por lo tanto, al sustituir los valores: 0.2 N = V × 1 000 kg/m3 × 9.8 m/s2 Este volumen del líquido desalojado coincide exactamente con el volumen de la piedra. Ahora, calcularemos la masa de la misma y su densidad: 1 newton P = m= = 0.102 kg = 102 g g 9.8 m/s2 0.102 kg m = d= = 5 ⋅ 103 kg/m3 V 2.04 ⋅ 10–5 m3 Tabla de densidades de algunas sustancias Sólidos

g/cm3

Aluminio Bronce Cobre Corcho Hielo Pino (madera) Oro Plata Plomo

2.70 8.70 8.90 0.25 0.92 0.42 19.30 10.50 11.30

líquidos

Agua Agua (mar) Aceite (oliva) Gasolina Alcohol Glicerina Mercurio Acetona Leche

g/cm3

1.00 1.03 0.92 0.70 0.74 1.26 13.60 0.790 1.300

Gases

Aire Hidrógeno

g/L

0.001 0.00009

Las interacciones de la materia

215

Actividad 1. Calcula la densidad de la piedra con la que has trabajado en la actividad experimental 4 de una forma aproximada. 2. ¿Si introduces un objeto en una piscina a un metro de profundidad sufrirá un empuje diferente que si introduces el mismo objeto a dos metros? ¿Por qué?

3. ¿Por qué un barco con casco de acero puede flotar aunque sea muy grande? Fundamenta tu respuesta. 4. Comenta y discute tus resultados y conclusiones con tus compañeros y, con la ayuda del maestro, elaboren una conclusión final acerca del principio de Arquímedes, que escribirás en el pizarrón y en tu cuaderno.

3.3 ¿Qué sucede en los sólidos, los líquidos y los gases cuando varía su temperatura y la presión ejercida sobre ellos? Todo lo que percibimos en la naturaleza se encuentra en alguno de los estados físicos que ya hemos descrito. Sin embargo, ciertos fenómenos pueden provocar que un material pase de un estado a otro (figura 3.126). Con la dirección de tu maestro, reflexiona y discute con tus compañeros hasta encontrar por lo menos tres ejemplos de fenómenos naturales en los que esto suceda; piensa cuál es la causa del cambio y anota en tu cuaderno las conclusiones a que se haya llegado. Los cambios de estado, o cambios físicos de la materia, pueden ser inducidos o provocados por el hombre; es decir, podemos convertir el agua (líquido) en hielo (sólido) si la colocamos en un congelador. Esto significa que algunos estados de agregación de la materia no son estáticos, sino dinámicos, son intercambiables y reversibles, pues pueden regresar al estado anterior si modificamos las condiciones. En los tres estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gaseoso, pueden verificarse las “transformaciones de fase”, llamadas también “cambios de estado”, que son simplemente “fenómenos físicos” que ocurren en la naturaleza en algunos casos en forma espontánea; son pasajeros y no cambian las propiedades químicas de la sustancia. En todos ellos interviene la energía en alguna de sus formas: Figura 3.126 El agua en la montaña se transforma mecánica, cinética, térmica, etcétera. en hielo, por acción de las bajas temperaturas. Un proceso interesante de estas “transformaciones de fase”, que es de fácil comprensión, se verifica en el agua, que está presente en los tres estados de agregación de la materia. En condiciones estándar de temperatura y presión (temperatura del ambiente y presión de 760 milímetros en un barómetro de mercurio, que es la medida de la presión atmosférica), el agua es líquida, el hielo es sólido a 0 °C y el vapor de agua es un gas a 100 °C o más. Una variación grande, en cualquier sentido, de la temperatura o de la presión normal desencadenan una serie de transformaciones de fase que tiene gran importancia en nuestra vida cotidiana.

216

Bloque 3

Actividad ¿Qué se necesita? Tetera con pico o cualquier recipiente resistente al fuego de boca angosta, frasco seco, tripié, rejilla de asbesto, mechero o lámpara de alcohol, agua suficiente.

Para concluir: ¿Qué observaste? Explica brevemente tu respuesta.

¿Cómo hacerlo? Pon el tripié con la rejilla de asbesto sobre el mechero encendido y coloca en él la tetera con agua para que hierva. Cuando observes que sale una nubecilla del pico de la tetera, coloca el frasco seco boca abajo sobre ella: espera un tiempo y observa lo que pasa.

Figura 3.127 Evaporación.

3.3.1 Experiencias alrededor de algunos cambios en el estado de agregación de la materia Cuando haces ejercicio, inicias lentamente con un tiempo de calentamiento, y al cambiar el ritmo, acelerando el esfuerzo, cambia tu energía cinética. Tu energía aumenta cuando tus músculos se mueven cada vez más rápido. En términos de transferencia de energía, los músculos de tu cuerpo transfieren energía almacenada en la grasa proporcionada por los alimentos que ingeriste. ¿Puedes observar los cambios en una sustancia a medida que se transfiere la energía? ¿Sabes cómo afecta a la energía cinética promedio de las moléculas la transferencia de energía hacia una sustancia? Para que lo comprendas mejor, realiza la siguiente actividad.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar los cambios de temperatura y las transformaciones de fase cuando se calienta y se enfría una sustancia.

venden en la farmacia), mechero de Bunsen o lámpara de alcohol, 2 termómetros de laboratorio, tripié, tela de asbesto, soporte completo y pinzas para tubo de ensayo.

¿Qué se necesita? Cronómetro o reloj con segundero, 2 vasos de precipitado chicos o dos recipientes que soporten el calor (cacerolas chicas), tubo de ensayo, ácido esteárico (lo

¿Cómo hacerlo? 1. Elabora dos tablas de registro de datos como las que se sugieren:

Datos con frío

Tiempo transcurrido en minutos

0



30



60

Temperatura (ºC)

Estado físico

Las interacciones de la materia

217

Datos con calor

Tiempo transcurrido en minutos 0 30

Temperatura (ºC)

Estado físico

60

2. Coloca 30 mL de agua de la llave en el vaso de precipitados y ponlo sobre el tripié encima de la tela de asbesto. 3. Con el termómetro, registra la temperatura inicial del agua, enciende el mechero con flama baja o lámpara de alcohol y comienza el calentamiento del sistema, empieza a tomar el tiempo con el cronómetro. 4. Vigila la temperatura del agua hasta que alcance 90 ºC y mantenla así; puedes agregar un poco de agua fría. 5. Llena el tubo de ensayo hasta la mitad con ácido esteárico. Registra la temperatura y cuando se haya estabilizado, anótala en la primera línea de tu tabla de datos. 6. Sujeta el tubo al soporte e introdúcelo dentro del vaso de precipitados con agua caliente. Toma la lectura del termómetro y anota la temperatura y el estado físico o estados del ácido esteárico cada 30 segundos hasta que se haya fundido totalmente el ácido y alcance una temperatura aproximada de 65 ºC.

7. Pon 300 mL de agua fría, de la llave, en el otro vaso de precipitados. Saca el tubo de ensayo con el ácido del primer vaso de precipitados y sumérgelo en el agua fría del segundo vaso. 8. Toma la lectura y anota la temperatura y las transformaciones de fase del ácido esteárico cada 30 segundos hasta que se solidifique y tenga una temperatura aproximada de 40 ºC. Para concluir: 1. Con los datos obtenidos del calor, haz una gráfica (en papel milimétrico), coloca los datos de la temperatura en el eje vertical y el tiempo en el eje horizontal. Une los puntos con líneas y marca el segmento adecuado de la gráfica como sólido, sólido o líquido, líquido. Haz otra gráfica con los datos en frío. 2. ¿Cuál es el punto de fusión aproximado del ácido esteárico? 3. ¿Qué otras transformaciones de fase observaste?

3.3.2 Cambios de estado de agregación de la materia A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase. Comprueba si tus dibujos tienen sus características. · Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio de la energía térmica; durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El “punto de fusión” es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia. · Solidificación: Es la conversión de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El “punto de solidificación” o de “congelación” es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio; su valor es también específico. · Ebullición: Es el paso de un líquido a gas de toda la masa líquida mediante el calentamiento. La temperatura no varía mientras el líquido ebulle (hierve) aunque se siga suministrando calor. · Evaporación: Es el cambio de un líquido a vapor (sin que el líquido alcance la temperatura de ebullición) que ocurre frecuentemente en la superficie de los líquidos cuando están expuestos al calor del Sol o a cualquier fuente de energía. 218

Bloque 3

· Condensación: Se le llama también licuefacción y es la conversión de vapor a líquido debido al enfriamiento; la temperatura durante esta conversión se mantiene constante y recibe el nombre de “punto de condensación”. · Sublimación: Es el cambio de estado de sólido a gas, sin pasar por el estado líquido, debido al calentamiento provocado por una fuente de energía, como sucede por ejemplo en el yodo, la naftalina o el hielo seco. Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras sustancias, sólo cambian su estado físico. Las diferentes transformaciones de fase del agua son necesarias y provechosas para la vida del hombre cuando se desarrollan normalmente. Pero cuando hay un exceso en las transformaciones de fase del agua (lluvia, nieve o granizo) afectan nuestra vida cotidiana, la agricultura, las comunicaciones, los transportes terrestres, aéreos y marítimos, etcétera. Es decir, cuando la fuerza de las tempestades, acompañada de fuertes vientos, actúa sobre ciertas zonas de la tierra, las lluvias constantes aumentan el caudal de los ríos, que se salen de su cauce, originando grandes inundaciones. El efecto huracanado del viento produce grandes estragos y, junto con la fuerza del agua, destruye casas, cosechas, puentes, carreteras, afecta las comunicaciones y siembra destrucción y muerte en personas, animales y plantas. El mismo efecto tienen el granizo y la nieve cuando caen en abundancia. De igual manera, las lluvias escasas afectan la agricultura y el medio natural en que se desenvuelve el hombre, los animales y los vegetales.

Investigación Investiga en las noticias del periódico, revistas y otros medios de comunicación cuáles han sido los desastres más recientes que ha padecido México, provocados por el exceso de transformaciones de fase del agua, relacionadas con el clima. Bibliografía: http://www.geojuvenil.org.mx/informe/ nuestro_pais/desastres_naturales.html http://www.geofisica.unam.mx/atlas/usos_ impac/des_nat2.htm http://www.eclac.cl/cgi-bin/getProd.asp?xml =/publicaciones/xml/6/23266/P23266. xml&xsl=/mexico/tpl/p9f.xsl&base=/mexico/ tpl/top-bottom.xslt 1. ¿Cuáles fueron las consecuencias derivadas de ese desastre y cómo nos afectó? ¿Qué medidas co-

noces que haya efectuado nuestro gobierno para ayudar a los damnificados por esos desastres? 2. Comenta con el grupo las investigaciones que han realizado y anota a continuación las observaciones y comentarios finales a que lleguen en conjunto. 3. Lee cuidadosamente lo referente a los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase que se han descrito anteriormente, para que puedas contestar las siguientes preguntas: a) ¿Qué transformaciones de fase consideras que pueden ser utilizadas en la industria? b) ¿Qué beneficios puede originar al hombre el cambio de estado de algunos metales? Para concluir: Anota enseguida las conclusiones finales a que hayas llegado después de comentar con tus compañeros las respuestas anteriores.

3.3.3 Representación gráfica de los cambios de estado Estás muy familiarizado con los cambios de estado del agua, de vapor a líquido y a hielo. ¿Qué condiciones ambientales se relacionan con estos cambios de la materia? Cuando sacas hielo del congelador, muy pronto se funde hasta transformarse en agua. Cuando hierves papas en agua, el vapor de ésta se eleva del recipiente. Como

Las interacciones de la materia

219

puedes inferir, la temperatura juega un papel importante en las transformaciones de fase del agua y, por ende, de toda la materia. Y la presión, ¿cómo interviene en las conversiones de fase? Investiga a qué temperatura hierve el agua a nivel del mar, en lo alto de una montaña y en tu localidad.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para verificar que los cambios de estado pueden llevarse a cabo mediante calentamiento. Estamos acostumbrados a que cuando algo recibe calor, aumenta su temperatura, pero ¿ocurre esto siempre? Con el experimento siguiente trataremos de dar respuesta a esta pregunta. ¿Qué se necesita? Hielo, vaso de precipitados, mechero Bunsen, tripié, cronómetro, tela de asbesto, termómetro (de –20 ºC y 150 ºC). ¿Cómo hacerlo? 1. Coloca un poco de hielo en el vaso de precipitados y ponlo sobre el tripié con la tela de asbesto, con el mechero listo para calentar.

2. Registra la temperatura inicial del hielo, enciende el mechero con flama baja y comienza el calentamiento del sistema, echando a andar el cronómetro en ese momento. 3. Registra la temperatura cada 10 segundos y observa lo que va ocurriendo. Mientras queden hielos, procura que el bulbo del termómetro esté lo más cerca posible de ellos. 4. Continúa las mediciones, hasta que el agua producto de la fusión del hielo esté hirviendo fuertemente, al menos durante un minuto. 5. Con los datos obtenidos, haz una gráfica (en papel milimétrico) de temperatura contra tiempo, como se ve en la figura. Registra en ellos cuándo comenzó y finalizó cada cambio de estado.

Temperatura (ºC)

Tiempo (s) Para concluir: 1. Discute con tus compañeros, con la ayuda de tu maestro, lo que significa la gráfica y los datos que puedes obtener de ella. 2. Pega la gráfica que elaboraste en tu cuaderno y compleméntala con las conclusiones obtenidas en la discusión.

220

Bloque 3

Se sugiere trabajar con programas de modelación de los fenómenos físicos como: SEP (2002), “Velocidad de las moléculas de un gas”, en Enseñanza de las ciencias a través de modelos matemáticos. Física, México, págs. 103-105.

PROYECTO 1

4. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar Proyecto 1 ¿Cómo se predice el estado del clima? Al tomar la lectura de los datos de la presión atmosférica en distintos lugares al mismo tiempo se pueden dibujar los mapas que vemos en la televisión, llamados mapas meteorológicos. En dichos mapas se pueden observar unas líneas llamadas isobaras, que se obtienen al unir todos los puntos que tienen la misma presión. De esta forma los meteorólogos pueden conocer dónde están situados los centros de baja presión, los cuales se encuentran a menos de 1 012 milibares y se denominan ciclones, o los de alta presión, más de 1 012 milibares, llamados anticiclones. Los desplazamientos de estos centros, que se pueden seguir con gran precisión, son extremadamente útiles para predecir el tiempo meteorológico. Si la presión desciende, el tiempo se nubla y generalmente llueve; si se eleva la presión, el tiempo suele ser despejado y con sol. Un descenso brusco puede indicar el inicio de una tormenta. Determinación de la altitud Otra de las importantes aplicaciones del manejo de la presión atmosférica es su relación con la altitud, de forma que en la estratosfera, donde podemos creer, con buena aproximación, que la densidad del aire es constante, podemos conocer la altura a la que nos encontramos con sólo medir la presión atmosférica. Al elevarnos a 100 metros sobre la superficie terrestre, la presión atmosférica debe variar en:

P = h

•

ρ

•

(

g = 100 m

)

13 600

kg m

3

9.8

m s2

La elevación de 100 m debe corresponder con una altura de mercurio igual a: 1 332 800 Pa = h

13 600

kg 3

m

9.8

m s

2

de donde: h = 10 mm Hg Es decir, cada 100 m de altura corresponde, de manera aproximada, a 10 mm Hg. Basándonos en este principio podemos construir los llamados altímetros, utilizados por los aviadores y paracaidistas. Existen muchas recomendaciones y sugerencias para prevenirse de las tormentas meteorológicas (huracanes), algunas muy apreciadas dada la diversidad de usos que se les puede dar. ¿Sabes cómo aplicarlas en la vida cotidiana, debido a la velocidad con que se mueven las ondas climáticas? Probablemente las tengas por escrito en casa o en tu escuela. ¿Qué otras formas de difusión se utilizan en tu comunidad?

Glosario

= 1 332 800 Pa

Barómetro de mercurio: instrumento que se emplea para medir la presión atmosférica. A fin de obtener las medidas exactas, debe estar perfectamente vertical.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para explicar y predecir acerca de la rapidez del desalojo de instalaciones por parte de alumnos y/o personal de oficinas, fábricas y otros ámbitos.

¿Qué se necesita? Libreta, lápiz, cartulina, mapas meteorológicos, informes de los medios de comunicación, cronómetro o reloj con segundero, libros de física o geografía, enciclopedias, Internet si se tiene, cámara fotográfica, colores.

Las interacciones de la materia

221

PROYECTO 2 Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://smn.cna.gob.mx/SMN.html http://www.geofisica.unam.mx/atlas/usos_impac/ des_nat2.htm ¿Cómo hacerlo? 1. Formen equipos de tres o cuatro personas. 2. Investiguen en libros, revistas, o en la red escolar (Internet) que describan la propagación y velocidad de las tormentas meteorológicas. 3. Mediante una pequeña encuesta pregunta a los responsables de edificios, fábricas y otros centros de trabajo el tiempo que tardan sus trabajadores en evacuar el lugar. 4. Traten de identificar, con el apoyo de la investigación previa que llevaron a cabo, algunos de los desplazamientos realizados durante los simulacros de evacuación y la rapidez con que se realizaron y los espacios que servirían como albergues en caso necesario.





Lugar

Tipo de movimiento

5. Indiquen la distancia de desplazamiento y el tiempo que tardan en evacuar en algunos de los lugares investigados. Calculen la velocidad y rapidez con que lo realizan. 6. Contrasten la velocidad con que se desplazan los meteoros climáticos y el tiempo que se tardan las personas de los lugares seleccionados en población en evacuar el lugar. Escriban su opinión. 7. Si cuentan con cámara fotográfica, saquen algunas fotos de los simulacros escolares o de otras edificaciones. 8. Si no cuentan con la cámara, dibujen lo que consideren más importante. Reporte En el cuadro siguiente anota el tipo de movimiento que realizan las personas al evacuar el lugar en que se encuentran, el tiempo que tardan y los lugares que servirán como albergues. Comparen su cuadro con el de otros equipos y bajo la dirección de su maestro complétenlo si es necesario.

Tiempo de desalojo

Velocidad



Sitios para albergues

Casas habitación Oficinas Salones de clase

Para concluir: 1. Presenten al grupo sus investigaciones y enriquezcan su explicación con las fotos o dibujos de los lugares investigados.

2. Entre todos los equipos hagan un periódico mural ilustrado con los dibujos y colóquenlo en algún lugar visible de la escuela.

Proyecto 2 ¿Cómo funciona el submarino? Los submarinos son navíos que pueden flotar y navegar en la superficie del agua o pueden hundirse y desplazarse bajo el agua. Para comprender mejor cómo un navío de acero puede flotar, te sugerimos investigar por qué flotan estas naves. El principio del funcionamiento de un cuerpo sumergido en un líquido ya era conocido hace más de dos mil años. En el siglo xv, Leonardo Da Vinci desarrolló 222

Bloque 3

un proyecto de una nave submarina, pero no fue sino hasta 1580 cuando William Bourne tomó en cuenta el principio de Arquímedes, que dice: “Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba, cuyo valor es el peso del volumen del líquido desalojado por el cuerpo”, y consideró que a partir de este principio se podría construir una nave capaz de mantenerse sumergida dentro de un fluido.

Durante varios siglos hubo muchos proyectos en relación con el submarino, pero no fue sino hasta finales del siglo xix cuando se construyó el Narval, el primer submarino práctico que para navegar en la superficie marina utilizaba una máquina de vapor y contaba con motores eléctricos para impulsar las hélices cuando se sumergía. Los primeros proyectos factibles fueron principalmente de ingenieros franceses y estadounideses. Todos presentaban las mismas características básicas: tanques de lastre, que eran inundados durante la inmersión y vaciados para emerger; motores eléctricos para impulsar las hélices al sumergirse; motores de vapor o de gasolina (que posteriormente se sustituyeron por diesel) para recargar las baterías para impulsarlo hacia la superficie. La profundidad máxima que un submarino puede soportar depende de la resistencia del casco. Actualmente

cuentan con un casco de acero de forma alargada muy resistente. En la parte superior tienen una torreta con un periscopio y una antena de radio. Para sumergirse, se llenan los depósitos laterales de agua. Para emerger se inyecta aire en los depósitos, expulsando de esta forma gran parte del agua que contienen. Los submarinos más modernos son nucleares, impulsados por un reactor nuclear. Estas naves pueden permanecer bajo el agua durante largo tiempo (años) sin reabastecerse, son capaces de producir su propia agua potable, y para orientarse bajo la superficie se encuentra dotado de brújulas muy precisas, basadas en giroscopios que detectan los cambios de rumbo. A continuación te sugerimos un proyecto de investigación que puedes realizar tal y como te lo presentamos o ajustarlo a las condiciones de tu ambiente escolar.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para conocer el funcionamiento de un submarino. ¿Qué se necesita? Libros y revistas especializadas, videos, un frasco de boca ancha con un tapón con dos agujeros, grava, un tubo de vidrio, un tubo de goma. Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://aula.elmundo.es/aula/laminas/lamina 956940724.pdf http://www.educared.cl/e3_submarinos.htm ¿Cómo hacerlo? 1. Formen equipos de tres o cuatro personas. 2. Investiguen en libros, revistas o en la red escolar (Internet) que describan cómo son los submarinos por dentro y por fuera, si hay diferentes clases de submarinos, cómo conducirlos y cómo funcionan. 3. Pueden ver videos o películas de submarinos. 4. Traten de probar cómo funciona, con el apoyo de un experimento, como el siguiente ejemplo: a) Llena un cubo de agua. Introduce el frasco y llénalo de grava hasta que se mantenga flotando en sentido vertical. b) Saca el frasco del agua. Toma el tapón y, por uno de los agujeros, introduce un tubo en forma de U. c) Por el otro agujero, introduce un trozo de tubo

de vidrio y empálmale el tubo de goma. Tapa el frasco y vuélvelo a poner dentro del cubo de agua. d) Aspira aire por el tubo de goma y observa el interior del frasco. ¿Qué pasa dentro del frasco? ¿Se mantiene flotando? e) Sopla por el tubo de goma y vuelve a observar el frasco sumergido. ¿Qué sucede dentro del frasco? ¿Se mantiene sumergido? Cuando aspiramos el aire a través del tubo de goma, entra agua en el bote por el tubo en forma de U y el sumergible desciende. Cuando inyectamos aire a través del tubo de goma, sale el agua del bote por el tubo en forma de U y el sumergible asciende. Para concluir 1. Presenten al grupo sus investigaciones y enriquezcan su explicación con las fotos o dibujos de los lugares investigados. 2. Entre todos los equipos hagan un periódico mural ilustrado con las dibujos y colóquenlo en algún lugar visible de la escuela.

Las interacciones de la materia

223

PROYECTO 3 Proyecto 3 ¿Es el vidrio un sólido? El vidrio es uno de los materiales más utilizados por la humanidad. Todos conocemos su transparencia, su fragilidad, sus diferentes formas y colores; sin embargo, pocas personas se preguntan cómo se elabora, desde cuándo existe o si es posible encontrarlo en la naturaleza a pesar de que siempre estamos en contacto con él. El vidrio se encuentra en la naturaleza. Un ejemplo de ello son las piedras volcánicas como la obsidiana. Hoy en día se desconoce quién, dónde y cuándo se comenzó la fabricación artificial del vidrio, pero se supone que se debió a un pequeño accidente: alguien prendió una fogata sobre la arena y al final se encontró con pequeñas gotas transparentes y brillantes. La pieza más antigua se remonta al año 4000 a.n.e., un ojo de piedra cubierto con barniz de vidrio coloreado en azul. Aunque la pieza se encontró en Egipto los arqueólogos piensan que fue elaborada en Mesopotamia. Con el tiempo, los artesanos crearon técnicas para fabricar todo tipo de recipientes de vidrio, en los que se almacenaban aceites y perfumes. Siglos después, los romanos trabajaron el vidrio de manera maravillosa, ya que utilizaron los colores y descubrieron la técnica del vidrio coloreado. En general durante muchos siglos el vidrio fue considerado un artículo de lujo. En el siglo xix este material comenzó a producirse en cantidades industriales, por lo que se puso al alcance de todos. Fundamentalmente, el vidrio se sigue elaborando con arena silícea (arcillas). Sin embargo, las técnicas

de elaboración han cambiado, acelerando el proceso y encontrando diversas aplicaciones al agregar otros materiales. En general, para fabricarlo la arena se funde a una temperatura de 1 500 °C, transformándose inmediatamente en vidrio. Durante el proceso se forma un líquido viscoso y la masa se vuelve transparente y homogénea después de los 1 000 °C. Al comenzar el enfriado, el material adquiere una consistencia que permite trabajarlo y darle forma. Se puede obtener transparente; además, es resistente a muchas sustancias químicas como ácidos, aísla el ruido y el calor, es inflamable y tiene una superficie muy dura, quebradiza y resistente a las fuerzas de presión y tracción. Una propiedad muy importante del vidrio es la viscosidad (resistencia que presenta un líquido a fluir). Pero si el vidrio parece un sólido, ¿por qué debemos conocer su viscosidad? Bueno, en realidad el vidrio es un líquido sobreenfriado (permanece como líquido a temperaturas más bajas que la solidificación). Los principales yacimientos de arcillas silíceas en el país se encuentran en los estados de Chihuahua, Zacatecas, Jalisco, Guanajuato, Querétaro, Aguascalientes, Tlaxcala, Hidalgo, Guerrero y Puebla. En México una de las ramas de la industria vidriera se dedica a la elaboración de canicas y produce entre cinco y seis millones al día para abastecer el mercado nacional, pero también se exportan a Alemania, Inglaterra, Francia, Estados Unidos, Argentina y Colombia.

Actividad 1. Reflexiona sobre qué hubiera ocurrido si no se desarrolla la industria vidriera. 2. Elabora una conclusión. 3. Investiga cuáles son las principales aplicaciones del vidrio. Anótalas. Se sugiere la consulta de las siguientes páginas electrónicas: http://museovidrio.vto.com/ihv.htm http://aula.elmundo.es/aula/laminas/ lamina1075889982.pdf http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/ volumen3/ciencia3/137/html/mundoma.html

224

Bloque 3

http://www.arqhys.com/construccion/vidriostipos.html http://museovidrio.vto.com/v2.htm http://www.caldoors.com/option/vidrio.htm 4. En equipo investiguen cuántos tipos de vidrio hay, de qué están hechos y cómo se utilizan. 5. Escriban algunos ejemplos. 6. Escojan uno de ellos y elaboren un reporte sobre su investigación, coméntenlo con sus compañeros y guárdenlo en un fólder.

Gotitas de ciencia

Premio Nobel de Física 1997 Los científicos Claude Cohen-Tannoudji (francés), Steven Chu y William Phillips (estadounidenses) fueron galardonados con el premio Nobel de Física en 1997 por los trabajos de investigación realizados sobre los mecanismos para enfriar átomos a una temperatura de una diezmillonésima de grado kelvin al bombardear los átomos con haces de rayos láser hasta casi congelarlos para en seguida “inmovilizarlos” por medio de la energía magnética emitida por dos bobinas. A temperatura ambiente, los átomos gaseosos se mueven a la increíble velocidad de cuatro mil kilómetros por hora y para atraparlos hay que disminuir su velocidad hasta casi inmovilizarlos, lo que han logrado estos científicos con su técnica para enfriarlos. Hicieron un experimento congelando cien átomos de sodio hasta una temperatura de dos diezmilésimas del cero absoluto (–273 ºC) por medio de un método semejante al efecto Doppler. El método consiste en colocar los átomos entre haces de luz de láseres en un mecanismo de seis, pero opuestos de dos a dos, de tal manera que los átomos siempre se encuentren en movimiento acercándose hacia un láser, alejándose de otro y retornando a su posición inicial. Como resultado de este procedimiento el átomo detiene gradualmente su velocidad hasta alcanzar unos cuantos centímetros por segundo, lo que permite mantener los átomos “congelados” y atrapados bajo la influencia de un campo magnético.

Las aplicaciones de este fenómeno son diversas, y entre ellas destacan: • Se podrán realizar mediciones de alta precisión sobre las propiedades de los átomos. • Como consecuencia de lo anterior, se podrán construir relojes atómicos de mayor precisión. • La obtención del quinto estado de la materia, el cual se obtiene de la condensación que se produce cuando los átomos se enfrían a tal grado que casi quedan inmovilizados, formando una sola masa llamada “melaza óptica”. • Otra aplicación sería la construcción de un láser de átomos que podría ser utilizado por ejemplo para la fabricación de partes electrónicas en miniatura. Fuentes: Diarios El Universal, Excélsior y Reforma del 23 de octubre de 1997.

Figura 3.128 Premios Nobel 1997.

Las interacciones de la materia

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Bl o q u e 4

Prosigue el desarrollo de las explicaciones de los fenómenos macroscópicos desde un punto de vista microscópico a través de algunos aspectos de la teoría atómica, procurando establecer las relaciones con los procesos macroscópicos de manera explícita, con la finalidad de que te inicies en la comprensión de la naturaleza y el comportamiento de la materia a escala atómica. Con los conocimientos adquiridos y las habilidades desarrolladas al terminar de estudiar este bloque podrás: · Elaborar explicaciones a partir de un modelo atómico sencillo hasta el que se considera actualmente y podrás encontrar y comprender sus limitaciones.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

Preguntas clave • ¿Cómo se manifiesta la estructura interna de la materia? • ¿Cuál es el origen de la teoría atómica? • ¿Cómo se comporta la corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos? • ¿De dónde surge el magnetismo? • ¿La luz es un fenómeno ondulatorio o electromagnético? • ¿De dónde proviene la electricidad que utilizamos en nuestras casas? • ¿Cuál es el funcionamiento del láser y qué aplicaciones tiene? • ¿Cómo funciona un teléfono celular?

· Encontrar la relación entre el comportamiento del electrón con los fenómenos electromagnéticos y a pensar en la luz como una onda electromagnética, así como comprender el papel que realiza el electrón en el átomo. · Entender y evaluar la importancia del avance tecnológico, así como algunas de sus consecuencias en relación a los procesos electromagnéticos y la obtención de energía. · Integrar lo que has aprendido a partir de experimentos y la construcción de modelos donde relaciones los conceptos del bloque con los fenómenos y aplicaciones tecnológicas.

1. Aproximación a fenómenos relacionados con la naturaleza de la materia 1.1 Manifestaciones de la estructura interna de la materia ¿Puedes atraer papel con un bolígrafo? ¿Cómo lo puedes hacer? Es muy sencillo, sólo tendrás que electrizar al bolígrafo de la manera siguiente:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar la fuerza de la electricidad. ¿Qué se necesita? Bolígrafo o regla de plástico y un trozo de tela de lana. ¿Cómo hacerlo? 1. Toma un bolígrafo o una regla de plástico y acércalo a pequeños trozos de papel. ¿Qué ocurre? 2. Ahora toma con una mano un suéter de lana seco y con la otra frota el bolígrafo varias veces. 3. En seguida acerca el bolígrafo a los trozos de papel sin tocarlos. ¿Qué sucede?

4. ¿Cómo es posible que el bolígrafo pueda producir una fuerza que supere la gravedad? ¿A qué se debe que el papel salte hacia el bolígrafo después de frotar este último con el suéter? ¿Qué le produjo al bolígrafo el frotamiento con la lana? Para concluir: Explica este fenómeno y coméntalo con tus compañeros y entre todos elaboren una conclusión que escribirán en el pizarrón y en su libreta. Por medio de una discusión dirigida por el maestro, comenta con el grupo lo que entiendes sobre fuerza eléctrica y determinen cuál es la conclusión general del grupo sobre lo que han aprendido acerca de este tema.

Fuerzas y cargas eléctricas Después de que frotaste el bolígrafo o la regla observaste que éste atrajo los pedazos de papel. Esta experiencia fue realizada por Tales de Mileto en el año 600 a.n.e. y por William Gilbert en 1570, quienes observaron un efecto de electricidad estática. Todo contiene cargas eléctricas; por ejemplo, el ser humano, los árboles, los gatos y los minerales. Tal vez hayas sentido una especie de sacudida al tocar la perilla de la puerta después de caminar sobre una alfombra; inclusive puedes haber visto saltar chispas. Todo esto se produce por la electricidad estática. El rayo es el resultado más espectacular del mencionado fenómeno. ¿Las cargas eléctricas interactúan? La electricidad es tan común que no nos detenemos a reflexionar sobre sus propiedades. En la actividad siguiente puedes descubrir una de sus características, usando únicamente un poco de cinta adhesiva.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar el comportamiento de las cargas eléctricas.

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Bloque 4

¿Qué se necesita? Un rollo chico de cinta adhesiva y tijeras.

¿Cómo hacerlo? 1. Corta una tira de 8 a 10 cm de largo y pégala sobre tu pupitre o en cualquier superficie plana y seca, después corta otra tira y colócala sobre la primera. 2. En seguida retira de un solo jalón las dos tiras del pupitre y sepáralas. Luego acércalas. ¿Qué ocurre?

3. Corta otras dos tiras, pero en esta ocasión pégalas una junto a la otra. Después retíralas rápidamente del pupitre y acércalas. ¿Qué sucede? Para concluir: 1. ¿Qué sucedió cuando uniste el primer par de tiras? ¿Y cuando acercaste el segundo par? 2. ¿Puedes explicar qué fue lo que causó las dos reacciones?

Al pegar las tiras sobre el pupitre se cargaron eléctricamente. Una carga eléctrica es una concentración de electrones. Al pegar una tira sobre la otra, hiciste con ambas algo diferente. Cada una tenía un exceso de cargas distintas. Las cargas diferentes se atraen entre sí. Cuando colocaste las tiras una junto a la otra, éstas recibieron cargas iguales. Las cargas iguales se rechazan entre sí. La observación de estos fenómenos demuestra la existencia de una fuerza, llamada fuerza eléctrica. En las experiencias mencionadas los cuerpos frotados se electrizaron o se cargaron de electricidad. Se conocen dos tipos de carga: 1.  Positivas: en estas cargas son portadores los protones. 2. Negativas: son las cargas que adquiere el plástico (ámbar) por frotamiento y de ella son portadores los electrones. · Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen, como veremos posteriormente · La carga se conserva: en la electrización no se crea carga, solamente se transmite (electrones) de unos cuerpos a otros, de manera que la carga total permanece constante. · Normalmente la materia no se encuentra electrizada, ya que el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas. En este caso la materia es neutra. · Cuando tiene más cargas de un tipo que del otro, la materia tiene carga eléctrica neta; es decir, que está cargada eléctricamente. · Los electrones pueden desplazarse a través de ciertas sustancias llamadas conductores. ¿Cómo cambia la fuerza entre cuerpos cargados cuando varía la distancia? ¿Cómo se mide la fuerza de atracción entre dos cargas eléctricas? En la época de Charles Coulomb (1736-1806) ya se conocían los fenómenos electrostáticos, pero aún no se encontraba la forma en que cambiaban las fuerzas de atracción y repulsión (fuerza eléctrica). En 1785, Coulomb construyó un aparato al que llamó balanza de torsión, con el que podía medir las fuerzas de atracción y repulsión entre cuerpos electrizados (figura 4.1). En la balanza de torsión hay dos esferas en equilibrio en los extremos de una varilla metálica, colocada en forma horizontal suspendida de un hilo o filamento. La esfera 1 se encuentra electrizada, lo mismo que la esfera 2; esta última se acerca a la esfera 1. Como las esferas 1 y 2 están cargadas eléctricamente, la varilla gira produciendo una torsión en el filamento, lo que nos permite conocer el valor de las cargas eléctricas y además se mide el ángulo de torsión. Con esta medición, Coulomb determinaba el valor de la fuerza entre las esferas. Esta ley se expresa así:

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

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Figura 4.1 Reproducción del diseño de la balanza de torsión construida por Coulomb para determinar el valor de la fuerza eléctrica entre dos cuerpos.

Dos cuerpos electrizados se atraen o se rechazan con una fuerza cuya intensidad es directamente proporcional al producto de sus cargas eléctricas, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que los separa. La ley que establece las atracciones entre las masas de los cuerpos (ley de la gravitación universal, descubierta por Isaac Newton), es semejante a la que establece las atracciones entre las cargas eléctricas. Esto nos indica que las fuerzas eléctricas y las gravitacionales tengan igual naturaleza, aunque su expresión matemática tiene forma idéntica:

Ley de Coulomb



F=K

q × q2

Donde:

d

2

Ley de la gravitación universal



F=K

m1 × m2 r2

F = fuerza de atracción o repulsión entre los cuerpos en newtons (N) K = constante electrostática, en N • m2/C2 (es una constante de unidades) q1 = carga eléctrica del cuerpo 1 en coulombs (C) q2 = carga eléctrica del otro cuerpo en coulombs (C) d2 = distancia entre los dos cuerpos (m2) La letra K representa una constante que depende del medio en que se encuentran las cargas. Su valor es: N ⋅ m2 K = 9  ×  109 C2 Donde C2 es la unidad de carga al cuadrado.

+ -

Figura 4.2 Ley de Coulomb. Las fuerzas, iguales entre sí, están sobre la línea que une las dos cargas. Los cuerpos cargados se suponen muy pequeños, comparados con la distancia d.

230

Bloque 4

+

-

La unidad de carga: el coulomb 1 coulomb (C) = 6.27 × 1018 eˉ = (6.27 trillones de cargas elementales (eˉ) Veamos cómo se define la unidad de carga eléctrica llamada coulomb (C). Por ejemplo, si colocamos dos cargas de 1 C a 1 m de distancia, ¿con qué fuerza se atraerían o rechazarían? F = K

q1 × q2

= 9 × 109

d (fuerza de atracción) 2

N × m2 C

2

×

1C×1C 1 m2

= 9 × 109 N = 9 000 000 000 N

El coulomb es la unidad para medir la carga que circula por un conductor. Esta unidad siempre se utiliza en física y en caso de que las cargas sean muy pequeñas se usan submúltiplos del coulomb. microcoulomb (μC) (1 millonésima de C) = 10–6 C = 6.27 × 10–6 e– nanocoulomb (nC) (1 milmillonésima de C) = 10–9 C = 6.27 × 109 e– Corriente eléctrica La corriente eléctrica es el movimiento de electrones a través de un conductor, cuyos efectos se aprovechan para hacer funcionar aparatos como la licuadora o el televisor. La intensidad de la corriente es la cantidad de carga eléctrica que fluye por un conductor en la unidad de tiempo. La intensidad de la corriente está dada por: I=

q (coulombs) t (segundos)

q = magnitud de la carga que fluye por la sección del conductor, en un coulomb (C)  t = tiempo que tarda en pasar dicha carga, en segundos (s) La unidad del Sistema Internacional (SI) para la corriente eléctrica es un coulomb por segundo, que equivale a un ampere (A) , 6.25 × 1018 electrones o cargas elementales = 1 coulomb (C). La intensidad de la corriente eléctrica se mide en amperes. Cuando la corriente fluye en un circuito eléctrico conservando un mismo sentido en el conductor, la corriente se llama corriente directa (CD) como en los circuitos conectados a pilas o baterías. Cuando el sentido de la corriente cambia en forma periódica, se denomina corriente alterna (CA); éste es el caso de las instalaciones eléctricas para uso industrial. La corriente convencional es el flujo supuesto de cargas positivas que se mueven en sentido contrario a las cargas negativas reales en movimiento como electrones negativos desplazados en los conductores. La dirección en la corriente convencional es de mayor a menor potencial. Problemas Con la orientación del maestro, formen equipos de tres o cuatro integrantes y resuelvan los siguientes problemas. Presenten las respuestas al grupo y analícenlas.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

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1. Calculen la intensidad de la corriente, cuando pasan 12 coulombs (C) de carga por la sección de un conductor en 7 segundos (s). 2. ¿Cuál será la intensidad de corriente que provoca un rayo al suministrar una carga de 40 coulombs (C) al conductor de un pararrayos en un tiempo de 0.001 de segundo (s)? 3. ¿Cuántos electrones pasan por una linterna eléctrica en cada segundo si la corriente que fluye por ella es de 0.15 A?

1.1.1 Experiencias comunes con la electricidad, la luz y el electroimán A veces, especialmente en tiempo seco, al peinarse con un peine de plástico se observan pequeñas chispas acompañadas de chasquidos; además, el cabello es atraído por el peine. Lo mismo llega a suceder con las prendas de vestir de seda, acrilán o poliéster; al frotarlas también despiden luz y chasquidos. En un día tormentoso saltan rayos entre las nubes y el suelo acompañados del fuerte ruido del trueno. Ya estudiamos que las cargas eléctricas pueden ser positivas (+) o negativas (–). ¿En qué materiales pueden moverse las cargas de un lugar a otro? ¿En todos los materiales se mueven las cargas de igual manera? ¿En algunos materiales las cargas eléctricas permanecen inmóviles? Como observaste en las experiencias anteriores, las cargas eléctricas se desplazan desde los objetos y hacia éstos. ¿Qué controla ese movimiento? Para responder estas cuestiones realiza la actividad siguiente:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para conocer el movimiento de las cargas eléctricas. ¿Qué se necesita? Peine de plástico, trozo de tela de lana (suéter) y un electroscopio.

2. Ahora, toca con un dedo el extremo que frotaste y nuevamente acércalo al electroscopio. ¿Qué ocurre? Para concluir: Explica lo que pasó con la carga eléctrica.

¿Cómo hacerlo? 1. Toma el peine y frótalo con el trozo de lana; luego, acércalo a la esfera del electroscopio. ¿Qué sucedió? carga por fricción

Figura 4.3 Al frotar dos objetos, se transfieren electrones de uno a otro.

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Bloque 4

Figura 4.4 El electroscopio de láminas metálicas es un dispositivo para detectar cargas eléctricas estáticas. Ambas hojas van cargadas igualmente y se repelen una a otra. Para fabricar en casa un electroscopio pueden emplearse dos trozos de papel de estaño.

En este experimento observaste que el peine mantuvo su carga hasta que frotaste su extremo. Las cargas eléctricas no se mueven libremente de un lugar a otro en materiales como el plástico. Si las cargas se hubieran desplazado en el peine, no habrías tenido que tocar su extremo para moverlas. Los materiales en los que las cargas no se mueven libremente de un lugar a otro se llaman aislantes o dieléctricos. En otros materiales, las cargas eléctricas pueden desplazarse hacia cualquier lugar. El material en el que las cargas pueden moverse libremente de un lugar a otro se llama conductor. Nuestro cuerpo es un conductor ya que, por ejemplo, la carga del peine se desplazó hacia ti después de que lo tocaste. Por ello debes tener cuidado con la electricidad. Ésta es la razón de por qué los cables que conducen la energía tienen un aislante para protegernos.

1

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Figura 4.5 Descomposición de la luz blanca, la cual es una mezcla de colores de luz, cada uno con su propia frecuencia y longitud de onda. Estos colores conforman el espectro visible.

Dispersión de la luz Isaac Newton, con un experimento sencillo, fue quien dio inicio al conocimiento de lo que es el color. Encontrándose dentro de un cuarto completamente cerrado, a oscuras, recibió la luz del Sol que penetraba por una rendija, en un prisma de cristal, para que la luz refractada llegara a una pantalla blanca. Entonces observó que sobre dicha pantalla se formaba una serie de matices iguales a los que se presentan en el arco iris (figura 4.5). En un espectro, los colores se ordenan de acuerdo con su longitud de onda: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. A este fenómeno se le conoce con el nombre de dispersión de la luz y puede llevarse a cabo también con una rejilla de difracción, demostrándose así que la luz blanca es el resultado de la mezcla de todos estos colores. Newton demostró esta característica de la luz blanca por medio del llamado disco de Newton (figura 4.6). Este aparato se encuentra formado por un disco ligero, pintado radialmente con los colores del arco iris y puede hacerse girar con rapidez; al hacerlo, dichos colores se mezclan en la retina de nuestros ojos, con lo que el disco se ve blanco. A la serie de colores obtenidos al dispersar la luz Figura 4.6 Disco de Newton pintado con se denomina espectro de la luz. La luz blanca se descompone por los mismos colores en que se descompouna combinación de varios colores. Cada color tiene una longitud ne el espectro de la luz blanca. Si se gira de onda que lo caracteriza. El color rojo tiene la longitud de onda con rapidez y al recibir una iluminación más larga, y las longitudes de onda más cortas pertenecen al color intensa adquiere un color uniformemenvioleta. te blanco.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar la dispersión de la luz blanca.

compás, tijeras, linterna, charola rectangular (vidrio), espejo plano y agua.

