Page 1

FĂ­sica 1

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 1

1/29/13 10:25 AM


Dirección De conteniDos y servicios eDucativos Elisa Bonilla Rius Gerencia De publicaciones escolares Felipe Ricardo Valdez González autores Julia Tagüeña Parga, Mariano López de Haro, Sergio Cuevas García coorDinación eJecutiva De ciencias Hilda Victoria Infante Cosío eDición Diana Tzilvia Segura Zamorano corrección Alejandrina González, Ana Lidia Yescas, Laura Martínez García Dirección De arte Quetzatl León Calixto Diseño De portaDa Brenda López Romero y Segundo Pérez Diseño De la serie Brenda López Romero DiaGramación Martha A. Ramos G. y Nancy Martínez Morales coorDinación De iconoGraFÍa e imaGen Ricardo Tapia iconoGraFÍa Alberto Padrón Garavito FotoGraFÍa © Thinkstock, 2012; © Carlos Vargas, 2012 ; Archivo SM

Ciencias II. Física. Secundaria. Conect@ Entornos Primera edición, 2012 D. R. © SM de Ediciones, S. A. de C. V., 2012 Magdalena 211, Colonia del Valle, 03100, México, D. F. Tel.: (55) 1087 8400 www.ediciones-sm.com.mx ISBN en trámite Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro número 2830 No está permitida la reproducción total o parcial de este libro ni su tratamiento informático ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del copyright. Las marcas Ediciones SM® y Conect@ Entornos® es propiedad de SM de Ediciones, S. A. de C. V. Prohibida su reproducción total o parcial

DiGitaliZación e imaGen Carlos A. López, Donovan Popoca Jiménez

Impreso en México/Printed in Mexico

ilustración Hugo Miranda, Francisco Márquez, Martha A. Ramos G.

Ciencias II. Física. Secundaria. Conect@ Entornos

proDucción Víctor Canto, Carlos Olvera

se terminó de imprimir en enero de 2013, en Editorial Impresora Apolo, S.A. de C.V., Centeno 150 local 6, Col. Granjas Esmeralda, C. P. 09810, México D.F.

2

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 2

1/29/13 10:25 AM


Presentación general

A

diario convivimos con una multitud de productos tecnológicos que han cambiado de manera radical nuestra forma de vida. Vivimos inmersos en una revolución cuyos alcances han afectado la manera en que nos comunicamos, en que accedemos a fuentes de información e incluso nuestras formas de esparcimiento. Somos testigos de nuevas tecnologías que han permitido mejorar los medios de transporte, las formas de producir energía y de combatir enfermedades. La base de este desarrollo tecnológico es el conocimiento cada vez más profundo de la naturaleza y, en particular, de las interacciones fundamentales del mundo físico. Los nuevos descubrimientos e inventos no cesarán en los años por venir, sino al contrario, nuevos desafíos se vislumbran en el horizonte.

Este libro pretende despertar el interés de los alumnos en los fenómenos del mundo físico, como medio para democratizar el conocimiento y herramienta para participar en la construcción de la sociedad, conduciendo la curiosidad, la creatividad y la imaginación — características del quehacer científico— de tal manera que proporcionen elementos tanto para resolver problemas cotidianos como para comprender los fundamentos de algunos de los desarrollos tecnológicos recientes y contar con elementos básicos que hagan posible interpretar el mundo natural. Como toda ciencia, la física es una disciplina dinámica y en constante desarrollo; acercarnos a ella nos permite acceder a una parte fundamental de la cultura universal. Esperamos que este libro ayude a cumplir este objetivo.

Presentación para el alumno

E

s muy importante para tu futuro que sepas que el conocimiento se ha convertido en la base del desarrollo económico, político y cultural. Vivimos en una sociedad que valora el conocimiento y la habilidad para aplicarlo y resolver situaciones problemáticas. Se dice que el “conocimiento es poder”. Pero ¿a qué conocimiento se hace referencia? En primer lugar, está el conocimiento personal. El que te enriquece y te permite sentir el gozo intelectual, disfrutar de la ciencia y del arte. En ese sentido, y en primer lugar, este libro pretende desechar la percepción pública respecto a la física al brindarte temas interesantes relacionados con el entorno, que te ayudarán a considerar la utilidad de esta ciencia. Los razonamientos que hagas te servirán en muchos momentos de tu vida cuando tengas que tomar alguna decisión relativa a la naturaleza y la tecnología. En segundo lugar, está el conocimiento de la sociedad. La ciencia y la tecnología son una responsabilidad

social, que implica un compromiso con la igualdad de oportunidades de las personas y el cuidado de los recursos naturales y del medio ambiente. Tu generación requerirá crear, desarrollar y compartir el conocimiento, y aplicar tecnologías adecuadas para buscar un desarrollo sustentable con rostro humano. Tú eres un ciudadano del siglo xxi, un siglo que es una encrucijada para la humanidad. Eso te da muchas oportunidades, pero también implica muchos retos. Tienes la oportunidad de entender y apreciar el mundo y la sociedad en que vives. Pero prácticamente nadie puede hacerlo solo, sin apoyos como este libro y sin educación. Esperamos que la física se vuelva parte del bagaje que hará más exitoso, interesante, productivo y placentero tu viaje por la vida. La editorial y los autores

3

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 3

1/29/13 10:25 AM


e

Presentación para el profesor En la secundaria se pretende que los estudiantes continúen desarrollando la competencia científica (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que caracteriza a las ciencias. Nos referimos a la lectura analítica, al planteamiento de preguntas pertinentes, a la observación con precisión creciente, al diálogo y a compartir ideas para comparar, enriquecer, sistematizar, analizar e interpretar los hechos. Su práctica constante puede propiciar la formulación de explicaciones congruentes y activar la toma de decisiones responsables e informadas a favor de su salud y del medio ambiente. Este curso de Ciencias II tiene el propósito de seguir fomentando en los alumnos la visión científica del mundo, de manera que sean capaces de explicar los fenómenos físicos y los procesos naturales que los rodean. El reto no es sencillo, requiere de aproximaciones que van de lo macroscópico y perceptible, a lo microscópico y abstracto, con el fin de representar, describir, identificar y reconocer los fenómenos naturales y los procesos en términos causales. El aprendizaje de la asignatura Ciencias, con énfasis en Física, requiere que los alumnos reconozcan lo que saben y lo expliciten; lo usen para pensar y comprueben con fuentes fidedignas su veracidad; comuniquen a otros sus avances, dudas y aprendizajes. Para apoyarlo en esta tarea, las lecciones que integran este material se organizan en secuencias didácticas y en tres momentos de construcción del conocimiento científico:

• COMENZAMOS. A partir de una situación problemática que favorece la recuperación y el reconocimiento de lo que saben. • APRENDEMOS. Se incluye el contenido científico acompañado de sugerencias para promover la comprensión lectora, siempre después de la reflexión sobre el tema. • INTEGRAMOS. Espacio para contrastar lo identificado en la primera sección con la comprensión alcanzada 4

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 4

en la segunda, lo cual es fundamental para evaluar el aprendizaje. El libro incluye diversas actividades y cápsulas, cuyo propósito central es que el conocimiento alcanzado por los estudiantes sea significativo y aplicable en la vida diaria. Secciones como “Desarrolla tu pensamiento científico” —que promueven la curiosidad y favorecen la capacidad de preguntar y de emplear la evidencia científica— y “Aproximación al pensamiento científico” tienen este propósito. Asimismo, cápsulas como “Para saber más”, “Conect@mos” o “Una pista” —actividades de profundización del contenido estudiado, pensadas para alumnos que se interesan en el tema— conforman la propuesta de aprendizaje del libro. El libro le proporciona actividades de evaluación contextualizada, a la manera de las situaciones de evaluación tipo PISA (siglas en inglés del Programa Internacional para la Evaluación de Estudiantes). Es un instrumento de evaluación para monitorear el desarrollo del aprendizaje de las ciencias en su perspectiva más amplia. Finalmente, el logro de la competencia científica requiere de espacios para el trabajo crecientemente autónomo de los alumnos, aplicando los conocimientos alcanzados y resolviendo situaciones problemáticas cercanas. Se trata de consolidar el aprendizaje aprovechando sus intereses en temas del mundo vivo, guiados por el docente, quien los impulsa a aprender a hacer y a aprender a ser. Son los proyectos estudiantiles de fin de bloque. El libro no compite con usted. Es una herramienta que potencia su capacidad para guiar a los estudiantes durante este ciclo escolar. Gracias por permitirnos ser su compañero en la aventura de promover la formación científica básica entre los jóvenes de la secundaria. La editorial y los autores

4

1/29/13 10:25 AM


Guía de uso

Esta sección te indica el título de bloque. También incluye un problema cercano a tus intereses, que podrás resolver mediante el análisis de imágenes y actividades que involucran diferentes habilidades del pensamiento.

2

BLOQUE

Entrada de bloque

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

La descripción del movimiento y la fuerza

En esta sección se enuncian los proyectos que puedes trabajar en el bloque.

Competencias que se favorecen:

• Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Comprensión de los alcances de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención.

Aprendizajes esperados

Contenidos

Interpreta y aplica las leyes de Newton como un conjunto de reglas para describir y predecir los efectos de las fuerzas en experimentos y/o situaciones cotidianas. Valora la importancia de las leyes de Newton en la explicación de las causas del movimiento de los objetos.

La explicación del movimiento en el entorno. Lección 1. Primera Ley de Newton: el estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. La inercia y su relación con la masa. Lección 2. Segunda Ley de Newton: relación fuerza, masa y aceleración. El newton como unidad de fuerza. Lección 3. Tercera Ley de Newton: la acción y la reacción; magnitud y sentido de las fuerzas.

Establece relaciones entre la gravitación, la caída libre y el peso de los objetos, a partir de situaciones cotidianas. Describe la relación entre distancia y fuerza de atracción gravitacional y la representa por medio de una gráfica fuerza–distancia. Identifica el movimiento de los cuerpos del Sistema Solar como efecto de la fuerza de atracción gravitacional. Argumenta la importancia de la aportación de Newton para el desarrollo de la ciencia.

Efectos de las fuerzas en la tierra y en el universo Lección 1. Gravitación. Representación gráfica de la atracción gravitacional. Relación con caída libre y peso. Lección 2. Aportación de Newton a la ciencia: explicación del movimiento en la Tierra y en el Universo.

Describe la energía mecánica a partir de las relaciones entre el movimiento: la posición y la velocidad. Interpreta esquemas del cambio de la energía cinética y potencial en movimientos de caída libre del entorno. Utiliza las expresiones algebraicas de la energía potencial y cinética para describir algunos movimientos que identifiquen el entorno y /o en situaciones experimentales

La energía y el movimiento Lección 1. Energía mecánica: cinética y potencial. Lección 2. Transformaciones de la energía cinética y potencial. Lección 3. Principio de la conservación de la energía.

Plantea preguntas o hipótesis para responder a la situación de su interés, relacionada con el movimiento, las fuerzas o la energía. Selecciona y sistematiza la información relevante para realizar su proyecto. Elabora objetos técnicos o experimentos que le permita describir, explicar y predecir algunos fenómenos físicos relacionados con el movimiento, las fuerzas o la energía. Organiza la información resultante de su proyecto y la comunica al grupo o a la comunidad, mediante diversos medios: orales, escritos, gráficos o con ayuda de las tecnologías de la información y la comunicación.

Proyecto: imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones) » ¿Cómo se relaciona el movimiento y la fuerza con la importancia del uso del cinturón de seguridad para quienes viajan en algunos transportes? » ¿Cómo intervienen las fuerzas en la construcción de un puente colgante?

El cinturón de seguridad Observa la imagen: ¿Qué elementos de seguridad distingues? Está demostrado que el uso del cinturón de seguridad aumenta 50 % la probabilidad de sobrevivir tras una colisión y reduce las lesiones a casi 60 % en los heridos de accidente de tráfico. » ¿Qué sensación tienes cuando un automóvil en movimiento circula por una curva? ¿A qué crees que se debe? Enumera todas las fuerzas que crees actúan en ese momento. » Cuando un coche acelera bruscamente, ¿hacia dónde se dirige tu cuerpo?, ¿a qué crees que se debe? ¿Y cuando frena? » ¿Sueles ponerte el cinturón de seguridad? Explica a tus compañeros las razones por las que crees que es importante el uso del cinturón. La ONU proclamó el periodo 2011-2020, como el “Decenio de Acción para la Seguridad Vial”, en un esfuerzo por reducir las cifras de víctimas de accidentes. México se ha sumado a esta iniciativa firmando un acuerdo para la Estrategia Nacional de Seguridad Vial 2011-2020. Puedes informarte en: http://dof.gob. mx/nota_detalle.php?codigo=5193284&fecha=06/06/2011

74

Cuando se circula en coche estamos sometidos a un gran número de fuerzas; describir y conocer estas fuerzas, nos permitirá predecir sus efectos y tomar las medidas adecuadas para circular con seguridad. Al finalizar este bloque conocerás las fuerzas que nos rodean y cómo influyen en el movimiento de los objetos.

Propuestas de proyectos • ¿Cómo se relaciona el movimiento y la fuerza con la importancia del uso del cinturón de seguridad para quienes viajan en algunos transportes? • ¿Cómo intervienen las fuerzas en la construcción de un puente colgante? 75

Proyectos propuestos para este bloque Se presenta la propuesta de proyecto de integración y aplicación, que se ha desarrollado para ti.

Organización de las lecciones Título del tema

Integramos

Título de la lección

B LO

1

La d escri pció nd

e las Fuerz fuerz a res as e ultan apre n el te, m ndiz ento fuer étod za re aje espe rno os g rado sulta nte ráfico . Ap que lica actú s de lo a so s métod sum bre un ob os gráfi a vect Co m cos jeto orial del po , y de e nza

Aprendizajes esperados

Aprendemos Continuación de la lección. Aquí encontrarás nuevos contenidos y actividades para el logro de tus aprendizajes.

QUE

Lecc

Inicio de lección, en la que recuperarás los conocimientos previos que tienes sobre los contenidos que estudiarás.

ión 2

Comenzamos

58

mo

Cierre de la lección. Podrás integrar lo aprendido mediante el planteamiento de textos y actividades.

scrib lígon e el mov o y pa

rale s En el imie logr nto ed prod amo pa del cu ificio d ucid ra la o o en ob situac tenció de la arto piso. nde vive n ione cara s co de la con super Como u Esteban tidia n unas es a nas. cuer ior y han de las ca tán lle va Figu d co as ja n lgad s d ra y met 1. R esqu 1.88 Re o do está mu o a cab s er es emát la pr o s p y pes ber má pole on una al dep dos Con ica de esenta ad as po Para sa m ción base de en tu arta las susp leas co men en una p a le han udanza en el tu cu n la endi fijad a un to a ared esque cuadern caja ader da. etro o tr dep ex amóm o. no u avés m Un din trumento de u terior p na argolla artam » ¿P en el qu a de la fi ins en ar un na ve dir e ind g es or q fi co rmite me ntan a subirla en el ce to iques ura 1.8 ci en tí que pe gura y un ué cree 8, q ntr a. desd la ie nt o s (fi e la ca o » Su a sola cu s que dec s fuerza ue repre fuerza nsta de un de 5 N pe ns am Co s qu sent pón lle erd idiero erno. fuerza o, de 1.97). ol la tu calibrad n utili e actúan a la situ tu cuad rce una to del se en ahora qu a? resorte que cada Ella eje esta en ació De sa rr zar d sobre cuen rozamien e n an l carrito. n y cont forma os p rza de neta tra en la caja ya de tal resorte ció la fue l ca te ua la de ca olea n rior, que la sit palan ja m vencer syd extensió nde a una actú reposo, la han su 1. Lee e jala la os cu ientras haz un d tal para po a sob ante niña qu corres da. La horizon ibujo la es erdas s de bido hast re la ha. so de la conoci con la Apr tá ca º rec rza rza en q al en 45 n de a ca fue ue sa la sub la altu ja en lugar end entre fue la Regre gulo de r el carrito a o. ra de tamaño ese es metan relación miento de un iendo. emo o un án ve el carrit ira la ve Mide su al d tado a pol formand 2 N, y mo s n sobre y el est sión del lígono. En el de re epartam ntana y ea e es de e actúa pre por o del po jueg o com poso? qu su ento rzas qu piso, qu descrita más o el métod . Mide dos fue . ¿Cuá e de m nte orte es oke. mo las res dia s de u de la so gra da me Ho nto va omen ralelo ga vi na fu fuer separa ultante to la ley de le la o del pa za st er » Dibuja tra la fuerza res fuerza el métod . una s. Simplifi za a la e que so diante vez. fuer Encuen b os . me ca re » ad ión te ult n za m u El re linac resultan ara ambos res sultad n mism ayor do lo qu y su inc En el fuerza o ob e su qu dan Figu entra la linación. Comp je cede, o final ra 1. en u ejemplo e el equ » Encu del ju to (en es 89 carr se p na ip d y su inc una ito de Niña uede e ego simp sola dim el juego o de la tamaño jugu jaland dep caso la afi izqu fuerza le re de la o un ensi ete. en cu ir una ierda rmar q sta, ón so H ue si de de la erda) pu produc al tira bargo, la fig ay situac ya que espacia ga, las n para ed el com Sin em fuer u l. amb te zas so r de la so equipo combine efecto neto. binac e actuar muev ra 1.89 iones en as es Por eso s, debis rzas se d un ió b g pu es p tá q a so as fuerza gr am os e las fue se reúnan en osib re esta y a, el de e la derec n de la otr Des te bre u ede ob ue la co n en la qu para de In ral le im s ma tu la serv m m rzas a r ro logra n erá na agin el movim derech ha ejerce de la su las fue rec con la cto r ven piso rug arse qu binación isma dir de pa s ll a t sta du te ar ag cto e ie pro ec el ef no ba oso, e cu cer la u pe ivament cir, que los efe de la ecto nto de la anará. ultante, dades, ando de las fu ción, p lo uit go res fu pie Int h jue rza erza pro ac de ero so erza m nsa te, es de esa fue en en el s porque de ro e con ci una niñ s no tificar las n de las fuer isma se m ie ervien resultan r determinar a es y cuan zam er n to que int s de las fuerza fuerzas de res. iento to áng jala la pal tan dir sentido zas com e medir fuerzas r vecto de c ie n para po o ecta ulo hay qu anca que ral, las zar las . Por contrar r a suma e en ciencia magnitu el pis respec de u t íf ic en gene su carácter ra anali io ejem aprende ta de las to n ca bargo, o ejer dos. Pa ides qu o plo . ple res rrit Sin em s senti nsiderar mueva No olv ce so a la tray r una sim do contrario. s hay que co nuestro se ecto o para q , en ce bre el de ha 1. C ión nti ra que ite rla on b carrit ria del ju ue se ro en se y para suma percepc uación perm rrito pa ca pe l n, as de o. guet ció s, sit e ca y co e, soga, la la misma direc es direccione jala la palan amos, ntest en lo ex pues en Comenz s erent a que » Si a en tu actúan to an sección rza ar en dif so de la niñ la Figu tu fue de cu en ac las terio ra ader el ju 1.90, a de pueden como en el ca en la 1.90 En rmen no. ego figura dere erdas cada un l, mism el de te, le ch lo de la d que dos cu o. a dire juego de vectoria e las el ejemp yor magnitu dos poleas y o de la a y otra de la soga o rugos ell en pis cció n e la un co un si ast so ma n, co tuac a fuer que 3 N ha etro. » ¿Q acción plear sobre n se ga las fu amóm comprob ultante es de iones cio, es de em e ifi za d ué ci mo qu ón ntid ed e er l d 1.97 Din a Co d raz d p de za o op gnitu Figura n, la rza res o piso igua asaría si ichas fu la izquierd e 10 N ac uest s actúan r en ma e la fue er ron orige bir al cuart o. erza tú a, las m » ¿S les? es meno hay que venc en el qu s que le die be su agnitu s? (figu ¿cuál es a hacia la e te cuerda e ale e se de el resu ra rza qu des en cada individu de la caja qu la niñ ocurre có ltado de am 1.90) caja, fue aplicar so la re e ca a sob mo p uie br el so bas req en mient od re fuerza e actúa que se o que el carrito rías com edad qu s fuer la fuerza par ejerce de de grav an la fuerza r subir la caja. el pis juguete ar la fuer za , con o en de el ca para po la fu que ejer rrito erza ce ? de ro zao o objet fi co un mism en reci en tí erdas a gan ie nt o r tres cu e lo manten sin sidad, para ata s qu pe ns am la inten fuerza añeros ol la tu gulos y rr s comp inaciones de án do sa n los De o uipo co mbinalas comb (variand a un eq ntes co buscar cuerdas 1. Form riormente, hay difere o. en de las ta que y, poste do los tres tir sos? No de repos esta. an esos ca ). Cont o efecto poso cu ecisión ante en el mism con pr rza result e producen qu medirlos nto vale la fue los s y ángu » ¿Cuá de fuerza ciones

61

5

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 5

1/29/13 10:25 AM


ibran equil las tes y ultan todas rzas res iones y de ar fue contr des, acelerac de s y en inada ida r fuerza tos, veloc n comb es nula, ma ció su ac te amien para que la la resultan splaz un vector. dido s claro de de do apren su como resulta má ello, cuan suma e has pero ortan lo qu e a la s Por itud, ars mp rza ta. lic gn Todo co ma fue ma las e se e la su ede ap te o ne al en icas qu el caso de ra qu ultan tes pu al es igu mane des fís rza res en vitacion rero, de tal cantida embargo, una fue ibrio. tidos n gra flo nte a uil Sin de sen tan lisis uivale atracció sa sobre el en eq El aná rzas n, pero pu sa, la ecen 1.104 s es eq me fue direcció s que se dis Figura ilibrio de y fuerza os perman bre una me ejerce la un d itu lce e para equ so erp magn rzas. de du s, del damental eña una los cu un florero la fuerza qu igual e dis a la bolsa ibrio de fue dos fuerza es fun En rzas de ero qu e lo de uil uesto se mueve. ro. . ingeni es op túan fue en el ejemp epto de eq únicament ante sea ce no ac ucción do o e str nti rer n qu o nc se ult con y el flo nes en la soga y claro el co los involucra ando su res es cero las situacio juego de cu mu y mp n el bié En s eje mpre mo en , es tam n estos do sentes sie stos, co una fiesta e si bie fuerzas pre opue ar qu os en as tí fi co o dos niñ y que resalt io con much diseñ o ci en Ha En el ibr rzas iería. m ie nt r equil ingen de fue ). no ci e habe en la ibrio 04 pued al co equil n aplica a 1.1 ió se Para n la zan el pie (figur sabe xi m ac so de a lecció iles anali r más nga en ad y el pe en est civ sAp ro te os nte dis ier ma ed e la so La fu ingen e apren ión se rza de grav la base qu er en erz Lo qu cturas, los construcc Pa actúa a de grav rce fue mpon a sobre tru una rep ra describi ed es la que eje ede desco parte toda ad de es ibrar que un r ición s d se pu Las reg resentac el equilibr lograr n que equil de opos Un co e un objes las ión para io de ctura ncep rza to. las bá ayud to fuerza e tiene ntra la fue la estru sicas gráfica. A mm qu a a a en que Lo s tod co Hace que ac para este las fu tende d. rmd ela n que tip erz ctura, túan les. mm tivida interv as que r estru asume y vertica sobr Dado ibujosmgran borar este o de rep esta ac mqu es de . Ellos tipo de resentac e objetos que l ienen para mm a cabo tiene horizontal 20) os Aunq emsemtratamd smymclaros. ión se en rep llevar diagr forma objetos (unos ue emv para rzas os amas le de ilares haymq menmlosmdiag ectores,mus se ma s comple rantes son las llama dia o es útil em fue ue nes sim jas ramasm armflech mm s integ gram siguie plear ensio repos ntengan en Lasmflec mtenermcuid demfu de tre asmpa a de ntes. o, de dim erzasm adome ramind hasmd fuerza equipo de gr es el cen nomse nmman ? ernos eb ica un un aved s. ad os a tro en rmla amc mus cu mtocarme tenerm am aja ad. Es mdi un pu o ). amuna Form mm da te un mescalamp recciónmymel 1.105 lmobje Amcad mesquemáti necesitbaraja, libros el qu nto teórico es ué que ca tomoms amproporc gura amflec 1.105 mse ca (fi e se a la rec ¿Q a ,mym en nti iste l: ion isa ha un las do Figura Pued fuerza plicar minó so, en e parec msemlemdebe mflechasmde ma.mSempu alidadmen mparamindica mdemlasmfuMateria dominó o situa de do año y pe result de gravedía la mlasmfu erzas.as de edemrep metiqu cio benmp ir el rmlamm erte m fichas ? tam an erz etar,my agnit TFich ejem nes en la fuerza te de las ad uy rar smo ipes o constru 06). cemos ud,msí msimsem artirmdelmmi resentarmalm as. plo na o m ué ha io usando na ernos del mi (figura 1.1 es capaz de smomp que a s de grav objet fuerza , en los m turaleza en que un ob sabemsumv edad ctúan omcon ál unto. ad ior llo: ¿Q ific car alormh s, una ovim jeto se parte que la munmpu sarro yan un ed libros o cu o del anter mostrar cu aymqu a expli ien s que sobre las ve e De rep nto fo to nt z eme de el ob rm comp qu de s ro res mom Co ra scribi nstru lazad al fre jet rlo. sobre nsidera ah e esta situa tacionale a del objet ente con 1. Co n una torre nte desp equipos pa en es o. Con b onen pasará le. un te o es rel la ase s, pero ción ora un ga me uipo tre se co concep se llama lámpara y estab da eq 2. Ha esté ligera ncurso en evan punto. Cie to, ns a travé a lámpara ha lograd a veces, s alta ten de ca te pa objet idera a lo co uno a. co ra su rtamente, tante lámpa sión. Ad rre má s de ca o no suspen os en un descrip más alt represen truir la to so punto como si s em hay es im mo en el ra, lo ganic torre naipe ca porta ns un que ha ás, hay ot da una de dida por de fu 3. Or mante s, y para fueran io de io o la concurso, ía” para co nte la so del eq ción, por do erza. qu edific edific Empie bitualmen ra fuerza, las cuerdas s cuerd el basta ngan en re e se enier ? as. El forma de uilibrio de la atr en su con a alizar za sin . s ing te Ah os po Es fin po lla so te rza or de los im ac en el te plicar mam a, sig r ia tip ernos 1.106 ángu los 4. Al de fue os pe ción gravita o de fu cho ejerce objetos. ue los hacer un conclu trateg los Figura o cuad de ig una fue er so. Us dib su “es pa ua ¿Qué el equilibrio rza libros una es ) y el sent a este cional qu za, como una fuerza y dire l magnit dos: ido de sos antes ujo de la de los qué cala pa on ud cci e eje ejem situa descrit iento tan a el pe todas resultaconsiguier sentid ón, pero rce la ya se dijo, ra cu am plo ció de el dis so laz s , os n las o c dib de pa Tierra se . Repr (figu on on y us fuerza ujo, so de la el desp ra 1.1 ra ilustrar sobre Análisi quen cómo . fuerza trario, a la e hicier s. Como a flechas lo po Con ell esenta es darse qu 65 de to los 02 e la pli nó re es nle ). ed Ex pa mi dia su quem da ion no co 1.103 s nom o, ela 1. gram de do de gr s las fuerzltante trucc áti nde pu bo noce ra indicar ). bres as av fichas s la ma s cons sta dó . la dir a las constru Nota que ra el diagr camente do ha cond edad.Un as n ecció flech la lám gnitu am ició es torre n caDe alice ído las as: T n neces n adiciona d de para men cciones arq te tipo de a de fue 2. An se caiga la sa rrol estas (sabes los med 1 y T pa haya cio rza uit que u aria para al la tu que que se pirám nar que la ectónicas análisis es s, el cual te iante un 2 ra las ten , no emple n o mante bjeto se so de pe ns punt 1. Le sione ides, la ba ayud es de la cons ca En o. ng e se se s ará a am ie se sig trucc huma la situa y w pa a en r 3. es qu visua bió. ión uen em facilitó co nidad de todas ep nt o ci ción y e e ra lizar la se de grave l centro d oso . Es las n el us de gran conte plean en tí fi dad q situació des ob importa sta en o de do en su in Una caj uede e co nte las tu cuad n (figu ra ter la vid a de la ior. En el en ra a cotid máquinas s, como las erno. le aplica se encuentra bó simple iana. la dist veda m caso 50 sobre 50 o ay s, que aume una fuerza una me centro ribución de a, de 10 nta po sa rug 0 N ha co a po de lo de graved l osa, co T1 cia Figura s ladri co la mo se ad 40 la fuerza izq se co llos q Cuerda muest 40 o Para de fue 1.102 Dia loc y al lleg uierda. Con 1 ra en la grama saber el otr an uno s ue rzas mesa est ar lám de o es la a ásp a figura obre más fuerza 150 N una T2 para era caj Cuerda perm , la caj 1.86, la caja a 2 dos cue sujetada ite el que y se a no se empie La raíz y la fo equil por rdas. fuerza forma eq mueve gr za a mo Figura io aci aplica ción deibrio bóve rm es la q iega kine . Se verse. 1.1 da de la da ov ón ma ue » ¿Po de fue 03 Diagra oide. la al cine le da nom r qu Figura ma rzas D es ar matóg bre » ¿Qué é en este en el 1.86 Esq signifi rafo, q se qu caso no ro ll a muest ca “ sig ue uem peso aprecia qu e imá nifica ra a movim genes se » ¿Haci 1. Le W de tu pe e fuerza la aplicació que iento”. en las ten la lámpa el e la sit a dónd que la caja mueve la caj sobre n de una ns am ra un sio em a e y uació au cuerpo se mo nes cuerda ie nt n y ha . verá la piece a mover nque se le s son de las o ci en z lo qu fuerza caj em se Unmbu a pu res má In te gr s. je? pecto e se pid s fácilm tí fi co rromja a las fue ente? am os lamun carre e. amcarr rzas inv tamyme eta lmburrom olucra El est das? forma mconmunamfu ud munmán erzamd cinem io del movim » Tra gulom áti zamun dem30 em400mNmha Cuando ca. Esta pa iento que mdiag °mcon ciamla suelo no ramamd lab mlamca se inc mderec rreta, las cau orpora ra proviene considera eml » Me mcompen ha.mLamc mperom las ca samamlam asmfuerzas sas de el conc ncion del gri uerdame nomlo usas po l fue amh mquema » Ex gramm Proba movimiento, epto de fue ego kinem ntremlam r plicamcó aciamdónd rzamdemgr ctúan las ov que se a bleme rza en erla. avedad los ob la discip msobr ema momes nte, una de y significa produ jet emlamc . mlamfuerz puntamlamf lina se ‘trata scripc ce se arreta una pe os que intera las fuerzas uerza llama do de amresult ión, .mNomo que te mdemro lota de l movim llama ccion ante. lvide son má dinámica. es decir, cu zamien an se ien smque ando Sin em béisbol co to. melm se consi to’. n un ba tocan. En los s familiares bargo magn deran son las te eje , mu deporte éti de co s, cuan tempra ca y la electr chas fuerza rces una ntacto fuerza do pa na ed ostática s de la , en cu de tea ad es camina na yo cas co s un ba . La tur ntacto precis r es, de o lón o . o apren más conocid aleza no algun golpe so de n a a mane as de co de est r ntacto as fue ra, venc a moverse rza , como bajo la erla. De sa acción s es la de la fue rrol la gra rza de dic tu pe ha fue vedad. De Para qu sde rza, y ns am apren e ie nt o der a depend entiendas ci en tí me e de la comp fi co direcc jor el carác añero ter ve ión y el s cada ctoria sentid uno, pa l de un o en 1. Co ra jug nsiga ar a tira que se aplica a fuerza y ve r de la as cómo , raya qu n una cuerd soga (fig organiza do a gruesa e divida s equip su efecto ura 1.8 derec y átenle Figura el áre os, de 7). ha y el 1.87 El varios un list otro ha a corresp soga de su juego ón es on lado. cia la “juego prácticam de la 2. An izquie diente a ca en el centr ent de fue tes de o. En rda. Ga da eq rzas”. e un el piso uipo. nará el que int empezar a dib Un eq equip jugar, en uipo jal ujen una o que hagan cuando ten repres ará log en en re hacia cada tar las su cuad que el 3. Lu equip la fuerza ego de listón erno un o jala s qu qu ha ed diagra para e actúa ber jug pregu e ma ntas. n a tra ado, an su lado. Otra m vés de de cuerpo oten » Si los libre en la soga en su llamar aanera de equip cuadern el sobre os son fricció la fuerza suced el listón o las de equiv n e respu rozam s fuerza alente » ¿Qué e? de estas ien s en nú superfi to. Cada a las mero » Si los conviene ha siguie y tam fricció cie tiene un cer pa equip ntes año de n c ra ga os son Si quie aracteríst a los co muy de nar el jue ica. mpeti go? detalle res conocer sbalan do res má ceado , ¿qué consul s al respecto s s, ¿qué ta http ocurre? recurs :// ostic.e

am In te gr

Actividades

os

También encontrarás actividades experimentales o de campo, que te aproximarán al conocimiento científico.

En las lecciones encontrarás actividades que te ayudarán a desarrollar tu pensamiento científico.

o

o

64

es/bu ducac ena apls/M spractica ion. s20 php/F ediaWiki/ind / uerza_ ex. rozam de_ iento

57

Al final de cada bloque encontrarás... Cada bloque propone un proyecto en el que podrás aplicar lo que estudiaste y en el que tendrás la oportunidad de reflexionar e interactuar con tus compañeros.

Evaluación (TIPO PISA)

BLOQUE 1

Comprueba tus competencias Al principio del bloque se te invitó a conocer las características de los movimientos que ocurren a tu alrededor. Comprueba que lo has conseguido.

¿Son inevitables las catástrofes? El tsunami de la isla de Sumatra (Indonesia), ocurrido el 26 de diciembre de 2004, provocó una de las mayores catástrofes naturales de la historia de la humanidad. Los organismos oficiales hablan de 230 000 muertos (si bien otras fuentes elevan esta cifra hasta 280 000) y más de dos millones de desplazados. Las circunstancias que concurrieron en este suceso ayudaron a mostrar algo que los expertos venían señalando: fenómenos naturales como erupciones volcánicas, terremotos o tsunamis son inevitables, sin embargo, puede evitarse que se conviertan en catástrofes con cientos de miles de víctimas mortales. Así, con los conocimientos actuales, no pudo predecirse que el 26 de diciembre ocurriría en la costa de Sumatra el terremoto de 9 grados en la escala Richter que generaría ese terrible tsunami. Pero se sabía que en esa zona se habían producido sismos de esa magnitud, y los científicos no tenían ninguna duda acerca de que volverían a suceder (y se repetirán en el futuro). También se sabía que esos terremotos podían generar tsunamis. Siendo así, resulta obligado preguntarse: ¿Entonces, por qué no se adoptaron las medidas de prevención necesarias? Con todo, lo que más cuesta entender es que, dos horas y media después de arrasar la costa de Sumatra, el tsunami llegara a Sri Lanka y encontrara a la población tan desprevenida como

Proy ecto QUE

1

4

B LO

FASE

4:

Fa s e

COM Es el UN m plane omento de ICACIÓ ación N com opta rán po y, conside unicar los rando re r segu ida de el mismo ci ón lo qu sultados e ca del pr cienc ot ia y te ras activ mino o si pensaron oyec to. Pa ida re ha cnolo ra gía, un des (com rán una pr specto a En la cómo ello, regr pr equip o una esen perió esen ha ta o dirij esentació ob dico mural, ra de te ción gene cer el proy al cuad adec n ge a un ne ua as ro ral (a una vid atro, un maner ecto, decid de quién do, que pr palabras ral de un pr eoco de bi proy a de lo ha esen nferen ograma ec expo an si en rá? ¿Q te de rad Obse ué dir las difer venida a to es reco cia, entre io, un sición) rven en la ot a feria tes ac audien menda el cu á? ble qu ras). tivid de adro cia y, ades e m1.4 qu en un int o etap ca Palab e hiz egra Cuad as de so de qu Activ ras int o un nte de e l ro id eq pr lo proy ro ad l uipo ducto oyec 1.4 Gu ecto to. ¿Y consideren de es rias a ion pa a decid tudia la pres Presen ra pr ntes. tación entac ieron esen Riesg ión so co mu

ni ca

del tar el os y pro bre el cen Resp apr proy tecció onsa Presen Manu ecto n civil ed, el Atlas ble tac el de la Nacio y ubica ión de ma locali nal de ción de pas dad la comu del Atlas Presen Loren Nacio tación a nidad Dura De 1 nal de de ale en en dic a 2 mi ción Rie rta tem la que se hos ma sgos nuto explica prana s pas Presen Ferm para qu ín tación é 2 sismo es un minu de un Presen s. sistem tos sismó tación a metro de rie Todo de me sgos s didas 5 minu ante de pre Agrad sismo to s vención ecimien s y red Lucía tos y Repa ucció cierre y Juan rtició 5 minu n n de co preve Loren tos pias de nción a para las fam l manual de 10 mi ilias de me nuto Manu los co didas de s el 10 mi mpañ nuto eros Todo s s

P ro pu

70

es ta

1 minu to 5 minu tos

s de

ac ti 1. Pr vi da es de s 2. Co enten los pa ra n ba resu la fa así co se en los ltados de se 4 resulta su pr mo las oyec desa do cosa to en rrollo s que s, expliq mm el med uen apre Si parti del proy lo io de nd s pr ec ieron cip observa aron en to. . Desta oblemas divulgac un pr ión qu o cio qu dific nes oyecto en lo cómo e eligie s bene ultades cientí hicier y avance ro que s. Si el on un fico, de ficios mien tuvie n. to. pr dis que staqu les ap ron, este be En un proy positivo y oyecto fue en los or tó los dato tec ecto nefició el a la co ciudada resultados nológico pu s que ob tuvie no, se qu munid ed e en ron, su ob ría mu , ad. s y buen tuvieron al por ejemp lo, ex o que pone plica rlo explica ran la en funciona r mane ra en que

en Sumatra. A las islas Maldivas llegó cuatro horas más tarde, y siete horas después de haberse originado alcanzó Somalia, ya en la costa africana. Pues bien, para deshonra de la humanidad, el tsunami causó 40 000 muertos en Sri Lanka, 91 en Maldivas y 298 en Somalia.

Si ya se sabía que se había producido el tsunami, se conocía la velocidad a la que viajaba y se podía calcular el momento en que llegaría a estas costas situadas a miles de kilómetros de Sumatra, ¿cómo se permitió que ocurriera?

Pregunta 1. Si la distancia que hay del epicentro del terremoto a la costa de Somalia es de 4 500 km aproximadamente, ¿a qué velocidad viajó la ola? Pregunta 2. La gran ola de un tsunami al romper contra la costa, aumenta su altura pudiendo alcanzar más de quince metros. Considerando la ola como un frente de ondas, ¿a qué se hace referencia al hablar de altura: a la amplitud o a la longitud de onda? Razona la respuesta. Pregunta 3. A la derecha puedes ver un sistema de detección de tsunamis. ¿Consideras que esta medida es suficiente para evitar catástrofes similares? Propón, junto con tus compañeros, dos acciones más para hacer frente a una catástrofe natural. Pregunta 4. ¿En qué lugar de la costa mexicana situarías un dispositivo de detección de tsunamis? Justifica tu respuesta.

Cápsulas Para acompañar tu aprendizaje, el libro contiene diferentes cápsulas que amplían la información del tema que estás estudiando: “Glosario”, “Para saber más”, “Una pista para reflexionar”, “Una pista para medir” y “Conect@mos” .

Evaluación Comprueba tus competencias Los bloques cierran con una doble página en la que, mediante reactivos tipo PISA, pondrás a prueba tus competencias científicas.

72

6

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 6

1/29/13 10:25 AM


Índice Ciencia paso a paso. Los proyectos en Ciencias II

Bloque I. La descripción del movimiento y la fuerza

El movimiento de los objetos

El trabajo de Galileo

La descripción de las fuerzas en el entorno

9 12

Lección 1. Marco de referencia y trayectoria; diferencia entre desplazamiento y distancia recorrida. Velocidad: desplazamiento, dirección y tiempo

14

Lección 2. Interpretación y representación de gráficas posición-tiempo

20

Lección 3. Movimiento ondulatorio

24

Lección 4. Modelo de ondas y explicación de las características del sonido

32

Lección 1. Explicaciones de Aristóteles y Galileo acerca de la caída libre

37

Lección 2. Aportación de Galileo a la construcción del conocimiento científico

41

Lección 3. La aceleración; diferencia con la velocidad

45

Lección 4. Interpretación y representación de gráficas: velocidad-tiempo y aceleración-tiempo

50

Lección 1. La fuerza; resultado de las interacciones por contacto (mecánicas) y a distancia (magnéticas y electrostáticas), y representación con vectores

54

Lección 2. Fuerza resultante, métodos gráficos de suma vectorial

58

Lección 3. Equilibrio de fuerzas; uso de diagramas

62

Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar

66

Evaluación

72

Bloque II. Las leyes del movimiento La explicación del movimiento en el entorno

Efectos de las fuerzas en la Tierra y en el Universo La energía y el movimiento

74

Lección 1. Primera ley de Newton: el estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. La inercia y su relación con la masa

76

Lección 2. Segunda ley de Newton: relación fuerza, masa y aceleración. El newton como unidad de fuerza

80

Lección 3. Tercera ley de Newton: la acción y la reacción; magnitud y sentido de las fuerzas

84

Lección 1. Gravitación. Representación gráfica de la atracción gravitacional. Relación con caída libre y peso

88

Lección 2. Aportación de Newton a la ciencia: explicación del movimiento en la Tierra y en el Universo

92

Lección 1. Energía mecánica: cinética y potencial

96

Lección 2. Transformaciones de la energía cinética y potencial

100

Lección 3. Principio de la conservación de la energía

104

Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar

108

Evaluación

114

Bloque III. Un modelo para describir la estructura de la materia Los modelos en la ciencia

116

Lección 1. Características e importancia de los modelos en la ciencia

118

Lección 2. Ideas en la historia acerca de la naturaleza continua y discontinua de la materia: Demócrito, Aristóteles y Newton; aportaciones de Clausius, Maxwell y Boltzmann

122

Lección 3. Aspectos básicos del modelo cinético de partículas: partículas microscópicas indivisibles, con masa, movimiento, interacciones y vacío entre ellas

126

7

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 7

1/29/13 10:25 AM


La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas

Energía calorífica y sus transformaciones

Lección 1. Las propiedades de la materia: masa, volumen, densidad y estados de agregación

129

Lección 2. Presión: relación fuerza y área; presión en fluidos. Principio de Pascal (I)

134

Lección 3. Presión: relación fuerza y área; presión en fluidos. Principio de Pascal (II)

138

Lección 4. Temperatura y sus escalas de medición

142

Lección 5. Calor, transferencia de calor y procesos térmicos: dilatación y formas de propagación. Cambios de estado; interpretación de gráfica de presión-temperatura

146

Lección 1. Transformación de la energía calorífica. Equilibrio térmico. Transferencia del calor: del cuerpo de mayor al de menor temperatura.

150

Lección 2. Principio de la conservación de la energía

154

Lección 3. Implicaciones de la obtención y aprovechamiento de la energía en las actividades humanas

158

Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar

162

Evaluación

168

Bloque IV. Manifestaciones de la estructura interna de la materia Explicación de los fenómenos eléctricos: el modelo atómico

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia

La energía y su aprovechamiento

170

Lección 1. Proceso histórico del desarrollo del modelo atómico: aportaciones de Thomson, Rutherford y Bohr; alcances y limitaciones de los modelos

172

Lección 2. Características básicas del modelo atómico: núcleo con protones y neutrones, y electrones en órbitas. Carga eléctrica del electrón

177

Lección 3. Efectos de atracción y repulsión electrostáticas

181

Lección 4. Corriente y resistencia eléctrica. Materiales aislantes y conductores

187

Lección 1. Descubrimiento de la inducción electromagnética: experimentos de Oersted y de Faraday

192

Lección 2. El electroimán y aplicaciones del electromagnetismo

197

Lección 3. Composición y descomposición de la luz blanca

202

Lección 4. Características del espectro electromagnético y espectro visible: velocidad, frecuencia, longitud de onda y su relación con la energía

204

Lección 5. La luz como onda y partícula

208

Lección 1. Manifestaciones de energía: electricidad y radiación electromagnética

210

Lección 2. Obtención y aprovechamiento de la energía. Beneficios y riesgos en la naturaleza y en la sociedad

212

Lección 3. Importancia del aprovechamiento de la energía orientado al consumo sustentable

217

Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar

221

Evaluación

226

Bloque V. Conocimiento, sociedad y tecnología

El Universo

228

Lección 1. Teoría de “La gran explosión”; evidencias que la sustentan, alcances y limitaciones

230

Lección 2. Características de los cuerpos cósmicos: dimensiones, tipos; radiación electromagnética que emiten, evolución de las estrellas; componentes de las galaxias, entre otras. La Vía Láctea y el Sol

236

Lección 3. Astronomía y sus procedimientos de investigación: observación, sistematización de datos, uso de evidencia

241

Lección 4. Interacción de la tecnología y la ciencia en el conocimiento del Universo

246

Proyectos: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar

250

Evaluación

266

Anexo

268

Bibliografía

270

8

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 8

1/29/13 10:26 AM


Ciencia paso a paso

Los proyectos en la asignatura Ciencias

Durante tu educación primaria participaste en diversas labores escolares. Tal vez te gustaron los experimentos, las encuestas o los trabajos que tus profesores te propusieron cuando estudiabas Ciencias Naturales. En esta asignatura tendrás la oportunidad de involucrarte en un proyecto y participar en múltiples tareas escolares, tal y como lo hiciste el año pasado con Ciencias I. En este proyecto aplicarás tus conocimientos para responder una o varias preguntas; para ello, será necesario que dediques tiempo de clase a trabajar de manera individual o en equipo.

¿Qué es un proyecto? Un proyecto es una serie de actividades planificadas y organizadas cuyo propósito es responder una pregunta o resolver una situación problemática relacionada con lo que estudiaste en cada bloque, la cual sea interesante para ti y tus compañeros. Esto significa que el proyecto se construirá conforme avanza el bloque y favorecerá la integración de los conocimientos, habilidades, actitudes y valores. El siguiente esquema brinda un panorama general de la importancia del trabajo por proyectos. promueve el trabajo en equipo

ayuda a la adquisición de competencias

moviliza conocimientos, habilidades, actitudes y valores

El trabajo por proyectos contribuye al mejoramiento personal y social

promueve la reflexión

fomenta la toma de decisiones responsables

Los tipos de proyectos En la asignatura Ciencias se promueven tres tipos de proyectos, los cuales se pueden desarrollar de manera independiente o combinando dos tipos o los tres.

Científicos

Tecnológicos

Ciudadanos

Investigaciones semejantes a las de los científicos para describir, explicar y predecir los fenómenos naturales; la observación, comparación y experimentación son muy importantes en este tipo de proyectos.

Investigaciones semejantes a las que hacen los tecnólogos para desarrollar o evaluar un bien con el fin de diseñar, construir o evaluar un producto. La investigación, el diseño y la elaboración de un proceso o producto caracterizan a estos proyectos.

Investigar, elaborar propuestas y poner en marcha algunas estrategias para solucionar problemas sociales; como ciudadanos activos y críticos preocupados por el mejoramiento de su vida en sociedad.

¿Cómo se trabaja en un proyecto? Un proyecto está dividido en etapas generales, las cuales describiremos a continuación para que te sea más sencillo organizarlo, según tus intereses y recursos. La orientación de tu profesor será valiosa en todas las fases para que desarrolles tu proyecto de manera eficiente.

9

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 9

1/29/13 10:26 AM


Fase 1

Inicio. Partirás de una pregunta, inquietud o reto planteado de manera individual o en equipo. Esto constituirá el problema o el producto del proyecto. Decidir el tema del proyecto es muy importante, pues constituye la base del trabajo. En todos los bloques encontrarás opciones de temas que estarán planteados en forma de pregunta. Sin embargo, tú y el equipo con el que trabajes podrán plantearse otras interrogantes de su interés, de manera que siempre tendrán opciones. Comunicar y discutir las propuestas con tolerancia y respeto les facilitará la selección de la pregunta o situación problemática para el proyecto.

inicio

¿Qué es una bitácora? Es un espacio en tu cuaderno que servirá como diario; ahí registrarás los comentarios, ideas, opiniones, observaciones y datos curiosos que se generen en cada fase del proyecto, así como los resultados de tus investigaciones, entrevistas, encuestas o experimentos.

Fase 2

Planeación. Generalmente, el proyecto requerirá una investigación para resolver el problema o elaborar el producto, por lo que será necesario planificar las actividades —las fuentes que consultarás: libros, revistas, Internet, periódicos, videos; las personas que entrevistarás; etc.—. En esta fase decidirás cuál será la manera óptima para desarrollar el proyecto. Una vez que se determine el problema que trabajarán en el proyecto, es necesario delimitarlo para tener claro qué se quiere hacer y qué resultados se esperan. Recordar qué se sabe del tema, investigar, proponer estrategias, hacer investigaciones y experimentar son algunas de las actividades en las que tu equipo participará. La planeación y organización de las actividades les permitirá terminar el proyecto en el tiempo sugerido en el libro o por tu profesor. Un planificador, como el que presentamos, les ayudará a tener una idea clara del tiempo, los recursos y las personas involucradas en las actividades para solucionar el problema.

planeación

Cuadro 1 Tema del proyecto Fase

Actividades o tareas

Planeación

Definir el tema, los propósitos y las preguntas del proyecto

Desarrollo

Obtener, registrar y analizar la información para resolver el problema

Comunicación

Difundir los resultados, el producto, el proceso o los logros

Evaluación

Autoevaluar y coevaluar las actividades, los productos y los resultados para replantear la metodología y proponer nuevas maneras de afrontar el problema

Recursos

Tiempo

Responsable

10

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 10

1/29/13 10:26 AM


Las actividades que planeen contribuirán a su formación científica básica, ya que estas promueven el desarrollo de habilidades, valores y actitudes. Algunas de estas tareas se describen en el siguiente cuadro.

Actividades º

º º

º

º º º

Habilidades, actitudes y valores que se promueven

Consulta de libros, revistas, enciclopedias, artículos de divulgación, fotografías, periódicos, boletines, Internet Entrevistas, encuestas Uso del diccionario

º

Representación de información mediante esquemas y dibujos Diseño y construcción de maquetas y artefactos

º

Participación en actividades experimentales Elaboración y análisis de cuadros y gráficas

º

º º º

º

º º º º º

º

Visita a museos, zoológicos, parques nacionales, viveros, fábricas, talleres, empresas, hospitales

Cuadro 2

º º º

Búsqueda, selección y comunicación de información Análisis e interpretación de datos Disposición para el trabajo colaborativo Honestidad al manejar y comunicar información respecto a fenómenos y procesos naturales estudiados Uso y construcción de modelos Capacidad para identificar situaciones en las que se aplica el conocimiento científico y tecnológico. Formulación de preguntas e hipótesis Observación, medición y registro Comparación, confirmación y clasificación Manejo de materiales y realización de montajes Establecimiento de relación entre datos, causas, efectos y variables Análisis e interpretación de datos Curiosidad e interés por conocer y explicar el mundo Observación, descripción, identificación y comparación Apertura a nuevas ideas y aplicación del escepticismo informado

Desarrollo. Harás las actividades necesarias para resolver el problema que planteaste, o bien, para elaborar el producto. Es importante que registres en una bitácora tus resultados, que describas qué hiciste, cómo lo lograste, la fecha, los problemas que encontraste, cómo los resolviste, etc. Esta información te servirá cuando analices y concluyas tu proyecto.

desarrollo

Fase 3

En esta fase llevarán a cabo todas las actividades propuestas en la planeación para solucionar su problema. Registrarán todos los resultados en la bitácora de proyectos. El éxito de esta fase depende del cumplimiento de las tareas por parte de todos los integrantes, en el tiempo asignado.