¿Qué se necesita? Cartulina blanca, lápiz pequeño con la punta bien afilada, transportador de ángulos, lápices de colores,

¿Cómo hacerlo? 1. Con el compás traza en la cartulina un círculo de 10 cm de diámetro y recórtalo.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

233

2. Con el transportador divide el círculo en siete sectores iguales (cada uno debe tener unos 51 grados) 3. Pinta cada sector con uno de los siete colores del arco iris: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta.

4. Atraviesa el círculo por el centro con el lápiz, con la punta hacia abajo. 5. Haz girar el disco rápidamente como si fuera una perinola. a) ¿Qué sucede? b) ¿Por qué?

6. Llena de agua la charola, introduce el espejo como se observa en la figura y apóyalo en una de las paredes del recipiente de tal forma que quede inclinado.

7. Dirige la linterna encendida hacia el agua de manera que la luz incida en la parte del espejo sumergida. 8. Sostén la cartulina frente al espejo y observa. a) ¿Qué sucede? b) ¿Por qué? Para concluir: 1. Investiga por qué se forma el arco iris. 2. Elabora tu reporte.

Electroimán Si un alambre se enrolla alrededor de una barra de hierro dulce (el núcleo) se tiene un electroimán. El número de líneas magnéticas se incrementa muchísimo indicando que el campo magnético se vuelve más intenso. La tracción de un electroimán tiene otra importante propiedad: un electroimán sólo ejerce fuerzas magnéticas cuando es recorrido por la coGlosario rriente, y si la corriente que pasa por el solenoide es variable, también es Solenoide: conductor elécvariable la fuerza magnética que ejerce sobre los materiales magnéticos. trico en forma de hélice Cuando la corriente desaparece, prácticamente desaparecen las fuercilíndrica. zas magnéticas. En estas propiedades se basan muchas aplicaciones, por ejemplo la grúa magnética, el telégrafo, el timbre eléctrico y el teléfono.

Actividad Los electroimanes están hechos de materiales no magnéticos. Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un alambre, produce un campo magnético. La aguja de una brújula puede ser desviada por este campo. Los electroimanes pueden utilizarse en muchos aparatos, desde una grúa electromagnética hasta un teléfono. ¿Para qué lo hacemos? • Construir electroimanes.

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Bloque 4

• Diseñar un experimento para verificar la fuerza de cada electroimán. • Determinar los factores que hacen potente un imán. ¿Qué se necesita? Un clavo sin cabeza para solenoide, un metro de cable aislado del número 22, tres pilas secas, varios objetos pequeños de metal (alfileres, clips, rondanas, otros), una brújula y tijeras.

¿Cómo hacerlo? 1. Antes de construir un electroimán potente, empieza por una corriente eléctrica que fluya a través de un alambre, y mantén la brújula cerca de éste. a) ¿Qué ocurre? b) ¿Es éste un electroimán? 2. En equipo analiza los factores que pueden influir en el poder de un electroimán. 3. Diseña cambiando un factor en cada diseño. ¿De qué forma comprobarías el poder de cada electroimán construido a partir de los diseños? 4. Diseña una tabla de datos en tu cuaderno para que registres los resultados de tus pruebas. 5. Revisa el plan: a) Podrías diseñar por lo menos cinco electroimanes distintos. b) Asegúrate de utilizar todos los materiales suministrados en el diseño de un electroimán u otro. c) Antes de realizar tu experimento, asegúrate de que tu maestro apruebe tu plan.

d) Lleva a cabo tu experimento y no olvides registrar los datos en tu libreta. Para concluir: 1. ¿Cómo afecta el número de pilas el poder del electroimán? 2. ¿Con cuántas vueltas de alambre se produjo el efecto más fuerte? 3. ¿Es más potente o más débil el electroimán sin núcleo? ¿El material utilizado como núcleo para enrollar el alambre afecta el poder del electroimán? 4. ¿Cómo afecta la intensidad de la corriente a la intensidad del campo magnético? ¿O cómo la afecta el número de vueltas del alambre? 5. ¿Qué tipo de electroimán produjo el imán más potente? ¿Qué materiales los componían? ¿Qué factores fueron importantes en su construcción? 6. Explica de qué forma se ha beneficiado el hombre con la fabricación de los electroimanes.

1.1.2 Limitaciones del modelo de partículas para explicar la naturaleza de la materia El modelo que explica la estructura atómica ha cambiado a lo largo del tiempo. ¿Cómo ha contribuido la tecnología a estos cambios? ¿Por qué se utilizan modelos para estudiar la teoría atómica? Hasta aquí hemos hablado de diferentes clases de modelos con los que quizás te hayas familiarizado; por ejemplo, modelos de aviones, de trenes, de edificios, entre otros. Recuerda que un modelo te ayuda a comprender cómo se construye un objeto o cómo funciona. Un modelo bien hecho de un objeto puede explicar todas tus observaciones con respecto a este último. En diversas ocasiones no se trata de un objeto que puedas tocar, sino de una representación mental. En la actividad siguiente podrás tener la experiencia de crear representaciones mentales del modelo de un átomo creado por ti.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para construir una imagen mental de un átomo. ¿Qué se necesita? Tornillos, tuercas o arandelas, arcilla suficiente y palillos. ¿Cómo hacerlo? 1. Toma uno o varios objetos e insértalos dentro de un pedazo de arcilla.

2. Con ella, haz un modelo que se te ocurra (bola) de tal forma que no puedas ver los objetos o determinar su forma. 3. Intercambia tu modelo con otros compañeros. 4. Trata de averiguar lo que hay dentro del modelo de arcilla. Únicamente puedes hacer observaciones con los palillos. Para efectuarlas, introduce los palillos de uno en uno dentro del modelo de arcilla.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

235

5. Trata de saber cuántos y cuáles objetos se encuentran dentro del modelo. ¡Cuida que no se deshaga el modelo de arcilla! Registra tus observaciones:

2. Evalúa el procedimiento para efectuar una representación mental o un modelo. ¿Por qué es conveniente realizar modelos?

Para concluir: 1. ¿Qué puedes inferir acerca del contenido del modelo de arcilla? Atmósfera de

Electrones

carga positiva Muchos científicos, durante cientos de años, han realizado grandes esfuerzos para explicar la naturaleza de la materia. A continuación se presentan los modelos atómicos que más se han acercado a una explicación acerca de la naturaleza de la materia y, a pesar de todo, cada uno de estos modelos tiene limitantes en su demostración, como verás en seguida.

Limitaciones del modelo del átomo de Dalton

Figura 4.7 Dalton presentó su modelo como una partícula indivisible y sólida.

Recordemos que Dalton afirmaba que los átomos de un elemento eran iguales entre sí y que los compuestos se originaban por la unión de átomos de los elementos correspondientes en unas cantidades determinadas. Después, Avogadro denominó moléculas a los más pequeños componentes de los compuestos y en este momento se determina al átomo como una partícula indivisible (figura 4.7).

Limitaciones del modelo de Thomson Sin embargo, años más tarde, Thomson demostró por primera vez que existían unas partículas muy pequeñas, de carga eléctrica negativa, que formaban parte de todos los átomos y que después fueron denominadas electrones (figura 4.8). En 1911, cuando Rutherford realizaba nuevos estudios sobre el átomo, sus resultados le hicieron proponer una nueva idea del concepto de átomo; y lo llevaron a concebir al átomo como una zona nuclear muy pequeña de carga positiva, que contenía los protones, y que los electrones giraban alrededor del núcleo en órbitas circulares y en número igual al de los protones. Rutherford llamó espacio vacío a las amplias regiones de la corteza del átomo no ocupadas por los electrones.

Limitaciones del modelo de Rutherford De acuerdo al modelo que había planteado Rutherford, la estructura de un átomo sería parecida a un sistema planetario donde el núcleo atómico tenía casi toda la masa del átomo y alrededor de ella los electrones girarían formando órbitas. Y cada átomo tendría carga eléctrica y acelerada que le permitiría emitir energía en Atmósfera de Electrones forma de radiación electromagnética y entonces los electrones al emicarga positiva tir energía por radiación, la irían perdiendo provocándoles efectuar un recorrido en espiral hasta que cayeran en el núcleo del átomo y provocarán su destrucción. Además de lo anterior, el electrón al ir pasando por cada una de las órbitas hasta llegar al núcleo, emitiría una radiación continua. Y en la realidad, los espectros de emisión de los elementos son discontinuos y se presentan como una serie de líneas de frecuencia especificas (figura 4.9). Por otro lado, la teoría cuántica de Planck, formulada en 1900, explica que cualquier cantidad de energía que se emita o que sea absorbida deberá ser un número entero del cuanto (que es el equivalente Figura 4.8 Thomson consideraba el en energía más pequeño). átomo como un pastel con pasas. 236

Bloque 4

Limitaciones del modelo de Bohr-Sommerfield Bohr fue el primero en tomarla en cuenta al interpretar la emisión y la absorción de energía a escala atómica y aplicó la teoría de Planck para realizar cálculos energéticos relacionados con los saltos del electrón de una órbita a otra en el átomo de hidrógeno, y consideró las interacciones eléctricas con el protón del núcleo. La explicación de la teoría atómica de Bohr aplicada al átomo del hidrógeno no se pudo aplicar a átomos que tuvieran más de un electrón. Después, cuando se descubrieron los llamados subniveles de la estructura del átomo, que Bohr explicaba mediante las líneas más finas, llamadas estructuras finas del hidrógeno y que expresaba cambios energéticos más pequeños, fueron estudiados por Sommerfield mediante la teoría de la relatividad de Einstein y cambió el modelo de Bohr razonando que las órbitas del electrón no eran necesariamente circulares, sino que también eran posibles órbitas elípticas. Además, los fenómenos físicos, como la resonancia o deslocalización de los electrones, llevaron al desarrollo del modelo de orbitales, basado en la teoría cuántica.

Núcleo

Núcleo

Figura 4.9 Rutherford explicó que su modelo tenía la mayor parte vacío y que los electrones se movían en órbitas fijas alrededor del núcleo.

Actividad Elabora una línea de tiempo sobre la evolución del modelo atómico.

Átomos de Demócrito siglo v a.n.e. Modelo atómico de Böhr (1885-1962)

Modelo atómico de Dalton (1766-1844)

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

237

2. Del modelo de partícula al modelo atómico 2.1 Orígenes de la teoría atómica Lee con atención las siguientes preguntas y discute con tus compañeros las respuestas más adecuadas. ¿Crees que las propiedades físicas y químicas de las sustancias están relacionadas con los átomos que las forman? ¿Por qué el agua es distinta al vinagre y éste a otras sustancias? ¿Conoces los elementos que forman la molécula del agua? ¿Puedes dividir un terrón de azúcar en partículas pequeñas hasta que ya no se vean? ¿Qué opinas, se podrá dividir toda la materia? Anota las conclusiones de esta discusión en tu cuaderno. Un filósofo griego, llamado Leucipo, fue el primero que se sabe que pensó en dividir la materia hasta obtener una partícula tan pequeña que no pudiera dividirse más. Esto ocurrió en la región de Tracia, aproximadamente 450 años antes de nuestra era. Leucipo fundó la primera escuela atomista, le siguieron Demócrito y Epicuro. Demócrito enseñaba que todo puede dividirse en partículas pequeñísimas y fue el primero en utilizar la palabra átomo, vocablo griego que significa lo que es indivisible. Para Demócrito, toda la materia estaba constituida por átomos y si entre ellos había espacios, esos espacios no contenían nada (figura 4.10). Durante mucho tiempo se mantuvieron las ideas propuestas por Demócrito y Empédocles, quien, en el siglo v a.n.e. planteaba que toda la materia que existía estaba formada por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Con el resurgimiento de las artes y las humanidades se iniFigura 4. 10 Todo lo que existe en el universo ció la época del Renacimiento en el siglo xv. En el campo de las está constituido por átomos. ciencias desaparecieron los planteamientos de la Edad Media, y con los científicos Galileo y Newton, que introdujeron el método de la observación directa y la experimentación de los fenómenos naturales, en el siglo xvi nació la ciencia moderna, lo que permitió que se agregaran otros elementos importantes para el avance del concepto del átomo. En esta época se impulsó el desarrollo de la física, la biología y la astronomía, así como el de la química, con las investigaciones de hombres dedicados a la investigación científica, como Robert Boyle, quien por primera vez utilizó el concepto de elemento. Robert Boyle demostró que aun en forma experimental algunas sustancias no podían ser descompuestas en algo más simple que ellas y por lo tanto parecían ser elementos. Cien años después, el químico Antoine Laurent Lavoisier manifestó que un elemento químico no podía ser separado en otras sustancias por procedimientos químicos.

238

Bloque 4

Actividad

Los átomos de la caja ¿Para qué lo hacemos? Para comprender qué es un modelo, cuál es su importancia en la investigación científica y cómo la evidencia indirecta puede ser utilizada para construir un modelo. ¿Qué se necesita? Caja de zapatos, sellada y numerada, debe contener objetos desconocidos, balanza e imán. ¿Cómo hacerlo? 1. Formen grupos de tres o cuatro alumnos. 2. El profesor les dará una caja con uno o varios objetos dentro. No pueden abrir, ni dañar la caja. 3. Examinen la caja externamente y expliquen en forma escrita y grupal qué piensan que contiene dicha caja y qué procedimientos utilizaron para llegar a esa conclusión.



Pruebas realizadas

Al acercar el imán



4. Utilicen el imán para determinar si los objetos de la caja tienen propiedades magnéticas. 5. Determinen la masa de una caja de zapatos vacía. Después determinen la masa de su caja. La diferencia entre las dos masas es la masa de tu(s) objeto(s) dentro de la caja. 6. Ahora quizás puedas determinar algo sobre algunos objetos de la caja al inclinarla. ¿El objeto se desliza, rueda o se colisiona dentro (debido a que son varios objetos)? 7. Agita la caja hacia arriba y hacia abajo para determinar si el objeto rebota, ¿con qué fuerza rebota? 8. Para cada prueba que realices registra tus anotaciones en la tabla siguiente.

Masa de objeto(s) determinado(s)

Caja inclinada

Caja agitada

Prueba 1 Prueba 2 Para concluir: 1. Realicen una representación de lo que piensas que hay en la caja. 2. Dibujen el objeto(s) y muestren su(s) tamaño(s) relativo(s). 3. ¿Qué otra prueba podrías realizar para obtener una evidencia indirecta que te ayude a establecer la identidad del objeto encerrado? 4. Elijan a un representante del equipo para que exponga al resto del grupo las ideas a las que llegaron, y que describa los procedimientos a que sometieron la caja para llegar a esas ideas.

5. Abran la caja y comparen en forma escrita y grupal lo que hay en la caja con lo que inicialmente suponían que contenía. ¿Qué hipótesis se plantearon con respecto al contenido de la caja?, ¿qué métodos/instrumentos utilizaron para proponer esas hipótesis?, ¿cuál o cuáles de esas hipótesis se confirmaron o rechazaron luego de abrir la caja? 6. Describe por escrito cómo puedes desarrollar un modelo de un objeto sin observarlo directamente. 7. Ahora, bajo la supervisión de su maestro, discutan grupalmente sus respuestas y obtengan una conclusión final.

Recuerda que los modelos son construcciones temporales y perfectibles, y su importancia radica en su poder explicativo a ciertos hechos o fenómenos.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

239

Actividad Utilizando tus conocimientos sobre la teoría atómica, escribe una carta a Demócrito en donde le expliques cómo sus ideas sobre el átomo se han ido modificando debido a los nuevos conocimientos o evidencias

indirectas que se han ido presentando. Asegúrate de incluir los nombres de los científicos que contribuyeron a modificar los distintos modelos atómicos y describe sus experimentos.

2.1.1 De las partículas indivisibles al átomo divisible: desarrollo histórico del modelo atómico de la materia De la misma manera que hiciste la actividad anterior, en la que trataste de crear una imagen mental de lo que había dentro de la arcilla, hiciste un modelo con la arcilla y su contenido. Cuando los científicos estudian la materia, tratan de crear una imagen mental de la apariencia de un átomo. Como modelo, sabes que un buen modelo del átomo debe explicar la información que se conoce sobre la materia y los átomos. Al recolectar más datos, es posible que deba cambiarse el modelo. El modelo del átomo que utilizamos actualmente es el resultado del trabajo de muchos científicos durante cientos de años (figura 4.11). A principios del siglo xix (1803), el químico inglés John Dalton desarrolló el primer modelo atómico que tuvo sus fundamentos en la ley de la conservación de la materia. Desde su punto de vista, asentaba que los átomos eran partículas de materia pequeñísimas. Tiempo después, en 1897, Joseph John Thomson descubrió los electrones. Esto significó determinar que un átomo era divisible porque contenía partículas más pequeñas. Estas partículas incluyen a los protones, neutrones y electrones. En un principio no se comprendía bien cómo se ordenaban estas partículas subatómicas. Thomson y los científicos de su equipo pensaban que estaban mezcladas como los ingredientes de la masa de un pastel de pasas. 1803

1897

1911 Electrones con carga negativa

Esfera con carga positiva Modelo de Dalton

Figura 4.11 La teoría atómica prevaleció durante más de dos mil años. Pero fueron los estudios realizados durante los últimos doscientos años lo que reveló la compleja naturaleza del mundo submicroscópico de la constitución del átomo.

240

Bloque 4

1913

Modelo de Thomson

Modelo atómico de Bohr

Actual

Modelo moderno

Modelo de Rutherford

En 1911, el científico neozelandés Ernest Rutherford realizó un experimento en el que bombardeó partículas atómicas (del elemento químico polonio) sobre una delgada placa de oro. Descubrió que la mayoría de las partículas del polonio atravesaban la placa siguiendo una trayectoria recta, pero algunas se desviaban. Mediante este experimento Rutherford comprendió que la mayor parte del átomo está constituido por espacios vacíos y que casi la totalidad de la masa se localiza en el núcleo. Así, propuso un modelo nuclear para el átomo en el que los protones y neutrones forman el núcleo y los electrones se mueven en el espacio que hay alrededor de éste. En 1913, Niels Bohr (1885-1962), físico danés, propuso el modelo en el que los electrones giran alrededor del núcleo de manera similar al movimiento de los planetas alrededor del Sol. El modelo de Bohr presenta un número limitado de órbitas o niveles de energía. En 1932, el físico inglés James Chadwick (1891-1974) descubrió la Glosario existencia del neutrón cuando comprobó que los núcleos de berilio podían emitir partículas sin carga eléctrica, cuya masa era semejante a la del Cuanto: la unidad de enerprotón. gía más pequeña posible. El modelo atómico actual surge alrededor de 1935. Este modelo retoma la propuesta de Bohr, con algunos agregados de la física cuántica: · La energía de los electrones sólo tiene determinado valor, llamado cuanto de energía, y no se puede tener en ningún otro. · Los electrones no giran en órbitas circulares definidas, sino que se mueven en zonas o nubes que rodean al núcleo denominadas orbitales. Allí, la probabilidad de encontrar un electrón con cierta energía es muy elevada.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para analizar las características de los principales modelos atómicos que aparecieron a lo largo de la historia. ¿Qué se necesita? Libreta, bolígrafo y lápices de colores, material para representar los distintos modelos atómicos. ¿Cómo hacerlo? 1. Integrado en equipos de tres o cuatro compañeros realiza una investigación sobre los distintos modelos atómicos. Bibliografía: Enciclopedias, libros de física de secundaria. Gribbin, J. (2005), Historia de la Ciencia 15432001, Editorial Crítica, Barcelona, págs. 297328. 2. Analicen y discutan en grupos sobre las diferentes características de cada modelo.

3. En equipo, construyan los distintos modelos atómicos con diferentes materiales. 4. Describe las características que distinguen a tres modelos atómicos de tu elección. 5. Investiga el impulso científico que significó en su época y actualmente cada uno de los tres modelos seleccionados. Para concluir: 1. Elijan a un representante del equipo que exponga al resto del grupo las conclusiones a las que llegaron. 2. De forma grupal analizarán detalladamente las distintas representaciones en un debate dirigido por el docente. 3. Los alumnos entregarán al profesor por escrito las actividades realizadas durante la clase.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

241

2.1.2 Constitución básica del átomo: núcleo (protones y neutrones) y electrones Ya hemos mencionado que toda la materia que existe en el universo está constituida por átomos. ¿Pero cómo está constituido un átomo? ¿Todos los átomos son iguales? ¿Cuántas clases de átomos hay? A continuación vas a llevar a cabo una investigación que te permitirá responder estas cuestiones.

Investigación

Modelo de estructura atómica • A través de los años, los científicos han propuesto distintos modelos del átomo. El hecho de hacer un modelo y evaluar los modelos realizados por tus compañeros, te ayudará a comprender la forma en que se distribuyen los protones, los neutrones y los electrones. • Para llevar a cabo esta investigación, integren equipos de tres o cuatro alumnos, apoyados siempre por su maestro. Problema ¿Cómo pueden hacer un modelo que represente la estructura de un átomo y que posteriormente puedan usar para predecir similitudes en otras estructuras atómicas? Planteen una hipótesis Anoten una hipótesis que explique la forma en que sus compañeros del grupo puedan utilizar un modelo para identificar un elemento químico. Propósitos • Elaboren el modelo de un elemento. • Identifiquen los elementos representados por los modelos hechos por los demás compañeros. ¿Qué se necesita? Tablero magnético, tiras magnéticas de caucho, papel, marcador, fichas del juego de damas, pasas, monedas, tabla periódica de los elementos (puedes utilizar la que se encuentra al final del libro). Nota: Nunca debes consumir los alimentos utilizados en un experimento de laboratorio, deséchalos al terminar. Planteen el plan de investigación 1. Seleccionen un elemento de la tabla periódica como modelo. ¿Cómo saben el número de protones, neutrones y electrones que hay en el átomo de un elemento? 2. Utilicen lo que saben acerca de la estructura del átomo para definir cuáles objetos representarán

242

Bloque 4

electrones en su modelo. ¿Pueden representar el núcleo del átomo? ¿Cómo indicarán los protones y los neutrones? 3. ¿De qué forma distribuirán los electrones alrededor del núcleo? ¿Qué suposiciones hacen sobre la carga del átomo? ¿Puede identificarse un elemento al conocer solamente el número de protones? Revisen su plan 1. Antes de iniciar asegúrense de que su maestro apruebe su plan. 2. Una vez que hayan completado su modelo, escriban algunas observaciones y dibujen un diseño en su cuaderno. 3. Construyan un modelo para un elemento diferente. 4. Observen los modelos elaborados por los compañeros de otros equipos e identifiquen los elementos que éstos representan. Para concluir: 1. ¿Qué elementos pudieron identificar utilizando su hipótesis? Expliquen. 2. En un átomo neutro, identifiquen cuáles partículas están siempre presentes en cantidades iguales.

3. Predigan qué sucedería con la carga de un átomo si se quitara uno de los electrones. ¿Qué le sucedería a un átomo si se le quitaran un protón y un electrón?

4. Comparen su modelo con el modelo de nube electrónica del átomo.



El átomo se representa mediante modelos atómicos. El más sencillo es el que está representado como un sistema planetario, donde los electrones se mueven alrededor del núcleo, que se encuentra en el centro del átomo. El núcleo está constituido por dos clases de partículas, llamadas protones y neutrones. Los protones tienen carga eléctrica positiva, representada por el símbolo p(+), los neutrones carecen de carga eléctrica y se representan por n(±). También existen otras partículas en el átomo, las cuales se desplazan alrededor del núcleo a gran velocidad. Estas partículas, que forman una o más capas (dependiendo del átomo), se llaman electrones, y tienen carga eléctrica negativa, que se representa con el símbolo e(−). Los átomos de cada elemento contienen siempre el mismo número de protones (p(+)) que de electrones (e(−)), por lo que si las cargas eléctricas son iguales, decimos que el átomo es eléctricamente neutro (figura 4.12). Los neutrones son partículas que también se localizan en el núcleo, y por lo general no coinciden con el número de protones; sin embargo, estas partículas casi tienen la misma masa que los protones.

e

e

p

p n n

Átomo de sodio

Átomo de carbono

Figura 4.12 El número de protones indica el número atómico de un elemento.

Partículas de los átomos Partículas

Símbolo

Masa (u.m.a.)

Carga

Ubicación

Protón

p

1

+1

Núcleo

Neutrón

n

1

0

Núcleo

Electrón e 0.0005 –1

Alrededor del núcleo

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

243

3. Los fenómenos electromagnéticos 3.1 La corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos

Figura 4.13 El campo eléctrico que produce la bobina reagrupa los campos magnéticos en el clavo.

Cuando construiste un electroimán te diste cuenta que es posible hacer un imán con sólo un alambre que conduzca la corriente eléctrica. Cotidianamente utilizas alambres e imanes cada vez que escuchas una grabación, hablas por teléfono, haces sonar el timbre de una puerta o te preparas un licuado con un procesador de alimentos. Los electroimanes son útiles, ya que pueden encenderse o apagarse y porque pueden producir campos magnéticos mucho más fuertes que un imán común. Cuando la corriente fluye a través del alambre del electroimán, dicha corriente crea un campo magnético. Para incrementar la intensidad del campo magnético del imán se aumenta el número de baterías y el número de vueltas del alambre. Cuando introdujiste el clavo dentro de la bobina, te diste cuenta que su campo tenía más fuerza, porque el campo producido por la bobina reagrupa los campos magnéticos en el clavo, lo cual amplía el poder del campo producido por la corriente en la bobina de alambre (figura 4.13). Ahora observarás la forma en que interactúan los imanes y la corriente eléctrica. Ya aprendiste que una corriente eléctrica puede crear un campo magnético. Pero, ¿qué ocurre con una situación contraria? ¿Sabes qué efectos ejerce un campo magnético sobre una carga eléctrica estática o sobre una corriente? Para responder a la primera pregunta realiza la actividad siguiente:

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar lo que ocurre cuando un campo magnético ejerce fuerza sobre una carga. ¿Qué se necesita? Imán, un trozo de cinta adhesiva, pila o batería y 50 cm de alambre del número 22. ¿Cómo hacerlo? 1. Corta dos trozos de cinta de unos 10 cm cada una, haz que las cintas tengan carga diferente, pegándolas una junto a otra sobre una superficie lisa y seca. 2. Acerca uno de los polos del imán a una de las tiras de cinta, a continuación acércalo a la otra tira de cinta. ¿Qué sucede?

3. Para responder la segunda pregunta, haz lo siguiente: Conecta un extremo del alambre a la pila. Luego forma una circunferencia de alambre y coloca un polo del imán a una distancia de 2 cm. Acerca el extremo libre del alambre al otro borne de la pila. ¿Qué ocurre? 4. Repite la experiencia utilizando varias disposiciones de los polos del imán con las conexiones del alambre. ¿Qué sucede? ¿Por qué crees que suceda esto? Para concluir: Explica de qué forma afectó el campo magnético al alambre.

Un campo magnético no ejerce ningún efecto sobre una carga estática. Sin embargo, puedes notar que un campo magnético ejerce fuerza sobre un alambre en el que la corriente fluye. Cuando colocaste cerca del imán el alambre que transportaba

244

Bloque 4

corriente, dicho imán ejerció una fuerza sobre el alambre en una dirección u otra, dependiendo del extremo del imán que acercaste al alambre. Los polos del campo magnético en el circuito del alambre también pueden invertirse al cambiar la dirección de la corriente (figura 4.14). Si en lugar del imán utilizas una brújula, ¿qué sucede?, ¿quieres investigarlo? Utiliza el mismo circuito. Describe en tu libreta lo que sucede.

La fuerza es ascendente

N

Corriente

S

Figura 4.14 Cuando la corriente eléctrica fluye a través del alambre, el imán ejerce una fuerza sobre éste.

3.1.1 Orígenes del descubrimiento del electrón A finales del año 1800, el físico inglés William Crookes se interesó en el tubo de vacío, que es un tubo de vidrio sellado sin aire. En las figuras 4.15 y 4.16 se observan algunos de sus experimentos con esta clase de tubos.

Figura 4.15 El tubo de vacío que William Crookes utilizó en sus experimentos tenía una terminal positiva en un extremo y una terminal negativa en el otro. Cuando las terminales fueron conectadas a una batería, se formó un brillo verdoso en el extremo negativo del tubo, que luego se desplazó gradualmente hacia el extremo positivo.

Figura 4.16 En otro experimento, un objeto colocado en la trayectoria del brillo verde proyecta una sombra. Crookes sabía que las sombras son proyectadas por ondas o partículas que viajan en línea recta. Con base en esto, ¿qué concluyó Crookes acerca del brillo verde?

Casi 20 años después, el físico inglés J. J. Thomson (1897) repitió el experimento con el tubo de Crookes, llamándolo tubo de rayos catódicos (figura 4.17), del que extrajo todos los gases que contenía. En cada extremo del tubo se colocó una pieza metálica llamada electrodo conectada a una terminal metálica fuera del tubo. Estos electrodos adquieren una carga eléctrica cuando se conectan a una fuente de alto voltaje. Cuando los electrodos están cargados, unos rayos viajan en el tubo desde el electrodo negativo,

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

245

que es el cátodo, hacia el electrodo positivo, que se llama ánodo. Debido a que el origen de estos rayos es el cátodo, se les llama rayos catódicos. Thomson descubrió que los rayos se desvían hacia una placa con carga positiva y se alejan de una placa con carga negativa. Él sabía que los objetos con cargas iguales se repelen entre sí, mientras que los objetos con cargas contrarias se atraen. Thomson concluyó que los rayos catódicos estaban constituidos por partículas invisibles con carga negativa, a las que llamó electrones. Los electrones provenían Figura 4.17 Tubo de rayos catódicos. En este experimento se de la materia (átomos) del electrodo negativo. colocó un tubo de rayos catódicos en un campo magnético, Con base en los experimentos de Thomson, los el cual hizo que se desviaran los haces de partículas contenicientíficos concluyeron que los átomos no eran esdas en el tubo. ¿Qué ocurriría con los rayos si el tubo fuera feras neutras sino algo formado por partículas con sacado del campo magnético? carga eléctrica, de tal modo que los átomos no eran indivisibles sino que estaban formados por partículas más pequeñas, denominadas partículas subatómicas. Posteriormente se demostró que un electrón tiene una masa igual a 1/1 837 de la masa de un átomo de hidrógeno, que es el átomo más pequeño.

Para saber más

Tubos de rayos catódicos Los tubos de rayos catódicos modernos son los cinescopios de los aparatos de televisión a colores y los monitores de las computadoras. Estos tubos utilizan un campo magnético variable para lograr que el haz de electrones se mueva hacia atrás y hacia delante, iluminando los dibujos en una pantalla que está cubierta con productos químicos luminiscentes.

Glosario Luminiscencia: emisión de luz no debida a incandescencia y que se produce a temperatura baja; puede ser causada por diversos procesos físicos, químicos o fisiológicos.

3.1.2

Actualmente, los cinescopios de los aparatos de televisión y de los monitores de computadora se están sustituyendo por nuevas tecnologías como las pantallas de plasma, las pantallas de cristal líquido (LCD) y las de procesamiento digital de la luz (DLP).

El electrón como unidad fundamental de carga eléctrica. Historia de las ideas sobre corriente eléctrica. Movimiento de electrones: una explicación para la corriente eléctrica

Ya aprendiste que las cargas eléctricas se pueden transferir de un lugar a otro por frotamiento. Recuerda que cuando frotaste el bolígrafo con un suéter de lana se transmitieron cargas negativas, de la lana al bolígrafo. Como el bolígrafo ganó cargas negativas, se cargó negativamente (e−), mientras que la lana perdió electrones y así se cargó positivamente. El flujo de cargas negativas constituye una corriente eléctrica. Sabes que la electrostática se encarga solamente de cargas eléctricas en reposo (estáticas) y de los efectos de atracción y repulsión entre ellas. La electricidad no fue inventada, sino descubierta, porque se encuentra de manera natural en nuestro mundo. Sin embargo, algunas personas han encontrado formas para medirla y controlarla y así poder utilizarla.

246

Bloque 4

Investigación La corriente eléctrica es de gran utilidad para el ser humano ya que satisface muchos propósitos y necesidades. Con el apoyo del maestro formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar. Investiguen en libros, revistas o Internet sobre: 1. El electrón como unidad fundamental de carga eléctrica. 2. La historia de las ideas sobre la corriente eléctrica. Asegúrense de investigar los estudios realizados por los siguientes científicos: a) Benjamín Franklin b) Luigi Galvani c) Alessandro Volta d) Michael Faraday e) Thomas Alva Edison y Joseph Swan f) George Westinghouse y Nikola Tesla g) Andre Ampere y George Ohm Bibliografía: Enciclopedias, libros de física de secundaria. Moujan, H. (2000), Edison, el hombre de los mil inventos, Longseller, Buenos Aires. Gasca, Joaquín (ed.) (2003), Fuerzas físicas, Ediciones Culturales Internacionales/SEP (Libros del rincón), México, pág. 151. Gribbin, J. (2005), Historia de la Ciencia 15432001, Editorial Crítica, Barcelona, págs. 241247, 338-348.

Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 1, Editorial Alianza, España, págs. 218-220, 258-259, 285-287. Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 2, Editorial Alianza, España, págs. 338-339, 387-397. Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 3, Editorial Alianza, España, págs. 619-624. Sayavedra, Roberto (1994), El domador de la electricidad. Thomas Alva Edison, México, Dirección General de Publicaciones del CNCA/ Pangea, pág. 112. Se sugiere consultar la siguiente liga: http://www.portalplanetasedna.com.ar/faraday. htm 3. Escríbanlos en su libreta e ilústrenla. a) Cada equipo explicará oralmente lo que haya investigado acerca de los temas indicados. b) Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas comenten los resultados de lo que han aprendido al realizar esta actividad. c) Entre todos elaboren una conclusión final sobre la importancia de estos estudios y su impacto económico, tecnológico y social que anotarán en el pizarrón y en su libreta. 4. Escribe una carta a Benjamín Franklin donde le comentes cómo han evolucionado las ideas sobre la corriente eléctrica.

La corriente eléctrica consiste en un movimiento de electrones a través de un conductor, semejante a la corriente de agua, la cual es un movimiento de partículas de dicha sustancia por un canal o por un tubo. Con respecto a la electricidad estática, no existe diferencia esencial, ambas son producidas por los electrones. En la corriente eléctrica el escurrimiento de electrones se debe a que existe constantemente una diferencia de potencial a través del conductor. Si esa diferencia permanece invariable, la intensidad de la corriente, o número de electrones que escurren en la unidad de tiempo, es constante. Para aclarar la idea del escurrimiento de electrones, nos imaginaremos dos recipientes comunicados en su parte inferior por medio de un tubo que tiene una llave (figura 4.18). Si abrimos la llave se establece una corriente de agua de a) a b) por la diferencia de niveles. La velocidad de la corriente va disminuyendo a medida que se hace más pequeña la diferencia que existe entre los niveles, y se anula cuando el líquido de ambos recipientes tiene el mismo nivel.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

247

a)

b)

Si conectamos dos esferas a diferentes potenciales o niveles eléctricos por medio de un conductor, se establecerá una corriente eléctrica de la esfera de mayor potencia a la de menor, hasta que ambas estén a la misma presión eléctrica. Para conservar la diferencia de nivel en el ejemplo del agua es necesario poner una bomba que traslade al recipiente a) la misma cantidad de líquido que llega al recipiente b), con 1o que se logra que el desnivel sea constante. En forma similar se puede lograr que la diferencia Figura 4.18 La corriente de electrones se desplaza de de potencial entre las dos esferas permanezca constante forma similar a una corriente de agua. y obtener de esa manera una corriente invariable. Esto se logra empleando, en lugar de la bomba del ejemplo hidráulico, pilas voltaicas, acumuladores o dinamos, los cuales se construyen industrialmente para dicha finalidad.

3.1.3 Materiales conductores y aislantes de la corriente La materia está constituida por átomos y éstos tienen partículas eléctricas llamadas protones y electrones, con carga positiva (+) los primeros y negativa (−) los segundos. Los átomos que forman un cuerpo metálico tienen sus electrones externos, o sea aquellos que se encuentran más lejos del núcleo, débilmente ligados y se pueden separar de él, adquiriendo así cierta facilidad de movimiento. Cuando se separan del átomo se denominan electrones libres (figura 4.19). Los cuerpos que pueden contar con electrones libres se llaman conductores eléctricos. Así, al unir los polos de un acumulador con un alambre de cobre se pondrán en movimiento, trasladándose de un polo a otro, por lo que las cargas eléctricas se desplazan a través del hilo metálico, formando una corriente eléctrica (figura 4.20). El oro y la plata son los mejores conductores, pero son muy caros, por lo que para fines comerciales se usan el cobre y el aluminio. Por el contrario, algunas sustancias tienen sus electrones fuertemente unidos a sus átomos, es por eso que no poseen electrones libres y no es posible que la corriente eléctrica se traslade a través de ellas. Se les conoce como aislantes eléctricos o dieléctricos. Estas sustancias son la porcelana, el caucho, el vidrio, el papel, el plástico y la madera, entre otros. Electrones libres

Figura 4.19 En los metales llamamos electrones libres a aquellos que no parecen unidos a los átomos por encontrarse en las órbitas externas.

248

Bloque 4

Átomo

Corriente eléctrica

a)

Alambre de cobre

Alambre de cobre

b)

Electrones

Metal

Metal Flujo de electrones hacia tierra

Aislante

Electrones Aislante Conductor

Conductor Tierra Figura 4.20 Al conectar entre sí las terminales de un acumulador por medio de un alambre, los electrones del metal se ponen en movimiento.

Tierra

Figura 4.21 Cuando se conecta a tierra un cuerpo cargado eléctricamente mediante un conductor, el cuerpo se descarga hacia la tierra (efecto del pararrayos).

Actividad Contesta correctamente lo que se pide. 1. ¿Cómo se produce la electricidad?

4. ¿Cuál es el comportamiento de los electrones en los aisladores?





2. Al perder o ganar electrones, ¿con qué signo queda cargado un objeto en cada caso?



a) Cuando acepta electrones: b) Cuando pierde electrones: 3. ¿Cómo se comportan los electrones en los conductores?

5. Describe el fenómeno de ionización. 6. Comenta tus respuestas con los compañeros del grupo y reflexionen acerca de ellas. Se sugiere la proyección del video “Electricidad: el invisible río de energía”, Física elemental, vol. I, México, SEP.

3.1.4 Resistencia eléctrica Casi todos los movimientos van acompañados de obstáculos que hay que superar. Por ejemplo, la resistencia o rozamiento que ofrece el aire a que un avión se desplace, la oposición que ejerce el agua al avance de un barco y, en general, el rozamiento que existe entre dos cuerpos cuando uno se desplaza sobre otro. De manera similar, cuando los electrones se mueven a través de un conductor tienen que vencer una resistencia. En un conductor metálico esta resistencia proviene de la colisión (choques) entre los electrones y las cargas positivas del metal y de las colisiones de los electrones entre sí.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

249

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar la resistencia en conductores. ¿Qué se necesita? Circuito eléctrico sencillo, trozo de papel, goma, lápiz con punta, clip, regla metálica, otros materiales que tengas a la mano. ¿Cómo hacerlo? 1. Arma el circuito eléctrico y comprueba que estén funcionando bien la pila y el foco (figura 4.22).

inferior del foco (base) con el otro extremo del clip y registra en la tabla. 3. Pon la punta del lápiz sobre la pila de forma que el grafito haga contacto con el polo positivo y pon en contacto el foco (figura 4.23). Registra. 4. Coloca un trozo de papel entre el foco y la pila y cierra el circuito. Registra lo que sucede.

Figura 4.22 Circuito eléctrico abierto.

2. Pon en contacto un extremo del clip con la parte superior de la pila y haz lo mismo con la parte

Figura 4.23 Circuito eléctrico cerrado.

5. Repite la experiencia con otros objetos, agrégalos al final de la tabla y registra lo que sucede.

Material (sí o no) Enciende el foco Buen conductor

Clip



Papel



Lápiz

6. ¿Cómo es la intensidad luminosa del foco en cada experiencia? a) Mayor en:

Mal conductor



b) Menor en: 7. Comenta con tus compañeros a qué se debe que en un caso brilla más el foco que en otros. Anota la conclusión.

8. Compara las conclusiones de tu equipo con las de los otros equipos y anota un listado con los materiales utilizados por ellos, indicando cuáles son buenos y malos conductores.

Se le llama resistencia eléctrica a la mayor o menor oposición que tienen los electrones para desplazarse a través de un conductor. Las sustancias en las que se desplazan con mayor facilidad, es decir, que presentan poca resistencia, son buenos conducto-

250

Bloque 4

res, y las sustancias que presentan resistencia muy elevada son malos conductores, llamados también aislantes o dieléctricos. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohm, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán George Simon Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre. Esta ley se enuncia de la siguiente manera: La intensidad de la corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a su resistencia. Su expresión matemática es: 1 ohm (Ω) =

1 volt (V) 1 ampere (A)

       I =

V R

Problema Con la orientación del maestro, formen equipos de tres o cuatro integrantes y resuelvan el siguiente problema. Presenten la respuesta al grupo y analícenla. Dos focos iguales, excepto porque uno de ellos tiene un filamento más delgado, se conectan a una fuente de 120 voltios. ¿Cuál de ellos brillará más? Fundamenten su respuesta.

Actividad b) ¿Qué nombre recibe el conjunto de pilas conectadas en esta forma?

¿Para qué lo hacemos? Para establecer conexiones de pilas y mediciones de voltaje. ¿Qué se necesita? Amperímetro, tres pilas, focos de 1.5 volts con contacto, alambre de cobre delgado para conexión, voltímetro. ¿Cómo hacerlo? 1. Mide la fuerza electromotriz de cada una de las pilas con el voltímetro y registra tus datos e ilustra con un esquema.

Pilas

Voltaje

a)



b)



c)



2. Conecta las pilas uniendo un polo positivo con otro positivo y negativo con negativo. Haz el esquema y registra tus datos. a) Con el voltímetro, determina el voltaje o fuerza electromotriz; con el amperímetro, la intensidad de la corriente.



Voltaje =



Intensidad =

V A

3. Conecta las pilas uniendo polos positivos con negativos. Haz el esquema y registra tus datos. Voltaje =

Intensidad =



La conexión se llama:

V A

4. Une dos pilas en serie y conéctalas a un foco, mide el voltaje. a) Conéctalas a dos focos y mide el voltaje. b) Ahora conecta tres pilas en serie a dos focos, haz el esquema y mide: Voltaje =

Intensidad =



La conexión se llama:

V A

c) ¿En qué ejercicio existe mayor voltaje?

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

251

5. Anota el tipo de conexión que tiene cada uno de los diagramas siguientes: V

V

+

I

+

V

b) Conexión en:

+

I

I

c) Conexión en:

R

Para concluir: Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados. Bibliografía: SEP (2000), “Resistencia eléctrica”, en Enseñanza de la física con tecnología, México, ILCE, pág. 115.

a) Conexión en: V

R

Factores de los cuales depende la resistencia La resistencia de un alambre conductor depende de los siguientes factores: · La longitud (L) del conductor. A mayor longitud, mayor resistencia. · El grosor o sección (S). Al aumentar la sección o grosor del cable, disminuye la resistencia. · El material que lo forma. También se demuestra experimentalmente que la resistencia depende del material de que está formado el conductor. La resistencia de un alambre conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección. L R=ρ S La constante de proporcionalidad ρ representa la resistividad del material, que no es una propiedad característica. La resistencia de un material indica la resistencia que ofrece al pasar la corriente de un conductor a aquel material en que la longitud y la sección equivalen a la unidad. En el SI se expresa en Ω m. La resistencia depende de la temperatura; hemos visto que casi todas las sustancias al aumentar su temperatura aumentan la resistencia, y esta variación es proporcional al número de grados de ascenso en la temperatura, excepto en el carbón, que al aumentar su temperatura disminuye su resistencia.

3.2 ¿Cómo se genera el magnetismo? 3.2.1 Experiencias alrededor del magnetismo producido por el movimiento de electrones Anteriormente aprendiste que existen campos magnéticos que rodean nuestro planeta y alrededor de las barras magnéticas. También sabes que si cortas un imán, tendrás dos imanes más pequeños. Pero realmente, ¿qué es un imán? ¿Cómo podemos construir un imán? ¿Con qué materiales se pueden construir? ¿Podemos construirlo de algo que no tenga magnetismo? En la actividad siguiente lo advertirás. 252

Bloque 4

Actividad

¿Se puede magnetizar un clavo? ¿Cómo hacerlo? 1. Pon un clavo de metal (nuevo) cerca de uno de los extremos de un imán de barra. Espolvorea algunas limaduras de hierro sobre el clavo. ¿Qué ocurre?