Comunicación y evaluación. En esta fase podrás ver los resultados de tu trabajo, pues tendrás la oportunidad de dar a conocer tu producto (o solución al problema del proyecto), ya sea a tus compañeros de grupo, a la comunidad escolar, a tus familiares y amigos, o bien, a la comunidad donde vives.

comunicación

Fase 4

La publicación de los resultados de una investigación representa uno de los principales objetivos de la ciencia, por lo que esta fase es relevante. El objetivo principal es dar a conocer cómo solucionaron el problema, así como los resultados obtenidos; la forma tradicional de exponer estos datos es mediante un escrito o una exposición oral. Piensen en alternativas creativas: guiones de radio, obras de teatro, exposición de carteles, murales, feria de ciencias, etcétera. Evalúen su trabajo en cada fase. Los enriquecerá mucho escuchar las sugerencias de otras personas: su profesor y compañeros de otros equipos. Recuerden que al final de cada proyecto encontrarán un cuadro que les permitirá evaluarse.

11

S-Fis-CNT-B0-001-011_PDF_alta_alumno 11

1/29/13 10:26 AM


BLOQUE

1

La descripción del movimiento y la fuerza Competencias que se favorecen: • Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Comprensión de los alcances de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención.

Aprendizajes esperados mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

mm

Contenidos

Interpretamlamvelocidadmcomomlamrelaciónmentremdesplazamientomym tiempo,mymlamdiferenciamdemlamrapidez,mampartirmdemdatosmobtenidosmdem situacionesmcotidianas.m Interpretamtablasmdemdatosmymgráficasmdemposición–tiempo,menmlasmquem describemympredicemdiferentesmmovimientosmampartirmdemdatosmquem obtienemenmexperimentosmy/omdemsituacionesmdelmentorno. Describemcaracterísticasmdelmmovimientomondulatoriomconmbasemenmelm modelomdemondas:mcresta,mvalle,mnodo,mamplitud,mlongitud,mfrecuenciam ymperiodo,mymdiferenciamelmmovimientomondulatoriomtransversalmdelm longitudinal,menmtérminosmdemlamdirecciónmdempropagación. Describemelmcomportamientomondulatoriomdelmsonido:mtono,mtimbre,m intensidadmymrapidez,mampartirmdelmmodelomdemondas.m

El movimiento de los objetos Lección 1.mMarcomdemreferenciamymtrayectoria;mdiferenciam entremdesplazamientomymdistanciamrecorrida.mVelocidad:m desplazamiento,mdirecciónmymtiempo. Lección 2.mInterpretaciónmymrepresentaciónmdemgráficasm posición–tiempo. Lección 3. Movimientomondulatorio. Lección 4.mModelomdemondasmymexplicaciónmdemlasm característicasmdelmsonido.

IdentificamlasmexplicacionesmdemAristótelesmymlasmdemGalileomrespectom almmovimientomdemcaídamlibre,masímcomomelmcontextomymlasmformasmdem procedermquemlasmsustentaron. ArgumentamlamimportanciamdemlamaportaciónmdemGalileomenmlamciencia,m comomunamnuevamformamdemconstruirmymvalidarmelmconocimientomcientíficombasadomenmlamexperimentaciónmymelmanálisismdemlosmresultados. Relacionamlamaceleraciónmconmlamvariaciónmdemlamvelocidadmenmsituacionesmdelmentornomy/omactividadesmexperimentales.m Elaborameminterpretamtablasmdemdatosmymgráficasmdemvelocidad–tiempomym aceleración–tiempomparamdescribirmympredecirmcaracterísticasmdemdiferentesmmovimientos,mampartirmdemdatosmquemobtienemenmexperimentosm y/omsituacionesmdelmentorno.

El trabajo de Galileo Lección 1.mExplicacionesmdemAristótelesmymGalileomacerca demlamcaídamlibre. Lección 2.mAportaciónmdemGalileomenmlamconstrucciónm delconocimientomcientífico. Lección 3.mLamaceleración;mdiferenciamconmlamvelocidad. Lección 4.mInterpretaciónmymrepresentaciónmdemgráficas: velocidad–tiempomymaceleración–tiempo.

Describemlamfuerzamcomomefectomdemlaminteracciónmentremlosmobjetosmymlam representamconmvectores.m Aplicamlosmmétodosmgráficosmdelmpolígonomymparalelogramomparamlamobtenciónmdemlamfuerzamresultantemquemactúamsobremunmobjeto,mymdescribem elmmovimientomproducidomenmsituacionesmcotidianas.m Argumentamlamrelaciónmdelmestadomdemreposomdemunmobjetomconmelm equilibriomdemfuerzasmactuantes,mconmelmusomdemvectores,menmsituacionesm cotidianas.

La descripción de las fuerzas en el entorno Lección 1.mLamfuerza;mresultadomdemlasminteraccionesm pormcontactom(mecánicas)mymamdistanciam(magnéticasmym electrostáticas),mymrepresentaciónmconmvectores.m Lección 2.mFuerzamresultante,mmétodosmgráficosmdem sumamvectorial. Lección 3.mEquilibriomdemfuerzas;musomdemdiagramas.

Trabajamcolaborativamentemconmresponsabilidad,msolidaridadmymrespetom enmlamorganizaciónmymdesarrollomdelmproyecto. Seleccionamymsistematizamlaminformaciónmquemesmrelevantemparamlaminvestigaciónmplanteadamenmsumproyecto. Describemalgunosmfenómenosmymprocesosmnaturalesmrelacionadosmconm elmmovimiento,mlasmondasmomlamfuerza,mampartirmdemgráficas,mexperimentosm ymmodelosmfísicos.m Compartemlosmresultadosmdemsumproyectommediantemdiversosmmediosm (textos,mmodelos,mgráficos,minteractivos,mentremotros).

Proyecto:mImaginar,mdiseñarmymexperimentarmparamexplicarmominnovarm(opciones)

»» ¿Cómomesmelmmovimientomdemlosmterremotosmom tsunamis,mymdemquémmaneramsemaprovechamestam informaciónmparamprevenirmymreducirmriesgosmantem estosmdesastresmnaturales? »» ¿Cómomsempuedemmedirmlamrapidezmdempersonasm ymobjetosmenmalgunosmdeportes,mpormejemplo,m béisbol,matletismomymnatación?

12

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 12

1/14/13 11:06 AM


La llegada de la gran ola Las»dos»fotos»aéreas»son»de»la»misma»zona;»compáralas,»¿qué»crees» que»ha»pasado?»¿Qué»fenómeno»crees»que»se»ha»producido?»¿Sabes» qué»es»un»tsunami?» El»26»de»diciembre»de»2004,»Tilly»Smith,»una»joven»británica» de»11»años,»se»encontraba»en»una»playa»de»Phuket»(Tailandia)» cuando»vio»retirarse»el»mar»cientos»de»metros.»El»extraño»fenómeno» animó»a»que»mucha»gente»se»acercase»para»ver»el»fondo»marino. Sin»embargo,»Tilly,»que»hacía»unos»días»había»estudiado»los» tsunamis»en»su»colegio,»recordó»que»antes»de»la»llegada»de»la»gran» ola»el»mar»suele»retirarse.»Dio»la»voz»de»alarma»y»consiguió»salvar» la»vida»de»sus»padres»y»de»cien»personas»más»que»atendieron»a» su»llamada. »» ¿Quémtipomdemmovimientomtienenmlasmolas?m¿Cuálesmsonmlasm principalesmcaracterísticasmdemunamonda? »» Simvivierasmenmunamzonampropensamamtsunamis,m¿cómom avisaríasmamlamgentemdemtumcomunidadmdemlamllegadamdem unmsupuestomtsunami?m¿Creesmquemtendríasmtiempomsuficiente?mElaboramunmplanmdememergencia. Para»conocer»a»Tilly»y»oír»su»explicación»puedes»entrar»en»esta»web:» http://www.eird.org/videos/index.html,»y»dar»clic»en»la»pestaña» “Lecciones»que»salvan»vidas”.

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 13

Saber interpretar los fenómenos de la naturaleza y la velocidad a la que suceden puede salvar tu vida y la de otras personas. Al finalizar este bloque habrás aprendido a analizar los distintos tipos de movimientos que tienen lugar a tu alrededor y sus características.

Propuestas de proyectos • ¿Cómo es el movimiento de los terremotos o tsunamis, y de qué manera se aprovecha esta información para prevenir y reducir riesgos ante estos desastres naturales? • ¿Cómo se puede medir la rapidez de personas y objetos en algunos deportes, por ejemplo, béisbol, atletismo y natación? 13

1/14/13 11:06 AM


Lección 1

El movimiento de los objetos BLOQUE

1

Marco de referencia y trayectoria; diferencia entre desplazamiento y distancia recorrida. Velocidad: desplazamiento, dirección y tiempo

aprendizaje esperado. Interpreta la velocidad como la relación entre desplazamiento y tiempo, y la

diferencia de la rapidez, a partir de datos obtenidos de situaciones cotidianas.

Comenzamos

Auditorio

C

Ca m

ino

de

Ma

ric

arm

en

Entrada de la escuela

Camino de Jorge

B

En»la»escuela»de»Maricarmen»y»Jorge»se»celebra» una»ceremonia»en»el»auditorio.»Ambos»son»los» encargados»de»conducir»a»los»invitados»desde» la»entrada»de»la»escuela»A»hasta»el»acceso»al» auditorio»C.»Maricarmen»los»guía»cruzando»el» patio»en»línea»recta»(AC),»mientras»que»Jorge» lo»hace»siguiendo»el»camino»sombreado»que» pasa»por»B»y»rodea»el»patio»(figura 1.1).

A

Figura 1.1 Croquis de la escuela de Maricarmen y Jorge con las diferentes trayectorias para llegar al auditorio.

Una pista

1. Responde»en»tu»cuaderno. »» ConsideramlasmrutasmseguidasmpormMaricarmenmymJorge.m¿Cuálmesmlammásmcorta? »» Supónmquemtienesmunmprimomquemvisitamtumciudadmymtempreguntamcómomllegarmamunamdirecciónmdesdemtumcasa.m¿Quémharíasmparamexplicarlemcómomllegarmamsumdestinomsinmtenermquem acompañarlo? 2. Hay»muchas»maneras»de»medir»distancias.»Propón»un»modo»de»hacerlo»que»cualquier» persona»pueda»emplear.

Para medir La medición es un aspecto fundamental de la ciencia. Para medir hay que ponerse de acuerdo en cómo cuantifi car las mediciones. De este acuerdo surgen las unidades y patrones de medida. Existe un sistema internacional de unidades basado en el Sistema Métrico Decimal.

Si quieres saber más acerca del Sistema Internacional de Unidades, visita http://www.sc.ehu.es/ sbweb/fi sica/unidades/ unidades/unidades.htm

Aprendemos En»nuestro»entorno»observamos»que»muchos»objetos»y»seres»se»mueven.»Un»objeto»se»mueve» si»su»posición cambia»al»transcurrir»el»tiempo.»Para»conocer»su»posición»y»cómo»cambia»en»un» intervalo»de»tiempo»determinado»se»debe»elegir»un»lugar»específi»co»y»tomarlo»como»referencia. Se»denomina»desplazamiento»al»cambio de posición»respecto»al»punto»de»referencia.» El»desplazamiento»no»depende»del»camino»que»sigue»un»objeto»al»moverse,»sino»exclusivamente»de»su»posición final»y»de»su»posición inicial;»así,»es»una»medida»del»cambio»de» posición»del»objeto. Por»otra»parte,»en»un»movimiento,»la»distancia»indica»la»longitud»del»camino»recorrido.» Por»ejemplo,»si»vives»a»cuatro»calles»de»la»escuela»y»vas»de»tu»casa»a»esta»y»regresas,»siguiendo»el» mismo»camino,»habrás»recorrido»una»distancia»de»ocho»calles,»pero»tu»desplazamiento»habrá» sido»cero,»porque»la»posición»inicial»(tu»casa)»y»la»posición»fi»nal»(también»tu»casa)»son»las»mismas. Nota»que»en»la»situación»descrita»arriba,»Maricarmen»y»Jorge»recorrieron»distintas» distancias»porque»siguieron»diferentes»rutas,»pero»llegaron»al»mismo»punto,»por»lo»que»su» desplazamiento»total»fue»el»mismo. Para»describir»cuantitativamente»los»cambios»que»ocurren»en»el»movimiento»de»un»objeto»determinado»es»preciso»hacer»mediciones.»Por»ejemplo,»si»para»llegar»de»un»lugar»a»otro» diste»20»pasos,»esa»es»una»medida»en»pasos»que»representa»la»distancia»entre»ambos»lugares.

14

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 14

1/14/13 11:06 AM


Como»se»ha»señalado,»hablar»de»la»posición»de»un»objeto»no»tiene»sentido»a»menos» que»se»haga»respecto»a»un»punto»fijo»denominado»punto de referencia,»el»cual»se»escoge» arbitrariamente.»En»el»caso»de»Maricarmen»y»Jorge,»este»punto»fue»la»puerta»de»la»escuela.» Sin»embargo,»para»describir»la»posición»de»un»objeto»no»basta»indicar»su»distancia»respecto» al»punto»de»referencia.»También»hay»que»decir»si»el»objeto»está»a»la»derecha,»a»la»izquierda,» delante,»detrás,»arriba»o»abajo»de»dicho»punto,»es»decir,»hay»que»especificar»la»dirección»en» la»que»se»ubica»el»objeto.»Así»pues,»si»ya»se»ha»escogido»como»punto»de»referencia»la»entrada» de»la»escuela,»habrá»varios»salones»ubicados»a»la»misma»distancia»respecto»a»la»entrada,»pero» algunos»estarán»a»la»derecha»y»otros»a»la»izquierda. Un»marco de referencia»está»constituido»por»un»punto de referencia,»un»conjunto de direcciones»y»unidades de medida»en»cada»una»de»las»direcciones.»Como»sabes,»vivimos» en»un»mundo»que»tiene»tres»dimensiones»espaciales»(largo,»ancho»y»alto),»debes»considerar» este»hecho»al»elegir»el»conjunto»de»direcciones»del»marco»de»referencia»que»emplearás»en» la»descripción»de»movimientos.»No»obstante,»hay»muchas»situaciones»que»puedes»describir» usando»únicamente»una»o»dos»dimensiones»espaciales.»Por»ejemplo,»si»te»mueves»en»línea» recta»de»la»escuela»a»tu»casa,»el»camino»recorrido»corresponde»a»una»sola»dimensión»espacial.» En»cambio,»cuando»consultas»un»mapa»para»saber»cómo»llegar»a»una»calle,»la»información»se» presenta»en»dos»dimensiones»espaciales. El»marco»de»referencia»siempre»tiene»un»origen,»que»es»el»punto»de»referencia;»para»definir» las»direcciones»se»suelen»usar»ejes»perpendiculares»que»se»cruzan»en»dicho»origen.»Como»en» la»descripción»de»movimientos,»además»de»la»dirección»es»preciso»conocer»el»sentido,»este»se» indica»en»cada»eje»mediante»algún»tipo»de»convención.»Por»ejemplo,»en»el»caso»de»un»objeto» que»se»mueve»en»línea»recta,»el»marco»de»referencia»adecuado»para»describir»su»movimiento» es»un»origen»y»una»línea»recta»horizontal»con»una»unidad»de»medida,»donde»por»convención» se»consideran»positivas»las»posiciones»a»la»derecha»del»origen»y»negativas»las»que»están»a»la» izquierda»de»este»(figura 1.2). Las»direcciones»principales»se»han»establecido»desde»las»primeras»civilizaciones»considerando»los»cuatro»puntos cardinales:»norte,»sur,»este»y»oeste,»debido»a»que»estas»se»dieron» cuenta»de»que»el»Sol»salía»por»un»lado»(este)»y»se»ocultaba»por»el»opuesto»(oeste)»(figura 1.3). Una»trayectoria»es»una»línea»imaginaria»descrita»por»un»cuerpo»que»se»mueve.»Regularmente,»se»emplea»esta»palabra»cuando»se»habla»del»camino»que»sigue»un»proyectil»o»un» vehículo.»En»la»figura 1.4 se»muestran»las»trayectorias»de»un»avión,»de»un»coche»y»de»una»pelota» de»tenis.»Nota»que»en»los»tres»casos»estas»trayectorias»son»vistas»desde»marcos»de»referencia» distintos,»aunque»todos»colocados»sobre»la»superficie»terrestre. Supongamos»que»una»persona»avanza»20»pasos»hacia»la»derecha»en»línea»recta»y»luego» regresa»sobre»la»misma»línea»recta»dando»diez»pasos.»En»este»caso,»la»distancia»total»recorrida» por»dicha»persona»es»de»30»pasos,»pero»su»desplazamiento»total,»es»decir,»el»cambio»de»su» posición,»es»de»solo»diez»pasos»a»la»derecha. La»distancia»y»el»desplazamiento»tienen»una»diferencia»fundamental:»la»distancia»es» una»magnitud»con»unidades,»por»ejemplo:»45»m;»mientras»que»el»desplazamiento»involucra,» además,»una»dirección»y»un»sentido,»por»ejemplo:»45»m»a»la»derecha»a»partir»del»origen.»La» distancia»es»una»cantidad física escalar,»mientras»que»el»desplazamiento»es»una»cantidad vectorial»(consulta»el»Apéndice»en»la»página»268).

a)

b)

c)

d»(m) 0 1 Figura 1.2 Marco de referencia para describir la posición de un objeto que puede moverse en línea recta respecto al origen elegido (marcado con el 0). El punto rojo indica que el objeto se encuentra a 2 m del origen en el sentido escogido como positivo (en este caso a su derecha), ya que la unidad elegida representa 1 m.

Figura 1.3 Mapa antiguo (de 1678) del mar Caribe. Observa la rosa de los vientos, la cual constituye un marco de referencia.

Figura 1.4 Las trayectorias de un avión (a), de un coche (b) y de una pelota de tenis (c), marcadas con líneas punteadas.

15

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 15

1/14/13 11:06 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee»las»situaciones»y»responde.»Representa»cada»situación»en»tu»cuaderno. a)» Imaginamunamfimlamperfectamentemalineadamdem21mestudiantesmcolocadosmconsecutivamentemdemizquierdamamderecha,mnumeradosmdem1mam21.mSupónmquemelmorigenmestámenmelmestudiantemnúmerom11. »» ¿Cuántosmestudiantesmtienenmposicionesmpositivas? »» ¿Cuántosmtienenmposicionesmnegativas? »» ¿Quémpasaríamsimmuevesmelmorigenmhastamelmestudiantemnúmerom1? b)» Cincomcasas,mA,mB,mC,mDmymE,mestánmsituadasmenmunamcallemquemsiguemunamlíneamrecta,mymlosmcentrosmdemsusmtechosm estánmseparadosmporm20mm,mcomomsemmuestramenmlamfigura 1.5.mSimcolocasmelmorigenmdelmmarcomdemreferenciamenm elmcentromdelmtechomdemlamcasamA,melmcentromdelmtechomdemlamcasamBmestarámam20mmmdelmdemlamcasamA.m »» ¿Amquémdistanciamestánmlosmcentrosmdemlosmtechosmdemlasmdemásmcasasmrespectomalmmarcomdemreferenciamescogido? 20»m

20»m

20»m

20»m

Figura 1.5 Esquema que muestra la distribución de las cinco casas.

A

B

C

D

E

De sp la

za m

ie nt o

c)» Juanmvivemenmunamcasamcuyampuertamdementradamestámam10mmmdelmbuzónmdelmcorreo.mSalemdemsumcasamenmlíneamrectam amrecogermlamcorrespondenciamymregresamsiguiendomunamtrayectoriaminversa.mLuegomentramamlamcasamymcontinúamenm líneamrectamhaciamlampuertamdemlamcocina,mcuyomcentromestámam5mmmdelmdemlampuertamdementrada.m »» Considerandomestemúltimompuntomcomomorigen,mymcomomdirecciónmpositivamlamquemsemsiguemparamllegarmdesdem lampuertamdemlamcasamalmbuzón,m¿cuálmesmlamdistanciamquemrecorriómJuanmdesdemquem saliómdemlamcasamhastamquemllegómamlampuertamdemlamcocina?m¿CuálmfuemsumdesplazaFinal mientomtotal? (panadería) d)» Maríamsalemdemlamescuelamymsemdirigemamlamtiendamamcomprarmpan.mSumtrayectoriamestám representadampormlamlíneampunteadamenmlamfigura 1.6.mPodríamtambiénmhabermseguidomlamtrayectoriamquemindicanmlasmflmechasmpunteadas.mEnmcualquieramdemlosmcasos,m elmdesplazamientom(marcadompormlamflmechamcontinua)mesmelmmismo,malmigualmquemlam diferenciamentremlamposiciónmfimnalmymlaminicial.mSimlamescalamdemlamflmechamesm1mcmm=m20mm,m ¿cuántomvalemlammagnitudmdelmdesplazamiento? »» ¿Cuálmesmlamdistanciamquemhabríamrecorridomsimhubieramseguidomlasmflmechasmpunteadas? »» ¿QuémharíasmparamobtenermunamestimaciónmdemlamdistanciamrecorridamenmlamtrayecInicio toriamquemsiguiómMaría? (escuela) Figura 1.6 La trayectoria de María.

En»muchas»situaciones»cotidianas»no»solamente»es»importante»conocer»la»distancia» recorrida»por»un»móvil»o»lo»que»se»desplazó»respecto»del»origen,»sino»también»el»tiempo»empleado»en»ello.»Piensa,»por»ejemplo,»en»una»carrera»de»100»metros»planos»en»la»que»todos»los» atletas»se»mueven»en»línea»recta»y»gana»el»que»llega»primero,»y»en»otros»eventos»deportivos» en»los»que»los»desplazamientos»deben»hacerse»en»el»menor»tiempo»posible. Para»incorporar»este»nuevo»elemento»en»la»descripción»del»movimiento»es»conveniente» introducir»dos»conceptos.»Así,»defi»niremos»la»velocidad»de»un»objeto»que»se»mueve»como» la»razón»entre»su»desplazamiento»y»el»tiempo»que»empleó»para»llevar»a»cabo»dicho»desplazamiento.»Por»su»parte,»a»la»razón»entre»la»distancia recorrida»en»ese»desplazamiento»y»el» tiempo»transcurrido»se»le»denomina»rapidez.»La»velocidad»es»una»magnitud vectorial»y»la» rapidez»es»una»magnitud escalar»(consulta»el»Apéndice»en»la»página»268).

16

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 16

1/14/13 11:06 AM


Considera»ahora»la»siguiente»situación.»Dos»corredores»compiten»en»una»prueba»de»100» metros»planos.»El»ganador»llega»en»10»s»a»la»meta»mientras»que»el»siguiente»lo»hace»en»12»s.» Nota»que»la»información»anterior»no»es»sufi»ciente»para»saber»qué»sucede»con»los»corredores» en»cada»instante.»Es»decir,»es»información»sobre»el»promedio»del»movimiento»completo,» únicamente»algunos»datos»en»un»lapso»de»tiempo.»La»rapidez media»(v)»en»un»intervalo»de» tiempo»(t)»se»defi»ne»como»la»distancia»total»recorrida»(d)»entre»el»lapso»de»tiempo»transcurrido» y»se»calcula»de»la»siguiente»manera.

v=

d t

Si»la»distancia»se»expresa»en»metros»y»el»tiempo»en»segundos,»las»unidades»de»la»rapidez» serán»m/s»como»consecuencia,»porque»las»unidades»se»construyen»siguiendo»las»relaciones» que»las»magnitudes»obedecen.»Para»la»velocidad»v»se»usa»la»misma»letra,»pero»en»negritas,» indicando»que»se»trata»de»un»vector. En»el»caso»de»los»corredores»del»ejemplo»anterior,»como»puedes»comprobar»fácilmente,» la»rapidez»media»es»de»10»m/s»para»el»primero»y»para»el»otro»es»de»8.5»m/s.»Ahora»bien,»si»el» origen»del»marco»de»referencia»empleado»para»describir»su»movimiento»se»sitúa»sobre»la»línea» de»salida»y»se»considera»el»sentido»positivo»del»desplazamiento»aquel»en»el»que»se»desarrolla» la»carrera,»la»velocidad»de»ambos»corredores»será»positiva,»mientras»que»si»el»origen»se»ubica» en»la»línea»de»meta»y»se»toma»como»positivo»el»sentido»opuesto»al»del»desplazamiento,»la» velocidad»será»negativa,»aunque»la»rapidez»media»de»cada»uno»será»nuevamente»de»10»m/s» y»de»8.5»m/s,»respectivamente. Supón»ahora»que»un»objeto»que»se»mueve»en»línea»recta»lo»hace»de»tal»manera»que»recorre»distancias»iguales»en»lapsos»de»tiempo»iguales.»A»este»tipo»de»movimiento»se»le»conoce» como»movimiento rectilíneo uniforme»y»es»seguramente»el»tipo»de»movimiento»más»fácil» de»describir.»De»acuerdo»con»lo»que» hemos»señalado,»la»rapidez»de»un» 20 30 40 0 10 objeto»en»movimiento»rectilíneo»uniforme»será»constante.»En»particular,»si» esta»rapidez»constante»fuera»0»m/s»el» d (km) objeto»se»encontraría»en»reposo,»por» 20 30 40 0 10 lo»que»el»reposo»es»un»caso»particular» de»movimiento»rectilíneo»uniforme.» Cabe»señalar»que»no»hay»diferencia» d (km) entre»lo»que»ve»un»observador»que» se»mueve»con»una»rapidez»constante» 20 30 40 0 10 en»línea»recta»y»lo»que»vería»el»mismo» observador»en»reposo,»cuando»todo» lo»que»lo»rodeara,»como»los»árboles» d (km) y»los»edifi»cios,»se»moviera»también» en»línea»recta»con»la»misma»rapidez,» 20 30 40 0 10 pero»hacia»él»(figura 1.8). d (km)

0

10

20

30

40

d (km)

Para saber más Cuando viajas en automóvil, el marcador velocímetro (figura 1.7), te indica la rapidez que llevas, por ejemplo, 60 km/h Cabe mencionar que cotidianamente usamos kilómetros (km), que equivalen a 1 000 metros, y horas (h), que son 3 600 segundos. Para defi nir la velocidad necesitas saber, además, si el vehículo va al norte, al sur o a cualquier otra dirección.

Figura 1.7 El mal llamado velocímetro de un automóvil tan solo da información sobre la rapidez; con verlo no se sabe adónde se dirige el vehículo.

Figura 1.8 La secuencia muestra el movimiento rectilíneo uniforme de un motorista que se mueve de izquierda a derecha desde el origen (marcado con 0), durante una hora, con una rapidez constante de 40 km/h. Nota que en esta secuencia, el motorista recorre distancias iguales (10 km) en intervalos de tiempo iguales (15 min) y que el sentido positivo del desplazamiento se ha tomado hacia la derecha.

17

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 17

1/14/13 11:07 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Organízate»con»tu»grupo»en»dos»equipos»y»hagan»lo»siguiente. »» Cadamequipomelegirámunamdemlasmsiguientesmsituaciones,mlamanalizarámymresponderámenm elmcuadernomlomquemcorresponda. »» Elmequipomrepresentarámlamsituaciónmquemeligió,myamseamenmcartulinasmumhojasmdemrotafolio.m Tambiénmpodrámdramatizarla,mconmelmfimnmdemquemsemcomprendammejor. »» Después,mvariosmvoluntariosmdemcadamequipomexpondránmlamsituaciónmalmequipomcontrariomymlemharánmlosmplanteamientosmymlasmpreguntasmcorrespondientes. »» Cadamequipomtendrám15mminutosmparamresolvermlamsituaciónmexpuestampormelmequipom contrario. Figura 1.9 Los radares de velocidad toman fotografías en las que se distingue la placa del automóvil que rebasa el límite de velocidad permitido.

Situación 1

Situación 2

Dos policías de caminos están separados por una distancia de 70 km. Pasa un coche por la posición del primero y este le avisa a su compañero por radio. Media hora después, el coche pasa frente al segundo policía. Si el límite de rapidez para transitar por esa carretera es de 110 km/h, ¿el vehículo ha superado dicho límite? Noten que solo hay información para calcular la rapidez media durante esos 30 min y no se sabe cuál es la rapidez en cada instante del movimiento. ¿Cómo suponen que funcionan las cámaras que toman fotografías que sirven de evidencia para multar a quienes conducen a exceso de velocidad? (figura 1.9).

Imaginen que están en un tren que viaja en movimiento rectilíneo con rapidez constante y ven por la ventana árboles paralelos a la vía. Si el tren avanza hacia la izquierda, ¿qué ocurre con los árboles desde su perspectiva? Supongan que hay una persona parada junto a uno de los árboles. ¿Qué observarían respecto a ustedes y a los árboles? Piensen ahora qué verían si el tren estuviera en reposo en la estación y fueran los árboles los que se movieran de forma paralela a la vía hacia su derecha. ¿Habría alguna diferencia respecto a la primera situación?

»» Almfimnal,mambosmequiposmexplicaránmantemelmprofesormcómomresolvieronmlasmsituaciones.

Para saber más

Figura 1.10 Ilustración de Don Quijote y Sancho Panza, su escudero.

Como nos cuenta Yakov Perelman en su libro Mecánica para todos: “aunque Miguel de Cervantes Saavedra no era físico y seguramente no estaba familiarizado con el estudio del movimiento, en uno de los pasajes de Don Quijote de la Mancha explica perfectamente cómo la rapidez depende del marco de referencia”. En una de las escenas más divertidas de la obra de Cervantes, en la cual se describe el viaje accidentado del caballero y de su escudero (figura 1.10) en un caballo de madera, se afi rma que para montarlo “no hay más que torcer esta clavija que sobre el cuello trae puesta, que él los llevará por los aires a donde atiende Malambruno; pero porque la alteza y sublimidad del camino no les cause vaguidos, se han de cubrir los ojos hasta que el caballo relinche, que será señal de haber dado fi n a su viaje”. “[...] y así, sin más altercar, subió sobre Clavileño y le tentó la clavija”. Los que le rodeaban le aseguraron al hidalgo que él estaba cabalgando con la rapidez de una fl echa: “[...] y en verdad, que no sé de qué te turbas, ni te espantas, que osaré jurar que en todos los días de mi vida no he subido en cabalgadura de paso más llano: no parece sino que no nos movemos de un lugar. Destierra amigo el miedo, que en efecto la cosa va como ha de ir, y el viento llevamos en popa”. Como podrás suponer, el caballo de madera sobre el que estaban don Quijote y su escudero nunca se movió. Sin embargo, con los ojos vendados es imposible diferenciar el reposo de un movimiento rectilíneo uniforme.

18

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 18

1/14/13 11:07 AM


Integramos Ya»aprendiste»lo»que»es»un»marco»de»referencia,»lo»que»es»una»trayectoria»y»la»diferencia»entre» distancia»y»desplazamiento.»También»sabes»que,»además»de»estos»conceptos,»para»poder»describir» el»movimiento»de»los»objetos»es»necesario»considerar»el»tiempo»en»que»se»lleva»a»cabo»este. En»el»ejemplo»de»Maricarmen»y»Jorge,»se»sabe»que»ambos»partieron»del»mismo»origen»y» llegaron»al»mismo»destino»usando»diferentes»rutas,»pero»no»cuánto»tardaron»en»recorrerlas. Por»otra»parte,»con»base»en»lo»que»has»estudiado»hasta»ahora,»podemos»afirmar»que,»respecto»al»movimiento,»lo»más»simple»es»el»reposo,»en»el»que»la»posición»del»objeto»se»mantiene» constante,»no»cambia»con»el»tiempo»y»la»velocidad»es»cero.»A»continuación,»le»sigue»el»movimiento»rectilíneo»uniforme,»caracterizado»por»llevarse»a»cabo»en»línea»recta»y»con»una»rapidez» constante.»En»este,»el»objeto»recorre»distancias»iguales»en»tiempos»iguales»y»la»rapidez»media» coincide»con»la»rapidez»constante.

Desarrolla tu pensamiento científico Resuelve»en»tu»cuaderno»los»siguientes»planteamientos. 1. Ahora»estás»listo»para»analizar»con»más»detalle»el»ejemplo»inicial»y»discutir»los»conceptos»de»rapidez»y»velocidad,»así»como»sus»diferencias.»Para»ello,»establece»un»tamaño» de»paso»promedio»de»50»cm.»Considera»que»Maricarmen»se»desplaza»siempre»en»la» misma»dirección»y»sentido»(AC)»y»que»tarda»50»s»en»llegar»a»la»entrada»del»auditorio» mientras»que»Jorge»da»en»total»70»pasos,»los»primeros»40»en»una»dirección»y»sentido» (AB)»y»los»siguientes»30»pasos»en»otra»dirección»y»sentido»(BC)»y»tarda»55»s»en»llegar» al»mismo»punto»(figura 1.1);»luego,»lleva»a»cabo»lo»siguiente. »» Calculamlamdistanciamquemrecorriómcadamuno. »» Calculamelmdesplazamientomdemcadamquien »» Calculamsumrapidez. »» Discutemquémsucedemconmlamvelocidadmdemcadamuno.m¿Esmlammisma? »» Comparamtusmresultadosmconmlosmdemtusmcompañeros. 2. Si»un»coche»se»dirige»primero»al»norte»y»luego»da»vuelta»en»“U”»y»regresa»al»sur,»al» punto»de»partida,»con»una»rapidez»constante,»¿qué»puedes»decir»acerca»de»su»velocidad»media?»Considera»que»el»origen»lo»sitúas»en»el»punto»de»partida»y»que»el» sentido»positivo»es»el»de»la»dirección»norte.»Revisa»la»convención»de»signos»para»» el»desplazamiento. 3. Pepe»sale»de»su»casa»en»línea»recta»hacia»la»esquina,»que»está»a»15»m,»y»ahí»recuerda» que»olvidó»su»tarea»y»regresa»siguiendo»una»trayectoria»inversa.»El»camino»de»ida»fue» completado»en»el»mismo»tiempo»que»el»de»regreso,»30»s»a»una»rapidez»constante. »» ¿CuálmfuemlamdistanciamrecorridampormPepe? »» ¿Cuálmfuemelmdesplazamientomtotal? »» ¿Cuálmfuemlamvelocidadmdemida? »» ¿Cuálmfuemlamvelocidadmdemregreso? »» ¿Cuálmfuemlamvelocidadmenmtodomelmrecorrido? »» ¿Cuálmfuemlamrapidezmconmlamquemsemmovió? »» ¿Cuántomtiempomtranscurriómdesdemquemsaliómdemsumcasamhastamquemregresómpormelm cuaderno?

Para saber más Existen instrumentos para medir el tiempo, tales como los relojes o los cronómetros. Las unidades de medida de tiempo que usamos cotidianamente son la hora y los minutos. Sin embargo, en un juego de baloncesto necesitamos un cronómetro que nos permita medir el tiempo en segundos. El segundo es la unidad de tiempo usada en el Sistema Internacional de Unidades.

La física es una ciencia experimental. Se construyen teorías para explicar los resultados de los experimentos, y cuando estas teorías hacen predicciones se deben comprobar con nuevos experimentos. No siempre es posible realizar experimentos reales. Sin embargo, tenemos el recurso de simular un experimento en la computadora. Por ejemplo, si queremos estudiar el movimiento rectilíneo uniforme podemos usar la página http://www.fisica. uh.cu/bibvirtual/ fisica_aplicada/ fisica1y2/interactivas1/ mruvsmruv/mru-mruv. html

19

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 19

1/14/13 11:07 AM


BLOQUE

1

Lección 2

El movimiento de los objetos Interpretación y representación de gráficas posición-tiempo

aprendizaje esperado. Interpreta tablas de datos y gráficas de posición-tiempo, en las que describe y predice diferentes movimientos a partir de datos que obtiene en experimentos y/o situaciones del entorno.

Comenzamos Berenice»recibió»como»regalo»de»su»abuela»un»pequeño»árbol»plantado» en»una»maceta.»Como»tenía»curiosidad»por»saber»cómo»iría»creciendo» el»arbolito,»decidió»llevar»un»registro»de»su»crecimiento»cada»semana.» Para»ello,»en»una»libreta»hizo»dos»columnas;»en»la»primera»anotó»la» semana»en»que»hizo»la»medición,»mientras»que»en»la»segunda»escribió»la»altura,»medida»desde»la»tierra»de»la»maceta»hasta»la»punta»del» árbol»(figura 1.11).»El»día»en»que»inició»las»mediciones»anotó»un»cero» en»la»primera»columna;»y»en»la»segunda,»la»altura»inicial»del»árbol.» Una»semana»después»escribió»el»número»1»en»la»primera»columna»y» la»altura»correspondiente»en»la»segunda.»De»esta»manera»continuó» haciendo»los»registros»cada»semana.

Figura 1.11 El registro de datos de manera organizada es el principio para poder representarlos y analizar su comportamiento.

Cuando leas un periódico, seguro encontrarás alguna información graficada. En la siguiente página de la red puedes encontrar varios ejemplos que te enseñen a graficar. http://recursostic. educacion.es/newton/ web/materiales_ didacticos/mru/rect12. htm?0&1

1. En»parejas,»lean»la»siguiente»situación.»Después,»hagan»lo»que»se»pide. Marianamtienemunmboletomparamunmconcierto.mCuandomllegamamlamentradamdelmlugarmdondemsem llevarámamcabomencuentramamvariasmpersonasmformadasmenmunamfilamrecta.mTomemosmcomomorigenm elmlugarmdondeminicialmentemsemformamMarianam(posiciónmcero),mquemestámam24mmmdemlamtaquilla,m ymconsideremosmquemelminstantemenmquemellamsemformamesmelmtiempomcero.mSupónmquemregistrasm lamdistanciamquemcadamdosmminutosmrecorremMariana.mLamtaquillamtardamenmabrirmcuatromminutos,m durantemlosmcualesmMarianamnomcambiamdemlugar.mLosmsiguientesmdosmminutosmlamfilamavanzamym Marianamrecorrem12mm.mLuego,mlamfilamsemdetienemdurantemdosmminutos.mFinalmente,mlamfilamavanzam ymalmcabomdemdosmminutosmMarianamrecorrem12mmmymllegamamlamentrada. Pormsumparte,malmmismomtiempomquemMariana,mJuliomsemformamenmunamfilamrectamparalelamamlamdem Mariana,mcorrespondientemamotramentradamjustomalmlado;mélmsemencuentramtambiénmam24mmmdemlam taquilla.mTomemosmahoramelmorigenmcomomelmlugarmdondeminicialmentemsemencuentramformadom Julio.mLamtaquillamtambiénmtardamenmabrirmcuatromminutos.mLosmdosmminutosmsiguientes,mlamfilam avanzamymJuliomrecorrem14mm.mLuego,mlamfilamsemdetienemdurantemcuatromminutos,mdespuésmavanzam ymalmcabomdemdosmminutosmrecorrem10mmmymJuliomllegamamlamentrada. »» Elaborenmlasmtablasmdemdatosmquemdescribanmlamsituación;mparamello,mponganmenmunamcolumnam elmtiempomymenmotramlamposiciónmdemcadamjoven. »» Determinenmquiénmllegamprimeromamlamentrada:mMarianamomJulio.

Aprendemos Aunque»se»puede»utilizar»el»lenguaje»cotidiano»para»describir»ciertos»movimientos,»en»física» es»necesario»expresar»las»situaciones»con»precisión.»Una»manera»de»lograrlo»consiste»en»el» uso»de»tablas»de»datos»para»describir»el»movimiento,»como»en»los»ejemplos»anteriores.»Sin» embargo,»no»es»la»única»forma»de»hacerlo,»también»se»pueden»utilizar»los»datos»para»elaborar» gráficas,»como»veremos»más»adelante,»lo»cual»permite»visualizar»la»situación»física»de»una» manera»más»clara»y»concisa. 20

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 20

1/14/13 11:07 AM


30 25 (10,m24)

Distanciam(m)

Distanciam(m)

Las»gráficas»no»solo»se»utilizan»en»física;»de»hecho,»gran»cantidad» 20 de»disciplinas»utilizan»gráfi»cas»de»distintos»tipos»para»ilustrar»situaciones» determinadas.»Por»ejemplo,»es»común»que»al»leer»periódicos»y»revistas» 15 (6,m12) encuentres»información»económica»representada»gráfi»camente,»ya» (8,m12) sea»en»líneas»o»en»barras»e»incluso»en»forma»de»un»pastel»dividido» 10 en»porciones.»Es»importante»que»aprendas»a»leer»e»interpretar»ese» lenguaje»simbólico. 5 Para»analizar»el»movimiento»de»un»objeto,»se»suele»empezar»con» (0,m0) (4,m0) 0 una»tabla»de»las»posiciones»que»ocupa»en»diferentes»lapsos.»Usualmen0 2 4 6 8 10 12 te,»los»datos»experimentales»se»organizan»de»manera»que»las»medidas» Tiempom(min) de»una»misma»cantidad»queden»alineadas»y»siguiendo»un»orden.»Se» reportan»todos»los»resultados»en»las»mismas»unidades,»por»ejemplo,»el» Figura 1.12 Puntos tiempo»en»minutos»y»la»distancia»en»metros.»Como»el»tiempo»transcurre»independientemente» de la tabla de datos correspondiente a la de»cualquier»proceso,»conviene»representarlo»en»la»tabla»en»forma»progresiva. Como»habrás»notado»al»responder»las»preguntas»de»la»sección»“Comenzamos”,»pasar»de»la» posición de Mariana en distintos tiempos, descripción»con»palabras»a»colocar»los»datos»en»una»tabla»es»un»gran»avance.»Sin»embargo,»se» representados en un plano puede»mejorar»aun»más»la»presentación»de»resultados»si»se»representan»los»datos»gráfi»camente. cartesiano. Analicemos»ahora»las»situaciones»de»Mariana»y»Julio»descritas»en»el»inicio»y»presentemos» los»datos»en»forma»gráfi»ca.»De»la»misma»manera»en»que»se»siguen»convenciones»universales» de»las»unidades»de»las»medidas,»para»grafi»car»dos»variables,»en»este»caso»posición»y»tiempo,» es»necesario»establecer»una»convención.» Así»como»se»marcan»las»direcciones»de»los»puntos»cardinales»mediante»líneas»perpenVariable. Propiedad o atributo de un objeto o diculares»que»se»cruzan»en»el»origen,»se»pueden»representar»en»un»eje»la»posición»y»en»otro»el» fenómeno que puede tiempo.»Estos»ejes»perpendiculares»que»se»cortan»entre»sí»en»el»origen»se»conocen»como»ejes variar, y cuya variación es cartesianos.»Usualmente»al»eje horizontal se»le»denomina»de»las»abscisas,»y»al»eje vertical, posible observar y medir. de»las»ordenadas. Para»hacer»una»gráfi»ca»posición-tiempo»es»conveniente»representar»el»tiempo»en»el»eje» horizontal»y»la»posición»en»el»eje»vertical.»Por»convención,»las»posiciones»que»están»hacia»arriba» del»origen»se»consideran»positivas,»y»las»que»están»hacia»abajo»se»consideran»negativas.»Si»se» asigna»el»tiempo»cero»al»inicio»del»movimiento,»el»tiempo»solo»puede» ser»positivo»y»se»incrementa»hacia»la»derecha»del»origen.» 30 Ahora»se»puede»asignar»a»cada»par»de»valores»de»la»tabla»un»punto»en»la»gráfica.»El»primer»número»indica»el»tiempo»y»el»segundo,»la» 25 posición.»En»el»caso»de»Mariana,»su»posición»inicial»(es»decir,»al»tiempo» (10,m24) 20 cero)»es»cero,»por»lo»que»la»pareja»de»números»(0,»0)»es»el»primer»punto» de»la»gráfi»ca.»Ya»que»permanece»en»la»misma»posición»durante»cuatro» 15 minutos,»el»siguiente»punto»es»(4,»0).»Dos»minutos»después»ha»recorrido» (6,m12) 12»m,»por»lo»que»el»punto»correspondiente»es»(6,»12). (8,m12) 10 Como»su»posición»no»cambia»durante»dos»minutos,»el»siguiente» punto»es»(8,»12).»Finalmente,»al»cabo»de»dos»minutos»recorre»12»m»y»llega» 5 a»la»entrada,»de»modo»que»el»último»punto»es»(10,»24).»Todos»los»puntos» (0,m0) (4,m0) están»mostrados»en»la figura 1.12.»Ahora»se»pueden»unir»mediante»líneas» 0 los»puntos»consecutivos»y»obtener»la»gráfi»ca»distancia»recorrida-tiempo» 0 2 4 6 8 10 12 mostrada»en»la»figura 1.13.» Tiempom(min) Observa»que»en»el»lapso»de»cero»a»cuatro»minutos»el»desplazamiento»de»Mariana»fue»nulo,»por»lo»que»su»rapidez»fue»cero.»Nota»que»la»línea»que»une»los»puntos»» Figura 1.13 Gráfica de (0,»0)»y»(4,»0)»es»horizontal.»En»el»lapso»de»cuatro»a»seis»minutos,»Mariana»recorrió»una»distancia» distancia recorrida-tiempo de Mariana mientras está de»12»m,»por»lo»que»su»rapidez»fue»constante»e»igual»a»6»m/min,»y»está»representada»por»una» formada en la fila para línea»recta»inclinada»entre»los»puntos»correspondientes. entrar al concierto. 21

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 21

1/14/13 11:07 AM


En»los»siguientes»dos»minutos,»la»rapidez»media»fue»nuevamente»nula»y»la»línea»correspondiente»a»este»intervalo»es»horizontal.»Finalmente,»los»últimos»dos»minutos»recorrió»de» nuevo»12»m,»por»lo»que»su»rapidez»fue»otra»vez»de»6»m/min.»Las»líneas»rectas»inclinadas»en»la» gráfica»representan»un»claro»ejemplo»de»lo»que»hemos»denominado»movimiento rectilíneo uniforme,»es»decir,»un»movimiento»en»línea»recta»con»rapidez»constante. Después»del»análisis»del»ejemplo»anterior,»se»puede»concluir»que»la»metodología»consistente»en»elaborar»una»tabla»de»datos»y»a»partir»de»ella»hacer»una»gráfica»es»de»gran»utilidad» para»analizar»cualquier»conjunto»de»datos»relacionados»entre»sí.

Posición (m)

Desarrolla tu pensamiento científico

20 15 10 5 10 20 30 40 50 60 Tiempo (min)

Figura 1.14 Representación del movimiento de un corredor.

1. Con»base»en»el»análisis»del»caso»de»Mariana,»haz»en»tu»cuaderno»la»gráfica» posición-tiempo»correspondiente»al»caso»de»Julio.»Utiliza»la»tabla»de»datos» que»elaboraste»en»la»sección»“Comenzamos”. 2. Examina»la»gráfica»de»posición-tiempo»de»la»figura 1.14,»que»representa» el»movimiento»de»un»corredor»que»entrena»en»una»pista»recta.»El»origen» está»colocado»en»el»borde»de»la»pista.»Contesta. »» ¿Cuálmesmlamposiciónmdelmcorredormdurantemlosmprimerosm30ms? »» ¿Quémpasamconmlamposiciónmdelmcorredormlosmsiguientesm10msmhastamllegarmam40ms? »» ¿Cómomesmelmmovimientomdelmcorredormdemlosm40mamlosm50ms? »» ¿Dóndemterminamelmcorredormlosmúltimosm10msmparamcompletarmunmminutom demobservación?

Debe»quedar»muy»claro»que»una»gráfica»de»posición-tiempo»no»es»un»dibujo»de»la» trayectoria»de»un»cuerpo»en»movimiento.»La»gráfica»anterior»no»indica»que»el»corredor»haya» subido»una»pequeña»colina,»sino»que»primero»se»alejó»del»origen»del»marco»de»referencia»(el» borde»de»la»pista)»y»después»regresó»sobre»sus»pasos. Si»únicamente»observas»la»forma»de»una»gráfica»no»la»entenderás»de»manera»plena.»Necesitas»hacer»una»interpretación»de»lo»que»significa,»una»vez»que»sepas»qué»representa»cada»eje.

Aproximación al conocimiento científico Forma»un»equipo»de»seis»alumnos»para»llevar»a»cabo»la»actividad»siguiente»en»el»patio»de»la»escuela.» Es»importante»que»antes»lean»todas»las»instrucciones»para»que»queden»claras.

Material: ¿Qué necesitamos? Un»cordel»de»10»m»de»largo,»9»tiras»de»listón»rojo»de»5»cm» cada»una,»una»cinta»métrica»y»5»cronómetros

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Utilicen»las»tiras»de»listón»y»la»cinta»métrica»para»dividir» el»cordel»en»diez»tramos»iguales,»atando»una»tira»en» cada»tramo»de»1»m. 2. Coloquen»el»cordel»simulando»un»camino»en»el»piso» con»una»trayectoria»arbitraria.

3. Cada»miembro»del»equipo»tomará»un»cronómetro» y»se»colocará»de»forma»que»el»primero»quede»en»la» marca»correspondiente»a»2»m»a»partir»de»uno»de»los» extremos»del»cordel,»que»constituirá»el»punto»de» referencia»y»el»origen»del»camino»(figura 1.15).» Figura 1.15

Niñosmconmcronómetros

8m

22

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 22

6m

4m

2m

1/14/13 11:07 AM


4. El»segundo»miembro»se»pondrá»en»la»marca»que» corresponda»a»4»m;»el»tercero,»en»la»de»6»m;»el»cuarto,»en»la»de»8»m;»y»el»último,»en»el»otro»extremo»del» cordel»(que»es»el»fin»del»camino).»El»sexto»compañero» recorrerá»ahora»el»camino»al»paso»que»desee,»pero» procurando»que»su»ritmo»sea»uniforme»(figura 1.16). 5. Todos»los»cronómetros»se»echarán»a»andar»simultáneamente»y»cada»uno»de»los»compañeros»detendrá» el»suyo»cuando»el»alumno»que»camina»pase»por»su» marca.»Registren»en»su»cuaderno»el»tiempo»marcado» por»cada»cronómetro»(figura 1.17). 6. A»continuación,»intercambiarán»sus»roles»(quien» caminó»tomará»un»cronómetro»y»quien»tenía»ese» cronómetro»caminará)»y»repetirán»los»pasos»3»a»5» hasta»que»todos»hayan»recorrido»el»camino.

mm

mm

dernomunamtablamdemdatosmquemcontengamlamdistanciam recorridampormelmcompañeromquemcaminómymelmtiempom quemempleómparamello. Conmbasemenmlamtabla,mhaganmlamgráficamcorrespondientemposición-tiempo. Determinenmlamrapidezmmediamdemcadamintegrantemdelm equipomenmcadamtramomdem2mmmymenmelmrecorridomtotal. Figura 1.16

Figura 1.17

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? mm

Considerandomlasmdistanciasmquemmarcanmlosmlistonesm ymlosmdatosmdemcadamcronómetro,melaborenmenmsumcua-

Integramos Has»visto»que»al»analizar»el»movimiento»de»un»cuerpo»es»muy»útil»registrar»los»datos»de»una» medición»en»una»tabla,»para»manejarlos»de»una»manera»más»sencilla»y»precisa.»El»siguiente» paso»que»lleva»a»una»comprensión»más»profunda»del»fenómeno»es»representarlos»gráficamente»en»un»sistema»de»ejes»cartesianos»donde»el»eje»vertical»corresponde»a»la»posición»y»el» horizontal»al»tiempo.»Al»dibujar»los»valores»de»posición»y»tiempo»en»la»gráfica»y»unir»los»puntos» consecutivos»con»una»línea»se»obtiene»una»gráfica»de»posición-tiempo,»cuya»interpretación» es»una»herramienta»muy»poderosa»para»estudiar»el»movimiento.» En»el»ejemplo»del»inicio»de»la»lección,»Berenice»quiere»visualizar»el»datos»del»crecimiento» del»árbol;»a»ella»le»conviene»poner»los»datos»de»la»tabla»en»forma»gráfica:»en»el»eje»vertical,»la» altura»del»árbol;»y»en»el»horizontal,»la»semana»correspondiente»a»cada»medición.»Si»la»gráfica» que»obtiene»Berenice»es»una»línea»recta»inclinada,»deducirá»que»la»rapidez»de»crecimiento»ha» sido»constante,»es»decir,»su»altura»se»ha»incrementado»lo»mismo»en»iguales»intervalos»de»tiempo.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee»la»siguiente»situación»y»haz»lo»que»se»pide. DonmSimónmsacamampasearmamsumperrompormunamcallemrectammuymlarga,myendomcadamvezmmásm rápidomdesdemsumcasamhastamllegarmamunmparquemquemestámam2mkmmdemdistanciamenmlíneamrecta. »» Observamlosmvaloresmdelmcuadro 1.1,mquemrepresentanmlamsituación. »» Trazamenmtumcuadernomlamgráficamcorrespondiente.mPonmelmorigenmdelmmarcomdem referenciamenmlamcasa.m »» Describemcómomesmlamgráficamymelmtipomdeminformaciónmquemsempuedemobtenermdemella. »» Notamquemalmhacermlamgráficamquemdescribemelmmovimientomdelmperromnomobtuvistem unamlíneamrecta.mEstemesmunmejemplomdemunmmovimientomrectilíneomnomuniforme,mesm decir,maquímlamrapidezmnomesmconstante.