2. Retira el imán y mueve un poco el clavo. ¿Qué sucede con las limaduras de hierro?















Un clavo atraído por un metal se imanta, pudiendo formar con otros una cadena. Cada clavo adquiere un polo norte (N) y otro sur (S), llamándose a este fenómeno polarización (figura 4.24). También se dice que cada clavo queda imantado por influencia del imán. Ni siquiera es necesario que el clavo esté en contacto con el imán para que se polarice, basta que esté cerca. Al alejar el imán, desaparece el magnetismo inducido en los clavos. N

S

N S S

F'3

S N S N

S

N

N'

F3

N

N N

N'

S

S

S N

N

F2

S'

F1

F'1

S'

N

F'2

Figura 4.24 Efectos de la polarización magnética.

Tal como pasa con las fuerzas eléctricas, las fuerzas magnéticas actúan a distancia, sin que haya necesidad de que los objetos se toquen, y por eso se introduce el concepto de campo magnético para explicar su existencia (figuras 4.25 y 4.26).

Líneas de fuerza

Líneas de fuerza Se atraen

Se repelen

Figura 4.25 Enfrentamiento de dos polos magnéticos iguales, en los que se notan las líneas de inducción.

Figura 4.26 Enfrentamiento de dos polos magnéticos diferentes; observa detenidamente las líneas de inducción.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

253

El campo magnético puede hacerse visible con limaduras de hierro que forman cadenas de polarización. Las figuras obtenidas, llamadas espectros magnéticos, representan el campo magnético alrededor de los imanes. Si en el campo se coloca una pequeña brújula en diferentes lugares, puede comprobarse que siempre queda en posición tangente a las líneas formadas por las limaduras. Estas líneas representan las llamadas líneas magnéticas y su sentido es, por convención, el indicado por el polo norte de la brújula, lo que equivale a decir que las líneas magnéticas salen por el norte del imán y llegan al sur del mismo. Además, se conviene en que el número de líneas magnéticas que atraviesan a la unidad de área representa la intensidad del campo magnético. Así, donde el campo magnético es débil las líneas magnéticas quedarán muy separadas y donde sea intenso quedarán muy próximas. Al desaparecer el magnetismo del clavo, sabemos que se había generado un imán transitorio. ¿Por qué fue posible hacer un imán? ¿Podría un pedazo de plástico o un clavo de aluminio actuar de igual manera? Coméntalo con los compañeros de tu grupo y entre todos, siempre con el apoyo del maestro, elaboren una conclusión que escribirán en el pizarrón y en su libreta. El imán transitorio que fabricaste solamente funciona en presencia de un campo magnético. Con estos conocimientos, ¿podrías hacer un imán permanente? Investígalo en la actividad siguiente.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar cómo se elabora un imán permanente. ¿Qué se necesita? Dos agujas de acero para coser estambre, imán de barra, clips, botella de plástico chica, mechero de Bunsen o lámpara de alcohol y pinzas o alicates. ¿Cómo hacerlo? 1. Frota vigorosamente la aguja sobre el imán de barra, aproximadamente durante 50 ocasiones. 2. Acerca la aguja a los clips. ¿Qué sucede? De acuerdo con la teoría de los campos magnéticos, infiere cómo se generó este imán.

3. Introduce la aguja dentro de la botella y agítala durante medio minuto. Nuevamente acerca la aguja a los clips, ¿qué ocurre? Para concluir: 1. Aplica la teoría del campo magnético para explicar cómo perdió su magnetismo la aguja de acero. 2. Imanta otra aguja de acero, en seguida sujétala con las pinzas y caliéntala sobre la flama del mechero Bunsen hasta que se ponga al rojo vivo. Deja que se enfríe y acércala a los clips. ¿La aguja cambió su magnetismo? Si es así, ¿por qué?

Experimento de Oersted Durante mucho tiempo, el estudio de los fenómenos magnéticos se redujo a los originados por los imanes. Los físicos supusieron que había una relación entre la electricidad y el magnetismo y acercaron brújulas a cargas eléctricas en reposo, sin que se modificaran sus propiedades y, por otro lado, los imanes tampoco producían ningún cambio sobre los electroscopios electrizados. Un profesor danés, Hans Christian Oersted, realizó en 1820 un experimento ante sus alumnos para demostrar que no había interacción entre magnetismo y electricidad. Acercó un alambre con corriente eléctrica paralelamente a una brújula y quedó perplejo al ver moverse la brújula hasta colocarse perpendicular al alambre: había descubierto la relación entre la electricidad y el magnetismo.

254

Bloque 4

Fuerza de Lorentz Ya mencionamos que el campo magnético producido por un imán no ejerce ninguna fuerza sobre una carga eléctrica en reposo; pero si la carga se encuentra en movimiento, el cuerpo magnético ejerce una fuerza sobre ella. Esta fuerza se llama fuerza de Lorentz, en reconocimiento al destacado físico holandés Hendrick Anton Lorentz (1853-1928). La fuerza de Lorentz es el cimiento de un sinnúmero de dispositivos actuales. Por ejemplo: medidores de flujo de sangre, cinescopios de TV, motores eléctricos, amperímetros, voltímetros, etcétera. También se usa para mover cargas eléctricas y producir corriente eléctrica, que es como se alimentan los generadores de corriente que suministran de energía eléctrica a las poblaciones.

3.2.2 Inducción electromagnética Recuerda que una corriente eléctrica puede producir magnetismo. Pero, ¿es posible la situación contraria? ¿El magnetismo puede generar electricidad? Ya estudiamos que dos científicos comprobaron que esto era posible. Verifícalo mediante la actividad siguiente.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar el efecto que ejercen los imanes sobre los conductores. ¿Qué se necesita? Alambre para corriente eléctrica del número 22 (2 m), imán de barra, galvanómetro y tijeras. ¿Cómo hacerlo? 1. Deja suficiente alambre en los extremos de un cable para conectarlo a un galvanómetro y haz una bobina (enrolla el alambre) con un diámetro suficiente para que quepa un imán (figura 4.27). 2. Conecta los extremos del cable a las terminales del galvanómetro. 3. Observa el galvanómetro y haz lo siguiente: a) Coloca el imán dentro de la bobina b) Mantenlo adentro c) Saca el imán d) Coloca el imán fuera de la bobina e) Mueve el imán hacia atrás y hacia delante dentro de la bobina. ¿Qué ocurre?

Figura 4.27 Producción de corriente eléctrica con un imán.

Para concluir 1. ¿Cómo sabes si el imán produjo corriente eléctrica? 2. ¿Qué pasó cuando cambió la dirección del campo magnético?

Cuando mueves el imán dentro de la bobina, la aguja del galvanómetro se mueve a la izquierda de cero, indicando una corriente. Cuando vuelves a mover el imán, la aguja gira en la dirección opuesta, hacia la derecha de cero indicando otro valor de la corriente. Si movieras el imán hacia delante y hacia atrás, crearías una corriente que estaría cambiando de dirección.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

255

Al mover la bobina o el imán se producirá una corriente. Lo que es importante es el movimiento de uno en relación con el otro. En cualquier momento, un conductor como la bobina experimenta un cambio en el campo magnético, y se induce una corriente eléctrica en el conductor. Una corriente eléctrica producida mediante el uso de un imán se llama corriente inducida.

Motor eléctrico

I

El motor eléctrico es uno de los aparatos más importantes para el funcionamiento de casi todos los electrodomésticos, automóviles, maquinaria industrial, etcétera, que se basa en el principio de inducción, como veremos en seguida. Entre los polos de un electroimán (N-S) gira un tambor de hierro que tiene en el perímetro un n grupo de bobinas, representadas por gruesos conb ductores aislados como el a, b, c (observa la figura m e1 4.28) que da vuelta detrás del tambor y que termic r na delante en las porciones descubiertas a y c. Ese2 a tas porciones descubiertas hacen contacto eléctrico con dos pedazos de grafito, llamados escobillas N S (cuadrados negros), e1 y e2, mantenidos a presión por sendos resortes r. Las escobillas están conectaF das a una pila p. B La corriente eléctrica entra por a, sigue hacia B p atrás del tambor, de atrás del tambor sigue hacia el F I frente y después hacia la derecha hasta proseguir por c y la escobilla e2, y regresa a la pila. Figura 4.28 Esquema de un motor eléctrico. El conductor tiende a moverse hacia arriba, arrastrando en su movimiento al tambor; en cambio, la porción ab tiende a moverse hacia abajo y, por lo tanto, el tambor girará en sentido contrario a las manecillas del reloj. Al girar el tambor se desconecta el conductor abc, pero se conecta el mn; vuelve a suceder lo mismo, por lo que la rotación continúa mientras pasa corriente. Si se cambia el sentido de la corriente (o la polaridad del imán) cambia el sentido de la rotación.

3.2.3 Aplicaciones cotidianas de la inducción electromagnética En las propiedades que presenta el fenómeno de la inducción electromagnética se fundamentan múltiples aplicaciones como la grúa magnética, el telégrafo, el timbre eléctrico, el teléfono, etcétera. Con base en los principios que has aprendido en este bloque, vas a construir un aparato muy importante para el funcionamiento de infinidad de aparatos de uso continuo en todas nuestras actividades. En este caso observarás la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica.

256

Bloque 4

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para construir un motor eléctrico. Problema ¿De qué modo puedes transformar energía eléctrica en movimiento? ¿Qué se necesita? Dos metros de cable del número 22, una aguja de tejer de acero o barras delgadas de acero, 4 clavos, 2 barras de imán del número 16, cinta de aislar, lija del cero, una tabla de madera de 14 × 16 cm, aproximadamente, 2 bloques chicos de madera, batería de 6 voltios, tijeras para cortar los cables. ¿Cómo hacerlo? 1. Pela 4 cm aproximadamente del aislante en cada extremo del cable. 2. Respetando los 4 cm libres en cada extremo, haz una bobina de por lo menos 30 vueltas, enrollando el cable alrededor de un cilindro, por ejemplo

3.

4. 5.

6.

una batería. Saca la bobina del cilindro y únela con cinta. Atraviesa la aguja de tejer en la bobina teniendo cuidado en distribuir el rollo por igual a cada lado de dicha aguja (A). La bobina es la armadura. Fija con la cinta de aislar cada uno de los extremos del cable a un lado de la aguja. Esta parte del motor es el conmutador. Coloca la aguja sobre clavos atravesados (B). Fija un imán a cada uno de los bloques de madera y colócalos a cada lado del montaje, como se observa en B; asegúrate de que los polos queden acomodados en sentidos opuestos. Toma dos cables del número 16 de 30 cm de largo. Limpia los extremos de material aislante y conéctalos a cada terminal de la batería (C), sosteniendo sólo la parte aislada de cada cable, colócalo suavemente contra cada alambre del conmutador. Observa lo que sucede con la armadura.

A

B

C

Figura 4.29 El motor eléctrico es uno de los muchos ejemplos de las aplicaciones de la inducción electromagnética.

Para concluir: 1. Observa que la armadura está diseñada de manera que la corriente que pasa a través de ésta cambia de dirección a medida que rote la armadura. ¿De qué forma podrías verificar si el montaje está funcionando? 2. ¿Cuál sería la forma más fácil de iniciar la bobina? ¿Por qué?

3. Describe los principios básicos del funcionamiento del motor. 4. ¿Qué opinas? ¿Funcionaría el motor si sustituyeras la armadura con un imán permanente? Fundamenta tu respuesta.

Investigación Investigación bibliográfica Formen equipos de tres o cuatro personas para estas actividades. Observen su entorno, reflexionen e investiguen en la biblioteca los datos necesarios para que puedan hacer un estudio sobre las aplicaciones de la induc-

ción electromagnética, además de los ejemplos que ya se anotaron. Escríbanlos en su libreta. Intercambien todos los datos con sus compañeros y, con la ayuda de su maestro, comenten tanto los resultados como lo que han aprendido al realizar la actividad.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

257

Información acerca de otras aplicaciones tecnológicas de la inducción electromagnética —además de los motores eléctricos—, tales como los transformadores eléctricos, el telégrafo, el teléfono y los micrófonos, se puede encontrar en:

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/ volumen3/ciencia3/112/htm/electr.htm http://fisica-quimica.blogspot.com/2006/09/ induccin-electromagntica.html

3.3 ¡Y se hizo la luz! Las ondas electromagnéticas 3.3.1 Experiencias alrededor de la luz. Reflexión y refracción ¿Qué es la luz? Por medio del sentido de la vista somos capaces de captar la mayor parte de lo que existe y sucede a nuestro alrededor; sin embargo, en un mundo de oscuridad, de nada nos servirían nuestros ojos. A todo aquello que impresiona nuestra vista se le llama luz. La óptica es la parte de la física que se encarga del estudio de la luz. Pocas cosas son más familiares que la luz, utilizas la luz para ver, la luz te brinda información sobre las cosas que hay a tu alrededor (sobre la Tierra y el espacio); sin embargo, sin luz no existiría la fotosíntesis y como resultado no habría alimento para los animales.

Actividad 1. Investiga y describe los eclipses de Sol y de Luna. ¿Qué diferencia existe entre un eclipse total y uno parcial? 2. Cuando te miras en un espejo, ¿realmente tu imagen está detrás de él? ¿Qué te sugiere este hecho? 3. ¿Por qué las ondas de radio son invisibles? 4. ¿Cuáles son los rayos responsables del bronceado de la piel y a qué se debe? 5. Investiga y describe qué precauciones debes seguir para protegerte de los rayos ultravioleta (UV). Bibliografía: Libros de geografía, tema: eclipses. Dultzin, D.; Fierro, J.; Hacyan, S.; Herrera, M. A.; Moreno, M.; Tapia, M.; Rodríguez, L. (1997), Astronomía para Niños. Los Rincones de Lectura, SEP. Libros de física, tema: ondas. También puedes consular las siguientes páginas de Internet en español: http://www.epa.gov/sunwise/es/ninos/indice_ uv.html

258

Bloque 4

http://ymghealthinfo.org/content. asp?pageid= P04441 http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/ physical_science/magnetism/em_radio_ waves.sp.html http://matematicas.udea.edu.co/~exacta/ historias/libretos/20_ondas_de_radio.doc http://www.inaoep.mx/~rincon/radio.html http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/act_ permanentes/geografia/eclipses/eclipsesol.htm http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/ volumen3/ciencia3/112/htm/electr.htm La página de Internet http://www.maloka.org/ f2000/einsteins_legacy.html contiene información y simulaciones acerca de las características de las ondas electromagnéticas y de importantes implicaciones tecnológicas, como el funcionamiento de rayos X, escáner TAC, hornos de microondas, láseres, pantallas de televisión y pantallas de computadoras. 6. Después de comentar tus respuestas con los compañeros del grupo, guárdalas en el portafolio.

La luz que está a tu alrededor siempre ha suscitado desacuerdo entre los científicos para responder ¿qué es la luz? Los antiguos griegos creían que la luz contenía partículas que de algún modo producían la visión cuando ellas entraban al ojo. Ellos pensaban que la luz viajaba en línea recta y a grandes velocidades. Los griegos no contaban con las herramientas de nuestros científicos, pero sus ideas eran muy cercanas a nuestras ideas actuales. Alrededor del año 1500, Leonardo Da Vinci observó que la luz se reflejaba en algunas superficies (semejante a las ondas del sonido que rebotan para crear el eco). Da Vinci pensó que la luz podía tener algunas de las propiedades de las ondas. Figura 4.30 En la figura se muestra el comporAproximadamente cien años después los científicos continua- tamiento de onda en la naturaleza de la luz. ban en desacuerdo sobre la naturaleza de la luz. Algunos científicos, incluyendo a Sir Isaac Newton, pensaban que la luz viajaba como pequeñas partículas. Newton también observó que cuando un objeto como un poste se interponía en el paso de luz, parte de la luz se veía que incidía en el poste y se detenía. Atrás del poste el área oscura continuaba en completa oscuridad. Esta observación ayudó a Newton a creer que la luz viajaba como partícula. Sin embargo, el físico holandés Christian Huygens señaló que si dos haces de luz se cruzaban uno con otro, como se muestra en la figura 4.30, los haces de luz pasaban en línea recta atravesando uno al otro. Huygens nunca pensó que las partículas podían comportarse de esa manera. Por lo tanto, pensó que el comportamiento de la luz podía explicarse de una manera más sencilla si la luz se consideraba como onda. Hoy en día los científicos piensan que la luz tiene propiedades como onda y partícula, dependiendo de qué comportamiento muestre. En otras palabras, la luz se comporta como si una partícula de energía estuviera moviéndose en un modelo de onda. ¿De dónde viene la luz? Los científicos piensan que la luz se produce cuando los átomos pierden energía, y la energía extra es expulsada en forma de paquetes llamados fotones. Los haces de luz están constituidos de flujos de fotones. Newton no coGlosario nocía los fotones, pero pensaba que la luz estaba constituida por diferentes Fotón: paquete de energía tipos de partículas. Hoy, diríamos que la luz está constituida por diferenque se crea cuando un átotes tipos de fotones, cada uno de los cuales tiene diferentes cantidades de mo pierde alguna cantidad energía. Las propiedades de la onda de fotones depende de qué cantidad de energía. de energía contiene.

¿Cómo se comporta la luz?

Difracción: es el fenómeno que ocurre cuando las ondas se curvan alrededor de una barrera.

¿Alguna vez te has asustado con tu sombra o has hecho figuras con la sombra de tus manos sobre la pared? Las sombras se producen cuando la luz viaja en línea recta y se interpone un objeto. Si enciendes una luz en una habitación que esté a oscuras, podrás ver cómo los haces de luz viajan en línea recta; si un objeto se interpone en el haz de luz, se formará una sombra, la luz no rodeará el objeto. La luz se comporta como todos los movimientos ondulatorios, por ello puede presentar el fenómeno de la difracción, pero sus longitudes de onda son muy pequeñas para que los efectos de este fenómeno se noten, por lo que es necesario que los obstáculos que se presenten en su camino sean también muy pequeños. Por esta razón, para la mayor parte de los fenómenos luminosos se puede considerar que la luz se transmite en línea recta, lo que se comprueba con el ejemplo del farol. ¿Has observado alguna vez tu sombra cuando vas caminando en la noche en una calle iluminada solamente por un farol? ¿Te has acercado o alejado de ella? Cuando tú

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

259

te vas acercando al farol, la sombra está detrás de ti y cuando está alejada, tu sombra es muy larga, pero se va acortando conforme te vas acercando a la fuente de luz. Cuando ya pasaste la luz, la sombra se encuentra delante de ti y se va alargando conforme te alejas (figura 4.31). Como una consecuencia y una prueba de la transmisión rectilínea de la luz, tenemos la forFigura 4.31 Sombra producida por un farol en una calle oscura. mación de sombras y penumbras. La porción totalmente oscura o privada de luz se llama sombra y la porGlosario ción parcialmente oscurecida es la penumbra. Si se observa con atención es sencillo establecer los límites de la sombra y la penumbra de un objeto. Rayos luminosos: los rayos Observa que ni las ondas ni las partículas en la naturaleza de la luz son de luz indican en qué dirección se propaga la luz. necesarias para estudiar las sombras y la penumbra, solamente se asume Gráficamente los podemos que la luz viaja en líneas rectas; esta afirmación le ha dado preponderanrepresentar mediante líneas cia al modelo de rayo luminoso de la luz. “El modelo de rayo luminoso rectas. de la luz” dice que ésta viaja con trayectoria de línea recta, llamada rayo Haz de rayos luminosos: luminoso. agrupación de rayos que El modelo de rayo luminoso asume que un objeto iluminado envía raemite una fuente de luz. yos de luz que salen en todas direcciones en línea recta. Se forma una imagen cuando los rayos de luz inciden (chocan) sobre un objeto.

Reflexión de la luz Cuando la luz incide sobre una superficie y no la atraviesa, la dirección de propagación que lleva cambia de dirección. Cada uno de los rayos que inciden sobre la superficie se refleja y rebota contra la superficie, como lo haría una pelota que rebota sobre una pared. Rayos luminosos: son los que indican en qué dirección se propaga la luz. Haz de rayos luminosos: es una agrupación de rayos que emite una fuente de luz. La luz se origina en fuentes de energía, por ejemplo el Sol, una bombilla eléctrica, una vela encendida. La mayor parte de la luz que podemos observar es el resultado de la luz reflejada. El fenómeno de reflexión de la luz consiste en el cambio de dirección y sentido que experimentan los rayos luminosos al chocar contra una superficie.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar el fenómeno de la reflexión de la luz. ¿Qué se necesita? Peine, espejo plano, hoja de papel blanca, espejo para rasurar y espejo de automóvil. ¿Cómo hacerlo? 1. Coloca la hoja de papel sobre un espejo plano bajo la luz del Sol. Sostén el peine con los dientes en contacto con el papel, como se observa en la figura 4.32. ¿Qué sucede con la luz? 2. Coloca el espejo en forma diagonal a la trayectoria de los rayos solares y observa lo que sucede.

260

Bloque 4

a) ¿Qué les pasa a los rayos solares? b) ¿Cómo es el ángulo formado entre el papel y el espejo? c) ¿Cómo se ve tu mano derecha? d) ¿Y la izquierda? e) Escribe tu nombre en una hoja y obsérvalo sobre el espejo. ¿Cómo se ve? 3. Cambia la posición del espejo en diferentes ángulos y observa lo que sucede. Comenta con tus compañeros lo que sucede y expliquen mediante una hipótesis el fenómeno observado. Anota tu hipótesis.

4. Repite el experimento utilizando otros espejos y dibuja lo que observes. 5. Escribe otros ejemplos de superficies que hayas visto que funcionen como espejos. Para concluir: Elabora tu reporte, incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados. Figura 4.32 Reflexión de la luz.

Tipos de reflexión ¿Por qué puedes ver tu reflejo en un espejo, pero no en la pared? En ambos casos, la luz es reflejada sobre una superficie. La respuesta se relaciona con la manera en que se refleja la luz. El tipo de superficie determina la clase de reflexión que se forma cuando la luz choca contra ella. Un trozo de vidrio tiene una superficie lisa y pulida. Todos los rayos llegan al vidrio e inciden con su superficie formando el mismo ángulo. Este tipo de reflexión se llama reflexión regular. La superficie de una pared no es lisa ni pulida y, aunque esto puede sorprenderte porque piensas que la pared aparentemente tiene una superficie lisa, si la observas con una lupa te darás cuenta que su superficie es irregular debido a los materiales con que está hecha; debido a esto, los rayos luminosos, al incidir en la superficie, presentan ángulos diferentes al reflejarse. Cada rayo se refleja en un ángulo distinto, por lo que se diseminan en todas direcciones. Este fenómeno se llama difusión de la luz (figura 4.34). La mayor parte de los cuerpos tienen superficies irregulares, por lo que reflejan la luz en forma difusa, desviando los rayos luminosos en diferentes direcciones. Los espejos son cuerpos que tienen su superficie lisa y pulida, por eso reflejan la luz en forma regular. El fenómeno de la reflexión de la luz se basa en las dos leyes siguientes (figura 4.33): Primera ley: El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en un mismo plano. Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reÁngulo de Ángulo de flexión. incidencia reflexión Rayo incidente: es el rayo que incide (llega) en el espejo y el rayo reflejado es el que sale de él. La normal es una línea imagiRayo naria perpendicular al espejo en el punto de incidencia. El ángulo de luz de incidencia es el ángulo formado por el rayo incidente con la Espejo plano normal y el ángulo de reflexión es el ángulo que se forma con la normal y el rayo reflejado. Los espejos se clasifican en tres clases principales: planos, cóncavos y convexos. Los espejos planos constituyen el tipo más familiar (son los que normalmente tenemos en casa). Figura 4.33 Leyes de la reflexión.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

261

Rayos reflejados

Superficie suave Reflejo difuso

Reflejo regular

Rayos reflejados

Rayos reflejados

Superficie suave

Superficie irregular

Figura 4.34 Reflexión de la luz en superficies pulidas e irregulares.

Reflejo difuso

Espejos planos Cuando en un espejo plano se ve un cuerpo, los rayos luminosos que inciden sobre el cuerpo se reflejan en la superficie del espejo, siendo percibidos por nuestros ojos (figuras 4.34, 4.35 y 4.36). Se forma una imagen virtual que parece que se encuentra Rayos atrás del espejo (figura 4.37). reflejados

Superficie irregular

Figura 4.35 Cuando la superficie es rugosa, los rayos se reflejan en diferentes direcciones.

Figura 4.36 En las superficies pulidas, los rayos luminosos se reflejan en la misma dirección.

Espejo plano Rayos incidentes Reflejo en el espejo

La imagen virtual aparece detrás del espejo

Objeto

Ojo Figura 4.37 Formación de imágenes en espejos planos.

262

Imagen opuesta Rayos reflejados

Bloque 4

Rayos reflejados

Espejos cóncavos y convexos Los rayos luminosos paralelos al eje principal que inciden sobre un espejo cóncavo (interior de la esfera), al reflejarse inciden sobre el foco principal que se localiza frente al espejo, formando una imagen real e invertida (figura 4.38). Los rayos luminosos paralelos al eje principal que inciden sobre un espejo convexo (parte externa de la esfera), se dispersan al reflejarse. Teóricamente se unen en un foco principal situado al otro lado del espejo. Los espejos y lentes divergentes forman imágenes virtuales sobre el foco principal. CÓNCAVO Rayos reflejados

CONVEXO

Imagen real en el foco principal Rayos reflejados

Rayos incidentes

Imagen virtual en el foco principal

Rayos incidentes Distancia focal

Distancia focal

Figura 4.38 Formación de imágenes en espejos cóncavos y convexos.

Glosario

Refracción de la luz ¿Alguna vez has introducido una cuchara en un vaso de agua? Como te habrás dado cuenta, parece que está rota o doblada; sin embargo, como la luz viaja en línea recta, cuando pasa de una sustancia transparente, como el aire, a otra, como el agua o el vidrio, cambia de dirección. Esto sucede porque las ondas cambian de velocidad cuando atraviesan diferentes tipos de materiales. Este fenómeno se llama refracción. Por ejemplo, del aire al vidrio. Esta desviación se debe al cambio de la velocidad de la luz al entrar al segundo medio.

Refracción de la luz: cambio de dirección que sufre un rayo luminoso al pasar por la superficie de separación de un medio transparente a otro de distinta densidad (índice de refracción).

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para observar el fenómeno de la refracción de la luz. ¿Qué se necesita? Cartoncillo negro, recipiente de paredes opacas, vaso con agua, lápices, lámpara sorda, varilla, moneda y lámina plana metálica.

¿Cómo hacerlo? 1. Coloca la varilla dentro del vaso con agua, observa y describe el fenómeno (figura 4.39). Completa los esquemas que a continuación se dan.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

263

2. Repite el experimento usando tu lápiz y el de tus compañeros. 3. Introduce la lámina dentro del vaso con agua y con la lámpara encendida, a la que previamente se le coloca un círculo de cartoncillo negro con una ranura, dirige un rayo luminoso a la placa. Observa y dibuja (figura 4.40). Figura 4.39 Refracción de la luz. Lámpara

Lámina

Cartoncillo negro Ranura

Rayo incidente Lámpara

Agua

Completa el rayo refractado

Figura 4.40 Los rayos luminosos se refractan al pasar del aire al agua.

4. Pon una moneda en el recipiente de paredes opacas y sitúate detrás de él, de manera que el borde del recipiente oculte la moneda, pide a un compa-

ñero de tu equipo que llene el recipiente de agua y observa la figura 4.41. Completa el esquema dibujando los rayos correspondientes.

Figura 4.41 ¿En dónde se encuentra la moneda?

5. ¿En qué consiste el fenómeno de la refracción de la luz?

264

Bloque 4

Para concluir: Elabora tu reporte incluyendo tus observaciones detalladas y las conclusiones obtenidas después de analizar los resultados. Por medio de una discusión dirigida por el maestro, comenten con el grupo lo que entienden sobre refracción de la luz y determinen cuál es la conclusión general del grupo sobre lo que han aprendido acerca de este tema.

Espejismos

Glosario Quizás cuando has viajado en carretera durante un día seco hayas visto enfrente de ti un charco de agua sobre el asfalto; pero cuando llegas a ese luÍndice de refracción: es la gar te das cuenta que no hay nada, y ves otro charco de agua enfrente pero relación resultante entre más lejos. El charco desaparecido es un tipo de espejismo, no tan conocido la velocidad de la luz en el aire con la velocidad de la como los famosos espejismos del desierto que se ven en algunas películas. luz en otro material. Un espejismo es un ejemplo de refracción de la luz debido a la atmósfera terrestre. El índice de refracción del aire depende de la temperatura del aire. Cuando la luz pasa de una zona con aire a determinada temperatura a otra zona con otra temperatura, sufre una desviación, y cuanto mayor es el cambio de temperatura mayor es la desviación.

Refracción en las lentes Si utilizas anteojos para ver mejor o alguien que conozcas los utiliza, estarás familiarizado con la refracción. Una lente es una pieza curva de vidrio plástico o cualquier otro material transparente que refracta la luz al pasar a través de ella. Como las lentes tienen diferentes usos porque refractan la luz de distintas formas, no todas las lentes son iguales. Las lentes son cuerpos transparentes, limitadas por dos superficies, una de las cuales, como mínimo, debe ser esférica. Las lentes esféricas son de dos clases: cóncavas y convexas. En ambos casos una de las caras puede ser plana (figura 4.42).

Biconvexa

Cóncava A convexa

Plano convexa

Bicóncava

Convexo cóncava

Plano cóncava

B

Figura 4.42 Lentes cóncavas y convexas.

Una lente convexa es más gruesa en el centro, adelgazándose hacia los bordes. Una lente cóncava es más delgada en el centro y se va engrosando hacia los bordes. Como las superficies de las lentes convexas refractan los rayos luminosos de tal manera que converjan (se unan), también se llaman lentes convergentes. Y las lentes cóncavas que refractan los rayos luminosos, de tal forma que diverjan (se separan), también se llaman lentes divergentes (figura 4.43). Lente convergente

F

O

Lente divergente

F´

C´

C

F

O

F´

C

Figura 4.43 Refracción en las lentes.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

265

C´

Algebraicamente, se puede calcular el lugar en donde se forma la imagen utilizando la ecuación matemática de las lentes: 1 f

=

1 d0

+

1 d1

donde: f = lugar donde se forma la imagen d0 = distancia a la que se encuentra el objeto de la lente d1 = distancia focal

Actividad Una lente de aumento es una lente simple. Explica cómo puede utilizarse para magnificar los objetos y dibuja un diagrama que muestre cómo estos rayos luminosos atraviesan estas lentes. • Utiliza el método gráfico para determinar la posición de la imagen en un objeto, colocado a 7 cm de una lente convergente de 2 cm de distancia focal y 1.5 cm de altura.

• En equipo, investiga y describe algunas aplicaciones de la refracción de la luz. • ¿Cómo explicas la formación del arco iris después de una tormenta? • Compara tus resultados con los de tus compañeros. Si existe alguna discrepancia, analícenla y encuentren a qué se debió. • Escriban si existió alguna dificultad para realizar el ejercicio y cómo la superaron.

3.3.2 Emisión de ondas electromagnéticas ¿Qué tienen en común los rayos X de un consultorio médico con los rayos solares? ¿Son diferentes o están relacionados de alguna manera? ¿Te ha sorprendido lo que has aprendido sobre las ondas? Las puedes ver, sentir, escuchar; pero no todas se pueden percibir directamente con los sentidos. Existe otro tipo de ondas electromagnéticas, como son las ondas de radio, que incluyen las microondas y las que utilizamos en las comunicaciones (para emisiones de radio, televisión, telégrafo, teléfonos celulares, comunicaciones militares, comunicación espacial, radioaficionados, sistemas de navegación, redes inalámbricas en la computadora, entre otras), los rayos infrarrojos, el espectro visible y los rayos gamma. Las ondas electromagnéticas pueden viajar a través del espacio vacío o a través de la materia y son producidas por partículas cargadas que están en movimiento. Una onda electromagnética tiene un campo eléctrico y un campo magnético. Esos campos son campos de fuerzas. Un campo de fuerza permite que un objeto ejerza una fuerza sobre otro objeto sin tocarse. Como recordarás, los polos de los imanes se repelen o atraen. Cada imán ejerce una fuerza sobre el otro cuando ellos se encuentran separados cierta distancia porque cada imán está rodeado por un campo de fuerza llamado campo magnético. Un campo magnético provoca que el otro imán se alinee a lo largo de la dirección del campo magnético. Los átomos contienen protones, neutrones y electrones. Los electrones y protones tienen una propiedad llamada carga eléctrica. La carga eléctrica del protón es positiva y la del electrón negativa. Una onda electromagnética esta compuesta por campos eléctricos y magnéticos. Una partícula cargada siempre está rodeada por un campo eléctrico. Pero una partícula cargada que está moviéndose, también se encuentra rodeada por un campo magnético. Cuando una partícula cargada vibra por moverse hacia delante y hacia 266

Bloque 4

atrás, se producen cambios en los campos eléctricos magnéticos que alejan a otras partículas cargadas. Esos cambios en los campos viajan en muchas direcciones formando una onda electromagnética. Recordando la última teoría atómica, los electrones se mueven a diferentes distancias de acuerdo con la cantidad de energía que tienen, pero un electrón puede absorber más energía que lo ayudará a moverse de una posición a otra; sin embargo, esta posición no es estable porque el electrón no puede quedarse en esta nueva posición por mucho tiempo. Eventualmente, otra forma de decirlo es que el electrón perderá la energía extra y regresará a su posición inicial creando con su vibración campos eléctricos y magnéticos. Otro tipo de ondas electromagnéticas también es emitido por átomos. Por ejemplo, cuando los electrones vibran en una antena se producen las ondas de radio. Los rayos X se producen cuando los electrones son bombardeados por rayos gamma que les dan energía extra provocando colisiones entre ellos. La velocidad de las ondas electromagnéticas es de 300 millones de metros por segundo (m/s) en el vacío.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para reflexionar sobre las interferencias que ocasionan los aparatos eléctricos.

cinco objetos que produzcan ondas electromagnéticas.

¿Qué se necesita? Radio portátil de baterías, electrodomésticos.



¿Cómo hacerlo? 1. Sintoniza el radio portátil entre dos estaciones de tal forma que solamente escuches el ruido. 2. Camina alrededor de tu casa, llevando el radio. Con anterioridad pide a una persona que prenda y apague algunos aparatos como una lámpara, licuadora, lavadora, la televisión u otro cualquiera. 3. Ya sabes que el funcionamiento de tales aparatos depende del movimiento de las cargas eléctricas o de los efectos de los campos magnéticos. ¿Por qué será que la electricidad o el magnetismo se encuentran relacionados con lo que escuchaste en el radio? Explica.









4. ¿Qué papel juegan en tu vida las ondas electromagnéticas?



2. Describe qué tipo de ondas electromagnéticas produce cada objeto. 3. ¿Qué tipo de ondas electromagnéticas es más común en tu lista?







Para concluir: Responde las preguntas siguientes: 1. En casa observa a tu alrededor los aparatos e instrumentos que se utilizan diariamente. Nombra

5. Explica en seguida tus respuestas; coméntalas con el grupo y con la orientación de tu maestro lleguen a una conclusión final, que anotarán en el pizarrón y en su libreta.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

267

3.3.3 Espectro electromagnético

a

a cre

c re

Para impulsar un satélite hacia una órbita alrededor de la Tierra se necesita de la energía del motor de un cohete. Tú ya conoces la manera de aumentar la energía de un electrón, sabes que se tiene que suministrar energía alto voltaje. Cambio en eleléctrica deCambio en el campo eléctrico También se aumenta su energía al suministrarle radiación electromagnética, conocida campo eléctrico Cambio en la como energía radiante. corriente La energía radiante se desplaza en forma de ondas que poseen propiedades tanto eléctricas como magnéticas (figura 4.44). Estas ondas electromagnéticas pueden viajar en el vacío (a través del espacio), así como la energía que irradia el Sol viaja hacia la Tierra a través del espacio. Las ondas electromagnéticas se desplazan a una velocidad etcétera de 300 millones de metros cada segundo (figura 4.45). cre a

cre a

a cre

Cambio en el campo magnético

Cambio en el campo magnético

Fuente

Campo magnético

Campo eléctrico

Campo magnético Campo eléctrico

Figura 4.44 Esta imagen muestra cómo una carga eléctrica oscilante produce campos eléctricos y magnéticos combinados, las ondas electromagnéticas.

Cambio en el campo eléctrico

c re

a

a

cre

Cambio en la corriente

Cambio en el campo eléctrico

Dirección de la onda

a cre

cre

a

a cre

Cambio en el campo magnético

Cambio en el campo magnético

268

Bloque 4

etcétera

Figura 4.45 Los campos eléctricos y magnéticos, que cambian constantemente, se combinan para formar una onda electromagnética.

La radiación electromagnética incluye ondas de radio que llevan las transmisiones hasta tu aparato de radio y televisión, la radiación de microondas que se utiliza para cocer los alimentos en el horno de microondas, la energía calorífica que se usa para tostar el pan, y la forma más común, la luz visible. Todas las formas mencionadas de energía radiante son parte de un intervalo completo de radiación electromagnética denominado espectro electromagnético (figura 4.46).

Frecuencia (f) en hertz

Espectro electromagnético

Rayos gamma Rayos X

Radiación ultravioleta Luz visible

Radiación infrarroja

Figura 4.46 Frecuencias de ondas electromagnéticas percibidas por diferentes medios.

10

23

10

−15

10

22

10

−14

10

21

10

−13

10

20

10

−12

10

19

10

−11

10

18

10

−10

10

17

10

−9

10

16

10

−8

10

15

10

−7

10

14

10

−6

10

13

10

−5

10

12

10

−4

10

11

10

−3

10

10

10

−2

10

9

10

−1

UHF VHF

10

8

1

Onda corta

10

7

10

Onda media

10

6

10

2

Onda larga

10

5

10

3

10

4

10

4

10

3

10

5

Microondas

Ondas de radio

Longitud de onda (λ)

Para saber más

La aurora boreal Se sabe que las auroras boreales se forman debido al viento solar, que es un flujo continuo de electrones y protones provenientes del Sol. Estas partículas, con elevada energía y con carga eléctrica, son atrapadas por el campo magnético de la Tierra, y penetran a la ionosfera. Una vez allí, chocan con moléculas de oxígeno y nitrógeno y les transfieren energía. La energía hace que los electrones de estos átomos y moléculas se trasladen hacia niveles de mayor energía. Cuando los electrones regresan a los niveles de menor energía liberan en forma de luz la energía absorbida (figura 4.47). La aurora boreal solamente se ve en latitudes polares debido a la magnitud magnética de la Tierra en esas zonas. Como estas líneas surgen de la Tierra cercana a los polos magnéticos, es ahí donde las partículas interactúan con el oxígeno y el nitrógeno para producir ese maravilloso espectáculo luminoso. También se forman auroras en latitudes extremas del sur, fenómeno denominado aurora austral.

Figura 4.47 Auroras boreales. Como el campo magnético terrestre se extiende por todo el planeta, retiene muchas partículas cargadas que llegan del espacio (del Sol principalmente) y que podrían ser muy peligrosas para la vida si llegaran a la superficie. Esta retención de partículas explica fenómenos tan grandiosos y espectaculares como las auroras boreales.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

269

3.3.4 La luz como onda electromagnética Baja frecuencia

Longitud de onda

La luz es En una de las diversas formas de energía ondulatoria llaun segundo mada radiación electromagnética. Igual que todas las ondas, las ondas electromagnéticas pueden describirse mediante su frecuencia, su longitud de onda y su velocidad (figura 4.48). Cada vez que vibra la fuente de una onda electromagnética crea una onda que se aleja de la fuente a la velocidad de la luz, es decir, a 300 000 000 m/s. Alta frecuencia

Fuente

Figura 4.48 La longitud de una onda es la distancia que existe desde un punto de una onda hasta el mismo punto de la siguiente onda.

Frecuencia: más veces por segundo vibre una carga En un Mientras segundo eléctrica, tanto más alta será la frecuencia de la onda electromagnética emitida. Debido a que la onda electromagnética se propaga a una velocidad constante, su longitud de onda es inversamente proporcional a su frecuencia. Puedes obtener la relación entre frecuencia, longitud de onda y velocidad al utilizar las unidades en que se mide cada una. La velocidad es igual a la distancia recorrida entre el tiempo empleado en metros sobre segundo (m/s). Velocidad =

distancia tiempo

La longitud de onda (λ) se expresa en metros, y sabemos que la frecuencia es el número de ondas por segundo, expresada en hertz. Un hertz es 1/s Por lo tanto, tenemos: velocidad = longitud de onda × frecuencia V=λf

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprender cómo funciona un espectroscopio y conocer cuáles son los elementos emisores de la luz. ¿Qué se necesita? (por equipo) Caja de cereal mediana, disco compacto en buenas condiciones, tijeras, regla graduada, transportador, cinta plateada para sellar cajas (para todo el grupo), lámpara de mano incandescente y lámpara de mano fluorescente. ¿Cómo hacerlo? 1. Toma la caja y en una de las esquinas levanta las tapas rectangulares y corta una tapa cuadrada, después cierra las tapas rectangulares y marca un ángulo de 60º en ambas caras laterales y haz unas ranuras, como se muestra en la figura 4.49a.

270

Bloque 4

Figura 4.49a Secuencia de la elaboración de un espectroscopio para conocer la emisión de la luz.

2. Por el otro extremo, haz una ranura a una de las tapas rectangulares, como se muestra en la figura 4.49b.

5. Ahora coloca tu cara de manera que tu ojo vea el CD y tape la ventana completamente. Así no entrará la luz por este lado (figura 4.49e).

Figura 4.49b

3. Sella todas las tapas con cinta plateada. Ahora introduce el CD en las ranuras con el lado más brillante hacia arriba.

Figura 4.49c

4. Sella la unión entre el CD y la caja, de manera que no entre luz por estas ranuras y el CD quede bien fijo, como en la figura 4.49d y todas las uniones que encuentres.

Figura 4.49d

Figura 4.49e

6. Uno de tus compañeros debe apuntar con la lámpara encendida hacia la ranura, gira y mueve delicadamente el espectroscopio hasta encontrar un “espectro” (como un arco iris) brillante y claro. 7. Ahora cambia la lámpara de luz incandescente por una fuente de luz fluorescente. ¿Qué sucede? Anoten sus observaciones. Para concluir: 1. Dibujen los espectros que obtuvieron en su libreta, comenten sus observaciones y escríbanlas. 2. Entre todos elaboren una conclusión final que anotarán en el pizarrón y en su libreta. 3. En casa pueden probar con distintas fuentes de luz como la de la iluminación pública, la de los rótulos luminosos de colores de las calles, las de los anuncios, etcétera. Nunca veas al Sol directamente porque puedes lastimarte la vista. Para observar su espectro sólo tienes que apuntar hacia una superficie blanca iluminada.

3.3.5 Propagación de las ondas electromagnéticas Los experimentos que realizaste en este bloque te demostraron que la propagación de la luz es rectilínea, siempre y cuando no cambie de medio de propagación. La luz es una de las diversas formas de radiación electromagnética. Otras formas son las radioeléctricas, microondas. ¿Qué otras puedes nombrar? Las ondas electromagnéticas se propagan en forma de ondas generadas por campos magnéticos y eléctricos oscilantes (vibran). Estos campos presentan una posición en el ángulo recto entre sí y en relación con la dirección de las ondas. Se propagan en forma de ondas transversales. Si tomas un rollo de serpentina y lo sueltas sosteniéndolo en lo alto de un extremo, habrás obtenido una figura similar a una onda transversal.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

271

Características generales de la energía radiante: · Todo tipo de energía radiante está en movimiento. · La radiación electromagnética se propaga con una velocidad aproximada de 300 000 km/s (valor determinado por James Clerk Maxwell). · La energía radiante se propaga con diferentes frecuencias, y se mide en hertz. · Estas ondas de radiación están descritas por la longitud de onda, frecuencia y amplitud. Todas las ondas electromagnéticas se desplazan con la misma rapidez en el espacio; pero son distintas en longitud, frecuencia y amplitud. Las frecuencias y longitudes de diferentes clases de ondas electromagnéticas son la causa de los distintos tipos de energía radiante. Además, como su nombre lo dice, una onda electromagnética tiene propiedades eléctricas y magnéticas.

Actividad

Recibiendo ondas radiofónicas ¿Para qué lo hacemos? Para conocer si las ondas de radio realmente se encuentran en todas partes. ¿Qué se necesita? Rollo de papel aluminio extragrueso, radio portátil chico, un paraguas con varillas y mango de metal. ¿Cómo hacerlo? 1. Abre el paraguas y cubre con el papel aluminio cada sector del paraguas como se muestra en la figura 4.50a, procurando que los rayos del paraguas no se cubran.

3. Mueve el botón para buscar la estación de radio hacia la izquierda y enciende la radio. Mueve lentamente el botón para sincronizar la estación de radio hacia la derecha y busca 6 estaciones de radio. Escribe el número de cada estación en tu tabla. 4. Regresa a la primera estación de tu tabla y mueve el radio hasta que obtengas la mejor emisión posible de esta estación de radio. 5. Ahora coloca el paraguas atrás del radio de manera que las caras cubiertas de aluminio estén hacia el radio. Mueve lentamente el paraguas acercándolo o alejándolo del radio hasta que encuentres el punto donde el sonido es mejor para escuchar la estación de radio (figura 4.50b).

Figura 4.50a

2. ¿Cuál crees que sea el propósito del paraguas forrado con el papel aluminio?

Figura 4.50b

272

Bloque 4

6. Ahora coloca el paraguas frente a la radio hasta que sus sectores cubiertos se encuentren lejos del radio. Lentamente acerca o aleja la sombrilla del radio hasta que encuentres el punto donde se escuche mejor la estación (figura 4.50c).

Figura 4.50c

7. Decide ahora si el sonido de la estación de radio es mejor cuando la cubierta de aluminio está fren-

te a la radio o cuando la otra cara del paraguas se encuentra frente al radio. 8. Repite del paso 5 al paso 8 para sintonizar las otras estaciones de radio. Para concluir: 1. ¿Qué papel desempeña el paraguas respecto al radio? 2. ¿De qué manera se incrementa la recepción de radio cuando los sectores del paraguas forrados de aluminio se encuentran frente al radio o cuando la otra cara está frente al radio? 3. ¿Qué pasaría cuando las ondas de radio en el aire se encuentran con el aluminio? 4. ¿Tus resultados cambiarían si en lugar de papel aluminio utilizaras papel encerado? Fundamenta tu respuesta.

3.3.6 Arco iris ¿Has visto alguna vez un hermoso arco iris o sus brillantes colores cuando un rayo de Sol atraviesa una ventana, un vaso de vidrio o un diamante? ¿Te has preguntado cómo se forma el arco iris? Como ya hemos estudiado, la luz blanca la forman los colores visibles. A cada color le corresponde una longitud de onda. Cuando la luz blanca pasa por un ángulo cruzando de un medio como el aire a otro, su velocidad cambia y se refracta. Cada longitud de onda es refractada a diferente distancia, y aunque la variación es pequeña es suficiente para separar las ondas de longitud de un haz de luz blanca. El rojo tiene la longitud de onda más grande y es el que menos se refracta, el violeta tiene la longitud de onda más pequeña y es el que más se refracta. El resultado de la separación de colores de un haz de luz blanca son los colores del espectro visible, el cual aparece siempre en el mismo orden (rojo, naranja, amarillo, verde azul, índigo y violeta). Este proceso se llama dispersión. Si se combinaran nuevamente los colores del espectro formarían un haz de luz blanca. La pieza de vidrio que separa los colores de la luz blanca se llama prisma. Observa que la luz se inclina cuando entra al prisma y luego al dejarlo y pasar nuevamente al aire. La inclinación ocurre cuando la luz deja el prisma porque la velocidad de la luz cambia al pasar del vidrio al aire. Un arco iris real se produce cuando las diminutas gotas de agua que hay en el aire actúan como un prisma (figura 4.51). Cuando tenemos al Sol a nuestra espalda y llueve enfrente de nosotros, podemos ver un arco iris. Esto se debe a que los rayos del Sol penetran las pequeñas gotas de lluvia y se refleja una parte en la zona posterior de ellas.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

Figura 4.51 El arco iris es un fenómeno electromagnético.

273

Figura 4.52 El rayo de luz del Sol atraviesa una gota de agua.

Sin embargo, la luz presenta también otros fenómenos. Como la luz blanca del Sol está constituida por diferentes colores, cuando pasa por la gota los colores presentan diferentes comportamientos; por ejemplo: el violeta se desvía (refracta) más que el rojo. Los demás colores presentan una desviación intermedia entre esos dos extremos (figura 4.52). Cuando de una gota percibimos el color azul, entonces no podremos ver los otros, debido a que emergen en una dirección ligeramente diferente. Has de saber que el arco iris realmente es circular, pero no podemos observar su parte baja porque las gotitas de lluvia que refractan la luz solar se encuentran sobre la Tierra. Debido a eso, creemos que el arco iris tiene la forma de arco.

Actividad

Arco iris personal ¿Para qué lo hacemos? Para comprobar que la luz blanca (así nos referimos a la luz que emite el Sol) es en realidad una combinación de luces de varios colores.

4. Coloca la hoja blanca frente al espejo que sale de la superficie y muévelo hasta que puedas ver la luz reflejada sobre ella (figura 4.53b).

¿Qué se necesita? (por equipo) Un recipiente de vidrio transparente, una hoja de papel blanco, agua, espejo más pequeño que el recipiente, piedra, lápices de color y una lámpara de mano. ¿Cómo hacerlo? 1. Llenen el recipiente con agua. 2. Coloca el espejo inclinado sobre un borde del recipiente, pon la piedra en la parte inferior del espejo para evitar que se deslice. 3. Con la lámpara de mano encendida dirige el haz de luz hacia la parte del espejo que está sumergida en el agua (figura 4.53a).

Figura 4.53a

274

Bloque 4

Figura 4.53b

Para concluir: 1. Dibujen en su cuaderno lo que observaron, siguiendo el orden en que aparecen los colores. 2. Expliquen qué sucedió. 3. Comenten y discutan sus respuestas en forma grupal. 4. Comparen su estrategia y resultados con los de otros compañeros; con la ayuda del maestro, discutan sobre los beneficios y dificultades del cambio de estado físico estudiado y elabora tus conclusiones sobre la formación del arco iris, y anótalas en el cuaderno. Se recomienda proyectar el video “Descubriendo la historia/Grandes inventores/Einstein/Ford/Edison/ DVD.

PROYECTO 1

4. Proyectos de integración y aplicación. Investigar, imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar Proyecto 1 ¿Cómo se genera la electricidad que utilizamos en casa? La electricidad es una forma de energía que se encuentra en la naturaleza. Las primeras poblaciones se construyeron junto a ríos y cascadas que daban vuelta a las ruedas de molinos impulsadas por agua para realizar el trabajo. Antes de que se empezara a utilizar la energía eléctrica, las casas se iluminaban con las lámparas de aceite o gas, los alimentos se guardaban en hieleras y los cuartos se calentaban con las estufas o anafres donde se quemaba carbón, madera o papel. En 1752, Benjamín Franklin empezó a experimentar y estudiar la electricidad en Philadelphia, Estados Unidos. Después, Thomas Alva Edison ayudó a cambiar la vida de todos al perfeccionar uno de sus inventos, el foco de luz eléctrica. Antes de 1879, la electricidad en forma de corriente directa (CC) se utilizó para encender las luces de un arco al aire libre. En 1882, Nikola Tesla inventó alternadores para la transmisión, y la utilización de la electricidad en forma de corriente alterna (CA), que se transmite a mayor distancia que la corriente directa. Muchos de los inventos de Tesla usaron electricidad para iluminar hogares o para hacer funcionar máquinas industriales. Sin embargo, a pesar de la importancia que significa contar con energía eléctrica, en muy pocas ocasiones nos ponemos a pensar cómo sería nuestra vida sin electricidad. Todos los días usamos electricidad para tener una vida más confortable, por ejemplo al iluminar nuestros hogares, al prender la radio, la televisión y la computadora. La electricidad es una forma de energía que se puede controlar y se transforma en calor, luz y otras formas de energía, ¿recuerdas algunas?

Pero, ¿qué es la electricidad? Como ya estudiamos, la electricidad es una forma de energía que se produce debido al movimiento de cargas eléctricas dentro de los átomos. Las partículas llamadas protones tienen cargas positivas y alrededor de ellas se encuentran los electrones, con cargas negativas. Por lo general, ambas cargas están en equilibrio. Sin embargo, cuando se aplica una fuerza capaz de mover los electrones de un átomo a otro se produce la corriente eléctrica, que se mueve a través de un cable y se le llama electricidad. La electricidad es una de las formas de energía más prácticas debido a que fluye hasta los lugares donde la necesitamos o queremos y se puede transformar en otras formas de energía, como luminosa, calórica, mecánica, etcétera. Las fuentes de energía que utilizamos para producir electricidad pueden ser renovables o no renovables, pero la electricidad, no es ni renovable o no renovable. La electricidad se produce en centrales eléctricas, que se encuentran muy lejos de los lugares donde se consume; estas centrales eléctricas transforman la energía mecánica en energía eléctrica de fuerza media, o medio voltaje, por medio de una turbina, motor, rueda de agua, o de otra máquina similar (generador eléctrico) capaz de convertir la energía mecánica o química en electricidad. Después de convertirse en electricidad, pasa a un transformador, que cambia a una corriente eléctrica alterna y viajará por medio del tendido eléctrico. La electricidad se transforma nuevamente en formas de voltaje más bajo para su uso comercial, industrial y doméstico.

Para saber más La mayoría de las centrales eléctricas tienen una eficiencia de 35%, lo que significa que de cada 100 uni-

dades de energía que entren en la planta sólo 35 se convierten a energía eléctrica útil.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

275

PROYECTOS En México, la generación eléctrica se basa en los hidrocarburos, que producen el 71.8% de la electricidad total. Durante 2004, la generación de las centrales de ciclo combinado superó ligeramente a la generación eléctrica de las centrales de combustóleo y/o gas (vapor), turbogás y combustión interna. En el mismo año, la tecnología de fuentes alternas generó 58 737 GWh de energía eléctrica, dentro de las cuales, las centrales hidroeléctricas representan la mayor participación de generación, con 42.7% respecto al total de fuentes de energía alternas. Desde 2006, la generación de energía eléctrica en México se realiza en centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, eólicas y una nuclear. Referente al consumo de combustibles para generación eléctrica, las centrales eléctricas en México utilizan diferentes combustibles: las centrales de vapor consumen combustóleo y/o gas natural; las centrales de ciclo

combinado consumen gas natural; las centrales de turbogás consumen gas natural o diesel, las duales consumen carbón y combustóleo y las centrales de combustión interna en su mayoría consumen diesel. La electricidad se mide en unidades de energía llamados watts, nombrada así en honor de James Watt, el inventor del motor de vapor. Un watt es una cantidad muy pequeña de energía. Se necesitan casi 750 watts para alcanzar un caballo de fuerza. Un kilowatt son 1 000 watts. Un kilowatt-hora (kWh) es igual a la energía de 1 000 watts-hora. La cantidad de electricidad que una central eléctrica genera o los usos de un consumidor durante determinado tiempo se miden en kilowatts-hora (kWH). Los kilowatts-hora se calculan multiplicando el número de los kilowatts requeridos por el número de horas del uso. Por ejemplo, si utilizas un foco de 40 watts durante 5 horas por día, habrás utilizado 200 watts de energía, o 0.2 kilowatts-hora de energía eléctrica.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para conocer y comprender cómo se genera la electricidad en México. Con el apoyo del maestro, formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. A cada equipo le será asignado uno de los temas a investigar. ¿Qué se necesita? Libros, revistas, mapas, Internet, colores, tijeras, pegamento, etcétera. ¿Cómo hacerlo? 1. Busquen información sobre las centrales de generación eléctrica en México: a) Centrales hidroeléctricas b) Termoeléctricas c) Centrales eólicas d) Centrales nucleares e) Carboeléctricas f) Ciclo combinado g) Turbogás h) Combustión interna (diesel) i) Geotérmicas Se sugiere acceder a la siguiente liga: http://www.cfe.gob.mx/es/LaEmpresa/ generacionelectricidad/lisctralesgeneradoras/ 2. Asegúrense de contestar las preguntas siguientes: a) ¿Cómo trabajan?

276

Bloque 4

b) ¿Qué fuentes de energía primaria utilizan? c) ¿Dónde están ubicadas? d) ¿Qué ventajas y desventajas ofrece cada una? e) ¿Qué impacto ambiental tiene cada una? f) ¿Qué impacto económico tiene cada una? g) ¿Qué futuro tiene cada tipo de central? h) ¿Existen algunas circunstancias inusuales o interesantes en torno a estas centrales eléctricas? i) ¿Se está proyectando la construcción de nuevas centrales y en dónde? Para concluir: 1. Escriban los resultados en la libreta e ilústrenla. a) Cada equipo explicará oralmente lo que haya investigado. b) Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas comenten los resultados de lo que han aprendido al realizar esta actividad. c) Entre todos elaboren una conclusión final sobre la importancia de la construcción de centrales eléctricas, así como sobre la repercusión de las fuentes de energía que se utiliza en ellas para la generación de energía. Anótenla en el pizarrón y en su libreta. 2. Escribe un ensayo sobre cómo piensas que las fuentes de energía alterna o renovables han afectado la construcción de este tipo de centrales eléctricas y su repercusión en el medio ambiente.

PROYECTO 2 Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprender la importancia de las normas de seguridad cuando utilizamos la energía eléctrica. Como ya comentamos, la energía eléctrica es uno de los tipos de energía más utilizados en nuestra sociedad, pero la electricidad es peligrosa si no se usa adecuadamente. ¿Qué se necesita? Libros, revistas, mapas, internet, colores, tijeras, pegamento. ¿Cómo hacerlo? De manera individual, busquen información sobre normas de seguridad al utilizar la electricidad. Anoten sus resultados e ilustren. Se sugiere acceder a las siguientes ligas: http://revista.consumer.es/web/es/20020101/ practico/consejo_del_mes/

http://www.fortuna.com.pa/index.php?set_ language=es&cccpage=seguridad_hogar http://www.scif.com/safety/safetymeeting/ Article.asp?ArticleID=174 http://meteorologia.semar.gob.mx/Reglas% 20de%20Seguridad1.htm http://home.howstuffworks.com/a-guideto-home-safety3.htm http://www.greenwich.gov.uk/Greenwich/ CommunityLiving/CrimeSafety/HomeSafety AndSecurity/Electricity.htm Para concluir: 1. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de los resultados de su investigación. 2. Entre todos, elaboren un periódico ilustrado con las normas de seguridad para utilizar energía eléctrica y colóquenlo en la escuela.

Proyecto 2 ¿Cómo funciona el láser? Hoy en día se escucha la palabra láser por todas partes: operaciones con láser, luces de láser (con gas argón), como el faro de la Macro Plaza en Monterrey, Nuevo León, láser para tratamientos cosméticos, los láser que se emplean en las tiendas para leer los códigos de barras, las impresoras láser de computadora, los láser que leen los discos compactos en los aparatos de sonido, etcétera. ¿Qué es el láser? ¿Cuándo se creó? ¿Quién lo creó? El láser es un aparato que transforma otras formas de energía en radiación electromagnética (figura 4.54). Cuando al láser se le suministra energía como la radiación electromagnética, energía química, energía eléctrica, provoca una emisión de radiación electromagnética con un haz de luz. De ahí que el vocablo láser es un acrónimo formado de las palabras inglesas Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación), lo que significa que es la emisión de luz de un color amplificada, y el láser sólo posee uno de esos colores de modo amplificado. La luz del láser es más

brillante que la emitida por el Sol y es tan potente que puede cortar metal.

Figura 4.54 La energía transportada por un rayo láser es muy grande, es capaz de perforar una plancha metálica de varios milímetros de espesor.

Además, la radiación láser presenta tres propiedades:

· Monocromaticidad, porque sólo presenta un color. Recuerda que la luz normal contiene todo el espectro de colores (figura 4.55).

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

277

Pantalla

Luz blanca

Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta

PROYECTOS

Pantalla

Luz blanca

Rojo Naranja Todos los colores del Amarillo espectro Verde Pantalla visible Luz Azul blanca Rojo Láser Violeta Naranja Todos los colores delprisma. Amarillo Figura 4.55 Descomposición de la luz blanca al pasar por un espectro Verde Lámpara visible Azul Violetaque al sumarlas (superposición) se originan altura, · Direccionalidad: el haz de luz va en una dirección con Pantalla mayores amplitudes para la radiación del láser (figura cierto grado de dispersión (figura 4.56).

· Coherencia, porque Rojo el láser está compuesto por onNaranja Todos los con la misma das de la misma longitud y siempre colores del espectro visible

Amarillo Verde Azul Violeta Lámpara

4.57).

Láser

a) Ondas con la misma fase y1 Láser

t (tiempo) y2

θ 2

Lámpara

θ

y3

a) Ondas con la misma fase y1

L

ra

θ

y2 t (tiempo)

Desplazamiento

θ 2

Láser

b) Ondas con diferente fase y1

Desplazamiento

Luz blanca

Todos los colores del espectro visible

t (tiempo)

y3

t (tiempo) b) Ondas con diferente fase y1+y2 + y3 y1

t (tiempo)

t (tiempo)

t (tiempo)

t (tiempo) y1+y2 + y3

Desplazamiento Desplazamiento

Desplazamiento Desplazamiento

t (tiempo) y2 y2 t (tiempo) a) Ondas con la misma fase b) Ondas con diferente fase Figura 4.56 Comparación de la emisión de y1 y1 t (tiempo) Figura 4.57 Superposición det (tiempo) ondas en el láser. luz entre un foco y un láser. y3 y3 t (tiempo) t (tiempo) y2 y2 t (tiempo) (tiempo) láseres sintonizables (emiActualmente existen diferentes clases de láseres y se rojos e infrarrojos. Existent los t (tiempo) y1+y2 + y3 (tiempo) t clasifican de acuerdo con el medio que se emplea para ten luz de diferentes colores, que pueden variarse a voy3 y + y + y yláseres 3 1 producir por con lo tanto, hayfase de es- luntad del operador). 2 3 a) Ondas con la misma fasela luz del láser; b) Ondas diferente y1 sólido, líquido, gaseoso, de semiconductores, y1 En 1997, un grupo científicos estadounidenses tado etcétde (tiempo) (tiempo) tt(tiempo) (tiempo) espera que con él se realitera. El color y el nombre del láser dependen del tipo de creó un láser de materia yt se t (tiempo) y y y + + t (tiempo) 1 material especial que se utilice; por ejemplo, los de gas cen numerosas e importantes aplicaciones. Sin embargo, 2 3 y2 y y1presenta +y2 + y3 algunas desventajas prácticas, argón emiten una luz azul-verde; el2 gas criptón emite luz este tipo de láser

t (tiempo) y1+y2 + y3

278 t (tiempo)

Desplazamiento

ya que los átomos dependen de las fuerzas gravitatorias roja o amarilla, t (tiempo) t (tiempo) etcétera. t (tiempo) e interaccionan unos con otros de manera diferente a t (tiempo) Sin embargo, la frecuencia de la radiación provoca y3 y3 que los láseres puedan ser ultravioletas, azules, verdes, como lo hacen los fotones en el láser de luz. t (tiempo) y1+y2 + y3

Bloque 4 t (tiempo)

PROYECTO 3 Investigación Con el apoyo del maestro, formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar. 1. Reflexionen e investiguen sobre las aplicaciones del láser en: a) La industria b) El comercio c) Electrónica de consumo d) La investigación científica e) Las comunicaciones f) La medicina y cirugía g) El arte y el entretenimiento h) La tecnología militar Bibliografía: Aboites, V. (2007), El láser, Fondo de Cultura Económica, colección La Ciencia para todos, México. Dorronsoro, M. (1996), La tecnología láser: fundamentos de aplicación, Editorial McGrawHill, Madrid. Se sugiere consular las siguientes ligas en español: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/ volumen2/ciencia3/105/htm/ellaser.htm http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/ volumen2/ciencia3/105/htm/ellaser.htm

2. 3.

4.

5.

6. 7.

http://i3a.unizar.es/doc/data_optic_laser_ ES.pdf?PHPSESSID=c5affb273412e8e24127 c62adfdedce5 http://www.portalplanetasedna.com.ar/laser.htm http://www.todo-ciencia.com/quimica/ 0i96910000d990263492.php Escríbanlos en su libreta e ilústrenla. Cada equipo explicará oralmente lo que haya investigado acerca de las aplicaciones del láser que le haya correspondido investigar, mientras sus compañeros de grupo irán anotando en el pizarrón los datos que consideren importantes. Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas comenten tanto los resultados como lo que han aprendido al realizar esta actividad. Expliquen, por equipo, por qué es peligroso ver dentro de la luz del láser. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de las respuestas. Entre todos elaboren una conclusión final que anotarán en el pizarrón y en su libreta. Investiguen qué es un holograma y cómo se forma. Escriban una carta dirigida a su abuela donde le expliquen por escrito y le ilustren mediante dibujos los datos de su investigación y entréguensela a su profesor. Cuiden la ortografía.

Proyecto 3 ¿Cómo funciona el teléfono celular? Has de saber que una de las características más interesantes del teléfono celular es que se trata sólo de un radio (muy sofisticado). En 1861, el profesor alemán Johann Philipp Reis fue el primero en construir un aparato telefónico que convertía las ondas electromagnéticas en ondas sonoras y también le permitía transmitirlas hasta distancias de 100 metros en forma de señales eléctricas; presentó su invento ante la Sociedad Física de Frankfurt y en 1864 a la Universidad de Giessen, pero su invención no despertó ningún interés entre los científicos. En 1872, Alexander Graham Bell construyó un teléfono electromagnético, con el cual se podía transmitir un discurso a larga distancia. Sin embargo, la comunicación inalámbrica es el resultado de la invención de la radio por Nikolai Tesla en la década de 1880 (formalmente mostrada en 1894 por Guglielmo Marconi). Era de espe-

rarse que un día ambas tecnologías fueran combinadas en un mismo aparato. El sistema celular se basa en la división de una población en pequeñas células o celdas, que permitan la reutilización de frecuencias a través de la población; de esta manera, miles de personas pueden usar los teléfonos celulares al mismo tiempo. Cada celda tiene un tamaño de 26 kilómetros cuadrados y son diseñadas como hexágonos (figura 4.58). Cada celda contiene una estación base (una torre y un edificio con equipo de radio). Cada celda usa un séptimo de los canales de voz disponibles. El proveedor de servicio recibe por lo general 832 radiofrecuencias para utilizar en una ciudad. Cada teléfono celular utiliza dos frecuencias por llamada y cada celda tiene cerca de 56 canales de voz disponibles.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

279

PROYECTOS Todos los teléfonos celulares cuentan con transmisores de bajo poder y la estación central de igual forma transmite a bajo poder debido a que las transmisiones de cada celda pueden reutilizar las mismas 56 frecuencias a través de la ciudad; por otro lado, el consumo de energía de un teléfono celular es muy bajo. Se sugiere consultar las siguientes páginas electrónicas: http://www.cabinas.net/monografias/tecnologia/ funcionamiento_de_telefonia_celular.asp http://www.monografias.com/trabajos14/ celularhist/celularhist.shtml#quehay

Figura 4.58 Sistema celular.

Investigación La invención del radio y el teléfono significó grandes avances en la tecnología electrónica. Con el apoyo del maestro, formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar. 1. Investiguen en libros, revistas o Internet sobre la invención del teléfono y la invención de la radio. Asegúrense de contestar las preguntas siguientes: a) ¿Quiénes inventaron los aparatos? b) ¿Cuándo fueron inventados? c) ¿Existen algunas circunstancias inusuales o interesantes en torno a esos inventos? d) ¿Cómo han ido evolucionando esos inventos? Bibliografía: Asimov, I. (1987), Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología 3, Editorial Alianza, España, págs. 794-795. GUÍAS VISUALES (2005), Inventos, Editorial Televisa, Hong Kong. Rowland-Entwistle, T. (2002), Eureka, Un libro sobre inventos, Océano/McGraw Hill. Volin, A., Grandes Inventos, McGraw-Hill Interamericana, México.

Wood, R., Grandes Inventos, McGraw-Hill Interamericana, México. Se sugiere acceder a las siguientes ligas: http://aula.el-mundo.es/aula/noticia.php/ 2003/11/24/aula1069438655.html http://www.biografiasyvidas.com/biografia/m/ meucci.htm http://www.jmarior.net/modules/news/article. php?storyid=70&title=La%20historia%20de% 20Antonio%20Meucci,%20el%20verdadero% 20inventor%20del%20tel%C3%A9fono http://aula.elmundo.es/aula/noticia. php/2000/12/12/aula976551838.html 2. Escríbanlos en su libreta e ilústrenla. a) Cada equipo explicará oralmente lo que haya investigado. b) Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas comenten los resultados de lo que han aprendido al realizar esta actividad. c) Entre todos elaboren una conclusión final sobre la importancia de estos inventos en nuestra sociedad que anotarán en el pizarrón y en su libreta. 3. Escribe un ensayo sobre cómo piensas que las radiocomunicaciones han afectado el desarrollo de los negocios y de la industria.

Gotitas de ciencia

Horno de microondas El horno de microondas es un aparato común en muchos hogares (figura 4.59). Nos permite ahorrar tiempo en la preparación de los alimentos y nos ayuda a ahorrar energía al no tener que ponerlos a calentar, 280

Bloque 4

como sucede con el horno convencional. Esto se debe principalmente a que el horno funciona mediante la transferencia de calor por radiación.

Las microondas se transmiten en forma de radiación y son absorbidas por las moléculas de agua de los alimentos, y esto les permite elevar su temperatura. Las microondas se producen electrónicamente y se distribuyen mediante la reflexión de un ventilador o un agitador metálico y las paredes metálicas. Como las paredes metálicas reflejan la energía radiante, éstas no se calientan. Las microondas atraviesan los trastos de vidrio, las envolturas de plástico y todos aquellos materiales especiales para el horno de microondas y son absorbidas por las moléculas de agua de los alimentos, logrando que éstos se calienten. Si se utilizaran materiales como metales u objetos que se pueden cargar eléctricamente, éstos producirían chispas y se dañaría el aparato. Las microondas no penetran completamente en los alimentos, sino que se absorben cerca de la superficie. Debido a que las microondas pueden quemarnos, estos aparatos electrodomésticos tienen varios dispositivos de seguridad. Por ejemplo: la puerta cierra herméticamente para que las radiaciones no puedan salir; la puerta tiene un enrejado metálico con orificios muy pequeños para poder observar los alimentos sin abrir-

la. El enrejado funciona como escudo protector ya que refleja las radiaciones y evita que éstas salgan del vidrio; además, existe un último mecanismo que detiene el funcionamiento del aparato al abrir el horno para evitar que nos quememos cuando está funcionando. 00:00

Guía de ondas Palas agitadoras

Magnetrón

00:00

Alimentos

Figura 4.59 El horno de microondas transforma la energía radiante en energía térmica.

Plataforma giratoria

Reflexiona 1. Piensa sobre la transformación de la energía y la importancia que representa en la vida diaria. Anótalo a continuación.

2. ¿Sabes de alguna otra aplicación que se obtenga del proceso de transformar la energía? Explica.

Para concluir: 1. Dibuja tres aparatos que conozcas que funcionen: a) Con resistencia b) Con motor c) Con motor y resistencia 2. Tomando en cuenta los terribles accidentes que se han registrado en las plantas nucleares de diferentes países, ¿qué opinas acerca del uso que actualmente tiene la energía atómica a nivel mundial?









3. ¿Crees que el estudio de la energía y sus transformaciones es relevante hoy en día? Justifica tu respuesta.







3. En tu libreta, elabora un mapa conceptual sobre la energía. a) Compáralo con los de tus compañeros del grupo. b) Seleccionen los mejores con la ayuda del profesor y colóquenlos en el laboratorio.

Manifestaciones de la estructura interna de la materia

281

Palas agitadoras

Bl o q u e 5

Durante el estudio de este bloque vas a integrar tus habilidades, valores y conceptos desarrollados durante el curso. Sus contenidos están orientados a que percibas que la física no es una disciplina ajena a las otras actividades científicas, sociales y culturales ni a los problemas de la sociedad. Con los conocimientos adquiridos y las habilidades desarrolladas al terminar de estudiar este bloque podrás: ·  Encontrar la relación entre los conocimientos elementales de la física y los fenómenos naturales, la tecnología y las situaciones sociales. ·  Evaluarás el desarrollo de la ciencia y su relación con la tecnología, la salud, el ambiente y el avance de la humanidad.

Conocimiento, sociedad y tecnología Preguntas clave • ¿Podemos conocer a través de la física lo que se sabe acerca del Universo? • ¿Cómo podemos conocer los misterios del Universo? • ¿De qué forma ha contribuido la física al cuidado y mantenimiento de la salud? • ¿Cómo se ha desarrollado la ciencia y la tecnología en el funcionamiento de las comunicaciones a través del tiempo hasta llegar a la utilización de la fibra óptica? • ¿De qué manera nos podemos apoyar en los conocimientos científicos y tecnológicos para establecer formas de prevención de riesgos y desastres naturales? • ¿Qué diferencia existe entre la energía y los energéticos?¿Cuáles son las fuentes de energía? • ¿Cuáles de las aportaciones de la ciencia y la tecnología han permitido el desarrollo cultural de la humanidad y de nuestro país? • ¿Qué similitudes y diferencias existen entre el desarrollo científico y tecnológico de nuestro país con las de otros países?

· Analizar a la ciencia como una actividad humana y lograr reconocer que los resultados obtenidos de la tecnología se pueden utilizar en beneficio o perjuicio de la humanidad y su ambiente. · Elaborarás proyectos donde puedas investigar aquello que te preocupa y busques respuestas a las preguntas que te hiciste, seleccionando y planeando la forma de contestar a tus interrogantes e incluyendo actividades experimentales. · Conducir tus trabajos y trabajar en forma colaborativa de manera responsable, analizando y discutiendo con bases científicas la información que obtengan de sus investigaciones sus demás compañeros.

1. La física y el conocimiento del Universo 1.1 ¿Cómo se originó el Universo? 1.1.1 Explicaciones de varias culturas sobre el origen del Universo Se recomienda proyectar los videos: · Volumen 5, “Historia de la astronomía”, número A/EG/05, colección Enciclopedia Galáctica, Videoteca de Red Escolar. · Video de la serie Cosmos, capítulo 10, “Dios contra un Universo infinito; mitos de la creación, cosmología hindú”, de Carl Sagan. El ser humano siempre ha tratado de explicar el Universo. En la antigüedad, algunas culturas, como los mayas, los incas, los chinos, los egipcios, los hindúes y los sumerios fueron pueblos en donde se desarrolló la astronomía. Algunos sitios arqueológicos de las grandes civilizaciones de la antigüedad fueron construidos para poder contar el tiempo, como adoratorios, para la realización de rituales y ceremonias. Por ejemplo, en Teotihuacan, las calzadas y las fachadas de los basamentos señalan la salida y puesta del Sol, la Luna y de Venus en fechas importantes, o la fecha en que se podían ver un grupo de estrellas en particular. Las edificaciones señalaban la posición de un astro en determinado día, como es el caso del basamento El Castillo, en Chichén Itzá, donde durante los equinoccios se puede observar en su escalinata un juego de luz y sombra que simula el descenso de una serpiente (figura 5.1). Los mayas desarrollaron dos calendarios, uno ritual y el otro agrícola, basados en el estudio de los desplazamientos de la Luna y la Gran Estrella Noh Ek (Venus) respecto del Sol. El año maya difiere del actual en menos de cinco minutos, en tanto que el calendario romano, más o menos de la misma época, se equivoca en unos diez u once minutos al año. Los mayas predijeron y dejaron una tabla de eclipses en el Códice Dresden, elaboraron cálculos relativos al planeta Júpiter, y este códice también incluye la obtención del periodo lunar con base en las 405 lunaciones comentadas líneas arriba. Aunado a ello, el Códice Dresden parece contener unas tablas relacionadas con el periodo sinódico del planeta Marte y con el número de días que dura su movimiento retrógrado en el cielo. Los pueblos mesopotámicos que se asentaban en lo que hoy es Irak, 10 000 años a.n.e., ya tenían calendarios agrícolas, y 6 000 años después ya predecían eclipses solares y lunares, así como el movimiento de cinco planetas conocidos, e inventaron el grado, que sirve para medir las distancias angulares en el cielo. Debido a la relación de los eventos astronómicos, con su forma de vida los convirtieron en sus dioses, de ahí que en su explicación del cosmos tomaban a la Tierra como una gran montaña hueca sostenida y semisumergida en el mar, bajo la cual moraban los muertos. Sobre la Tierra estaba la bóveda majestuosa del cielo, que dividía las aguas del más allá de Figura 5.1 El Castillo, en Chichén Itzá, muestra la las que nos rodean. Dentro de la bóveda celeste se mollegada de los equinoccios a través de un juego de vían el Sol, la Luna y las estrellas (figura 5.2a). luces y sombras.

284

Bloque 5

Figura 5.2a Los babilonios creían que la Tierra era una montaña hueca sostenida y rodeada por el mar.

Figura 5.2b Los antiguos hindúes creían que la Tierra estaba sostenida por cuatro elefantes parados sobre una gigantesca tortuga que nadaba en el mar.

Para las tribus primitivas de India, la Tierra era una enorme bandeja de té invertida que estaba sostenida sobre tres inmensos elefantes, los que a su vez estaban sobre el caparazón de una tortuga gigante que representaba al dios Visnú, el cual descansaba sobre una cobra que representaba el agua (mar) (figura 5.2b). Para los antiguos egipcios, la astronomía se consideraba parte de su religión y no una ciencia, al igual que otros pueblos de la antigüedad. Crearon calendarios fundados en eventos celestes, como la aparición de la estrella Sirio para predecir acontecimientos agrícolas, como la inundación anual del río Nilo para regar las cosechas. Además, todas las pirámides y templos se construyeron orientados a los cuatro puntos cardinales. Estudiaron las fases de la Luna y diversas constelaciones de estrellas que representaban a sus dioses. Establecieron un calendario de 12 meses y 360 días por año con tres estaciones. Conocían cuatro planetas: Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Utilizaban las estrellas como guías para la navegación. Para ellos, el cielo representaba al Nilo, por el cual el dios Ra (el Sol) navegaba de este a oeste cada día, retornando a su punto de partida a través de los abismos subterráneos donde moran los muertos. El dios de la Atmósfera, Shu, sostenía a su hija Nut, diosa del cielo, para separarla de los peligros del dios yaciente (la Tierra); y los eclipses eran provocados por ataques de una serpiente a la embarcación de Ra (figura 5.3).

Figura 5.3 Concepción egipcia del cielo. Los antiguos egipcios consideraban a la astronomía como parte de su religión, no como ciencia.

Conocimiento, sociedad y tecnología

285

Los chinos tienen registros de observaciones astronómicas que datan del año 4 000 a.n.e. Los chinos se centraron más en la observación del Astronomía: ciencia que firmamento. Elaboraron un calendario y registraron eventos como la exestudia el origen, la localiplosión de supernovas, eclipses y aparición de cometas. Además, pensaban zación y los movimientos que la Tierra era cuadrada y sobre ella había un sombrero que giraba. de los astros. En Grecia, 600 años a.n.e., los griegos desarrollaron sus propias observaciones del cielo nocturno y registraron datos sobre los movimientos de cuerpos celestes y trataron de explicarlos basándose en los datos o en ideas filosóficas y religiosas. Por ejemplo, observaron que ciertos grupos de estrellas y la Vía Láctea parecían moverse toda la noche alrededor de la Tierra; que el Sol parecía que también se movía alrededor de la Tierra durante el día, con dirección de este a oeste. Se recomienda proyectar el video de la serie Cosmos, capítulo 7, de Carl Sagan.

Glosario

Para saber más El gran matemático Pitágoras relacionaba el tamaño de las órbitas planetarias con las longitudes de las

cuerdas de un instrumento musical y con relaciones matemáticas predeterminadas entre los números.

Grandes filósofos, como Platón, Aristóteles, Aristarco de Samos, Apolonio, Hiparco y Ptolomeo, desarrollaron modelos del Universo. Los tres últimos consideraban que la Tierra estaba fija y era el centro del Universo, y explicaban el desplazamiento de los planetas en movimientos circulares. Esta teoría (sistema geocéntrico) estuvo vigente durante 1 400 años.

Actividad Reflexiona y escribe en tu cuaderno las respuestas a las siguientes preguntas: 1. ¿Cuál es la importancia del desarrollo de la astronomía en las diferentes culturas? 2. ¿Qué información aporta una tablilla astronómica? 3. ¿Para qué utilizaban las diferentes culturas sus conocimientos sobre astronomía?

4. ¿Por qué estuvo vigente el sistema geocéntrico catorce siglos? 5. Elabora un mapa donde ubiques las diferentes culturas y sus concepciones sobre el origen del Universo, anota las fechas en que se asentaron e ilústralo.

Se recomienda proyectar el video de la serie Cosmos, capítulo 3, de Carl Sagan.

1.1.2 Diferencia entre astronomía y astrología ¿Qué es la astronomía?, ¿la astrología es una ciencia?, ¿por qué tantas personas leen su horóscopo todos los días?, ¿cuándo y dónde nació la astrología?, ¿cuál es su relación con la astronomía? Como puedes darte cuenta, has escuchado ambas palabras y habrás notado que para algunas personas es exactamente lo mismo; sin embargo, no es así.

286

Bloque 5

Actividad

¿La astrología es una ciencia? Muchas personas piensan que la astrología es una ciencia y que está muy relacionada con la astronomía. Esta investigación los ayudará a conocer si es una ciencia o no y por qué. Para llevar a cabo esta investigación, integren equipos de tres o cuatro alumnos, apoyados por su maestro. Problema ¿Cómo pueden conocer si la astrología es una ciencia y si está relacionada con la astronomía? ¿Para qué lo hacemos? 1. Elaboren la definición de ciencia. 2. Identifiquen las características necesarias para conocer si determinados estudios o doctrinas son ciencia o si son pseudociencia (ciencia falsa). ¿Qué se necesita? Varios diccionarios, enciclopedias, revistas, libros como Cosmos y El mundo y sus demonios de Carl Sagan, Internet, lápiz y tu cuaderno. ¿Cómo hacerlo? 1. Selecciona cuatro o cinco palabras de la siguiente lista e identifica características semejantes: física, biología, astronomía, astrofísica, geología, quími-

ca, matemáticas, antropología, sociología, paleontología. 2. Comenten lo que saben sobre cada ciencia y las características que presenta. 3. ¿Cómo defines ciencia? ¿Qué características se deben presentar para hablar de ciencia? 4. Busca en dos o tres fuentes las palabras ciencia, astrología, horóscopo y cartomancia. 5. Comenten los resultados obtenidos. Para concluir: Contesten en su cuaderno: 1. ¿Qué elementos pudieron identificar para saber si la astrología es una ciencia? Expliquen. 2. Con base en su respuesta anterior, ¿es la astrología una ciencia? Justifiquen su respuesta. 3. ¿Qué es ciencia? 4. ¿Cómo se clasifican las ciencias según su objeto de estudio? 5. ¿Qué estudia la astronomía? 6. ¿Por qué la astronomía es una ciencia? 7. ¿Cuál es la diferencia entre astronomía y astrología? Explica. 8. Comenten en el grupo sus respuestas y obtengan una conclusión general sobre si la astrología es una ciencia o una pseudociencia y por qué.

La astrología se originó en Mesopotamia, hace 4 000 años. Inventaron dioses para explicar los fenómenos que sucedían a su alrededor, como la lluvia, las sequías, el movimiento del Sol y las estrellas alrededor de la Tierra; además, los cinco planetas que se podían observar (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno) también influían en todos los acontecimientos terrestres, como las estaciones, los alimentos, la reproducción, las mareas. Debido a lo anterior, en Egipto se desarrolló la idea de que cualquier fenómeno celeste influía en la vida de las personas y los países y esta idea pasó a Grecia y a Roma. Hoy en día podemos encontrar fácilmente artículos en periódicos o revistas sobre astrología, pero casi ninguna de astronomía; hay muchos más astrólogos que astrónomos, pero no existe un consenso serio sobre estudios de astrología a nivel mundial; hay diferentes corrientes, y cada una dice que es la auténtica y que las demás son fraudes. Por ejemplo, las culturas china, japonesa e hindú tienen una tradición astrológica tan antigua como la nuestra, pero se basan en estrellas y constelaciones completamente diferentes. ¿Cuál es la corriente astrológica correcta, la china, la occidental, la japonesa? Recordemos que una ciencia tiene valores verificables de carácter universal que se pueden reproducir a través de un método, lo que no sucede con la astrología. Por otro lado, debido al movimiento de rotación de la Tierra, ésta va cambiando de posición cada 26 000 años, aproximadamente (precesión de los equinoccios), por lo que

Conocimiento, sociedad y tecnología

287

los signos zodiacales no coinciden con las constelaciones a las cuales se les asocia, y las fechas tampoco. Además, la aparente trayectoria del Sol en un año alrededor de la Tierra define una elíptica que atraviesa 14 constelaciones de diferentes tamaños; sin embargo, los astrólogos sólo toman en cuenta 12 signos zodiacales de 30 grados cada uno; ¿acaso las constelaciones de Ofiuco y Ceto no influyen al igual que las demás? A lo anterior hay que agregar que para conocer la posición de un astro necesitamos tres coordenadas: la latitud celeste, la longitud celeste en relación a un punto determinado y la distancia; sin embargo, los astrólogos para sus estudios toman en cuenta las coordenadas eclípticas, por lo que sus estudios de la posición de los astros es muy imprecisa. Ahora bien, la astrología maneja la influencia de fuerzas que actúan sobre las personas, pero no aciertan a definir cuáles son, ni de qué tipo. Actualmente sólo se conocen cuatro: las de gravedad, las electromagnéticas, las de interacción fuerte y las de interacción débil. ¿A cuál de estas fuerzas pertenecen las que según la astrología influyen en las personas? Los astrólogos dicen que para realizar un horóscopo se deben tomar en cuenta todos los planetas, pero Plutón se descubrió en 1930; por lo tanto, ¿todos los horóscopos realizados antes de su descubrimiento eran incorrectos? En 1985 se realizó un estudio estadístico en California, Estados Unidos, con cuarenta astrólogos (Carlson, S., diciembre de 1985, A Double Blind Test of Astrology, revista Nature, número 318, págs. 419-425). Las conclusiones fueron que las predicciones de los astrólogos eran completamente erróneas, ya que las relaciones que existen entre la personalidad de un sujeto, su fecha de nacimiento, la posición de los astros y otros fenómenos astronómicos no existen.

Actividad

¿Son reales las predicciones de los horóscopos? ¿Para qué lo hacemos? Para conocer si las creencias son verdaderas o no. ¿Qué se necesita? Varios periódicos con la sección de horóscopos de un mismo día. ¿Cómo hacerlo? 1. Elijan un signo zodiacal. 2. Lean y comparen las predicciones del día.

3. ¿Cuántas coinciden? 4. ¿Cuántas se oponen? 5. ¿Por qué crees que sucede esto? Para concluir: Comenten en el grupo sus respuestas y obtengan una conclusión general sobre si las predicciones de los horóscopos o astrológicas son ciertas o falsas y por qué.

1.1.3 Estructura del Universo ¿Alguna vez has visto el cielo en una noche de verano lejos de la ciudad? Esta vista puede ser imponente ya que puedes ver miles de estrellas. Y si utilizaras un telescopio o binoculares podrías ver más. Pero, ¿eso es todo lo que hay en el cielo? ¡Por supuesto que no! Las estrellas son incontables, al igual que otros objetos que están esperando ser observados e investigados. También podrás ver la Vía Láctea. Realiza la siguiente actividad para que observes el cielo nocturno e investigues todo lo que puedas ver:

288

Bloque 5

Figura 1.26 El sonido proviene de los cuerpos que vibran.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para ver cuántas estrellas podemos distinguir. ¿Qué se necesita? Prismáticos (de 7 × 50 o de 10 × 50. La primera cifra nos indica la ampliación y la segunda el diámetro del objetivo en mm); linterna, mapa celeste. ¿Cómo hacerlo? 1. Espera a que haya una noche despejada sin Luna ni nubes y dos o tres horas después de la puesta del Sol. 2. Escoge un lugar desde donde puedas ver perfectamente toda la cúpula celeste alejado de las luces de la calle, y si es posible fuera de la ciudad, y ubícate en él bien abrigado. 3. Para iluminar tu camino sin deslumbrar, utiliza la linterna a la que previamente habrás pintado el foco de color rojo con barniz de uñas.