Cuadro 1.1 Tiempo Posición (min) (m)

0

0

5

125

10

500

15

1 125

20

2 000

23

S-Fis-CNT-B1-012-023_PDF_alta_alumno 23

1/14/13 11:07 AM


BLOQUE

1

Lección 3

El movimiento de los objetos Movimiento ondulatorio

aprendizaje esperado. Describe características del movimiento ondulatorio con base en el modelo

de ondas: cresta, valle, nodo, amplitud, longitud, frecuencia y periodo, y diferencia el movimiento ondulatorio transversal del logitudinal, en términos de la dirección de propagación.

Comenzamos En un día sin viento, la superficie del agua de una alberca permanece en reposo, sin embargo, si sopla el viento, en ella se forman ondulaciones. Un fenómeno similar se observa si cae algún objeto en el agua.

Figura 1.18 Cuando se tira una piedra en un estanque, las ondas se propagan concéntricamente desde el punto donde cae la piedra, alejándose de él.

1. Lleva a cabo las siguientes actividades y responde en tu cuaderno las preguntas. Puedes complementar tus respuestas con dibujos. » Pon agua en una palangana y deja caer un objeto en su centro. ¿Qué observas? ¿Qué sucede cuando una onda llega al borde de la palangana? » Coloca un corcho o cualquier objeto que flote en el agua y repite el experimento. ¿Qué le pasa al corcho? » Mete una regla dentro de la palangana, espera a que el agua quede en reposo y después mueve varias veces la regla de arriba abajo, procurando que cada movimiento completo tenga la misma duración. ¿Qué observas? » Repite la experiencia anterior, pero ahora utiliza dos reglas, cada una en un sitio distinto de la palangana. ¿Notas alguna diferencia respecto al caso anterior?

Aprendemos Espira. Cada una de las vueltas de un espiral; en este caso, del resorte.

Figura 1.19 En el resorte estirado, las espiras individuales adoptan su posición de equilibrio.

Habrás notado que cuando tiras una piedra a un estanque cuya agua se encontraba originalmente quieta se forman anillos concéntricos alrededor del sitio donde cayó la piedra, y que estos se mueven a través de la superficie del agua en dirección perpendicular a la de la caída de la piedra, alejándose de él. Con respecto a la posición que tenía la superficie del agua antes de que cayera la piedra, que es su posición de equilibrio o de reposo, cada anillo presenta una elevación (llamada cresta); y entre anillo y anillo, el nivel del agua es menor que el que tenía originalmente (lo que se llama valle), formándose un patrón alternado de crestas y valles (figura 1.18). Si pones una hoja en la superficie del agua, para que flote, verás que sube y baja, moviéndose exclusivamente en la vertical. Esto significa que las partículas del medio (el agua) experimentan únicamente un desplazamiento vertical mientras que la perturbación producida por la piedra se propaga horizontalmente. El movimiento que acabamos de describir es un ejemplo de movimiento ondulatorio en un medio material. De manera general, se puede decir que una onda material es una perturbación que se propaga a través de un medio de un lugar a otro. En el ejemplo anterior, la dirección de propagación de la onda era perpendicular a la de las partículas del medio, pero esto no siempre es así. Considera, por ejemplo, un resorte como el que se muestra en la figura 1.19. Cuando el resorte se estira de extremo a extremo en posición horizontal y se le mantiene en reposo, cada espira individual adopta una posición de equilibrio o posición de reposo, y se encuentra separada igualmente de sus espiras vecinas. Para introducir una onda en el resorte, se puede desplazar o mover a la primera espira de su posición de equilibrio de izquierda a derecha, manteniendo todas las demás espiras fijas, pero una vez que se le ha movido, a esta espira se le regresa a su posición original de equilibrio o posición de reposo.

24

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 24

12/21/12 11:45 AM


Con lo anterior se crea una perturbación en el resorte y se puede observar cómo esta perturbación se mueve en el resorte de un extremo a otro. Si se trata de una sola vibración de izquierda a derecha en la primera espira, al movimiento de la perturbación que se observa en el resorte se le llama pulso y su dirección de propagación es la misma que la del desplazamiento de la espira del resorte. Sin embargo, si el movimiento de vibración de la primera espira se repitiera a intervalos iguales de tiempo, se observaría el movimiento de una perturbación repetida en el resorte que se mantendría durante un lapso prolongado de tiempo aún después de haber cesado la vibración de la primera espira. Este es otro ejemplo de una perturbación repetida a intervalos iguales de tiempo que se propaga a través del medio (el resorte) de un lugar a otro, esta vez en dirección paralela a la del desplazamiento de las partículas del medio (figura 1.20). Las ondas están en todas partes, aunque no siempre son tan reconocibles como en los dos ejemplos que hemos descrito. Por ejemplo, están las ondas sonoras, las ondas de luz visible, las ondas de radio y las microondas. Pero también hay fenómenos como el movimiento en un columpio, el de un péndulo, o el de despedida moviendo una mano, los cuales tienen características del movimiento ondulatorio y se pueden describir de manera similar. Otros fenómenos naturales también son de carácter ondulatorio, por ejemplo, un terremoto es una onda sísmica que se propaga en la tierra. Todas las ondas tienen propiedades similares, así que podemos, a partir del estudio de un tipo de ellas, describirlas a todas. Una manera sencilla de caracterizarlas se basa en la dirección del movimiento de las partículas del medio en relación con la dirección de propagación de la onda. Cuando las partículas del medio se mueven alrededor de su posición de equilibrio en la dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda, como en el caso del estanque en el que cae un objeto, las ondas que se producen se llaman transversales. Al punto más alto de desplazamiento se le llama cresta, al más bajo, valle, y al que coincide con la posición de equilibrio se le llama nodo (figura 1.21). La distancia entre una cresta o un valle y la posición de equilibrio se denomina amplitud. A la longitud entre dos puntos equivalentes de este movimiento repetido se le llama longitud de onda y suele representarse por la letra griega λ (figura 1.22).

Crestas

Nodos

Equilibrio Nodos Por otra parte, una onda longitudinal es aquella en la que la dirección de propagación es paralela a la del desplazamiento de las partículas del medio, como en el caso del resorte que describimos antes. Cabe señalar que en el caso del resorte también se puede producir una onda transversal, si en lugar de hacer vibrar la primera espira de izquierda a derecha se le hace vibrar de arriba abajo.

Figura 1.20 Cuando se hace vibrar repetidamente de izquierda a derecha la primera espira, se crea una perturbación que viaja a través del resorte de un extremo a otro.

Figura 1.21 Dibujo esquemático de una onda transversal, que muestra la posición de equilibrio del medio, sus crestas y sus valles.

Valles λ Figura 1.22 La longitud de onda es la distancia entre dos puntos equivalentes del movimiento ondulatorio y se representa con λ.

λ λ

λ

25

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 25

12/21/12 11:45 AM


Figura 1.23 Ondas longitudinales y transversales en un resorte cuando el desplazamiento de la primera espira es de izquierda a derecha (a) o de arriba abajo (b).

Para saber más La rapidez de un móvil se define como la distancia recorrida entre el tiempo transcurrido. En el caso de una onda, la distancia entre dos crestas o valles consecutivos es λ y transcurre en un tiempo de un periodo T. Por lo tanto, podemos definir la velocidad de una onda como v = λ/T = λf

Un esquema de cómo se producen ondas longitudinales y transversales en un resorte es la figura 1.23. Cuando un fenómeno ocurre repetidamente decimos que es periódico, y nos referimos al tiempo requerido para que se repita como su periodo. En el caso de las ondas, el periodo se define como el intervalo de tiempo transcurrido para que dos crestas o dos valles pasen por el mismo punto del medio en el que se propagan y se suele representar por T. Una cantidad relacionada importante es la frecuencia, que es el número de crestas (o valles) que pasan por un punto por unidad de tiempo; se suele representar con f. Partiendo de estas definiciones, hay que notar que estas dos cantidades, el periodo y la frecuencia, están relacionadas. En el periodo T pasa una cresta o un valle por un punto dado, es decir, f = 1/T. Las unidades de frecuencia son ciclos por segundo o Hertz (Hz).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Con tu regla, mide las amplitudes a, b, c, d, e y f de la onda representada en la figura 1.24 y anótalas en una tabla en tu cuaderno, indicando si corresponden a crestas o valles.

a

c

e

Equilibrio Figura 1.24 Esquema de una onda.

b

f

d

2. Responde en tu cuaderno. » ¿Qué puedes decir de tus resultados? ¿Cómo son las distancias entre la posición de equilibrio y cada cresta o valle? » Si las distancias son reales, ¿cuánto mide la longitud de onda? » Si el tiempo que tarda la onda en pasar entre los valles de amplitudes b y f es de 20 s, ¿cuál es la frecuencia de la onda?

Todas las propiedades que hemos descrito para las ondas transversales se mantienen en el caso de las longitudinales. Así, la cresta y el valle serán las máximas distancias de desplazamiento con respecto a la posición de equilibrio, y la longitud de onda será la distancia que la onda recorre entre puntos equivalentes del medio. Hay una descripción que solo se utiliza en el caso longitudinal: existe una compresión cuando el medio se contrae y una rarefacción cuando el medio se expande. En este lenguaje, la longitud de onda (λ) de una onda longitudinal corresponde a la distancia entre una compresión en el medio y la compresión que le sigue, o bien, la distancia entre dos rarefacciones consecutivas del medio (figura 1.25). Figura 1.25 En la compresión, las espiras del resorte están más cerca y en la rarefacción más alejadas.

26

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 26

λ

λ

λ

λ

λ

λ

12/21/12 11:45 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Resuelve. » En un alambre delgado sujetado firmemente por sus extremos se produce una onda transversal. La amplitud de la onda es de 3.8 cm, su frecuencia es de 51.2 Hz y la distancia entre cresta y valle es de 12.8 cm. ¿Cuál es el periodo de dicha onda? ¿Son necesarios todos los datos del problema anterior para obtener el periodo? ¿Por qué? » Si una mosca mueve sus alas hacia adelante y hacia atrás 121 veces cada segundo, ¿cuál es el periodo del aleteo de la mosca? » Algunos relojes tienen una manecilla (el segundero) que rota en la carátula de manera regular y repetida, y da una vuelta completa cada minuto. ¿Cuál es la frecuencia del segundero en Hz? » Al vibrar un diapasón se produce una onda sonora de 440 Hz, ¿cuál es el periodo de dicha onda?

Cuando una onda se propaga en un medio, a menudo llega al borde o frontera de este y se encuentra con un obstáculo o quizás con otro medio en el que también se puede propagar. Si esto sucede pueden presentarse tres tipos de fenómenos que involucran un cambio en la dirección de la onda: la reflexión, la refracción o la difracción. La reflexión se presenta cuando las ondas rebotan en una barrera, como muestra la figura 1.26. La dirección I de la onda incidente y la dirección R de la onda reflejada forman el mismo ángulo con la recta normal a la superficie del obstáculo marcada con la letra N. La refracción ocurre cuando las ondas pasan de un medio de propagación a otro, en cuyo caso también cambian de velocidad de propagación, lo que origina el cambio de dirección que se muestra en la figura 1.27. En este caso, los ángulos que forma la normal a la superficie de separación de los dos medios (N) con la onda incidente I y con la onda refractada R, dependen de las velocidades de propagación en ambos medios. La difracción consiste en la propagación de las ondas en todas las direcciones cuando pasan cerca del borde de un obstáculo o a través de pequeñas rendijas. Un ejemplo de difracción se muestra en la figura 1.28. Este fenómeno es más notorio cuando el grosor de la rendija o el tamaño del obstáculo son de una magnitud semejante a la longitud de la onda.

Diapasón. Instrumento en forma de horquilla que emite un sonido de frecuencia conocida y constante, el cual se toma como referencia para afinar o para entonar.

R

N

I

Figura 1.26 Representación esquemática de la reflexión.

N

R

I

Figura 1.27 Representación esquemática de la refracción.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Consigue un resorte de unos 50 cm de largo, cuélgalo del techo, ponle un listón como se indica en la figura de la derecha y tira del resorte verticalmente. Observa, luego contesta las preguntas. » ¿En qué dirección se contrae y se estira el resorte? » ¿En qué dirección se propaga la perturbación? » ¿Qué ocurre cuando la perturbación Listón llega al techo?

Onda incidente Figura 1.28 Representación esquemática de la difracción.

Jala del resorte y suéltalo.

27

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 27

12/21/12 11:45 AM


Pulso. Perturbación u onda que tiene una extensión espacial finita, en particular cuando tarda poco tiempo en pasar completamente por algún punto dado.

Cuando dos ondas que se propagan en un mismo medio se encuentran, se produce el fenómeno que se conoce como interferencia. En dicho fenómeno, el medio adopta una forma que es el resultado del efecto neto de las dos ondas individuales sobre sus partículas. Considera, por ejemplo, la situación que se muestra en la figura 1.29, en la que aparecen dos pulsos transversales de igual amplitud (marcados en azul y rojo) que se propagan en un mismo medio, pero en dirección opuesta. En la imagen aparecen los pulsos en dos momentos: antes y durante la interferencia. En este caso, en el que el desplazamiento que sufren las partículas del medio debido a la presencia de cada uno de los pulsos individuales es en el mismo sentido, el efecto neto en el medio durante la interferencia se muestra en verde. Este tipo de interferencia se llama interferencia constructiva. Antes de la interferencia

Después de la interferencia

Figura 1.29 Esquema que muestra cómo se produce una interferencia constructiva.

Supongamos ahora que el desplazamiento de las partículas del medio provocado por cada pulso es en la misma dirección, pero en sentido opuesto, como se muestra en la figura 1.30. En este caso, la interferencia se conoce como destructiva. Antes de la interferencia

Después de la interferencia

Figura 1.30 Esquema que muestra cómo se produce una interferencia destructiva en pulsos de igual amplitud.

Antes de la interferencia

Figura 1.31 Esquema de interferencia destructiva en pulsos de amplitud diferente.

Después de la interferencia

Para que ocurra interferencia destructiva no es necesario que los pulsos tengan la misma amplitud, aunque la cancelación completa, como la de la figura 1.30, solamente se presenta cuando las amplitudes sí son iguales. Un ejemplo de lo que ocurre cuando dos pulsos de amplitudes distintas interfieren se muestra en la figura 1.31.

Cabe añadir que cuando dos ondas interfieren producen un efecto neto en la forma que adopta el medio durante la interferencia, pero una vez que eso ya ha sucedido siguen propagándose sin alterar ni su camino ni su velocidad. Esto se muestra esquemáticamente en la figura 1.32. Antes de la interferencia Después de la interferencia Figura 1.32 Esquema de propagación de dos pulsos, una vez que ha ocurrido la interferencia.

28

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 28

12/21/12 11:45 AM


Cuando se observa una onda que se propaga en un medio, se ve una cresta moviéndose de partícula a partícula del medio. A dicha cresta le sigue un valle y luego otra cresta y otro valle, y así sucesivamente hasta que la onda se encuentra con otra onda o con la frontera de otro medio. Al patrón repetido que se observa moverse en el medio de manera ininterrumpida se le suele denominar onda viajera y se muestra esquemáticamente en la figura 1.33. Figura 1.33 Esquema de una onda viajera. Los colores de negro a verde indican el desplazamiento de la onda hacia la derecha conforme avanza en el medio.

Las ondas viajeras que se observan más comúnmente son las olas del mar. Si se produce un movimiento ondulatorio en una cuerda elástica cuyos extremos se encuentran separados tres metros y uno de ellos está fijo, dicha onda queda confinada en una pequeña región. Al llegar la onda al extremo fijo se reflejará y viajará en dirección opuesta. Entonces cualquier porción de la onda reflejada interferirá con la porción de la onda incidente hacia el extremo fijo. Cuando esto sucede, en general, ya no se observa el patrón repetido en el medio característico de las ondas viajeras (aunque sí hay dos ondas viajeras en la cuerda, difíciles de percibir debido a su interferencia mutua), sino un patrón irregular y no repetido cuya apariencia cambia con el tiempo. Sin embargo, es posible producir patrones repetidos haciendo vibrar el extremo libre de la cuerda a la frecuencia apropiada. A dicha frecuencia, la interferencia entre la onda incidente y la onda reflejada ocurre de forma que hay algunos puntos en el medio que parecen permanecer quietos mientras que hay otros cuyo desplazamiento cambia con el tiempo, pero lo hace de manera regular, de manera que el movimiento del medio es regular y repetitivo y se puede observar un patrón. Cuando esto ocurre decimos que hay una onda estacionaria en el medio. En la figura 1.34 se muestra uno de la infinidad de posibles patrones de una onda estacionaria en el medio.

Para saber más Christiann Huygens (1629-1695) fue un matemático, físico, astrónomo y relojero holandés que creó la teoría ondulatoria de la luz, con la cual pudo explicar los fenómenos de reflexión, refracción y difracción de las ondas luminosas. De acuerdo con el llamado principio de Huygens, cada punto luminoso de un frente de ondas puede considerarse una nueva fuente de ondas. En particular, Huygens explicó la difracción suponiendo que todo punto del espacio alcanzado por un fenómeno ondulatorio se convierte en foco de ese mismo fenómeno. Este hecho fue comprobado en los experimentos de Thomas Young a principios del siglo xix.

A B

A

Figura 1.34 Esquema de una onda estacionaria.

Cada uno de los colores indica una instantánea del medio a un tiempo dado. Puede observarse que el punto A del medio pasa de un desplazamiento máximo positivo (hacia arriba) a un desplazamiento máximo negativo (hacia abajo) al transcurrir el tiempo, mientras que el punto B nunca se mueve, es decir, es un punto donde no hay desplazamiento. A este tipo de puntos también se les llama nodos, mientras que aquellos puntos, como el punto A, que realizan el máximo desplazamiento durante un ciclo vibracional de la onda estacionaria se conocen como antinodos. 29

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 29

12/21/12 11:45 AM


Se puede decir que el patrón de una onda estacionaria es un patrón alternado de nodos y antinodos como el que se muestra en la figura 1.35. Figura 1.35 Nodos y antinodos de una onda.

Nodo

Nodo

Antinodo

A

B

Figura 1.36 Dibujo esquemático de tres posiciones de un péndulo.

Amplía tus conocimientos respecto a las ondas transversales y las longitudinales. Consulta http://enebro.pntic. mec.es/~fmag0006/ Prism402.html

Figura 1.37 El pie de la mujer de la imagen está causando una perturbación en el agua de la alberca.

Antinodo

Antinodo

C

Nodo

Antinodo

Los movimientos ondulatorios descritos tienen como característica el repetirse a medida que transcurre el tiempo. Existen otros fenómenos que tienen un comportamiento similar: el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra y el movimiento de vaivén de un péndulo. Veamos el siguiente ejemplo (figura 1.36). Una bola suspendida de una cuerda fija en el techo, es decir, un péndulo, se suelta en el punto A (como se muestra en la figura). La bola pasa por un punto de equilibro B y luego se desplaza hasta un punto equivalente a A, pero en el otro extremo (punto C). Al balancearse, la bola describe un movimiento periódico, como ya hemos dicho, donde se pueden usar las mismas definiciones que en el movimiento ondulatorio. Aquí se puede hablar del periodo de la oscilación, de su amplitud y del número de oscilaciones por unidad de tiempo.

Integramos Existen en la naturaleza movimientos periódicos que se propagan, como las olas del mar. En este caso, el medio cuyas partículas oscilan y donde se propaga la onda es el agua. En el caso de las ondas sísmicas, el medio de propagación es la corteza terrestre. En esta lección hemos introducido conceptos importantes que permiten describir las ondas y caracterizar sus propiedades físicas. También hemos señalado que independientemente de si las ondas son transversales o longitudinales, para su descripción se utilizan los mismos conceptos. Nota que las propiedades físicas de una onda dependen del medio en el que se propague. En particular, la velocidad de la onda depende de cuál sea ese medio y cambia si la onda pasa de un medio a otro. Volvamos a pensar en el agua de una alberca. Hemos señalado que al caer un objeto en ella se produce una perturbación que se propaga en forma de ondas transversales que chocan con las paredes de la alberca y rebotan (figura 1.37). El viento también puede ser la causa de un fenómeno similar, ya que representa una perturbación al estado de reposo de la superficie del agua y, si se dan las condiciones adecuadas, puede generar un movimiento ondulatorio en la misma. Hay que advertir que el viento podría arrastrar un objeto que flotara en la alberca y que dicho objeto no sería arrastrado por una onda transversal, sino que, como ocurrió en la experiencia de la palangana con agua y el corcho, solamente oscilaría hacia arriba y hacia abajo alrededor de su posición de reposo o equilibrio.

30

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 30

12/21/12 11:45 AM


Aproximación al conocimiento científico Reúnete con un compañero y lleven a cabo la siguiente actividad, en la cual aplicarán sus conocimientos sobre el movimiento ondulatorio.

Material: ¿Qué necesitamos? Una cuerda de tres metros de longitud y un cronómetro o un reloj con segundero

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Aten uno de los extremos de la cuerda a la pata de una mesa. Uno de ustedes sostenga el otro extremo con una mano de forma que la cuerda se mantenga extendida, en una posición horizontal y en reposo (figura 1.38). 2. Quien esté sosteniendo el extremo libre de la cuerda debe ahora sacudirlo firmemente una sola vez, haciendo un movimiento de arriba abajo. El otro compañero medirá el tiempo que tarda la perturbación en recorrer la longitud de la cuerda de ida y vuelta, y anotará el resultado en los cuadernos de ambos. 3. Hagan un dibujo de lo que observaron y descríbanlo en su cuaderno. 4. A continuación, uno de ustedes sacudirá la cuerda durante 30 segundos, procurando que los movimientos sean lo más uniformes posible en el tiempo. El otro compañero registrará los 30 segundos y contará el número de movimientos completos de arriba abajo que se lleven a cabo (figura 1.39). 5. Anoten en sus cuadernos el número completo de movimientos de arriba abajo llevados a cabo en 30 segundos. 6. Hagan un dibujo en su cuaderno de la forma que adopta la cuerda y cuenten las crestas, anotando su número en sus cuadernos.

Figura 1.38

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» Reflexionen y argumenten qué tipo de ondas produjeron con la cuerda. » Representen con un esquema la onda que formaron y señalen sus partes. » Considerando que en este caso la distancia recorrida por la onda es de tres metros, calculen la rapidez de propagación de la onda y anótenla. » Con base en el número de crestas que contaron, determinen la longitud de onda y anótenla. » Considerando el número de movimientos completos de arriba abajo y el lapso de 30 segundos, obtengan la frecuencia y escríbanla en sus cuadernos. » Comparen el resultado que obtuvieron para la rapidez y lo que se obtiene al multiplicar la longitud de onda y la frecuencia que calcularon, ¿fueron iguales ambos resultados? Argumenten su respuesta.

Figura 1.39

31

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 31

12/21/12 11:45 AM


BLOQUE

1

Lección 4

El movimiento de los objetos Modelo de ondas y explicación de las características del sonido

aprendizaje esperado. Describe el comportamiento ondulatorio del sonido: tono, timbre, intensidad y rapidez, a partir del modelo de ondas.

Comenzamos En la casa de Marcelo todos son amantes de la música. Él es un estupendo violinista y, como pronto tendrá que dar un concierto, lleva varios días practicando en su casa la Sonata para violín y piano nº 9 en la mayor (Kreutzer) de Beethoven (figura 1.40). Sin embargo, hoy ha tenido que suspender la práctica porque en la calle donde está su casa están realizando obras con una perforadora y el ruido lo desconcentra.

Figura 1.40 Una persona puede distinguir el sonido de un violín del de otro instrumento, un sonido agudo de uno grave, y uno fuerte de uno débil, gracias a las cualidades de las ondas sonoras.

Para saber más En música, una nota es un sonido con una frecuencia fundamental constante. En la escala mayor de do las notas son las siguientes: do, re, mi, fa, sol, la, si.

Reconoce las características del sonido en este video: http://www. educarchile.cl/ Portal.Base/Web/ VerContenido. aspx?ID=137424

1. Contesta las siguientes preguntas en tu cuaderno. » Si Marcelo y un amigo pianista tocan una misma tonada, con las mismas notas, ambos con su instrumento, ¿por qué se oyen diferente? » ¿Qué diferencia encuentras entre un sonido (la música que toca Marcelo) y un ruido (el que hace la perforadora)? » Supón que estás en la casa de Marcelo, ¿sería fácil para ti distinguir claramente la música del violín y el ruido de la perforadora? ¿Por qué? » El profesor de Marcelo le ha recomendado que no escuche sonidos con una intensidad muy alta, pues su oído se podría dañar. ¿A qué piensas que se refiere con esta recomendación? 2. Con un compañero, lleva a cabo la siguiente actividad. Luego, respondan las preguntas. m Consigan seis botellas iguales (de vidrio y de cuello estrecho) y una cuchara metálica. A continuación, pongan diferentes cantidades de agua en cada una de las botellas, numérenlas de 1 a 6 con un plumón y cuando hayan terminado golpeen suavemente cada botella con la cuchara. Escuchen con atención los sonidos que emite cada botella después de ser golpeada y apunten sus observaciones. » ¿Por qué creen que se producen sonidos al golpear las botellas? ¿Son todos iguales los sonidos que se producen? » ¿Cuál botella produce el sonido más agudo? ¿Cuál, el sonido más grave? » ¿A qué suponen que se debe lo anterior?

Aprendemos La música y el sonido son elementos de nuestra experiencia sensorial cotidiana. En esta lección consideraremos algunas características y comportamientos del sonido y los mecanismos por los que este se produce, se propaga y se detecta. Empezaremos por señalar que el sonido es una onda, llamada onda sonora, que se produce por la vibración de objetos y que requiere un medio para propagarse de un lugar a otro. De acuerdo con la clasificación que señalamos en la lección anterior, las ondas sonoras son ondas longitudinales, es decir, que su dirección de propagación es paralela a la dirección de desplazamiento de las partículas del medio. Así, cuando una onda sonora viaja desde los labios de una persona que habla hasta el oído de quien la escucha, las partículas del aire (que es el medio en el que se propaga la onda) vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio en la dirección determinada por la línea recta imaginaria que une los labios con el oído.

32

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 32

12/21/12 11:45 AM


El movimiento vibratorio de las partículas del medio crea regiones en este en las que las partículas están muy cerca unas de otras, y regiones en las que, por el contario, las partículas están más separadas, como se muestra en la figura siguiente (figura 1.41). Compresiones

Figura 1.41 Un diapasón que vibra provoca que el aire dentro de un tubo también vibre, en dirección paralela, produciendo zonas de compresión y rarefacción de las partículas del aire. Rarefacciones

Si recuerdas el ejemplo de las ondas longitudinales que se propagan en un resorte, que mencionamos en la lección anterior, notarás que allí también se generaban regiones alternadas en las que las espiras estaban más juntas que en su estado de reposo y otras en las que estaban más separadas. De hecho, una onda sonora es de naturaleza muy similar a la de las ondas longitudinales en un resorte. Veamos por qué. En primer lugar, en ambos casos hay un medio que lleva la perturbación de un lugar a otro. Este medio es generalmente el aire, pero podría ser cualquier material, como el agua o el acero. El medio es simplemente un conjunto de partículas conectadas que interaccionan. En segundo lugar, hay una fuente originaria de la onda, un objeto vibrante capaz de perturbar a la primera partícula del medio. La perturbación puede ser producida por la vibración de las cuerdas vocales de una persona, por la cuerda vibrante y la caja de una guitarra o un violín, por los brazos vibrantes de un diapasón o por el diafragma vibrante de una bocina. En tercer lugar, las ondas sonoras se transportan de un lugar a otro mediante la interacción de las partículas del medio. Considera una onda sonora viajando en el aire, si a una partícula de este se le desplaza de su posición de equilibrio empujará o jalará a sus vecinos más próximos, lo cual a su vez desplazará a estos de su posición de equilibrio. Esta interacción de las partículas continuará a través del medio entero con cada partícula interactuando y provocando una perturbación en sus vecinos más próximos. Como una onda sonora es una perturbación que se propaga en un medio a través del mecanismo de interacción de las partículas, se dice que el sonido es un ejemplo de una onda mecánica. Ya hemos apuntado que las ondas sonoras consisten en un patrón repetido de zonas de presión más alta (compresiones) y zonas de presión más baja (rarefacciones). En este tipo de ondas, la longitud de onda se determina habitualmente usando la distancia entre dos compresiones o dos rarefacciones sucesivas. Debido a la presencia de regiones de distinta presión en el medio en que se propagan, algunas veces también se dice que las ondas sonoras son ondas de presión. Independientemente de cuál sea el objeto vibrante que crea la onda sonora, las partículas del medio en el que esta se propaga vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio con una frecuencia dada. La frecuencia de la onda sonora asociada tiene que ver con qué tan a menudo vibran las partículas del medio cuando la onda pasa y se mide con el número de vibraciones completas de una partícula del medio por unidad de tiempo. Como en cualquier onda mecánica, la rapidez de una onda sonora se refiere a qué tan de prisa la perturbación que la produjo se pasa de partícula a partícula del medio. Así como la frecuencia es el número de vibraciones completas por unidad de tiempo que una partícula individual del medio lleva a cabo alrededor de su posición de equilibrio, la rapidez de la onda sonora en el medio es la distancia que la perturbación recorre en este por unidad de tiempo.

Para saber más Un diapasón es un objeto de metal que consta de dos brazos que pueden ponerse a vibrar cuando los golpea un martillo de goma. Frecuentemente, se usa para ilustrar la creación y propagación de ondas sonoras y también para afinar instrumentos musicales.

En esta página puedes encontrar actividades referentes a las cualidades del sonido: http://recursostic. educacion.es/ secundaria/edad/4esofi sicaquimica/4quincena 11/4q11_index.htm

33

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 33

12/21/12 11:45 AM


Para saber más Las ondas sonoras requieren un medio para propagarse, por ello no pueden viajar en el vacío. Si se pone un timbre dentro de una campana de vacío con una bomba acoplada para extraer el aire, aunque se vea que el timbre está funcionando, el sonido no se escucha.

Como vimos en la lección anterior, la rapidez con la que se propaga una onda en un medio dado (v) se puede calcular si se conoce su frecuencia (f) y su longitud de onda (λ) usando la fórmula v = λ × f. Las ondas sonoras no son una excepción. Pero en este caso, la rapidez con la que se propaga una onda sonora en un medio dado siempre es la misma y solo depende de las propiedades físicas del medio. Por ello, si se varía la frecuencia del sonido que se propaga en un medio, su longitud de onda cambiará de forma que el producto λ × f no se altere. En un concierto, por ejemplo, la orquesta emite sonidos de distinta frecuencia, pero todos ellos llegan a nuestros oídos al mismo tiempo. Las características del medio en el que se propaga una onda sonora y que afectan la rapidez con que lo hace son la presión, la temperatura y la humedad, entre otras. La rapidez del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos, y en los líquidos es mayor que en los gases.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza las siguientes situaciones y resuélvelas en tu cuaderno. » En un día caluroso oyes a un mosquito zumbar cerca de tu oreja. El zumbido lo produce el movimiento de sus alas a una frecuencia de 600 vibraciones completas por segundo (600 Hz). ¿Cuál es la frecuencia de la onda sonora que oyes como zumbido? Supón que la rapidez del sonido en el aire es de 345 m/s, ¿cuál es su longitud de onda? » Supón que tienes una fuente de ondas sonoras que se propagan en un gas a las que les puedes variar la frecuencia. Si doblas la frecuencia del sonido, ¿qué le pasa a la rapidez con que se propaga la onda resultante? ¿Qué le pasa a su longitud de onda?

Figura 1.42 La tesitura de un cantante es el conjunto de notas que puede abarcar, desde las más graves hasta las más agudas, es decir, la extensión de sonidos de frecuencia determinada que es capaz de emitir con su voz.

Figura 1.43 Muchas personas escuchan música empleando audífonos, en ocasiones la intensidad es de más de 90 dB, lo que puede ocasionar daños en el oído.

El sonido tiene varias características. Se conoce como tono de una onda sonora a la frecuencia de esta. Los sonidos agudos, como la voz de los niños y las mujeres, tienen frecuencias altas, mientras que los sonidos graves, como la voz de los hombres, tienen frecuencias más bajas (figura 1.42). Esto es, conforme se aumenta la frecuencia, el sonido es más agudo, y conforme se disminuye es más grave. El oído humano es capaz de detectar ondas sonoras en un intervalo de frecuencias que va desde los 20 Hz hasta los 20 000 Hz. Algunas personas, especialmente quienes han estudiado música, son capaces de detectar diferencias de tono de tan solo 2 Hz entre dos sonidos. Sin embargo, la mayoría detecta el patrón complejo resultante de la interferencia y superposición de las dos ondas sonoras únicamente cuando dos sonidos cuyas frecuencias difieren en más de 7 Hz se producen simultáneamente. En general, la amplitud de cualquier tipo de onda determina su intensidad. Así, una onda sonora como la que produce el paso de un avión, la cual tiene una gran amplitud, se escucha fuerte, mientras que la amplitud de la onda que produce alguien que habla en voz baja es pequeña y por eso su intensidad es débil. La intensidad del sonido depende también de la distancia entre la fuente y el detector, y disminuye conforme esta distancia aumenta en relación inversa al cuadrado de la misma. La intensidad de un sonido es una cantidad objetiva que se puede medir con instrumentos adecuados. La intensidad del sonido se mide en decibeles (dB). Los niveles aceptables para el oído humano van de los 0 dB hasta los 65 dB. Por debajo de 80 dB, el oído humano no presenta alteraciones definitivas, pero, dependiendo del tiempo de exposición y de la susceptibilidad personal, cuando la intensidad supera los 90 dB aparecen lesiones irreversibles (figura 1.43). La última característica del sonido a la que nos referiremos es el timbre. El timbre es la cualidad que nos permite diferenciar dos sonidos que tienen la misma intensidad y frecuencia, pero que proceden de fuentes distintas.

34

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 34

12/21/12 11:45 AM


También es una medida de la calidad del sonido que depende de la combinación de ondas estacionarias, llamadas armónicos, que se presentan en un instrumento musical. El timbre es útil, por ejemplo, para identificar sin verla a una persona que nos habla, aun estando de espaldas a ella. Por tratarse de ondas, las ondas sonoras también pueden presentar fenómenos como la reflexión cuando al encontrarse con una barrera rebotan y regresan al sitio donde se emitieron. Un ejemplo de esto se manifiesta en el eco, que es el fenómeno acústico que ocurre cuando una onda sonora se refleja en alguna superficie y regresa hacia el lugar en el que fue producida. Supón que estás en un cañón por donde pasa un río, cuyas paredes están lejos de ti y que das un grito y esperas a oír el eco. El tiempo que transcurre desde que gritas hasta que el eco te devuelve el sonido es el tiempo que tarda la onda sonora en llegar a la pared del cañón y regresar a ti. Conociendo la velocidad del sonido en el aire y habiendo medido el tiempo de ida y vuelta de la onda sonora, puedes calcular la distancia a la que te encuentras de la pared del cañón. Este tipo de cálculos, que generalmente son de poca importancia para los seres humanos, resultan vitales para algunos animales, como los murciélagos, que usan el eco en las noches tanto para volar sin chocar con obstáculos como para cazar a sus presas. Las personas utilizan el mismo principio para determinar profundidades en los océanos o localizar bancos de peces con los aparatos llamados sonares (figura 1.44).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Organízate con tu grupo en cuatro equipos. Cada uno leerá alguna de las siguientes situaciones y la presentará al resto del grupo para que la resuelva. » Cuando los tonos de dos notas musicales son uno el doble del otro se dice que están separados por una octava. Si el sonido del do central de un piano tiene una frecuencia de 256 Hz, ¿cuál será la frecuencia de una nota una octava menor? » Dos ondas sonoras se propagan en un medio que contiene un gas desconocido. Si la longitud de onda de la primera es de 1.2 m y la de la segunda, 3.6 m, ¿cómo son las velocidades de las ondas A y B una respecto a la otra? Si el gas fuera helio (la rapidez del sonido en el helio es de 1 008 m/s), ¿cuál sería la frecuencia de cada onda? » Una cámara fotográfica automática sumergible es capaz de enfocar objetos utilizando ondas ultrasónicas. Dicha cámara cuenta con un dispositivo que emite este tipo de ondas, las cuales se reflejan en los objetos que se enfocan, y regresan a la cámara. Un sensor registra el tiempo que le lleva a la onda hacer el recorrido de ida y vuelta. Supongan que una onda tardó 0.02 s en ser detectada por el sensor. Considerando que la rapidez de propagación del sonido en el agua es de 1 493 m/s, calculen la distancia a la que se encuentra el objeto que se quiere fotografiar. » Un elefante emite una onda sonora de 10 Hz. Si la rapidez del sonido en el aire es de 345 m/s, ¿cuál es la longitud de onda de esta onda infrasónica?

Cuando las ondas sonoras inciden sobre una barrera, y dependiendo del material del que esté hecha esta, no siempre se produce reflexión. Así, en algunos casos pueden transmitirse a través de la barrera o ser absorbidas para atenuarse hasta desaparecer. También pueden refractarse, es decir, modificar su dirección de propagación al cambiar de medio. La desviación respecto a la dirección de incidencia depende de la rapidez de propagación en ambos medios. Por otra parte, si el sonido encuentra un obstáculo en su dirección de propagación, es capaz de rodearlo y seguir propagándose; esto es, también experimenta difracción.

Figura 1.44 Esquema del sonar de un submarino emitiendo ondas sonoras debajo de un iceberg. Este dispositivo se basa en el fenómeno de reflexión del sonido.

Para conocer más acerca de las ondas, incluyendo las sonoras, observa el siguiente video: http://telesecundaria. dgme.sep.gob.mx/ interactivos/2_ segundo/2_Fisica/2f_ b01_t01_s03_ descartes/index.html En esta dirección hay ideas novedosas sobre las características del sonido: http://thales.cica.es/rd/ Recursos/rd99/ed990073-01/caracteristicas. html

Para saber más Cualquier sonido de frecuencia menor a 20 Hz se llama infrasonido, y cuando su frecuencia es mayor a 20 000 Hz se llama ultrasonido. Los perros y los gatos pueden detectar ultrasonidos, pero son los delfines los que detectan los ultrasonidos de frecuencias más altas. Los elefantes, en cambio, tienen la capacidad de captar infrasonidos.

35

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 35

12/21/12 11:46 AM


Para saber más Cuando la fuente de ondas y el observador están en movimiento relativo con respecto al medio material en el que se propaga la onda, la frecuencia de las ondas observadas es diferente de la frecuencia de las ondas emitidas por la fuente. A esto se le llama efecto Doppler.

Integramos En esta lección hemos examinado varias características del sonido utilizando el modelo de ondas longitudinales. Así, ahora entiendes por qué ciertas ondas sonoras producidas simultáneamente provocan una sensación placentera al oído y constituyen la base de los intervalos que se utilizan en algunas composiciones musicales. Por otra parte, puedes distinguir dos o más instrumentos musicales que tocan la misma nota (o conjunto de notas), gracias al timbre característico que producen. En cuanto al ruido, podemos decir que se trata de una sensación auditiva inarticulada, generalmente desagradable. Ahora entenderás por qué un amante de la música como Marcelo no puede ensayar a gusto si en la calle hay ruido, seguramente de varios decibeles, que interfiere con su actividad. En las salas de concierto evitan estas dificultades aislándolas del exterior y empleando materiales que reflejan bien el sonido en el interior.

Aproximación al conocimiento científico Puedes ver una aplicación informática del efecto Doppler en http://www.educaplus. org/play-182-EfectoDoppler.html

Aprovechando las características del sonido y su carácter ondulatorio puedes desarrollar un sencillo dispositivo de comunicación a distancia. Reúnete con un compañero, hagan lo que se les indica y respondan las preguntas en sus cuadernos.

Material: ¿Qué necesitamos? Tres pares de vasos de plástico de diferentes formas y tamaños (al menos un par debe ser de plástico duro o rígido; pueden usar botellas de yogur bebible), tramos de 1 m y 2 m de los siguientes materiales: hilo de estambre, cordeles de algodón más delgados que el estambre y de hilo de nailon.

Desarrollo: ¿Qué hacemos?

Figura 1.45

1. Tomen el primer par de vasos y hagan un pequeño agujero en el fondo de cada uno. A continuación, pasen uno de los tramos de estambre a través de los orificios y hagan un nudo (figura 1.45). 2. Tome cada quien un vaso. Sepárense estirando el estambre, sin romperlo, de modo que quede tenso. 3. Mientras que uno coloca el vaso en su oído, el otro debe comenzar a hablar. Intercambien ahora los papeles: el que antes habló debe poner el vaso en su oído y viceversa (figura 1.46). 4. Repitan los cuatro pasos anteriores usando sucesivamente el otro tramo de estambre, los de cordel de algodón y los del hilo de nailon. 5. Hagan lo mismo con los otros dos pares de vasos.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

Figura 1.46

1. Expliquen en su cuaderno cómo funciona su dispositivo y las características del sonido que están involucradas en su funcionamiento. 2. Contesten. » ¿Con qué material fue más nítido el sonido? » ¿Cómo influyó la longitud del hilo en la calidad de la comunicación? » ¿Es mejor usar vasos de plástico duro o vasos de plástico blando para la calidad de la comunicación? ¿Por qué? » ¿Qué ocurriría si utilizaras más de dos vasos? ¿Funcionaría el dispositivo?

36

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 36

12/21/12 11:46 AM


BLOQUE

1

Lección 1

El trabajo de Galileo Explicaciones de Aristóteles y Galileo acerca de la caída libre

aprendizaje esperado. Identifica las explicaciones de Aristóteles y las de Galileo respecto al movimiento de caída libre, así como el contexto y las formas de proceder que las sustentaron.

Comenzamos Una hoja y una nuez caen de un árbol en el mismo instante. Rafael y Natalia los ven caer y discuten acerca de lo que han observado. Rafael piensa que la nuez debe caer más rápido porque es más pesada que la hoja. Natalia duda de esto y propone hacer experimentos. ¿Quién piensas que está en lo correcto? 1. Responde en tu cuaderno. » Suelta al mismo tiempo, desde la misma altura, tu cuaderno y una hoja de papel. ¿Cuál llega antes al suelo? » Ahora arruga el papel hasta hacerlo una bola compacta y vuelve a repetir el experimento anterior. ¿Qué sucede? » Considerando que el papel es mucho más ligero que un libro, ¿cuál sería tu conclusión si los dejaras caer al mismo tiempo?

Figura 1.47 Aristóteles (384 a. n. e.-322 a. n. e.). Filósofo griego cuyo trabajo abarcó muchas áreas del conocimiento, como la lógica, la biología y la retórica.

Aprendemos Desde que somos pequeños nos percatamos de que si soltamos un objeto de materia inerte que teníamos en la mano, este se mueve verticalmente hacia abajo. Este tipo de movimiento está relacionado con la atracción que ejerce la Tierra sobre los objetos y los hace caer, la llamada fuerza de gravedad. Se conoce como caída libre de un objeto al movimiento que este realiza únicamente bajo la acción de la gravedad cuando se le suelta de cierta altura. No es de extrañar que en la Antigüedad clásica griega, los filósofos, como Aristóteles, en el siglo IV antes de nuestra era, se preocuparan por este problema. Para Aristóteles, los objetos más pesados debían caer más rápido que los livianos si se les soltaba simultáneamente desde la misma posición. Él usaba la intuición, pero no la experimentación para comprobar sus hipótesis. Lo que Aristóteles (figura 1.47) no consideró fue que, en la práctica, los objetos que caen en la superficie terrestre siempre lo hacen rodeados de aire. En el siglo xvi, Galileo Galilei (figura 1.48) se dio cuenta de que cuando un objeto cae no solo actúa la gravedad, sino que también está presente la resistencia del aire, que puede influir más en la caída de un objeto liviano que en uno pesado (figura 1.49). Como comprobaste con la hoja de papel, también hay que considerar la forma del objeto. Lo anterior indica la conveniencia de ir más allá de lo que nuestros sentidos perciben. Como no vemos el efecto del aire al ser atravesado por un objeto tendemos incorrectamente a ignorarlo.

Figura 1.48 Galileo Galilei (15641642). Astrónomo, matemático y físico italiano. Con su trabajo experimental contribuyó a la creación de la metodología científica moderna.

Figura 1.49 Si no hubiera aire, los paracaidistas que saltan desde una aeronave, caerían libremente. De hecho, aprovechan la resistencia del aire para lograr ciertas figuras.

37

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 37

12/21/12 11:46 AM


a) En el aire

b) En el vacío

Aire

Figura 1.50 En esta figura se ilustra esquemáticamente que una pluma y una bola de hierro caerán juntas en ausencia de aire.

Figura 1.51 La Torre de Pisa de la que cuenta la leyenda que Galileo soltó diferentes objetos para probar su hipótesis.

Así, según la forma y el peso que tenga el objeto, este vencerá mejor o peor la resistencia del aire. Todos hemos visto las hojas de los árboles como si flotaran en el aire cuando caen, mientras que una nuez cae directamente al suelo. La física es parte de la cultura, y su desarrollo a lo largo de la historia ha permitido entender mejor los conceptos del mundo que nos rodea. Este desarrollo no ha sido siempre progresivo, pero lo que sin duda se ha logrado ha sido el establecimiento de una metodología basada en la experimentación y en la comprobación de los resultados, que comenzó a usarse de manera sistemática a partir de las contribuciones de Galileo. Antes de él, la persistencia del pensamiento aristotélico por varios siglos en la cultura occidental estuvo fuertemente determinada por el respaldo y la vigilancia de la Iglesia católica, y no hay constancia de que Aristóteles tuviera la práctica de la experimentación para comprobar sus hipótesis. Es posible hacer un experimento en el laboratorio con un tubo al que se le ha extraído el aire. En ese caso se comprueba, sin ninguna duda, el experimento de Galileo que concluye que todos los objetos soltados a una misma altura llegan juntos al suelo (figura 1.50). En la época de Galileo era imposible construir un tubo que extrajera todo el aire. Sin embargo, Galileo razonó que si su hipótesis era correcta, dos objetos que tuvieran la misma forma al caer experimentarían la misma resistencia del aire y por lo tanto su efecto podría ignorarse. Para ello, usó objetos de la misma forma, pero de peso muy distinto. Dice la leyenda que usó bolas de hierro y de madera, y que las soltó simultáneamente desde la barandilla de la plataforma superior de la Torre de Pisa. Y a pesar de que había una gran diferencia de peso, las dos bolas tocaron tierra al mismo tiempo (figura 1.51).

Desarrolla tu pensamiento científico Observa esta representación del experimento de Galileo: http://www. telesecundaria.dgme. sep.gob.mx/recurso/ rcr_02.php?id=987

1. Analiza la siguiente situación hipotética. Luego, en tu cuaderno haz lo que se pide. Supón que los datos de la siguiente tabla corresponden al movimiento en caída libre de una piedra desde una altura de 125 metros.

Tiempo en segundos (s)

Distancia recorrida en metros (m)

1

5

2

20

Para medir

3

45

Para hacer experimentos relacionados con la caída libre sigue las instrucciones que se encuentran en http://red.ilce.edu. mx/sitios/proyectos/ trabajo_galileo_pri12/ docs/experimentos_ caida_cuerpos.pdf

4

80

5

125

Una pista

» » » »

Representa los datos en una gráfica de distancia-tiempo. Describe la gráfica que obtuviste. Analiza la rapidez media de la piedra para intervalos de un segundo. Contesta. ¿Consideras que el resultado anterior es consistente con el pensamiento aristotélico? ¿Por qué?

38

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 38

12/21/12 11:46 AM


Para Aristóteles existían dos tipos de movimiento de los objetos: el movimiento natural y el movimiento violento. En la superficie de la Tierra, considerada como el marco de referencia fundamental, el movimiento natural podía ser hacia arriba o hacia abajo. Los movimientos naturales no eran provocados por ninguna fuerza y se realizaban porque los objetos buscaban sus lugares naturales de reposo. Estos movimientos dependían de las propiedades intrínsecas de los objetos, que estaban compuestos de cuatro elementos fundamentales: agua, tierra, aire y fuego. Así, los cuerpos pesados, como una piedra (compuesta de agua y tierra), naturalmente tendían a ir hacia abajo, mientras que los cuerpos livianos, como el humo (compuesto de aire y fuego), tendían a hacerlo hacia arriba. En contraste, los movimientos violentos eran movimientos impuestos y se originaban por la acción de fuerzas que tiraban del cuerpo o lo empujaban. No es sorprendente que las ideas de Aristóteles perduraran tantos siglos porque parecen ser congruentes con nuestra intuición. Aun hoy es muy probable que una persona sin entrenamiento científico describa en forma aristotélica una caída libre de varios objetos. Pero fue Galileo quien puso en duda el razonamiento aristotélico y sometió su hipótesis a una comprobación experimental. Hay que señalar que un experimento necesita estar acompañado de mediciones. Para ello, como veremos más adelante, Galileo diseñó instrumentos muy ingeniosos para medir algunas propiedades físicas (figura 1.52). Ya hemos señalado cómo se le ocurrió a Galileo eliminar el efecto de la resistencia del aire en la caída libre de los cuerpos, al considerar objetos de la misma forma y tamaño, aunque de peso distinto. Adicionalmente, con el mismo propósito, imaginó la siguiente situación: un cuerpo pesado se deja caer llevando atado un cuerpo más ligero. Si efectivamente la rapidez con la que caen es diferente, el cuerpo ligero debería frenar al más pesado. Pero, la unión de los dos cuerpos es otro cuerpo todavía más pesado que el original, por lo que debería caer antes. Es decir, hay una contradicción intrínseca en la descripción aristotélica. Aristóteles aseguraba que los cuerpos livianos caían más despacio que los pesados y no podría explicar que dos cuerpos unidos, uno pesado y otro liviano, cayeran juntos.