4. Observa con tus prismáticos tratando de reconocer algunas estrellas, como la estrella polar, o constelaciones como Orión. Puedes utilizar el mapa celeste que aparece a continuación (figura 5.4). 5. Registra tus observaciones. Para concluir: 1. Dibuja tu propia cúpula celeste con base en las estrellas y constelaciones que alcances a ver. 2. ¿La cúpula celeste que aparece en el apéndice es igual a la que dibujaste? 3. Coméntalo con tus compañeros del grupo y entre todos reflexionen y analicen las causas probables de su respuesta. En seguida escribe la explicación obtenida entre todos.

Figura 5.4 Mapa celeste de las constelaciones.

Conocimiento, sociedad y tecnología

289

Si para realizar la actividad anterior estuviste en el campo lejos de la ciudad, debes haber sentido como si estuvieras cubierto por un manto de estrellas. Tuviste una sensación indescriptible al sentir que sobre ti se encontraban miles de puntos titilantes de luz. Observaste que algunas estrellas brillan con mucha intensidad y otras, en cambio, apenas se perciben y parecen estar desapareciendo. ¿Sabes por qué algunas estrellas brillan más que otras? El tamaño y la distancia pueden afectar la brillantez con que se ve un objeto. Lo mismo ocurre con las estrellas. Una estrella puede verse más brillante que otra porque es más grande o porque se encuentra más cercana a la Tierra; pero no siempre las estrellas más cercanas son las más brillantes. Para comprender el resplandor de una estrella, necesitas saber lo que es una estrella. Una estrella, como el Sol, es una enorme esfera de gas caliente y resplandeciente que produce energía por fusión. La mayor parte de las estrellas están constituidas por hidrógeno (H) y helio (He). Algunas producen más energía y por ello son más calientes que otras de igual tamaño. La producción de energía se relaciona con la fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones que componen los núcleos atómicos, llamada fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza solamente se ejerce en distancias pequeñas y es una fuerza muy intensa. Las estrellas más calientes son las que emiten mayor cantidad de luz (figuras 5.5 y 5.6). Aparentemente, Sirio resplandece más que Rigel; sin embargo, Rigel es una estrella mucho más caliente y más grande, pero se encuentra a mayor distancia de la Tierra que Sirio. Si ambas estrellas estuvieran a la misma distancia de nuestro planeta, Rigel sería muchísimo más brillante.

Figura 5.5 Sirio destaca en el firmamento por ser una de las estrellas más brillantes.

Figura 5.6 En cambio, la estrella Rigel se ve menos brillante a pesar de ser más grande y brillante que Sirio, porque se encuentra casi 100 veces más lejos.

Según la edad de las estrellas, varían su tamaño y su temperatura superficial. Las más calientes tienen un color blanco, ligeramente azulado, como Sirio. Otras, como nuestra estrella, el Sol, son menos calientes (templadas) y de color amarillo. Las más frías son de color naranja como Betelgeuse y Aldebarán. El Sol es el centro del sistema planetario (figura 5.7), es la fuente de energía primordial para el ser humano. En consecuencia, lo mismo que otras estrellas, algún día se acabará. El Sol, aunque tiene color amarillo (característico de las estrellas medianas)

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Bloque 5

y nunca fue azul, no es una estrella vieja. Su vida se inició hace aproximadamente cinco mil millones de años y brillará todavía durante otros cinco mil millones de años. Después aumentará de tamaño tornándose de color naranja y, por último, pasará al rojo, transformándose en un cuerpo gigantesco que acabará contrayéndose y, por fin, se enfriará, y sin energía, ni luz, ni calor se perderá en el cosmos. ORIGEN Y FORMACIÓN DEL SOL Hace 5 000 millones de años aproximadamente

(Gigante roja)

FIN DEL SOL (Enana blanca)

Momento actual de la vida del Sol

La vida futura del Sol es de 5 000 millones de años aproximadamente

Figura 5.7 El Sol es una estrella de color amarillo de mediana edad, que se formó hace cinco mil millones de años y brillará otros cinco mil millones de años, aproximadamente. Fuente: Modificación a la Ilustración de Hunter, Mel. Del Librode Bergamini, David. (1968). El Universo. Colección Time Life. Italia.

El Sol es un cuerpo gigantesco, su atmósfera está compuesta de hidrógeno y helio, lo mismo que todas las estrellas; su diámetro mide 1 392 000 km y su volumen es mil veces más grande que el de Júpiter, en él podrían caber casi 1 300 000 planetas del tamaño de la Tierra. En el interior del Sol se transforman en helio (He) alrededor de 400 000 000 de toneladas de hidrógeno (H) por segundo. Estas reacciones liberan la energía que, después de múltiples transformaciones, se proyecta hacia el espacio en forma de diferentes radiaciones, entre ellas la luz y el calor. El Sol está formado por varias capas que rodean un denso núcleo y, en ellas, hay una actividad constante de energía que fluye hacia la superficie. En su centro se registra una temperatura de 15 000 000 °C.

Galaxias Estamos viviendo en un planeta dentro de una galaxia llamada Vía Láctea. Una galaxia es un grupo de estrellas, gas y polvo que se mantienen juntos gracias a la fuerza de gravedad. Nuestra galaxia contiene aproximadamente 200 000 millones de estrellas. El Sol es sólo una de esas estrellas y la Tierra gira a su alrededor. De igual forma que las estrellas se agrupan para formar las galaxias, éstas también se agrupan formando grandes conglomerados. Cada conglomerado de galaxias se encuentra separado por distancias enormes, habitualmente por millones de años luz. La Vía Láctea contiene aproximadamente 25 galaxias de diferentes formas y tamaños. Se conocen cuatro clases de galaxias: elípticas, espirales, espirales de barra e irregulares (figura 5.8). Nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene forma de espiral y su diámetro es 20 veces mayor que su grosor. El Sol y todo nuestro sistema solar se ubican hacia el borde de

Conocimiento, sociedad y tecnología

291

1

3

2

4

Figura 5.8 Las galaxias que se conocen son de cuatro clases: 1) elípticas 2) espirales 3) espirales de barra 4) irregulares.

uno de los extremos de la Vía Láctea. El sistema solar se encuentra aproximadamente a unos 30 000 años luz del centro de la Vía Láctea (figura 5.9).

Cometas En los confines del Universo vagan aproximadamente 100 000 millones de cometas, que se mueven en órbitas extremadamente largas y excéntricas, planas y en aureolas esféricas que se encuentran a 16 billones de kilómetros de distancia de las estrellas más cercanas al Sol. Los cometas son astros constituidos básicamente por un núcleo compuesto de cristales de metano, agua y amoniaco congelados. Algunos cometas están formados por materia gaseosa y sílice, con pocos kilómetros de diámetro y con una densidad menor a la del agua. Cuando los cometas vagan en el cosmos no tienen cauda o cola; al acercarse al Sol, el calor de éste evapora parte de las sustancias y forma cristales. Los gases rodean el núcleo y los vientos solares empujan los gases y se forma la cabellera o cauda. Cuando la distancia al Sol disminuye, la temperatura es cada vez más elevada, lo que hace que la cantidad de gases sea cada vez mayor. La cauda es mayor a medida que el cometa se aproxima al Sol. El cometa Halley aparece cada 76 años y la última vez que lo vimos fue en 1986 (figura 5.10).

Figura 5.9 La Vía Láctea. La flecha indica la ubicación de nuestro sistema solar. Figura 5.10 El cometa Halley aparece cada 76 años. Se vio por última vez en 1986.

292

Bloque 5

Planetas ¿Qué es un planeta? ¿Cómo se distingue de otros cuerpos celestes? La Unión Astronómica Internacional acordó el día 24 de agosto del 2006 la nueva definición oficial del vocablo planeta, que a la letra dice: “Un planeta es un cuerpo espacial que orbita alrededor del Sol, que tiene suficiente masa para tener gravedad propia y superar las fuerzas rígidas de un cuerpo de manera que asuma una forma equilibrada hidrostática, es decir, redonda, y que ha despejado las inmediaciones de su órbita”, definición que a partir de esta fecha es oficial y por tanto revoca la anterior definición de esta palabra. Recuerda que el sistema solar está formado por una estrella: el Sol, astro principal que nos proporciona luz y calor, alrededor del que giran en órbitas elípticas ocho planetas, algunos con sus satélites (figura 5.11). Según el orden que guardan con respecto al Sol, los planetas son: Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, los cuales, como descubrió Kepler, giran en órbitas elípticas alrededor del Sol. Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter y Saturno eran los planetas conocidos hasta mediados del siglo xvii. Urano se descubrió algunos años después de la muerte de Newton. En 1846 los astrónomos Adams y Leverrier descubrieron a Neptuno. En 1930, el científico estadounidense Clyde Tombaugh descubrió Plutón, el cual se consideró como planeta desde esa fecha hasta el día 24 de agosto del 2006, cuando la comunidad de la Unión Astronómica Internacional (UAI) acordó que Plutón pasara a la categoría de planeta enano, porque no cumple con la nueva definición de planeta: es muy pequeño, tiene otro origen y su órbita errática y oblonga se superpone con la de Neptuno.

Neptuno

Urano

Saturno Asteroides

Marte

Mercurio

Júpiter

Tierra

Sol

Venus

Figura 5.11 Nuestro sistema solar está formado por una estrella, el Sol; ocho planetas, entre 41 y 43 satélites o lunas, un cinturón de asteroides y cometas.

Asteroides Los asteroides son cuerpos de diverso tamaño de roca o metal. La mayoría se encuentran entre Marte y Júpiter, aunque una pequeña cantidad cruza la órbita terrestre. Todos juntos forman menos del cinco por ciento del volumen de la Luna (figura 5.12). Se recomienda proyectar los videos Cosmos, capítulo 4, de Carl Sagan. Volumen 3, “Las estrellas fugaces”, número A/EG/03, colección Enciclopedia Galáctica, Videoteca de Red Escolar.

Figura 5.12 Cinturón de asteroides, ubicado entre los planetas Marte y Júpiter.

Conocimiento, sociedad y tecnología

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Lunas o satélites

Figura 5.13 La Luna cabe cincuenta veces en la Tierra, es un cuerpo opaco de color gris y lleno de cráteres.

Los satélites son cuerpos más pequeños que los planetas, y se encuentran orbitando a su alrededor. Todos los planetas, a excepción de Mercurio y Venus, tienen por lo menos un satélite. Nuestro satélite es la Luna (figura 5.13). Los satélites de Marte son Fobos y Deimos. Y los planetas exteriores tienen numerosos satélites. El tamaño de las lunas varía desde la enorme Ganímedes (luna de Júpiter), que es la de mayor tamaño del sistema solar (más grande que Mercurio y Plutón), hasta fragmentos pequeños con la dimensión de una población, como Kale, otro satélite de Júpiter. Existen más de 140 lunas girando alrededor de los planetas del sistema solar. Nuestra Luna se conoce desde que el ser humano apareció sobre la Tierra; otras se han descubierto desde la época de galileo hasta la fecha. El planeta que posee mayor cantidad de lunas es Júpiter, actualmente se conocen 61, descubiertas cuatro por Galileo Galilei en 1609, llamados satélites Galileanos en su honor. Durante el año 2 000 se descubrieron 57 más pequeñas y se cree que aún faltan algunas.

Satélites artificiales Los satélites artificiales son máquinas mecánicas que describen órbitas alrededor de la Tierra. Se han utilizado para hacer observaciones meteorológicas, comunicaciones, transformación de energía solar en eléctrica, etcétera. El primer satélite artificial, el Sputnik I, fue lanzado al espacio por los rusos en 1957. Era un cuerpo esférico de 80 kg de masa que describió una órbita alrededor de la Tierra de forma elíptica, cuya distancia a la Tierra se encontraba entre 250 y 900 km. En el mismo año, el Sputnik II llevó al espacio al primer ser vivo, la perrita Laika (1957), y en 1958 los estadounidenses pusieron en órbita el Explorer I. Posteriormente se han enviado al espacio Figura 5.14 El astronauta mexicano Rodolfo Neri Vela participó cohetes cósmicos: Lunik I (ruso) y Pioner IV como integrante de la Misión 61-B de la NASA y de la Agencia (americano), que pasando cerca de la Luna se Espacial Europea. Permaneció siete días en el espacio exterior a han convertido en planetas artificiales que conbordo del Transbordador Espacial Atlantis, llevando a cabo múltitinúan girando alrededor del Sol. ples experimentos y poniendo en órbita un satélite mexicano, el “Morelos Dos”. En 1959 se alcanzó la Luna con el cohete ruso Lunik II y a partir de 1961 se iniciaron los viajes espaciales de astronautas humanos (figura 5.14). El ruso Yuri Alekseyevich Gagarin y el americano Shepard fueron los primeros hombres del espacio. Valentina Vladimirovna Thereshkova fue la primera mujer (1963), Alexei Leonov fue el primer ser humano en pasear por el espacio (1965) y Rodolfo Neri Vela fue el primer y único astronauta mexicano que ha participado en los viajes espaciales. Otros satélites han alcanzado los demás planetas, obteniendo fotografías y estudios de Venus, Marte, Júpiter y sus satélites naturales y Saturno. El progreso de la astronáutica permite prever para el futuro viajes interplanetarios con tripulación humana. La fase previa sería lograr un satélite dispuesto como esta294

Bloque 5

ción espacial, habitado por el hombre, que se utilizaría como estación de lanzamiento de astronaves con una velocidad de escape menor que la que se requiere desde nuestro planeta (figura 5.15). Perigeo Polo Norte Explorador VI

Ecuador Rotación de la Tierra

Apogeo Figura 5.15 Órbita de un satélite artificial.

Se recomienda proyectar los videos volumen 2, La Tierra, número A/EG/02. Enciclopedia Galáctica. Videoteca, volumen 2, “La Luna”, número A/EG/02. Enciclopedia Galáctica. Videoteca, volumen 4, “El hombre y la Luna”, número A/EG/04. Enciclopedia Galáctica. Videoteca, volumen 5, “Los transbordadores espaciales”, número A/EG/04.

La Tierra La Tierra es el único planeta del sistema solar que tiene vida por su peculiar combinación de agua, temperatura y atmósfera. Debido al desarrollo de la ciencia y la tecnología, en la actualidad podemos conocer las características físicas de la Tierra como astro: forma, dimensiones, situación en el espacio, gravedad, volumen, masa, densidad, temperatura de la superficie, magnetismo y sus movimientos. La Tierra ocupa el tercer lugar como planeta del sistema solar y se encuentra a una distancia promedio de 149 597 870 km (medida llamada unidad astronómica, UA) del Sol. Presenta la forma de una esfera achatada en los polos, llamada geoide, de 12 800 km de diámetro. Se conocen muchas pruebas de la redondez de la Tierra. ¿Conoces algunas? Comenta y discute con tus compañeros las más significativas e ilustra tu libreta con algunos ejemplos. Aprendiste anteriormente que la gravedad terrestre depende de la distancia que haya de la superficie al centro del planeta; así el valor de la aceleración de la gravedad al nivel del mar es de 9.8 m/s2, el cual difiere en otras latitudes, como los polos y montañas. La Tierra contiene un volumen aproximado de 1 086 781 292 543 km3. Su masa es de 6 × 1024 kg, aproximadamente. La distancia entre la superficie y el centro de la Tierra es de 6 370 km. Cuenta con cinco capas de materiales de diferente densidad y composición, ordenadas por la gravedad, las más ligeras en el exterior y las pesadas en el interior; las capas son: atmósfera, hidrosfera, corteza, manto y núcleo. Gira alrededor del Sol; gracias a esta distancia, la Tierra aún conserva sus océanos, ya que el agua es indispensable para la vida. Tiene una superficie rocosa que se asienta sobre

Conocimiento, sociedad y tecnología

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un núcleo de metal compuesto de níquel (Ni) y hierro (Fe). El núcleo interno es líquido y tiene unos 1 200 km de radio, su temperatura aproximada es de 6 000 °C. La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra, protegiéndola de las radiaciones solares y cósmicas, cuya composición fundamental es de nitrógeno (N), que ocupa 78% del volumen total; el oxígeno (O) ocupa 21%; el argón (Ar), 0.9% y otras sustancias como dióxido de carbono (CO2), helio (He), kriptón (Kr), vapor de agua, entre otros. Cerca del 70% de su superficie se encuentra cubierta por agua, lo que le da la coloración blanca y azul desde el espacio. La Tierra es un planeta especial, su temperatura difiere en las distintas zonas de superficie; sin embargo, posee un clima adecuado para que haya una increíble variedad de formas de vida, incluyendo la vida humana. La Tierra se diferencia de otros planetas porque su corteza se divide en varias placas diferentes que se encuentran en constante movimiento sobre la superficie, lo que ha permitido que se formen las montañas. Completa su órbita alrededor del Sol en un año (365.24 días) en un movimiento de traslación y presenta otro movimiento de rotación sobre su propio eje, lo cual da lugar al día y la noche. ¿Qué efectos producen los movimientos de traslación y rotación? Coméntalo con tus compañeros y escribe una conclusión final en tu libreta. Se recomienda proyectar como introducción el video volumen 5, “La vida de las estrellas”, número A/EG/05, colección Enciclopedia Galáctica. Videoteca.

1.1.4 Teoría de la gran explosión En la actualidad, los astrónomos cuentan con aparatos más eficaces que les permiten día a día descubrir más secretos del firmamento; sin embargo, aún no se han resuelto muchas incógnitas. Una de ellas es el origen o formación del Universo. Para explicarlo se han emitido diferentes hipótesis. La teoría más aceptada es la de la gran explosión o del Big Bang, en la que se dice que el Universo se formó por una gran explosión de materia altamente concentrada o condensada, a temperaturas muy elevadas, que tuvo lugar hace aproximadamente unos 15 000 millones de años (figura 5.16).

0.000001 segundo

Big Bang

Era Quark

Partículas nucleares

100 segundos

100 mil años

Núcleos atómicos

Formación de átomos

Hidrógeno

Hidrógeno

Formación de galaxias

mil millones de años

Nacimiento del Sol

Inflación

Quark Protón Electrón

Neutrón

Helio

Helio

Figura 5.16 Formación del Universo, según la teoría de la gran explosión, o Big Bang.

296

Bloque 5

13 mil millones de años

8 mil millones de años

La galaxia hoy

Unos segundos después del Big Bang, el Universo se expandió con Glosario gran rapidez y en un tiempo muy pequeño. A esta etapa, que duró fracQuarks: partículas resulciones de segundo, se le llama Universo inflacionario. tantes de la división de los Después, la expansión empezó a disminuir y distintas clases de parprotones y los neutrones. tículas se formaron en millonésimas de segundos. En un tiempo demasiado pequeño, los quarks se unieron para formar nuevas partículas llamadas protones y neutrones. Aproximadamente cien segundos después, los protones, electrones y neutrones se agruparon entre sí y dieron lugar a los elementos del hidrógeno y helio, que fueron los primeros en formar la materia. Cuando ya los átomos de hidrógeno y helio se habían formado, el Universo siguió disminuyendo su temperatura y comenzó a enfriarse lentamente mientras el espacio continuaba en expansión. Poco a poco gigantescas nubes de gas, que se mantenían unidas por la fuerza de la gravedad de las partículas, comenzaron a tomar la forma de un discoide, dando lugar a la formación de las galaxias. Tiempo después en ellas se originaron las estrellas, y las galaxias empezaron a tomar su forma elíptica o de espiral.

Actividad Realiza lo siguiente: 1. Escribe una historia de 250 palabras utilizando las siguientes palabras o frases: teoría de la gran explosión, gigante roja, fusión, supernova, galaxia, Universo, planetas, gas, estrellas, polvo. 2. Dibuja y escribe argumentos que puedan explicar las preguntas siguientes: a) ¿Por qué se mueve la Tierra? b) ¿Cómo interactúa con otros cuerpos celestes? c) ¿Están relacionadas las estrellas y las galaxias?

3. Si la luz del Sol tarda unos 8 minutos en llegar a la Tierra, ¿a qué distancia se encuentra el Sol de nosotros? 4. La estrella más cercana al sistema solar es Próxima Centauro, que se encuentra a una distancia de 4.5 años luz. Expresa esta distancia en kilómetros. 5. Formen equipos e investiguen acerca de la exploración del espacio. ¿Qué instrumentos, aparatos y tipos de naves espaciales se utilizan? ¿Cuáles son los descubrimientos más recientes? Elaboren un informe con los datos obtenidos.

Para saber más

Una nueva área de la física La física espacial es una de las ciencias más jóvenes. Nació a finales de la década de los cincuenta, cuando esta tecnología iniciaba su ascenso. El descubrimiento de que el espacio interplanetario no está vacío, sino que es atravesado continuamente por energía conocida como viento solar, impulsó una nueva disciplina: la física del medio interplanetario. La gran aventura de la exploración e investigación de esta región lleva varias décadas. Los satélites, sondas espaciales, telescopios, radiotelescopios, estaciones terrenas de detección de partículas de muy altas energías y de variaciones eléctricas y magnéti-

cas en la superficie de la Tierra, expediciones a los polos, laboratorios dentro de las montañas, la estación espacial, etcétera, apoyan la investigación para conocer al Sol y sus alrededores. Uno de los últimos telescopios construidos para observar el espacio es el Hubble, que tiene un espejo principal que mide 2.4 metros; aparentemente es muy pequeño, pero colocado a 600 km sobre la atmósfera terrestre, le proporciona gran potencia y enorme claridad (figura 5.17). Se recomienda proyectar el video Hubble. Telescopio en el espacio, Discovery Channel, México.

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Antena de comunicación

Sistema de dirección del telescopio

Compartimiento de la nave espacial

Punta de apertura

Espejo secundario

Espejo principal Instrumentos científicos y cámaras

Placas solares

Figura 5.17 Telescopio espacial Hubble.

Las misiones espaciales siguen proporcionando enormes sorpresas a todos los científicos investigadores. Todos los nuevos descubrimientos nos con-

vencen de que aún tenemos un largo camino por recorrer para comprender el Universo en que vivimos.

1.1.5 La expansión del Universo y su futuro; expansión y contracción El efecto Doppler ¿Alguna vez has escuchado el silbato de un tren o un automóvil mientras el vehículo se acerca y luego pasa? Si lo has hecho, sabes que el sonido se vuelve más y más alto mientras se aproxima y luego se hace cada vez más débil a medida que se aleja. Pero la intensidad no es todo lo que cambia. El sonido también cambia de grave a agudo, y luego vuelve a los tonos graves mientras el vehículo se aleja. El cambio en el tono se llama efecto Doppler. Los científicos han podido asociar dicho efecto con las ondas sonoras y las ondas luminosas. Los astrónomos comprenden que el cambio en la longitud de onda en un espectro luminoso es parecido al cambio de tono en el silbato del tren. La longitud de onda de luz de un objeto se vuelve más corta a medida que el objeto se acerca, así como las ondas sonoras.

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Bloque 5

Si una estrella estuviera aproximándose, las líneas oscuras de un espectro se moverían hacia la parte azul violeta del espectro. Pero si la estrella se estuviera alejando, las líneas se moverían hacia la parte roja del espectro.

El Universo en expansión En 1924 Edwin Hubble notó que existe un gran desplazamiento hacia el rojo en la luz proveniente de las galaxias más allá del grupo de la Vía Láctea. ¿Qué expresaba esto acerca del Universo? Ya que todas las galaxias que se encuentran más allá de la Vía Láctea muestran un desplazamiento hacia el rojo en sus espectros, deben estar alejándose de la Tierra. Hubble concluyó que, debido a que tantas galaxias están alejándose de la Tierra, el Universo debe estar expandiéndose. Realizando la siguiente actividad puedes darte una idea acerca de la expansión del Universo.

Actividad

Modelo sobre la expansión del Universo ¿Para qué lo hacemos? Para conocer dónde se propaga el sonido.



Puntos





1



2



3



4



5

¿Qué se necesita? Dos plumones con punta de fieltro, uno negro y otro rojo, un globo grande y redondo de diferente color a los plumones, cinta métrica, una pinza para ropa y un hilo.

Globo desinflado

¿Cómo hacerlo? 1. Con el plumón rojo pinta un punto en cualquier parte del globo desinflado. 2. Con el plumón negro marca cinco puntos más sobre el mismo lado del globo en que pintaste el punto rojo pero a diferentes distancias. Numera los puntos negros, marcándolos perfectamente para que se vean cuando lo infles. 3. Mide la distancia desde cada punto numerado hasta el punto rojo. Por ejemplo: del punto uno al punto rojo; del punto dos al punto rojo y así

Globo a medio inflar

Globo totalmente inflado

sucesivamente. Registra las medidas en la tabla anterior. 4. Ahora infla el globo a la mitad y cierra su boca con una pinza. Observa la diferencia entre la posición de los puntos en el globo. 5. Ahora, uno de tus compañeros debe medir las distancias entre los puntos numerados y el punto rojo. Registra tus medidas en la tabla. 6. Infla el globo totalmente y cierra la boca del globo con el hilo y repite el paso anterior.

Conocimiento, sociedad y tecnología

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Figura 5.18 Expansión de los objetos.

Para concluir: 1. En el modelo, el punto rojo representa la Tierra, y el globo los límites del Universo. ¿Qué representan los puntos negros? 2. Interpreta los datos que registraste. ¿Cuál de los puntos numerados se alejó más del rojo?

3. Haz una inferencia e indica cuál de los puntos numerados se movió a mayor distancia. 4. ¿Cómo podrías probar cuál de los puntos numerados se movió a mayor distancia? Justifica tu respuesta. 5. ¿Qué puedes concluir con base en este modelo sobre la teoría de la expansión del Universo?

Investigación

¿Cuál puede ser el futuro del Universo? No se sabe a ciencia cierta cuál pueda ser el destino final del Universo o si continuará en expansión por siempre. Para llevar a cabo esta investigación, integren equipos de tres o cuatro alumnos, siempre apoyados por su maestro. Problema ¿Cuál será el futuro del cosmos? Plantea un plan de investigación Integrados en equipos de tres o cuatro alumnos planteen un plan de investigación para resolver el problema indicado. Propósitos 1. Definir un procedimiento para llevar a cabo la investigación mencionada. 2. Identificar las diferentes teorías que explican la contracción y futuro del Universo. ¿Qué se necesita? Enciclopedias, diccionario, libros de física, libros de astronomía, revistas especializadas, Internet, otros. Bibliografía: Sagan, C. (2004), Cosmos, Editorial Planeta, México, capítulo 10.

300

Bloque 5

Plan de la investigación Prepara tu libreta para registrar los datos sobre las teorías que expliquen la contracción y futuro del Universo. Revisa tu plan 1. ¿Qué clase de experiencias harás?, ¿cómo distinguirás la expansión y la contracción del cosmos? 2. ¿Dónde llevarás a cabo la investigación bibliográfica? 3. Observa los efectos de las fuerzas gravitatorias sobre la materia que forma los cuerpos celestes. 4. Escribe tu plan y revísalo con tus compañeros de equipo y con tu maestro. Efectúa los cambios que se requieran y lleva a cabo tu investigación. Analiza y concluye 1. Escribe en tu libreta lo que para ti es una contracción del Universo. 2. Infiere cuál será el destino final del Universo. 3. Compara y comenta tu idea con las de tus compañeros. 4. Identifica si hubo alguna idea sobre el futuro del Universo que fuera semejante a tu propia idea. 5. Entre todo el grupo elaboren una conclusión que escribirán en el pizarrón y en su libreta.

Contracción y futuro del Universo Se cree que las galaxias apenas visibles a los telescopios más potentes están alejándose a unos dos tercios de la velocidad de la luz; otras se desplazan casi a nueve décimos de la velocidad de la luz. La medición actual de las distancias indica que el Universo se ha expandido continuamente durante 13 000 millones de años. No se conoce cuál será el futuro del Universo, no sabemos si continuará expandiéndose eternamente, tampoco si algún día se acabará. Sin embargo, se puede suponer una respuesta: entre otros factores, el futuro depende de la densidad del Universo, de lo cerca que se encuentren las galaxias entre sí, como cada objeto atrae a todo lo que se encuentre dentro de su campo de fuerza gravitatoria. El Universo se expande, pero al mismo tiempo la gravedad de los cuerpos que lo forman intenta atraer a todo su contenido tratando de mantenerlo como estaba. Este enfrentamiento de fuerzas entre la gravedad y la expansión solamente puede tener un resultado. Si la densidad del espacio se encuentra por debajo de la llamada densidad crítica, la gravedad del Universo jamás logrará vencer a la expansión; por lo tanto, el cosmos se expandirá eternamente. Si la densidad del Universo es superior a ese punto crítico, la expansión se frenará completamente y empezará a contraerse de nuevo. Después de miles de millones de años, el cosmos en contracción llegará a un estado de gran densidad y calentamiento, y en una gigantesca explosión toda la materia se disolverá otra vez en protones y neutrones. Esta “gran explosión” haría que el cosmos empezara a dilatarse nuevamente, ya que la materia no se crea ni se destruye, sino que tan sólo se ordena de otra forma. Se recomienda proyectar el video de la serie Cosmos, capítulo 10, de Carl Sagan.

1.2 ¿Cómo descubrimos los misterios del Universo? 1.2.1 Estudio de la información del espacio a través de la captación de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias Describe diversos tipos de radiación electromagnética emitida por los cuerpos cósmicos en términos de su longitud de onda. La mayor parte de nuestro conocimiento sobre el Universo se debe al estudio de la luz emitida o reflejada por los objetos que existen en el espacio. Descontando algunas excepciones, los astrónomos se limitan a detectar y analizar la débil luz que procede de los objetos distantes del cosmos. Muchos de estos fotones de luz viajan millones de años luz para llegar a nuestros telescopios. Recordemos que la astronomía es una ciencia donde no podemos recolectar fácilmente muestras o estudiar objetos celestes en un laboratorio o físicamente conocer un sistema o parte de un sistema para estudiarlo detalladamente. Afortunadamente para nosotros, la luz nos proporciona mucha información. Cuando se detecta y analiza la luz emitida por un objeto celeste, los astrónomos pueden calcular su distancia, movimiento, temperatura, masa, densidad y composición química. Debido a que la luz que proviene de un objeto tarda un tiempo en llegar hasta nosotros, podemos conocer y aprender algunas cosas sobre la historia y evolución del Universo y de los cuerpos celestes. De hecho, podemos decir que cuando recibimos la luz de un objeto en el espacio, estamos practicando un poco de “arqueología”, ya que nos encontraremos estudiando cómo se veían los objetos cuando esos fotones de luz fueron emitidos. Por lo tanto, cuando los astrónomos estudian una galaxia que se encuentra a 100 millones de años luz, están estudiando cómo era la galaxia hace 100 millones de años; y para observar cómo es ahora, tendríamos que esperar otros

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100 millones de años. Por ejemplo, cuando nosotros vemos el Sol, en realidad ¡observamos cómo era hace 8.3 minutos! Como ya comentamos, casi todos los objetos del Universo emiten o reflejan luz a lo largo de todo el espectro electromagnético. Pero la mayor parte de esta luz no nos llega a la superficie de la Tierra. ¿A qué se debe esto? A que tenemos una atmósfera que nos bloquea ciertas clases de radiación, y deja pasar otras. Afortunadamente para la vida en la Tierra, la atmósfera impide el paso de la radiación nociva, como los rayos X, los rayos gamma y la mayor parte de los ultravioleta. La atmósfera, al mismo tiempo absorbe la mayor parte de la luz infrarroja. En cambio, la atmósfera es diáfana a la luz visible y a la mayoría de las ondas de radio y tiene unos pequeños “resquicios” en el infrarrojo. Los observatorios terrestres ópticos e infrarrojos generalmente se localizan cerca de la cumbre de montañas secas para evitar lo más posible a la atmósfera y lo absorbente del vapor de agua (figura 5.19). Espectro visible

Infrarrojo

El ozono y el oxígeno bloquean completamente la atmósfera 0.1 mm

Rayos X

1 mm

10 mm

Bloqueo de agua y dióxido de carbono en la atmósfera

100 mm

Ultravioleta

1 um

10 um

Ondas de longitud corta

100 um

Infrarrojo

1 mm

1 cm

10 cm

1m

Radio

10 m

100 m

Ondas de longitud

Radiación ultravioleta Rayos X absorbida por el ozono en la alta atmósfera absorbidos

Capa de ozono

Bloqueo de las cargas eléctricas en lo alto de la atmósfera

Ondas de radio

Ondas de radio

La luz visible pasa a través de la atmósfera

Telescopios ópticos

Rayos infrarrojos absorbidos por el vapor de agua y el dióxido de carbono Radiotelescopio

Figura 5.19 Diversos tipos de radiación que llega a la Tierra.

302

Si deseamos conocer mejor nuestro misterioso Universo, necesitamos estudiar todas sus longitudes de onda y para conseguir esta información necesitamos ubicarnos por encima de la atmósfera. Los astrónomos han hecho uso de diversos medios, como aeroplanos que vuelan a altitudes de hasta 14 km, globos aerostáticos que alcanzan alturas hasta de 33 km de altura, para evitar el efecto “oscurecedor” de la atmósfera (bloqueador de ciertos tipos de radiación), de telescopios montados en el Transbordador Espacial y en satélites lanzados al espacio exterior. El desarrollo tecnológico de los últimos 80 años ha permitido la fabricación de detectores electrónicos capaces de ver luz que es invisible a nuestros ojos, y ha producido una revolución en nuestro conocimiento del Universo y el descubrimiento de nuevos misterios por resolver.

Bloque 5

Se espera que en un futuro próximo continuemos teniendo noticias de los nuevos descubrimientos que se realizarán en todas las regiones del espectro electromagnético. Recordemos que el espectro electromagnético incluye los rayos gamma, los rayos X, el ultravioleta, el visible, el infrarrojo, las microondas y las ondas de radio. La única diferencia entre estos diferentes tipos de radiación es su longitud de onda o su frecuencia. La longitud de onda se incrementa, y la frecuencia disminuye, de los rayos gamma a las ondas de radio (figura 5.20). RAYOS GAMMA

RAYOS X

UV

VISIBLE

INFRARROJO

RADIO

Ahora bien, el Universo contiene objetos que producen una extensa gama de radiación, con longitudes de onda excesivamente cortas o excesivamente largas para que las podamos percibir, así como los instrumentos que nos ayudan a estudiar todas las partes del espectro electromagnético (EM), los cuales se desarrollaron durante el siglo xx, ya que para lanzar cohetes espaciales se necesitaban instrumentos sensibles a las longitudes de onda del infrarrojo, del ultravioleta, de los rayos X, y a las longitudes de onda de los rayos gamma sobre la Tierra. (Recuerda que la radiación en estas longitudes de onda es absorbida por la atmósfera terrestre.) Varios objetos celestes emiten principalmente radiación infrarroja; otros, la luz visible, y algunos otros radiación ultravioleta. Pero, ¿qué establece la clase de radiación electromagnética emitida por los objetos celestes? ¡La respuesta es muy simple: la temperatura del cuerpo celeste! En general, los objetos considerablemente calientes emiten radiación exageradamente energética con una longitud de onda muy corta, como la de los rayos gamma o los rayos X. La luz emitida a estas elevadas cantidades de energías son el resultado de eventos cósmicos explosivos y violentos, por ejemplo las supernovas. Los objetos más fríos emiten radiaciones de energía más bajas, con longitudes de onda que corresponden al infrarrojo o las ondas radio.

Figura 5.21 Fotografía en rayos X, donde se observa el gas caliente cerca del centro de la Vía Láctea (CXO).

Figura 5.22 Fotografía con ultravioleta de enanas blancas calientes en la galaxia ASTRO-1.

Figura 5.20 El espectro electromagnético muestra los diferentes tipos de onda que existen.

Figura 5.23 Imagen en luz visible que muestra estrellas de diferentes colores.

Se recomienda proyectar el video de la serie Cosmos, capítulo 9, de Carl Sagan. Exploración de páginas de Internet que presenten información, fotografías y animaciones sobre el Universo, por ejemplo (páginas en inglés): http://www.jpl.nasa.gov/multimedia/neo/index.cfm http://www.jpl.nasa.gov/videos/spitzer/spitzer-200609/

Conocimiento, sociedad y tecnología

303

1.2.2 Influencia del desarrollo de la tecnología en el avance de la astronomía Reconoce cómo el desarrollo tecnológico en relación con los telescopios ha permitido avanzar en el conocimiento del Universo. Se recomienda proyectar el video de la serie Cosmos, capítulo 6, de Carl Sagan. Enciclopedia Galáctica. Videoteca, volumen 3, “Cómo capturar el cosmos”, número A/EG/03. Enciclopedia Galáctica. Videoteca, volumen 5, “Una mirada al Universo” y “El Universo en la Tierra”, número A/EG/05.

Actividad

Evolución del telescopio ¿Para qué lo hacemos? Para incrementar los conocimientos sobre los avances tecnológicos en el diseño de telescopios, investiguen la historia de la astronomía y los telescopios y conozcan algunos científicos y astrónomos que ayudaron al desarrollo de la astronomía. ¿Qué se necesita? Libros, enciclopedias, diccionarios, revistas de astronomía, libros referentes al tema (por ejemplo: Assimov, I., Historia del telescopio, Editorial Alianza, España; Bronowski, J., El ascenso del hombre, Fondo Educativo Interamericano, Estados Unidos; Sagan, C., Cosmos, Editorial Planeta, México). ¿Cómo hacerlo? Con el apoyo del maestro formen equipos de dos o tres personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas que se enlistan a continuación y que se relacionan con las etapas de la evolución del telescopio y lo ilustrará. 1. Telescopio de Galileo o refractor. Incluir la historia de la construcción del telescopio, el diagrama de las lentes y la biografía de Galileo Galilei. 2. Primeros telescopios refractores. Incluir dos historias sobre la construcción de telescopios, el diagrama de funcionamiento y la biografía de Johannes Kepler. 3. Grandes telescopios refractores. Incluir tres historias sobre la construcción del telescopio, el diagrama de funcionamiento y la biografía de Christian Huygens. 4. Telescopio de Newton. Incluir la historia, el diagrama de funcionamiento y la biografía de Isaac Newton.

304

Bloque 5

5. Primeros telescopios reflectores. Incluir cuatro historias sobre la construcción del telescopio, el diagrama de funcionamiento y la biografía de Guillaume Cassegrain. 6. Gigantes reflectores. Incluir tres historias sobre la construcción del telescopio, el diagrama de funcionamiento y la biografía de Edwin Hubble. 7. Telescopios solares. Incluir la historia sobre la construcción del telescopio y la biografía de George Ellery Hale. 8. Radiotelescopios. Incluir dos historias sobre la construcción del telescopio y una biografía de Karl G. Jansky. 9. Telescopios monolíticos. Incluir dos historias sobre la construcción de los telescopios y una biografía. 10. Telescopios espaciales. Incluir dos historias sobre la construcción del telescopio, el diagrama de funcionamiento y la biografía de Lyman Spitzer hijo. Para concluir: 1. Cada equipo pasará a exponer los resultados de sus investigaciones. 2. Entre todo el grupo se analizarán las historias del telescopio y determinarán el orden y significado de los principales eventos o descubrimientos en la evolución del telescopio. 3. Entre todos los alumnos realizarán una historia donde se cuente cómo ha evolucionado el telescopio. 4. Cada alumno elaborará en su cuaderno una línea de tiempo sobre el desarrollo del telescopio y la ilustrará.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para identificar cómo el desarrollo de la tecnología propicia el desarrollo de la ciencia y descubrir cómo el desarrollo científico ha ayudado al desarrollo tecnológico. ¿Qué se necesita? Libros, enciclopedias, diccionarios, revistas de astronomía, libros referentes al tema (por ejemplo: Assimov, I., Historia del telescopio, Editorial Alianza, España; Bronowski, J., El ascenso del hombre, Fondo Educativo Interamericano, Estados Unidos; Sagan, C., Cosmos, Editorial Planeta, México). ¿Cómo hacerlo? Con el apoyo del maestro formen equipos de dos o tres personas para efectuar esta actividad. Cada equipo contestará en sus cuadernos las cuestiones siguientes: 1. Comparen la reflexión y la refracción. 2. Expliquen cómo la luz se dispersa con las lentes y cómo afecta la calidad de la imagen. 3. Expliquen cómo el tipo de lentes o espejos pueden afectar la calidad de la imagen. 4. Describan cómo se forma la imagen en los telescopios de refracción. 5. Describan cómo se forma la imagen en los telescopios de reflexión.

Figura 5.24 Esta imagen del cosmos proviene de un telescopio óptico tomada en el observatorio de Lund.

6. Identifiquen los eventos más importantes asociados al desarrollo de los telescopios desde Galileo hasta los telescopios espaciales. 7. Describan y justifiquen la secuencia de eventos. 8. Describan cómo los avances tecnológicos han mejorado el diseño y construcción de los telescopios. 9. Describan cómo la ciencia ha ayudado al desarrollo de la tecnología para mejorar el diseño de los telescopios. 10. Describan cómo el avance en el desarrollo del telescopio ha ayudado a los científicos a hacer nuevos descubrimientos. 11. Escriban una carta dirigida a Galileo donde le cuenten e ilustren la importancia de cada descubrimiento astronómico debido a cada tipo de telescopio acompañado de una imagen obtenida por el mismo. 12. Observa las imágenes siguientes que provienen de diferentes tipos de telescopios e indica la información que nos puede proporcionar cada una. 13. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de las respuestas. 14. Entre todos elaboren una conclusión final que anotarán en el pizarrón y en su libreta.

Figura 5.26 Esta imagen, en rayos gamma, se captó a bordo del observatorio del Compton.

Figura 5.25 Esta imagen de radio con una frecuencia de 408 megaciclos se tomó en el Instituto Planck para la radioastronomía (fotografía de Glyn Haslam).

Conocimiento, sociedad y tecnología

305

Relaciona la luz emitida por las estrellas con algunas de sus características físicas: temperatura, masa y distancia de la Tierra Como ya estudiamos anteriormente, todos los objetos emiten radiación electromagnética y la cantidad de radiación emitida corresponde a cada longitud de onda, que está relacionada con la temperatura del objeto. Para medir la temperatura se tiene que determinar en qué sección del espectro brilla más. Los objetos calientes o brillantes emiten más radiación de onda corta, y los objetos fríos emiten más radiación de onda larga. Para comprender mejor la relación entre la temperatura y las fuentes de radiación electromagnéticas, tenemos que recordar que la luz está causada por la longitud de onda, que es la distancia entre dos picos de onda. La longitud de onda se da en nanómetros (millonésimos de metro), recayendo la menor longitud en los colores más azules, y la mayor, en los más rojos. La figura siguiente nos puede ayudar a comprender mejor la distribución de la energía en el espectro (figura 5.27). Pulsar

Remanentes de supernovas Agujero negro

Nube de polvo

Estrella caliente

Corona solar

Planeta

Estrella fría

Quasar

Radiogalaxia

Moléculas interestelares A

Radiación de fondo

B

Rayos γ

Ultravioleta

Rayos X

Visible

Núcleo atómico Átomo

−6

−5

−4

−3

−2

Molécula

−1

Figura 5.27 Relación entre longitudes de onda y tipos de estrellas. Fuente: http://institutocopernico.org

0

1

Bacteria

Cabeza de alfiler

2

4

3

5

C

Radio

Infrarrojo

D

Ser humano

Edificio

Insecto

6

7

8

9

10

11

Longitudes de onda en potencias de diez de un nanómetro (1 nm) La parte A indica algunos de los fenómenos observados en cada longitud de onda. La B, indica si la atmósfera es o no transparente a esa longitud de onda. La C, el nombre dado a cada región del espectro. La D, fija la escala en longitud, en términos de objetos terrestres.

Cerca de 1850 el italiano Angelo Secchi observaba los espectros de las estrellas a través de un prisma de vidrio y advirtió que éstas presentaban diferentes características de acuerdo con las temperaturas superficiales de los cuerpos celestes. Las temperaturas, a su vez, estaban muy relacionadas con el color de las estrellas; por ejemplo, las más calientes emiten una luz blanco-azul y las más frías una luz rojo-oscura. Secchi realizó una clasificación espectral que, en sus líneas básicas, aún sigue vigente. Más tarde, Antonia C. Maury (1866-1952) notó que existían significativas semejanzas entre los espectros de diversas estrellas e hizo una clasificación con letras que corresponden a la temperatura de la superficie de la estrella. Las estrellas se dividen en 10 clases espectrales y cada una tiene asignada una letra del alfabeto: O, B, A, F, G, K, M, R, N, S (figura 5.28). Las primeras letras correspon-

306

Bloque 5

den a las estrellas más calientes, que se caracterizan por los espectros más sencillos; a las últimas, las más frías, con espectros de creciente complejidad. Las estrellas supercalientes, llamadas de clase Wolf Rayet (nombre de los astrónomos que las estudiaron), son indicadas con la letra W y a veces relacionadas con la O, a la cabeza de la sucesión. En cada clase espectral, existen diferentes variedades de estrellas, que se clasifican y dividen nuevamente en 10 tipos espectrales.

Clase O B A F G K M

Tipo de estrella Estrellas muy calientes Estrellas azules calientes Estrellas blancas Estrellas verdeamarillentas Estrellas amarillas Estrellas anaranjadas Estrellas rojas

Temperatura (K) 50 000 25 000 11 000 7 600 6 000 5 100 3 000

Glosario Parsec: proviene de la contracción de las palabras paralaje y segundo. Es una unidad de medida astronómica que corresponde a la distancia que habría de la Tierra a una estrella que tuviera una paralaje de un segundo.

Figura 5.28 Tipos espectrales de las estrellas. Fuente: http://institutocopernico.org/ vslectures/vslecture2htm

Relación entre la longitud de onda y la distancia Existen dos formas de determinar la distancia de los objetos celestes: a través de mediciones precisas de sus coordenadas, en diferentes posiciones de la Tierra en su órbita alrededor del Sol (figura 5.29). Al ángulo π se le designa paralaje. Cuando una estrella tiene un paralaje de 1" se dice que la distancia es de 1 parsec (pc). Sin embargo, este método pierde exactitud a medida que aumenta la distancia; el límite se considera por los 400 años luz. La otra forma se calcula por el brillo de las estrellas dentro del radio del paralaje. Al principio los astrónomos creían que todas las estrellas tenían el mismo brillo y que si unas se observaban mejor era debido que se encontraban más cerca; sin embargo, al determinar el paralaje de las estrellas cercanas observaron que el brillo y palidez de las estrellas no sólo dependía de la distancia. Hoy en día se puede clasificar e identificar el brillo real específico de una estrella por sus líneas espectrales y el color de su luz por escalas. Ia Ib II III

Supergigantes muy luminosas Supergigantes menos luminosas Gigantes brillantes Gigantes normales

IV V VI VII

estrella

d

Sol

Tierra

Figura 5.29 Paralaje de una estrella.

Subgigantes Estrellas de la secuencia principal Subenanas Enanas blancas

Enciclopedia Galáctica. Videoteca, volumen 3, “Así funcionan los cielos”, número A/EG/03.

Conocimiento, sociedad y tecnología

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Relación entre la longitud de onda y la masa La masa de un objeto celeste es muy importante para su estudio. La masa es la cantidad de materia que contiene. Gracias a ésta se puede conocer su edad, por ejemplo; pero obtener la masa es muy difícil y las únicas estrellas que pueden medirse directamente para obtener su masa son las “estrellas dobles” (parecen una, pero en realidad son dos que giran una alrededor de la otra). Las órbitas se determinan por sus campos de gravitación y se obtiene la masa conociendo el tiempo que tardan en girar una alrededor de la otra y la distancia que las separa.

Actividad Completa la tabla siguiente y analiza la relación que hay entre la temperatura y el tipo de objeto celeste que genera la radiación. Tipo de radiación

Longitud de onda (nanómetros)

Rayos gamma

Irradiado por objetos a esta temperatura

Fuentes típicas

más de 108 K de temperatura

Pulsares, quasares y hoyos negros

106-108 K

Racimos de gas en las galaxias; remanentes de supernovas; corona estelar

Ultravioleta

104-106 K

103-104 K

10-103 K

más grande que un milímetro

menos de 10 K

Se recomienda proyectar el video de la serie Cosmos, capítulo 9, de Carl Sagan.

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Bloque 5

Emisión de ondas de radio producidas por los electrones que se mueven dentro del campo magnético.

2. La tecnología y la ciencia 2.1 ¿Cuáles son las aportaciones de la ciencia al cuidado y conservación de la salud? 2.1.1 Rayos X para el diagnóstico de enfermedades Glosario ¿Qué aportaciones ha hecho la ciencia para proteger la salud del ser humano? ¿Qué aplicaciones de los rayos X puedes mencionar? ¿Sabes qué aparaRadioactividad: desintegración de elementos tos los usan y para qué se utilizan? ¿Puedes mencionar algunos de los usos de inestables como el uranio los rayos X que hayan sido utilizados por ti o algún miembro de tu familia? y el torio, que origina la La mayor eficacia de la medicina ha prolongado significativamente la liberación de partículas con expectativa de vida y la mayor calidad en la salud de las personas, con el alta energía. consiguiente desarrollo de la geriatría (enfermedades de la vejez). Esto tiene mucho que ver con la colaboración entre físicos y expertos en biología y medicina. La física médica, tal y como la conocemos actualmente, inicia su desarrollo a partir del descubrimiento de los rayos X y de la radiactividad, que proporcionaron nuevos métodos de diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Anteriormente estudiaste la luz y el espectro electromagnético. Hemos mencionado que de todas las radiaciones que llegan al ojo humano únicamente podemos distinguir una parte muy pequeña de ellas, sólo las que pertenecen al espectro visible. Sin embargo, existen otras que no podemos ver, como la infrarroja, la ultravioleta, los rayos X, los rayos gamma, entre otros. El estudio de estas radiaciones y de las sustancias que las emiten permitió descubrir distintas aplicaciones de utilidad para el hombre. Para saber más

Radiaciones infrarrojas La palabra infra, en latín, significa “debajo o más abajo que”. Por esa razón a las ondas electromagnéticas que tienen una frecuencia más baja que la de la luz roja se les denomina infrarrojas. Localízalas en el espectro electromagnético. Estas ondas, al chocar contra alguna clase de materia, pueden pasar a través de moléculas y átomos, haciéndolos vibrar o causando una aceleración de sus

movimientos. Al hacer vibrar estas partículas producen elevación en su temperatura. Las radiaciones infrarrojas tienen muchas aplicaciones como fuente calorífica; es muy adecuada para ser utilizada como elemento de calefacción exterior y por eso es frecuente su uso en escaparates, negocios, etcétera, de las grandes ciudades, y también como psicoterapia en algunos padecimientos.

Por ejemplo, los rayos X tienen una gran energía que atraviesa la materia. Gracias a este poder de penetración, son utilizados para obtener imágenes del esqueleto: los huesos son opacos a los rayos X, mientras que otros tejidos, como los músculos, son “transparentes” a dichos rayos. Cuando es preciso, se aplican rayos X para diagnosticar, por ejemplo, la rotura de un hueso, o de objetos ingeridos por los niños, así como para fotografiar los tumores; también se aplican en el tratamiento de cáncer cuando se proporciona radioterapia a través de rayos X, gamma o rayos ionizantes. Como podemos darnos cuenta, existen infinidad de formas de uso médico (figura 5.30). Cuando es necesario obtener una

Conocimiento, sociedad y tecnología

309

Glosario Diagnóstico: definición de la naturaleza de un estado de alteración en el organismo de un ser vivo.

radiografía, se aplican las radiaciones más débiles posible, porque los rayos X dañan los tejidos sanos y matan las células, por eso los médicos y los radiólogos utilizan batas recubiertas de láminas de plomo para protegerse de la radiación. El plomo es un material opaco a los rayos X. La utilización de los rayos X para diagnosticar la estructura interna del organismo es una rutina clínica. A partir de la primera radiografía obtenida por Röentgen en 1895, las técnicas de radiodiagnóstico cada día son más y mejores. Para diagnosticar el padecimiento del paciente, se transforma el haz de rayos X, después de atravesar el órgano irradiado, se hace directamente con ayuda de una pantalla luminiscente o por medio de un circuito de televisión. En las pantallas luminiscentes se eligen sustancias sensibles a la visibilidad del ojo humano. La sensibilidad de la radiografía clásica es muy superior a la de la imagen televisada; sin embargo, la televisión tiene una ventaja, que permite seguir los movimientos de los órganos internos y tomar la placa en el momento más favorable.

Figura 5.30 El cuidado de la salud del ser humano es uno de los campos que más se han beneficiado por la aparición de las nuevas tecnologías, como son los rayos X.

Actividad 1. ¿En cuántas partes se divide el espectro electromagnético? 2. ¿En qué rangos de longitud de onda se encuentra el espectro visible en el espectro electromagnético? 3. ¿En qué rangos de longitud de onda se encuentran los rayos X en el espectro electromagnético? 4. ¿Qué aplicaciones de los rayos X se utilizan en el área médica?

5. ¿Qué significa que ciertos materiales y sustancias son opacos a los rayos X? 6. ¿Por qué los radiólogos deben protegerse con batas o delantales que contengan placas de plomo? 7. ¿Qué efectos nocivos tienen para la salud los rayos X? 8. Explica en seguida tus respuestas; coméntalas con el grupo y con la orientación de tu maestro lleguen a una conclusión final, que anotarás en tu libreta.

Investigación Con el apoyo del maestro formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar. 1. Reflexionen e investiguen sobre las aplicaciones de los rayos X actualmente: a) En la historia y la fabricación de aparatos de rayos X.

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Bloque 5

b) En la absorción de los rayos X. c) En imagenología. d) En tomografía lineal. e) En la tomografía axial y axial computarizada. Bibliografía: Piña Barba, María (2000), La física en la medicina, colección “La ciencia para todos”, número 171, FCE, México, págs. 120-140.

Se sugiere consultar las siguientes páginas electrónicas: http://virtual.cucs.udg.mx/ro/ http://matematicas.udea.edu.co/~exacta/ historias/libretos/76_rayos_x.doc 2. Escríbanlos en su libreta e ilústrenla. 3. Cada equipo explicará oralmente lo que haya encontrado acerca de las aplicaciones de los rayos X que le haya correspondido investigar, mientras sus compañeros de grupo irán anotando los datos que consideren importantes. 4. Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas, comenten tanto los resultados como lo que han aprendido al realizar esta actividad.

5. Expliquen por equipo, por qué es peligrosa la exposición constante a los rayos X, así como utilizar radiaciones más fuertes de las mínimas requeridas. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de las respuestas. 6. Entre todos elaboren una conclusión final que anotarán en el pizarrón y en su libreta. 7. Investiguen qué es un escáner, cómo funciona y dónde se aplica. Escriban una carta dirigida a su mejor amigo o amiga donde le expliquen los resultados de su investigación y entréguensela a su profesor. Cuida tu ortografía.

2.1.2 Nuevos materiales y técnicas basadas en la física para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades ¿Crees que la física se relaciona con la medicina? ¿Cuál es el papel de los físicos en nuestro bienestar? En los países de mayor desarrollo científico-tecnológico, todos los hospitales cuentan con un departamento de física médica. A la fecha, en el momento de realizar un diagnóstico, la presencia del físico se torna indispensable a fin de obtener imágenes de mayor calidad y precisión, y de extraer el mayor provecho posible de los equipos. En la medicina del siglo xx destacan los progresos ocurridos en conexión con las ciencias básicas. Así, el desarrollo de la bioquímica se encuentra estrechamente vinculado con la física y la química, con el surgimiento de la genética molecular, con las aplicaciones de la física en otras áreas de la medicina, el acelerado desarrollo de la biofísica y el surgimiento de la biomatemática. Uno de los aportes fundamentales de la física a la medicina fue la difracción de rayos X en el descubrimiento del ácido desoxirribonucleico (ADN). El desarrollo de la tecnología para diagnóstico médico ha creado extraordinarias y nuevas posibilidades para obtener una imagen precisa del cuerpo humano. Muchas de las mejores herramientas para el diagnóstico médico han incorporado la tecnología que los físicos originalmente habían desarrollado para explorar la naturaleza de la materia. Las técnicas que usualmente se aplican para proteger la salud del ser humano son: ultrasonido, tomografía por emisión de positrones y tomografía asistida por computadora.

Resonancia magnética nuclear La resonancia magnética y la terapia de neutrones son sólo dos de los ejemplos más prominentes de la exitosa colaboración entre los innovadores investigadores médicos, los físicos y los ingenieros. Las imágenes por resonancia magnética (IRM) son un excelente ejemplo. En la figura 5.31 se muestra la imagen del cuerpo de una mujer obtenida por esta técnica. Tal vez el avance más grande en diagnóstico del último siglo sea el IRM, producto de

Conocimiento, sociedad y tecnología

Figura 5.31 Imagen del cuerpo humano obtenida mediante resonancia magnética.

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la física atómica, nuclear y de altas energías, química cuántica, ciencias computacionales, criogenia, física del estado sólido y medicina aplicada.

Radiactividad Algunos descubrimientos físicos han ayudado a lograr avances muy importantes en el tratamiento de cáncer por más de un siglo. Los aceleradores que producen rayos X y electrones para radioterapia son planeados y operados por físicos médicos, con tratamientos supervisados por oncólogos especialistas en radiaciones. Primero como experimento, después como tratamiento de último recurso, la radioterapia ha evolucionado hasta ser el mejor tratamiento para muchos cánceres. La técnica terapéutica por radiación presenta diversas ventajas para la medicina, por ejemplo, la utilización en el diagnóstico de tumores malignos, aneurismas y problemas circulatorios, entre otros.

Ultrasonido La propagación de las ondas ultrasonoras en los tejidos biológicos produce diferentes efectos, entre los cuales el más sencillo es el calentamiento térmico que resulta de la absorción de la energía ultrasonora. Esta técnica es muy eficaz en el tratamiento de determinados padecimientos de reumatismo, los que se benefician debido a los fenómenos de calentamiento y de compresión mecánica en el interior de los tejidos. Se obtiene una reacción analgésica sobre los dolores reumáticos. Otro tratamiento del ultrasonido es la prevención de secuelas de la pleuresía, debido a que permite la reabsorción de derrames y la desaparición de formaciones fibrosas.

Tomografía por emisión de positrones y tomografía asistida por computadora ¿Cuál es la manera de estudiar un cerebro en actividad? Si el cabello, el cuero cabelludo, el cráneo y la materia gris fueran transparentes sería de mucha ayuda, pero no lo son. Antes de la década de 1970, lo que se sabía del cerebro se aprendía estudiando a personas que sufrían daños cerebrales. En el año de 1972 se generó una nueva técnica, llamada tomografía por emisión de positrones o escáner PET. En un escáner PET, la cabeza del paciente se cubre con unas cámaras de escanografía mientras la persona se sienta en una silla semejante a la del odontólogo. Se le inyecta agua que contiene moléculas de azúcar, las que llevan indicadores de radiactividad. Se plantea al paciente un problema de razonamiento, y las cámaras registran los rayos gamma emitidos por los indicadores de radiactividad. En el interior del cerebro, los indicadores señalan la parte del cerebro que trabaja en la resolución del problema (utilizando las moléculas de azúcar como combustible). La computadora localizada en el escáner genera imágenes codificadas en colores del cerebro en actividad. ¿Hemos revisado todas las técnicas que existen? Definitivamente, no, faltan muchas otras. Aún más, habrá otras nuevas que enriquecerán a las ya conocidas y otras que sustituirán a otras tantas, porque la ciencia y la tecnología día a día encuentran nuevos caminos para hacernos la vida más fácil y agradable. Sin embargo, debe quedar muy claro que el futuro de la física de aceleradores no es solamente para los físicos. Tal como sucedió en el pasado, los descubrimientos de mañana en la ciencia de aceleradores de partículas pueden llevar a aplicaciones inesperadas para el diagnóstico médico, la recuperación de la salud y el conocimiento de la biología humana. Ningún campo de la ciencia es una isla. La física, la astronomía, la química, la biología, la medicina; todas interactúan en el esfuerzo humano de explorar y entender nuestro mundo y a nosotros mismos.

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Bloque 5

Actividad Ante todo lo que ya has estudiado en este tema, analiza la repercusión de la física en la medicina y responde lo siguiente: 1. ¿Cuántas personas conoces que se les esté aplicando alguna de las técnicas mencionadas? 2. ¿Han mejorado su salud durante el tratamiento aplicado? ¿A qué se debe? 3. ¿Qué otras técnicas se les está aplicando a los pacientes que conoces?

4. Discutan y comenten en el salón sobre cuál técnica es la que más se utiliza entre las personas conocidas. 5. ¿A qué creen que se deba? Investiguen con el médico escolar, o algún otro, si sería posible prevenir estos padecimientos y cómo se llevaría a cabo esta prevención. 6. Por último, elaboren una conclusión y escríbanla en su libreta.

2.2 ¿Cómo funcionan las telecomunicaciones? 2.2.1 Uso de la tecnología en los cambios de vida en la sociedad

Aparatos domésticos

Capacidad media de consumo (watts) 40 60 100

¿Qué es la tecnología? ¿Cómo influye en la vida cotidiana del ser humano? ¿Se ha modificado la forma de vida del ser humano con el desarrollo de la tecnología? ¿Podrías nombrar algunos ejemplos en los que se detecte la presencia de la tecnología? Diariamente utilizamos gran cantidad de herramientas, maquinarias y utensilios diversos de forma automática, de tal modo que nos parece normal que existan para que nuestra vida sea más agradable y nuestras tareas más sencillas de hacer. Pero, ¿que ocurriría si de pronto careciéramos de energía eléctrica, de los aparatos domésticos que nos ayudan diariamente (licuadora, lavadora, etcétera), que no hubiera los medios de transporte conocidos (autos, autobuses, metro, bicicletas, otros) y todos tuviéramos que caminar para llegar a nuestros destinos (escuelas, trabajos, mercados, etcétera)? Seguramente habría caos, porque ya estamos acostumbrados a tenerlos y usarlos cada vez que es necesario (figura 5.32). A continuación te invitamos a realizar una actividad para que reflexiones acerca de las preguntas planteadas arriba y sobre la lectura anterior.

600

1 000

100

300

Figura 5.32 Los aparatos electrodomésticos hacen que nuestra vida sea más cómoda, pero debemos controlar su consumo de energía eléctrica.

200

Actividad 1. Investiga con tus padres, tíos, abuelos y amigos de la familia cómo han vivido los cambios producidos en la sociedad debido al desarrollo tecnológico. 2. Elabora una reseña ilustrada de la vida en sociedad en tiempos de los abuelos, los padres y actual. 3. Haz una comparación sobre el desarrollo de la tecnología en cada generación.

4. Mediante una lluvia de ideas, comenten dentro del grupo las ventajas y desventajas de los avances tecnológicos y su influencia en los estilos de vida. 5. Elaboren un periódico mural que colocarán a la vista de todo el alumnado.

Conocimiento, sociedad y tecnología

313

2.2.2 Algunas formas utilizadas en diferentes culturas y momentos históricos para comunicarse ¿De qué forma te comunicas con tus amigos y familiares cercanos? ¿Y con los que viven en otra ciudad o en otro país? ¿Has pensado en la manera en que se comunicaban tus padres y tus abuelos en su niñez y juventud? ¿Actualmente qué tipos de comunicaciones utilizan? ¿Qué diferencia hay entre las comunicaciones de antaño y las actuales? ¿Cómo crees que tus futuros hijos o nietos se comuniquen? Existen cientos de formas distintas de compartir nuestras ideas y sentimientos con los demás. La comunicación, de igual manera que todo lo demás, se ha desarrollado a través del tiempo. Al principio de los tiempos y durante muchos siglos de la vida del hombre, el habla constituyó el método fundamental de la comunicación. Conforme surgieron nuevas necesidades, algunas culturas, como los pueblos de indígenas americanos, desarrollaron un sistema de transmisión de mensajes con señales de humo; otros pueblos enviaban sus mensajes marcando ritmos al toque de tambor; otras culturas, como los aztecas, utilizaban mensajeros de voz, que aprendían de memoria la información y además corrían veloces y se relevaban cada determinada distancia. Estas formas de comunicación fueron diversas y se mantuvieron durante muchos años.

Actividad 1. ¿Conoces otros métodos de hacer llegar la información a las personas? 2. ¿Cuáles y en qué culturas se desarrollaron? 3. ¿Actualmente, habrá poblaciones que se comuniquen de manera parecida a lo que hemos explicado?

Figura 5.33 El telégrafo envía información en forma de impulsos o señales eléctricas a un circuito eléctrico.

314

Bloque 5

4. Investiga y coméntalo con tus compañeros del grupo. 5. ¿Crees que se podría incluir otra tecnología en estas comunidades? ¿Cómo piensas que se podría hacer? Escríbelo en tu libreta.

Con el nacimiento de la escritura, se revolucionaron las formas de comunicación, la transmisión de información se llevó a cabo de diferentes maneras: aves (palomas) adiestradas y mensajeros a pie o a caballo llevaban y entregaban cartas o comunicados. Pero en los últimos siglos se observaron avances significativos, debidos a diversos inventos tecnológicos, entre ellos: se organizó el servicio postal, aún en diligencias; en 1440, Gutenberg descubrió la imprenta, por primera vez se logró la forma de imprimir en papel, con lo que se podían obtener muchas copias; un siglo después surgieron los primeros libros; posteriormente se creó el telégrafo (figura 5.33), más tarde el teléfono, tecnologías, que verdaderamente cambiaron la forma de vida de la sociedad.

Para saber más

El primer libro que se imprimió En Europa se imprimió el primer libro con tipos móviles, la Grammatica Latina de Donato en 1451; dos años después, Gutenberg empezó a imprimir un li-

bro al que llamó la Biblia de las 42 líneas; de este ejemplar se imprimieron 300 copias, de las cuales se conservan 40.

El avance de la ciencia y la tecnología a partir del siglo xx dio un gran impulso a las formas de comunicación, con la radio y la televisión, considerados ambos como los más notables inventos de esa época. A partir de 1950, podíamos conocer la información no sólo mediante la narración de un locutor a través de la radio, sino ver las imágenes y los acontecimientos mundiales o locales casi en el momento en que estaban sucediendo gracias a los satélites artificiales (figura 5.34). En la década de 1990 se inició, quizás, lo más sobresaliente en términos de desarrollo de la tecnología de la comunicación, la Internet, que utilizamos como herramienta laboral e importante fuente de información. Además, se sumó el teléfono celular a las tecnologías desarrolladas en la comunicación (figura 5.35). Cada descubrimiento tecnológico adquirido sirve para desarrollar otro que al ser humano le presta un mejor servicio; por ejemplo, al descubrir las ondas de radio y darles uso, posteriormente se pudieron crear la radio, el teléfono, la televisión, etcétera. Todo esto ocurre debido a la curiosidad del ser humano, que al experimentar y resolver un problema invariablemente surge uno nuevo, el cual también requiere de respuesta. En cada época la sociedad orienta el sentido de la tecnología, pues los avances tecnológicos crean también sociedades diferentes cuyos problemas y necesidades requieren soluciones.

Figura 5.34 Los satélites artificiales transmiten la información prácticamente en tiempo real.

Figura 5.35 Internet y los teléfonos celulares forman parte de los últimos avances de la tecnología de la comunicación.

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315

Actividad

Desarrollo de la tecnología de la comunicación Construyan una línea de tiempo con los principales avances tecnológicos de la comunicación que el hombre ha realizado. ¿Para qué lo hacemos? Para ubicarnos en el desarrollo histórico de la tecnología en el campo de la comunicación desde sus orígenes hasta la actualidad. ¿Qué se necesita? Papel, plumones, pegamento (cinta adhesiva), fotos o dibujos. ¿Cómo hacerlo? 1. Organícense en equipos de cuatro o cinco integrantes para que puedan efectuar la actividad.

2. Coloquen alrededor del salón el papel fijándolo en la pared con el pegamento. 3. Dividan el papel en periodos de tiempo. 4. Agreguen dibujos o fotografías referentes al tiempo que consideren de mayor relevancia para el desarrollo de la comunicación. Para concluir: 1. ¿Creen que la tecnología ha sido el resultado del trabajo de la ciencia? 2. ¿Qué características han encontrado en la tecnología para comunicarse? 3. ¿Pueden describir qué es la tecnología y qué es la comunicación?

2.2.3 Necesidades que han dado origen al desarrollo científico y tecnológico Para cada problema surgido a lo largo de la historia, el ser humano encontró una forma capaz de resolverlo. Para ello, se valió de los elementos que conocía y los modificó. Al llevarlo a cabo, creó indirectamente nuevas necesidades, que se resolvieron con nuevos descubrimientos. Analicen el ejemplo siguiente:

Descubrimiento de los microorganismos

Figura 5.36 Luis Pasteur, científico francés, fue el primero en intuir que los microbios son responsables de las infecciones.

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Bloque 5

Con la fabricación de lentes de aumento y el uso del microscopio se pudieron observar pequeñas células del cuerpo humano, como los espermatozoides o los hematíes, y animales unicelulares como los protozoos. Los “gérmenes”, que hoy conocemos como bacterias, no pudieron distinguirse hasta finales del siglo xviii por varios microscopistas, médicos y botánicos. Pasteur fue el primer científico que relacionó los microorganismos con las enfermedades, después de haber resuelto los problemas de la industria del vino y de la cerveza, bebidas que se agriaban con facilidad; para lograrlo mataba los microorganismos que eran causantes de ese proceso calentando los líquidos. Este método se llama desde entonces “pasteurización”. Igualmente, acabó con una epidemia de gusanos de seda destruyendo los gusanos infectados y volviendo a criar gusanos libres de infección. Pasteur enunció la teoría de los gérmenes patógenos y su descubrimiento permitió dominar muchas enfermedades de origen infeccioso, aumentando la supervivencia de la población en los países más avanzados (figura 5.36).

De la lectura anterior podemos extraer algunas conclusiones acerca del campo de interés de la tecnología. 1. A través del tiempo surgen problemas y necesidades que requieren de la capacidad del hombre para darles solución. La mayoría de estas soluciones se generan de adaptaciones o nuevos usos de inventos o descubrimientos anteriores, como las lentes de aumento y el microscopio. 2. Estos descubrimientos o inventos consisten en materiales, maquinarias, dispositivos o herramientas. En el ejemplo analizado, la pasteurización es un proceso que se efectúa a los materiales hasta alcanzar la pasteurización de los mismos. 3. En todos los casos, la vida del ser humano se transforma gracias a estos conocimientos y soluciones. La tecnología convierte a la sociedad y su cultura. Mediante el descubrimiento de nuevos principios o la construcción de máquinas, y dispositivos, la tecnología busca satisfacer las múltiples necesidades del ser humano. Uno de los propósitos fundamentales de la tecnología es la de conseguir recursos que sean útiles para satisfacer las necesidades del ser humano. ¿De qué necesidades hablamos? Las más importantes son: alimentación, vestido, salud, vivienda, comunicación, etcétera. Realiza la actividad siguiente, reflexionando sobre cada aspecto planteado.

Actividad Imagínense que van de paseo al mar, de pronto empieza una tormenta y su lancha navega a la deriva y se va a estrellar contra las rocas de una isla. Con mucho esfuerzo logran alcanzar la playa. Se dan cuenta que la isla está desierta y que ustedes no disponen de ningún objeto ni herramienta moderna. ¿Cuáles serían las necesidades prioritarias a resolver? ¿Con qué recursos las resolverían? 1. De manera individual, ordenen la relación de necesidades que está abajo, tomando en cuenta lo fundamental. a) Procurarse alimento b) Comunicarse con el mundo exterior c) Entretenerse dibujando en la arena d) Construir un refugio

e) Explorar la isla para obtener algunos recursos y conocer peligros inminentes f) Fabricar armas para defenderse g) Marcar sobre un tronco los días que pasan, tomando en cuenta la salida y puesta del Sol. h) Fabricar utensilios 2. Comparen y comenten el orden de sus listas con sus compañeros del grupo. ¿Qué necesidades consideraron básicas? 3. Seleccionen dos necesidades y describan qué harían para resolverlas. ¿Se les ocurre hacer algún dispositivo, artefacto o herramienta que pudieran usar para ese fin? 4. Comenten y analicen de manera grupal cuáles son las mejores propuestas y escríbanlas en el pizarrón.

2.2.4 Uso de la fibra óptica en las comunicaciones La fibra óptica ha revolucionado los procesos para transmitir información. El primer sistema de prueba se realizó en Inglaterra en 1977. En 1979 ya se producía el material en grandes cantidades. Como recordarás, las fuentes usuales de luz emiten una combinación de luz de muchos colores, o longitudes de onda diferentes. Con el descubrimiento del láser se logró producir luz de una sola longitud de onda y se empezó a utilizar en las telecomunicaciones para que los mensajes se transmitieran a velocidades extraordinarias y con extensa cobertura. Pero su uso era muy limitado, ya que no existían los conductos y canales adecuados para conducir esa luz. Ésta fue la razón por la que los expertos

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en óptica centraron sus esfuerzos en la fabricación de un tubo o canal y desarrollaron la fibra óptica (figura 5.37). La fibra óptica consta de una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico de 50 a 125 micrómetros de diámetro (aproximadamente el espesor de un cabello). El cable de fibra óptica consta de una región cilíndrica llamada núcleo, medio por el cual se propaga luz, y tiene una zona externa al núcleo y coaxial con él, llamada revestimiento Figura 5.37 Fibra óptica. o envoltura. El revestimiento es una cubierta de plástico u otros materiales que lo protegen contra la humedad, los roedores y otros riesgos del medio ambiente. El índice de refracción (que es la medida de su capacidad para desviar la luz) del material de revestimiento es menor que el del núcleo. El volumen de transferencia de información obedece primordialmente a tres características: el diseño geométrico de la fibra, las propiedades de los materiales empleados (diseño óptico) y el intervalo de longitudes de onda de la fuente de luz utilizada (cuanto mayor sea éste, menor será la capacidad de transmisión de información de la fibra). Además de la capacidad de transmisión de información, la fibra óptica es inmune a las interferencias electromagnéticas que afectan a las ondas de radio. Las fibras ópticas son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente adicional y posee un gran ancho de banda, lo que admite aumentar la capacidad de transmisión y reducir el costo por canal y se necesitan menos repetidores, ya que con el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km, razón por la cual se pueden transmitir mensajes o datos a cualquier distancia a cualquier parte de nuestro planeta. Pero las aplicaciones de la fibra óptica también se encuentran en otros campos, como la medicina, donde se utiliza en las intervenciones quirúrgicas con rayo láser o endoscopías, espectrometrías remotas, etcétera.

Actividad

Fibra óptica ¿Para qué lo hacemos? Para conocer cómo se comportan los destellos de luz láser al ser transportados dentro de la fibra óptica. ¿Qué se necesita? Botella vacía (refresco) de dos litros, un clavo grueso y grande, un embudo grande, una jarra con agua, una regla graduada, un marcador, una lámpara de mano y una palangana (por equipo). ¿Cómo hacerlo? 1. En equipos de cuatro personas realizarán la experiencia. 2. Hagan un agujero en la botella con el clavo. Éste debe situarse a 12 cm de la base de la botella. 3. Tapen el agujero con un dedo y llenen la botella con agua. Lancen un haz de luz hacia el agujero con la lámpara de mano desde la parte de atrás de la botella.

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Bloque 5

4. Retiren el dedo de la botella sin dejar de apuntar al orificio. Describe lo que sucede con el haz de luz. ¿Qué sucede con el haz de luz cuando sale el agua en forma de chorro?

Chorro de agua

Para concluir: 1. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de las observaciones que realizaron. 2. Entre todos elaboren una conclusión final que anotarán en el pizarrón y en su libreta.

3. El chorro de agua del experimento se comporta de la misma manera que un haz de luz dentro de los cables de fibra óptica.

3. Física y medio ambiente 3.1 ¿Cómo puedo prevenir riesgos y desastres naturales haciendo uso del conocimiento científico y tecnológico? 3.1.1 La física y el estudio de la Tierra ¿Sabes cómo interviene la física para conocer mejor la estructura de la Tierra? ¿Se interrelacionan la física y la geografía? ¿La astronomía y la química también interactúan con la física para entender la dinámica de nuestro planeta? ¿Qué tipo de fuerza es la causa del movimiento de la Tierra? A continuación encontrarás las respuestas a estas preguntas. Para conocer la Tierra y comprender los procesos que en ella se realizan, se requiere del apoyo de varias ciencias, entre las que se encuentran: física, química, geología, astronomía. La vinculación de la física con otras ciencias ha sido determinante para estudiar la estructura de la Tierra y comprender los fenómenos que se producen. La física ha realizado estudios acerca de: · La atmósfera es una mezcla de gases que envuelve nuestro planeta, similar a la cáscara que cubre a una naranja; está compuesta por un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y 1% de otros gases. Gracias a la atmósfera tenemos aire para respirar y agua para beber; posee mayor densidad a nivel del mar, y va disminuyendo su densidad a medida que se asciende. Además de la composición que ya conocemos, la atmósfera también está compuesta por partículas muy pequeñas que constituyen el polvo atmosférico, formado por hollín, polvo volcánico, residuos industriales y vapor de agua que forma las nubes. Una de las funciones fundamentales de la atmósfera es actuar como barrera protectora contra los cambios bruscos de temperatura, transportando energía calorífica desde las regiones tropicales hasta las regiones gélidas de la Tierra, de tal manera que actúa como moderadora del clima. También nos protege de las radiaciones que provienen del espacio (mediante la capa de ozono) y de los impactos meteóricos. Para estudiar el clima de una zona, se llevan a cabo diversas mediciones durante varios años y después se obtiene el valor medio. En el clima de una región influyen varios factores: la temperatura, las lluvias, la presión, la latitud a la que se encuentra la región, la altitud, la distancia al mar, entre otras. La física estudia todos estos fenómenos con instrumentos llamados meteorológicos, entre los que destacan al termómetro, el barómetro, el anemómetro, el higrómetro y el pluviómetro. · Estructura interna de la Tierra continuamente se exploran nuevas regiones de la Tierra hasta hoy desconocidas, ya sea en la espesura de las selvas o en lo

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Manto

profundo de los océanos. ¿Pero qué ocurre cuando se intenta conocer el interior del planeta? Aquí sí se pone Núcleo externo difícil la tarea.   ¿Cómo es el centro de la Tierra? ¿A qué profundidad Núcleo interno está?   Los científicos se valen de varios métodos para estudiar el interior del planeta. Uno de ellos es la de extracción de muestras mediante la perforación, pero lo más profundo que pueden llegar es a 12 km, motivo por el cual para obtener la información recurren a las técnicas de análisis de ondas sísmicas producidas por los terremotos, al magnetismo terrestre, la emisión de calor y el estudio de los meteoritos.   Con la información obtenida, los científicos han llegado Figura 5.38 Aun cuando nunca se ha visto el interior a la conclusión de que la Tierra está constituida por tres de la Tierra, los científicos han aprendido mucho estadios: la corteza, el manto y el núcleo (figura 5.38). sobre las diferentes capas al estudiar cómo se desplazan las ondas sísmicas a través de éstas. · De los océanos: en el conocimiento de los océanos (figura 5.39), los científicos se auxilian de la física para estudiar las propiedades físicas del agua del mar y la interacción entre el mar y la atmósfera, por un lado, y el mar con el fondo marino, por otro. La información se obtiene directamente del océano. Es una labor sumamente difícil, por ello los físicos enfrentan un gran reto en la preparación de instrumentos de medida o registro debido a la movilidad de la superficie del mar por el que navega el buque de investigación, a la gran profundidad y distancia a que frecuentemente están los elementos para la toma de muestras y a las propiedades físicas particulares del agua del mar. Figura 5.39 Los científicos se esfuerzan cada día para obtener información de las profundidades marinas.

Entre los instrumentos de medición, se utiliza uno que mide continuamente la temperatura, salinidad, velocidad de las corrientes y velocidad del viento.

Actividad 1. Formen equipos de tres o cuatro alumnos y dedíquense a investigar durante una semana todo lo que encuentren acerca de la participación de la física en el estudio de la Tierra, en diarios, revistas de divulgación científica, otros. Bibliografía: Wyatt, Valerie, Meteorología divertida, Oniro, Barcelona. La meteorología, Editorial Colofón, México. Herrera, Miguel Ángel, Biofísica, geofísica y astrofísica. Para qué sirve la física (PD), FCE, México. http://www.astromia.com/glosario/geofisica.htm

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Bloque 5

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/ volumen1/ciencia2/17/htm/sec_4.html http://www.astromia.com/tierraluna/ meteorologia.htm 2. Ordenen su información obtenida. 3. Opinen y debatan. a) ¿Por qué creen que el ser humano se ha empeñado en conocer los secretos más íntimos de nuestro planeta? b) ¿Qué opinan de los estudios realizados con instrumentos de medición? c) ¿Qué sugerencias propondrían para optimizar los recursos de las ciencias que estudian la Tierra?

3.1.2 Fenómenos atmosféricos y los sismos Los cambios meteorológicos son fenómenos climáticos que se presentan todos los días o semanalmente. Los percibimos por el tiempo soleado, lluvioso o carente de lluvia, la nieve, la temperatura, la nubosidad, el viento. El tiempo afecta nuestra vida diaria. ¿Puedes explicar cómo te afecta el tiempo meteorológico?

Presión atmosférica Imagina que eres un astronauta y que vas en un viaje de reconocimiento al espacio exterior. Vas en una astronave moderna con los instrumentos y aparatos más sensibles capaces de fotografiar y de registrar los más mínimos detalles de cualesquier fenómeno que suceda durante tu recorrido. Si te detienes y observas la capa gaseosa que rodea nuestro planeta, verás que se ve como una capa delgada de color azul, como si fuera la “cáscara” de la Tierra, con la diferencia de que es gaseosa y carece de un corte perfectamente definido. La densidad atmosférica disminuye a medida que aumenta la altura. Sobre la superficie terrestre tiene una densidad promedio de 2.9 kg/m3, a medida que se va ascendiendo va siendo más tenue, es decir, se va enrareciendo (figura 5.40). Contra todo lo que pudiera pensarse, sabes que el aire tiene peso y que, por lo tanto, la capa gaseosa que envuelve a la Tierra ejerce una enorme presión contra ella y contra todos los cuerpos que se encuentran sobre ella. Esta presión se llama presión atmosférica. El barómetro de mercurio es el instrumento que se emplea para medir la presión atmosférica. En la Tierra, la presión del aire tiende a ser mayor a nivel del mar. Existe más presión del aire hacia el nivel del mar que en la cima de una montaña. La presión atmosférica no sólo varía si se eleva o disminuye la altitud, puede cambiar de un momento a otro, justo donde vives. Tal vez hayas escuchado que los meteorólogos utilizan términos como “sistema de alta presión” o “sistema de baja presión” y hayas observado que en los mapas climatológicos aparezcan marcas como “A” o “B”. La “B” señala el centro de una masa grande de aire con baja presión. Con frecuencia, un sistema de baja presión que pasa por el área donde vives significa nubes, precipitaciones y tormentas. Un sistema de alta presión significa buen clima. ¿Cómo saben los meteorólogos que aparecen en la televisión si la presión del aire sube o baja? Como puedes observar en la figura 5.41, se puede usar un instrumento llamado barómetro para medir la presión del aire.

El viento

Figura 5.40 La densidad atmosférica disminuye a medida que aumenta la altura.

Figura 5.41 El barómetro mide la presión del aire.

El aire siempre está en movimiento y distribuye el calor y la humedad por todo el planeta. Cuando el movimiento del aire es muy fuerte, pueden surgir tormentas descomunales que provocan devastación, como los huracanes, tornados e inundaciones (figura 5.42).

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Figura 5.42 En la naturaleza, los huracanes son algunos de los fenómenos naturales que han inquietado al hombre por su gran poder de destrucción.

Es el aire que se mueve en dirección horizontal (cuando se mueve verticalmente se denomina corriente). Los vientos se crean porque el Sol, al calentar la Tierra, lo hace de manera desigual, produciendo corrientes de convección: en ellas, el aire caliente sube y el frío baja para tomar su lugar. Cuando este aire sopla, al encontrarse con las montañas, las colinas o los bosques, encuentra una barrera y su velocidad disminuye, va más lento, dividiéndolo en ráfagas y remolinos, llamados turbulencias. En este caso no son muy peligrosos. Pero cuando viaja sobre las aguas marinas donde no hay obstáculos, su velocidad va aumentando conforme aumenta el calor y la humedad del agua que le proporciona el mar, hasta convertirse en tormenta. Cuando los vientos exceden los 120 km/h se considera que son huracanados porque su fuerza es muy destructora, capaz de dañar edificaciones altas y fuertes. Los huracanes son las tormentas más terribles del planeta, también se conocen con el nombre de ciclones en Australia y tifones en el sureste de Asia. Durante un huracán, la velocidad del viento puede sobrepasar los 300 km/h (figura 5.43).

Figura 5.43 Vista de un huracán tomada desde un satélite artificial.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? 1. Para construir un barómetro. 2. Para observar cambios en la presión atmosférica. ¿Qué se necesita? Lata chica de conservas, tijeras, cinta adhesiva, globo grueso de caucho, una hoja tamaño carta de cartulina, liga gruesa, pegamento para papel y un popote. ¿Cómo hacerlo? 1. Con la ayuda de la información anterior, elabora un plan para construir un barómetro con los materiales suministrados. 2. Observa que un barómetro requiere de un puntero y un medidor para señalar los cambios en la presión atmosférica.

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Bloque 5

3. Diseña una tabla de datos en tu cuaderno para que registres las lecturas del barómetro. Decide durante cuántos días registrarás información acerca de los cambios que se realicen en la presión atmosférica. 4. Los informes de los diarios y la televisión sobre la presión atmosférica y los cambios del tiempo, ¿en qué te pueden servir para tu investigación? Revisa el plan 1. ¿En qué parte colocarás el barómetro? 2. ¿Registrarás la información diariamente y a la misma hora? 3. ¿Usarás la información de los diarios y de la televisión?¿De qué forma?

4. Pide a tu maestro que revise tu plan antes de iniciar la investigación. 5. Realiza tu investigación y registra en tu cuaderno tus observaciones. Para concluir: 1. Describe el funcionamiento de tu barómetro. 2. Si la presión atmosférica cambia durante el experimento, ¿qué tiempo atmosférico se presentó durante esa variación?

3. ¿Qué indicación hizo tu barómetro en los días nublados o lluviosos? ¿Y en los días soleados y claros? 4. Construye una gráfica con los datos de las lecturas barométricas que informan los diarios.

Sismos o terremotos ¿Has sentido alguna vez un terremoto? Sentir que la tierra se mueve y ver que los objetos caen, es alarmante. Los sismos o terremotos producen gran cantidad de presión dentro de la Tierra; esta presión es producto de la fuerza ejercida sobre las rocas subterráneas.

Re l a c i ó n c o n l a g e o g r a f í a La falla de San Andrés, en California, forma parte de una serie de fracturas en la corteza terrestre. Fuerzas en el interior de la Tierra causan el deslizamiento de las rocas unas contra otras en una dirección horizontal. En primer lugar, las fuerzas de rozamiento entre dos superficies es tan grande que son más fuertes que las fuerzas que causan los deslizamientos, por lo

que las rocas están bajo tensión y torsión. Eventualmente, las fuerzas dentro de las rocas llegan a sobrepasar las fuerzas de fricción, razón por la que las rocas se reacomodan. Este movimiento acompañado de la liberación de grandes cantidades de energía produce los terremotos.

Actividad Consigue un globo o una liga gruesa. Mide la longitud del globo, ahora estíralo hasta que alcance cinco veces su longitud original. Libéralo y mídelo, vuelve a estirarlo más todavía, de tal forma que al liberarlo no recobre su longitud original. Mídelo nuevamente.

Sin romper tu lápiz, ¿podrías doblarlo presionándolo con los dedos pulgares? 1. ¿Qué le ocurrió al globo cuando lo doblaste o estiraste mucho? ¿Por qué reaccionó así? 2. ¿Qué habría pasado si hubieras doblado más el lápiz?

Al llevar a cabo la actividad anterior, te diste cuenta que los objetos se pueden doblar o estirar únicamente hasta cierto punto. Doblar y estirar son formas de aplicar presión a los cuerpos. Existe un límite para la presión que un globo de caucho o cualquier otro objeto puede resistir y recobrar su forma original. Este límite se llama elasticidad. Si se traspasa el límite de elasticidad, un objeto permanecerá doblado, estirado o se romperá.