Conoce más acerca del movimiento, según Aristóteles, en esta página: http://www. educar-argentina.com. ar/ENE2012/educ571. htm

Integramos Aristóteles escribió que los objetos más pesados caen más rápido que los ligeros. Y aunque estaba equivocado, los europeos le creyeron por cientos de años. Esto se debió, en parte, a que la experimentación no se consideraba un medio aceptado para encontrar los hechos correctos, y porque instituciones religiosas de la época habían designado a Aristóteles como la fuente oficial de información, por lo que no aceptaban ninguna interpretación distinta. En ciencia no existe tal cosa. Nadie tiene la última palabra en cuanto a los fenómenos naturales. El mundo que nos rodea se estudia experimentalmente y si hay resultados nuevos las interpretaciones se modifican. En el caso de la caída libre, queda claro que no basta la intuición para sacar conclusiones. De hecho, en ciencia es importante la manera en la que se formulan las preguntas. Aristóteles se preguntaba: “¿Por qué los cuerpos pesados caen más rápido que los livianos?”, mientras que Galileo se preguntó: “¿Es verdad que los cuerpos pesados caen más rápido que los livianos?” . La pregunta de Aristóteles prejuzga la respuesta, mientras que Galileo cuestiona si nuestros sentidos nos engañan. En el primer caso, como la respuesta está anticipada, ya no se puede hacer nada más. Sin embargo, en el segundo caso, la propia pregunta detona un proceso del que saldrán nuevos conocimientos y muchas nuevas preguntas.

Figura 1.52 Uno de los instrumentos de medición que inventó Galileo fue un termómetro hecho con esferas de vidrio conteniendo un líquido, colocadas dentro de un tubo lleno de agua.

39

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 39

12/21/12 11:46 AM


Es probable que al iniciar esta lección habrías contestado sin dudar que un cuerpo pesado cae antes que uno liviano. Ese fue precisamente el razonamiento de Rafael al principio de la lección, cuando concluyó que la nuez caía más rápido que la hoja. Inconscientemente, sostenía el pensamiento de Aristóteles. En cambio, Natalia, aun sin saber la respuesta, propuso hacer experimentos. Ese es el camino de la ciencia.

Aproximación al conocimiento científico Reúnete con un compañero para que lleven a cabo un experimento similar al que hizo Galileo.

Material: ¿Qué necesitamos? Una escalera de aproximadamente 2 m para apoyarla en la pared, un balín metálico, una canica de vidrio del mismo tamaño que el balín, un cronómetro o reloj con segundero y cinta adhesiva

Desarrollo: ¿Qué hacemos?

Figura 1.53

Detalle de la canica y el balín unidos

1. Aten la canica y el balín con la cinta adhesiva. Pongan cinta suficiente para que queden bien unidos (figura 1.53). 2. Apoyen la escalera en la pared. Uno de ustedes suba con la canica y el balín unidos, así como con un trocito de cinta adhesiva con el que marcará una altura en la pared, lo más cerca del techo que se pueda. El otro compañero tomará el cronómetro (figura 1.54). 3. Pónganse de acuerdo para que cuando el compañero deje caer la canica y el balín unidos desde la altura marcada, el que tiene el cronómetro empiece a tomar el tiempo. 4. En el momento en que caigan al suelo se debe parar el cronómetro y anotar el tiempo que tardaron en caer. 5. Retiren la cinta adhesiva para separar el balín de la canica. 6. Repitan los pasos 3 y 4, pero dejando caer únicamente el balín desde la misma altura marcada en la pared. 7. Ahora repitan los pasos 3 y 4, dejando caer únicamente la canica desde la misma altura marcada en la pared.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. Contesten. » ¿Cómo resultaron los tiempos de caída del balín y la canica unidos, y del balín y la canica por separado? » ¿Qué puedes decir respecto al peso de los objetos utilizados y su tiempo de caída? 2. Utilicen sus resultados para explicar si el razonamiento de Galileo fue correcto.

Figura 1.54

40

S-Fis-CNT-B1-024-040_PDF_alta_alumno 40

12/21/12 11:46 AM


BLOQUE

1

Lección 2

El trabajo de Galileo Aportación de Galileo a la construcción del conocimiento científico

aprendizaje esperado. Argumenta la importancia de la aportación de Galileo en la ciencia, como una nueva forma de construir y validar el conocimiento científico con base en la experimentación y el análisis de los resultados.

Comenzamos Dos equipos de jóvenes se han reunido para jugar “dígalo con mímica”. Han acordado que cada equipo tenga dos minutos para que uno de sus miembros le explique con mímica el título de una película. Pero sucede que ninguno lleva un reloj ni ningún instrumento que mida el tiempo. A Emiliano se le ocurre una forma de resolver el problema: usar su pulso. Él sabe que en reposo se tienen aproximadamente 80 pulsaciones por minuto. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Cuántas pulsaciones debe contar Emiliano para hacer que el equipo que trata de explicar el título con mímica se detenga? » ¿Consideras que sería práctico utilizar pulsaciones para medir la duración de un partido de futbol? ¿Por qué? » ¿Cuáles son otros fenómenos naturales que pueden servir para medir el tiempo?

Aprendemos Una leyenda acerca de Galileo afirma que cuando se hallaba sentado en el interior de la catedral de Pisa observando unos candeleros que oscilaban colgados del techo notó que aunque la amplitud de la oscilación se hacía cada vez más pequeña, la duración (el periodo) parecía ser la misma para todas las oscilaciones (figura 1.55). Midió estos periodos con su pulso, es decir, con el ritmo de su corazón. Esta observación casual resultó ser correcta y le sirvió para construir un aparato llamado pulsímetro, para medir el pulso de los pacientes en los hospitales usando un péndulo. Sin embargo, Galileo no usó el péndulo para medir pequeños intervalos. Usaba en cambio un gran tanque lleno de agua con un pequeño orificio del que salía el líquido (dispositivo conocido como clepsidra). Calculaba el tiempo a partir de la cantidad de agua que había salido, método bien conocido en su época, que ya había sido usado por diversas culturas. Actualmente, el avance de la tecnología permite contar con instrumentos de gran precisión, capaces de medir intervalos de millonésimas de segundo.

Una pista Para medir Uno de los primeros retos que enfrentó la humanidad fue medir el tiempo. Si quieres saber más acerca de este tema visita http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/act_ permanentes/historia/ histdeltiempo/pasado/ tiempo/p_midien.htm

Clepsidra. Es un reloj de agua diseñado en el antiguo Egipto (1500 a. n. e.). Consta de un recipiente lleno de agua hasta cierto nivel, con un agujero en la base que asegura la salida del líquido a una velocidad y un ritmo determinados. Se usaba en la noche, cuando ya no servían los relojes de sol.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Junto con un compañero consigan dos recipientes de plástico (pueden ser vasos desechables). Hagan un orificio en la base de uno de ellos. En el segundo recipiente hagan otro orificio, pero en un lado (figura 1.56). Tapen con un dedo los orificios y llenen los vasos con agua. Ahora quiten los dedos y observen lo que pasa. » Describan la trayectoria del agua en cada caso. » ¿Se les ocurre una manera de analizar si el agua sale con más velocidad en alguno de los casos? ¿Cómo lo harían? Anótenlo. » ¿Cómo podrían usar cada recipiente como un reloj de agua? Explíquenlo.

Figura 1.55 Galileo reflexionando acerca de la oscilación del candelero.

Figura 1.56 Las flechas muestran dónde hacer los orificios en los vasos.

41

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 41

12/21/12 11:48 AM


En sus estudios sobre la caída libre de los cuerpos, Galileo se dio cuenta de la utilidad de dejar caer el cuerpo por un plano inclinado para reducir su tiempo de caída. De esta manera, como al resbalar un objeto por un plano va más despacio que si se le dejara caer libremente, los intervalos de tiempo involucrados eran suficientemente largos para ser medidos usando el reloj de agua. En un lenguaje moderno, podemos decir que el plano inclinado reduce el efecto de la gravedad. Se dice que otra idea ingeniosa que Galileo empleaba al dejar caer un objeto por un plano inclinado era tocar una canción, y al terminar el movimiento marcaba el dato en la partitura. Así, la partitura musical se volvía un registro del tiempo que requería cada objeto para caer. Recordemos que estaba buscando si la hipótesis aristotélica de que un objeto pesado cae más rápidamente que uno liviano era correcta. Sus estudios con el plano inclinado le ayudaron a entender mejor la resistencia entre los materiales, así como también que el aire ofrece una resistencia a los objetos que caen en él, y que un plano inclinado de madera rugosa muestra una diferente resistencia al objeto que resbala por él que la mostrada por un plano de madera pulida.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reflexiona y contesta. » Ya aprendiste que el aire ejerce una resistencia a ser atravesado y que según la forma del objeto que cae el efecto del aire puede ser mayor o menor. ¿Qué piensas que pasaría si los objetos en lugar de caer en aire cayeran en agua? Explícalo. » ¿Qué pasaría si en lugar de caer en agua cayeran en aceite? ¿Por qué? » ¿Qué pasaría si cayeran en el vacío? ¿Por qué?

Figura 1.57 Representación del modelo geocéntrico.

Una pista Para reflexionar Para que leas acerca de otra polémica que sostuvo Galileo visita http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/ act_permanentes/conciencia/ensenia/huevos/ ciencia.htm

Galileo también fue astrónomo, y si bien no inventó el telescopio, sí lo perfeccionó para estudiar el cielo. Con él observó los cráteres de la Luna, pudo describir las manchas solares, descubrió los anillos de Saturno, verificó las fases de Venus y detectó una estrella supernova. Él descubrió las cuatro lunas de Júpiter, a las que les puso el nombre de los cuatro hermanos Medici. Mientras que para Aristóteles la Tierra estaba quieta en el Figura 1.58 Representación del centro del universo (figura 1.57), Galileo, explorando el cielo modelo heliocéntrico. con un telescopio, llegó a la conclusión de que la Tierra giraba alrededor del Sol (figura 1.58). Esta conclusión, a la que también llegó experimentalmente, le causó un gran problema con la Inquisición, la cual defendía los intereses de la Iglesia católica en ese momento histórico. Para la Iglesia, que había adoptado las tesis de Aristóteles, los nuevos métodos de investigación no eran aceptables, y Galileo fue procesado por ellos. Dicen que aunque Galileo debió retractarse de su descubrimiento para evitar ser condenado, dijo en voz baja: “…y, sin embargo, se mueve”. Casi 400 años más tarde, en 1992, la Iglesia católica reconoció de manera pública que Galileo tenía razón y que fue juzgado injustamente. Como era usual en esa época, Galileo no se concentró en una sola disciplina, sino que estudió filosofía, medicina y matemáticas. Fueron las matemáticas su gran pasión e introdujo el formalismo matemático en todos sus estudios de fenómenos naturales. En sus propias palabras, nos dejó la siguiente reflexión: “El universo no puede entenderse hasta que hayamos aprendido su lenguaje y nos familiaricemos con los caracteres en que está escrito […] Las leyes de la naturaleza están escritas en el lenguaje de las matemáticas y sus letras son triángulos, círculos y otras figuras geométricas, sin cuya ayuda es imposible comprender una sola palabra”.

42

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 42

12/21/12 11:48 AM


La obra cumbre de Galileo se publicó en 1635 y su nombre completo es Discurso y demostración matemática en torno a dos nuevas ciencias (figura 1.59). En ella aparecen tres personajes que discuten sobre ciencia. Este libro, que introduce la disciplina de la mecánica y pone fin a la física aristotélica, fue escrito en italiano y constituyó un paso muy importante para popularizar la ciencia, pues antes de esta obra todas las publicaciones científicas estaban escritas en latín. Por lo que usar el lenguaje común de la gente le permitió a sus contemporáneos leerlo. Se dice por eso que Galileo fue el primer divulgador de la ciencia.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. A continuación, te presentamos un fragmento del libro de Galileo al que hemos hecho referencia. Coméntalo con tus compañeros y apunta tus comentarios en el cuaderno. SIMPLICIO: No sé bien qué hizo o dijo Aristóteles, quien era el maestro de todas las ciencias, pero sé un poco de lo que dicen sus seguidores y de lo que hay que decir para no quedarnos sin un guía, un líder y un jefe en filosofía. SALVIATI: ¿Por qué no observar en lugar de reducir tu posición a escuchar las historias de otros? ¿Por qué no tratar de verlo con tus propios ojos? SAGREDO: De lo que se ha dicho, se pueden poner a consideración dos argumentos generales: primero el de Aristóteles; segundo, el de Salviati. Pidámosle a Simplicio que sea tan amable de traernos argumentos específicos, experimentos y observaciones, tanto físicas como astronómicas. Y tú, Salviati, ten la amabilidad de contestar a sus argumentos uno a uno. » ¿Cuál es la posición de Simplicio en el debate? » ¿Cuál es el argumento de Salviati? » ¿Cuál es la sugerencia de Sagredo?

Una pista Para reflexionar Hubo voces que defendieron a Galileo cuando fue procesado por la Inquisición. Para leer más al respecto visita http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/ act_permanentes/historia/html/galileo/campanella.htm

Figura 1.59 Portada del libro Discurso y demostración matemática en torno a dos nuevas ciencias.

Integramos El número y calidad de las aportaciones de Galileo que hemos descrito dan buena cuenta de su importancia para el desarrollo de la ciencia. Sin embargo, su aportación fundamental fue una nueva manera de aproximarse al estudio de la naturaleza. En primer lugar, separar los aspectos esenciales del fenómeno de estudio, de aquellos factores irrelevantes para el mismo. En segundo lugar, el reconocer la necesidad de hacer experimentos y mediciones para comprobar cualquier hipótesis. Aunque Galileo diseñó equipos de medición, tuvo también la capacidad de llegar a conclusiones en circunstancias en las que era muy difícil hacerlo dada la tecnología de aquella época (figura 1.60). Como al principio de esta lección hicimos notar, usó su creatividad para medir fenómenos cotidianos periódicos, como el latido del corazón. Lo anterior le dio un formalismo matemático a sus resultados, que es la clave del éxito de la ciencia moderna. La ciencia, entendida como la búsqueda de explicaciones y aplicaciones que nos ayudan a sobrevivir y a mejorar nuestras condiciones de vida, es tan antigua como la especie humana, y común a todos los pueblos que han habitado nuestro planeta. Cuando se dice que con Galileo arranca la ciencia moderna, de ninguna manera es en demérito de grandes logros previos a su época. Lo que sí sucede a partir de Galileo es el reconocimiento de una metodología experimental para responder las preguntas acerca de la naturaleza. También durante esa época empezaron a surgir organismos que reunían a los científicos, y en las universidades comenzó un proceso de profesionalización de la actividad científica.

Figura 1.60 Galileo construyó planos inclinados parecidos a los de esta imagen; hizo rodar varias esferas desde la parte más alta y midió el tiempo que tardaban en recorrer la longitud del plano.

43

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 43

12/21/12 11:48 AM


Aproximación al conocimiento científico Una de las características trascendentales del trabajo de Galileo es que planeaba con minuciosidad sus experimentos, teniendo siempre en mente las variables que debía medir. Los repetía varias veces, anotaba los resultados y obtenía las conclusiones para verificar la validez de sus hipótesis y hacer afirmaciones científicas. Ahora llevarás a cabo una actividad como las que desarrolló Galileo. Reúnete con dos compañeros y hagan lo que se les indica.

Material: ¿Qué necesitamos? Una canica, una tabla de madera lisa de 1 m de largo y 20 cm de ancho, una cinta métrica, dos cronómetros, una regla, un plumón y doce cuadernos o libros iguales de 1 cm de grosor

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Marquen una línea recta que divida la tabla en dos partes de 50 cm. 2. En el punto medio de uno de los extremos de la tabla, marquen con el plumón un punto que considerarán el origen de los movimientos que analizarán. 3. Coloquen ese extremo de la tabla encima de cuatro cuadernos y el otro en el suelo, de tal manera que forme un plano inclinado (figura 1.61). 4. Uno de ustedes dejará caer la canica desde el borde de la tabla y los otros dos manejarán los cronómetros. Habiendo acordado arrancar los cronómetros en el momento en que se suelte la canica, el primer cronometrista tomará el tiempo que le lleva a la canica pasar por la línea marcada a los 50 cm, mientras que el otro registrará el tiempo que le lleva a la canica alcanzar el otro extremo de la tabla. Practiquen este procedimiento un par de veces para lograr una buena sincronización antes de tomar los datos definitivos. 5. Inicien el experimento y midan el tiempo que la canica tarda en recorrer 50 cm y el tiempo que tarda en recorrer la tabla completa (figura 1.62). 6. Coloquen ahora ocho cuadernos o libros debajo de la tabla y repitan los pasos 4 a 5. Figura 1.61

7. Pongan finalmente los doce cuadernos o libros debajo de la tabla y repitan los pasos 4 a 5. 8. Con los datos obtenidos elaboren una tabla en el pizarrón como la siguiente.

Tramo Rapidez Número recorrido Tiempo media de por la empleado en el cuadernos canica (s) intervalo (cm) (cm/s) 4

De 0 a 50 De 50 a 100

8

De 0 a 50

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? Examinen los datos de la tabla y contesten en sus cuadernos las siguientes preguntas. m ¿Cuál fue el tiempo en el que la canica recorrió cada tramo con cada altura de la pila de cuadernos o libros? m Con cada altura de la pila de cuadernos, ¿fue constante la rapidez media de la canica en todo el recorrido? ¿En cuál tramo fue mayor? m ¿Variaron los tiempos empleados por la canica para recorrer cada tramo al variar el número de cuadernos sobre el que se apoyaba la tabla? m ¿Con cuál número de cuadernos los tiempos de recorrido fueron menores? m ¿Qué piensan que pasaría con esos tiempos si se colocara la tabla verticalmente? m Consideren el experimento de caída libre que hicieron en la lección anterior. m ¿Cómo describen el cambio de rapidez con el tiempo? Figura 1.62

44

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 44

12/21/12 11:48 AM


BLOQUE

1

Lección 3

El trabajo de Galileo La aceleración; diferencia con la velocidad

aprendizaje esperado. Relaciona la aceleración con la variación de la velocidad en situaciones del entorno y/o actividades experimentales.

Comenzamos Como hace mucho frío y no quieren enfermarse, Amparo y Agustín en lugar de ir caminando se suben al coche de sus papás para ir a la escuela, que queda a unos 2 km de su casa en línea recta. Ese día hay poco tránsito en la calle. Amparo le pide a su papá que maneje deprisa. Con el arrancón, Agustín —aunque lleva el cinturón de seguridad abrochado— tiene la sensación de que se va hacia atrás en su asiento; y poco antes de llegar a la escuela, al ver a un agente de tránsito, se asusta porque piensa que los multará por ir a exceso de velocidad. Amparo lo tranquiliza cuando le dice que mire el velocímetro, que en ese momento apenas marca 30 km/h, lo que está por debajo del límite de velocidad permitido en esa calle, que es de 40 km/h. Luego, Agustín siente como si se fuera hacia adelante en su asiento cuando su papá frena totalmente para que bajen del coche. 1. Responde en tu cuaderno. » Además de la posición, ¿qué otra magnitud física cambió en el estado de movimiento del coche cuando arrancó? » ¿Cuál fue el cambio en el estado de movimiento del coche cuando frenó? » ¿Se mantuvo la rapidez constante en el movimiento rectilíneo del coche?

Figura 1.63 Al presionar el pedal del acelerador de un automóvil, este aumenta su rapidez y si se mueve en línea recta la aceleración tiene el mismo sentido que la velocidad.

Aprendemos A partir del análisis de la caída libre y de la actividad de la lección anterior pudiste constatar que la rapidez puede cambiar durante el transcurso del tiempo. Cuando se suelta un objeto desde cierta altura, su rapidez inicial es cero, mientras que al llegar al suelo alcanza su valor máximo. Hay muchos ejemplos, además de la caída libre, en los que cambia la rapidez y, por lo tanto, la velocidad: una pelota que pateas hacia la portería; cuando un perro comienza a correr detrás de un gato, o simplemente cuando el autobús sale de la parada hasta alcanzar su velocidad de recorrido. Cuando un objeto aumenta su rapidez, en el lenguaje cotidiano se dice que “se acelera” (figura 1.63), mientras que si disminuye su rapidez se dice que “se frena” (figura 1.64). Pero en ciencia se debe ser más preciso. Esto lleva a la necesidad de emplear un concepto que describa el cambio en la velocidad durante el transcurso del tiempo. Así como se ha definido la velocidad como el cambio de la posición entre el tiempo transcurrido, se definirá ahora la aceleración como el cambio de la velocidad entre el tiempo en el que cambia. Hay que notar que en física, la aceleración no tiene nada que ver con moverse muy rápido. Un objeto que se mueve con gran rapidez, pero manteniendo dicha rapidez constante, no está acelerando. Un objeto se acelera solamente si su velocidad cambia en el transcurso del tiempo. Como los objetos acelerados cambian constantemente de velocidad, el cociente entre la distancia que recorren y el tiempo en que lo hacen no se mantiene fijo. Un objeto en caída libre aumenta su rapidez mientras va cayendo. Para comprobarlo, puede medir experimentalmente la rapidez de dicho objeto al caer. Entonces se determinaría que su rapidez promedio es de aproximadamente 5 m/s en el primer segundo; de casi 15 m/s en el siguiente segundo; de cerca de 25 m/s en el tercer segundo; de casi 35 m/s en el cuarto segundo, etc. Esto es, durante su caída el objeto se está acelerando.

Figura 1.64 Cuando un ciclista presiona las palancas del freno de la bicicleta disminuye su rapidez, esto significa que su aceleración va en sentido contrario al movimiento.

45

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 45

12/21/12 11:48 AM


Figura 1.65 A medida que el balón se acerca al piso, aumenta su rapidez 10 m/s cada segundo.

Para saber más En el movimiento circular uniforme, un objeto se mueve en una órbita circular con una rapidez constante. Sin embargo, su velocidad sí cambia de dirección en cada punto, como se puede observar en la figura 1.66. Si hay un cambio de dirección, necesariamente hay una aceleración, que en este caso se llama aceleración centrípeta. En la figura se marca el vector velocidad. v1 ∆v v1

Ejemplo A Tiempo (s) Velocidad (m/s)

Ejemplo B Tiempo (s) Velocidad (m/s)

0

0

0

–8

1

2

1

–6

2

4

2

–4

3

6

3

–2

4

8

4

0

Estos son dos ejemplos de aceleración positiva.

Ejemplo C Tiempo (s) Velocidad (m/s)

Ejemplo D Tiempo (s) Velocidad (m/s)

0

8

0

0

1

6

1

–2

2

4

2

–4

3

2

3

–6

4

0

4

–8

Estos son dos ejemplos de aceleración negativa.

v2

B A v2

Dados estos valores promedio de la rapidez, para cada intervalo consecutivo de un segundo, se puede determinar que el objeto cayó 5 m en el primer segundo, 15 m en el siguiente segundo (esto es un total de 20 m desde que empezó a caer), 25 m en el tercer segundo (un total de 45 m desde el inicio) y 35 m en el cuarto segundo (un total de 80 m de caída después de cuatro segundos). Lo anterior ilustra varios aspectos del movimiento de caída libre de un objeto (figura 1.65). Por una parte, que el cambio de la rapidez en cada intervalo de tiempo de un segundo fue el mismo: 10 m/s; por lo tanto, la aceleración fue constante y aproximadamente igual a 10 m/s/s. Por otra parte, que el objeto en caída libre recorrió diferentes distancias en intervalos de tiempo iguales. Como la aceleración es un vector tiene una dirección y un sentido asociados. Si el movimiento es rectilíneo, el sentido de la aceleración depende de dos cosas: de si el móvil aumenta o disminuye la magnitud de su velocidad, y de si el móvil se desplaza en dirección positiva o negativa. Como regla general, se puede decir que si disminuye dicha magnitud la aceleración ocurrirá en dirección opuesta a la dirección del movimiento. Considera las cuatro tablas de datos correspondientes a movimientos rectilíneos que se muestran a continuación.

r C

Figura 1.66 Representación del movimiento circular uniforme de un objeto.

En el primer caso (A), el objeto se mueve en sentido positivo (tiene velocidad positiva) y la magnitud de su velocidad está aumentando. En dicho caso, la aceleración ocurre en la misma dirección que la velocidad y en sentido positivo. En el caso B, el objeto se mueve en sentido negativo (tiene velocidad negativa) y la magnitud de su velocidad está disminuyendo. De acuerdo con la regla que se mencionó anteriormente, la aceleración ocurre en la misma dirección, pero en sentido opuesto al de la velocidad y, por tanto, su sentido es positivo (igual que en el caso A). En el caso C, el objeto tiene velocidad positiva (se mueve en sentido positivo) y la magnitud de su velocidad va disminuyendo. Nuevamente, su aceleración ocurre en la misma dirección, pero en sentido opuesto al de la velocidad, es decir, su sentido es negativo. En el caso D, el objeto tiene velocidad negativa (se mueve en sentido negativo) y la magnitud de su velocidad está aumentando, por lo que su aceleración ocurre en la misma dirección y sentido que los de la velocidad, siendo este sentido negativo.

46

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 46

12/21/12 11:48 AM


Hay que notar que el uso de los términos negativo o positivo en relación con la velocidad y la aceleración, como el que se acaba de describir, siempre tiene un significado físico. En estos casos, hace referencia a la dirección y el sentido que como cantidades vectoriales tienen tanto la velocidad como la aceleración. Afirmar, como se ha hecho en los casos C y D, que un objeto tiene aceleración negativa es simplemente señalar que su aceleración ocurre en sentido contrario al que se ha elegido como sentido positivo. Si la velocidad cambia en un intervalo, es conveniente definir la velocidad inicial (vi) en el tiempo que se empieza a medir (ti), y la velocidad final (vf ) en el tiempo en que acaba la medición (tf ). Hay que advertir que se ha usado para la velocidad una letra resaltada para indicar que se trata de un vector. Una vez hechas estas aclaraciones, se puede definir de la siguiente manera la aceleración media en el intervalo que va de ti a tf a=

(vf – vi) (tf ) – (ti)

La magnitud de la aceleración no tiene un nombre especial. Las unidades de las cantidades físicas se construyen a partir de convenciones básicas (metros para distancias y segundos para tiempo) y de acuerdo con las relaciones que las cantidades obedecen. Así, la unidad de aceleración es m/s/s = m/s2. Cuando un objeto cambia la magnitud de su velocidad en la misma cantidad en el mismo intervalo de tiempo, como en el caso del objeto en caída libre que se presentó antes, su aceleración será constante. Hay que destacar que un objeto en movimiento cuya aceleración es constante no debe confundirse con un objeto que se mueve a velocidad constante. Siempre que haya un cambio en el tiempo en la magnitud de la velocidad de un móvil, sea esta constante o variable, el móvil estará acelerando (figura 1.67); pero si la velocidad del objeto se mantiene constante durante su movimiento, el móvil no estará acelerando. En las siguientes tablas de datos se muestran dos ejemplos de movimientos de objetos acelerados de características diferentes, pero ambos tienen en común que la magnitud de su velocidad varió en el transcurso del tiempo.

En el siguiente interactivo puedes poner en práctica tus conocimientos sobre el movimiento y comprender las diferencias entre velocidad y aceleración. http://recursostic. educacion.es/ciencias/ arquimedes2/web/ objetos/fyq_040201_ estudio_movimiento/ index.html Ahora bien, si quieres ver distintos movimientos rectilíneos, encontrarás una aplicación en http://web.educastur. princast.es/proyectos/ fisquiweb/Laboratorio/ Cinematica/ LabCinematica.htm

S-Fis

Objetos acelerados cuya velocidad cambia en el transcurso del tiempo En una cantidad constante cada segundo

En una cantidad variable cada segundo

Tiempo (s)

Velocidad (m/s)

Tiempo (s)

Velocidad (m/s)

0

0

0

0

1

4

1

1

2

8

2

4

3

12

3

5

4

16

4

7

Estos casos corresponden a aceleración constante.

Estos casos corresponden a aceleración no constante.

Si además de tener aceleración constante, el móvil se desplaza en línea recta, se dice que su movimiento es un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. Como en el caso del movimiento rectilíneo uniforme, en el que la rapidez media en cualquier intervalo (que es constante) cuyo valor es igual al de la rapidez instantánea, esto es la rapidez que tiene el móvil en un instante dado, para el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, la magnitud de la aceleración media en cualquier intervalo (que es constante para este tipo de movimiento) coincide con la magnitud de la aceleración instantánea.

Figura 1.67 Aunque el niño de la imagen esté disminuyendo su rapidez en la patineta, en física se dice que “está acelerando”.

47

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 47

12/21/12 11:48 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee la situación y contesta las preguntas en tu cuaderno. Ten presente que si la velocidad y la aceleración tienen el mismo signo, la rapidez del móvil aumenta; y si tienen signo opuesto, el móvil se frena. Un avión que se mueve en línea recta acelera uniformemente de una velocidad inicial de 200 m/s a una velocidad final de 100 m/s en 10 s. Luego acelera uniformemente hasta alcanzar una velocidad de 260 m/s en 20 s. Considera que el sentido del movimiento del avión es positivo. » ¿Cuál es la aceleración media en los primeros 10 s? » ¿Cuál es la aceleración media del avión los siguientes 20 s? » ¿Cuál es la aceleración media durante los 30 s? 2. Analiza el movimiento del autobús que abordó Antonio. Luego haz lo que se pide. Antonio está esperando el autobús en la parada, y cuando este llega lo aborda. El autobús se detuvo en la parada y luego se movió en línea recta, como se muestra en la figura 1.68. Así, después de un segundo había recorrido una distancia de 2.5 m; después de 2 s estaba a 10 m de la parada; después de 3 s, a 22.5 m; y después de 4 s, a 40 m. Claramente, el autobús recorre cada vez mayor distancia en cada segundo. Considera que el origen es la parada y que el movimiento del autobús ocurre en sentido positivo. Figura 1.68 Representación del movimiento del autobús que abordó Antonio.

ALTO

2.5 m t=1s

10 m t=2s

22.5 m t=3s

40 m t=4s

» Determina la rapidez media del autobús en cada intervalo de un segundo. » Calcula la aceleración media del autobús en cada intervalo de un segundo. » Con base en el resultado anterior, indica de qué tipo de movimiento se trata. Figura 1.69 En todos los medios de transporte, aunque se muevan la mayor parte del tiempo a una velocidad constante, tiene que haber un tiempo de aceleración para alcanzar la velocidad de crucero y un tiempo de desaceleración para regresar al reposo.

Integramos Para describir el movimiento se emplean varios conceptos fundamentales: desplazamiento, distancia, velocidad, rapidez y aceleración. Hasta ahora se han considerado tres tipos de movimiento de un objeto: el reposo, el movimiento rectilíneo uniforme y el movimiento uniformemente acelerado (figura 1.69). Sin embargo, también se ha hablado de un movimiento diferente que no es el de un objeto, sino el de un medio completo, como puede ser el agua y el aire, en donde se propaga una perturbación.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Responde en tu cuaderno si los datos que se dan a continuación son suficientes para analizar el movimiento; si es así, menciona en cada caso si el movimiento es uniforme o no uniforme, rectilíneo o circular.

48

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 48

12/21/12 11:49 AM


» Una estudiante da siete vueltas con rapidez constante a una pista de atletismo. » Otro estudiante corre una carrera de 100 m en línea recta. » Un satélite artificial gira alrededor de la Tierra en una órbita perfectamente circular, con rapidez constante, dando una vuelta completa cada 11 h. » Un profesor viaja todos los días en tren para ir a trabajar, recorriendo 35 km en 30 min. » Un autobús recorre un tramo recto de autopista a una velocidad de 90 km/h. » Movimiento de un punto del tambor de una lavadora, cuando esta comienza a centrifugar. Imagina ahora que viajas en coche o en autobús con rapidez constante, por una curva con forma de arco de circunferencia. Ahora piensa que tienes los ojos cerrados y que para descansar te has puesto además un antifaz oscuro y tapones en los oídos. Ya se ha comentado que si el movimiento fuera rectilíneo y uniforme no te darías cuenta de si te estás moviendo. En el caso de la curva, aunque la rapidez sea constante, aun en la situación descrita, sí notarías que te estás moviendo, debido a que hay aceleración (figura 1.70). Es precisamente la aceleración (y no la rapidez) la que provocó las sensaciones de movimiento que experimentó Agustín en el asiento del coche, tanto cuando su padre aceleró como cuando frenó, y también la responsable del cambio de velocidad que le hizo pensar que habían sobrepasado el límite permitido. Es posible que un objeto tenga velocidad cero y aceleración distinta de cero. En particular, eso es lo que sucede en el instante en que se inicia su movimiento. La velocidad es cero, pero la tasa de cambio de la velocidad, es decir, su aceleración, es no nula, lo que hará que comience el movimiento. En cuanto a la posibilidad de tener velocidad cero y aceleración cero, solamente puede suceder si el móvil está en reposo. Para estudiar la naturaleza, la física divide los fenómenos en situaciones más sencillas. Es importante hacer notar que un movimiento rectilíneo real de un objeto es, en general, una combinación de todos los movimientos que se han mencionado. Además, el movimiento puede no ser en línea recta ni tener una aceleración constante. Por ello, los problemas de estudio se separan en partes para simplificar su análisis. Esta metodología, de abordar un problema por partes, no es exclusiva de la ciencia, pero sí es un elemento característico de esta. Por ejemplo, si debes hacer una tarea en equipo es muy común que se dividan las actividades, las cuales al final se integran para formar un todo. Así funciona la ciencia. Se busca entender la naturaleza como un todo, pero se llega a esta comprensión global uniendo la información obtenida en las etapas parciales.

S-Fis Figura 1.70 Aunque el conductor no presione los pedales del freno o del acelerador, el automóvil está acelerando al transitar por el camino curvo.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma un equipo con un compañero y conteste cada uno en su cuaderno las cuestiones planteadas en la siguiente situación. Un tren que viaja en línea recta (figura 1.71) es capaz de detenerse completamente en 29 s cuando va a su velocidad máxima de 120 km/h. » ¿Cuál es la rapidez media del tren en esos 29 s? » ¿Cuál es su aceleración media? » ¿Cuánto tardará en alcanzar esa misma velocidad máxima, si al arrancar mantiene una aceleración constante de 0.7 m/s2?

Figura 1.71 Tren moviéndose en línea recta.

49

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 49

12/21/12 11:49 AM


BLOQUE

1

Figura 1.72 Un automóvil experimentará una aceleración si cambia su velocidad en el transcurso del tiempo.

Una pista Para medir Un velocímetro es un dispositivo diseñado para medir la rapidez media de algún tipo de transporte. Como el intervalo de tiempo en que mide es muy pequeño, el valor del velocímetro se puede considerar la rapidez instantánea. En el caso de los coches, bicicletas y motos, el velocímetro está basado en colocar algún tipo de sensor, como un pequeño imán, en una de las ruedas y registrar el número de vueltas por unidad de tiempo. La equivalencia a las unidades de rapidez depende del tamaño de la rueda.

Lección 4

El trabajo de Galileo Interpretación y representación de gráficas: velocidad-tiempo y aceleracióntiempo

aprendizaje esperado. Elabora e interpreta tablas de datos y gráficas de velocidad-tiempo y aceleracióntiempo para describir y predecir características de diferentes movimientos, a partir de datos que obtiene en experimentos y/o en situaciones del entorno.

Comenzamos El corredor de Fórmula 1, Sergio “Checo” Pérez, ha sido invitado a probar un coche prototipo en una pista recta de pruebas. Su equipo desea probar el poder de aceleración del coche (figura 1.72). Por ello, le piden que procure mantener la misma presión del pie sobre el acelerador y que, usando el transmisor que lleva, les indique la rapidez que marca el velocímetro a intervalos de 5 segundos, que el equipo controla con su cronómetro digital. También pueden registrar la distancia que el coche ha recorrido desde su arranque para cada intervalo de 5 segundos. Arrancando del reposo, Checo reporta a los 5 segundos una velocidad de 40 km/h; a los 10 segundos, 80 km/h; a los 15 segundos, 120 km/h; a los 20 segundos, 160 km/h; a los 25 segundos, 200 km/h; y a los 30 segundos, 240 km/h. Las distancias recorridas a partir del origen de la pista, medidas por su equipo son, a su vez, 27.78 m a los 5 segundos, 111.11 m a los 10 segundos, 250 m a los 15 segundos, 444.44 m a los 20 segundos, 694.44 a los 25 segundos, y 1 000 m a los 30 segundos.

1. Elabora una tabla que contenga en la primera columna el tiempo y en la segunda, la distancia recorrida por el coche en dicho tiempo. 2. Haz una tabla que contenga en la primera columna el tiempo y en la segunda, la rapidez del coche registrada en cada intervalo. 3. Contesta en tu cuaderno. » ¿Cómo cambia la velocidad del coche en cada intervalo? » ¿Cómo varía la distancia recorrida por el coche de un intervalo al siguiente? » ¿Puedes identificar el tipo de movimiento de que se trata?

Aprendemos Igual que sucede con el movimiento rectilíneo uniforme, para describir el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado es conveniente usar tablas de datos y gráficas. Seguramente, lo que los miembros del equipo de Fórmula 1 querían hacer era obtener datos “experimentales” (las mediciones de las distancias recorridas y las velocidades en los distintos intervalos) que les permitieran verificar el poder de aceleración del coche. El hecho de que en el ejemplo se le pida a Checo que procure que la aceleración sea constante y el que la pista sea una recta larga, evidentemente hacen que la situación sea más sencilla de examinar; pero el análisis de los datos por medio de tablas y gráficas es, como ya se ha señalado, un procedimiento común y ampliamente usado en trabajos científicos. En efecto, a partir de una tabla de valores de posición y tiempo se puede calcular la rapidez media para diferentes intervalos.

50

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 50

12/21/12 11:49 AM


Este es un ejemplo de lo anterior. Supón que analizas el movimiento de un objeto que se desplaza con cierta rapidez y consideras como intervalo de tiempo un segundo. Con los datos que obtienes calculas la rapidez media entre 1 y 2 segundos, y te da un resultado de 15 m/s; luego entre 2 y 3 segundos, y te da 25 m/s; en el intervalo entre 3 y 4 segundos, calculas 35 m/s; y, finalmente, entre las mediciones de 4 y 5 segundos, obtienes 45 m/s. Los intervalos simplemente se calculan restando el tiempo inicial al tiempo final, y la distancia recorrida en ese intervalo es la diferencia entre la posición en el tiempo final y la posición en el tiempo inicial, ya que se trata de un movimiento rectilíneo. Claramente, la rapidez media ha ido aumentando con el transcurso del tiempo.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Vuelve a leer el ejemplo anterior y con base en él haz lo que se pide. m Elabora en tu cuaderno una tabla que muestre los datos. m Haz una gráfica de la rapidez media (magnitud de la velocidad media) contra el tiempo; coloca en el eje horizontal el tiempo y en el eje vertical la rapidez media. m Analiza el resultado. ¿Cómo es la gráfica? m Compara la gráfica posición-tiempo que obtuviste al analizar la piedra en caída libre (p. 40) con la gráfica que acabas de hacer de rapidez media-tiempo. ¿Qué observas en estos resultados? Cuando la velocidad no es constante, como en el ejemplo de la piedra que cae, una gráfica posición-tiempo será una curva o una combinación de curvas. 2. Analiza la siguiente situación y contesta en tu cuaderno. En una competencia, una atleta se coloca en la salida para arrancar su carrera (figura 1.73). El tiempo empieza a transcurrir en el momento del arranque y la atleta alcanza una velocidad de 2 m/s de magnitud en dirección positiva, en 2 s, corriendo en línea recta. m m

m

¿Cuál es su aceleración media en el intervalo de 0 s a 2 s? Supón que el movimiento es uniformemente acelerado, es decir, que la aceleración es constante. Dibuja la gráfica rapidez media-tiempo para dicha atleta, entre 0 s y 10 s. Coloca en el eje horizontal el tiempo y en el eje vertical la rapidez media. Dibuja la gráfica aceleración-tiempo, esta vez coloca en el eje horizontal el tiempo y en el eje vertical la aceleración, y compárala con la gráfica anterior.

De manera similar a como las gráficas posición-tiempo son útiles para saber el tipo de movimiento que se analiza, las gráficas velocidad-tiempo son un complemento indispensable cuando la velocidad no se mantiene constante. Debe notarse que entonces hay que distinguir entre la velocidad en cierto instante, la llamada velocidad instantánea, y la velocidad media en un intervalo. Cuando el movimiento es rectilíneo uniforme, ambas magnitudes son iguales. Así como las gráficas distancia-tiempo y rapidez-tiempo discutidas en la lección de las páginas 26 a 33 tienen una forma única para el movimiento rectilíneo uniforme, en el caso del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado sucede lo mismo para las gráficas distanciatiempo, rapidez-tiempo y magnitud de la aceleración-tiempo. Al estudiar la caída libre de la piedra tuviste ocasión de dibujar y ver este tipo de gráficas. De esta manera, habrás notado que la gráfica distancia-tiempo es una curva cuya forma se llama parábola, la gráfica rapideztiempo es una recta inclinada respecto al eje (horizontal) del tiempo, y la gráfica magnitud de la aceleración-tiempo es una recta paralela al eje del tiempo.

Figura 1.73 En las carreras, el tiempo empieza a contar en el momento en que el atleta separa su pie del taco de salida.

Una pista Para medir Para que practiques algunas gráficas de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, en esta página encontrarás algunos datos experimentales. http://www.sc.ehu. es/sbweb/fisica/ cinematica/practica/ practica1.htm

Parábola. Curva abierta simétrica respecto a un eje cuyos puntos son equidistantes de una recta fija llamada directriz y de un punto fijo llamado foco.

51

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 51

12/21/12 11:49 AM

S-Fis


Figura 1.74 Movimiento uniformemente acelerado. Se recorre cada vez más distancia a medida que transcurre el tiempo. La velocidad, en cambio, varía en forma uniforme. La aceleración es una constante diferente de cero.

En las siguientes figuras están representados los tres tipos de movimiento que hemos discutido: objeto en reposo (figura 1.74), movimiento uniforme en línea recta (figura 1.75) y movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (figura 1.76).

Figura 1.76 Movimiento uniforme rectilíneo. La posición aumenta la misma distancia para cada intervalo de tiempo, la velocidad se mantiene constante y la aceleración es cero.

t (s)

t (s)

d (m)

Figura 1.75 Movimiento estacionario. Hay que observar que cuando transcurre el tiempo la posición se mantiene constante y la velocidad es cero.

a (m · s–2)

v (m · s–1)

d (m)

a (m · s–2)

v (m · s–1)

t (s)

t (s) x (m)

v (m · s–1)

d (m)

t (s)

t (s) a (m · s–2)

a (m · s–2)

v (m · s–1)

t (s)

t (s)

t (s)

Cuando un objeto se mueve en línea recta con una aceleración constante, durante cierto tiempo, se puede definir una rapidez inicial (vi) cuando empieza la aceleración y una rapidez final (vf ) cuando termina el intervalo considerado. Se suele entonces considerar una rapidez promedio durante ese intervalo, que es simplemente v=

Para saber más Estas ecuaciones se pueden manipular para obtener otras dos cuya utilidad depende de la situación. d = vit + (1/2) at2

2

.

De esta manera —considerando que la velocidad cuando es constante es igual a la distancia recorrida, es decir, a la diferencia entre la posición final y la posición inicial, entre el tiempo empleado en recorrerla—, si se supone que la posición inicial ocurre en el instante ti = 0 y hacemos tf = t, de manera que la duración del intervalo sea t, se puede escribir d t o lo que es lo mismo

vf = vi + 2 ad 2

(vf  vi)

2

=

(vf  vi) 2

(vf  vi) 2 d = t

Esta ecuación puede ser combinada con la definición de la aceleración, la cual dice que a=

(vf  vi) (tf  ti)

o lo que es lo mismo vf = vi  at

52

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 52

12/21/12 11:49 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza este caso. Luego, haz lo que se pide. Pablo va a visitar a su amigo Marcial, en bicicleta, desde su pueblo hasta un pueblo próximo que se encuentra a 10 km en línea recta. Parte de su casa a las 8 h 15 min de la mañana a una velocidad de 15 km/h. A los 20 minutos de su partida se detiene para descansar 10 min y después continúa pedaleando, pero ahora más rápido, a una velocidad de 20 km/h, hasta que llega a casa de Marcial. Ya ahí, se queda hasta las 11 h 30 min, momento en el que decide regresar a su casa a una velocidad de 12 km/h. » Representa el movimiento de ida y vuelta de Pablo en una gráfica distancia-tiempo. » Representa el movimiento de ida y vuelta de Pablo en una gráfica velocidad-tiempo. » Explica qué tipo de movimiento ha realizado Pablo.

En esta página encontrarás más información sobre el movimiento uniformemente acelerado. http://www. prevovirtual.com/ recursos/ciencias/ fisica/newton/ proyectoNewton/4eso/ mru/rect31.htm?2&0

Integramos A menudo se debe describir el movimiento rectilíneo de un objeto por medio de gráficas de posición, velocidad o aceleración en función del tiempo. Siempre que sea posible en la descripción gráfica del movimiento se debe incluir si el movimiento se realiza en dirección positiva o negativa, si el objeto está en reposo, si se está moviendo con rapidez constante o si se está acelerando (aceleración positiva) o frenando (aceleración negativa). Como en el caso de los datos proporcionados por el equipo de Fórmula 1 de Checo Pérez, la descripción del movimiento se hizo primero con palabras y después con tablas de datos. Ahora ya estás listo para convertir esos datos en gráficas de posición-tiempo, velocidadtiempo y aceleración-tiempo, en tu cuaderno.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma equipo con un compañero para llevar a cabo la siguiente actividad. » Lean esta situación. Pedro sale caminando de su casa en línea recta 100 m hacia el norte, con una rapidez de 1 m/s. Más tarde regresa corriendo cada vez más rápido a su casa, siguiendo una ruta inversa, con una aceleración de 0.1 m/s2. » Uno de ustedes describa el movimiento de ida de Pedro, y el otro, el movimiento de regreso. » Cada uno elabore una gráfica de distancia-tiempo, otra de rapidez-tiempo y una más de aceleracióntiempo; sitúen el origen en el suelo a la mitad de la puerta de la casa de Pedro. En todas las gráficas pongan el tiempo en el eje horizontal.

» Junten ahora sus resultados para describir el movimiento completo de Pedro, de ida y de regreso, considerando el mismo origen, y hagan las gráficas correspondientes. » Ahora imaginen que Pedro hace muchos recorridos variando tanto su dirección como su velocidad. ¿Cómo resolverían un problema así, si conocen todos los datos parciales? Explíquenlo en su cuaderno. » Consideren las tablas de datos de la prueba de Checo Pérez que hicieron al principio de la lección. Hagan las gráficas correspondientes; pongan el tiempo en el eje horizontal. Con base en estas gráficas, ¿fue el movimiento del coche un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado? ¿Por qué?

53

S-Fis-CNT-B1-041-053_PDF_alta_alumno 53

12/21/12 11:49 AM


BLOQUE

1

Figura 1.77 Cuando se va a cerrar la puerta de un refrigerador, se siente un “jalón” que la atrae hacia el resto del aparato.

Cargar eléctricamente los globos y tu cabello puede considerarse un experimento de electrostática. Si quieres hacer otros experimentos similares, consulta http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/ act_permanentes/ conciencia/ experimentos/ electrostatica.htm

Figura 1.78 Para cambiar la forma de la arcilla hay que ejercer una fuerza sobre ella.

Lección 1

La descripción de las fuerzas en el entorno La fuerza; resultado de las interacciones por contacto (mecánicas) y a distancia (magnéticas y electrostáticas), y representación con vectores

aprendizaje esperado. Describe la fuerza como efecto de la interacción entre los objetos y la representa con vectores.

Comenzamos Si pateas una pelota, esta llegará más lejos dependiendo de la intensidad de la patada. En el béisbol, si con el bate se golpea con suficiente intensidad la pelota, se le hará volar fuera del campo. Si cierras una ventana con un empujón fuerte, podrías romperla. Habrás notado que necesitas hacer un esfuerzo muscular para llevar a cabo estas acciones. También lo haces al cargar un bulto o al modelar plastilina. Asimismo, has observado lo que ocurre cuando un imán se acerca a un objeto metálico. Imagina que tienes un imán en la mano y poco a poco lo acercas a la puerta del refrigerador (figura 1.77). Antes de que el imán toque el refrigerador, sentirás un pequeño jalón en la mano. Cuanto más poderoso sea el imán más fuerte sentirás el jalón. Si en una fiesta quieres decorar con globos las paredes, no necesitas emplear pegamento, bastará con que frotes los globos en tu cabello, si está seco, y los acerques a la pared. Si lo haces lentamente, sentirás el mismo efecto que cuando acercas el imán a la puerta del refrigerador. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿En cuál de los ejemplos anteriores hay contacto directo entre un objeto y aquello que lo afecta? » ¿En cuáles ejemplos no hay contacto directo? » En cada uno de los ejemplos, ¿qué es lo que cambia en el objeto afectado? ¿Cambia el movimiento? ¿Cambia la forma?

Aprendemos Usamos la palabra fuerza de manera cotidiana, por lo tanto, seguramente ya tienes una idea de lo que significa. En todos los ejemplos anteriores hay una fuerza involucrada, en la patada, en el golpe con el bate, al empujar la ventana, al cargar un bulto o al modelar plastilina (figura 1.78). También hay fuerzas entre el imán y la puerta del refrigerador, así como entre el globo frotado y la pared. Aunque ya se ha estudiado cómo describir el movimiento, no se ha dicho nada respecto a cómo se produce o cómo cambia. Ahora, se definirán las fuerzas como aquello que produce cambios en los objetos. Por ejemplo, las fuerzas pueden producir un cambio en la forma, como cuando aplastas una lata para reciclarla. También pueden modificar el estado de reposo o de movimiento, como cuando atrapas o pateas una pelota, o la haces cambiar de dirección. Para que exista una fuerza debe haber al menos dos elementos que interaccionen. Por eso, una fuerza es el resultado de interacciones de varios elementos. Las fuerzas se pueden clasificar en dos grandes grupos. Por una parte, las fuerzas de contacto; en cuyo caso hay un contacto con un objeto y ello produce el cambio. Por ejemplo, cuando se empujan o jalan cosas, o se modela arcilla, o bien, cuando la fuerza del viento hace funcionar un molino. El otro gran grupo lo constituyen las fuerzas en las que no hay contacto directo con el objeto, es decir, no se le toca, pero el cambio se produce. Estas son las llamadas fuerzas a distancia o fuerzas de largo alcance. Un ejemplo que ya se discutió, aunque no refiriéndose explícitamente al uso de la fuerza, es el de la gravedad que ejerce la Tierra y hace caer a los objetos.