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Presión en las capas de rocas Las capas rocosas se comportan de manera semejante cuando la presión bajo la Tierra las dobla, o las estira demasiado. Al igual que el globo y el lápiz, las fuerzas ejercidas sobre las rocas pueden provocar que éstas se doblen o estiren sin cambiar de forma, pero sólo hasta determinado punto. Las rocas permanecerán dobladas o se romperán una vez traspasado su límite de elasticidad. Cuando las rocas finalmente se rompen, producen un sismo. El punto que se localiza exactamente arriba del sismo se llama epicentro. La zona donde se registra la máxima intensidad y los mayores daños se denomina área epicentral. La energía liberada viaja hacia fuera, en forma de ondas sísmicas o vibraciones (figura 5.44). Para medir y analizar el movimiento producido por un terremoto se utilizan los instrumentos llamados sismógrafos, que fueron diseñados para registrar las ondas sísmicas (figura 5.45a). El registro resultante es el sismograma (figura 5.45b), o gráfico de las ondas sísmicas, es decir, una representación amplificada del movimiento del terreno. En un periodo de tranquilidad sísmica, el sismograma representa casi una líOndas sísmicas nea recta, únicamente alterada por pequeñas superficiales L y R y breves oscilaciones debidas a las llegadas de ondas de escasa amplitud originadas por causas meteorológicas o por la actividad humana Epicentro (paso de camiones pesados, funcionamiento de motores, etcétera). Cuando las ondas sísmicas de un terremoto llegan a un sismógrafo, el aspecto del sismograma se hace complejo, distinguiéndose diferentes fases que corresponden a la llegada de las distintas clases de Foco o Falla hipocentro ondas (P, S, L y R). De la interpretación de los sismogramas se pueden deducir las características principales de los terremotos, tales como Ondas sísmicas internas P y S la localización del epicentro, la profundidad Figura 5.44 Terremoto o sismo. del hipocentro, su magnitud, etcétera.

El pivote obliga a la masa a El pivote obliga a la masa a moverse en sentido moverse en sentido verticalvertical

Papel ahumado o Papel ahumado o termosensible termosensible en movimiento, en movimiento, registra la vibracion registra la vibracion Resorte Resorte del terreno del terreno

EstileteEstilete 1 minuto1 minuto

P S deOndas de superficie Ondas P OndasOndas S Ondas Ondas superficie (L y R ) (L y R )

PivotePivote

Trazo del Trazo del movimiento movimiento del terreno del terreno MarcoMarco de de Masa suspendida Masa suspendida soporte fijado fijado del marco soporte mediante del marco mediante al pisoal piso un resorte un resorte

Figura 5.45a Sismógrafo.

324

Bloque 5

SISTOGRAMA SISTOGRAMA

Figura 5.45b Sismograma.

3.1.3 Prevención de riesgos o desastres naturales, tales como inundaciones, sismos, erupciones volcánicas y heladas ¿Crees que sea posible prevenir los desastres naturales? ¿Y los riesgos? ¿Cómo se podría conocer el momento en que un volcán haga erupción, o que una presa se fracture y libere el agua?

Predicción de sismos

Lehmann-Wiechert P

10 8

S

30 700

2 000

3 000

4 000

5 000

Núcleo interno

5 150

Núcleo externo

2 900

1 000

2

Manto inferior

4

Manto superior

6

Corteza

Algunos científicos también consideran como válida la alteración en el comportamiento animal que, supuestamente, se ha observado con anterioridad al terremoto, como un signo premonitorio. Sin embargo, de todo lo anterior, se considera que el indicador más confiable es la aparición de sismos menores antes del terremoto. Se observa con frecuencia que la actividad sísmica pasa primero por un periodo de calma prolongada, para incrementarse significativamente antes del terremoto principal.

12

Velocidad (km/s)

· Cambios en la relación de las velocidades de propagación de las ondas P y S (figura 5.46). · Disminución de la resistividad eléctrica de la roca. · Aumento del contenido de gases inertes, especialmente el radón, en el agua de pozos profundos. · Alteración del flujo y nivel del agua freática. · Fluctuaciones en el campo geomagnético de la región.

Gutenberg

Mohorovicic

Predecir cuándo va a ocurrir un terremoto destructivo es el objetivo prioritario de los geofísicos y sismólogos. Determinar con anticipación el lugar, la magnitud y la fecha en que puede ocurrir un sismo tiene como finalidad fundamental prevenir a la población, disponer la evacuación y tomar medidas con anticipación tendientes a reducir la pérdida de vidas y a limitar los daños a la propiedad. Cientos de científicos, especialmente de Estados Unidos, Rusia, Japón y China, trabajan en proyectos de investigación cuya meta es lograr la predicción confiable de los sismos. Algunos piensan que este propósito se puede alcanzar, aunque otros se muestran más pesimistas. El proceso de predicción se inicia con la delimitación de las zonas de riesgo sísmico. La teoría de la tectónica de placas ha permitido comprender la distribución de los epicentros de los terremotos y la demarcación de las zonas sísmicamente activas del mundo. La predicción fiable se basa también en el conocimiento de los mecanismos focales y los procesos físicos que acompañan la fracturación de la roca bajo la acción de las fuerzas. Se ha comprobado que un sismo va precedido de anomalías en algunos parámetros geofísicos de la roca, siendo reconocidos hasta ahora como precursores de un terremoto los fenómenos siguientes: 14

6 000

Figura 5.46 Las ondas P se transmiten a través de los sólidos y los fluidos. Las ondas S únicamente se propagan en sólidos.

Conocimiento, sociedad y tecnología

325

Investigación ¿De qué manera la física ha participado con otros campos de la ciencia en la prevención de riesgos o posibles desastres naturales, tales como inundaciones, sismos, erupciones volcánicas y heladas, entre otros? Con el apoyo del maestro formen equipos de tres o cuatro personas para realizar esta actividad. Cada equipo seleccionará uno de los temas a investigar. 1. Investiguen en libros, revistas o Internet sobre la posible prevención de riesgos durante inundaciones, erupciones volcánicas, heladas o sismos y el papel de la física para apoyar estos procesos de prevención. Asegúrense de contestar las preguntas siguientes: a) ¿Quiénes participan en la detección de desastres naturales? b) ¿Desde qué época lo hacen? c) ¿Qué instrumentos o aparatos han inventado para hacer la detección más fiable? d) ¿Existen algunas circunstancias inusuales o interesantes en torno a esos inventos? e) ¿Cómo han ido evolucionando esos inventos? Se sugiere consultar las siguientes páginas elec-

trónicas: http://smn.cna.gob.mx/SMN.html http://www.cenapred.unam.mx http://www.nl.gob.mx/?P=sgg_manual_ prevencion http://www.proteccioncivil.gob.mx/Portal/ PtMain.php?nIdHeader=2&nIdPanel= 91&nIdFooter=22 2. Escríbanlos en su libreta e ilústrenla. a) Cada equipo explicará oralmente lo que haya encontrado acerca de sus investigaciones. b) Con la ayuda del maestro, mediante una lluvia de ideas comenten los resultados de lo que han aprendido al realizar esta actividad. c) Entre todos elaboren una conclusión final sobre la importancia de la física para la prevención de riesgos durante desastres naturales y otros, que anotarán en el pizarrón y en su libreta. 3. Escribe un ensayo sobre el tema de cómo piensas que las personas deben ayudarse para evitar daños durante los desastres naturales.

3.2 ¿Crisis de energéticos? ¿Cómo participo y qué puedo hacer? 3.2.1 Energía y energéticos En todas las actividades que realizamos se encuentra presente la energía. Una determinada cantidad de energía se puede transformar y también puede pasar de un cuerpo a otro. Pero la energía no puede crearse ni destruirse, solamente se transforma de una forma a otra.

Actividad Pon en una cápsula de porcelana o en una cucharilla metálica un poco de alcohol y acerca un cerillo encendido. Observa atentamente lo que ocurre. 1. Dibuja lo que sucede. 2. Describe de forma detallada tus observaciones. ¿Qué transformaciones de energía se producen?

3. Indica si se desprende o se absorbe energía. Razona tu respuesta. 4. Haz una relación de sustancias que ardan como el alcohol. 5. Enumera los combustibles de uso frecuente. ¿Por qué las reacciones de combustión se realizan en locales con buena ventilación y chimenea o extractor?

Nuestra experiencia es una reacción química de combustión, en la que una sustancia se quema produciendo luz y calor. Los combustibles habituales son la madera, el carbón, el gas natural y derivados del petróleo. 326

Bloque 5

La energía que interviene en una reacción química (absorbida o desprendida) casi siempre es calorífica, aunque también puede ser luminosa, eléctrica o mecánica. Cuando se quema carbón o gasolina, además de calor se produce luz. En los motores de los automóviles se obtiene energía mecánica con la combustión de los carburantes. Las pilas eléctricas producen energía eléctrica mediante reacciones químicas.

Alcohol

Energía calorífica y energía luminosa

Cerillo encendido

Otro ejemplo es la energía eléctrica consumida en una resistencia. Un circuito eléctrico formado por una fuente de tensión y una bombilla. La fuente de tensión suministra energía eléctrica al circuito; en cambio, la bombilla, que es el receptor de la corriente, transforma la energía eléctrica que recibe en forma de energía luminosa y en energía térmica. En nuestros ejemplos se cumple la ley de la conservación de la energía: “La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.”

Actividad 1. Reflexiona y analiza acerca de los procesos y fenómenos sobre la transformación y conservación

de la energía, que se presentan en los ejemplos siguientes.

Energía transformada Aparato

Eléctrica en Mecánica en Térmica en mecánica eléctrica mecánica

Nuclear en térmica

Química en térmica

Eléctrica en química

Transformador Micrófono Lavadora de ropa Estufa de gas Motor de vapor Estufa eléctrica Reactor nuclear Acumulador 2. En una cartulina elabora las cadenas que se forman en la conversión de la energía de cada uno de los ejemplos anotados.

3. Coloquen su cartulina sobre la pared del salón para que todo el grupo la vea.

Relaciona la idea de energía con procesos térmicos, eléctricos y mecánicos que se manifiestan en sistemas físicos. Cuando utilizamos energía, ésta no desaparece. La transformamos a partir de una forma de energía en otra. Por ejemplo: en un motor de coche se quema la gasolina,

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Transformaciones

Química Química

Mecánica

Radiante Radiante

Química

Química Mecánica

Química

Eléctrica Eléctrica

Calorífica

Figura 5.47 Transformaciones de la energía.

convirtiendo la energía química de la gasolina en energía mecánica (figura 5.47). Las células solares cambian energía radiante en energía eléctrica. La energía cambia la forma, pero la cantidad total de energía en el Universo es la misma. Recordemos que la energía es la capacidad de hacer un trabajo y que todos los cuerpos poseen energía de acuerdo a su movimiento, su composición química, su posición, su temperatura, su masa o algunas otras características. En el caso de los animales, la energía la dan las reacciones químicas de los alimentos que toman; las plantas usan la energía solar para producir las moléculas complejas que necesitan para estar vivas. La energía se presenta en muchas formas, pero la que más consumimos es de dos tipos, la química y la eléctrica. Sin embargo, las utilizamos todas, por ejemplo: la energía química es la que hace funcionar nuestros coches, motos, camiones, barcos y aviones, y la extraemos de combustibles fósiles como el petróleo, el gas o el carbón, o bien fabricando combustibles a partir de otras energías. La energía eléctrica es la que consumimos en casa y nos llega a través de una red eléctrica que cubre casi todo el planeta. Para producir esa energía existen centrales que la producen a partir de combustibles fósiles, energía solar, hidráulica, eólica, térmica, atómica. Como te puedes dar cuenta, la naturaleza nos ofrece muchos tipos distintos de energía. Nosotros las usamos todas de unas pocas formas distintas, y si al encender un foco durante una hora consumimos 50 watios, nadie nos puede asegurar de dónde han salido esos watios, si de un generador termosolar, una central nuclear, un generador eólico o una central hidroeléctrica. Pero aunque todas las energías nos sean útiles, no todas se usan ni actúan de la misma forma. Diferencia los conceptos de energía y energéticos.

Actividad ¿Para qué lo hacemos? Para comprender la diferencia entre energía y energéticos. ¿Qué se necesita? Libros de física, diccionarios, revistas e Internet. Bibliografía: Libros de Física de Secundaria (los encontrarás en la biblioteca). Enciclopedias.

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Bloque 5

Diccionario Escolar Academia Secundaria, Fernández Editores, México. Diccionario Escolar Ilustrado Junior, Larousse, México. Diccionario Oxford-Complutense Física, Editorial Complutense, España. ¿Cómo hacerlo? Con el apoyo del maestro formen equipos de tres o cuatro personas para efectuar esta actividad. Cada

equipo investigará los siguientes vocablos: energía, energéticos y los anotarán en su cuaderno. 1. A través de una lluvia de ideas se obtendrá la respuesta a qué es energía y para qué sirve. 2. A través de lluvia de ideas se indicarán las diferencias entre energía y energéticos.

Para concluir: 1. Con la ayuda del maestro, se comentarán tanto los resultados como lo que han aprendido al realizar esta actividad. 2. Entre todos elaboren una conclusión final que anotarán en el pizarrón y en su libreta.

3.2.2 Fuentes de energía Todas las formas de energía se almacenan de diversas maneras. Las fuentes de energía se clasifican en dos grupos: renovables y no renovables (figura 5.48). Las energías renovables y no renovables se pueden convertir en fuentes de energía secundarias, como electricidad e hidrógeno. La energía renovable proviene de fuentes inagotables, limpias y se puede utilizar de forma autogestionada (se aprovecha en el mismo lugar en que se produce). Además se puede generar en un periodo corto de tiempo. La energía no renovable sale de la tierra en forma de líquidos, gases y sólidos. Ahora, el petróleo crudo (petróleo) es el único combustible fósil comercial naturalmente líquido. El gas natural y el propano son normalmente gases, y el carbón es un sólido. El carbón, el petróleo, el gas natural y el propano son todos combustibles fósiles porque se formaron de los restos enterrados de las plantas y de los animales que vivieron hace millones de años. El mineral de uranio, un sólido, se extrae de minas y se convierte a un combustible. El uranio no es un combustible fósil. Estas fuentes de energía se consideran no renovables porque no pueden ser regeneradas en un periodo corto de tiempo. Energías renovables

Energías no renovables

Petróleo Solar

Eólica

Nuclear

Geotérmica

Hidráulica

Eléctrica

Biomasa

Carbón

Hidrógeno

Gas natural

Figura 5.48 Fuentes primarias y secundarias de energía.

Como puedes darte cuenta, la energía viene en diversas formas: energía del calor (termal), de la luz (radiante), mecánica, eléctrica, química y nuclear. La energía está en todo. Utilizamos energía para todo que lo hacemos, como dar un brinco, preparar en el horno nuestras galletas preferidas, enviar a astronautas al espacio. La energía está allí.

Conocimiento, sociedad y tecnología

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Actividad

Fuentes de energía ¿Para qué lo hacemos? Para comprender mejor cuáles son las fuentes de energía renovable y no renovable, analizar los costos, riesgos y beneficios de uso a través de la historia. ¿Qué se necesita? Libros, revistas, Internet, colores, tijeras, recortes, pegamento. Bibliografía: Libros de Física de Secundaria (los encontrarás en la biblioteca). Enciclopedias. Se sugiere consultar las siguientes páginas electrónicas: http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_ 24_energias_renovables http://lectura.ilce.edu.mx:3000/biblioteca/sites/ ciencia/volumen3/ciencia3/119/htm/orosolar. htm http://www.tecnun.es/Asignaturas/ecologia/ Hipertexto/07Energ/100Energ%C3%ADa.htm http://www.edualter.org/material/consumo/ energia4_1.htm http://www.edualter.org/material/consumo/ energia4_2.htm http://www.cientec.or.cr/ciencias/energia/ articulo1.html http://zaxl16.blogspot.com/2007/02/fuentesde-energa-renovable.html http://laflecha.net/canales/ciencia/noticias/ la-energia-eolica-es-la-mejor-fuente-deenergia-actual?from=rss http://www.tecnociencia.es/especiales/ energia/10.htm ¿Cómo hacerlo? Con el apoyo del maestro formen equipos de dos personas para efectuar esta actividad. A cada equipo le serán asignados dos temas a investigar de la lista del punto 1. 1. Busquen información sobre las diferentes fuentes de energía: a) Solar b) Eólica

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Bloque 5

c) Hidráulica d) Geotérmica e) Mareomotriz f) Carbón g) Biogás h) Nuclear i) Petróleo j) Hidrógeno k) Eléctrica 2. Asegúrense de tener los apartados siguientes: a) Descripción de la fuente energética. b) Historia de la utilización de la fuente energética. c) ¿Dónde se encuentran estas fuentes de energía en el país y cómo se obtiene para su uso? d) ¿Cómo está almacenada la energía en la fuente y cómo es liberada? e) ¿Cómo se utiliza la fuente de energía hoy en día? f) Indiquen las ventajas y desventajas de la fuente de energía. g) Indiquen el impacto económico de la fuente de energía. h) Indiquen el impacto ambiental de la fuente de energía. i) Comenten sobre el futuro de esta fuente de energía. j) Indiquen otros hechos interesantes sobre la fuente de energía. Para concluir: 1. Escriban un reporte completo de su investigación en la libreta. 2. Elaboren un folleto ilustrado de ocho páginas cada equipo sobre su investigación incluyendo los incisos del punto 2. 3. Cada equipo presentará su trabajo a todo el grupo. 4. Realicen una discusión grupal enfatizando los hechos de cada fuente de energía, así como sus ventajas y desventajas; por último se discutirá la importancia de tener diferentes fuentes de energía que provean las necesidades del país. 5. Entre todos, elaboren una historieta con los resultados obtenidos de su investigación, que distribuirán en la escuela.

3.2.3 Recursos energéticos alternativos México constituye un enclave energético de extraordinaria importancia, tanto en relación a su volumen de producción de energía como en cuanto a la diversidad de sus recursos energéticos. La disponibilidad de abundantes recursos energéticos, el fácil acceso a las fuentes de suministro y distribución y, todo ello, a un bajo costo, son tres importantes elementos que facilitan tanto la instalación de cualquier tipo de empresa como la posibilidad de contar con grandes ventajas en costo y calidad en lo relativo al suministro de energía. Actualmente se están desarrollando, junto a la producción de las energías ya tradicionales en el país, nuevas actividades energéticas vinculadas a las energías renovables y ligadas a la existencia de abundantes recursos energéticos alternativos (biomasa, eólica, solar, etcétera). Las expectativas de crecimiento a medio plazo de estas actividades productivas, así como de las relacionadas con la diversificación y el ahorro energético son muy importantes. Los recursos energéticos alternativos son considerados como fuentes de energía inagotables, y con la característica de ser energías limpias, con las siguientes particularidades: suponen un nulo o escaso impacto ambiental, su utilización no tiene riesgos potenciales futuros, indirectamente suponen un enriquecimiento de los recursos naturales y son una alternativa a las fuentes de energía convencionales, pudiendo sustituirlas paulatinamente.

Actividad

Recursos energéticos alternativos ¿Para qué lo hacemos? Para conocer cuáles son los recursos energéticos alternativos, así como sus usos en diversos contextos históricos y culturales. ¿Qué se necesita? Libros, revistas, Internet, colores, tijeras, recortes, pegamento. Bibliografía: Libros de Física de Secundaria (los encontrarás en la biblioteca). Enciclopedias. Se sugiere consultar las siguientes páginas electrónicas: http://www.conae.gob.mx/wb/CONAE/CONA_ 24_energias_renovables http://www.textoscientificos.com/energia http://www.ecoeduca.cl/portal/enlaces/default. asp?a=29&idcategoria=49 http://www.google.com.mx/search?sourceid= navclient&hl=es&ie=UTF-8&rlz=1T4GGLJ_ esMX176&q=maremotriz

http://www.unizar.es/dctmf/jblasco/energia_ maremotriz_archivos/frame.htm ¿Cómo hacerlo? Con el apoyo del maestro formen equipos de cuatro personas para efectuar esta actividad. A cada equipo le será asignado un tema de la lista a investigar. Busquen información sobre las diferentes fuentes de energía: 1. Solar 2. Eólica 3. Biomasa 4. Geotérmica 5. Biogás Asegúrense de contestar las preguntas siguientes: 1. ¿Por qué son recursos energéticos alternativos? 2. ¿Por qué los recursos alternativos son limpios? 3. ¿Cuáles son los costos, riesgos y beneficios por utilizarlas? 4. ¿Cuál ha sido su utilización en diversos contextos históricos y culturales?

Conocimiento, sociedad y tecnología

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Para concluir: 1. Escriban e ilustren un reporte de su investigación en la libreta. 2. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de las investigaciones que realizaron

donde se analicen los costos, riesgos y beneficios de utilizarlas. 3. Elaboren un periódico mural sobre los recursos energéticos alternativos, no olviden agregar textos descriptivos y colóquenlo en algún lugar visible del plantel.

3.2.4 Acciones básicas orientadas al consumo responsable de los recursos energéticos en la escuela y en el hogar Hoy en día es muy difícil imaginar un mundo sin combustible para los coches o sin electricidad para las casas. La industria, el transporte, las escuelas o nuestros hogares dependen de fuentes de energía que no siempre son limpias. En los países industrializados se consume 70% de la energía de todo el planeta; y en general, la mayoría de los países dependemos del petróleo, el carbón o el gas natural: los llamados combustibles fósiles. Aunque hay nuevas formas de energía, más de un 85% de la que se consume en Europa proviene de esos combustibles, que se van a agotar en un corto plazo. Sin embargo, la mayoría de los graves problemas ambientales del planeta son el resultado del uso de la energía: residuos radiactivos, efecto invernadero, contaminación de mares y costas por derrames de petróleo. Sin embargo, dentro de nuestras posibilidades, un consumidor responsable con el medio ambiente elige reducir el consumo de energía, y en la medida de lo posible utiliza las formas de energía menos contaminantes. Debido a que la mayoría de la energía consumida en el hogar y en la escuela es la eléctrica que proviene de centrales térmicas, que aprovechan la energía del carbón, del petróleo, del gas natural y de la central nuclear, y que son grandes contaminadoras, el ahorrar electricidad es fundamental, ya que ahorrar una parte de electricidad en su destino final equivale a ahorrar cuatro partes de carbón o de petróleo en el origen, con la consiguiente disminución de la contaminación atmosférica.

Actividad

Consumo responsable de los recursos energéticos en el hogar ¿Para qué lo hacemos? Para eficientar el consumo de la energía en la casa. ¿Qué se necesita? Libros, revistas, Internet, colores, tijeras, recortes, pegamento. Se sugiere consultar las siguientes páginas electrónicas: http://www.lfc.gob.mx/ahorroenergia http://www1.eere.energy.gov/consumer/consejos/ http://www.federacionunae.com/archivo/ GuiaPracticaDelAhorroDeEnergiaEnElHogar.PDF

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Bloque 5

http://www.energyquest.ca.gov/library/ documents/DOE_EnergySavers_Spanish.pdf http://www.delaware-energy.com/Download/ Energy_Savers_Summer_Spanish.pdf http://www.ase.org/section/topic/enespanol/ ¿Cómo hacerlo? Con el apoyo del maestro formen equipos de dos o tres personas para efectuar esta actividad. A cada equipo le será asignado un tema de la lista a investigar.

Busquen información sobre las diferentes formas de ahorrar energía en la casa, asegurándose de tocar los siguientes puntos: 1. La iluminación 2. Aparatos eléctricos 3. El clima 4. Puertas y ventanas 5. Pintura exterior e interior 6. En la recámara 7. En el baño 8. En la cocina 9. Fuera de la casa

10. Las pilas o baterías 11. El reciclado Para concluir: 1. Escriban un reporte de su investigación en la libreta e ilustren. 2. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de las investigaciones que realizaron donde se analicen las formas de ahorrar energía en el hogar. 3. Elaboren entre todo el grupo un periódico mural y un folleto ilustrado que se repartirá en la escuela.

Actividad

Consumo responsable de los recursos energéticos en la escuela ¿Para qué lo hacemos? Para mejorar el consumo de la energía en la escuela. ¿Qué se necesita? Libros, revistas, Internet, colores, tijeras, recortes, pegamento. ¿Cómo hacerlo? Con el apoyo del maestro formen equipos de dos o tres personas para efectuar esta actividad. A cada equipo le será asignado un tema de la lista a investigar. Busquen información sobre las diferentes formas de ahorrar energía en la escuela, asegurándose de tocar algunos de los siguientes puntos: 1. La construcción: ¿cuándo fue construida?, ¿de qué materiales está hecha?, ¿está construida con orientación norte-sur o este-oeste?, ¿cuántas ventanas tiene cada lado del edificio?, ¿se pueden abrir?, ¿cuántas puertas hay?, ¿hay vidrios en las puertas?, ¿hay alguno roto o estrellado?, ¿tiene la construcción material térmico en las paredes o el techo?, ¿hay áreas verdes alrededor de la construcción? 2. La iluminación: ¿qué tipo de iluminación se utiliza en la escuela?, ¿se puede controlar por apagadores de tiempo?, ¿en qué áreas o salones?, ¿la escuela usa luz fría o luz natural? 3. Aparatos eléctricos: ¿son ahorradores de energía?, ¿quién les da mantenimiento y cada cuándo?, ¿cuándo se encienden?

4. Sistemas de calefacción y enfriamiento: ¿de qué tipo es el sistema de calefacción o enfriamiento y qué tipo de combustible utiliza?, ¿qué antigüedad tiene el sistema de calentamiento?, ¿tiene un termostato programable para el control de temperatura?, ¿cuáles son los niveles? 5. El agua: ¿qué tipo de tanques de agua tienen las tazas del baño?, ¿qué tipo de agua se utiliza para lavar los salones o regar? 6. El reciclado: ¿se separa la basura?, ¿existe algún programa de reciclado o separación de la basura?, ¿cuál es la finalidad de los programas de separación de la basura? Para concluir: 1. Escriban e ilustren un reporte de su investigación en la libreta. 2. Comenten y discutan con sus compañeros del grupo acerca de las investigaciones que realizaron donde se analicen las formas de ahorrar energía en el hogar. 3. Elaboren entre todo el grupo una lista de sugerencias para ahorrar energía en la escuela. 4. Planeen, elaboren y realicen una campaña para ahorrar energía en la escuela donde se involucre a toda la comunidad escolar. 5. Anoten los resultados de su trabajo y señalen los puntos que deben mejorar para seguir con la campaña de ahorro de energía en la escuela.

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4. Ciencia y tecnología en el desarrollo de la sociedad 4.1 ¿Qué ha aportado la ciencia al desarrollo de la humanidad? 4.1.1 Papel del conocimiento de la ciencia en distintas épocas históricas. Su contribución al desarrollo de la cultura y la tecnología ¿Puedes explicar qué entiendes por ciencia? ¿Y por tecnología? ¿Sabes cómo interaccionan ambas? ¿Desde cuándo existe la ciencia? ¿Y la tecnología? ¿Cuál ha sido su papel a través del tiempo? ¿De qué manera ha contribuido la ciencia al desarrollo de la cultura y de la tecnología? Podríamos hacer cientos de preguntas con relación a la ciencia, y de igual forma a la tecnología, sin embargo con responder las cuestiones anteriores podrás tener una idea más clara sobre la participación de la ciencia para el desarrollo del hombre y su contribución al desarrollo de la cultura y la tecnología. Se recomienda proyectar el video Los 10 grandes descubrimientos, Discovery Channel, México.

Actividad Para hacer esta actividad integren equipos de dos o tres alumnos. En equipo comenten y discutan cada una de las cuestiones siguientes: 1. ¿Durante el transcurso de los años, ha cambiado la forma de trabajo y la vida diaria? 2. ¿Cuáles creen que han sido los cambios más importantes que determinaron la evolución del ser humano? 3. ¿A qué creen que se deba la tardanza con que ocurrieron los primeros inventos tecnológicos?

4. ¿A qué se debe que en la actualidad los descubrimientos se aceleren? 5. ¿Cuáles fueron los inventos más significativos de la Edad de Piedra? 6. ¿Cómo crees que haya cambiado la forma de vida con ellos? 7. ¿Cuál de todos piensan que fue el invento más importante? ¿Por qué? 8. Intercambien sus respuestas con los otros equipos. 9. Con la orientación del maestro hagan una plenaria para sacar conclusiones.

El pensamiento científico Desde los tiempos más remotos el ser humano se ha preocupado por dar una explicación a los fenómenos que ocurren a su alrededor y por tratar de entender el origen de todas las cosas. Surge la inquietud de conocer el cosmos, el origen de la vida y la causa de la muerte. Ante este panorama se presentaron los primeros intentos por elaborar explicaciones globales de la naturaleza. Durante esta etapa los seres humanos asimilaban sus experiencias de acuerdo con su particular concepción de la naturaleza; las que escapaban de su explicación eran relegadas a otros ámbitos (figura 5.49). Aparecieron, así, la magia, las explicaciones religiosas y míticas, los sistemas filosóficos y, finalmente, la ciencia.

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La simple observación del cielo nocturno proporcionó a los antiguos griegos la información suficiente sobre los cuerpos celestes como para establecer una teoría del Universo. Todo aparentaba ser claro, las estrellas estaban fijas y la Vía Láctea parecía moverse durante toda la noche, como si formara parte de una esfera invisible que giraba alrededor de un punto fijo de la Tierra. Asimismo, el Sol parecía tener este movimiento, siguiendo su trayectoria cada día. Los griegos trataron de explicar estos movimientos, algunas veces con base en sus observaciones y otras ajustándose a sus ideas filosóficas y religiosas. Pero la observación no sólo fue necesaria para comprender el Universo. Tareas que hoy resultan sencillas como edificar una vivienda, domesticar animales o cultivar la tierra, sólo pudieron ser realizadas después de ordenar muchas observaciones y construir sistemas de Figura 5.49 Los mayas creían que el Universo era ideas organizadas mediante principios que las resuun cuadrado plano delimitado por un lagarto cuyo mían. cuerpo está cubierto de símbolos planetarios. DenA partir de los trabajos de Galileo Galilei, físico itatro del cuadrado se encuentran los tres niveles cósmicos: el cielo, Caan; la tierra, Cab, y el inframundo, liano, se inicia la etapa de la física moderna, caracterizaXibalba. Del centro de la Tierra nace una gran ceiba, da por la unificación de las investigaciones teóricas y las cuyo tronco y ramas sostienen el cielo y cuyas raíces experimentales en un cuerpo único, de tal manera que penetran en el inframundo; cada una de las esquinas la actividad experimental se consolida como la base del del cuadrado representa un punto cardinal, y a cada conocimiento científico, pero sin menospreciar el papel uno le ha sido asignado un color. de la teoría. Prueba de ello es la forma en que Galileo retoma el problema del movimiento de los astros. Galileo construyó un telescopio lo suficientemente potente para explorar el espacio conocido, y con él descubrió que en la Luna había montañas cuya altura pudo calcular a partir de la sombra que proyectaban. Además, observó cuatro lunas que orbitaban alrededor de Júpiter, que la Vía Láctea estaba formada por muchísimas más estrellas de las que cualquiera hubiera imaginado, y las fases del planeta Venus. Como conclusión, Galileo afirmó que la Tierra y otros planetas giraban alrededor del Sol. En la actualidad, todos los científicos desarrollan sus investigaciones a través de un proceso organizado, en donde se combina la experimentación sistemática con la cuidadosa medición y análisis de resultados, por lo que el análisis y las conclusiones van de la mano. Sin embargo, estas conclusiones estarán sujetas a pruebas adicionales para demostrar su validez.

Tecnología La palabra tecnología data del siglo xviii, cuando la técnica, históricamente empírica, comienza a vincularse con la ciencia, y con ello surge la sistematización de los procesos de producción. Antes de la Revolución Industrial, la ciencia y la técnica caminaban separadamente sin complementarse. Por ejemplo, en la Grecia clásica, donde la ciencia no se vinculó con aplicaciones técnicas, y también en la ingeniería romana solamente había una técnica sin ciencia que la respaldara. Actualmente, la tecnología y la ciencia están íntimamente unidas. La tecnología utiliza el método científico, entiende el orden sistematizado y en la práctica maneja también lo teórico. Así podemos definir a la tecnología como:

Conocimiento, sociedad y tecnología

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La tecnología es el conjunto ordenado de conocimientos y los correspondientes procesos que tienen como objetivo la producción de bienes y servicios, tomando en cuenta la técnica, la ciencia y los aspectos socioeconómicos y culturales que participan, con el propósito de mejorar la calidad de vida del ser humano. Ciencia

Técnica

Tecnología

Distribución socioeconómica

La tecnología utiliza los conocimientos científicos y los aplica tanto en la fabricación de aparatos como en la proyección de sistemas que mejoran algún proceso industrial o de investigación para ampliar las capacidades del ser humano, resolver problemas y mejorar sus condiciones de vida ; sin embargo, también se han generado problemas de contaminación, degradación del ambiente una gran separación entre las culturas con grandes avances tecnológicos y aquellos que no cuentan con ellos que va generando pobreza entre las personas. Por ejemplo, el estudio de la electricidad tiene aplicación en el alumbrado público, en múltiples aparatos electrónicos; con los conocimientos de óptica se construyen cada vez mejores microscopios, telescopios y cámaras fotográficas. Podemos afirmar que todos los avances de la ciencia y la tecnología tienen como fundamento los principios y leyes de la ciencia, tanto en medicina, en arquitectura o en ingeniería. Estos avances permiten el desarrollo de grandes fábricas y la construcción de puentes y caminos; se utilizan igualmente en todos los medios de transporte y comunicación, desde los más rudimentarios hasta los que tenemos actualmente en nuestro país y que permiten cada día su desarrollo económico y cultural.

Actividad

Análisis y debate sobre el papel del conocimiento de la ciencia en distintas épocas históricas. Su contribución al desarrollo de la cultura y la tecnología Con los avances científicos y tecnológicos, y con las comunicaciones al alcance de todos, probablemente tengas una idea más concreta sobre el papel del conocimiento de la ciencia en distintas épocas históricas, su contribución al desarrollo de la cultura y la tecnología. ¿Para qué lo hacemos? Para analizar y debatir sobre el papel del conocimiento de la ciencia en distintas épocas históricas, y para

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Bloque 5

conocer su contribución al desarrollo de la cultura y la tecnología. ¿Qué se necesita? Libros de física, química, biología, astronomía, enciclopedias, revistas especializadas, periódicos e Internet, diccionarios, libros referentes al tema (por ejemplo, Assimov, I., Grandes ideas de la ciencia, Editorial Alianza, 1986; Stephen F. Mason, Historia

de las ciencias, Editorial Alianza, Madrid, 2001, cinco tomos; Casillas Gómez, Francisco Javier, Estampas de la ciencia I y II, Editorial SEP, Fondo de Cultura Económica, 1999). ¿Cómo hacerlo? 1. Dividan el grupo en siete equipos, cada equipo escogerá una época: Edad de Piedra y Edad de los Metales; siglo xv; siglo xvi; siglo xvii; siglo xviii; siglo xix y siglo xx. 2. Durante una semana, los equipos deben llevar a cabo las actividades siguientes: a) Investiguen en las fuentes sugeridas o en otras acerca de todo lo que encuentren sobre el papel del conocimiento de la ciencia en la época histórica que hayan escogido, así como su contribución al desarrollo de la cultura y la tecnología. b) Redacten un escrito de las ideas más relevantes en cada época sobre el papel del conocimiento de la ciencia en distintas épocas históricas, así como su contribución al desarrollo de la cultura y la tecnología.

3. Cuando hayan reunido toda la información, con la orientación del maestro se reúnen los equipos para leer los escritos en voz alta. Se inicia un debate general sobre los pros y contras acerca de las ideas de unos y otros. Tendrá una duración aproximada de 20 minutos. Para concluir: Respondan las cuestiones siguientes: 1. ¿Por qué creen que la rueda tenga tanta importancia para la historia del ser humano? 2. ¿Habrá existido alguna gran cultura de la antigüedad que no haya conocido la rueda? 3. ¿Cuál ha sido la importancia de la brújula para la navegación y desde qué época se utiliza? 4. ¿Por qué son muy importantes los avances alcanzados en diferentes áreas de la medicina durante los siglos xix y xx? ¿Y de qué manera han contribuido al desarrollo de la cultura y la tecnología? 5. Mencionen otros campos de la ciencia y la tecnología que hayan favorecido el desarrollo cultural y tecnológico.

4.1.2 Contribución de la física al desarrollo económico y social del país Descripción de algunas actividades profesionales relacionadas con la física y la ingeniería Las transformaciones técnicas incluidas en la ingeniería y en la industria, en general más o menos hasta 1850, eran independientes del quehacer científico hasta ese entonces. Sin embargo, la ciencia se benefició notablemente de los conocimientos de la ingeniería; el avance de las matemáticas por Copérnico, Kepler y Galileo dependió de los enormes progresos de la ingeniería mecánica del siglo xv, y especialmente de la invención de mecanismos de relojería y de juguetes mecánicos muy ingeniosos. Analicen el ejemplo siguiente: A mediados del siglo xix se pudo resolver al fin en México un problema que afectó durante muchísimos años el trabajo en las minas de Pachuca y Guanajuato. A causa de las intermitentes filtraciones de agua en los túneles y las galerías de las minas, se producían inundaciones, las que entorpecían el trabajo de extracción de minerales. El problema pudo resolverse cuando el ingeniero inglés James Watt perfeccionó en Inglaterra una máquina que funcionaba con vapor de agua (figura 5.50). En un principio esta máquina de vapor había sido utilizada en la industria textil y, posteriormente, en el funcionamiento de las locomotoras. La aplicación de este invento de ingeniería permitió bombear el agua de las profundidades de los túneles a la superficie, lo cual cambió totalmente las condiciones de trabajo en las minas.

Conocimiento, sociedad y tecnología

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Poco después los ingenieros franceses Sadi Carnot y Clapeyron analizaron los principios científicos con los que funcionaba la máquina de vapor, desarrollando los estudios de la termodinámica; en cambio, los ingenieros ingleses Whitworth, Bramah, Maudsley y Clement se abocaron a perfeccionar la técnica de las máquinas. Los ingenieros del siglo xix aportaron su ingenio y creatividad para resolver las problemáticas de las máquinas entonces conocidas. Los aportes técnicos de estos ingenieros propiciaron el desarrollo económico y social, no sólo de Inglaterra, sino que su influencia se diseminó por todo el orbe y en América, especialmente a nuestro país. La física a través de los estudios sobre termodinámica encontró nuevas aplicaciones; uno de los ejemplos más significativos fueron los trabajos realizados por Lord Kelvin, quien señaló que si la energía mecánica se aplicase a una máquina de calor, haciéndola funcionar en forma contraria, entonces el calor pasaría de menor a mayor temperatura, semejante a un refrigerador en la temperatura menor y como un calefactor en altas temperaturas. Por ello, una de las muchas contribuciones de la física en el campo de la termodinámica fueron los refrigeradores; las máquinas de combustión interna, la turbina de vapor, que se utilizó principalmente para hacer funcionar los generadores eléctricos. Otra de las aportaciones de la física fue el telégrafo eléctrico, mediante la utilización de una pila de Daniel como fuente de electricidad y el electroimán como aparato de registro.

Figura 5.50 La máquina de vapor de James Watt fue utilizada en el funcionamiento de las locomotoras.

Figura 5.51 En la construcción del segundo piso del anillo periférico, en la ciudad de México, se aplicaron los principios de la física.

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Bloque 5

Figura 5.52 Gracias a la física y la ingeniería, desarrollos como éste son cada vez más comunes en México.

Hay cientos de casos que podríamos citar como ejemplos de las contribuciones de la física al desarrollo económico y social del país. Nuestro país ha ido avanzando a pasos gigantescos debido a la influencia de las aplicaciones de los principios de la física y la ingeniería (figuras 5.51 y 5.52). Hace solamente 200 años no existían los edificios enormes que tenemos; tampoco se podían cruzar fácilmente y con mayor seguridad ríos, barrancas y avenidas, porque no existían los puentes actuales. México es un país hermoso, pero con muchos problemas debido a su situación geográfica, razón por la cual periódicamente padecemos de sismos y siniestros naturales que no es posible controlar; sin embargo, la ciencia en el campo de la física se vincula con la ingeniería para solucionar las problemáticas que se presentan en este ámbito, tratando siempre de mejorar la calidad de vida de los habitantes mexicanos.

Actividad 1. Investiguen con personas mayores, como sus padres o abuelos, los cambios que han observado en nuestro país desde que eran niños hasta la fecha. Diseñen una tabla de registro, donde anotarán las observaciones indicando la tecnología, la técnica o el invento que modificaron la forma de vida. Por ejemplo: televisión, refrigerador, lavadora, estufa de gas, estufa eléctrica, computadora, transportes, iluminación, otros.

2. Seleccionen uno de los cambios mencionados por sus mayores e investiguen a qué campo de la física pertenece el principio científico por medio del cual funciona, y si la ingeniería ha participado en su construcción o mejorando algún aspecto que le permita una mayor eficiencia.

4.1.3 Estereotipo de profesionistas de la ciencia ¿Conoces algún científico? ¿Has visto trabajar a algún científico en alguna película o en la televisión? ¿Cómo te imaginas que debe ser una persona que se dedique a la actividad científica? ¿Conoces la biografía de algunos científicos, como Isaac Newton? ¿Cómo era él como persona?

Conocimiento, sociedad y tecnología

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Los científicos, al igual que los abogados o cualquier otro profesional, tienen un perfil de preparación académica muy especial; pero además se debe poseer interés por buscar respuestas a los fenómenos naturales a fin de poder resolver los problemas concretos de la vida diaria. Un científico tiene como propósito fundamental buscar el conocimiento como un fin en sí mismo, comprender y explicar racionalmente los fenómenos de la vida real para poder predecirlos y controlarlos.

Figura 5.53 Marie Curie (1867-1934)

Figura 5.54 Alexander Fleming (1881-1955)

Figura 5.55 Albert Einstein (1879-1955)

Los personajes de las figuras 5.53, 5.54 y 5.55 tienen algo en común: la mayor parte de su vida se dedicaron a investigar los fenómenos de la naturaleza, y trataron de explicar algunos que despertaron su curiosidad. 1. Reunidos en equipos de dos o tres estudiantes comenten y discutan la actividad que tuvieron en común estas personas. 2. ¿Conocen los aspectos que investigaron cada una de ellas? ¿Hicieron descubrimientos valiosos? ¿Cuáles? 3. ¿Sus trabajos fueron determinantes para la sociedad? ¿Por qué fueron determinantes? 4. Nombren otros tres científicos que conozcan. 5. Investiguen y comenten sobre el estereotipo de profesionista de la ciencia en la actualidad. 6. En equipo elaboren una conclusión final que escribirán en su libreta y en el pizarrón. Se sugiere consultar la siguiente página electrónica: http://www.cofis.es/elfisico/desarrollo.html

4.2 Breve historia de la física y la tecnología en México 4.2.1 Desarrollo de la física y la tecnología en México La historia de la ciencia y de la técnica es un ámbito en el cual se combinan sin conflicto las dos formidables ramas de toda nuestra tradición cultural: las ciencias naturales y las ciencias humanas; y no sólo se combinan para separarse después, sino para permanecer unidas en un trayecto diverso al de sus diferentes orígenes.

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Bloque 5

Actividad 1. Consulten revistas especializadas y artículos científicos publicados en los diarios sobre cuál es la situación actual de la ciencia y tecnología en nuestro país. Bibliografía: Revista Ciencia y desarrollo, CONACYT, México. Revista Cómo ves, UNAM. Revista CINVESTAV, México. http://www.revista.unam.mx/ Se recomienda ver el programa “La ciencia en México”, Canal ONCE.

2. ¿Qué hechos importantes pueden mencionar? 3. Investiguen cuáles fueron los trabajos por los cuales el astronauta Rodolfo Neri Vela participó como integrante de la Misión 61-B de la NASA de la Agencia Espacial Europea a bordo del Transbordador Espacial Atlantis. 4. Con la orientación del maestro, organicen una visita a un museo, universidad o alguna otra institución de la comunidad donde viven, en donde se estén llevando a cabo investigaciones acerca de la física o tecnología. Si pueden, averigüen el tipo de trabajos que se realizan en dicha institución.

Época prehispánica Desde nuestros orígenes indígenas, podemos encontrar claras muestras del desarrollo que éstos tuvieron en la ciencia y tecnología, por ejemplo, en la patología, en el reconocimiento de padecimientos de diferentes aparatos y sistemas, a los que asignaban una individualidad clínica y les reservaban un tratamiento especial, y finalmente a través de la cirugía, como se conocía en esos tiempos, tales como el uso de férulas para luxaciones y fracturas, para abrir abscesos, suturar heridas, usando el cabello como hilo, etcétera; otro adelanto fueron las incrustaciones dentarias que realizaban, ya fuera con oro, jade o turquesa; además de los encontrados en la obstetricia, en donde iniciaron la vigilancia del periodo de embarazo, así como el estudio del mismo.