54

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 54

12/21/12 11:51 AM


Otros ejemplos son las fuerzas magnéticas (como la que experimenta el imán al acercarse al refrigerador) y las fuerzas electrostáticas (como las que experimentan los globos frotados en el cabello cuando se acercan a una pared). Los efectos magnéticos y electrostáticos se conocen desde la Antigüedad. De hecho, ambas palabras provienen del griego. Se piensa que el primer imán fue encontrado en Magnesia, Grecia, y ese es el origen de la palabra magnetismo. Electrón en griego quiere decir ‘ámbar’. El ámbar al ser frotado con un paño adquiere la propiedad de atraer pequeños objetos, un efecto semejante al que se describió en el caso de los globos. Sin embargo, la explicación de estas fuerzas es mucho más reciente y ha sido clave para los avances tecnológicos que nos rodean. Simplemente, la corriente eléctrica que aprovecha tu escuela y tu casa se genera mediante un proceso en el que participan tanto las Figura 1.79 Los clavos son atraídos por el imán y se fuerzas eléctricas como las magnéticas, como estudiarás en el cuarto bloque de este libro. adhieren a él por fuerzas Piensa en otros ejemplos de fuerzas magnéticas y electrostáticas (figura 1.79). Un expe- magnéticas. rimento que puedes llevar a cabo es colocar un imán sobre un papel y espolvorear limaduras de hierro. Observarás que las limaduras se distribuyen sobre el papel formando un patrón característico que responde a la acción de la fuerza magnética. Por otra parte, puedes observar uno de los ejemplos más conocidos de fuerza electrostática cuando estando tu cabello seco lo peinas con un peine de plástico y ello provoca que tu cabello se levante (figura 1.80). Al igual que ocurre con toda cantidad física, hay que definir una unidad para medir la fuerza (F), una unidad con la que todos nos entendamos. Por convención, esa unidad, en el Sistema Internacional de Unidades, es el newton (N), llamado así en honor del gran físico inglés Isaac Newton. Una fuerza es una cantidad vectorial, es decir, que tiene magnitud, dirección y sentido Figura 1.80 Los cabellos (consulta el Anexo de la página 268). Esto significa que para describir la fuerza que actúa sobre secos al ser frotados con un un objeto es preciso indicar, además de su magnitud, la dirección y el sentido en que dicha peine de plástico adquieren fuerza lo hace. Así pues, decir que sobre un objeto actúa una fuerza de 10 N no constituye la misma propiedad que los una descripción completa. Para ello habría que indicar, por ejemplo, que esa fuerza actúa en globos cuando se les frota con un paño. dirección vertical y en sentido descendente. Considera un libro de Física que está en reposo sobre una mesa. En este caso hay dos fuerzas que actúan sobre el libro: la fuerza de gravedad con la que la Tierra jala el libro en dirección vertical y hacia abajo, y la fuerza con la que la mesa lo empuja también en dirección Las fuerzas que actúan sobre vertical, pero hacia arriba, como se muestra en el libro están balanceadas. la figura 1.81. A esta última fuerza se le llama fuerza normal. Como estas fuerzas están balanceadas, es decir, son de la misma magnitud, La mesa empuja el libro pero de sentido contrario, entonces el libro no hacia arriba. se mueve y se dice que está en equilibrio. Los diagramas como el de la figura 1.81 se conocen como diagramas de cuerpo libre, estos resultan útiles a la hora de resolver problemas. En ellos se muestran las magnitudes relativas, las direcciones y los sentidos de todas La gravedad jala el libro las fuerzas que actúan sobre un objeto en una hacia abajo. situación determinada. El tamaño de la flecha Figura 1.81 Esquema que corresponde a la magnitud de la fuerza, mientras representa las fuerzas que que su dirección y sentido indican la dirección actúan sobre un libro que está y el sentido en que dicha fuerza actúa. encima de una mesa.

Física

55

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 55

12/21/12 11:51 AM


Fnorm

Ffric

Fap

Fgrav Figura 1.82 Esquema en el que se aprecia cómo actúan las fuerzas sobre un objeto.

Es común representar al objeto como un cuadrado o rectángulo y dibujar a partir de su centro las flechas correspondientes a las fuerzas, indicando cuál es cada una de ellas. Un ejemplo de lo anterior se puede observar en la figura 1.82, en la que se representa un objeto sobre el que actúan la fuerza de gravedad hacia abajo (Fgrav), una fuerza normal hacia arriba (Fnorm), una fuerza aplicada hacia la derecha (Fap) y una fuerza aplicada hacia la izquierda (Ffric).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee la situación y contesta en tu cuaderno. En un juego de hockey sobre hielo, dos competidores luchan por dirigir el puck (disco) hacia la portería contraria. Por ejemplo, uno actúa con una fuerza de 4 N hacia la derecha y el otro actúa con una fuerza de 6 N hacia la izquierda, como se muestra en la figura 1.83.

Figura 1.83 Representación de dos fuerzas aplicadas a un cuerpo.

4N

6N

» ¿Cuál será el efecto neto de ambas fuerzas sobre el disco? » ¿Hacia dónde se moverá el disco? » ¿Consideras que habría diferencia si en lugar de ser hockey sobre hielo fuera sobre pasto? ¿Por qué?

Figura 1.84 En los nuevos automóviles importa mucho el diseño aerodinámico. Su forma ha evolucionado para que sean más rápidos.

Figura 1.85 El hockey sobre hielo es uno de los juegos más rápidos, debido a que la fricción del disco y los patines sobre el hielo es mínima.

Hay fuerzas que son más difíciles de observar que las ya mencionadas. Por ejemplo, cuando se habló de la idea propuesta por Aristóteles de que los objetos pesados caen más rápidamente que los livianos se comentó que él olvidó considerar la resistencia del aire. Si bien se dijo en los ejemplos de caída libre que la resistencia del aire es relativamente pequeña y depende de la forma del objeto, puede suceder que el aire ejerza una gran fuerza de oposición al movimiento. Esto le podría pasar, por ejemplo, a un automóvil o a un avión. Por ello, los diseños de esos vehículos deben ser aerodinámicos (figura 1.84). A las fuerzas que, como la resistencia del aire, se oponen al movimiento de un objeto se les llama genéricamente fuerzas de rozamiento, y se pueden presentar en interacciones de objetos sólidos y gases, de objetos sólidos y líquidos, de pares de objetos líquidos, de pares de gases y de pares de objetos sólidos. Cuando se presenta una fuerza de oposición al movimiento entre dos superficies sólidas, a la fuerza de rozamiento se le suele llamar fuerza de fricción. La fuerza de fricción es la que hace que se detenga una canica cuando rueda sobre la calle o un lápiz que se hace rodar sobre una mesa. Claro está que esta fricción depende de la rugosidad de la superficie. Una superficie muy lisa ejercerá menor fricción y una canica llegará más lejos con el mismo empujón. La fricción, entonces, permite caminar sin resbalar. El hielo es un ejemplo de una superficie en la que disminuye mucho la fricción, por eso hay que moverse con mucho cuidado sobre él. Esta característica se aprovecha en el juego de hockey sobre hielo, donde los discos resbalan prácticamente sin fricción (figura 1.85).

56

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 56

12/21/12 11:51 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee la situación y contesta en tu cuaderno. Una caja se encuentra sobre una mesa rugosa, como se muestra en la figura 1.86, y se le aplica una fuerza de 100 N hacia la izquierda. Con esta fuerza, la caja no se mueve. Se aumenta poco a poco la fuerza y al llegar a 150 N la caja empieza a moverse. mesa áspera

caja

fuerza aplicada

Para saber más La raíz griega kinema es la que le da nombre al cinematógrafo, que significa “imágenes en movimiento”.

Figura 1.86 Esquema que muestra la aplicación de una fuerza sobre un cuerpo.

» ¿Por qué en este caso no se mueve la caja aunque se le empuje? » ¿Qué significa que la caja empiece a moverse respecto a las fuerzas involucradas? » ¿Hacia dónde se moverá la caja más fácilmente?

Integramos El estudio del movimiento que no considera las causas por las que se produce se llama cinemática. Esta palabra proviene del griego kinema y significa ‘tratado del movimiento’. Cuando se incorpora el concepto de fuerza en una descripción, es decir, cuando se consideran las causas del movimiento, la disciplina se llama dinámica. Probablemente, las fuerzas que te son más familiares son las de contacto, en cuyo caso los objetos que interaccionan se tocan. En los deportes, cuando pateas un balón o golpeas una pelota de béisbol con un bate ejerces una fuerza de contacto. Sin embargo, muchas fuerzas de la naturaleza no son de contacto, como la fuerza magnética y la electrostática. La más conocida de estas fuerzas es la de gravedad. Desde temprana edad es preciso aprender a moverse bajo la acción de dicha fuerza, y aprender a caminar es, de alguna manera, vencerla.

Desarrolla tu pensamiento científico Para que entiendas mejor el carácter vectorial de una fuerza y veas cómo su efecto depende de la dirección y el sentido en que se aplica, organiza dos equipos, de varios compañeros cada uno, para jugar a tirar de la soga. 1. Consigan una cuerda gruesa y átenle un listón en el centro. En el piso dibujen una raya que divida el área correspondiente a cada equipo. Un equipo jalará hacia la derecha y el otro hacia la izquierda. Ganará el equipo que logre que el listón quede de su lado. 2. Antes de empezar a jugar, hagan en su cuaderno un diagrama de cuerpo libre en el que intenten representar las fuerzas que actúan a través de la soga sobre el listón cuando cada equipo jala para su lado. 3. Luego de haber jugado, anoten en su cuaderno las respuestas a las siguientes preguntas. » Si los equipos son equivalentes en número y tamaño de los competidores, ¿qué sucede? » ¿Qué conviene hacer para ganar el juego? » Si los equipos son muy desbalanceados, ¿qué ocurre?

Otra manera de llamar a la fuerza de fricción es fuerza de rozamiento. Cada superficie tiene una fricción característica. Si quieres conocer más detalles al respecto consulta http://web.educastur. princast.es/proyectos/ fisquiweb/Dinamica/ rozamiento.htm

57

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 57

12/21/12 11:51 AM


Lección 2

La descripción de las fuerzas en el entorno BLOQUE

1

Fuerza resultante, métodos gráficos de suma vectorial

aprendizaje esperado. Aplica los métodos gráficos del polígono y paralelogramo para la obtención de la fuerza resultante que actúa sobre un objeto, y describe el movimiento producido en situaciones cotidianas.

Comenzamos En el edificio donde vive Esteban están llevando a cabo una mudanza a un departamento del cuarto piso. Como una de las cajas está muy pesada le han fijado una argolla en el centro de la cara superior y han colgado dos poleas en una pared exterior para subirla desde la calle con unas cuerdas y meterla al departamento a través de una ventana.

Figura 1.88 Representación esquemática de las dos poleas con la caja suspendida.

1. Responde en tu cuaderno. Con base en el esquema de la figura 1.88, que representa la situación anterior, haz un dibujo en tu cuaderno en el que indiques las fuerzas que actúan sobre la caja mientras la están subiendo. » ¿Por qué crees que decidieron utilizar dos poleas y dos cuerdas en lugar de una polea y una sola cuerda? » Supón ahora que la caja ya la han subido hasta la altura de la ventana y que de momento se encuentra en reposo, antes de que la metan al departamento. ¿Cuánto vale la fuerza neta que actúa sobre la caja en ese estado de reposo?

Aprendemos

Figura 1.89 Niña jalando un carrito de juguete.

En el juego de la soga viste que sobre un mismo objeto (en ese caso la cuerda) puede actuar más de una fuerza a la vez. El resultado final del juego depende de la combinación de las fuerzas. Simplificando lo que sucede, se puede afirmar que si el equipo de la derecha ejerce una fuerza mayor que el equipo de la izquierda al tirar de la soga, el de la derecha ganará. En el ejemplo del juego de la soga, las fuerzas sobre esta y el movimiento de la misma se dan en una sola dimensión espacial. Por eso es posible imaginar el efecto de las fuerzas como una simple resta, ya que ambas están en la misma dirección, pero son de sentido contrario. Hay situaciones en que la combinación de las fuerzas no es tan directa. Por ejemplo, en la figura 1.89 puede observarse que cuando una niña jala la palanca de un carrito para que se mueva sobre un piso rugoso, lo hace con cierto ángulo respecto a la trayectoria del juguete, para lograr vencer la fuerza de rozamiento que el piso ejerce sobre el carrito.

Desarrolla tu pensamiento científico

3N 5N

Figura 1.90 En el juego de la soga las fuerzas actúan en la misma dirección, con sentido opuesto.

1. Con base en lo expuesto anteriormente, lee las situaciones y contesta en tu cuaderno. » Si en el juego de la soga una fuerza de 5 N actúa hacia la derecha y otra de 3 N hacia la izquierda, ¿cuál es el resultado de la acción de dichas fuerzas? (figura 1.90) » ¿Qué pasaría si las magnitudes de ambas fuerzas fueran iguales? » ¿Se te ocurre cómo podrías comparar la fuerza que ejerce la niña sobre el carrito de juguete, con la fuerza de rozamiento que ejerce el piso en el carrito?

58

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 58

12/21/12 11:51 AM


Cuando sobre un objeto actúan diversas fuerzas, el resultado es equivalente a que sobre dicho objeto actúe una fuerza resultante, considerando que esta fuerza es la combinación de todas las fuerzas. Pero ¿cómo obtener esta fuerza resultante como suma de las otras? Aprovecha la representación gráfica mediante vectores para aprender a sumar fuerzas. Empieza por la situación más sencilla, cuando las fuerzas actúan en la misma dirección. En la figura 1.91 se muestran dos fuerzas, de 1 N cada una, que actúan sobre un cuerpo, en la misma dirección y sentido, en este caso, hacia la derecha. Para sumar, se coloca una flecha detrás de la otra y la flecha resultante tendrá el origen de la primera y la punta de la segunda. Este proceso puede repetirse tantas veces como fuerzas se quiera representar (ver anexo de la página 268).

1N

1N

2N

1

2N

5

5

Figura 1.91 Representación gráfica de la suma de dos fuerzas con sentido a la derecha.

La figura 1.92 muestra una situación similar a la anterior: dos fuerzas de 1 N, pero en sentidos opuestos.

1N

1

1N

2N

5

2N

5

Figura 1.92 Representación gráfica de la suma de dos fuerzas con sentido a la izquierda.

En el caso mostrado en la figura 1.93 también se coloca el origen de la segunda fuerza en la punta de la primera, solo que la fuerza resultante es nula, ya que el origen de una de las fuerzas coincide con el final de la otra.

1N

1N

1

1N

1N

1

1N

5

1N

5

0

5

0

1N

5

1N

En la figura 1.94a se muestra que la suma de fuerzas verticales es análoga a la de la suma de fuerzas horizontales. En realidad, si las fuerzas actúan en la misma dirección, siempre se combinan así, no hace falta que sean horizontales o verticales. Observa la figura 1.94b, en la que se presentan sumas de fuerzas diagonales.

1 5 5

Figura 1.94 Representación gráfica de la suma de diversas fuerzas.

1 5 5

a) 1 5

1

5

5

0

5

1 5

5

1

5

1

5

0 5

b) 1

5

50

Figura 1.93 Representación gráfica de la suma de dos fuerzas con sentidos opuestos.

Al igual que aprendiste a sumar y restar números, puedes aprender a hacer dichas operaciones con vectores. Si multiplicas un vector por un escalar puedes agrandar o disminuir su magnitud y también cambiar su sentido. Para practicar sumas con el método del polígono entra a http://www.xtec. es/%7Ejbartrol/ vectores/unidad1.html

50 59

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 59

12/21/12 11:51 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Usa la representación gráfica vectorial, considera que 1 cm representa 1 N, y dibuja las fuerzas involucradas en los planteamientos siguientes. » Una fuerza de 10 N a la derecha y de 3 N a la izquierda. Dibuja la fuerza resultante. » Una fuerza de 10 N a la derecha y otra de 10 N a la izquierda. Dibuja la fuerza resultante. » La fuerza que ejerce la niña es de 5 N formando un ángulo de 45° con la horizontal hacia la derecha, y la fuerza de rozamiento es de 2 N hacia la izquierda. El carrito se mueve hacia la derecha.

Has visto que una forma de sumar gráficamente fuerzas que actúan sobre un cuerpo en la misma dirección consiste en poner los vectores uno a continuación del otro. Sin embargo, este método se puede emplear cuando las fuerzas no están en la misma dirección. Simplemente, la fuerza resultante es la flecha formada con el primer origen y la última punta, como se muestra en la figura 1.95. Este método se llama de “cola a punta” o método del polígono (ver el Anexo en la página 268).

Figura 1.95 a) Representación gráfica de tres fuerzas que actúan sobre un cuerpo. b) Suma de las tres fuerzas anteriores usando el método del polígono.

A

A

2.25 cm = 4.5 N m=

4.6 c

B

9.2 N

H

C

Figura 1.96 a) Manera de acomodar los vectores para obtener una fuerza resultante. b) Manera como se trazan las rectas paralelas a las fuerzas para obtener la fuerza resultante.

B

C

3 cm = 6 N H

Si quieres entender mejor la suma de fuerzas entra a http://recursostic. educacion.es/newton/ web/materiales_ didacticos/dinamica/ suma.htm?1&3

6 cm = 12 N

En este ejemplo actúan tres fuerzas sobre un mismo cuerpo, pero están en distintas direcciones. Para sumar, una vez más se desplazan los vectores para que queden colocados uno detrás de otro. El dibujo representa a escala la magnitud, las direcciones y los sentidos de la fuerza. La resultante se dibuja desde el primer origen (O) hasta la punta de la última flecha. Otra forma de sumar fuerzas como vectores, tomando un par de ellos cada vez, es el llamado método del paralelogramo. En este método se empieza por escoger, como siempre, una escala, un origen y una dirección, así se define la primera fuerza. A continuación, se ubica la segunda fuerza, tomando el mismo origen con la dirección correspondiente. El paso siguiente es trazar las paralelas a ambas fuerzas. Entonces, la fuerza resultante es el vector que va desde el origen al punto de intersección de las paralelas, como se ve en el siguiente ejemplo. Imagina dos fuerzas que actúan sobre un cuerpo, una de 4 N y otra de 5 N. Para obtener la fuerza resultante se empieza por elegir una escala, en este caso, 1 cm equivale a 1 N. Luego se dibujan los vectores que representan a las fuerzas formando un ángulo de 30º (figura 1.96a). Trazando las rectas paralelas a los vectores se obtiene la fuerza resultante que va del origen a la intersección de las paralelas (figura 1.96b).

F 2

4N e = 8.7

ltant 4N a resu Fuerz

30o F1  5 N

0

N

13

5N

60

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 60

12/21/12 11:51 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee la situación y contesta en tu cuaderno. Regresa al caso de la niña que jala la palanca del carrito. Ella ejerce una fuerza de 5 N formando un ángulo de 45º con la horizontal para vencer la fuerza de rozamiento del piso, que es de 2 N, y mover el carrito a la derecha. » Dibuja separadas las dos fuerzas que actúan sobre el carrito. » Encuentra la fuerza resultante mediante el método del polígono. Mide su tamaño y su inclinación. » Encuentra la fuerza resultante mediante el método del paralelogramo. Mide su tamaño y su inclinación. Compara ambos resultados.

Para saber más Un dinamómetro es un instrumento que permite medir fuerzas (figura 1.97). Consta de un resorte calibrado, de tal forma que cada extensión del resorte corresponde a una fuerza conocida. La relación entre fuerza y el estiramiento o compresión del resorte es descrita por la ley de Hooke.

Integramos Intuitivamente te parecerá natural que las fuerzas se combinen para producir una fuerza resultante, es decir, que los efectos de las fuerzas se reúnan en un efecto neto. Sin embargo, para poder determinar esa fuerza resultante, producto de la suma de otras fuerzas, debiste aprender a sumar vectores. No olvides que en ciencia hay que medir y cuantificar las propiedades, no basta con la percepción de nuestros sentidos. Para analizar las fuerzas que intervienen en el juego de la soga, la situación permite hacer una simple resta de las magnitudes de las fuerzas porque actúan en la misma dirección, pero en sentido contrario. Sin embargo, en general, las fuerzas pueden actuar en diferentes direcciones, y para sumarlas hay que considerar su carácter vectorial, como en el caso de la niña que jala la palanca del carrito para que se mueva sobre un piso rugoso. Como comprobaste en el ejemplo de la figura 1.88,, de la sección “Comenzamos”, en el que la fuerza resultante es de mayor magnitud que cada una de las fuerzas individuales que le dieron origen, la razón de emplear dos poleas y dos cuerdas en el caso de la caja que se debe subir al cuarto piso del edificio, es que con ello la fuerza que se requiere aplicar en cada cuerda es menor en magnitud que la fuerza de gravedad que actúa sobre la caja, fuerza que hay que vencer para poder subir la caja.

Figura 1.97 Dinamómetro.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma un equipo con dos compañeros para atar tres cuerdas a un mismo objeto y, posteriormente, buscar las combinaciones de fuerzas que lo mantengan en reposo cuando los tres tiren de las cuerdas (variando los ángulos y la intensidad, sin medirlos con precisión). Contesta. » ¿Cuánto vale la fuerza resultante en esos casos? Nota que hay diferentes combinaciones de fuerzas y ángulos que producen el mismo efecto de reposo.

61

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 61

12/21/12 11:51 AM


BLOQUE

1

Lección 3

La descripción de las fuerzas en el entorno Equilibrio de fuerzas; uso de diagramas

aprendizaje esperado. Argumenta la relación del estado de reposo de un objeto con el equilibrio de fuerzas actuantes, con el uso de vectores, en situaciones cotidianas.

Comenzamos Si en el juego de la soga cada equipo ejerce la misma fuerza en la misma dirección, pero en sentidos contrarios, la soga no se moverá. Hay muchos otros ejemplos de situaciones similares. Si Sergio y Toño pelean por un pedazo de caña de azúcar que cayó de una piñata y cada uno tira de la caña con una fuerza de la misma intensidad y en la misma dirección, pero en sentido contrario, la caña no se moverá. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Cuál es la fuerza resultante sobre la caña? » ¿Qué debería pasar para que la caña se moviera? » Si llega Miguel y ayuda a Sergio a jalar en la misma dirección y sentido, aumentando de esta manera la fuerza en esa dirección y sentido, ¿qué sucederá?

Figura 1.98 La lámpara ejerce una fuerza (su peso) sobre la mesa, a la vez que la mesa ejerce una fuerza sobre la lámpara.

Aprendemos Las fuerzas son la causa del movimiento. No obstante, cuando un objeto está en reposo no necesariamente significa que no haya ninguna fuerza que actúe sobre él. Piensa en algunos ejemplos: el florero sobre la mesa, la lámpara que cuelga del techo, los libros en la estantería, el automóvil estacionado y, en general, todos los objetos que no cambian su posición con el transcurso del tiempo están bajo la acción de la fuerza de gravedad, y no se mueven porque hay otras fuerzas que, sumadas a la fuerza de gravedad, dan como resultante cero (figura 1.98). Por ejemplo, en el caso de una lámpara sobre una mesa, la resistencia de esta lo sostiene; en el caso de un candil, la fuerza con que lo sostiene el techo se ejerce a través de la cuerda de la que cuelga, y dicha fuerza debe ser igual y tener la misma dirección que la fuerza con que la atrae la Tierra, pero en sentido contrario.

Desarrolla tu pensamiento científico Una experiencia habitual en un laboratorio de física consiste en colgar un objeto usando un par de cuerdas y medir con dinamómetros las fuerzas que se ejercen sobre ellas debido al peso del objeto (figura 1.99a). También se determinan los ángulos que forman las cuerdas respecto a la horizontal. El diagrama de fuerzas correspondiente a este caso se puede observar en la figura 1.99b. Los resultados A de uno de estos experimentos se muestran en la siguiente tabla, donde los ángulos indican la dirección de las fuerzas y las puntas de flecha su sentido.

B

Fuerza A

Fuerza B

Fuerza C

Magnitud

3.4 N

9.2 N

9.8 N

Dirección

161°

70°

270°

Sentido

Hacia la izquierda Hacia la derecha y hacia arriba y hacia arriba

Hacia abajo

Considera que todas las fuerzas se aplican en este punto. C

Figura 1.99 a) Esquema del dispositivo experimental. b) Diagrama de fuerzas correspondiente al experimento.

62

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 62

12/21/12 11:51 AM


1. Haz lo que se indica y responde en tu cuaderno. » Reproduce las fuerzas A y B en tu cuaderno y determina gráficamente la fuerza resultante de ellas. » Mide la magnitud de esa fuerza resultante y compárala con la correspondiente a la fuerza C. A la luz de tu resultado, ¿esperarías que el objeto suspendido estuviera en reposo? Explica por qué. 2. Supón ahora que la fuerza C es otra vez de 9.8 N y que los ángulos correspondientes a todas las fuerzas son los siguientes.

Fuerza A

Fuerza B

Fuerza C

Dirección

135°

45°

270°

Dirección

161°

70°

270°

» Traza la gráfica correspondiente y determina, con base en ella, la magnitud aproximada de las fuerzas A y B para este caso.

Decimos que existe equilibrio de fuerzas actuando sobre un objeto cuando la fuerza resultante de estas es igual a cero. En esas condiciones, un objeto que originalmente está en reposo continúa en dicho estado. En el caso de la lámpara que cuelga, a la fuerza que Si quieres ver cómo ejerce el techo y que se transmite por la cuerda se le llama tensión. Hay que notar que si interactúan las fuerzas, visita este sitio: bien es el techo el que ejerce la fuerza necesaria para compensar la fuerza de gravedad, la http://newton.cnice. cuerda sí experimenta una deformación que podría, incluso, llegar a romperla. mec.es/materiales_ Cuando actúan varias fuerzas sobre un cuerpo, como ya se señaló, estas se pueden didacticos/estatica/ representar por una fuerza resultante. Supón que esta fuerza resultante es diferente de cero, estatic1.htm entonces, para que el cuerpo esté en equilibrio hace falta otra fuerza, que llamaremos fuerza equilibrante, igual en magnitud y dirección, pero de sentido contrario a la fuerza resultante. Por ejemplo, en la siguiente figura, las fuerzas F1 y F2 no F1 están equilibradas. Hace falta incluir F3 para que se logre el equilibrio de fuerzas (figura 1.100). F3 Resultante de Los problemas de equilibrio de fuerzas son fundamentales en la consEquilibrante de F yF F yF trucción de edificios y puentes. Los ingenieros y los arquitectos deben calcular F2 no solamente las fuerzas que actúan habitualmente, sino lo que sucedería si, por ejemplo, una casa se mueve en un terremoto o un puente se mueve con el viento, en cuyos casos surgen fuerzas adicionales. 1

2

1

2

Figura 1.100 Representación gráfica del equilibrio de fuerzas.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza el siguiente caso y contesta en tu cuaderno. Un bloque cuelga del techo y está en reposo. Ahora, tú lo jalas con una cuerda y lo llevas a otro estado de reposo, como se muestra en la figura 1.101. » ¿Cuál de los siguientes diagramas representa las fuerzas A B que actúan sobre el bloque en la situación mostrada en la figura 1.101? » Dado que el bloque está en reposo, ¿cómo debe ser la resultante de esas fuerzas? » ¿Cómo sería el diagrama de fuerzas si regresas el bloque a la posición vertical?

C

D

Figura 1.101 Representación gráfica de fuerzas.

63

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 63

12/21/12 11:51 AM


Para saber más La fuerza de gravedad actúa sobre todas las partes de un objeto. Un concepto que ayuda a entender las fuerzas que intervienen para que los objetos de formas complejas se mantengan en reposo es el centro de gravedad. Este es un punto teórico en el que se aplicaría la fuerza de gravedad resultante de todas las interacciones de la Tierra con cada parte del objeto. Con base en este concepto, se considera a los objetos como si fueran puntos, y para que se mantengan en reposo basta con aplicar en ellos una fuerza de igual magnitud y dirección, pero de sentido contrario, a la de la fuerza resultante. Una condición adicional necesaria para que un objeto se mantenga en reposo es que el centro de gravedad quede en su interior. En el caso de la bóveda maya, la distribución del centro de gravedad de los ladrillos que se colocan uno sobre el otro es la que permite el equilibrio y la formación de la bóveda ovoide.

Para describir el equilibrio de fuerzas que actúan sobre objetos en reposo es útil emplear una representación gráfica. A este tipo de representación se le llama diagrama de fuerzas. Las reglas básicas para elaborar este tipo de diagramas son las siguientes. m Hacer dibujos grandes y claros. m Dado que se trata de vectores, usar flechas para indicar la dirección y el sentido de las fuerzas. m Aunque en los diagramas de fuerzas no se usa una escala precisa para indicar la magnitud, sí hay que tener cuidado en mantener una proporcionalidad en las fuerzas. m Las flechas deben tocar el objeto o sistema. Se puede representar al objeto con un punto o una caja esquemática, y las flechas deben partir del mismo punto. m A cada flecha se le debe etiquetar, y si se sabe su valor hay que escribirlo. Puede parecerte muy raro que un objeto se represente con un punto. Ciertamente, hay situaciones en la naturaleza en que la forma del objeto es relevante para su descripción, por ejemplo, en los movimientos rotacionales, pero en ocasiones, como en el caso del equilibrio de fuerzas, una vez que esta situación se ha logrado no es importante la forma de los objetos. Considera ahora una lámpara suspendida por dos cuerdas. El techo ejerce una fuerza sobre la lámpara a través de cada una de las cuerdas. Este tipo de fuerza, como ya se dijo, se llama tensión. Además, hay otra fuerza, la atracción gravitacional que ejerce la Tierra sobre la lámpara, lo que habitualmente llamamos peso. Usa este ejemplo para ilustrar los diagramas de fuerza. Empieza por hacer un dibujo de la situación (figura 1.102). Ahora, sigue los pasos antes descritos y usa flechas para indicar la dirección (sabes los ángulos) y el sentido de todas las fuerzas. Como no conoces la magnitud de estas, no emplees una escala para el dibujo, solo ponles nombres a las flechas: T1 y T2 para las tensiones y w para el peso. Representa esquemáticamente la lámpara mediante un punto. Con ello, elabora el diagrama de fuerzas, el cual te ayudará a visualizar la situación (figura 1.103). Nota que este tipo de análisis es la base de todas las construcciones arquitectónicas de la humanidad. Es importante 50o mencionar que la construcción de grandes obras, como las 40o pirámides, se facilitó con el uso de las máquinas simples, que T1 T2 se siguen empleando en la vida cotidiana. 50o

40o

Cuerda 1

Cuerda 2

Figura 1.102 Diagrama de fuerzas de una lámpara sujetada por dos cuerdas.

Figura 1.103 Diagrama de fuerzas en el que se aprecia que el peso de la lámpara y las tensiones de las cuerdas son fuerzas.

W

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee la situación y haz lo que se pide. Un burro jala una carreta con una fuerza de 400 N hacia la derecha. La cuerda entre la carreta y el burro forma un ángulo de 30° con la carreta, pero no logra moverla. » Traza un diagrama de las fuerzas que actúan sobre la carreta. No olvides que el suelo compensa a la fuerza de gravedad. » Menciona hacia dónde apunta la fuerza de rozamiento. » Explica cómo es la fuerza resultante.

64

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 64

12/21/12 11:51 AM


Integramos Todo lo que has aprendido para sumar fuerzas y encontrar fuerzas resultantes y equilibrantes puede aplicarse a la suma de desplazamientos, velocidades, aceleraciones y de todas las cantidades físicas que se comportan como un vector. Sin embargo, en el caso de las fuerzas resulta más claro que la acción combinada de fuerzas es equivalente a una fuerza resultante o neta. Por ello, cuando la resultante es nula, los cuerpos permanecen en equilibrio. En un florero sobre una mesa, la atracción gravitacional es igual en magnitud, pero su sentido es opuesto a la fuerza que ejerce la mesa sobre el florero, de tal manera que la suma es cero y el florero no se mueve. En las situaciones en que actúan fuerzas de igual magnitud y dirección, pero de sentidos opuestos, como en el juego de la soga o en el ejemplo de la bolsa de dulces que se disputan dos niños en una fiesta, es también muy claro el concepto de equilibrio de fuerzas. Hay que resaltar que si bien estos dos ejemplos involucran únicamente dos fuerzas, puede haber equilibrio con muchas fuerzas presentes siempre y cuando su resultante sea cero.

Aproximación al conocimiento científico

Figura 1.104 El análisis del equilibrio de fuerzas es fundamental para un ingeniero que diseña una construcción.

Lo que aprendiste en esta lección se aplica en la ingeniería. En el diseño de estructuras, los ingenieros civiles analizan el equilibrio de fuerzas para lograr que una construcción se mantenga en pie (figura 1.104). Lo que tienen que equilibrar es la fuerza de gravedad y el peso de la estructura, contra la fuerza de oposición que ejerce la base que la sostiene. Ellos asumen que toda la estructura se puede descomponer en fuerzas horizontales y verticales. Forma un equipo de tres integrantes para llevar a cabo esta actividad.

Material: ¿Qué necesitamos? Fichas de dominó o una baraja, libros o cuadernos de dimensiones similares (unos 20)

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Construyan un edificio usando naipes o fichas de dominó (figura 1.105). 2. Hagan una torre de libros o cuadernos del mismo tamaño y peso, en la que cada uno esté ligeramente desplazado del anterior (figura 1.106). 3. Organicen un concurso entre equipos para demostrar cuál es capaz de construir el edificio o la torre más alta. 4. Al finalizar el concurso, un representante de cada equipo pasará al frente a explicar su “estrategia de ingeniería” para construir la torre más alta y estable.

Figura 1.105

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. Expliquen cómo consiguieron el equilibrio de fuerzas en su edificio de naipes o fichas de dominó. 2. Analicen hasta dónde puede darse el desplazamiento de los libros o cuadernos sin que se caiga la torre. 3. En caso de que se hayan caído las dos construcciones que hicieron, discutan a qué se debió.

Figura 1.106

65

S-Fis-CNT-B1-054-065_PDF_alta_alumno 65

12/21/12 11:51 AM


Proyecto

Fase 1

BLOQUE 1 inicio

Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar aprendizajes esperados. Trabaja colaborativamente con responsabilidad, solidaridad y respeto en la organización y desarrollo del proyecto. Selecciona y sistematiza la información relevante para la investigación planteada en su proyecto. Describe algunos fenómenos y procesos naturales relacionados con el movimiento, las ondas o la fuerza, a partir de gráficas, experimentos y modelos físicos. Comparte los resultados de su proyecto mediante diversos medios (textos, modelos, gráficos, interactivos, entre otros).

Has concluido el primer bloque y ha llegado el momento de aplicar los conocimientos que adquiriste a lo largo de las sesiones trabajadas. Recuerda que los proyectos estudiantiles tienen diferentes propósitos, entre ellos, el que integres tus conocimientos y pongas en práctica las habilidades y las actitudes que desarrollaste durante el bloque. Te sugerimos revisar las páginas 10 a 13 para que recuerdes otras funciones de los proyectos.

Propuestas de actividades para la fase 1 1. Reúnete con tu equipo para leer y comentar los siguientes textos. Las ruinas de México (Elegía del retorno) Poesía en honor de las víctimas del terremoto de 1985 (figura 1.107), José Emilio Pacheco

Figura 1.107 El 19 de septiembre de 1985, un gran terremoto devastó la Ciudad de México.

Absurda es la materia que se desploma, la penetrada de vacío, la hueca. No: la materia no se destruye, la forma que le damos se pulveriza, nuestras obras se hacen añicos. La tierra gira sostenida en el fuego. Duerme en un polvorín. Trae en su interior una hoguera, un infierno sólido que de repente se convierte en abismo.

[...] Así de pronto lo más firme se quiebra, se tornan movedizos concreto y hierro, el asfalto se rasga, se desploman la vida y la ciudad. Triunfa el planeta contra el designio de sus invasores. [...] Somos naturaleza y sueño. Por tanto somos lo que desciende siempre: polvo en el aire.

[...] De adentro viene el golpe, la cabalgata sombría, la estampida de lo invisible, explosión de lo que suponemos inmóvil y bulle siempre.

66

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 66

12/21/12 11:53 AM


Las ondas sísmicas y el interior de la Tierra Aún hoy no se sabe exactamente cómo está constituido el interior de la Tierra […] Como se estima que el radio terrestre es de 6 370 km, la información sobre las profundidades, que proporcionan las excavaciones, es mínima. El conocimiento actual de la estructura interna de la Tierra proviene de datos indirectos proporcionados por la investigación geofísica; el estudio de los terremotos es el que más datos ha aportado. Con cada terremoto se origina un “frente” de ondas sísmicas que viaja en todas direcciones; estas ondas se propagan de manera semejante a las que se producen al tirar una piedra en el agua. La observación del desplazamiento de las ondas sísmicas a través de la Tierra ha ayudado a conocer los materiales por los que transitan, pues su velocidad de propagación está en función del tipo de material por el que se desplazan. Los sismos pueden tener diversos orígenes: volcánico, de impacto, por explosiones y aquellos producidos por el roce de las placas de la corteza terrestre. La propagación de la energía resultante se da en forma de ondas elásticas. A través de la Tierra viajan dos tipos de ondas elásticas: las de cuerpo o internas, que pueden ser compresionales (ondas P) y se transmiten tanto en medios sólidos como líquidos; y las de corte o cizalla (ondas S) que son más lentas y solo se transmiten a través de medios sólidos. Ambas se registran y se miden con sismógrafos […] Con la sofisticada red de estaciones sismográficas de México y el mundo, se han estudiado en detalle las ondas que atraviesan el interior del planeta y se ha podido definir su velocidad, amplitud, reflexiones, refracciones y otras características físicas. Al integrar los resultados obtenidos por las estaciones sísmicas se ha deducido una estructura terrestre interna de capas concéntricas discontinuas.

En México contamos con un excelente centro de prevención de desastres, el CENAPRED. Entra a http://www.cenapred. unam.mx/es/ y conoce sus actividades.

Geofísica. Parte de la geología que estudia la física terrestre. Onda elástica. Tipo de onda mecánica en la que la perturbación se expande en un medio elástico.

Fragmento tomado de www.cienciorama.unam.mx (Consultado el 24 de enero de 2012) Texto de J. Rubén Cárdenas

2. Con base en los textos anteriores, comenten lo que más les llamó la atención y lo que saben al respecto. 3. Definan el problema que resolverán en el proyecto. Pueden partir de preguntas como las siguientes: ¿Cómo es el movimiento de los terremotos o tsunamis (maremotos)? ¿De qué manera se aprovecha esta información para prevenir y reducir riesgos ante estos desastres naturales? 4. Puede que tengan otros intereses y decidan resolver un problema distinto al sugerido con las preguntas anteriores; si es así, ¡adelante!, infórmenle a su profesor, quien les comentará si es pertinente. 5. Decidan el tipo de proyecto en el que participarán (científico, tecnológico o ciudadano). Después, con base en el tema que eligieron, revisen lo que saben y lo que han aprendido en otros cursos o asignaturas. Procuren responder estas preguntas: » ¿Qué sabemos? ¿Qué necesitamos investigar? ¿Cómo nos ayudará a resolver el problema que elegimos?

67

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 67

12/21/12 11:53 AM


Proyecto

Fase 2

BLOQUE 1

planeación

FASE 2: PLANEACIÓN El éxito de todo proyecto estudiantil depende de la planeación de las actividades y se inicia con su delimitación. Lean lo que hicieron los estudiantes de una escuela secundaria para planear su proyecto. Con base en ello, decidan cómo harán el suyo. Los miembros del equipo analizaron la pregunta elegida, y después de reconocer lo que sabían del tema se plantearon un propósito, es decir, un problema que pudieran resolver. En este caso, optaron por la pregunta “¿Cómo es el movimiento de los terremotos o tsunamis, y de qué manera se aprovecha esta información para prevenir y reducir riesgos ante estos desastres naturales?”, y decidieron solucionar el siguiente problema. Identificar si la comunidad se ubica en una zona sísmica, determinar cuáles son los sistemas de alerta temprana accesibles a la comunidad y difundir acciones de prevención y reducción de riesgos ante un sismo. Después, definieron de manera general lo que indagarían, para qué lo harían y cómo habrían de lograrlo. Al final, propusieron una serie de actividades que organizaron en el cuadro 1.3.

Cuadro 1.3 Planeación del proyecto Contenidos del Posible Propósito bloque que se solución pueden utilizar

Problemática identificada No sabemos si la comunidad se ubica en una zona sísmica.

Buscar en Internet un mapa que muestre zonas sísmicas.

¿Qué haremos?

Ubicar la comunidad en el mapa

Movimiento ondulatorio, modelo de ondas y explicación de las características del sonido

¿Dónde investigaremos?

Buscar información en mapas o atlas

En la página web del Cenapred (Centro Nacional de Prevención de Desastres)

Recursos necesarios Computadora e Internet

¿Cuánto tardaremos? Dos horas

Propuestas de actividades para la fase 2 1. Con base en la pregunta guía que escogieron, delimiten el problema, así como su posible solución. Coméntenla con el profesor. 2. Propongan y organicen las actividades en el tiempo que han establecido para ello; asignen responsables. Pueden emplear un organizador como el cuadro 1.3. Por ejemplo, pueden visitar el Cenapred o el centro para la prevención de desastres correspondiente a su entidad o municipio. 3. Procuren responder estas preguntas. » ¿Qué queremos hacer? » ¿Qué recursos humanos, materiales y económicos requerimos para emprender el proyecto? ¿Con cuáles contamos? ¿Cuáles tenemos que conseguir? » ¿Cómo registraremos y analizaremos los resultados? » ¿Cómo comunicaremos los resultados y las conclusiones?

68

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 68

12/21/12 11:53 AM


Lleven a cabo las actividades que planearon. Procuren consultar a su profesor siempre que sea necesario e informarle sobre los avances; registren la información que obtengan. A continuación, se presentan actividades que hicieron algunos estudiantes durante esta fase del proyecto, según la pregunta guía que eligieron.

Fase 3

FASE 3: DESARROLLO desarrollo

Pregunta guía: ¿Qué podemos hacer para saber si nuestra comunidad se ubica en una zona sísmica? Este equipo investigó en revistas de divulgación científica, libros e Internet, cómo se definen las zonas sísmicas en nuestro país y los mapas que las representan. La información que obtuvieron les ayudó a comprender la importancia de los sistemas de alerta temprana. Entonces decidieron mostrar cómo es el movimiento de los sismos y cómo funciona un sistema de alerta temprana, por tal razón, fabricaron un sismógrafo con el siguiente material y procedimiento. Material: un bloque, un resorte, un marcador, un cilindro cubierto de papel, un motor eléctrico de pila para hacer que gire el cilindro. Procedimiento 1. Se cuelga un bloque de un resorte. Su tamaño debe ser el adecuado para que el resorte lo sostenga y oscile sin romperse. 2. Se fija el marcador al bloque. 3. Si el cilindro cubierto de papel no gira, de cualquier manera servirá para registrar el movimiento debido al sismo. 4. Si se puede poner un motor de pila para que el cilindro gire, entonces es posible obtener una onda oscilatoria que se relacione con la onda sísmica. 5. Si no se tiene un motor para el giro, deberá moverse el cilindro manualmente para dibujar la onda, que no quede solo una línea vertical. Análisis de resultados y conclusiones La onda sísmica produce un movimiento de la corteza terrestre que, a su vez, se puede transmitir al péndulo vertical que se ha construido. El dibujo de la onda en el papel está directamente relacionado con la intensidad del sismo.

Para saber más Consulta los siguientes libros de la biblioteca escolar. *Lomnitz, C. (2003). Los temblores. México: sep/Dirección General de Publicaciones. *Fierro Gossman, J. y Delgado, H. (2004). Volcanes y temblores en México. Editorial Sistemas Técnicos de Educación. *Domínguez, H., Flores, J., Tagüeña, C. y Tagüeña, J. (2002). Sonido, luz y otras ondas. Santillana. *Jürgen, H. (2006). Experimentos sencillos con fuerzas y ondas. sep-Oniro.

Propuestas de actividades para la fase 3 1. Simula sismos e interpreta los resultados del sismógrafo construido. Investiga qué es la escala Richter. 2. Busca otros posibles diseños de sismógrafos e investiga dónde están ubicados los sismógrafos que conforman la red de alerta temprana de nuestro país.

69

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 69

12/21/12 11:53 AM


Proyecto

Fase 4

BLOQUE 1

comunicación

FASE 4: COMUNICACIÓN Es el momento de comunicar los resultados del proyecto. Para ello, regresen al cuadro de planeación y, considerando lo que pensaron respecto a cómo hacer el proyecto, decidan si optarán por el mismo camino o si harán una presentación general (a manera de exposición) seguida de otras actividades (como una obra de teatro, un programa de radio, una feria de ciencia y tecnología, un periódico mural, una videoconferencia, entre otras). En la presentación general de un proyecto es recomendable que un integrante del equipo dirija unas palabras de bienvenida a la audiencia y, en caso de que lo consideren adecuado, que presente las diferentes actividades o etapas del proyecto. ¿Ya decidieron quién lo hará? ¿Qué dirá? Observen el cuadro 1.4 que hizo un equipo de estudiantes.

Actividad

Cuadro 1.4 Guion para presentar el proyecto Responsable

Duración

Palabras introductorias a la presentación del proyecto

Manuel

De 1 a 2 minutos

Presentación sobre el Cenapred, el Atlas Nacional de Riesgos y protección civil de la localidad

Lorena

2 minutos

Presentación de mapas del Atlas Nacional de Riesgos y ubicación de la comunidad en dichos mapas

Fermín

5 minutos

Presentación en la que se explica qué es un sistema de alerta temprana para sismos.

Todos

5 minutos

Presentación de un sismómetro

Lucía y Juan

10 minutos

Presentación de medidas de prevención y reducción de riesgos ante sismos

Lorena

10 minutos

Agradecimientos y cierre

Manuel

1 minuto

Repartición de copias del manual de medidas de prevención para las familias de los compañeros

Todos

5 minutos

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Presenten los resultados de su proyecto en el medio de divulgación que eligieron. 2. Con base en los resultados, expliquen los problemas o dificultades que tuvieron, así como las cosas que aprendieron. Destaquen los beneficios que les aportó el desarrollo del proyecto. m Si participaron en un proyecto científico, destaquen los datos que obtuvieron, sus observaciones y avances. Si el proyecto fue tecnológico pueden, por ejemplo, explicar cómo hicieron un dispositivo y los resultados que obtuvieron al ponerlo en funcionamiento. En un proyecto ciudadano, sería muy bueno que explicaran la manera en que este benefició a la comunidad.

70

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 70

12/21/12 11:53 AM


Evaluación Este es el momento para que reflexiones sobre los logros, las deficiencias y los aprendizajes adquiridos durante el desarrollo y la presentación de tu proyecto.

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Reflexiona sobre las preguntas del siguiente cuadro. Cópialo en tu cuaderno y complétalo.

Trabajo individual

Siempre

Algunas veces

Pocas veces

Nunca

¿Cooperé con mis compañeros de equipo? ¿Fui participativo en las reuniones y actividades? ¿Aporté ideas para enriquecer nuestro trabajo? ¿Cumplí con mis tareas y responsabilidades dentro del equipo? ¿Ayudé a quien me lo pidió, aunque no fuera miembro de mi equipo? ¿Participé en la resolución de desacuerdos o conflictos dentro de mi equipo? ¿Me gustó trabajar en equipo?

2. En equipo, hagan en su cuaderno un cuadro como este. Lleguen a acuerdos y complétenlo.

Trabajo en equipo

No

¿Por qué?

Las investigaciones que llevamos a cabo fueron suficientes para desarrollar nuestro proyecto. Las actividades y procedimientos que elegimos fueron adecuados para presentar el tema de nuestro proyecto. La distribución del trabajo en el equipo fue adecuada y equitativa. En nuestro equipo hubo un ambiente de compañerismo, cooperación y solidaridad. Hicimos los ajustes necesarios en nuestro proyecto para mejorarlo. Logramos los propósitos y el objetivo de nuestro proyecto. Nuestro proyecto fue significativo para la comunidad a la que iba dirigido. Adquirimos nuevos aprendizajes durante el desarrollo y la presentación de nuestro proyecto.

3. Reúnete con el grupo y el profesor. Comparte las respuestas que escribiste en estos cuadros y coméntalas. Propón maneras de mejorar tu desempeño y el logro del proyecto.

71

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 71

12/21/12 11:53 AM


Evaluación (TIPO PISA)

BLOQUE 1

Comprueba tus competencias Al principio del bloque se te invitó a conocer las características de los movimientos que ocurren a tu alrededor. Comprueba que lo has conseguido.

¿Son inevitables las catástrofes? El tsunami de la isla de Sumatra (Indonesia), ocurrido el 26 de diciembre de 2004, provocó una de las mayores catástrofes naturales de la historia de la humanidad. Los organismos oficiales hablan de 230 000 muertos (si bien otras fuentes elevan esta cifra hasta 280 000) y más de dos millones de desplazados. Las circunstancias que concurrieron en este suceso ayudaron a mostrar algo que los expertos venían señalando: fenómenos naturales como erupciones volcánicas, terremotos o tsunamis son inevitables, sin embargo, puede evitarse que se conviertan en catástrofes con cientos de miles de víctimas mortales. Así, con los conocimientos actuales, no pudo predecirse que el 26 de diciembre ocurriría en la costa de Sumatra el terremoto de 9 grados en la escala Richter que generaría ese terrible tsunami. Pero se sabía que en esa zona se habían producido sismos de esa magnitud, y los científicos no tenían ninguna duda acerca de que volverían a suceder (y se repetirán en el futuro). También se sabía que esos terremotos podían generar tsunamis. Siendo así, resulta obligado preguntarse: ¿Entonces, por qué no se adoptaron las medidas de prevención necesarias? Con todo, lo que más cuesta entender es que, dos horas y media después de arrasar la costa de Sumatra, el tsunami llegara a Sri Lanka y encontrara a la población tan desprevenida como

en Sumatra. A las islas Maldivas llegó cuatro horas más tarde, y siete horas después de haberse originado alcanzó Somalia, ya en la costa africana (figura 1.108). Pues bien, para deshonra de la humanidad, el tsunami causó 40 000 muertos en Sri Lanka, 91 en Maldivas y 298 en Somalia.

Figura 1.108 Mapa que muestra la propagación del tsunami de Sumatra, a partir del epicentro. Los dígitos indican el tiempo de propagación en horas.

Si ya se sabía que se había producido el tsunami, se conocía la velocidad a la que viajaba y se podía calcular el momento en que llegaría a estas costas situadas a miles de kilómetros de Sumatra, ¿cómo se permitió que ocurriera?

Pregunta 1. Si la distancia que hay del Si es una magnitud epicentro del terremoto a la costa de Sosuperior a 6.5 el Países en ordenador central malia es de 4 500 km aproximadamente, peligro manda un preaviso a ¿a qué velocidad viajó la ola? los países en peligro. El ordenador central procesa Pregunta 2. La gran ola de un tsunami al la información, predice la velocidad de propagación y transmite la señal romper contra la costa, aumenta su altura de alerta a las zonas afectadas. pudiendo alcanzar más de quince metros. El sismógrafo afecta el terremoto y envía Considerando la ola como un frente de la información al ordenador central. ondas, ¿a qué se hace referencia al hablar de altura: a la amplitud o a la longitud de Las boyas flotantes detectan el paso del tsunamí y sus características y las onda? Razona la respuesta. remiten al ordenador central. Pregunta 3. A la derecha puedes ver un sistema de detección de tsunamis (figura Figura 1.109 Esquema de los componentes de un sistema de detección de tsunamis, desde el epicentro, hasta la estación sismológica. 1.109). ¿Consideras que esta medida es suficiente para evitar catástrofes similares? Propón, junto con tus compañeros, dos acciones más para hacer frente a una catástrofe natural. Pregunta 4. ¿En qué lugar de la costa mexicana situarías un dispositivo de detección de tsunamis? Justifica tu respuesta. 72

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 72

12/21/12 11:53 AM


Preparados, listos, ¡ya! En la carrera de 100 m masculina celebrada en 1997 en Atenas durante el LX Campeonato Mundial de Atletismo, se llevó a cabo un proyecto de investigación biomecánica. En el cuadro vemos los valores de los tiempos empleados por el ganador, el atleta Maurice Greene, para llegar a los diferentes puntos de la carrera. Si estos puntos se grafican en un plano cartesiano, se observa que, con excepción de dos de ellos, se encuentran aproximadamente en una misma línea recta.

Tiempo

0

0

0

0.13

10

1.84

20

2.88

30

3.8

40

4.68

50

5.55

60

6.4

70

7.25

80

8.11

90

8.98

100

9.86

Serie 1, 9.86 100

Posición (metros)

Posición

Tiempo (segundos)

Pregunta 1. Explica qué interpretación física puede asociarse con el hecho de que los dos primeros puntos no se encuentran en la misma línea que los puntos siguientes. Pregunta 2. Calcula en cuál de los intervalos marcados la rapidez media con que se movió Maurice Greene fue mayor y en cuál fue menor. Determina el valor de dicha rapidez en ambos casos. Pregunta 3. Menciona en qué intervalo la aceleración de Maurice Greene fue mayor y calcula la aceleración media. Pregunta 4. Con los datos de la tabla de posición contra tiempo traza una gráfica de velocidad contra tiempo, correspondiente al recorrido de Maurice Greene. Pregunta 5. Propón una gráfica de movimiento para un caballo que salga simultáneamente con Maurice Greene pero que, como acelera más lentamente, alcance su velocidad máxima 5 segundos después de la carrera y que, sin embargo, alcance a Maurice Greene justamente al llegar a la meta. Pregunta 6. Enlista al menos cinco ventajas de utilizar la bicicleta en lugar del coche. 73

S-Fis-CNT-B1-066-073_PDF_alta_alumno 73

12/21/12 11:53 AM


BLOQUE

2

Las leyes del movimiento Competencias que se favorecen:

• Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Comprensión de los alcances de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención.

Aprendizajes esperados m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

Contenidos

Interpreta y aplica las leyes de Newton como un conjunto de reglas para describir y predecir los efectos de las fuerzas en experimentos y/o situaciones cotidianas. Valora la importancia de las leyes de Newton en la explicación de las causas del movimiento de los objetos.

La explicación del movimiento en el entorno Lección 1. Primera ley de Newton: el estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. La inercia y su relación con la masa. Lección 2. Segunda ley de Newton: relación fuerza, masa y aceleración. El newton como unidad de fuerza. Lección 3. Tercera ley de Newton: la acción y la reacción; magnitud y sentido de las fuerzas.

Establece relaciones entre la gravitación, la caída libre y el peso de los objetos, a partir de situaciones cotidianas. Describe la relación entre distancia y fuerza de atracción gravitacional y la representa por medio de una gráfica fuerza-distancia. Identifica el movimiento de los cuerpos del Sistema Solar como efecto de la fuerza de atracción gravitacional. Argumenta la importancia de la aportación de Newton para el desarrollo de la ciencia.

Efectos de las fuerzas en la Tierra y en el Universo Lección 1. Gravitación. Representación gráfica de la atracción gravitacional. Relación con caída libre y peso. Lección 2. Aportación de Newton a la ciencia: explicación del movimiento en la Tierra y en el Universo.

Describe la energía mecánica a partir de las relaciones entre el movimiento: la posición y la velocidad. Interpreta esquemas del cambio de la energía cinética y potencial en movimientos de caída libre del entorno. Utiliza las expresiones algebraicas de la energía potencial y cinética para describir algunos movimientos que identifiquen el entorno y/o en situaciones experimentales.

La energía y el movimiento Lección 1. Energía mecánica: cinética y potencial. Lección 2. Transformaciones de la energía cinética y potencial. Lección 3. Principio de la conservación de la energía.

Plantea preguntas o hipótesis para responder a la situación de su interés, relacionada con el movimiento, las fuerzas o la energía. Selecciona y sistematiza la información relevante para realizar su proyecto. Elabora objetos técnicos o experimentos que le permitan describir, explicar y predecir algunos fenómenos físicos relacionados con el movimiento, las fuerzas o la energía. Organiza la información resultante de su proyecto y la comunica al grupo o a la comunidad, mediante diversos medios: orales, escritos, gráficos o con ayuda de las tecnologías de la información y la comunicación.

Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones) »» ¿Cómo se relaciona el movimiento y la fuerza con la importancia del uso del cinturón de seguridad para quienes viajan en algunos transportes? »» ¿Cómo intervienen las fuerzas en la construcción de un puente colgante?

74

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 74

1/14/13 11:09 AM


El cinturón de seguridad Observa»la»imagen.»¿Qué»elementos»de»seguridad»distingues? Está»demostrado»que»el»uso»del»cinturón»de»seguridad»aumenta»50%»la»probabilidad»de»sobrevivir»tras»una»colisión»y»reduce» las»lesiones»a»casi»60%»en»los»heridos»de»accidente»de»tráfico. »» ¿Qué sensación tienes cuando un automóvil en movimiento circula por una curva? ¿A qué crees que se debe? Enumera todas las fuerzas que crees que actúan en ese momento. »» Cuando un coche acelera bruscamente, ¿hacia dónde se dirige tu cuerpo?, ¿a qué crees que se debe? ¿Y cuando frena? »» ¿Sueles ponerte el cinturón de seguridad? Explica a tus compañeros las razones por las que crees que es importante el uso del cinturón. La»onu»proclamó»el»periodo»2011-2020»como»el»“Decenio» de»Acción»para»la»Seguridad»Vial”,»en»un»esfuerzo»por»reducir»las» cifras»de»víctimas»de»accidentes.»México»se»ha»sumado»a»esta» iniciativa»firmando»un»acuerdo»para»la»Estrategia»Nacional»de» Seguridad»Vial»2011-2020.»Puedes»informarte»en»http://dof.gob. mx/nota_detalle.php?codigo=5193284&fecha=06/06/2011

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 75

Cuando se circula en coche estamos sometidos a un gran número de fuerzas; describir y conocer estas fuerzas nos permitirá predecir sus efectos y tomar las medidas adecuadas para circular con seguridad. Al finalizar este bloque conocerás las fuerzas que nos rodean y cómo influyen en el movimiento de los objetos.

Propuestas de proyectos • ¿Cómo se relaciona el movimiento y la fuerza con la importancia del uso del cinturón de seguridad para quienes viajan en algunos transportes? • ¿Cómo intervienen las fuerzas en la construcción de un puente colgante? 75

1/14/13 11:09 AM


BLOQUE

2

Lección 1

La explicación del movimiento en el entorno Primera ley de Newton: el estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme. La inercia y su relación con la masa

aprendizajes esperados. Interpreta y aplica las leyes de Newton como un conjunto de reglas para describir y predecir los efectos de las fuerzas en experimentos o situaciones cotidianas. Valora la importancia de las leyes de Newton en la explicación de las causas del movimiento de los objetos.

Comenzamos

Figura 2.1 En una mudanza hay que mover objetos de un lugar a otro. Para ello, se requiere aplicar fuerzas para cambiar su estado de movimiento, que en principio es el reposo.

Para saber más El kilogramo patrón se defi ne como la masa de un prototipo compuesto de una aleación de platino e iridio, que se encuentra en la Ofi cina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres, Francia.

Figura 2.2 Fotografía del kilogramo patrón.

Imagina»que»tus»vecinos»se»mudan»de»casa»y»quieres»ayudarlos»con»las»cajas»que» han»empaquetado,»empujándolas»sobre»la»rampa»que»las»lleva»al»camión»de»mudanzas»(figura 2.1).»Si»hay»dos»cajas»del»mismo»tamaño,»una»llena»de»libros»y»otra» de»almohadas»de»pluma,»¿cuál»será»más»fácil»de»mover?»¿Has»tenido»la»experiencia»de»cargar»libros»y»cargar»almohadas?»Aun»con»el»mismo»tamaño,»hay»objetos» más»livianos»y»más»pesados,»y»por»eso»es»más»fácil»mover»las»almohadas.»En»este» ejemplo»se»trata»de»poner»en»movimiento»objetos»que»están»en»reposo,»para»ello» se»requiere»aplicar»una»fuerza. Ahora»piensa»que»dejaste»las»mismas»cajas»a»la»mitad»de»la»rampa»y»que»resbalan»hacia»ti.»Te»será»más»fácil»detener»la»caja»de»almohadas»que»la»caja»de»libros.» ¿Podrías»detener»las»cajas»sin»aplicar»una»fuerza?» Como»ya»viste,»en»ambas»situaciones,»la»fuerza»ejercida»produce»el»cambio»en»el»estado» de»movimiento»de»las»cajas:»del»reposo»a»que»tengan»cierta»rapidez»y,»a»la»inversa,»de»que» tengan»cierta»rapidez»al»reposo.»Además,»cada»caja»requiere»que»se»le»aplique»una»fuerza» diferente»para»lograr»el»mismo»efecto. 1. Analiza»el»ejemplo»de»la»mudanza.»En»tu»cuaderno»haz»lo»que»se»pide. »» Describe la situación en términos de los conceptos que ya se han discutido: posición, velocidad, aceleración y fuerza. »» ¿Puedes distinguir el hecho de que las cajas contengan libros o almohadas mediante estos conceptos o te haría falta considerar una nueva propiedad? Explícalo con argumentos. »» Reflexiona. ¿Qué tipo de concepto relacionado con el contenido de las cajas piensas que te haría falta para entender esta situación?

Aprendemos La»experiencia»indica»que»el»tipo»de»objetos,»según»el»material»del»que»estén»compuestos,» infl»uye»en»la»respuesta»que»presentan»ante»la»acción»de»una»fuerza»que»se»ejerce»sobre»ellos.» No»es»lo»mismo»patear»una»caja»de»libros»que»una»caja»de»almohadas»de»pluma.»Para»describir»esta»diferencia»es»necesario»un»nuevo»concepto.»Considera»la»masa»como»la»cantidad»de» materia»de»un»objeto.»Es»una»cantidad escalar»y»en»el»Sistema»Internacional»de»Unidades» se»mide»en»kilogramos»(kg)»(figura 2.2).»A»mayor»masa»se»requiere»una»fuerza»mayor»para» lograr»un»cambio»en»el»estado»de»movimiento»de»un»objeto,»como»sucede»con»las»cajas»en» una»mudanza.»Por»ello,»no»es»lo»mismo»mover»libros»que»mover»almohadas»llenas»de»plumas,» y»una»misma»caja»tendrá»diferente»masa»según»lo»que»contenga. Como»viste,»se»necesita»una»fuerza»para»mover»un»objeto»en»reposo»y»también»para» detenerlo»o»desviarlo»cuando»se»está»moviendo.»En»la»vida»cotidiana»has»experimentado» que»cuando»arranca»un»coche»sientes»un»jalón»hacia»atrás»o»que»cuando»se»detiene»tú»sigues» moviéndote»hacia»delante.

76

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 76

1/14/13 11:09 AM


Esta»tendencia»a»resistir»todo»cambio»en»el»estado»de»movimiento»de»un»objeto»se» llama»inercia.»Al»unir»estos»conceptos»se»puede»concluir»que»a mayor masa, un objeto tendrá mayor inercia.»Es»posible»incluso»utilizar»la»inercia»para»entender»el»concepto»de»masa,»no» solo»como»la»cantidad»de»materia,»sino»como»la»resistencia»al»cambio»del»estado»de»reposo» o»de»movimiento. Recuerda»que»en»el»reposo»la»posición»de»un»objeto»no»cambia,»y»que»en»el»movimiento» rectilíneo»uniforme»el»objeto»se»mueve»en»línea»recta»a»velocidad»constante.»Ya»analizaste» que»el»reposo»y»el»movimiento»rectilíneo»uniforme»son»indistinguibles»según»el»marco»de» referencia»que»se»tome.»Por»inercia,»un»objeto»en»reposo»o»en»movimiento»rectilíneo»uniforme» permanecerá»en»ese»estado»de»movimiento»mientras»no»haya»una»fuerza»neta»que»actúe»sobre» él.»Este»hecho»recibe»el»nombre»de»primera ley de Newton.

Si quieres ampliar tus conocimientos acerca de Newton y las leyes del movimiento, consulta esta página: http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/ act_permanentes/conciencia/fisica/newton/ index.htm

Aproximación al conocimiento científico Todas»las»personas»han»sentido»alguna»vez»el»efecto»de»la»inercia.»Reúnete»con»dos»compañeros»para»hacer»un»experimento»sobre»este»tema» y»anoten»en»su»cuaderno»sus»observaciones.

Materiales: ¿Qué necesitamos? Dos»reglas,»un»pedazo»de»plastilina»del»tamaño»de»una»nuez,»un»cochecito»de»juguete» que»pueda»rodar»por»las»reglas,»cinta»adhesiva,»un»lápiz»y»dos»libros»de»aproximadamente» 3»cm»de»espesor

Figura 2.3

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Coloquen»uno»de»los»libros»sobre»una»mesa. 2. Pongan»el»extremo»de»una»de»las»reglas»sobre»el»libro.»Con»cinta»adhesiva»sujeten»a» la»mesa»el»otro»extremo»de»la»regla»(figura 2.3). 3. Peguen»el»lápiz»sobre»la»mesa,»de»manera»perpendicular»a»la»regla»y»aproximadamente»a»una»distancia»del»extremo»de»la»regla»de»dos»veces»la»longitud»del»cochecito. 4. Hagan»una»figura»de»plastilina»parecida»a»un»muñeco. 5. Aplasten»la»base»de»la»figura»y»colóquenla»con»mucho»cuidado»encima»del»techo» del»cochecito,»pero»sin»presionarla»demasiado,»para»que»pueda»caer»fácilmente. 6. Coloquen»el»cochecito»con»la»figura»en»la»parte»alta»de»la»regla»y»suéltenlo»para»que» baje»por»esta»y»choque»contra»el»lápiz»(figura 2.4). 7. Usen»la»segunda»regla»para»medir»la»distancia»desde»el»punto»donde»se»dejó»caer,» hasta»el»punto»en»el»que»cayó»la»figura»cuando»el»cochecito»se»detuvo. 8. Repitan»los»pasos»6»y»7»varias»veces,»y»registren»los»datos»(figura 2.7). 9. Modifiquen»la»inclinación»de»la»regla»pegada»a»la»mesa,»poniendo»un»segundo»libro» sobre»el»primero»(figura 2.6).

Figura 2.4

Figura 2.5

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. Anoten»sus»resultados»en»el»cuaderno»y»discutan»lo»que»ocurrió. 2. Comparen»la»distancia»a»la»que»cayó»el»muñeco»en»las»dos»alturas»(con»uno»y»dos» libros).»¿Qué»le»pasa»a»la»velocidad»del»cochecito»en»cada»caso?»¿Por»qué»el»muñeco» sigue»su»movimiento»cuando»el»cochecito»se»detiene?

Figura 2.6 77

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 77

1/14/13 11:09 AM


Figura 2.7 El cinturón de seguridad se utiliza para prevenir daños en las personas, por efectos de la inercia, cuando se viaja en un automóvil.

Para saber más Un marco de referencia se dice que es inercial cuando está en reposo o se mueve a velocidad constante en línea recta respecto a un observador. Este es un concepto importante en física moderna. Puedes leer sobre esto en el libro Relatividad para principiantes; consulta el capítulo 1, que se refiere a la relatividad de Galileo. http://ibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen2/ ciencia3/078/htm/ relativ.htm

Una»situación»en»la»que»se»manifiesta»claramente»la»inercia»puedes»observarla»cuando»te»mueves» en»un»coche»o»en»un»tren.»Si»llevas»cualquier»objeto» contigo,»como»unas»llaves,»lánzalas»hacia»arriba»y»ve» qué»pasa.»Seguramente»ya»has»vivido»una»situación» así»y»sabes»que»las»llaves»caerán»de»nuevo»en»tus» manos.»Es»decir,»todo»lo»que»va»en»el»vehículo,»tú» y»tus»cosas»se»mueven»a»la»misma»velocidad»con» respecto»al»suelo.»Además,»unas»llaves»no»resultan» afectadas»notablemente»por»la»resistencia»del»aire. Ahora»piensa»qué»pasaría»si»soltaras»un»objeto» en»la»ventana»del»vehículo»en»movimiento»y»uno»de» tus»amigos,»parado»en»la»calle,»lo»viera.»Él»te»podría» contar»que»el»objeto»primero»avanza»en»la»misma» dirección»que»tú,»pero»termina»cayendo»por»la»acción»de»la»gravedad. Por»eso,»cuando»una»persona»se»baja»de»un»camión»en»movimiento»debe»correr»un»poco» a»su»lado»si»no»se»quiere»caer,»pues»su»cuerpo»lleva»la»velocidad»del»camión.»Si»pone»los»pies» fijos»en»el»piso,»su»cuerpo»se»moverá»hacia»delante»y»caerá»al»suelo. Todas»las»personas»han»experimentado»la»inercia»cuando»arranca»o»se»detiene»cualquier» medio»de»transporte»en»el»que»viajan»(figura 2.7).»Sin»embargo,»también»notamos»que»un» cuerpo»que»se»mueve»a»velocidad»constante»en»línea»recta»termina»deteniéndose.»Si,»por» ejemplo,»le»das»un»empujón»a»una»caja»sobre»el»suelo,»esta»se»moverá»cierta»distancia,»pero» se»detendrá»sin»que»aparentemente»intervenga ninguna fuerza. La»explicación»radica»en»la»existencia»de»dos»fuerzas»que»siempre»se»oponen»al»movimiento» de»los»objetos:»la»resistencia»del»aire»y»el»rozamiento»entre»superficies,»la»llamada»fuerza de fricción,»que»se»definió»en»la»primera»lección,»del»tema»3»del»bloque»1.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza»las»siguientes»situaciones»y»contesta»en»tu»cuaderno. a)» Una patinadora recibe un empujón de un compañero y, sin hacer nada más, se mueve en línea recta hasta cruzar completamente la pista de hielo (figura 2.8a). b)» Un futbolista patea un balón a ras del suelo y este se detiene después de unos metros (figura 2.8b). »» ¿A qué se debe que la patinadora pueda cruzar toda la pista con un solo empujón? »» ¿Por qué se detiene el balón? »» ¿Significa esto que no se cumple la primera ley de Newton? »» Discute las diferencias de estos ejemplos. a)

b)

Para que conozcas las ventajas y desventajas de la fricción entra a http://www.librosvivos. net/smtc/pagporformu lario.asp?idIdioma=ES& TemaClave=1182&pagi na=5&est=1

Figura 2.8 Ejemplos de situaciones: a) una patinadora y b) un futbolista.

78

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 78

1/14/13 11:09 AM


Integramos La»primera»ley»de»Newton»se»conoce»también»como»ley»de»la»inercia,»pues»describe»dicha» propiedad.»Esta»es»seguramente»la»primera»ley»del»movimiento»de»la»que»te»enteras.»Observa» que»con»base»en»una»ley»es»posible»predecir»qué»sucederá»bajo»ciertas»condiciones. Esta»ley»aparentemente»es»muy»sencilla»porque»no»se»requiere»una»relación»matemática» para»expresarla.»Sin»embargo,»encierra»una»propiedad»fundamental»de»la»materia,»que»permite» comprender»lo»que»es»la»acción»de»una»fuerza»sobre»ella,»es»decir,»la»interacción»de»la»materia» con»todo»lo»que»le»rodea. En»el»ejemplo»de»la»mudanza,»mover»y»detener»las»cajas»significó»vencer»su»inercia.»Para» mover»la»caja»de»libros»se»requiere»de»mayor»fuerza»porque»su»masa»y»su»inercia»son»mayores» que»las»de»la»caja»de»almohadas.»El»concepto»que»faltaba»para»entender»la»situación»descrita» en»este»ejemplo»es»el»de»la»masa»y»su»relación»con»la»inercia.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Un»experimento»que»ilustra»la»inercia»y»que»es»fácil»de»hacer»en»casa»o»en»la»escuela» es»el»siguiente.»Necesitas»un»vaso,»una»tarjeta»(por»ejemplo,»un»naipe)»que»cubra»la» boca»del»vaso»y»una»moneda.»Coloca»la»tarjeta»cubriendo»el»vaso»y»pon»encima»la» moneda»(figura 2.9). »» ¿Por qué no se cae la moneda fuera del vaso? Describe la situación de equilibrio. »» Jala la tarjeta lentamente y observa qué pasa con la moneda. »» Jala rápidamente la tarjeta para que la fricción no influya en el experimento y observa lo que pasa. Verás que la moneda cae dentro del vaso. ¿Cuál es la fuerza que provoca que la moneda caiga? Explica por qué sucede esto. »» Repite el experimento con monedas de diferente tamaño, ¿qué notas? Figura 2.9 Si se jala la tarjeta rápidamente, la moneda tiende a quedarse en su estado de reposo y caerá dentro del vaso.

Este»es»el»truco»que»usan»los»magos» cuando»jalan»un»mantel»sin»que»se»caigan» la»vajilla»y»los»cubiertos»(figura 2.10).»Ten» cuidado»si»lo»quieres»llevar»a»cabo,»ya»que» deberás»tirar»del»mantel»muy»rápido»si» no»quieres»causar»un»problema»familiar.» Este»truco»se»puede»explicar»mediante»la» primera»ley»de»Newton.

En esta simulación puedes jugar con un experimento que propuso Galileo. Se colocan dos planos inclinados, uno frente a otro, y se suelta una pelota desde la parte superior de uno de ellos. En ausencia de fricción, la pelota bajará por un plano y subirá por el plano de enfrente hasta la misma altura desde la que salió, independientemente del ángulo de inclinación de cada plano. Así, de acuerdo con el razonamiento de Galileo, si el plano al que llega la pelota se va inclinando hasta quedar en posición horizontal, la pelota se moverá por siempre. Eso es justamente el principio de inercia. En ausencia de una fuerza neta, un objeto mantiene su estado de reposo o de movimiento rectilíneo a velocidad constante. http://telesecundaria. dgme.sep.gob.mx/ buscador/bsc.php#990 Una vez que te encuentres en esta página, que es un buscador, debes escoger en “Grado”, “Segundo”; en “Destinatario”, “Alumno”; en “Asignatura”, “Física” y en “Tipo de recurso”, “Interactivo”. De la lista que aparece, escoge “¿Por qué cambia el movimiento? El experimento de Galileo”.

Figura 2.10 El truco de magia que se muestra en la imagen se puede explicar mediante la primera ley de Newton. 79

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 79

1/14/13 11:09 AM


BLOQUE

2

Lección 2

La explicación del movimiento en el entorno Segunda ley de Newton: relación fuerza, masa y aceleración. El newton como unidad de fuerza

aprendizajes esperados. Interpreta y aplica las leyes de Newton como un conjunto de reglas para describir y predecir los efectos de las fuerzas en experimentos o situaciones cotidianas. Valora la importancia de las leyes de Newton en la explicación de las causas del movimiento de los objetos.

Comenzamos

Figura 2.11 Los músculos de los corredores proveen la fuerza para llevar al cuerpo del reposo a una velocidad final. a)

b)

Figura 2.12 A dos objetos de diferente masa, una misma fuerza les produce una aceleración distinta. a) Persona pateando balón de basquetbol, y b) pateando balón de futbol Figura 2.13 Esquema de la relación que existe entre la masa, la fuerza y la aceleración.

Aun»sin»medir»con»precisión»la»intensidad»de»la»fuerza»que»tus»músculos»pueden»desarrollar,» la»experiencia»te»dice»que»la»misma»fuerza»de»un»empujón»puede»tirar»un»librero»pequeño» de»50»kg»y»apenas»mover»uno»grande»de»150»kg.»Es»decir,»la»fuerza»de»un»mismo»empujón» puede»provocar»un»cambio»distinto»en»el»estado»de»movimiento»de»cada»mueble.»En»el»caso» del»mueble»grande,»el»efecto»es»prácticamente»nulo;»en»cambio,»el»mueble»pequeño»puede» ser»hasta»derribado.»Ello»debido»a»que»los»dos»muebles»tienen»distinta»masa.»Si»en»lugar»de» aplicar»la»misma»fuerza»a»dos»muebles»diferentes,»se»le»aplican»dos»fuerzas»distintas»a»un»solo» mueble»(el»librero»de»menor»tamaño,»por»ejemplo),»la»fuerza»mayor»cambiará»más»su»estado» de»movimiento»que»la»fuerza»pequeña. 1. Supón»que»en»el»ejemplo»anterior»no»solo»se»da»un»empujón,»es»decir,»una»fuerza»instantánea,»sino»que»hay»una»fuerza»neta»que»se»aplica»durante»cierto»periodo,»arrastrando» el»librero.»Luego,»responde»en»tu»cuaderno. »» ¿Qué pasaría si la fuerza se aplicara durante cierto periodo? »» ¿Qué conceptos físicos están involucrados cuando una fuerza neta actúa sobre un objeto durante cierto periodo? »» ¿Qué deberías medir para cuantificar esta experiencia?

Aprendemos Por»la»ley»de»la»inercia,»un»objeto»que»está»en»reposo»o»que»se»está»moviendo»tiende»a»permanecer»en»ese»estado.»Pero»entonces,»¿qué»lo»hace»cambiar»su»estado»de»movimiento?»La»respuesta» radica»en»la»acción»de»una»fuerza»neta.»Como»ya»se»ha»señalado,»la»física»requiere»mediciones» y»relaciones»entre»las»cantidades»involucradas»en»un»fenómeno.»En»este»caso,»el»efecto»de»una» fuerza»que»actúa»sobre»un»objeto»consiste»en»llevarlo»de»una»velocidad»cero»(estado»de»reposo)»a» una»velocidad»final»en»cierto»tiempo,»es»decir,»provocar»su»aceleración»(figuras 2.11).»Si»aumentamos»esta»fuerza,»aumentará»la»aceleración»producida.»Además,»la»misma»fuerza»aplicada»a»dos» objetos»originalmente»en»reposo,»de»diferente»masa,»producirá»velocidades»finales»diferentes» en»el»mismo»periodo,»es»decir,»aceleraciones»distintas»(figuras 2.12 y 2.13). Considera»esta»información.»Una»misma»fuerza»aplicada»a»dos»objetos»de»diferente» masa»durante»el»mismo»intervalo»provoca»una»aceleración»distinta.»A»mayor»masa,»menor» aceleración.»Dos»fuerm zas»distintas»aplicadas» a/2 F F a en»diferentes»momenm m tos»a»un»mismo»objeto» 2F 2a durante»el»mismo»intera/3 F m m valo,»provocan»distintas» m aceleraciones.»A»mayor» 3F 3a fuerza,»mayor»aceleram m ción»(figura 2.13).

80

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 80

1/14/13 11:09 AM


Estos»resultados,»es»decir,»que»la»aceleración»que»una»fuerza»dada»produce»sobre»un» cuerpo»de»cierta»masa»es»directamente»proporcional»a»la»fuerza»aplicada,»e»inversamente» proporcional»a»la»masa»del»cuerpo»en»cuestión,»se»resumen»en»la»llamada»segunda ley de Newton,»que»podemos»enunciar»como»sigue:»si»una»fuerza»resultante»actúa»sobre»un»cuerpo» de»masa»dada,»el»efecto»que»producirá»es»el»de»acelerar»el»cuerpo»en»la»misma»dirección»que» la»fuerza.»La»magnitud»de»la»aceleración»del»cuerpo»será»directamente»proporcional»a»la» magnitud»de»la»fuerza»e»inversamente»proporcional»a»la»masa»del»cuerpo.»Si»se»escogen»las» unidades»adecuadas,»esto»se»puede»expresar»matemáticamente»como a»=»

F m

o»despejando»la»fuerza F =»ma En»el»bloque»anterior»se»dijo»que»la»unidad»de»fuerza»en»el»Sistema»Internacional»de» Unidades»es»el»newton»(N),»pero»no»se»definió.»Ahora»se»puede»hacer»a»partir»de»la»segunda» ley»de»Newton»como 1»N»=»(1»kg)(1

m s2

»)

Ya»estás»listo»para»resolver»problemas»que»ejemplifican»esta»ley»del»movimiento.»Si»conoces» la»masa»de»un»objeto,»por»ejemplo,»10»kg»y»la»aceleración»producida,»que»es»de»5»m/s2,»sabrás» que»la»fuerza»neta»que»actuó»debe»de»ser F»=»ma =»(10»kg)»(5»

m s2

»)»=»50»N

Sin»embargo,»es»muy»importante»tener»en»cuenta»que»la»fuerza»en»la»segunda»ley»de» Newton»es»la»resultante»de»las»fuerzas»que»actúan»sobre»el»objeto.» Considera»otro»problema.»Se»coloca»una»caja»con»una»masa»de»5»kg»sobre»una»mesa» rugosa,»como»lo»indica»la»figura 2.14.»Si»se»le»aplica»una»fuerza»de»50»N»hacia»la»izquierda,»la» caja»no»se»moverá.»Si»se»le»aplica»una»fuerza»cada»vez»mayor»hasta»que»su»valor»sea»de»75»N,» la»caja»empezará»a»moverse.»Esto»significa»que»la»fuerza»de»fricción»que»se»oponía»al»movimiento»era»precisamente»de»75»N»y»estaba»dirigida»hacia»la»derecha.»En»este»caso,»la»fuerza» de»fricción»por»sí»sola»no»provoca»cambios»de»movimiento.»Ahora»imagina»que»se»aplican»» 100»N.»¿Cuál»será»la»aceleración»producida?»Lo»primero»es»calcular»la»fuerza»resultante.»Para»ello,» debemos»restarle»la»fuerza»de»fricción»a»la»fuerza»aplicada,»quedando»25»N»hacia»la»izquierda.» De»la»segunda»ley»de»Newton»se»concluye»que»la»aceleración»de»la»caja»es»igual»a

Para leer acerca de las leyes de Newton visita este sitio. http://recursostic. educacion.es/newton/ web/materiales_ didacticos/dinamica/ index.htm

m F 25»N a =» »=» »=»5» 2 »»»»»hacia»la»izquierda. s m 5»kg

Mesa rugosa

Caja

Fuerza aplicada

Figura 2.14 A una caja sobre una superficie rugosa se le aplica una fuerza hacia la izquierda.

81

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 81

1/14/13 11:09 AM


Desarrolla tu pensamiento científico Para saber más sobre el movimiento y las fuerzas visita la siguiente página. http://www.librosvivos. net/smtc/homeTC. asp?TemaClave=1184 Ahí podrás constatar cómo mediante la segunda ley de Newton se puede definir la fuerza. Al aplicar una fuerza a un objeto se produce una aceleración. Sin embargo, también puede suceder que, si el objeto no cambia su estado de movimiento, una fuerza produzca una deformación. Recuerda que solo una fuerza neta diferente de cero produce un cambio en la velocidad.

Figura 2.15 La cantidad de movimiento depende tanto de la masa como de la velocidad. Así, un automóvil puede tener mayor cantidad de movimiento que un camión, si se mueve con suficiente rapidez.

1. Considera»los»siguientes»cambios»en»el»ejemplo»anterior»y»contesta»en»tu»cuaderno. »» ¿Cuál es la aceleración si la fuerza aplicada ahora es de 125 N? »» ¿Cuál sería la aceleración si fuera un objeto de masa de 10 kg sobre el que actuaran las fuerzas del ejemplo original? »» Discute las diferencias de estos ejemplos.

Hay»una»manera»alternativa»de»abordar»la»segunda»ley»de»Newton,»que»implica»definir» una»nueva»magnitud»física»que»suele»llamarse»cantidad de movimiento,»la»cual»se»representa» con»la»letra»p.»La»cantidad»de»movimiento»es»un»vector»que»mide»la»tendencia»de»un»objeto»a» continuar»en»su»estado»de»movimiento»y»se»calcula»como»el»producto»de»la»masa»del»objeto» por»su»velocidad»(p»=»mv).»Con»esta»definición,»la»segunda»ley»de»Newton,»que»establece»que» la fuerza es igual al producto de la masa por la aceleración,»también»puede»calcularse»como» el»cociente»del»cambio»de»cantidad»de»movimiento»entre»el»intervalo»del»lapso»transcurrido.» Para»sus»magnitudes»esto»se»expresa»matemáticamente»como vf»»vi p »»p F =»ma =»m»(» t »t »)»=»(» tf »t i ») f» i f» i La»cantidad»de»movimiento»está»relacionada»tanto»con»la»masa»como»con»la»velocidad.» Así,»en»el»caso»de»un»coche»y»de»un»camión»que»se»mueven»a»la»misma»velocidad,»la»cantidad» de»movimiento»del»coche»será»menor»que»la»del»camión»porque»tienen»distinta»masa.»Pero» podrían»llegar»a»tener»la»misma»cantidad»de»movimiento»si»el»coche»se»mueve»lo»suficientemente»rápido»(figura 2.15). Piensa»en»un»ejemplo»práctico.»Un»delantero»patea»un»balón»de»futbol»de»0.5»kg»en»un» tiro»libre»y»sale»a»20»m/s.»Entonces,»el»cambio»en»la»cantidad»de»movimiento»del»balón»será m m kgm (»pf»»pi»)»=»(»0.5»kg»)»(»20»» »)»»(»0.5»kg»)»(»0»» »)»=»10»» s s s Nota»que»las»unidades»de»la»cantidad»de»movimiento»no»tienen»un»nombre»especial,»se» dejan»simplemente»las»unidades»de»las»cantidades»involucradas.»Si»además»sabemos»que»el» contacto»del»pie»con»el»balón»duró»0.1»s,»podemos»entonces,»a»partir»de»la»segunda»ley»de»Newton,»deducir»que»la» fuerza»ejercida»fue» kgm (»10»» s »») kgm (»pf»»pi») F»=»» »»=»100»N »»=»(» »)»=»100»» 0.1»s (»tf»»ti») s2

Figura 2.16 Los efectos que un jugador de futbol imprime al balón dependen de las fuerzas que ejerce sobre este, así como del giro que dichas fuerzas le provocan debido a su forma.

Los»aficionados»al»futbol»habrán»notado»que»se»pueden»lograr»efectos»extraños»en»un»tiro»libre,»los»cuales»no» están»representados»en»este»análisis.»Aquí»se»ha»considerado» al»balón»como»un»punto»que»se»desplaza»en»línea»recta»por» efecto»de»la»acción»de»una»fuerza.»Sin»embargo,»un»balón» tiene»volumen»y»se»puede»hacer»girar.»Esos»giros»pueden» desviar»su»trayectoria»(figura 2.16).

82

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 82

1/14/13 11:09 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza»el»siguiente»caso»y»responde»las»preguntas. Un coche de juguete cuya masa es de 1 kg se mueve hacia la derecha a una rapidez de 2 m/s. Luego, choca frontalmente con un tren de juguete. El tren tiene una masa de 2 kg y se estaba moviendo a una velocidad de 1.5 m/s hacia la izquierda. El coche rebota hacia la izquierda a 3.4 m/s y el tren lo hace hacia la derecha a 1.2 m/s. »» ¿Cuál es el cambio de la cantidad de movimiento del coche? »» ¿Cuál es el cambio de la cantidad de movimiento del tren? »» ¿Cuánto duró el choque si la fuerza que se ejerció durante este sobre el tren fue de 8 N?

Integramos La»primera»ley»de»Newton»establece»que»se»requiere»una»fuerza»para»cambiar»el»estado»de» reposo»o»de»movimiento»rectilíneo»uniforme»de»un»objeto.»También»permite»definir»la»inercia,» la»cual»es»una»medida»de»la»resistencia»que»presentan»los»cuerpos»a»los»cambios»en»su»estado» de»movimiento.»Igualmente,»al»discutir»la»primera»ley»de»Newton»se»explicó»la»relación»entre» inercia»y»masa.»En»el»caso»de»la»segunda»ley»de»Newton»se»ha»establecido»una»relación»causal» entre»la»fuerza»y»su»efecto»sobre»el»objeto»(la»aceleración),»y»una»manera»de»cuantificar»este» efecto»al»considerar»la»masa»del»objeto. En»resumen,»la»segunda»ley»de»Newton»establece»que»la»aceleración»de»un»objeto»es» producida»por»una»fuerza»neta»y»es»proporcional»a»la»magnitud»de»la»fuerza»y»en»su»misma» dirección,»y»es»inversamente»proporcional»a»la»masa»del»objeto.»Ahora»ya»te»debe»quedar»claro» por»qué»un»mismo»empujón»causa»un»efecto»diferente»en»un»objeto»menos»masivo»que»en» uno»de»mayor»masa.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete»con»un»compañero»y»busquen»en»Internet»algún»video»de»una»jugada»de» un»partido»de»futbol»americano»en»la»que»haya»una»“tacleada”»(figura 2.17).»Desde» el»punto»de»vista»de»la»física,»el»secreto»de»este»juego»consiste»en»vencer»la»inercia» y»aplicar»la»fuerza»necesaria. 2. Después»de»ver»lo»que»sucede»en»un»partido»real,»lean»e»imaginen»esta»situación. Un jugador de unos 90 kg que avanza con el balón se enfrenta con otro jugador, de alrededor de 120 kg, que hace la defensa. Rápidamente, el primer jugador se mueve zigzagueando para tratar de impedir que el defensa lo derribe. La ventaja del defensa consiste en que al tener más masa puede generar una fuerza mayor para detener el avance del corredor. 3. Comenten»las»respuestas»a»las»siguientes»preguntas»y»escríbanlas»en»su»cuaderno. »» Para calcular la fuerza que emplea el defensa para detener al corredor, ¿qué datos necesitarían además de la masa de ambos jugadores? »» ¿Qué datos necesitarían para calcular la aceleración del corredor, a quien el defensa quiere detener? »» ¿Qué pasaría si el corredor evita el choque con el defensa y este intenta alcanzarlo, pero choca con otro jugador defensivo que estaba quieto a su lado?

Participa en el experimento que te propone esta página y observa los interactivos; con ello reafirmarás tus conocimientos relativos a las leyes de Newton. http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/ act_permanentes/ conciencia/fisica/ newton/nw4.htm

Para saber más Las historietas de superhéroes pueden ser leídas desde el conocimiento de la física, por ejemplo, Flash, si suponemos que Flash tiene una masa de 75 kg y que corre con una rapidez de 1 500 m/s (que es un poco mayor que la rapidez de una bala) tiene entonces un momentum de 112 500 kg/s. Si Flash chocara contra una pared en una milésima de segundo, le comunicaría una fuerza igual a 112 500 000 N, que equivale a la fuerza necesaria para mover un avión sobre una pista. Es una fuerza bastante considerable.

Figura 2.17 En el futbol americano puedes observar objetos con inercia, así como el efecto de fuerzas sobre dichos objetos en estado de movimiento.

83

S-Fis-CNT-B2-074-083_PDF_alta_alumno 83

1/14/13 11:09 AM


Lección 3

La explicación del movimiento en el entorno BLOQUE

2

Tercera ley de Newton: la acción y la reacción; magnitud y sentido de las fuerzas

aprendizajes esperados. Interpreta y aplica las leyes de Newton como un conjunto de reglas para describir y predecir los efectos de las fuerzas en experimentos y/o situaciones cotidianas. Valora la importancia de las leyes de Newton en la explicación de las causas del movimiento de los objetos.

Comenzamos

Figura 2.18 Cuando paseas a tu perro, sientes la fuerza que ejerce sobre ti a través de la correa; a su vez, tu perro siente la fuerza que tú ejerces.

Una pista Para reflexionar Habrás notado que en las películas de piratas cuando estos atacan un fuerte en la costa disparando un cañón, este retrocede cuando sale la bala. Este es un efecto de la tercera ley de Newton. La fuerza que se ejerce sobre la bala, esta a su vez la ejerce sobre el cañón, pero en sentido contrario. Por eso, quien dispara el cañón se pone a un costado del mismo.

pared libro F1 F3

F2 F4

Al patear un balón seguramente no eres muy consciente de que también el balón ejerce una acción sobre ti, sin embargo, si pateas una roca, inmediatamente sentirás la acción de esta sobre ti, la cual te produce dolor. Piensa en cómo vuelan los pájaros o se mueven los peces en el agua. El pájaro empuja el aire con sus alas y el aire lo empuja a él en sentido contrario. El pez empuja el agua con sus aletas y el agua lo impulsa en sentido contrario, y así avanza adonde quiere ir. También tú cuando caminas empujas el piso y este te “responde”, al impedir que te hundas y te hace avanzar. Estos ejemplos tienen algo en común. En todos los casos se trata de la interacción de dos objetos. Se aplican dos fuerzas, una que actúa en el primer objeto y otra en el segundo. Son fuerzas en sentidos opuestos: el balón sale hacia delante y, aunque el desplazamiento es casi imperceptible, el pie se mueve hacia atrás. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Qué otros ejemplos de una interacción de dos cuerpos y una pareja de fuerzas se te ocurren? » Si detienes un libro contra la pared, ¿qué pareja de fuerzas se involucran? » En el ejemplo del pez que nada, ¿por qué se dice que las fuerzas están en sentido contrario? Haz un diagrama de fuerzas correspondiente a este caso.

Aprendemos En todos estos ejemplos de interacción de dos cuerpos hay dos fuerzas. Estas se denominan fuerzas de acción y reacción, tienen la misma magnitud, pero sentido contrario, y cada una actúa en un solo cuerpo (figura 2.18). Esta aseveración constituye la esencia de la tercera ley de Newton, la cual se puede enunciar de la siguiente manera: si un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, entonces el cuerpo B ejerce sobre el cuerpo A una fuerza de la misma magnitud y dirección, pero de sentido contrario. Hay que notar que si bien para cada par de cuerpos en interacción hay dos fuerzas, un mismo cuerpo puede interaccionar con muchos otros y en cada interacción habrá un nuevo par de fuerzas. Por ejemplo, en el caso de un libro detenido contra la pared, hay un par de fuerzas ejercidas por la mano sobre el libro y por este sobre la F1 = fuerza de la mano sobre el libro mano; pero también hay otro par de fuerzas F2 = fuerza del libro sobre la mano ejercidas por el libro sobre la pared y por esta F3 = fuerza del libro sobre la pared sobre el libro. Todas estas fuerzas se encuentran F4 = fuerza del muro sobre el libro en dirección horizontal, como se muestra en la figura 2.19. Además de estas fuerzas, hay que Figura 2.19 Esquema de las fuerzas considerar la fuerza de gravedad que ejerce la que interaccionan al detener un libro Tierra sobre el libro y la fricción de la pared sobre contra la pared. el libro.

84

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 84

12/21/12 12:08 PM


Aproximación al conocimiento científico Puedes comprobar experimentalmente la tercera ley de Newton de manera sencilla. Reúnete con un compañero y hagan lo que se pide.

Material: ¿Qué necesitamos? Un popote, unas tijeras, un cordón de 4 m, una pinza para ropa, un globo grande, cinta adhesiva y dos sillas

Conoce más situaciones que ejemplifiquen la tercera ley de Newton en esta página. http://www. proyectosalonhogar. com/Fisica/2da_ley/ tercera_ley.htm

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Corten un tramo de popote de aproximadamente 10 cm y pasen el cordón a través de este (figura 2.20). 2. Aten los extremos del cordón —con el popote rodeándolo— a cada silla y colóquenlas separadas hasta donde alcance el cordón (figura 2.21). 3. Inflen el globo y colóquenle la pinza para que no se le salga el aire (figura 2.22). 4. Peguen con la cinta adhesiva el globo inflado al popote (el cual previamente habrán deslizado hacia una de las sillas), para controlar su movimiento (figura 2.23). Ahora quiten la pinza y observen lo que ocurre.

Figura 2.20

Figura 2.21

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. Analicen lo que ocurrió y respondan en su cuaderno lo siguiente. » ¿Por qué se movió el globo? » ¿Cómo se relaciona la tercera ley de Newton con este experimento? » ¿Cuál es la fuerza de acción y cuál la de reacción? 2. Investiguen acerca del movimiento de un cohete lanzado al espacio (figura 2.24) y comenten en qué se parece al ejemplo del globo.

Figura 2.22

Figura 2.23

Figura 2.24 La aceleración del cohete y la de los gases de combustión tienen sentidos opuestos y misma dirección.

85

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 85

12/21/12 12:08 PM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Al viajar en coche habrás notado que algunas veces numerosos insectos se impactan en el parabrisas. Si una mosca choca contra el parabrisas de un coche en movimiento, ¿cómo es la magnitud de la fuerza que ejerce la mosca sobre el parabrisas comparada con la que el parabrisas ejerce sobre ella? ¿Es cero?, ¿es menor o es igual? Explícalo en tu cuaderno. Figura 2.25 Fuerzas que intervienen cuando se empuja una carriola. Las flechas rosas indican las fuerzas de acción y las azules, las de reacción.

Una pista Para reflexionar No hay que confundir la tercera ley de Newton con el equilibrio de fuerzas, porque la acción y la reacción actúan sobre cuerpos distintos. Para que haya equilibrio, la fuerza neta sobre cada cuerpo debe ser igual a cero.

Figura 2.26 Para explicar por qué puede moverse una carreta jalada por un caballo puedes emplear la tercera ley de Newton.

Ahora supón que una mamá lleva a su bebé en una carriola (figura 2.25). Ella ejerce sobre la carriola una fuerza de acción y la carriola ejerce sobre ella una fuerza de reacción de la misma magnitud, pero de sentido opuesto. Sin embargo, estas no son las únicas fuerzas involucradas. Los zapatos de ella empujan el suelo y reciben de este una reacción en la dirección de avance. También la carriola empuja el suelo y este “le responde” con una reacción opuesta a la dirección de avance. Pero debido a la forma de las ruedas de la carriola disminuye la fricción con el suelo. El efecto neto es una fuerza resultante diferente de cero sobre la carriola, que le permite avanzar.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee la situación y haz en tu cuaderno lo que se pide. Es famoso el problema del caballo que sabe física y que se niega a jalar una carreta, con el siguiente argumento: “Por más fuerza que yo ejerza, la carreta ejercerá la misma fuerza sobre mí, igual en magnitud y dirección, pero en sentido contrario”. Como habrás visto en numerosas ocasiones, las carretas sí pueden ser jaladas por caballos. ¿Cuál es entonces el error en su razonamiento? » Empieza por localizar todas las fuerzas involucradas en esta situación y dibuja un diagrama de dichas fuerzas: la que ejerce el caballo sobre la carreta, la carreta sobre el caballo, el caballo sobre el suelo, el suelo sobre el caballo, la carreta sobre el suelo y el suelo sobre la carreta. » Separa las fuerzas que actúan sobre el caballo de las que lo hacen sobre la carreta, sin olvidar que las fuerzas de acción y de reacción actúan en cuerpos diferentes. » ¿Qué tiene que pasar con las fuerzas mencionadas para que el caballo avance? Recuerda que la fuerza de la carreta sobre el suelo depende de la forma y del material de la rueda, así como de la atracción que la Tierra ejerce sobre la carreta. En cambio, el caballo, debido a sus músculos, puede cambiar la fuerza con la que empuja el suelo. » Traza las fuerzas involucradas en la situación que se muestra en la figura 2.26.

86

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 86

12/21/12 12:08 PM


Integramos Con esta ley se completan las leyes del movimiento de Newton. Si bien Newton se basó en el trabajo de otros (figura 2.27), a él se debe esta síntesis que es fundamental para estudiar el movimiento no solo de forma descriptiva, sino con relaciones cuantitativas. Además, estas relaciones permiten predecir qué sucederá, por ejemplo, si se aplica una fuerza y si interaccionan dos cuerpos. Ahora puedes entender el dolor en el pie provocado por el golpe que recibes como reacción cuando pateas una piedra, y cómo se mueven los seres vivos en los diferentes medios que habitan.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza las siguientes situaciones y comenta con tus compañeros cómo se aplica la tercera ley de Newton en cada caso. » Inflas un globo, aprietas con tu mano la boquilla y observas hacia dónde se mueve el globo cuando lo sueltas (figura 2.28). » Si te sientas junto a la pared en una patineta y empujas la pared, ¿hacia dónde se moverá la patineta?, ¿en el sentido de la fuerza que ejerciste o en sentido contrario? ¿Por qué? » Seguramente habrás observado en un video, película o en la televisión cómo se mueve un cohete a medida que se desprende de algunas de sus partes. ¿De qué le sirve hacer esto? » Los coches y camiones utilizan ruedas redondas, ¿por qué no usan ruedas cuadradas? 2. Observa la figura 2.29. Es la caricatura de un hombre que estornuda. El dibujante quiso representar, de manera exagerada, el efecto del estornudo. ¿Es correcta la manera en que lo hizo? ¿Por qué? » Dibuja en la caricatura las fuerzas que intervienen en este caso.

Figura 2.27 Isaac Newton (1642-1727) fue el primer científico que dio una definición precisa de la fuerza, y a partir de esta elaboró las leyes de la mecánica.

Cuantitativo. Perteneciente o relativo a la cantidad. Predecir. En ciencia significa adelantar un resultado.

Figura 2.28 Lo que provoca que se mueva el globo inflado cuando se suelta es la fuerza que ejerce el aire que tiene dentro.

Figura 2.29 Caricatura de un hombre que estornuda.

87

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 87

12/21/12 12:09 PM


BLOQUE

2

Lección 1

Efectos de las fuerzas en la Tierra y en el Universo Gravitación. Representación gráfica de la atracción gravitacional. Relación con caída libre y peso

aprendizajes esperados. Establece relaciones entre la gravitación, la caída libre y el peso de los objetos, a partir de situaciones cotidianas. Describe la relación entre distancia y fuerza de atracción gravitacional, y la representa por medio de una gráfica fuerza-distancia.

Comenzamos Pedro acompaña a sus papás al mercado para hacer las compras de la semana. Adquieren diferentes cantidades de calabacitas, nopales, cebollas y jitomates en un mismo puesto. El precio de las verduras está dado por kilogramo y el vendedor utiliza una balanza para pesar todos los productos excepto los jitomates, que pesa en otra balanza. A ellos les parece que les están cobrando de más por los jitomates, es decir, les están dando menos masa que los kilogramos que les cobran. Pedro decide comprobarlo comparando las bolsas de la compra. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Se te ocurre alguna manera de verificar la masa de los jitomates si sabes cuántos kilogramos les cobraron de cada uno de los otros productos? » ¿Qué pasaría si trataras de equilibrar las bolsas colgadas en los extremos de un palo sostenido por el centro? Este es el principio de la balanza. » ¿Se te ocurre alguna manera de asegurar que te den la cantidad correcta en el mercado de los productos que compras?

Aprendemos

Figura 2.30 La imagen muestra la caída de dos cuerpos de masas muy diferentes, a distintos tiempos. La aceleración en caída libre de cualquier cuerpo en la Tierra es de 9.8 m/s2.