Siglos xix y xx A lo largo del siglo xix y durante el xx, múltiples personajes del país (políticos, profesionistas de diversos campos de estudio, etcétera) demostraron un notable interés científico tanto en la difusión científico-tecnológica a través de la creación de revistas y asociaciones científico-literarias creadas desde el siglo xix, como por el papel destacado que tuvieron en el exterior algunos científicos mexicanos durante el siglo xx, como lo fue, por ejemplo, Manuel Sandoval Vallarta (1899-1977), quien durante los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial promovió el uso de la energía nuclear con fines pacíficos. A lo largo del siglo xix en México surgió una generación de hombres importantes para el campo científico-humanista, entre los que destacaron personajes como Lucas Alamán (1792-1853) dentro del bando conservador, y Melchor Ocampo (1814-1861) del grupo liberal. El interés por el estudio de las ciencias naturales (física, astronomía, química, biología) fue muy significativo. Las ciencias naturales fueron un campo de análisis que habían iniciado un siglo atrás una generación de científicos coloniales, como el jesuita Francisco Javier Clavijero (en la comprensión de la física y la química), José Antonio Alzate (en la mineralogía, colorantes), Joaquín Velázquez de León (en la física y astronomía, principalmente), trabajos que continuaron durante las primeras décadas de la vida independiente nacional otros destacados hombres amantes de la ciencia, como el científico español Andrés del Río (quien tuvo a su cargo la cátedra de mineralogía en el Colegio de Minería) y Lucas Alamán, que además de su carrera política apoyó el estudio de la astronomía en México (teoría copernicana).

Conocimiento, sociedad y tecnología

341

La trayectoria de personajes mexicanos vinculados al campo científico y humanista durante el siglo xix logró mantenerse y reproducirse en el México contemporáneo. Tal fue el caso de la familia Vallarta, la que proveyó al país de una larga e importante trayectoria de figuras de intelectuales y hombres de ciencia durante dos centurias. En el presente, destacó el físico Manuel Sandoval Vallarta (1899-1977), quien ha tenido un papel preponderante, tanto en el área científico-tecnológica como en el campo político-humanista. El Instituto de Geografía y Estadística de México fue creado en 1839 para que el país siguiera “las huellas de las naciones más ilustradas de Europa, en el camino de la civilización y la cultura”, para poder así “adentrarse en el campo de una ciencia nueva, la estadística”, promoviendo a la vez el estudio de “las ciencias útiles que requiere la humanidad” durante ese tiempo. Tenía además la labor de realizar exploraciones científicas a lo largo del territorio nacional para conocer la riqueza de los diversos recursos naturales existentes en la República Mexicana, mismos que serían de gran utilidad para el desarrollo económico. A su fundador, José Gómez de la Cortina (1799-1860), y a su sucesor hacia mediados de siglo, Juan Nepomuceno Almonte (1803-1869), les debemos además la difusión de publicaciones científicas. La política económica y de promoción científico-tecnológica seguida por el Estado nacional a lo largo del siglo xix estuvo encaminada a hacer de México un país productivo en el campo de la minería, la agricultura y el comercio interior y exterior, como el ser competitivo en el mercado mundial. En el ramo empresarial e industrial, durante la primera mitad del siglo xix destacaron muchos mexicanos, como Lucas Alamán (junto con Andrés del Río en el Colegio de Minería) y se le dio un gran impulso a las nuevas técnicas de explotación de la plata. Igualmente, el joven Lucas Alamán, en 1820, participó en la polémica que suscitó la teoría del Universo expuesta por Nicolás Copérnico en el Diario de México, y a la vez se encargó de la organización del Museo de Historia Natural; también destacaron en el sector industrial y empresarial la familia Escandón, Antonio Garay, al igual que un grupo de extranjeros residentes en el país, como los españoles Lorenzo Carrera, Anselmo Zurutuza, Cayetano Rubio, Gregorio Mier y Terán. Las expectativas del Estado nacional al término de su independencia manifestaron un marcado interés por el desarrollo agrícola, minero, industrial, comercial. Si bien la minería había sido la actividad económica más importante que sustentó a la economía colonial, fue en cambio durante la primera mitad del siglo xix la industria textil la actividad que mayor apoyo económico tuvo para su desarrollo. La tecnología se pone de manifiesto en Papaloapan, Veracruz, a pesar de las dificultades que tuvieron varias fábricas de hilados y tejidos (de algodón), al igual que en Querétaro, Guanajuato, Ciudad de México, para instalar maquinaria moderna (procedente de Europa), para hacer posible la mecanización productiva en dichas fábricas. Tales actividades económicas lograron un amplio desarrollo fabril gracias a la adecuación de las novedosas formas de trabajo mecanizado que se implementaron, primero en Europa y luego en América durante el siglo xix. Notable también fue el impulso que se dio a la investigación científica, la cual fue aplicada a la explotación de las diversas actividades, tales como la minería, la metalurgia, las comunicaciones y los transportes (el ferrocarril).

Siglo xx La adopción de la física moderna en México fue un proceso que se llevó a cabo en un periodo aproximado de cincuenta años. Como vimos, el desarrollo se realizó durante tres generaciones de científicos, físicos, matemáticos e ingenieros (tres tipos de personajes, los grandes maestros, como Sotero Prieto, Nápoles Gándara, Joaquín Gallo,

342

Bloque 5

entre otros. Los grandes promotores, como Monges López, Enrique Erro, Guillermo Haro, Graef Fernández, Rivera Terrazas, Del Castillo y Gama, Fernando Alba). Los grandes investigadores como Sandoval Vallarta, Guillermo Haro, Moshinsky, al cual se considera “el padre de la física nuclear teórica en México y que desde el fallecimiento de Sandoval Vallarta (1977) es el físico mexicano con mayor reconocimiento a nivel mundial”. A todos les caracteriza el hecho de haber conformado una comunidad de científicos interesados en hacer y promover investigaciones con temas de la física moderna. Por medio de estas iniciativas individuales o de grupos reducidos despertaron el interés en esta ciencia en jóvenes estudiantes y, al mismo tiempo, intentaron convencer a las autoridades educativas y políticas del país de la necesidad de institucionalizar esta ciencia a través de la creación de dependencias en las que se pudiera realizar investigación de vanguardia en distintos campos de la física. Surgieron asociaciones como la Sociedad Científica Benjamín Franklin (1878) que después se le rebautizó como Sociedad Científica Antonio Alzate (1884); en el primer año también se fundó el Observatorio Astronómico Nacional en Tacubaya y la Escuela Nacional Preparatoria, en 1910 la Universidad Nacional en la que se integró la antigua Escuela de Ingeniería y se creó la Escuela de Altos Estudios, y la Sociedad Mexicana de Ciencias Físicas. La adopción de la física moderna en México no fue tan fácil como parecería. Si observamos bien, la institucionalización fue lenta, pues la creación de la licenciatura en Física se dio hasta el año de 1937. La formación de físicos antes de esos años se hacía primero con ex alumnos de las carreras de ingeniería, que después se incorporaban a la investigación con alguno de los físicos que hacían su trabajo de manera individual y con pocos apoyos institucionales. Aquí es donde radica la gran importancia de la Sociedad Alzate, pues en ella se congregaron maestros y alumnos a debatir acerca de sus avances en el campo de esta ciencia. Las condiciones en las que se hacía la investigación fueron muy precarias. Buena parte de los físicos mexicanos de este periodo realizó sus posgrados en el extranjero. La mayor parte de las investigaciones que se realizaron en México entre 1895 y 1945 se llevaron a cabo gracias al entusiasmo de los personajes que hemos citado y que adoptaron y difundieron la física de partículas, la física atómica y nuclear, así como la relatividad en México y fueron formando a otros alumnos para ir creando poco a poco una comunidad de investigadores en física moderna en nuestro país. También se recurrió al contacto con sus pares de otros países, sobre todo con los de Estados Unidos, por lo que conocían los avances más recientes en la física moderna de su tiempo. Un problema importante que tuvieron que enfrentar los físicos mexicanos en el proceso de adopción y después de la institucionalización de la física moderna fue el de los recursos. En un México en el que la mayor parte de los recursos económicos se destinaban a rubros como el campo, la educación elemental rural, el pago de la deuda externa y las fuerzas armadas, los recursos para el fomento y promoción de la ciencia fueron mínimos, por lo que el proceso de institucionalización de la ciencia fue lento.

4.2.2 Su comparación con la de otros países Durante los siglos xvii y xviii la ciencia penetra e influye cada vez con más fuerza en la sociedad, gozando de enorme crédito y validez. En las universidades se estudia la interpretación y aplicación de los postulados de Newton y de Galileo. Es pertinente aclarar que en los países católicos, por ejemplo Italia, España y Portugal, el movimiento científico se llevaba a cabo con menor fuerza. Surgieron las academias científicas como una respuesta a la inquietud de su tiempo, en las cuales se propiciaban las ideas científicas y el intercambio de conocimientos tanto científicos como tecnológicos.

Conocimiento, sociedad y tecnología

343

Es el mundo de la física, de la química, de la astronomía y de la biología. En este periodo el pensamiento científico adquiere su máxima valoración; el saber ciencia y aplicarla da la posibilidad de adquirir poder y riqueza. La ciencia lo puede todo, utiliza todo y pasa sobre todo. Rige la filosofía positivista, la ciencia útil, la ciencia todopoderosa. A finales del siglo xviii, y principalmente en el siglo xix, tiene lugar la gran Revolución Industrial, la cual se inicia en Inglaterra y se promueve también en Alemania y Francia. Las universidades de estos países se convierten en verdaderos centros de investigación, en los cuales se hace y practica la ciencia y tecnología. Es el predominio de lo material sobre los valores. Las universidades dan un giro de 180 grados con respecto a las universidades de la Edad Media. Lo fundamental y lo importante eran los cursos científicos y técnicos; los cursos de ética, retórica y filosofía pasaron a segundo plano, y en algunas instituciones educativas, desaparecieron. La teoría darwiniana expuso una concepción revolucionaria sobre el origen del hombre. Fue la época de las grandes revoluciones sociales, la rusa y la mexicana. A finales del siglo xix las potencias industriales, como Alemania, Francia, Japón, Inglaterra o Estados Unidos desarrollaban la segunda fase del proceso de industrialización, que se sustentó en nuevas fuentes de energía, como el petróleo y la electricidad, en el desarrollo de nuevos productos para las industrias química y farmacéutica y en medios más efectivos de transporte y comunicaciones, como el telégrafo, la radio y el automotor. Los gobiernos de estas potencias, que se encontraban en franca competencia por el dominio de territorios allende sus fronteras, pronto descubrieron que el impulso a la ciencia básica les permitiría obtener avances en la tecnología, no sólo para fines industriales y de comunicaciones, sino también para fines militares, por lo que no escatimaron esfuerzos para impulsar y fomentar el desarrollo de ciencias como la física. En este proceso, surgió la física moderna; su evolución era necesaria para el desarrollo de nuevos componentes y productos de tecnologías innovadoras, con lo que durante el siglo xx se experimentaron grandes progresos. En el siglo xx se desarrollaron las ciencias fronterizas, tales como la bioquímica, la geofísica, la fisicoquímica, etcétera, lo que obligó cada vez más al universitario a la especialización. Se retomó la importancia de la filosofía y su relación con las ciencias tanto naturales como sociales. Es en este tiempo donde se destrona a la física newtoniana con el nacimiento de la física relativista de Albert Einstein; se desarrolló y aplicó la energía atómica. En las instituciones de educación superior se fomentó el desarrollo del pensamiento lógico matemático como un proceso clave en la enseñanza de las ciencias naturales y de la tecnología.

Actividad Con la ayuda del maestro formen equipos de tres o cuatro compañeros para realizar lo siguiente: 1. ¿Es lo mismo decir “desarrollo de la ciencia” que “desarrollo de la tecnología”? Expliquen su respuesta. 2. El progreso de la tecnología propicia que muchos trabajos que hace tiempo eran efectuados por varias personas los realice actualmente una sola. Por

344

Bloque 5

otro lado, cada vez hay más desempleo. ¿Consideran, por lo tanto, que el desarrollo tecnológico es negativo en relación con el empleo? Expliquen la respuesta. 3. Discutan en equipo si los acontecimientos siguientes son un descubrimiento científico o un desarrollo tecnológico.

Ejemplos: Científico: Descubrimiento del átomo. Tecnológico: Invención de la computadora. a) Determinación de errores en instrumentos de medición. b) Construcción de una carretera. c) Aislamiento de un virus.

d) Estudio de la energía eólica. e) Producción de un medicamento. f) Invento del televisor a color. g) Estudio del sonido. h) Interpretación correcta de las variables en una medición.

Gotitas de ciencia

La animación suspendida en la cirugía En las películas de ciencia ficción, los astronautas que emprenden un largo viaje espacial son puestos en un estado “de animación suspendida” y pueden ser reanimados cuando alcanzan su destino final. La idea empezó a tocar las fronteras de la medicina en lo referente a la cirugía cerebral. Actualmente el concepto encontrado sólo en ciencia ficción, ha sido llevado a los quirófanos de modernos hospitales para permitir que los cirujanos operen ciertos vasos sanguíneos gravemente deformados que no se pueden reparar mientras fluya sangre en el organismo. En realidad, la animación suspendida es un estado físico llamado hipotermia (del prefijo hipo, debajo y termos, calor). Durante la hipotermia, los latidos del corazón y la circulación de la sangre se detienen. La hipotermia es mortal en circunstancias normales. Hoy en día la hipotermia profunda es utilizada en la medicina. ¡Los doctores pueden enfriar el cuerpo de un paciente al estado cercano a la muerte para realizar una neurocirugía sin flujo de sangre! Una persona puede sobrevivir la hipotermia profunda (menos de 20 °C), ya que permite la detención del flujo circulatorio durante más de 45 minutos sin secuelas neurológicas.

En 1990, los cirujanos del Centro Médico Presbiteriano de Nueva York usaron el procedimiento para corregir un aneurisma cerebral de un hombre de 24 años. La operación ofrecía la única oportunidad de reparar un vaso sanguíneo muy fino cerca de su cerebro que se había hinchado hasta alcanzar el tamaño de una pelota de golf y presionaba letalmente los centros vitales del cerebro causando parálisis. Un equipo de cirujanos bajó la temperatura del paciente hasta que su corazón se detuvo. Entonces suspendieron el bombeo sanguíneo habitual a través de las arterias y repararon el aneurisma. Una vez que la cirugía fue completada, permitieron que la sangre fluyera, su temperatura se elevó y su corazón comenzó a bombear de nuevo. ¡Una semana más tarde, el enfermo abandonó el hospital! La noción de que el cuerpo puede sobrevivir sin circulación a temperaturas muy bajas se presentó en casos de niños que habían perdido el sentido al caer en agua muy fría y que después de cierto tiempo se restablecían sin grandes problemas con adecuado cuidado médico.

Reflexiona 1. Explica la relación que hay entre la lectura y el estudio de la energía. 2. ¿Cómo se relacionan la energía y el movimiento de las moléculas? 3. En equipos realicen una investigación sobre algunas otras aplicaciones de la animación suspendida. 4. Discutan los resultados de su investigación sobre otras aplicaciones y comenten las ventajas y

desventajas de esas aplicaciones en campos otros campos además del de la medicina. 5. Elaboren una conclusión grupal que escribirán en el pizarrón y en su libreta sobre la importancia de estudiar la energía y la tecnología que se ha creado a partir de ella, sus ventajas y desventajas para los seres humanos y el medio ambiente.

Conocimiento, sociedad y tecnología

345

Glosario Aceleración: razón entre la rapidez de un móvil por cada unidad de tiempo. Amorfo: sustancia que no tiene una forma determinada. Amplitud (A) del movimiento: distancia entre la posición de equilibrio y la posición extrema ocupada por un objeto que oscila. Astronomía: ciencia que estudia el origen, la localización y los movimientos de los astros. Atmósfera: capa gaseosa que rodea a la Tierra y a algunos planetas y estrellas. Átomo: vocablo griego que significa “indivisible”. Barómetro de mercurio: instrumento que se emplea para medir la presión atmosférica. Bomba de vacío: la bomba de vacío está diseñada para expulsar normalmente el aire que se encuentra dentro de un recipiente. Caloría: unidad de energía térmica que se usa en termodinámica. Cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado celsius, de 14.5 °C a 15.5 °C. Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un cuerpo de 1 kg de masa. Cantidad escalar: cantidad que consta solamente de una magnitud (número y unidad), carece de dirección y sentido. Cantidad vectorial: cantidad que consta de magnitud (número y unidad) y tiene dirección y sentido. Capacidad: volumen máximo que ocupa un líquido en un recipiente.

346

Glosario

Ciencia: conjunto de conocimientos sistematizados, realizables y que son verificables. Cuanto: unidad de energía más pequeña posible. Cuerpo: porción limitada de materia. Desplazamiento: distancia y dirección entre dos posiciones; es una magnitud vectorial. Diagnóstico: evaluación sobre un cambio en el estado natural de un ser vivo o un fenómeno. Divisibilidad: propiedad que tiene la materia de poder dividirse en partes cada vez más pequeñas hasta llegar a proporciones diminutas. Efecto Doppler: es el cambio en la frecuencia de una onda sonora, debido al movimiento de la fuente o de quien escucha. Energía: capacidad para producir un trabajo. Experimentar: establecer condiciones especiales que permitan estudiar y observar los fenómenos con más sencillez que cuando se presentan en la naturaleza y comprobar de esta forma la validez de una hipótesis. Frecuencia: número de oscilaciones completas por unidad de segundo que efectúa un objeto; se representa con la letra f. Fuerza: causa capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, o de producir una deformación. Galón (gal): unidad de volumen del Sistema Inglés que equivale a 3.785 litros. Haz de rayos luminosos: agrupación de rayos que emite una fuente de luz.

Hertz: unidad de frecuencia equivalente a un ciclo por segundo. Índice de refracción: relación resultante entre la velocidad de la luz en el aire con la velocidad de la luz en otro material. Interacción: acción que se ejerce mutuamente entre dos o más objetos; a las interacciones también se les llama acciones a distancia. Intervalo: Espacio que hay entre un tiempo y otro. Magnitud: es todo aquello que sea susceptible de ser medido, por ejemplo, la longitud, la masa, el tiempo, la temperatura, etcétera. Masa: cantidad de materia que posee un cuerpo. Materia: todo aquello que ocupa un lugar en el espacio; se presenta en tres estados físicos: sólido, líquido o gas. Además, debe considerarse el plasma, que es un conjunto de partículas gaseosas y otro estado de la materia. Medir: comparar una magnitud con otra de la misma especie. Molécula: unidad química de la materia. Es la partícula más pequeña de sustancia que puede existir en estado libre y conservar las propiedades del todo. Movimiento aparentemente absoluto: cambio de lugar o posición de un cuerpo respecto a un punto de referencia que se considera fijo. Movimiento ondulatorio: ondas que pueden transmitir energía a través de la materia. Movimiento oscilatorio: movimiento repetitivo de un objeto que recorre el mismo camino de ida y vuelta. Movimiento relativo: cambio de lugar o posición de un objeto que se acerca o

se aleja de un punto de referencia que también se mueve. Debemos considerar que este punto es una elección arbitraria que facilita la descripción y análisis del movimiento (en particular, que parezca que está en reposo). Ondas longitudinales: formadas por las partículas del medio en el que se desplaza la materia paralela a la dirección del movimiento de la onda. Ondas transversales: las ondas transversales vibran en forma perpendicular a la dirección del movimiento de la onda. Palanca: máquina simple, formada por una barra rígida que puede construirse con distintos materiales y que gira sobre un lugar llamado punto de apoyo o fulcro. Parsec: unidad de longitud que se usa para expresar las distancias astronómicas; por ejemplo, la distancia de la Tierra a una estrella. Pascal (Pa): unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades; presión que ejerce un newton en un metro cuadrado de superficie (N/m2). Patrón de medida: elemento de comparación conocido como unidad por todo el que lo utilice y su valor debe estar perfectamente definido; sus características son la exactitud y es un modelo fácil de reproducir. Peso: fuerza de atracción que ejerce la gravedad sobre los cuerpos y se mide en newtons (N). Plano inclinado: superficie elevada por uno de sus extremos con cierto ángulo. Posición de equilibrio: estado de un cuerpo en que las fuerzas encontradas que actúan en él se compensan y destruyen mutuamente. Propiedades de la materia: cualidades o características que tienen las sustancias y que permiten identificarlas.

Glosario

347

PROYECTOS Quarks: partículas resultantes de la división de los protones y los neutrones.

Solenoide: conductor eléctrico en forma de hélice cilíndrica.

Radiactividad: es la emisión de “partículas” desde el núcleo de los átomos inestables.

Sonido: desplazamiento de las ondas sonoras durante su propagación en cualquier medio material.

Rayos gamma: ondas electromagnéticas emitidas por una sustancia radiactiva en una frecuencia muy específica. Son muy penetrantes, pueden atravesar diferentes clases de materiales.

Tecnología: parte de la ciencia que utiliza los conocimientos y los aplica tanto en la fabricación de aparatos como en la proyección de sistemas que mejoran algún proceso industrial o de investigación para ampliar las capacidades del ser humano.

Rayos luminosos: rayos que indican en qué dirección se propaga la luz. Refracción de la luz: cambio de dirección que sufre un rayo luminoso al pasar por la superficie de separación de un medio transparente a otro de distinta densidad óptica (índice de refracción). Resultante: fuerza que produce el mismo efecto que las demás al actuar simultáneamente. La resultante de un sistema es igual a la suma vectorial de todas las fuerzas que componen ese sistema.

348

Glosario

Temperatura: magnitud física que es un parámetro del sistema que está relacionado con el promedio de la energía cinética media de agitación de las moléculas. Viscosidad: propiedad de los líquidos y gases que caracteriza su resistencia a fluir. Volumen o extensión: espacio que ocupa un cuerpo.

Número de oxidación

T I E R R A S

2 +2 −6

H

1

Apéndice

R A R A S

7 Q

6 P

5 O

4 N

Mg

Na

2

K

Er

Sr

Th

W

Pr

Nd

3,4 60

Sg

106

183.85 Wolframio

3

(262) (266) Dubnium Seaborgium

3,4 59

10

Ru

4,6 44 7

Rh

3,4 45

1 2 30

Rh

Ag

Cu

2 3 29

Ni

Zn

12 +2

(27) Actinio

232.0381 Torio

(231) Protactinio

Pa

B 3

Cd

In

Ga

26.9815 Aluminio 2 31 3

Al

Re

Pm

61

3

(264) Bohrium

Bh

107

186.2 Renio

Os

Sm

62

Ir

Pt

Uun

110

195.09 Platino

Au

Eu

2,3 63

2,3

Gd

64

Tb

3 65

3,4

Uuu

111

196.967 Oro

Hg

Dy

66

Uub

112

200.59 Mercurio

U

283.03 Uranio

Np

(237) Neptunio

Pu

(242) Plutonio

Tl

3

Am

(243) Americio

(247) Curio

Cm

Bk

(247) Berkelio

Cf

(251) Californio

3

Es

(254) Einstenio

164.30 Holmio 99 3

Ho

67

Uut

113

204.37 Talio

(268) (269) (272) (277) Mertnerium Unnilium Unununium Ununbium Ununtrium

Mt

109

192.2 Iridio

Metales de transición

(269) Hassium

Hs

108

190.02 Osmio

C

N 14.0067

1 2 8 3 4 5

15 +5 −3

No metales

4 2 7

14 +4 −4

Na

O

16 +6

2

17 +7

9

F

1

3 5

Sb

51

74.9216 Arsénico

As

52

2 4 6

Te

78.96 Selenio

Pb

(285)

Bi

Uup

115

208.980 Bismuto

Po

(289)

Uuh

116

(209) Polonio

1 3 5 7

1 3 5 7

Uus

117

(210) Astato

At

Iodo 1 3 85 5 7

I 126.904

53

Bromo

Br 79.909

Er

yb

2,3 70

Fm

(253) Fermio

(256)

Mendelevio

Md

Tm

3 69

2,3

No

(259) Nobeliio

167.26 168.934 173.04 Erbio Tulio Iterbio 100 3 101 3 102 2,3

68

Lu

3

Lr

(262) Lawrencio

174.97 Lutecio 103 3

71

Ununquadium Ununpentium Ununhexium Ununseptium

Uuq

114

207.19 Plomo

Cl

35.453 Cloro 2 4 35 6

Se

3 5 34

32.064 Azufre

S

127.60 118.69 121.75 Teluro Estaño Antimonio 2 4 82 2 4 83 3 5 84 6

2 4

Sn

50

72.59 Germanio

P

30.9738 Fósforo 2 4 33

Ge

32

28.086 Silicio

Si

4.0026 Helio

He

Ar

Kr

0

0

0

0

0

(293)

Ununoctium

Uuo

118

(222) Radón

Rn

131.30 Xenón 86 0

Xe

54

83.80 Kriptón

36

39.948 Argón

18

20.183 Neón

Ne

10

2

Gases inertes o nobles

18 0

Nombre

Símbolo Masa atómica (A)

Número de oxidación

Halógenos

22.9898 Sodio

+1

Q 7

P 6

O 5

N 4

M 3

L 2

K 1

Nivel Periodo

11

18.9984 15.9994 12.0115 Flúor Oxígeno Carbono Nitrógeno 4 2 15 3 5 16 1 3 2 4 17 14 5 7 6

2 5 6 10.811 Boro

13

5

13 +3 −5

58.71 63.546 65.38 69.72 Níquel Cobre Zinc Galio 2 4 47 1,2 46 1 48 2 49 3 3,4

58.9332 Cobalto

2 3 28

Co

2,3 27

11 +1

138.905 140.12 140.907 144.24 (147) 150.35 151.96 157.25 158.824 162.50 Praseodimio Neodimio Lantano Cerio Prometio Samario Europio Gadolinio Terbio Disprosio 89 3 90 4 91 4,5 92 3,4 93 3,4 94 3,4 95 3,4 96 3,4 97 3,4 98 3,4 5,6 5,6 5,6 5,6

Ac

3 58

Rutherfordium

(261)

Db

Rf

Ta

9

95.94 (97) 101.07 102.905 106.4 107.868 112.40 114.82 Molibdeno Tecnecio Rutenio Rodio Paladio Plata Cadmio Indio 2,3 75 2,4 76 2,3 77 1,2 78 2 4 79 1 3 80 1 2 81 1 3 5 74 4,5,6 7 4,6 3,4,6

180.948 T‡ntalo 105

2 73

92.906 Niobio

Tc

Fe

55.847 Hierro

2,3 26 4,6,7

54.9380 Manganeso

2,3 43 4,5,6

8

Metales de transición o pesados

7 +7

Mn

2,3 25 6

Mo

3,5 42

Nb

4 41

137.34 Bario 104

Ba

56

Actínidos

57

Serie de Actinio

Zr

Cr

6 +6

51.996 Cromo

2,3 24 4,5

50.942 Vanadio

V

5 +5

2,3 23 4

91.22 Zirconio

3 40

89-103

Serie de Lantano

57-71

Ti

47.90 Titanio

3 22

Ce

2

y

88.905 Itrio

2 39

2

Sc

44.956 Escandio

2 21

La

(226) Radio

Ra

1 88

137.34 Bario

Ba

1 56

87.62 Estroncio

1 38

40.078 Calcio

Ca

1 20

4 +4

Lantánidos

(223) Francio

87

132.905 Cesio

Cs

55

85.47 Rubidio

Rb

37

39.102 Potasio

19

24.305 Magnesio

6.939 9.0122 Litio Berilio 11 1 12 2

3 M

1 4

Be

22.9898 Sodio

3 +3

Metales alcalinotérreos

Li

3

1.00797 Hidrógeno

1

Metales alcalinos

Metales ligeros

1 +1 −7

2 L

1 K

Periodo Nivel

Número atómico (z)

Apéndice

349

Bibliografía para el alumno • Alba Andrade, Fernando (2000), El desarrollo de la tecnología, colección “La ciencia para todos”, FCE, México. • Asimov, I. (1986), Historia del telescopio, Editorial Alianza, España. • Asimov, I. (1987), Enciclopedia biográfica de ciencia y tecnología, Editorial Alianza, España. • Averbuj, Eduardo (2000), Con el cielo en el bolsillo. La astronomía a través de la historia, 3a. edición, Ediciones de la Torre. • Bronowski, J. (1983), El ascenso del hombre, Fondo Educativo Interamericano, Colombia. • Burnhan, R., Dyer, A. y Kanipe, J. (2002), Astronomía. Guía del cielo nocturno, Naturart, Blume, México. • Cetto, María (2000), La luz, FCE, colección “La ciencia para todos”, México. • Diccionario Oxford-Complutense Física, Editorial Complutense, España. • Dultzin, D.; Fierro, J.; Hacyan, S.; Herrera, M. A.; Moreno, M.; Tapia, M., y Rodríguez, L. (1997), Astronomía para niñ  os, “Los rincones de lectura”, SEP. • Fierro Gossman, Julieta, Volcanes y temblores en México, SITESA, México. • Fierro, Julieta (2001), La astronomía de México, Lectorum, México. • Ford, Harry (1998), Jóvenes astrónomos. Guía del joven aficionado a la astronomía, Editorial Molino, México. • Gribbin, J. (2005), Historia de la ciencia 1543-2001, Editorial Crítica, Barcelona. • Guías visuales (2005), Inventos, Editorial Televisa, Hong Kong. • Guías visuales (2005), Volcanes, Editorial Televisa, Hong Kong. • Joaquín Gasca (ed.) (2003), Fuerzas físicas, México, Ediciones Culturales Internacionales/SEP, Libros del rincón, pág. 151. • Lomnitz Cina (2003), Los temblores, México, SEP/CONACULTA. • Muñoz Santonia, José (1999), Newton. El umbral de la ciencia moderna, Nívola, España. • Navarrete, Néstor (2003), Atlas básico de tecnología/textos, SEP/Paramón Ediciones, México. • Pellón González, I. (2003), El hombre que pesó los átomos. Dalton, Nívola, España. • Rae Jonas, Ann (2007), Las respuestas y las preguntas de la ciencia, Editorial Crítica. • Rowland-Entwistle, T. (2002), Eureka, Un libro sobre Inventos, Océano/McGrawHill, México. • Ruiz Morales, J. (1998), Astronomía contemporánea, Equipo Sirius, México. • Sagan, Carl (1994), Cosmos, Editorial Planeta, Barcelona. • Sagan, Carl (2005), El mundo y sus demonios, Editorial Planeta, Barcelona. • Sánchez Mora, Ana María (1996), Relatos de ciencia, Editorial ADN-Conaculta, colección “Viaje al centro de la ciencia”, México. • Sayavedra, Roberto (1994), El domador de la electricidad. Thomas Alva Edison, México, Dirección General de Publicaciones del CNCA/Pangea, pág. 112. • Sosa Fernández, Plinio (1997), Bájate de mi nube electrónica, Editorial ADN-Conaculta, colección “Viaje al centro de la ciencia”, México. • Stefani, Marta (2002), Historia de la ciencia y la tecnología: la revolución científica, México, SEP/Diana, México. • Tirion, Wil (2002), Atlas estelar, Cambridge University Press. • Tonda, J. (1999), El beso virtual, ADN Editores, México. 350

Bibliografía para el alumno

• • • •

Tonda, Juan (1995), Los temblores, ADN Editores, México. Van Cleave, J. (2003), Física para niñ  os y jóvenes, Limusa, México. Volin, A., Grandes inventos, McGraw-Hill Interamericana, México. VVAA (2006), “Scientific American”, Cuestiones curiosas de ciencia, Alianza Editorial. • Wood, R., Grandes inventos, McGraw-Hill Interamericana, México. • Wyatt, Valerie, Meteorología divertida, Oniro, Barcelona.

Bibliografí a p a r a e l m a e s t r o · Abad Toribio, Laura e Iglesias, L., Problemas resueltos de Física General (2a. ed.), Bellisco, Madrid, 2006, 360 págs. · Aboites, V. (2007), El láser, FCE, colección “La ciencia para todos”, México. · Asimov, Isaac, El electrón es zurdo y otros ensayos científicos, Alianza Editorial, Madrid, 2002, 260 págs. · Bernal, J. (2003), La ciencia en la historia, Editorial Nueva Imagen, México. · Berns Bernstein, Jeremy, Einstein. El hombre y su obra, McGraw-Hill/ Interamericana de España, 2006, 184 págs. · Bueche, Frederick, Física General (9a. ed.), McGraw-Hill/Interamericana de México, 2004. · Cutnell, J.D. y Jonson, K.W., Física (2a. ed.), Limusa, 2004, 996 págs. · Díaz, Introducción a la Física, McGraw-Hill/Interamericana de México, 2001. · Dorronsoro, M. (1996), La tecnología láser: fundamentos de aplicación, Editorial McGraw-Hill, Madrid. · Fernández-Rañada, Antonio, Física Básica I y II, Alianza Editorial, Madrid, 2004. · Fraiolo, Luca (2002), Historia de la ciencia y la tecnología: el siglo de la ciencia, México, SEP/Diana, México. · García Maroto, A., Leyes, fórmulas y ecuaciones, García Maroto Editores, Madrid, 2005, 575 págs. · Gautreau y Savin, Física Moderna (2a. ed.), McGraw-Hill/Interamericana de México, 2003, 398 págs. · Goldsmith, Mike, Eistein y su explosivo Universo, El rompecabezas, Madrid, 2006, 192 págs. · Herrera, Miguel Ángel, Biofísica, geofísica y astrofísica. Para qué sirve la física (PD), FCE, México. · Hewitt, Paul, Física conceptual (9a. ed.), Prentice Hall, México, 2004, 789 págs. · Lightman, Alan P., Grandes ideas de la Física. Cómo los descubrimientos científicos han cambiado nuestra visión del mundo, McGraw-Hill/Interamericana de España, 2006, 306 págs. · Lozano Leyva, Manuel (2005), De Arquímedes a Einstein: Los diez experimentos más bellos de la física, Editorial Debate, España. · Malacara, Daniel (2002), Óptica tradicional, colección “La ciencia para todos”, FCE, México. · Mengual, Juan, T., Física al alcance de todos, Pearson Educación, Madrid, 2006, 300 págs. · Mere Alcocer, Antonio y Mere Vázquez, José Antonio, Sobre la velocidad de la luz, Universidad Autónoma de Querétaro, México, 2004.

Bibliografía para el maestro

351

PROYECTOS · Mlodinow, Leonard, El arco iris de Feynman. La búsqueda de la belleza en la física y en la vida, Editorial Crítica, Barcelona, 2004, 208 págs. · Moore, Thomas, Física II (2a. ed.), McGraw-Hill/Interamericana de México, 2005. · Peralta-Fabi, Ramón (2000), Fluidos, apellido de líquidos y gases, colección “La ciencia para todos”, FCE, México. · Piña Barba, María (2000), La física en la medicina II, colección “La ciencia para todos”, número 171, FCE, México. · Ruiz Mejía, Carlos (2000), Trampas de luz, FCE, colección “La ciencia para todos”, México. · Sánchez Ron, José Manuel (2000), El siglo de la ciencia, Taurus Ediciones. · Sánchez Ron, José Manuel (2001), El jardín de Newton: la ciencia a través de su historia, Editorial Crítica. · Sears, Francis, Física universitaria, vols. 1 y 2 (11a. ed.), Prentice Hall, México, 2004, 728 págs. · Serway, Raymond, A. y Beichner, Robert, Introducción a la Física, tomo II (5a. ed.), McGraw-Hill/Interamericana de México, 2002, 1 551 págs. · Tipler, Paul y Moca, G., Física para la ciencia y la tecnología, vol. 2 (5a. ed.), Reverté, Barcelona, 2004, 700 págs.

Temas pedagógicos · Armstrong, Thomas, Inteligencias múltiples en el aula. Guía práctica para educadores, Ediciones Paidós Ibérica, Barcelona, 2006, 280 págs. · Bravo Benítez, Matilde, Estrategias educativas en el aula. Dinámicas, técnicas y recursos, Ediciones Aljibe, Barcelona, 2006, 170 págs. · Cano, Elena, Cómo mejorar las competencias de los docentes. Guía para la autoevaluación y el desarrollo de las competencias del profesorado, Graó, Barcelona, 2005, 214 págs. · Fleary Mortinmer, Eduardo, Lenguaje y formación de conceptos en la ense anza de las ciencias, Visor Distribuciones, Madrid, 2006, 241 págs. · Gimeno Sacristán, José, La reforma necesaria. Entre la política educativa y la práctica escolar, Ediciones Morata, Madrid, 2006, 190 págs. · Lahera, Jesús, Procesos y técnicas de trabajo en ciencias físicas: Modelo y ejemplificaciones para primaria y secundaria, CCS, Madrid, 2006, 215 págs. · Paquay, Leopold, La formación profesional del maestro. Estrategias y competencias, Fondo de Cultura Económica, México, 2006, 400 págs. · Sánchez Blanco, Gaspar (coord.), Didáctica de las Ciencias Experimentales, Marín Diego, Murcia, 2005, 397 págs. · Vechi, Gerard de, Guía práctica para la ense anza científica, Diada Editora, Sevilla, 2006, 261 págs.

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Temas pedagógicos

Índice o n o m á s t i c o Alamán, Lucas, 341 Alzate José Antonio 341, Apolonio 286, Aristóteles 36, 157, 160, 286 Aristarco de Samos 286 Bell, Alexander Graham 279 Bernoulli, Daniel 162 Bohr, Niels 63, 241 Boltzmann, Ludwig 164 Borelli Giovanni 33 Boscovich, Roger Joseph 163 Bourne, William 222 Boyle, Robert 158 Carnot Nicolás Léonard Sadi 199, 338 Celsius, Andrés 186 Chadwick, James 241 Charles, Alejandro 204 Chu, Steven 225 Clausius, Rudolf 163 Clavijero, Francisco Javier 341 Cohen-Tannoudji, Claude 225 Conde de Rumford, Benjamin Thomson 199 Copérnico, Nicolás 93 Coulomb, Charles-Augustin de 123 Crookes, William 245 Da Vinci, Leonardo 222, 259 Dalton, John 153, 236, 240 Del Río, Andrés 341 Demócrito 153 Edison, Thomas Alva 275 Empédocles 153, 156, 238 Euler, Leonhard 162 Fahrenheit, Gabriel Daniel 185 Faraday, Michael 126 Franklin, Benjamín 121

Galilei, Galileo 37, 42, 43, 96, 160, 187, 239 Gilbert, William 228 Haro, Guillermo 343 Herapath, John 163 Hubble, Edwin 299 Huygens, Christian 259 Joule, James Prescott 163 Kelvin, William Thomson 189 Kepler, Johannes 93 Krönig, Karl 164 Kundt, August, 164 Lavoisier, Antoine Laurent 158 Leucipo 162 Lomonosov, Mikhail Vasilyevich 163 Marconi, Guglielmo 281 Maury, Antonia C. 306 Maxwell, James Clerk 164 Mersenne, Marin 33 Miller, C. Dayton 33 Moshinsky Borodiansky, Marcos 343 Neri Vela, Rodolfo 294 Newton, Isaac 86, 93, 124 Pasteur, Luis 316 Pitágoras 286 Ptolomeo 286 Reis, Johann Philipp 279 Rutherford, Ernest 62 Sandoval Vallarta, Manuel 341, 342 Secchi, Angelo 306 Tesla, Nikola 275, 279 Thomson, Joseph John 236, 240, 245 Velazquez de León, Joaquín 341 Viviani, Vincenzo 34 Vladimirovna Tereshkova, Valentina 294 Watt, James 198, 337

Índice onomástico

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Índice temático Aceleración 49 Aislantes (ver dieléctricos) Amorfo 165 Amplitud de onda 32 Ánodo 246 Arco iris 273 Astronomía 286 Atmósfera 181, 296 Átomo 165 Balanza de torsión 229 Barómetro 61 Bomba de vacío 31 Bomba térmica 198 Caída libre 96 Calor 198 Calor específico 193 Caloría 175 Cambios de estado 216, 218 Campo magnético 120 Cantidad escalar 17 Cantidad vectorial 17 Carga eléctrica 121, 123 Cátodo 246 Cohesión 165 Cometas 292 Condensación 176 Conductibilidad térmica 192 Convección 190, 193 Corriente alterna 231 Corriente convencional 231 Corriente directa 231 Corriente eléctrica 124, 231, 248 Corriente inducida 256 Cresta 25 Cuanto 236 Cuerpo 139 Densidad 214 Deslocalización 237 Desplazamiento 18 Diagrama de fuerzas 74 Dieléctricos 248 Difracción 259 Difusión 261 Dilatación térmica 183 Dinámica 93

354

Índice temático

Dispersión 235 Divisibilidad 147 Ebullición 177, 220 Efecto Doppler 298 Elasticidad 147 Electrodo 245 Electroimán 235, 244 Electrones 154, 178 Electroscopio 123 Elongación 24, 33 Energía 99, 101 Energía cinética 104, 108 Energía potencial 105, 109 Energía radiante 269 Energía térmica 176, 190 Escala absoluta 189 Espejos cóncavos 263 Espejos convexos 263 Espejos planos 262 Estrella 290 Evaporación 176 Experimentación 41, 42 Extensión (ver volumen) Fibra óptica 317 Fluidos 203 Fotón 259 Frecuencia 24, 25, 26, 27, 31, 35, 59, 272 Fricción 41, 79, 85, 87, 89, 90, 99 Fuente calorífica 194 Fuerza 71, 72, 73, 74, 211 Fuerza centrípeta 94, 95 Fuerza eléctrica 123 Fuerzas angulares (ver Fuerzas concurrentes) Fuerzas colineales 74 Fuerzas concurrentes 76 Fuerzas de cohesión 165, 202 Fuerzas de fricción 207 Fusión 180, 218 Galaxia 291 Gas 218 Geoide 295 Gran explosión 296 Gravitación 93 Hertz 25

Hidrodinámica 207 Hidrostática 207 Hubble 297 Imanes 125 Impenetrabilidad 147 Inducción electromagnética 255 Inducción electrostática 122 Industrialización 344 Inercia 80, 85, 94, 151 Isobaras 221 Intensidad 244, 251 Interacción 67 Interacción electromagnética 72 Interacción gravitatoria 72 Interacción nuclear 72 Láser 279 Lente 266 Ley de Coulomb 230 Ley de la gravitación universal 230 Ley de la inercia 41 Líquido 168 Longitud 14 Longitud de onda 32, 303, 310 Lunas 293 Luz 258, 259, 260, 262 Magnetismo 252 Magnetismo terrestre 125 Magnitud 13,14 Máquina térmica 195 Masa 146, 167 Masa específica (ver densidad) Materia 143 Medición 13 Método del paralelogramo 78 Método del polígono 79 Modelo 150 Modelo atómico 154, 159, 164 Modelo científico 152 Modelo cinético 162 Modelo de partículas 201 Modelo geocéntrico 95 Molécula 181 Motor eléctrico 256 Movimiento aleatorio 164 Movimiento ondulatorio 28 Movimiento oscilatorio 23, 24, 27 Movimiento, cantidad de 87

Neutrones 290 Newton, disco 230 Newton, primera ley 86 Newton, segunda ley 89 Newton, tercera ley 90 Newton, unidad 82 Nodo 33 Ohm, unidad 251 Ondas de radio 266 Onda longitudinal 28 Onda transversal 28 Ondas de cizalla 57 Orbitales 237 Palanca 116, 119 Partículas 201, 260 Pascal, unidad 181, 212 Patrón de medida 15 Penumbra 260 Peso 85, 92, 96, 97 Planeta 293 Plano inclinado 43 Plasma 178 Polarización 253 Porosidad 148 Presión 184, 206 Presión atmosférica 321 Principio de Arquímedes 214 Principio de Pascal 212 Propiedades de la materia 141, 147 Protones 154 Punto de ebullición 179, 180 Punto de fusión 179, 180 Quarks 297 Radiación 190 Radioactividad 309 Rapidez 20 Rayo luminoso 260 Rayos X 266 Refracción 263, 265 Refrigerante 194 Resistencia eléctrica 249, 250 Resonancia 237 Resonancia magnética nuclear 311 Resultante 73 Satélites artificiales 294 Sismos (ver terremotos) Sistema de fuerzas 74

Índice temático

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Solenoide 234 Solidificación 175, 219 Sólido 179, 180 Sombra 260 Sonido 9 Sublimación 176, 220 Temperatura 172, 178 Teoría atómica de la materia 160 Teoría cinética 165 Termómetros 185 Tiempo 16 Tomografía 311

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Índice temático

Trabajo 113 Trayectoria 12 Tubo de rayos catódicos 245 Tubo de vacío 245 Ultrasonido 312 Valle 25 Vaporización 175 Vectores 74 Velocidad 20 Velocidad de propagación 26 Viscosidad 202 Volumen 146, 165