De todas las fuerzas de la naturaleza, la fuerza de atracción gravitacional es la que resulta más familiar. Cualquier objeto que tenga masa la experimenta. Por ella, los objetos caen, pues sienten su influencia aunque no estén en contacto directo con la Tierra. El ser humano, como vive bajo la influencia constante de dicha fuerza, ha aprendido a vencerla y a aprovecharla. Se define el peso de cualquier objeto sobre la tierra como la fuerza gravitacional que la Tierra ejerce sobre él. Como es una fuerza se representa por un vector que siempre apunta hacia el centro de la Tierra. Además, de acuerdo con la segunda ley de Newton, el peso es igual al producto de la masa del objeto por la aceleración que experimenta en la caída libre. Como se mencionó en el bloque anterior, Galileo probó que todos los objetos, independientemente de su masa, sufren el mismo cambio de velocidad en un mismo intervalo de tiempo al caer libremente. El cociente del cambio de velocidad entre el intervalo de tiempo es lo que se ha definido como aceleración (figura 2.30). Es decir, Galileo encontró que todos los objetos en la Tierra caen con la misma aceleración. Esta aceleración, cuya magnitud se denota por g, vale aproximadamente 9.8 m/s2 en la Tierra. Así, la magnitud del peso (Fg) se define como Fg=mg

88

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 88

12/21/12 12:09 PM


Parecería que la masa tiene dos características diferentes: una, la de la inercia, que no depende del lugar dónde se encuentre el objeto; la otra, la gravitacional, que depende de las masas cercanas y varía según el lugar donde el objeto se ubique. A veces se usan los términos masa inercial y masa gravitacional para distinguir estos dos aspectos. Analiza este ejemplo. Guadalupe tiene una masa de 50 kg, por lo que su peso en la Tierra es de (50 kg) (9.8 m/s2) = 490 N (figura 2.31). Por su parte, Mónica, su amiga de juegos, tiene una masa de 70 kg, de modo que su peso es de (70 kg) (9.8m/s2) = 686 N. Mientras que Guadalupe puede saltar con facilidad, a Mónica le cuesta más trabajo, puesto que la fuerza (el peso) que debe vencer es mayor. Normalmente, no expresas el peso en newtons, pero puedes decir, por ejemplo, que Guadalupe pesa 50 kg-fuerza y Mónica pesa 70 kg-fuerza. Si Guadalupe y Mónica se lanzan paradas al mismo tiempo desde un trampolín de 10 m a una poza de clavados, ¿quién llega primero al agua? ¿Quién está sujeta a una fuerza de atracción mayor? ¿Por qué? Un detalle importante que diferencia a la masa del peso es que la masa es una magnitud escalar, mientras que el peso es una magnitud vectorial. Ahora bien, cada cuerpo celeste tiene su propio valor de g y, por tanto, pesarías distinto en la Tierra que en el planeta Júpiter. Así, mientras que Guadalupe pesa en la Tierra 490 N, en Júpiter, donde la aceleración de la gravedad es 2.34 veces mayor que en la Tierra, su peso sería de (50 kg) (9.8m/s2) (2.34) = 1146.6 N, y de 184.4 N en Mercurio. Sin embargo, es claro que en todos los planetas, Guadalupe tiene la misma masa. Es decir, la masa como cantidad de materia de un cuerpo no depende de dónde se encuentre este. En cambio, el peso sí depende de la aceleración de la gravedad en cada sitio.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Calcula tu peso en los cuerpos celestes del Sistema Solar que se mencionan en el cuadro 2.1. Los valores de las columnas son relativos a los valores en la Tierra. Por ejemplo, en Mercurio la aceleración gravitacional es 0.376 veces la de nuestro planeta y su masa es 0.0558 veces la masa de la Tierra. 2. Contesta en tu cuaderno. » ¿En cuáles cuerpos celestes pesarías más que en la Tierra? » ¿En cuáles pesarías menos? » ¿Cuál es tu masa en cada uno de estos cuerpos celestes del Sistema Solar? » ¿Hacia dónde apunta tu peso en cada cuerpo celeste?

Figura 2.31 Una báscula indica el peso de una persona.

Una pista Para medir Hemos señalado la importancia de usar el sistema científico de unidades donde la masa se mide en kg y la fuerza en N. Sin embargo, hay unidades que por motivos históricos usamos cotidianamente. Ese es el caso del kilogramo-fuerza (kgfuerza), que se define de tal manera que 1 kg-fuerza es la fuerza con la que la Tierra atrae a 1 kg de masa colocada sobre su superficie. La mayoría de las básculas comerciales están calibradas en kg-fuerza, pero decimos solo “kilos” por sencillez. Además, el valor numérico que marca la báscula es de hecho también el valor numérico de la masa del cuerpo que se está pesando en kg.

Cuadro 2.1 Aceleración gravitacional (relativa al valor de g en la Tierra)

Masa del cuerpo celeste (relativa a la masa de la Tierra)

Mercurio

0.376

0.0558

Venus

0.903

0.815

Tierra

1

1

Luna

0.166

0.0123

Marte

0.38

0.1074

Júpiter

2.34

Saturno

1.16

95

Urano

1.15

14.54

Neptuno

1.19

17.15

Cuerpo celeste

317.89

89

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 89

12/21/12 12:09 PM


Figura 2.32 Los astronautas experimentan condiciones de ingravidez cuando están alejados de cualquier astro.

Para saber más La constante de gravitación universal, denominada G, tiene un valor de 6.67 × 10-11 (Nm2)/ kg2. Aunque Newton mencionó la existencia de esta constante, su valor fue cuantificado por primera vez por el físico inglés Henry Cavendish en 1798.

En la Luna, el peso de los objetos es un sexto del que tienen en la Tierra y, por tanto, caminar o saltar en la Luna te sería más fácil. En la siguiente página puedes observar la forma en que caminaron y saltaron los astronautas en la Luna. http://imagine.gsfc. nasa.gov/Videos/ StarChild/space/1st_ step.mov

Figura 2.33 Representación de una bola que cae.

¿A qué se debe que cambie la aceleración causada por la gravedad en cada cuerpo celeste? Compara en el cuadro 2.1 las masas de los cuerpos celestes con la masa de la Tierra. Observa que cuanto mayor es la masa del cuerpo celeste mayor es la aceleración de la gravedad. Es decir, la aceleración debida a la gravedad es directamente proporcional a la masa del objeto que la causa. Al recordar que el peso de un cuerpo es la fuerza con la que un planeta lo atrae, entonces esa fuerza debe ser proporcional al producto de la masa del objeto por la masa del planeta. Este es el primer resultado contenido en la ley de gravitación universal que estableció Newton. La aceleración de la gravedad en la Tierra es aproximadamente la misma en toda la superficie y en alturas bajas. Sin embargo, si viajas a Marte la aceleración gravitacional debida a la Tierra deja de tener efecto y la que domina es la aceleración gravitacional de Marte. Esto sugiere que la aceleración de la gravedad disminuye con la distancia. Cuando te alejas de la Tierra, esta te atrae cada vez menos (figura 2.32). Sin embargo, si te acercas a otro cuerpo masivo, como Marte, será ahora la aceleración debida a este la que experimentarás. La ley de gravitación universal que estableció Newton refleja precisamente las observaciones anteriores. Él se dio cuenta de que la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos es siempre atractiva (hace que los cuerpos se acerquen) y aumenta conforme las masas aumentan y disminuye no solo con la distancia, sino con el cuadrado de la distancia. Es decir, cuando la distancia entre dos cuerpos aumenta al doble, la fuerza disminuye cuatro veces. La expresión matemática de la ley de gravitación universal de Newton es la siguiente:

F=G

m1 m2 d2

donde F es la fuerza de gravedad, m1 y m2 son las masas de los objetos que interactúan, d es la distancia que los separa y G es la llamada constante de gravitación universal. Una conclusión importante es, entonces, que cualesquiera dos cuerpos que tengan masa experimentan una fuerza de atracción entre ellos. Sin embargo, esta fuerza es tan pequeña para las masas de la vida cotidiana que es imperceptible. Hace falta la gran masa de un planeta para que el efecto de esta fuerza se manifieste. Entonces, es la presencia de la masa de la Tierra la responsable de que los cuerpos caigan y de que pesen.

Desarrolla tu pensamiento científico t=0s

1. Haz en tu cuaderno el cálculo de la aceleración de la gravedad a partir de la figura 2.33. Los círculos representan las posiciones en distintos instantes de una bola que cae. El tiempo entre cada círculo es de 0.1 s. » Mide con una regla la distancia recorrida entre cada imagen. » Calcula la velocidad media entre la imagen 1 y la 3, y la velocidad media entre las 4 y 6. » Calcula la aceleración media con las dos velocidades medias anteriores y los intervalos correspondientes. » Compara tu resultado con el valor de g en la Tierra.

90

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 90

12/21/12 12:09 PM


1

1

1/4 = 0.25

2

1/9 = 0.111

3

1/16 = 0. 0625

4

1/25 = 0.04

5

Fuerza

Las gráficas son una herramienta útil para entender las propiedades físicas. Observa ahora cómo se traza una gráfica de la magnitud de la fuerza gravitacional como función de la distancia, para una masa de 1 kg, a partir del cuadro 2.2. Sobre la Tierra, la fuerza de atracción es constante para cada cuerpo e igual a su peso. Como lo que se quiere ilustrar es la dependencia de la fuerza gravitacional con la distancia, para evitar confusiones no se usarán las cantidades numéricas precisas, sino que se dividirán entre una cantidad adecuada para que los resultados numéricos sean manejables. Así, la fuerza se dividirá entre el producto de la masa de la Tierra 1.2 y la constante de gravitación universal. Las distancias se 1 expresarán en números enteros, múltiplos del radio de 0.8 la Tierra (cuadro 2.2). Observa que a medida 0.6 que aumenta la distancia, la fuerza disminuye noto0.4 riamente (figura 2.34). Al aumentar la distancia una 0.2 unidad, por ejemplo de 1 a 0 2, la fuerza (normalizada) dis0 1 2 minuye de 1 a 0.25, es decir, cuatro veces.

Cuadro 2.2 Fuerza (Fg / (g × Distancia (d / radio de la Tierra) masa de la Tierra)

3

4

5

6

Distancia

Figura 2.34 Gráfica de fuerza gravitacional de la Tierra contra distancia.

Integramos Todos tus movimientos están determinados porque vives en un planeta que te atrae con su fuerza de gravedad. Esta fuerza provoca la caída libre de los cuerpos, aunque no estén en contacto directo con la Tierra, y se manifiesta en una propiedad fundamental de los objetos llamada peso. El peso ha sido considerado por la humanidad, desde sus inicios, como una manera de medir cantidades. Aun en las civilizaciones más antiguas se preguntaron —como Pedro en el mercado— cómo comerciar sin que hubiera duda de la cantidad de los productos intercambiados (figura 2.35).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero. Escriban en su cuaderno los conceptos fundamentales que aprendieron en esta lección. Luego, discutan las siguientes situaciones, basándose en el concepto de peso. » ¿Qué fuerza hay que vencer cuando se cuelga una lámpara de 20 kg de masa, para que no se caiga? ¿Cuál es su magnitud en newtons? » ¿Qué fuerza hay que vencer cuando se levanta un objeto de 50 kg? » Analicen qué pasaría con su masa y su peso en la Luna, considerando que la aceleración de la gravedad es 1/6 de la correspondiente a la Tierra.

Figura 2.35 Existen diseños de balanzas muy antiguos.

91

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 91

12/21/12 12:09 PM


BLOQUE

2

Órbita lunar

Figura 2.36 Representación de la órbita lunar alrededor de la Tierra.

Órbita terrestre

Sol

Figura 2.37 Representación de la órbita terrestre alrededor del Sol.

Lección 2

Efectos de las fuerzas en la Tierra y en el Universo Aportación de Newton a la ciencia: explicación del movimiento en la Tierra y en el Universo

aprendizajes esperados. Identifica el movimiento de los cuerpos del Sistema Solar como efecto de la fuerza de atracción gravitacional. Argumenta la importancia de la aportación de Newton para el desarrollo de la ciencia.

Comenzamos En 1969, el astronauta Neil Armstrong fue el primer ser humano en pisar la Luna, realizando así una aspiración largamente esperada por la especie humana. En ese momento afirmó que su hazaña era “un pequeño paso para el hombre y un gran salto para la Luna humanidad”. Este emocionante momento lo puedes Tierra Sol ver y oír porque quedó grabado para la posteridad. El conocimiento que permitió llegar a la Luna está, en gran parte, sustentado en las aportaciones de Isaac Newton. Aunque no tengas un telescopio, debes haber notado los cambios que aparentemente ocurren en la Fases lunares Luna durante un mes, por ejemplo, la Luna llena que se diferencia del cuarto creciente. Estos cambios se deben a la forma en que incide la luz del Sol sobre la Tierra y la Luna a lo largo de un mes y a que la órbita de la Luna alrededor de nuestro planeta forma un plano con cierta inclinación respecto a los rayos que llegan del Sol, como se ve en la figura 2.36. Las fases de la Luna no deben confundirse con los eclipses de Luna. A su vez, la órbita de la Tierra alrededor del Sol forma otro plano que se encuentra inclinado respecto al plano que corta el ecuador terrestre, como se observa en la figura 2.37. Vistos desde la Tierra, tanto la Luna como el Sol parecen moverse en el cielo. Quizá entre tus experiencias hayas observado alguna vez un eclipse de Luna y, si eres muy afortunado, uno de Sol. Otra de las grandes aportaciones de Newton fue unificar las leyes que describen el movimiento en la Tierra con las que rigen el movimiento de los cuerpos celestes. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Cuál consideras que es la causa de que se muevan los cuerpos celestes? » ¿Piensas que hay alguna diferencia entre lo que provoca esos movimientos y la causa de la caída libre de los cuerpos en la Tierra? » Seguramente has visto documentales de astronautas moviéndose dentro de su nave en el espacio. ¿Por qué parece que están flotando?

Para saber más Es común confundir un eclipse de Luna con las fases de la Luna. Para que veas lo que es un eclipse visita http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/ act_permanentes/ geografia/eclipses/ eclipses.htm

Aprendemos La observación de los astros ha atraído al ser humano desde los tiempos más remotos. Independientemente de su belleza y misterio, al que se asocia una admiración mística, estas observaciones permitieron a las civilizaciones antiguas elaborar calendarios para organizar las cosechas y orientarse en sus desplazamientos por tierra y mar. A pesar de que actualmente la contaminación atmosférica y la presencia de la luz eléctrica dificultan esta observación, todavía es posible en muchos sitios disfrutar del maravilloso espectáculo que ofrece la bóveda celeste sin usar más instrumento que la vista.

92

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 92

12/21/12 12:09 PM


Además de los aparentes movimientos del Sol y la Luna, que ya se han mencionado, tal vez has oído hablar de las constelaciones del Zodiaco que se conocen desde la Antigüedad. Estas doce constelaciones son grupos de estrellas que guardan una posición fija entre ellas, y cada grupo forma figuras geométricas en ciertas épocas del año. Los antiguos las asociaban con figuras humanas conocidas o de animales u objetos, y de ahí derivan sus nombres. Por supuesto, las interpretaciones que se hacen de las constelaciones, en particular los horóscopos, no tienen ningún fundamento científico. Pero las estrellas que forman las constelaciones no son los únicos cuerpos celestes que observaron las antiguas civilizaciones. También había algunos objetos, inicialmente cinco (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno), que en contraste con las estrellas fijas se movían en el fondo estelar. A estos se les llamó planetas, palabra que en griego significa ‘caminantes’. A partir de observaciones como las señaladas, Claudio Ptolomeo, uno de los pioneros de la astronomía en el Imperio griego, construyó un modelo para explicar los movimientos de los astros considerando a la Tierra como el centro del Universo. En este modelo, las constelaciones estaban colocadas sobre un marco rígido esférico oscuro, el cual giraba alrededor de la Tierra una vez al día. Los demás astros tenían esferas propias de cristal que giraban también alrededor de la Tierra en diferentes periodos. Este modelo geocéntrico, surgido en el siglo II de nuestra era, con clara influencia del pensamiento aristotélico, se mantuvo durante los siguientes catorce siglos apoyado por la Iglesia. Aunque la idea de que la Tierra gira alrededor del Sol había sido sugerida por algunos filósofos griegos, fue Nicolás Copérnico, astrónomo polaco (1473-1543), quien propuso el sistema heliocéntrico, es decir, que la Tierra y los planetas giran alrededor del Sol en órbitas circulares, mientras que la Luna gira alrededor de la Tierra, y esta última gira alrededor de su propio eje una vez cada día (figura 2.39). Como ya se mencionó, Galileo Galilei, conocedor de la teoría de Copérnico, estuvo de acuerdo con este modelo en el que la Tierra deja de ser el astro más importante. Sin embargo, no profundizó en esta idea. Fue Johannes Kepler, astrónomo alemán, quien perfeccionó el modelo heliocéntrico formulando tres leyes que se conocen como leyes de Kepler. La primera ley afirma que los planetas no se mueven en círculos alrededor del Sol, sino que siguen una órbita ovalada conocida como elipse, con el Sol colocado en uno de los focos de la elipse.

Para saber más Una elipse es el lugar geométrico de los puntos en un plano cuya suma de distancias a dos puntos fijos llamados focos (F’ y F en la figura 2.38) se mantiene constante.

F’

F

Figura 2.38 Esquema de una elipse.

Figura 2.39 Esquema del sistema copernicano.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Consigue una cuerda, un lápiz y dos tachuelas, y dibuja en tu cuaderno una elipse siguiendo el procedimiento que a continuación se explica. » Fija los extremos de la cuerda en la hoja del cuaderno con las tachuelas dejando entre ellas una distancia menor que la longitud de la cuerda (figura 2.40). » Estira la cuerda con el lápiz y gira alrededor de las tachuelas trazando esta trayectoria. El dibujo obtenido es una elipse (figura 2.41). » Haz diferentes dibujos cambiando la separación entre las tachuelas. Observa las diferencias y anótalas.

» Explica qué pasa con el trazo si se enciman las tachuelas, es decir, si se clavan en el mismo sitio. » Haz una analogía de esta experiencia con lo que establece la primera ley de Kepler.

Figura 2.40

Figura 2.41

93

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 93

12/21/12 12:09 PM


Figura 2.42 Tycho Brahe, astrónomo danés (1546-1601).

Las otras dos leyes de Kepler son las siguientes. La segunda define la velocidad a la que se mueve un planeta en su órbita, mientras que la tercera relaciona el periodo de revolución de los planetas, es decir el tiempo que tardan en dar una vuelta completa alrededor del Sol, con la distancia media del planeta al Sol. Kepler, haciendo uso de una gran habilidad matemática fue capaz de enunciar estas leyes porque en su época ya existía una gran cantidad de mediciones astronómicas precisas, hechas por Tycho Brahe (figura 2.42), que permitieron comprobarlas. En particular, el modelo heliocéntrico enriquecido con las leyes de Kepler logró explicar satisfactoriamente el movimiento errático que visto desde la Tierra siguen los planetas en el cielo, por ejemplo, Marte, el cual se muestra en la figura 2.43. Las leyes de Kepler fueron un punto de partida para Isaac Newton, hecho que lo llevó a formular la ley de gravitación universal, descrita en la lección anterior. En 1687, Newton publicó su obra magna Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, en la que establece por primera vez la forma matemática que describe la interacción gravitatoria de dos masas. En la lección anterior viste que el peso de los objetos es la fuerza con la que la Tierra o algún otro astro los atrae. De acuerdo con la segunda ley de Newton, esta fuerza es mg, donde m es la masa del objeto y g la aceleración de la gravedad. También se mencionó que la ley de gravitación universal establece que dos cuerpos de masas m y M se atraen en razón directa del producto de las masas, y en razón inversa del cuadrado de la distancia d que los separa.

Desarrolla tu pensamiento científico

Figura 2.43 Esquema original de la trayectoria errática de Marte, vista desde la Tierra.

1. Con base en la ley de gravitación, analiza las siguientes cuestiones y resuélvelas en tu cuaderno. » Verifica que la aceleración de la gravedad esté relacionada con la constante de gravitación G de la siguiente manera: g = GM/d2, donde M es la masa de la Tierra. » Usa los datos del cuadro 2.3 y el valor conocido de | = 6.69 × 10-11 m3/(kgs2) para hacer un cálculo aproximado de la masa de los planetas que están en dicho cuadro. » ¿Cuánto variaría tu peso si en lugar de pesarte en una ciudad al nivel del mar lo hicieras en el punto más alto de la Ciudad de México —que es el volcán extinto de Guadalupe (El Borrego), el cual se eleva 2 780 m sobre el nivel del mar—?

Planeta

Cuadro 2.3 Radio Aceleración de la ecuatorial (km) gravedad (m/s2)

Mercurio

2.440

3.70

Venus

6.052

8.85

Tierra

6.378

9.81

Marte

3.397

3.72

Júpiter

71.492

26.39

Saturno

60.268

11.67

La igualdad que acabas de verificar (es decir, que g = GM/d2) es importante. Significa, en particular, que la aceleración que experimenta un objeto en virtud de la ley de gravitación universal es independiente de la masa del objeto, como observó Galileo en la caída libre, y solamente dependerá de la masa del objeto que ejerce la fuerza (en nuestro caso, la Tierra) y de la distancia que separa a ambos objetos. 94

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 94

12/21/12 12:09 PM


Supón ahora que hay dos cuerpos de masas diferentes (por ejemplo, la Luna y un satélite artificial cuya masa es de unos cuantos kilogramos) y que ambos se encuentran a la misma distancia del centro de la Tierra. Los dos cuerpos experimentarán la misma aceleración por causa de la fuerza que la Tierra ejerce sobre ellos. Además, la aceleración estará en la misma dirección y sentido que la de la línea que une el centro de la Tierra con el centro de cada objeto. Si no se ejerce ninguna otra fuerza externa sobre estos objetos, harán un movimiento describiendo órbitas semejantes alrededor de la Tierra. Esto explica el movimiento planetario, pero también el de caída libre de los cuerpos. De igual modo, permite entender fenómenos como las mareas altas o por qué la Luna no tiene atmósfera.

Si quieres conocer más acerca de la disputa entre Hooke y Newton, puedes leer el artículo que se encuentra en la siguiente liga http://www.acmor. org.mx/descargas/11_ oct_17_duelo.pdf

Integramos El establecimiento de la ley de gravitación universal postulada por Newton representa uno de los avances más trascendentales en la historia de la física. Aunque claramente había muchas evidencias que apuntaban en esa dirección, e incluso Hooke le disputó la autoría del descubrimiento, el genio de Newton se manifestó en demostrar que una misma causa produce los movimientos de los cuerpos celestes y terrestres, y que ambos están gobernados por una única ley. Fue el filósofo francés Voltaire quien, después de conocer a Newton, popularizó la famosa historia de que la idea de asociar la caída libre de los objetos con el movimiento de la Luna se le ocurrió a Newton al ver caer una manzana de un árbol en Cambridge. Otro francés prominente, Lagrange, afirmó: “Hay solamente una Ley del Universo y fue Newton quien la descubrió”. Puede decirse también que en la obra de Newton culminan milenios de esfuerzos de las mentes más ilustres. Con el concepto de la gravitación universal, Newton logró aclarar la hasta entonces inexplicable observación de Galileo de que el movimiento de un objeto en caída libre es independiente de su peso. También reveló el significado físico de las leyes de Kepler y pudo explicar la causa de las mareas.

Figura 2.44 Modelo del movimiento de la Luna alrededor de la Tierra.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma un equipo con dos compañeros para llevar a cabo la siguiente actividad. » Consigan dos pelotas (una más grande que la otra) y una lámpara de mano (potente). » Con estos materiales simulen el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra, mientras es iluminada por el Sol (figura 2.44). » Describan qué observan desde la posición de la Tierra. Recuerden que la órbita de la Luna alre-

dedor de la Tierra forma un plano con una inclinación de aproximadamente 5 grados respecto al plano de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, como se muestra en las figuras 2.36 y 2.45. » Averigüen qué son el apogeo y el perigeo. » Con su modelo, simulen las fases de la Luna. » Contesten. ¿Qué se necesita para observar un eclipse de Luna?

Sol

Tierra

Figura 2.45 Representación de la órbita terrestre alrededor del Sol.

95

S-Fis-CNT-B2-084-095_PDF_alta_alumno 95

12/21/12 12:09 PM


BLOQUE

2

Lección 1

La energía y el movimiento Energía mecánica: cinética y potencial

aprendizaje esperado. Describe la energía mecánica a partir de las relaciones entre el movimiento: la posición y la velocidad.

Comenzamos Los niños pequeños aprenden muy rápido que cuando lanzan un objeto verticalmente hacia arriba, este regresa a sus manos (figura 2.46). Observan que el objeto se mueve cada vez más lentamente durante la subida hasta que se detiene y empieza a caer; y durante la caída, su rapidez va aumentando. Con una pelota de goma sucede un fenómeno parecido cuando es soltada hacia el suelo liso. En este caso, la pelota va aumentando su rapidez durante la caída; y después del rebote, conforme sube, se va frenando hasta llegar casi a la altura de la mano. Si se pudiera ver en cámara lenta el momento del rebote, se observaría que la pelota primero se deforma hasta cierto límite y después recupera su forma y empieza a ascender.

Figura 2.46 Desde niños aprendemos acerca de la rapidez de un objeto al ser lanzado verticalmente hacia arriba.

Una pista Para medir La energía en el Sistema Internacional de Unidades se mide en joules y un joule (J) es igual al producto de 1 newton por 1 metro: 1 J = 1 Nm

Para ver cómo se transforma la energía potencial en cinética, y viceversa, en una montaña rusa,- visita: http://www. telesecundaria. dgme.sep.gob.mx/ interactivos/2_ segundo/2_Fisica/2f_ b02_t03_s02_ descartes/index.html

1. Responde en tu cuaderno. » ¿Cuáles son las fuerzas involucradas en estos dos ejemplos? » ¿Por qué el objeto se detiene cuando alcanza cierta altura? ¿Cómo podrías variar la altura a la que llega? » ¿Cuándo alcanzará la pelota su velocidad máxima? ¿La velocidad depende de la altura desde la que se suelta la pelota?

Aprendemos En la vida cotidiana se observan ciertas transformaciones o cambios en los objetos. Por ejemplo, la pelota que se encuentra en reposo en tu mano, cae cuando la sueltas. Al liberar un resorte comprimido, produce movimiento. Después de funcionar cierto tiempo, un aparato eléctrico se calienta. Mediante la combustión de la gasolina en el motor, un auto puede desplazarse. Al colocar una batería en una lámpara de mano y encenderla, obtenemos luz. Si la colocamos en un radio portátil, obtenemos sonido. La energía se manifiesta de muy diversas formas, ya sea como movimiento, calor, luz, sonido, energía eléctrica o química, entre otras, y lo que tienen en común los ejemplos anteriores es precisamente la transformación de una forma de energía en otra. Cuando la pelota cae de la mano, se transforma en movimiento la energía que la pelota tenía únicamente debido a su posición. A esta cantidad física que tienen todos los cuerpos en virtud de su posición se le llama energía potencial, y como depende de la gravedad también suele llamarse energía potencial gravitatoria. La energía potencial gravitatoria (Ep) se define como el producto de la masa (m) por la aceleración de la gravedad (g) y por la altura (h) a la que se encuentra el objeto, es decir, Ep = mgh Es importante notar que la altura depende del punto de referencia que se tome como origen para medirla. Puede ser a partir del suelo o de cualquier otro punto, por lo que en realidad, la energía potencial no da un valor absoluto, sino que depende de diferencias de posiciones. En cada ejemplo se especificará cuál es el origen de referencia.

96

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 96

12/21/12 12:11 PM


Posición 2

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Supón que una maleta con una masa de 2 kg se coloca primero en el piso (posición 1) y luego en un casillero que está a 1 m de altura (posición 2), como se muestra en la figura 2.47. Calcula lo que se pide, considerando que el origen está en el piso. » El peso de la maleta » La energía potencial de la maleta cuando está en el piso. » La energía potencial de la maleta cuando está en el casillero. » ¿Qué pasaría con los resultados anteriores si el origen estuviera 5 m bajo el piso? Posición 1

Nota que la energía potencial de un objeto es máxima en la mayor altura a la que se encuentre y que va disminuyendo a medida que el objeto desciende. Tomando como origen el nivel del suelo, si un bloque de 1 kg está colocado sobre una mesa, cuya altura es 1 m, ahí su energía potencial es (1 kg) (9.8 m/s2) (1 m) = 9.8 (kg m/s2) m = 9.8 Nm = 9.8 J, donde la J representa la unidad de energía joule, definida como 1 J = 1 Nm. Si se cae el bloque de la mesa, al llegar al suelo, su energía potencial en esa posición será (1 kg) (9.8 m/s2) (0 m) = 0 J. Así como los cuerpos tienen energía potencial gravitatoria debido a su altura, cuando se están moviendo tienen energía debido a su velocidad. A esta energía asociada al movimiento se le llama energía cinética. A mayor rapidez, un cuerpo tiene mayor energía cinética. También, a mayor masa, mayor energía cinética. La energía cinética (Ec) se define como

Figura 2.47 La energía potencial depende de la altura a la que se encuentre un objeto.

1 Ec = ( ) (mv2) 2 Observa que la energía cinética no es directamente proporcional a la rapidez, sino a la rapidez al cuadrado. Por otra parte, la energía cinética sí es directamente proporcional a la masa. La masa multiplicada por la rapidez al cuadrado da precisamente unidades de energía. Así, un camión de 1 000 kg que se mueve con una rapidez de 20 m/s tiene una energía cinética de (1/2) (1 000 kg) (20 m/s)2 = 200 000 J, que será el doble de la de un coche de 500 kg que se mueve con la misma rapidez. Observa que la energía cinética de un objeto en reposo vale cero joules. Conforme el objeto empieza a moverse, su energía cinética variará dependiendo de la rapidez que adquiera.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Imagina que una piedra de 1 kg se desprende y cae verticalmente por un acantilado. Al llegar al suelo lleva una velocidad de 100 m/s. En tu cuaderno, calcula lo que se pide. » La energía cinética de la piedra justo antes del desprendimiento » La energía cinética de la piedra al llegar al suelo 2. Comenta cómo podrías calcular la energía cinética de la piedra entre estos dos instantes, es decir, antes del desprendimiento y al llegar al suelo.

Recuerda que la aceleración de la gravedad es un dato conocido y que en la Tierra vale aproximadamente 9.8 m/s2. Con ese dato, si conoces la rapidez inicial en una caída libre (que en el caso de la piedra en el acantilado es 0 m/s), puedes saber el tiempo que tardó en caer y alcanzar el suelo. En este caso,

t=

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 97

vf  vi g

(100 =

m s

0

9.8

m s2

m s

Una pista Para reflexionar La energía potencial no solo se asocia con la posición de los objetos, como ocurre con la gravitatoria. También existe energía potencial química, como la contenida en una batería, o bien, energía potencial eléctrica, como la que contienen algunos dispositivos llamados condensadores. Por su parte, la energía potencial elástica es la que tiene, por ejemplo, un resorte cuando está estirado o comprimido, o una pelota deformada de goma, como en el ejemplo mencionado al inicio.

) =10.2 s 97

12/21/12 12:11 PM


Una pista Para medir Todos los tipos de energía se miden en las mismas unidades. Vimos que 1 J = 1 Nm, siguiendo la definición de la energía potencial gravitatoria. Si ahora ponemos las unidades en la definición de la energía cinética (nota que 12 es solo una constante en la ecuación y no tiene unidades), lo anterior se comprueba: 1J = 1kg(m/s)2 = 1(kg m/s2)m = 1Nm

Ahora ya sabes el tiempo que la piedra estuvo en el aire, y puedes saber su rapidez en cada instante de este intervalo y, a partir de esta, su energía cinética.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. A partir de los datos del ejemplo anterior, completa en tu cuaderno una tabla como la que se muestra, calculando lo siguiente. » En la segunda columna, la rapidez de la piedra para los tiempos indicados » En la tercera columna, la energía cinética de la piedra para los mismos tiempos » Dibuja una gráfica de rapidez-tiempo y otra de energía cinética-tiempo, de la piedra que cae en el acantilado. En cada caso, coloca la rapidez o la energía cinética en el eje vertical y el tiempo en el horizontal.

Tiempo t

Rapidez v = gt

Energía cinética 1 Ec = ( 2 ) (mv2)

1s 3s 5s

Una pista Para reflexionar Observa que las definiciones de la energía potencial y cinética consideran el trabajo realizado. Para la energía potencial gravitatoria, la fuerza que actúa es el peso (mg) que se multiplica por la distancia (h), T = mgh Ahora piensa en un cuerpo que parte del resposo y efectúa un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado hasta llegar a una velocidad (v), v2 = 2ad (ver Para saber más, en la p. 52); en este caso, de acuerdo con la segunda ley de Newton, la fuerza es igual a la masa por la aceleración, esto es F = 1 mv2 2

7s 10 s

Nota que tanto la energía potencial gravitatoria como la energía cinética son magnitudes escalares. Conviene ahora introducir otro concepto. Se define la energía mecánica (Em) de un cuerpo como la suma de su energía potencial gravitatoria y su energía cinética, esto es Em = Ep + Ec = mgh +

1 2

(mv2)

Si bien los conceptos de energía cinética, potencial y mecánica son nuevos para ti, guardan una relación con los conceptos que ya has aprendido, en particular, con el concepto de fuerza. Si te fijas, para ambos tipos de energía hubo alguna fuerza que actuó para producir la situación descrita. Se requiere fuerza para subir un objeto a cierta altura y es la fuerza de gravedad la que lo hace caer. Por otra parte, para cambiar el estado de movimiento de un cuerpo, bien sea para que se desplace en movimiento rectilíneo uniforme a partir del reposo o para que cambie de dirección o de rapidez, de acuerdo con la primera ley de Newton, también se requiere una fuerza. Hay un concepto en física íntimamente relacionado con la energía mecánica: el concepto de trabajo. El trabajo (T) se define como el producto de la magnitud de la fuerza (F) que actúa sobre un cuerpo en la dirección del movimiento, por la magnitud del desplazamiento (d). También el trabajo es una cantidad escalar y notarás que sus unidades (Nm) son iguales a las de la energía (J). En lenguaje matemático, el trabajo está dado por T = Fd por lo que la energía es la capacidad que tiene el cuerpo de realizar un trabajo.

98

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 98

12/21/12 12:11 PM


Es muy común que en ciencia se usen términos que son también parte del lenguaje cotidiano, como trabajo y energía, y que su definición técnica pueda resultar confusa. De la misma manera en que aprendes otros idiomas para entender otras culturas, te conviene aprender el lenguaje técnico correctamente para entender mejor cómo se comportan la naturaleza y el Universo.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Comenta si en las siguientes situaciones se realiza trabajo; en caso afirmativo, calcula su valor. » Un estudiante está sentado en su pupitre pensando cómo resolver un problema (figura 2.48). ¿El estudiante realiza un trabajo? ¿El pupitre realiza un trabajo? » Un maestro levanta del suelo dos libros y los coloca en una repisa que se encuentra a 1.5 m de altura. Los libros tienen una masa total de 0.5 kg. ¿El maestro realiza un trabajo (figura 2.49)? » Pedro patea una pelota de 400 g y esta se mueve en línea recta a una velocidad de 2 m/s. ¿Pedro realizó un trabajo?

Figura 2.48 Si no te mueves, aunque te esfuerces mucho pensando, el trabajo físico es de cero joules.

Integramos Has llegado a un concepto fundamental de la física, el de energía. Claramente, el nivel de desarrollo de las sociedades humanas está directamente ligado al uso y al aprovechamiento de la energía. Se ha hablado fundamentalmente de energía mecánica, aunque se mencionaron otras formas de energía que se tratarán con mayor detalle más adelante. Cabe señalar que cuanta más energía tiene un cuerpo, más capacidad tiene de realizar un trabajo. Ahora es posible describir más precisamente la experiencia del niño que arroja hacia arriba un juguete o que rebota una pelota de goma en el suelo. Cuando se tiene una pelota en las manos, esta tiene una energía potencial debido a la altura desde la que se sostiene y al estar en reposo su energía cinética es cero. Si se le suelta, al caer, la energía potencial va disminuyendo a la vez que la energía cinética va aumentando hasta llegar al suelo, donde la energía potencial es cero y la energía cinética es máxima. Este es un claro ejemplo de la transformación de una forma de energía en otra que se estudiará con más detalle en la siguiente lección.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con dos compañeros y comenten los conceptos fundamentales que aprendieron en esta lección. Hagan un mapa conceptual en su cuaderno. 2. Lleven a cabo la siguiente experiencia. » Cada uno escoja una pelota diferente: una de tenis, una de futbol y otra de goma. » Dejen caer verticalmente y desde la misma altura cada pelota. Midan la altura a la que regresa cada una de ellas. » Discutan sus resultados. ¿Llega alguna pelota más alto que el lugar desde el que fue soltada? ¿A qué se debe la diferencia?

Figura 2.49 El trabajo que realiza el maestro no radica en el esfuerzo que hace al cargar los libros y colocarlos en la repisa.

99

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 99

12/21/12 12:11 PM


BLOQUE

2

Lección 2

La energía y el movimiento Transformaciones de la energía cinética y potencial

aprendizaje esperado. Interpreta esquemas del cambio de la energía cinética y potencial en movimientos de caída libre del entorno.

Comenzamos Juan y Pedro juegan con unas resorteras idénticas. Su meta es pegarle con pequeños pedazos de cartón, de igual tamaño, a dos blancos colocados en línea recta a una distancia de 1.5 m respecto a ellos. La posición de cada liga sin estirar fija el punto de origen para cada resortera. Ellos notan que cuando Pedro estira más la liga de la resortera que Juan, su pedazo de cartón hace más ruido porque golpea el blanco con mayor fuerza (figura 2.50).

Figura 2.50 Cuando sujetas una liga por los extremos, antes de que la estires, tiene una energía potencial debido a que puede realizar un trabajo. Este trabajo es el producto de la fuerza que aplicas para estirarla por la longitud del estiramiento.

Visita esta página: http://recursostic. educacion.es/newton/ web/materiales_ didacticos/caidalibre/ caidalibre.html Modifica los datos del recurso interactivo y calcula la energía cinética considerando un objeto cuya masa es de 2 kg

1. Responde en tu cuaderno. » ¿Por qué supones que la liga impulsa al pedazo de cartón? » ¿Cuál piensas que pueda ser la relación entre la liga más estirada y una mayor velocidad del pedazo de cartón? » ¿Qué similitud hay entre este ejemplo y el de una pelota que se deja caer desde cierta altura? Comenta con un compañero qué ocurre con la velocidad final de la pelota antes de tocar el suelo si se varía la altura.

Aprendemos Como viste en la lección anterior, la energía potencial gravitatoria es la que nos resulta más familiar. Si ahora quisieras hacer una analogía entre el problema de las ligas de las resorteras y el de un campo que cae libremente, podrías pedirles a Juan y a Pedro que sostuvieran cada uno una pelota idéntica, de la misma masa y material, Juan a una altura de 50 cm y Pedro a una altura de 1 m (figura 2.51). Si las soltaran, la pelota de Pedro golpearía más fuerte el suelo. De hecho, sabes que como Ep = mgh, la pelota de Pedro tiene el doble de energía potencial que la de Juan. En el ejemplo de la pelota que cae, se observa que esta adquiere cada vez más rapidez a medida que su energía potencial disminuye. De hecho, lo que sucede en este ejemplo es que parte de la energía potencial original se ha transformado en energía cinética. ¿Cuánta energía cinética? Esta podría calcularse si se tuvieran los datos necesarios de masa y rapidez.

1.0 m

Figura 2.51 Esquema de la caída de las pelotas 1 y 2 de Pedro y de Juan. Tomando como origen el suelo, en el punto de partida, la energía potencial es máxima y la cinética es cero; y en el punto de llegada, la energía potencial es cero y la cinética, máxima.

1

v1 = 0

1.0 m

0.75 m

0.75 m

0.50 m

0.50 m

0.25 m

v2 = 0

2

v2 = v2 máxima

0.25 m 1

0m

2

v1 = v1 máxima

Pelota de Juan

0m

Pelota de Pedro

100

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 100

12/21/12 12:11 PM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Resuelve en tu cuaderno. a) Felipe tiene el equipo necesario para medir la velocidad a la que caen las pelotas de Juan y Pedro, y las mide cuando estas se encuentran a diferentes alturas.

Tabla de Juan h (m)

1 2

mv2 (J)

Tabla de Pedro mgh (J)

h (m)

1 2

mv2 (J)

1

0

0.50

0

0.50

4.9

0.40

0.98

0.30

6.86

0.30

1.96

0.20

7.84

0.20

2.94

0

9.8

0

4.9

mgh (J)

» Completa en las tablas de Pedro y de Juan la columna de la energía potencial, considerando que la masa de cada pelota es de 1 kg y que el origen está en el piso. » Calcula la energía mecánica para cada altura y para cada pelota. » Elabora un esquema similar a los de la figura 2.51 para cada pelota. b) Un objeto de 1 kg cae libremente desde 10 m de altura. Calcula la energía potencial cuando se encuentra a las alturas siguientes, con el origen en el suelo. » A 5 m sobre el suelo » A 3 m sobre el suelo » ¿Qué le pasa a la energía potencial del objeto justo antes de que golpee el suelo?

Tanto un resorte como una liga al estirarse o contraerse almacenan o liberan energía potencial debido a su estado de elongación respecto a su longitud de equilibrio. Esto es análogo al caso de la energía potencial gravitatoria, en el que la energía se almacena o libera según cambie la altura a la que se encuentra un objeto sobre un nivel que se ha fijado como origen. Un resorte o una liga se comportan de acuerdo con la ley de Hooke, es decir, que la fuerza que ejercen depende directamente de la deformación que sufran. A mayor deformación, ejercen más fuerza, como en una resortera cuando estiras más la liga. Otro factor importante es el material del que está hecho la liga o el resorte. Seguro has tenido la experiencia de que una liga responde a un estiramiento hasta cierto punto, pero podrías llegar a romperla.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Supón que dejas caer una piedra desde cierta altura h sobre un resorte de un tamaño comparable al de la piedra, colocado en posición vertical, de tal manera que cuando la piedra choca con el resorte lo comprime. m Dibuja en tu cuaderno el esquema que describe esta situación. » ¿Qué pasaría si la piedra simplemente cayera al suelo? » ¿Qué crees que pasará después de que el resorte haya sido comprimido?

Para saber más La ley de Hooke dice que la fuerza que ejerce el resorte cuando lo estiras una distancia x, está dada por F = - kx donde el signo menos indica que la fuerza apunta en sentido contrario al estiramiento. La constante k del resorte depende del material del que esté hecho.

101

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 101

12/21/12 12:11 PM


Figura 2.52 En cada rebote, la energía cinética de la pelota aumenta cuando empieza a caer, mientras que la energía potencial decrece al disminuir la altura.

Ya has visto que es posible transformar energía potencial en cinética. ¿Será posible lograrlo en el sentido contrario? Es decir, ¿será posible convertir energía cinética en potencial? Responde esta pregunta observando la pelota que cae y rebota en la figura 2.52. Describe primero cómo es la velocidad de la pelota al ir cayendo y luego al subir. Este movimiento de caída y rebote se repetirá cierto número de veces hasta que la pelota repose en el suelo. ¿Cuál es la razón por la que la pelota termina en reposo?

Aproximación al conocimiento científico Otro ejemplo en el que se puede apreciar muy bien la transformación de energía potencial a cinética y de cinética a potencial es el péndulo (figura 2.53). Reúnete con un compañero para construir un péndulo sencillo.

Material: ¿Qué necesitamos? Un pedazo de hilo resistente o una cuerda delgada, un objeto pesado, de preferencia metálico (una tuerca grande puede funcionar).

Desarrollo: ¿Qué hacemos?

Figura 2.53 El movimiento de vaivén de un reloj de bolsillo (que constituye un péndulo) ejemplifica la transformación de energía potencial en energía cinética y viceversa.

1. Aten un extremo del hilo en el objeto metálico. 2. Sujeten el otro extremo del hilo a un punto fijo, de modo que el objeto colgado del hilo pueda balancearse libremente. 3. Coloquen primero el objeto en posición vertical (posición B en la figura 2.54). Consideren que esa posición corresponde a una energía potencial cero. Desplácenlo hasta cierta altura h manteniendo el hilo tenso (posición A), como se muestra en la figura 2.54. Suéltenlo y observen su movimiento. Figura 2.54 Esquema del movimiento de un péndulo.

A h B

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» ¿A qué altura llega el péndulo en el lado opuesto al que lo sueltan? ¿Puede superar la altura h? » ¿En qué posiciones el péndulo tiene una energía potencial máxima? ¿Cuánto vale ahí su energía cinética? » ¿En qué posición tiene el péndulo la energía cinética máxima? Describan cómo cambian las energías cinética y potencial durante el movimiento del péndulo.

102

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 102

12/21/12 12:11 PM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Cuentan que en algunas escuelas del siglo pasado hacían la siguiente prueba. Un alumno se sentaba con la barbilla recargada en un soporte. Del techo colgaba un gran péndulo que se le acercaba a la nariz y se soltaba. ¿Qué crees que sucedía? Elige una de las opciones siguientes y argumenta tu elección en tu cuaderno. a) El péndulo le pegaba en el rostro al regresar. b) El péndulo llegaba exactamente al punto del que había partido. c) El péndulo llegaba un poco abajo del punto desde el que se había soltado. (Piensa en la resistencia del aire).

Integramos Como ya se ha definido, la energía mecánica es la suma de la energía cinética y la potencial. Sin embargo, es posible transformar la energía cinética en potencial y viceversa, como se ha ilustrado con varios ejemplos. Hemos visto cómo ayuda hacer esquemas para entender la transformación de la energía. También se ha enfatizado que la energía potencial no solo es gravitatoria, y se ha discutido el caso de la energía potencial que tienen los cuerpos elásticos. Así, el ejemplo de Juan y Pedro jugando con una resortera es una aplicación de la transformación de la energía potencial en energía cinética. Ahora comprenderás por qué el pedazo de cartón de la resortera de Pedro alcanza una velocidad mayor que el de Juan, puesto que la energía potencial de la resortera del primero es mayor que la del segundo. Esta es la razón por la que el golpe del primer pedazo es más ruidoso que el del segundo. Estas transformaciones las puedes ver en la vida cotidiana, en juguetes infantiles y en diversas máquinas, como las que soñó Leonardo da Vinci (figura 2.55).

Figura 2.55 Boceto de una ballesta gigante ideada por Leonardo da Vinci (1452-1519), artista y científico italiano.

Desarrolla tu pensamiento científico Reúnete con tres compañeros e investiguen cómo funcionan las compuertas que dejan salir el agua de una presa (figura 2.56). Describan lo que sucede en términos de transformaciones de energía y ejemplifíquenlo con un esquema del agua cayendo.

Figura 2.56 En esta imagen se puede ver la compuerta de una presa que contiene el agua almacenada.

103

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 103

12/21/12 12:11 PM


BLOQUE

2

Lección 3

La energía y el movimiento Principio de la conservación de la energía

aprendizaje esperado. Utiliza las expresiones algebraicas de la energía potencial y cinética para describir algunos movimientos que identifica en el entorno y/o en situaciones experimentales.

Comenzamos Ana y Martín son aficionados a la patineta. Van a un parque cerca de su casa en donde hay una pista especial, en forma de la mitad de un cilindro hueco cortado a lo largo (figura 2.57). Ellos observan que cuando, sin impulsarse, se dejan caer de un extremo (punto A) dirigiéndose de frente hacia el otro, suben casi a la misma altura del otro lado (punto B).

A

B

Figura 2.57 Esquema que muestra la forma de la pista para patinetas.

1. Haz lo que se pide. » Comenta las ventajas de que una patineta tenga ruedas. » Describe cómo cambian la energía cinética y la potencial en este movimiento. Supón que la energía potencial en el punto más bajo de la pista cilíndrica es cero. (No olvides que la energía potencial gravitatoria se calcula siempre tomando en cuenta la altura medida a partir de un punto de referencia). » Explica en qué posición es mayor la energía potencial de Ana con su patineta. » Explica en qué posición es mayor la energía cinética de Ana cuando se mueve en la pista con su patineta.

Aprendemos

Figura 2.58 Un patinador profesional aprovecha la transformación de su energía cinética en potencial para ejecutar acrobacias.

Lo primero que se debe notar en el ejemplo descrito en la sección “Comenzamos” es la transformación de la energía potencial en cinética, tanto en la caída como en la subida. Es importante mencionar que una pista de patinaje se construye muy lisa para que resbalen bien las patinetas, y que las ruedas precisamente están diseñadas para vencer la fricción del piso (figura 2.58). Es decir, en este ejemplo, considerando lo anterior, puede suponerse que la fricción con el piso es casi nula y puede despreciarse, mientras que la fuerza de gravedad siempre está presente. También puede decirse que al ser un niño con su patineta un objeto bastante masivo, es posible ignorar la resistencia del aire. En resumen, este ejemplo se acerca a la situación ideal en la que no hay fuerzas de fricción que podrían frenar el movimiento. Intuitivamente es fácil aceptar que cuando la patineta desciende va cada vez más rápido, y cuando sube, cada vez más lento. Sin embargo, en física no bastan las descripciones cualitativas, sino que es necesario medir y cuantificar. Así, se puede calcular en forma precisa el valor de las energías cinética y potencial a partir de las ecuaciones que se estudiaron en las lecciones anteriores. En una situación ideal, como la que se acaba de describir, se desprecian las fuerzas de fricción, y la energía mecánica (la suma de la energía potencial y la cinética) se conserva, ya que el valor de esta en cada punto del movimiento es el mismo, y, por tanto, independientemente de las transformaciones de energía potencial en cinética o viceversa, su suma permanece fija. En la práctica, la fricción, aunque es pequeña, existe y el patinador debe compensarla impulsándose al llegar a la parte más alta de la rampa.

104

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 104

12/21/12 12:11 PM


Así pues, analiza el caso ideal. La figura 2.59 muestra un corte transversal de la pista. Considera que h1 es la altura desde el piso hasta el punto donde se inicia el movimiento. En ese punto, la velocidad es cero (v1 = 0). En un punto 2, a la mitad de la caída, la magnitud de la velocidad (es decir, la rapidez) es v2 y la altura, h2. En el punto inferior de la pista, punto 3, la magnitud de la velocidad es máxima (v3) y la altura es cero (h3 = 0). En el punto 4 de la subida, se tiene v4 y h4, y, finalmente, en el punto 5, la altura vuelve a ser h5 = h1 y la velocidad, v5 = 0. v1

5

1

v2

v4

2

4

h5

h1 h2

v5

h4 v4 3 h3 = 0

En el punto 1

Em = mgh1 +

1 2

(mv21) = mgh1 + 0 = E = constante

En el punto 2

Em = mgh2 +

1 2

(mv22) = E = constante

En el punto 3

Em = mgh3 +

1 2

(mv23) = 0 + ½(mv23) = E = constante

En el punto 4

Em = mgh4 +

1 2

(mv24) = E = constante

En el punto 5

Em = mgh5 + ½(mv25) = mgh1 + 0 = E = constante

Para simular un experimento donde se calcula la conservación de la energía, ve a esta página y elige en 1o de bachillerato el tema “Energía” y el subtema “Conservación de la energía mecánica”. http://iris.cnice.mec.es/ fisica/index.php

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Contesta en tu cuaderno. Los datos del ejemplo son los siguientes: Ana tiene una masa de 40 kg, su patineta pesa 3 kg y la altura de la pista es de 3 m. Considera que el móvil que estudias es Ana con su patineta. » ¿Cuál es su energía mecánica en los puntos 1, 3 y 5? » Si la altura en el punto 2 es de 1 m, ¿cuál es la rapidez de Ana y su patineta en ese punto? » Si la altura del punto 4 es también de 1 m, ¿cómo es la rapidez en ese punto? Explícalo.

La conservación de la energía mecánica es un caso específico de un principio fundamental: la ley de la conservación de la energía. Esta ley dice que “la energía ni se crea ni se destruye, únicamente se transforma”. Hasta el momento has aprendido lo que es la energía potencial y la cinética, pero más adelante tendrás ocasión de conocer otros tipos de energía y de apreciar la importancia de esta ley. No hay que olvidar la relación de la energía con la calidad de vida. El desarrollo de una sociedad está íntimamente ligado a su capacidad de aprovechar y transformar la energía para cocinar, calentar los hogares, desplazarse y tener acceso a la comunicación moderna.

Figura 2.59 Esquema del movimiento de un patinador en una pista de medio cilindro.

Una pista Para reflexionar Un modelo es siempre una simplificación de la realidad. Es claro que en el mundo que nos rodea siempre hay alguna fuerza de fricción, pero podemos hacer una abstracción de una situación real, como hizo Galileo Galilei, para llegar a la conclusión de que todos los cuerpos caen con la misma aceleración g.

105

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 105

12/21/12 12:11 PM


Para saber más Varios animales terrestres de masas diferentes, como el gato, el perro, el caballo, el leopardo, el tigre, el antílope y el ser humano, pueden saltar a una altura de casi dos metros cuando van corriendo. Por conservación de la energía mecánica, la energía cinética de la carrera se convierte en la energía potencial del salto, pero la masa no determina la altura.

Una pista Para reflexionar Seguramente, eres aficionado a los cómics de superhéroes. Ya estás listo para poder analizar con base en la física algunas de sus hazañas y ver qué tan factibles son. Por ejemplo, ¿a qué velocidad debe correr Superman para poder saltar a una altura de 200 m? Recuerda que se puede transformar energía cinética en potencial, para realizar un salto de altura. El ser humano puede llegar a saltar más de dos metros de altura.

m = 100 kg cascada

10 m

Figura 2.60 Esquema de un tronco que cae por una cascada.

En la lección anterior se examinó el ejemplo de una pelota que rebota en el suelo. Si se supone que el material del que está hecha la pelota es perfectamente elástico, es decir, que después de deformarse recupera exactamente su forma inicial, que el suelo es totalmente liso, que no hay resistencia del aire y que el movimiento es perfectamente vertical, la pelota rebotará hasta alcanzar exactamente la misma altura de la que partió. Igual que en el caso de los niños con sus patinetas, en su ascenso la pelota va cada vez más despacio siempre bajo la influencia de la gravedad, hasta que su velocidad final en la altura máxima es cero. En todos los puntos, no obstante, su energía mecánica tiene el mismo valor.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Resuelve en tu cuaderno. Una pelota elástica de 1 kg, es decir, capaz de rebotar hasta la misma altura de la que parte, se deja caer sobre el suelo liso. En el momento en que rebota verticalmente hacia arriba tiene una rapidez de 2 m/s. » Calcula la altura máxima a la que llega la pelota. » Calcula la altura máxima si la pelota tuviera una masa de 2 kg, pero saliera con la misma rapidez. » ¿Qué puedes comentar respecto a tus resultados? ¿De qué manera influye la masa de la pelota en la altura máxima que alcanza?

Te habrás percatado de que al igual que sucede con la rapidez en la caída libre de los cuerpos, en el ejemplo de la pelota que rebota, su masa no afecta el resultado de la altura máxima. La explicación es muy sencilla: como la energía mecánica se conserva, la energía potencial máxima, que corresponde a los puntos en los que la energía cinética es cero, es igual a la energía cinética máxima, que es cuando la energía potencial se anula. Esto puede expresarse de la siguiente forma. 1 mghmax = (mv2 max) 2 Observa que en ambos lados de la igualdad aparece la masa, por lo que puede eliminarse, quedando entonces v2max = 2ghmax

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza el siguiente caso y haz lo que se pide. En una tormenta, el tronco de un árbol de 100 kg es arrastrado por un río y cae por una cascada de 10 m de altura. Supón que no hay resistencia del aire ni del agua (figura 2.60). » Si el origen está en la parte inferior de la cascada, ¿cuál es la energía potencial del tronco en la parte superior de la cascada antes de caer? » ¿Cuál es la energía cinética del tronco cuando termina la caída? » Con ayuda de la fórmula que se acaba de mencionar, calcula la rapidez con la que llega el tronco a la base de la cascada.

106

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 106

12/21/12 12:11 PM


Regresa al ejemplo del péndulo que construiste en la lección anterior. Supón que la masa del objeto atado al hilo es de 1 kg y que se sube a una altura de 5 m respecto a la posición vertical del péndulo. Este parecería un problema muy complicado para estudiar desde el análisis del movimiento, pues se trata de un movimiento curvilíneo en dos dimensiones. Sin embargo, la conservación de la energía mecánica (si se desprecia la resistencia del aire) permite calcular la rapidez con la que se mueve el objeto para cada altura (figura 2.61). Por ejemplo, la rapidez máxima con la que pasa el objeto por la posición vertical es de vmax =

(2gh) = (2(9.8

m s2

)(0.5 m) = 3.13

m s

Figura 2.61 Diagrama de oscilación de un péndulo.

Además, nota que la masa del objeto y el largo del hilo que lo sostiene son irrelevantes para determinar el valor de la rapidez máxima.

Integramos Esta lección presenta uno de los aportes más importantes de la física. La física es una ciencia que busca principios generales y unificadores que permitan describir no solo lo que pasa en cierta situación, sino lo que sucederá cuando se den otras condiciones. Por ejemplo, si cambia la altura de la pista de patinaje del ejemplo, el análisis que has hecho sigue siendo válido. Esta capacidad de predecir situaciones a partir de principios generales ha permitido construir toda la tecnología, así como el desarrollo de la ingeniería y la arquitectura. Además, comprender cómo funciona la naturaleza te enriquece como individuo y te permite apreciar mejor el mundo en el que vives. En el ejemplo sobre Ana y Martín, aun sin conocer los detalles, ahora puedes entender por qué llegan a la misma altura de la que partieron. También sabes que la rapidez máxima la alcanzarán en el punto inferior de la pista y será la misma para ambos, independientemente de sus masas.

Figura 2.62

Figura 2.63

Aproximación al conocimiento científico Forma un equipo con dos compañeros para realizar este experimento en el que observarán la transformación de energía potencial gravitatoria en cinética.

Material: ¿Qué necesitamos? Un libro grueso, un lápiz, una regla con ranura central, una canica, un vaso desechable y tijeras

4. Ahora repitan la experiencia colocando el extremo de la regla sobre el libro, es decir, a una altura mayor (figura 2.63).

Desarrollo: ¿Qué hacemos?

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

1. Corten un cuadrado de 2.5 cm de lado (por el que quepa la regla) cerca del borde superior del vaso desechable. 2. Coloquen el vaso invertido, de modo que el orifico cuadrado quede sobre la regla (figura 2.62). 3. Levanten el otro extremo de la regla apoyándola sobre el lápiz, y dejen resbalar la canica hacia el vaso. Esto deben hacerlo de tal manera que la canica entre por el orificio del vaso.

» Comenten lo que observaron. » Describan cómo varía la rapidez a medida que la canica cae desde una altura mayor. » Argumenten por qué el golpe de la canica en el vaso es una forma indirecta de medir la rapidez de la canica. » Expliquen cómo calcularían la rapidez final de la canica en ambos casos.

107

S-Fis-CNT-B2-096-107_PDF_alta_alumno 107

12/21/12 12:11 PM


Proyecto

Fase 1

BLOQUE 2

inicio

Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar

aprendizajes esperados. Plantea preguntas o hipótesis para responder a la situación de su

interés, relacionada con el movimiento, las fuerzas o la energía. Selecciona y sistematiza la información relevante para la investigación planteada en su proyecto. Elabora objetos técnicos o experimentos que le permitan describir, explicar y predecir algunos fenómenos físicos relacionados con el movimiento, las fuerzas o la energía. Organiza la información resultante de su proyecto y la comunica al grupo o a la comunidad, mediante diversos medios: orales, escritos, gráficos o con ayuda de las tecnologías de la información y la comunicación.

Has concluido el segundo bloque y ha llegado el momento en el que puedes aplicar los conocimientos que adquiriste a lo largo de las sesiones trabajadas. Recuerda que los proyectos estudiantiles tienen diferentes propósitos, entre ellos, que puedas plantear preguntas de tu interés y sistematizar información para obtener respuestas basadas en tu conocimiento. Revisa las páginas 10 a 13 para que recuerdes otras funciones de los proyectos.

Propuestas de actividades para la fase 1 1. Reúnete con tu equipo para leer y comentar los siguientes textos.

Uso del cinturón de seguridad El cinturón de seguridad es un implemento destinado a proteger a quienes viajan en un automóvil, de lesiones en caso de accidentes, por lo tanto, debe ser usado siempre, su uso salva vidas. El cinturón consta de dos correas o cintas fuertemente sujetadas al interior del automóvil, una para sujetar el tronco del cuerpo y la otra para sujetar el vientre. Para utilizar adecuadamente el cinturón de seguridad es necesario: a) Regular el asiento y respaldo de tal manera que viaje cómodamente. Cada asiento es para una sola persona. b) La cinta superior debe pasar por el hombro y no por el cuello o la garganta. Sujételo cómoda pero firmemente. c) La cinta inferior debe cruzar sobre las caderas y no sobre el estómago. d) Si una mujer embarazada viaja en automóvil, deberá colocar la cinta superior entre los senos y la cinta inferior debajo del vientre. e) El cinturón no debe quedar torcido y no debe rozar con aristas o bordes que lo puedan desgastar. Lo que no debe hacer con el cinturón de seguridad: a) Nunca lo use holgado, porque de esta forma no protege. b) Nunca lo pase por debajo del brazo, porque en un impacto no detendrá eficazmente. c) Nunca lleve niños sobre las piernas ni los asegure junto con el adulto. d) Nunca incline demasiado el respaldo del asiento hacia atrás, porque durante un impacto el cuerpo podría deslizarse por debajo del cinturón. Fragmento tomado de www.capufe.gob.mx/portal/wwwCAPUFE/ParaViajar/Seguridad/03UsoCinturon.pdf (Consultado el 25 de enero de 2012)

108

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 108

12/21/12 12:16 PM


Cuatro segundos que pueden salvar una vida: las leyes físicas básicas detrás del manejo Ramón Garduño Juárez

¿Cuántos de nosotros sabemos cuál es la distancia mínima requerida entre dos autos que viajan en la misma dirección sobre la misma carretera? ¿Cuántos de nosotros sabemos que la física puede salvarnos la vida? Me imagino que muy pocos... Sin embargo, ¿cuántos de nosotros vemos nuestro automóvil como un proyectil más que como una máquina para transportarnos, o quizá hasta una extensión de nosotros mismos? Este concepto depende de nuestro poco o mucho conocimiento de las fuerzas que actúan sobre el movimiento de nuestro vehículo. A menudo les digo a mis hijos que las fuerzas no se ven, pero se sienten. Todos nos hemos topado con una puerta entreabierta, o nos hemos dado un golpe con un martillo sobre algún dedo. El dolor que nos causa es el efecto de haber sufrido un contacto cercano con las fuerzas. Pues bien, si esto nos ocurre con fuerzas relativamente pequeñas, imagínense lo que puede ocurrir cuando nos enfrentamos a fuerzas mucho mayores, como aquellas que nos puede proporcionar un automóvil en movimiento. Imaginen que van manejando en una carretera hacia unas merecidas vacaciones. ¿Se han preguntado alguna vez cuál es la distancia mínima entre su automóvil y el de enfrente, de tal forma que puedan frenar de manera segura si al otro vehículo se le poncha una llanta, o tiene que frenar de improviso para no arrollar a un animal que está cruzando la carretera? ¿Qué pasaría si esto sucede y ustedes están demasiado cerca? Este supuesto problema puede evitarse de forma muy simple, y todo gracias a las leyes de la física. Solo basta seguir una regla de oro muy simple que se deriva de las leyes del movimiento. […] Esta regla obliga al que la usa a estar al menos cuatro segundos detrás del vehículo que está directamente enfrente del suyo. Fragmento tomado de http://www.acmor.org.mx/descargas/09_ago_17_cuatroseg.pdf (Consultado el 25 de enero de 2012) Cortesía de la Academia de Ciencias de Morelos y la Unión de Morelos

Visita la página del Consejo Nacional para la Prevención de Accidentes y conoce la ley que hace obligatorio el uso del cinturón de seguridad. http://conapra.salud. gob.mx/archivos/ poliptico_acuerdo.pdf

2. Con base en los textos anteriores, comenten lo que más les llamó la atención y lo que saben al respecto. 3. Definan el problema que desean resolver en el proyecto. Pueden partir de preguntas como la siguiente. » ¿Cómo se relaciona el movimiento y la fuerza con la importancia del uso del cinturón de seguridad para quienes viajan en algunos transportes? 4. Puede ser que tengan otros intereses y decidan resolver un problema distinto al sugerido con la pregunta anterior, por ejemplo, preguntar por qué dejar al menos cuatro segundos entre coches que circulan por el mismo camino es lo más seguro; si es así, ¡adelante!, infórmenle a su profesor, quien les comentará si es pertinente. 5. Decidan el tipo de proyecto en el que participarán (científico, tecnológico o ciudadano). 6. Con base en el tema que eligieron, revisen lo que saben; recuerden también lo que han aprendido en otros cursos o asignaturas. Procuren responder estas preguntas. » ¿Qué sabemos? » ¿Qué necesitamos investigar? » ¿Cómo nos ayudará el proyecto a resolver el problema que elegimos?

109

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 109

12/21/12 12:16 PM


Proyecto

Fase 2

BLOQUE 2

planeación

FASE 2: PLANEACIÓN El éxito de todo proyecto estudiantil depende de la planeación de las actividades y se inicia con su delimitación. Lean lo que hicieron los estudiantes de una escuela secundaria para planear su proyecto. Con base en ello, decidan cómo harán el suyo. Los miembros del equipo analizaron la pregunta elegida, y después de reconocer lo que sabían del tema se plantearon un propósito, es decir, un problema que pudieran resolver. En este caso, optaron por la pregunta “¿Cómo se relaciona el movimiento y la fuerza con la importancia del uso del cinturón de seguridad para quienes viajan en algunos transportes?”, y decidieron solucionar el siguiente problema. Identificar mecanismos de alerta para usar el cinturón de seguridad, y los problemas técnicos y económicos para su implementación. Después, definieron de manera general lo que indagarían, para qué lo harían y cómo habrían de lograrlo. Al final, propusieron una serie de actividades que organizaron en el cuadro 2.4.

Cuadro 2.4 Planeación del proyecto Contenidos del Posible Propósito bloque que se solución pueden utilizar

Problemática identificada ¿Cómo asegurar que los pasajeros en un automóvil usen el cinturón de seguridad?

Buscar en Internet mecanismos para avisar al conductor de un automóvil que el cinturón de seguridad ha sido colocado.

¿Qué haremos?

Consulta los siguientes libros de la biblioteca escolar. *Noreña Villarías, F. y Tonda Mazón, J. (2002). El movimiento. Santillana. *Pogan, A. (2003). Fuerzas físicas. sepEdiciones Culturales Internacionales.

Fuerza, peso, energía y sonido

¿Dónde investigaremos?

Buscar información bibliográfica sobre alarmas de cinturón de seguridad

Para saber más

Estudiar mecanismos de alarmas de cinturón de seguridad

En Internet y en alguna agencia de automóviles

Recursos necesarios Computadora e Internet. Entrevista en alguna agencia de automóviles

¿Cuánto tardaremos? Una semana

Propuestas de actividades para la fase 2 1. Con base en la pregunta guía que escogieron, delimiten el problema, así como su posible solución. Comenten su posible solución con el profesor. 2. Propongan y organicen las actividades en el tiempo que han establecido para ello; asignen responsables. Pueden emplear un organizador como el cuadro 2.4. Visiten alguna agencia de automóviles y soliciten información sobre los cinturones de seguridad. Investiguen qué clase de alarmas de cinturón de seguridad tienen integrados sus modelos. 3. Procuren responder estas preguntas. » ¿Qué queremos hacer? » ¿Qué recursos humanos, materiales y económicos requerimos para hacer el proyecto? » ¿Cómo registraremos y analizaremos los resultados? » ¿Cómo comunicaremos los resultados y las conclusiones?

110

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 110

12/21/12 12:16 PM


FASE 3: DESARROLLO DeSaRRollo

Fase 3

Lleven a cabo las actividades que planearon. Procuren consultar a su profesor siempre que sea necesario e informarle sobre los avances; registren la información que obtengan. A continuación, se presentan actividades que hicieron algunos estudiantes durante esta fase del proyecto, según la pregunta guía que eligieron. Pregunta guía: ¿Qué hacemos para saber si es factible que todos los pasajeros de un automóvil sean avisados, mediante una alarma, de ponerse el cinturón de seguridad? Este equipo investigó en revistas de divulgación científica, libros e Internet, cómo se puede integrar a un automóvil un sistema de alarma de cinturón de seguridad. La información que obtuvieron les ayudó a comprender la importancia del uso del cinturón de seguridad. Luego, decidieron investigar si era un problema técnico o un problema económico que no todos los autos tuvieran alarmas de cinturón de seguridad. Investigación bibliográfica: buscar la información en Internet y en manuales de automóviles, y entrevistar a expertos considerando las siguientes preguntas. 1. ¿Existe un sensor que detecte el peso de un pasajero que se coloca en uno de los asientos de un automóvil? 2. ¿Se puede relacionar ese sensor con un sonido que sirva de alarma? 3. ¿Se puede relacionar ese sensor con una luz en el tablero? 4. ¿Es posible integrar a un automóvil un sensor que detecte cuando un pasajero sentado abrocha el cinturón de seguridad? 5. ¿Puede un sensor colocado en el broche del cinturón apagar el sonido o la luz de alarma? 6. ¿Hay alguna diferencia entre instalar ese sensor en el asiento del conductor o en cualquier otro? 7. ¿Qué otras partes de un automóvil utilizan sensores para su control? 8. ¿Cuál es el costo aproximado de integrar en un automóvil sensores que detecten que el cinturón de seguridad se ha abrochado? 9. Busca estadísticas acerca de las vidas que salva el uso del cinturón de seguridad.

Sensor. Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser, por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, etcétera.

Análisis de resultados y conclusiones Una vez analizados algunos mecanismos que se usan para que los automóviles tengan alarmas de cinturón de seguridad pueden opinar acerca de cuáles ofrecen más ventajas. Discutan si el costo de instalar estos dispositivos en todos los asientos queda justificado por la seguridad que ofrece a los pasajeros el uso del cinturón de seguridad.

Propuestas de actividades para la fase 3 1. Después de llevar a cabo las actividades planeadas, analicen la información que obtuvieron. 2. Con base en los resultados, resuelvan el problema que se plantearon y obtengan conclusiones. Estas las presentarán en la siguiente fase del proyecto.

111

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 111

12/21/12 12:16 PM


Proyecto

Fase 4

BLOQUE 2

comunicación

FASE 4: COMUNICACIÓN Es el momento de comunicar los resultados del proyecto. Para ello, regresen al cuadro de planeación y, considerando lo que pensaron respecto a cómo hacer el proyecto, decidan si optarán por el mismo camino o si harán una presentación general (a manera de exposición) seguida de otras actividades (como una obra de teatro, un programa de radio, una feria de ciencia y tecnología, un periódico mural, una videoconferencia, entre otras). En la presentación general de un proyecto es recomendable que un integrante del equipo dirija unas palabras de bienvenida a la audiencia y, en caso de que lo consideren adecuado, que presente las diferentes actividades o etapas del proyecto. ¿Ya decidieron quién lo hará? ¿Qué dirá? Esta investigación se presta para escribir una pequeña obra de teatro. Observen el cuadro 2.5 que hizo un equipo de estudiantes.

Cuadro 2.5 Guion para la presentación del proyecto Actividad Responsable

Duración

Escribir el guion de la obra

Todos

Dos días

Directora de la obra y presentadora (ensayo)

María

Un día

Actores de la obra (ensayo)

José, Claudia, Ernesto y Norma

Un día

Presentación de qué trata la obra

María

5 minutos

Presentación de la obra

Todos

30 minutos

Discusión con los asistentes

Todos

10 minutos

Agradecimientos y cierre

Manuel

5 minutos

Repartición de copias de un manual sobre la importancia del uso del cinturón de seguridad

Todos

5 minutos

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Presenten los resultados de su proyecto en el medio de divulgación que eligieron, por ejemplo, una presentación de teatro. 2. Con base en los resultados, expliquen los problemas o dificultades que tuvieron, así como las cosas que aprendieron. Destaquen los beneficios que les aportó el desarrollo del proyecto. m Si participaron en un proyecto científico, destaquen los datos que obtuvieron, sus observaciones y avances. Si el proyecto fue tecnológico pueden, por ejemplo, explicar cómo hicieron un dispositivo y los resultados que obtuvieron al ponerlo en funcionamiento. En un proyecto ciudadano, sería muy bueno que explicaran la manera en que este benefició a la comunidad.

112

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 112

12/21/12 12:16 PM


Evaluación Este es el momento para que reflexiones sobre los logros, las deficiencias y los aprendizajes adquiridos durante el desarrollo y la presentación de tu proyecto.

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Completa en tu cuaderno un cuadro como el siguiente.

Trabajo individual

Siempre

Algunas veces

Pocas veces

Nunca

¿Cooperé con mis compañeros de equipo? ¿Fui participativo en las reuniones y actividades? ¿Aporté ideas para enriquecer nuestro trabajo? ¿Cumplí con mis tareas y responsabilidades dentro del equipo? ¿Ayudé a quien me lo pidió, aunque no fuera miembro de mi equipo? ¿Participé en la resolución de desacuerdos o conflictos dentro de mi equipo? ¿Me gustó trabajar en equipo?

2. Reunido con tu equipo copien el siguiente cuadro en su cuaderno y complétenlo.

Trabajo en equipo

No

¿Por qué?

Las investigaciones que hicimos fueron suficientes para desarrollar nuestro proyecto. Las actividades y procedimientos que elegimos fueron adecuados para presentar el tema de nuestro proyecto. La distribución del trabajo en el equipo fue adecuada y equitativa. Dentro de nuestro equipo hubo un ambiente de compañerismo, cooperación y solidaridad. Hicimos los ajustes necesarios en nuestro proyecto para mejorarlo. Logramos los propósitos y el objetivo de nuestro proyecto. Nuestro proyecto fue significativo para la comunidad a la que iba dirigido. Adquirimos nuevos aprendizajes durante el desarrollo y la presentación de nuestro proyecto.

3. Reúnete con el grupo y el profesor. Comparte las respuestas que escribiste en estos cuadros y coméntalas. Propón maneras de mejorar tu desempeño para futuros proyectos. 113

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 113

12/21/12 12:16 PM


Evaluación (TIPO PISA)

BLOQUE 2

Comprueba tus competencias Al principio del bloque se te invitó a conocer las fuerzas que nos rodean y cómo influyen en el movimiento. Comprueba que lo has conseguido.

¿Quién inventó el cinturón de seguridad? El cinturón de tres puntos de anclaje que utilizan en la actualidad los coches fue inventado en 1959 por el ingeniero sueco Nils Bohlin para la empresa Volvo. Los requisitos que le pidieron para el diseño fueron los siguientes: m el dispositivo debía mantener a las personas dentro del vehículo en caso de accidente; m evitar daños en cabeza, cara u órganos abdominales; m ser fácil de liberar durante un rescate; y m ser cómodo de utilizar. Esta invención fue reconocida por la Oficina Alemana de Patentes y Marcas como una de las ocho más significativas para la humanidad entre 1885 y 1985. Se estima que desde su creación hasta nuestros días más de un millón de personas han salvado su vida gracias a su uso. Actualmente, este elemento de seguridad está presente en todos los vehículos, tanto en los asientos delanteros como en los traseros. No obstante, para que su uso sea eficaz, debe utilizarse de forma correcta: m m m m

La banda horizontal debe colocarse lo más baja posible. La banda diagonal debe sujetar el hombro. El respaldo no debe estar demasiado inclinado. No se deben utilizar elementos que den holgura al cinturón, porque lo harían ineficaz.

Su buen uso consigue minimizar las heridas en caso de choque, al impedir que el pasajero sea arrojado por el impacto y se golpee contra los elementos rígidos del auto o con otras personas que viajen en su interior, o que sea expulsado del auto.

Pregunta 1. Observa la imagen de la niña. Según el texto, ¿lleva bien puesto el cinturón? Justifica tu respuesta. Pregunta 2. Supón que un vehículo de 1 400 kg circula a 90 km/h y colisiona contra un muro, ¿a qué velocidad saldría despedido un conductor de 70 kg si toda la energía cinética del coche pasa a él? Pregunta 3. Con base en la suposición de la pregunta anterior, ¿con qué fuerza saldría despedido un niño de 20 kg si en una colisión saldría con una aceleración de 15 m/s2? Pregunta 4. El uso de los cinturones de seguridad es obligatorio tanto en los asientos delanteros como en los traseros. ¿Consideras que esta es una medida estricta o más bien es necesaria para la seguridad? Escribe un texto en el que expliques tu postura.

114

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 114

12/21/12 12:16 PM


La física y los planetas La ley de gravitación universal establece tanto la magnitud de la fuerza con la que se atraen dos masas como la dirección de dicha fuerza. Esta ley se complementa con las tres leyes de Newton para poder modelar el movimiento de los cuerpos. Se han calculado las masas de cada planeta del Sistema Solar, sus trayectorias y los periodos orbitales que cada uno sigue alrededor del Sol. También se cuenta con una estimación de la masa solar, aproximadamente de 2 × 1030 kg. La siguiente tabla muestra los datos de cada planeta de nuestro Sistema Solar. Planeta

Mercurio

Venus

Tierra

Marte

Júpiter

Saturno

Urano

Neptuno

57 909 175

108 208 930

149 597 870

227 936 640

778 412 010

1 426 725 400

2 870 972 200

4 498 252 900

3 302 ×1023

48 690 ×1024

59 742×1024

64 191×1023

18 987×1027

56 851×1026

86 849×1025

10 244×1026

0.2408467

0.61519726

10 000 174

18 808 476

11 862 615

29 447 498

84 016 846

16 479 132

Distancia media al Sol (km) Masa (kg) Periodo orbital (años)

Pregunta 1. Observa el siguiente esquema y representa con flechas (vectores) la magnitud y la dirección de la fuerza de atracción que ejerce el Sol sobre la Tierra para cada posición en que esta se ha dibujado. Pregunta 2. Si se considera que la “acción” es la fuerza de atracción del Sol sobre la Tierra, establece cuál es la “reacción” y represéntala sobre el esquema anterior utilizando un color distinto al que usaste para representar la “acción”. Pregunta 3. Aplica la segunda ley de Newton y los datos de la tabla anterior para calcular, de manera aproximada, la aceleración de la Tierra en su órbita alrededor del Sol e indica la dirección de dicha aceleración. Pregunta 4. Si la órbita terrestre es aproximadamente una circunferencia, calcula la distancia recorrida por la Tierra para dar una vuelta completa alrededor del Sol y la rapidez media con la que se mueve. Pregunta 5. Compara la dirección del movimiento de la Tierra con la dirección de la fuerza con la que es atraída por el Sol y explica por qué la Tierra no se mueve en la dirección de dicha fuerza.

115

S-Fis-CNT-B2-108-115_PDF_alta_alumno 115

12/21/12 12:16 PM


BLOQUE

3

Un modelo para describir la estructura de la materia Competencias que se favorecen:

• Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Comprensión de los alcances de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención.

Aprendizajes esperados

Contenidos

I dentifica las características de los modelos y los reconoce como una parte fundamental del conocimiento científico y tecnológico, que permiten describir, explicar o predecir el comportamiento del fenómeno estudiado. Reconoce el carácter inacabado de la ciencia a partir de las explicaciones acerca de la estructura de la materia, surgidas en la historia, hasta la construcción del modelo cinético de partículas. Describe los aspectos básicos que conforman el modelo cinético de partículas y explica el efecto de la velocidad de estas.

Los modelos en la ciencia Lección 1. Características e importancia de los modelos en la ciencia. Lección 2. Ideas en la historia acerca de la naturaleza continua y discontinua de la materia: Demócrito, Aristóteles y Newton; aportaciones de Clausius, Maxwell y Boltzmann. Lección 3. Aspectos básicos del modelo cinético de partículas: partículas microscópicas indivisibles, con masa, movimiento, interacciones y vacío entre ellas.

m

Describe algunas propiedades de la materia: masa, volumen, densidad y estados de agregación, a partir del modelo cinético de partículas.

m

Describe la presión y la diferencia de la fuerza, así como su relación con el principio de Pascal, a partir de situaciones cotidianas.

m

Utiliza el modelo cinético de partículas para explicar la presión, en fenómenos y procesos naturales y en situaciones cotidianas.

m

Describe la temperatura a partir del modelo cinético de partículas con el fin de explicar fenómenos y procesos térmicos que identifica en el entorno, así como a diferenciarla del calor.

m

Describe los cambios de estado de la materia en términos de la transferencia de calor y la presión, con base en el modelo cinético de partículas, e interpreta la variación de los puntos de ebullición y fusión en gráficas de presión-temperatura.

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas Lección 1. Las propiedades de la materia: masa, volumen, densidad y estados de agregación. Lección 2. Presión: relación fuerza y área; presión en fluidos. Principio de Pascal (I). Lección 3. Presión: relación fuerza y área; presión en fluidos. Principio de Pascal (II). Lección 4. Temperatura y sus escalas de medición. Lección 5. Calor, transferencia de calor y procesos térmicos: dilatación y formas de propagación. Cambios de estado; interpretación de gráfica de presión-temperatura.

m

Describe cadenas de transformación de la energía en el entorno y en actividades experimentales, en las que interviene la energía calorífica.

m

Interpreta la expresión algebraica del principio de la conservación de la energía, en términos de la transferencia del calor (cedido y ganado).

m

Argumenta la importancia de la energía térmica en las actividades humanas y los riesgos en la naturaleza implicados en su obtención y aprovechamiento.

m

Plantea y delimita un proyecto derivado de cuestionamientos que surjan de su interés y para el que busque solución.

m

Utiliza la información obtenida mediante la experimentación o investigación bibliográfica para elaborar argumentos, conclusiones y propuestas de solución a lo planteado en su proyecto.

m

Diseña y elabora objetos técnicos, experimentos o modelos con creatividad, que le permitan describir, explicar y predecir algunos fenómenos físicos relacionados con las interacciones de la materia.

m

Sistematiza la información y organiza los resultados de su proyecto y los comunica al grupo o a la comunidad, utilizando diversos medios: orales, escritos, modelos, interactivos, gráficos, entre otros

m

m

m

Energía calorífica y sus transformaciones Lección 1. Transformación de la energía calorífica. Equilibrio térmico. Transferencia del calor: del cuerpo de mayor al de menor temperatura. Lección 2. Principio de la conservación de la energía. Lección 3. Implicaciones de la obtención y aprovechamiento de la energía en las actividades humanas. Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones) »» ¿Cómo funcionan las máquinas de vapor? »» ¿Cómo funcionan los gatos hidráulicos?

116

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 116

1/14/13 11:12 AM


Respirando aire puro »Observa»la»siguiente»imagen.»¿Qué»gases»emiten»las»centrales»termoeléctricas?» ¿Cuál»crees»que»puede»ser»el»efecto»de»los»humos»que»salen»de»las»chimeneas» sobre»el»medio»ambiente?»¿Sabes»lo»que»es»la»lluvia»ácida? Actualmente,»la»mayor»parte»de»la»energía»consumida»por»la»humanidad»se» basa»en»la»quema»de»combustibles»fósiles,»como»el»petróleo»y»el»carbón.»Este»modelo»de»consumo»energético»acarrea»importantes»perjuicios»medioambientales. »» La central de la imagen es una central térmica que utiliza el carbón como fuente de energía para producir electricidad. ¿Conoces otras formas más limpias para obtener electricidad? »» A los gases emitidos les acompaña una gran cantidad de pequeñas partículas que afectan la respiración y que pueden provocar enfermedades. ¿Cómo crees que se puede conocer la cantidad de partículas que hay en el aire? Diseña, junto con tus compañeros, un experimento para medirlas. Los»coches»utilizan»derivados»del»petróleo»como»combustible»y»emiten» gases»contaminantes»a»la»atmósfera.»Propón»medidas»alternativas»al»uso»del» coche»para»reducir»los»índices»de»contaminación. En»la»actualidad,»México»cuenta»con»23»centrales»termoeléctricas,»de» las»que»la»central»de»Presidente»Adolfo»López»Mateos»(Tuxpan),»en»el»estado» de»Veracruz,»es»la»de»mayor»capacidad»de»producción. En»la»siguiente»web»puedes»encontrar»información»sobre»el»resto»de» centrales»mexicanas:»»http://www.cfe.gob.mx/QuienesSomos/estadisticas/ listadocentralesgeneradoras/Paginas/Termoelectricas.aspx

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 117

La obtención de energía a partir de la combustión implica cambios en la materia. Estas transformaciones pueden tener consecuencias negativas para el medio ambiente, pero también mejoran nuestra calidad de vida. El objetivo de este bloque es conocer y aprovechar las propiedades de la materia que hacen que nuestra vida mejore, valorando las repercusiones que esto pueda tener.

Propuestas de proyectos

•¿Cómo funcionan las máquinas de vapor? • ¿Cómo funcionan los gatos hidráulicos?

117

1/14/13 11:12 AM


3

BLOQUE

Lección 1

Los modelos en la ciencia Características e importancia de los modelos en la ciencia

aprendizaje esperado. Identifi ca las características de los modelos y los reconoce como una parte fundamental del conocimiento científi co y tecnológico, que permiten describir, explicar o predecir el comportamiento del fenómeno estudiado.

Comenzamos Figura 3.1 Un automóvil a escala es la reproducción en tres dimensiones, en tamaño reducido, de este medio de transporte.

Figura 3.2 Las maquetas de edificaciones son útiles para conocer los volúmenes y las proporciones entre las partes de un proyecto arquitectónico.

Aerodinámico. Que tiene una forma adecuada para reducir la resistencia del aire. Ergonomía. Conjunto de conocimientos multidisciplinarios para la adecuación de los productos a las necesidades de sus usuarios para optimizar su bienestar.

Enrique»está»a»punto»de»cumplir»18»años»y»sus» papás»planean»hacerle»una»fi»esta»para»celebrarlo.» Espera»esta»fi»esta»con»gran»interés,»pues»confía»en»que»le»harán»buenos»regalos.»Él»pidió»un» automóvil»y»una»casa.»Su»hermana»y»sus»tíos»se» ponen»de»acuerdo»para»gastarle»una»broma»y»el» día»de»la»fi»esta,»además»de»regalarle»una»camisa,» una»gorra»y»un»suéter,»aparecen»con»una»caja»en»la»que»hay»una»reproducción»a»escala»de»un» automóvil»y»la»maqueta»de»una»casa»que»les»hizo»una»amiga»arquitecta»(figuras 3.1»y»3.2). Como»en»ambos»casos»se»trata»de»objetos»muy»bien»hechos,»Enrique»puede»apreciar» muchos»detalles»y,»como»tiene»buen»sentido»del»humor,»recibe»la»broma»con»agrado»y»pasa» un»día»muy»feliz»con»su»familia. 1. Responde»en»tu»cuaderno. »» ¿Por qué es útil hacer modelos a escala de ciertos objetos? »» ¿Para qué piensas que puede ser útil tener la maqueta de una casa antes de construirla? 2. Supón»que»eres»un»fanático»de»los»autos»deportivos»y»que»te»gustaría»iniciar»una»colección» de»miniaturas.»Te»ofrecen»dos»reproducciones»metálicas»de»un»coche»1973»convertible.» En»la»primera,»hecha»a»una»escala»1:43,»puedes»levantar»el»cofre»para»ver»el»motor,»abrir» y»cerrar»puertas»y»cajuela,»mover»la»palanca»de»velocidades,»mover»el»volante»para»que» giren»las»ruedas,»sin»embargo,»algunas»de»las»piezas»parecen»sumamente»frágiles.»En»la» otra,»también»hecha»a»escala»1:43,»no»hay»partes»móviles,»excepto»por»el»giro»de»las»ruedas,»y»su»estructura»parece»ser»más»resistente.»Aunque»ninguna»elección»es»claramente» superior,»ya»que»ambas»réplicas»podrían»tener»ventajas,»explica»cuál»preferirías»y»por»qué.

Aprendemos En»general,»el»término»maqueta»se»usa»para»referirse»a»la»reproducción»física»y»a»escala»(usualmente»en»tamaño»reducido»y»en»tres»dimensiones)»de»algo»real»o»fi»cticio.»Así»pues,»tanto»la» reproducción»arquitectónica»de»la»casa»como»la»del»automóvil»que»se»mencionó»arriba»son» ejemplos»de»maquetas.»Otro»ejemplo»de»representación»a»escala»es»un»mapa,»usado»desde» la»antigüedad»con»diversos»fi»nes.»Por»ejemplo,»los»romanos»usaban»los»mapas»dibujados»por» sus»cartógrafos»para»tomar»decisiones»a»la»hora»de»invadir»territorios. Un»concepto»más»general,»que»engloba»al»de»maqueta»y»al»de»mapa,»es»el»de»modelo.» Aunque»la»palabra»modelo»se»usa»en»diferentes»contextos,»se»puede»decir»que»en»ciencia»un» modelo»es»una»representación»conceptual»o»material»a»escala»de»un»proceso»o»sistema,»que» puede»ser»útil»para»analizar»su»naturaleza,»desarrollar»o»comprobar»hipótesis»o»supuestos»y» permitir»una»mejor»comprensión»del»fenómeno»real»al»cual»representa»el»modelo. De»esta»manera,»un»modelo»a»escala»de»un»coche»puede»permitir»a»los»diseñadores» mejorar»la»aerodinámica»y»las»medidas»ergonómicas,»mientras»que»el»de»una»casa»ayuda»a» los»arquitectos»a»visualizar»mejor»la»distribución»de»los»espacios.

118

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 118

1/14/13 11:12 AM


a) c) En»el»desarrollo»de»modelos científicos,»en»general,»se» parte»de»una»serie»de»hipótesis» o»supuestos,»de»modo»tal»que»los» elementos»esenciales»de»lo»que»se» quiere»representar»estén»sufi»ciend) temente»refl»ejados»en»la»idealización.»Es»conveniente»también»que» el»modelo»sea»lo»bastante»sencillo» como»para»poder»ser»trabajado»y» estudiado. Según»la»situación,»es»posible»que»el»sistema»o»el»fenómeno» que»se»modelará»tenga»características»que»sean»fácilmente»perceptibles»mediante»los»sentidos,»en»cuyo»caso,»la»construcción» del»modelo»puede»resultar»relativamente»sencilla»(por»ejemplo,»puedes»hacer»un»modelo»a» escala»de»la»distribución»de»los»lugares»en»tu»clase»para»buscar»el»mejor»patrón»para»que»todos» puedan»ver»el»pizarrón»y»al»profesor»al»mismo»tiempo). Pero»cuando»esto»no»sucede,»la»construcción»del»modelo»puede»hacerse»teniendo»en» mente»que»su»validación»está»condicionada»por»la»posibilidad»de»experimentar»con»el»objeto» de»su»estudio,»hacer»predicciones»respecto»a»los»comportamientos»esperados»y»comprobar» estas»experimentalmente»(por»ejemplo,»si»quieres»hacer»un»modelo»sobre»el»crecimiento»de» bacterias»en»la»comida,»tendrás»que»hacer»algún»experimento»que»requiera»análisis»químico» o»el»uso»de»un»microscopio). Es»importante»enfatizar»que»los»modelos»científi»cos»deben»ser»constantemente»puestos» a»prueba,»lo»que»de»manera»sistemática»hacen»los»científi»cos»y»tecnólogos»profesionales.» Ellos,»a»través»de»la»comunicación»rutinaria»de»sus»resultados»a»otros»colegas,»contribuyen»a» mejorar»los»modelos»para»describir»mejor»la»realidad,»reducir»la»incertidumbre»de»sus»predicciones»y»propiciar»el»surgimiento»de»nuevos»modelos,»a»partir»de»las»discrepancias»entre»las» observaciones»y»las»predicciones. En»lo»que»has»estudiado»hasta»ahora»ya»has»conocido»algunos»modelos»científi»cos.»Como» sabes,»existen»dos»modelos»distintos»del»Universo:»el»modelo»geocéntrico»de»Ptolomeo»y»el» modelo»heliocéntrico»de»Copérnico,»que»lo»reemplazó»(figura 3.3).»Con»el»primero»se»podía» explicar»el»acercamiento»y»lejanía»en»el»movimiento»de»los»planetas»observado»desde»la»Tierra,» pero»no»los»cambios»de»brillo»máximo»y»mínimo»en»Venus,»Marte»y»Júpiter.»El»segundo»modelo» proporcionaba»una»explicación»alternativa:»muchos»de»los»movimientos»que»se»observan»en» el»cielo»no»son»propios»de»este,»sino»que»son»el»refl»ejo»de»los»que»efectúa»la»Tierra.

b)

e)

Figura 3.3 Imagen que muestra varios modelos antiguos del Sistema Solar: sistema de Copérnico (a), sistema de Ptolomeo (b), sistema esférico armilar (c), sistema de Tycho Brahe (d) y sistema compuesto (e).

Tecnólogo. Experto en procesos técnicos y artes industriales que aplica los conocimientos para resolver problemas, crear máquinas, instrumentos, o sistemas, que sean de utilidad en las cuestiones cotidianas.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Contesta»estas»preguntas»en»tu»cuaderno. »» De acuerdo con tu experiencia cotidiana, pues seguramente has visto “salir” el Sol al amanecer y “meterse” al fi nal del día, ¿cómo explicas por qué Ptolomeo pensó que la Tierra era el centro del Universo y que el Sol giraba alrededor de ella? »» ¿Cómo explicarías con el modelo de Copérnico que el Sol “sale” y se “mete” cada día como se observa desde la Tierra? »» ¿Qué forma geométrica tienen las órbitas de los planetas alrededor del Sol y de la Luna alrededor de la Tierra en el modelo de Copérnico? ¿Es correcta esta descripción?

119

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 119

1/14/13 11:12 AM


Figura 3.4 Imagen de la fotografía 51, que muestra la difracción de rayos X del ADN, tomada por Rosalind Franklin.

Difracción de rayos X. Técnica para estudiar el interior de la materia por medio de rayos X. El haz de rayos X penetra en la muestra, interacciona con los electrones de los átomos y emerge formando un patrón que depende de la colocación de los átomos.

Figura 3.5 Sonda Cassini.

Una pista Para medir La»escala»es»el»tamaño» fi»nal»de»la»réplica»de»un» objeto»respecto»al»original.»Se»suele»denotar»por» 1:X,»lo»que»signifi»ca»que» a»cada»unidad»métrica» en»la»réplica»le»corresponden»X»unidades» métricas»reales.»Para» los»autos»en»miniatura» pueden»encontrarse»las» escalas»1:18,»1:24,»1:43,» 1:64»y»1:72.

2. Lee»el»siguiente»texto»y»luego»haz»lo»que»se»pide.»Si»no»recuerdas»los»detalles»del» modelo,»investígalos. En tu curso de Ciencias I conociste un modelo para representar el ácido desoxirribonucleico (ADN), llamado de la doble hélice. Este modelo fue desarrollado en 1953 por James Watson (1928) y Francis Crick (1916-2004) a partir de diversas evidencias, de las cuales, la más contundente fue la famosa fotografía 51 del ADN tomada por Rosalind Franklin (1920-1958) con una técnica llamada difracción de rayos X. Pero ni la forma de la estructura ni cómo se unían las parejas de bases, fundamentales para comprender el funcionamiento de la molécula de ADN, eran conocidas previamente. El modelo recuerda una escalera de cuerdas en la que los peldaños están formados por dos bases unidas entre sí y están sostenidos por dos especies de cuerdas, de manera que la estructura completa está enrollada alrededor de su eje, formando una hélice con un paso de diez peldaños. De hecho, Watson y Crick armaron el modelo de la estructura del ADN con piezas de metal, que concordaba con los datos ya conocidos y explicaba la función biológica del mismo (figura 3.4). m Interpreta el modelo del ADN e investiga su importancia para transmitir la herencia. Contesta las preguntas. »» ¿De qué está formado cada peldaño? »» ¿Cómo se representan en el modelo los enlaces entre las bases? ¿Qué importancia tiene el orden de las bases? »» ¿De qué están formadas las “cuerdas” de la hélice?

Los»modelos»científi»cos»pueden»ser»modelos»físicos,»como»las»maquetas,»o»modelos» matemáticos,»y»sirven»para»entender»mejor» la»realidad.»Así,»en»la»ciencia,»y»sobre»todo» en»ciencias»aplicadas,»se»denomina»modelo» a»una»idealización de la realidad.»Lo»que» se»hace»es»plantear»la»situación»o»problema» que»se»estudiará,»normalmente»de»manera» simplifi»cada.»Si»no»se»trata»de»un»modelo»físico,» el»planteamiento»puede»realizarse»desde»un» punto»de»vista»matemático.»Los»modelos»matemáticos»tienen»como»fi»nalidad»la»representación»de»distintos»fenómenos»o»de»los»vínculos» existentes»entre»ellos,»por»medio»de»una»fórmula»de»carácter»matemático. La»conveniencia»de»usar»modelos»en»la»ciencia»está»determinada»por»la»posibilidad»de» experimentar»con»el»objeto»de»su»estudio»y»por»su»capacidad»de»hacer»predicciones»que» luego»puedan»ser»corroboradas.»Es»claro»que»si»los»procesos»o»sistemas»que»se»estudian»están» disponibles»para»experimentar»con»ellos»directamente,»el»papel»de»los»modelos»es»secundario. Sin»embargo,»en»algunos»campos»en»los»que»la»experimentación»directa»es»imposible»o» demasiado»peligrosa,»por»ejemplo,»en»la»vulcanología,»los»modelos»son»un»elemento»fundamental»para»el»avance»científi»co.»Por»lo»que»se»refi»ere»al»carácter»predictivo,»por»ejemplo,»el» modelo»astronómico»del»Sistema»Solar,»que»considera»la»teoría»de»la»gravitación,»y»las»masas»del» Sol,»de»los»planetas»y»de»sus»lunas,»se»usa»para»predecir»eclipses,»ocultamientos,»alineaciones»y» hasta»las»trayectorias»de»los»instrumentos»que»se»lanzan»para»explorar»el»espacio.»Tal»es»el»caso» de»aparatos»como»la»sonda Cassini,»que»logró»con»éxito»en»2005»acercarse»a»Titán,»la»mayor» luna»de»Saturno,»y»recoger»información»importante»de»los»anillos»de»este»planeta»(figura 3.5).

120

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 120

1/14/13 11:12 AM


Integramos Un»modelo»científi»co»es»una»representación»conceptual»o»física,»a»escala,»de»un» proceso»o»sistema»(fenómeno),»con»el»fi»n»de»analizar»su»naturaleza,»desarrollar» o»comprobar»hipótesis»y»permitir»una»mejor»comprensión»del»fenómeno»real,»el» cual»se»representa»con»el»modelo.»En»el»caso»de»la»reproducción»del»automóvil» y»la»casa»que»se»mencionó»al»principio»de»la»lección,»se»trata»de»modelos»físicos» que»intentan»ser»una»réplica»a»escala»de»los»objetos»reales. Los»modelos»científi»cos»constituyen»un»elemento»importante»en»el»desarrollo»del»proceso»científi»co.»Pueden»ser»de»naturaleza»muy»diferente,»al»igual» que»los»conceptos»modelados,»y»son»especialmente»útiles»en»la»representación» de»conceptos»abstractos. Para»desarrollar»un»modelo,»los»físicos»generalmente»hacen»una»abstracción» de»la»realidad.»Con»base»en»su»experiencia»y»con»cierto»grado»de»arbitrariedad,»seleccionan»solo»algunas»de»las»propiedades»que»consideran»relevantes» para»el»estudio»del»fenómeno»o»proceso»de»interés,»pero»no»se»limitan»a»ello:» las»relaciones»cualitativas»entre»los»conceptos»se»transforman»en»relaciones» cuantitativas,»expresadas»mediante»ecuaciones. Los»modelos»científi»cos»han»evolucionado»a»lo»largo»de»la»historia»desde»visiones»míticas» y»religiosas»a»explicaciones»que,»basadas»en»la»lógica»y»el»razonamiento,»se»han»sistematizado»y» se»demuestran»experimentalmente»a»través»de»mediciones»repetibles. Este»perfeccionamiento»de»los»modelos»se»debe,»en»gran»medida,»a»la»evolución»de» la»tecnología,»esto»es,»a»los»aparatos»que»pesan,»miden»y»detectan;»en»fi»n,»a»los»artefactos»y» dispositivos»diseñados»por»el»ser»humano»que»han»permitido»rebasar»los»límites»de»lo»que» sus»sentidos»pueden»percibir.»Por»ejemplo,»la»construcción»del»modelo»de»doble»hélice del ADN»probablemente»se»habría»demorado»más»si»Watson»y»Crick»no»se»hubieran»basado»en»la» fotografía»de»difracción»de»rayos»X»que»tomó»Rosalind Franklin,»una»colega»suya»(figura 3.6).

Figura 3.6 Modelo del ADN construido por Crick y Watson en 1953, exhibido en el Museo Nacional de Ciencias de Londres.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Además»de»los»ejemplos»mencionados»en» esta»lección,»seguramente»habrás»usado» algunos»otros»para»explicar»fenómenos» naturales»(figura 3.7).»Selecciona»con»tus» compañeros»uno»de»esos»modelos,»mencionen»con»qué»nombre»se»le»conoce»y» explíquenlo»a»su»profesor. 2. Hagan»un»bosquejo»que»represente»el» movimiento»de»la»Luna»respecto»a»la»Tierra.»Incluyan»al»Sol»e»intenten»explicar» eclipses»y»fases»de»la»Luna.»Noten»que» sería»muy»difícil»hacer»una»maqueta»del» Sistema»Solar»que»representara»la»escala» correcta,»pues»las»distancias»son»enormes.» Si»consideramos»que»el»Sol»tiene»un»diámetro»de»1»m,»entonces»la»Tierra»estaría» a»más»de»100»metros.

Para leer sobre diferentes modelos del Sistema Solar, con una visión histórica, hasta llegar a la descripción actual, visita la página http://recursostic. educacion.es/ newton/web/ materiales_didacticos/ EDAD_1eso_03_ universo_y_%20 sistema_ solar/1quincena3/pdf/ quincena3.pdf

Figura 3.7 Muchas veces, para comprender un fenómeno de la naturaleza, un proceso o la estructura de un sistema (como el Solar), es necesario recurrir a la construcción de modelos.

Aquí puedes ver cómo los alumnos de una escuela construyen un modelo a escala del Sistema Solar. http://www.educ.ar/ recursos/ver?rec_ id=91913

121

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 121

1/14/13 11:12 AM


3

BLOQUE

Lección 2

Los modelos en la ciencia Ideas en la historia acerca de la naturaleza continua y discontinua de la materia: Demócrito, Aristóteles y Newton; aportaciones de Clausius, Maxwell y Boltzmann

aprendizaje esperado. Reconoce el carácter inacabado de la ciencia a partir de las explicaciones acerca de la estructura de la materia, surgidas en la historia, hasta la construcción del modelo cinético de partículas.

Comenzamos

Figura 3.8 La materia de los terrones con la que juegan los niños es capaz de deshacerse en pequeños fragmentos.

De la misma manera en que es posible alejarse de un objeto, se puede penetrar en la materia. Para apreciar estos cambios de escala visita la página http://www. portafolioseducativos. org.ve/leonardomon tenegro/?x=entry:ent ry091210-052810

Figura 3.9 Retrato de Leucipo.

Francisco»y»Víctor»Manuel»suelen»jugar»con»sus»amigos»en»un»parque»cercano»a»sus»casas.» Como»el»ambiente»está»muy»seco»y»no»ha»llovido»desde»hace»varios»meses,»la»hierba»ha»desaparecido»prácticamente»y»el»predio»es»un»terregal.»Entonces»se»les»ocurre»iniciar»una»pequeña» competencia»de»terrones. La»idea»es»no»lastimarse»y»se»divierten»lanzando»terrones»de»distintos»tamaños»a»la»pared» que»bordea»el»parque.»Francisco»protesta»porque»sus»terrones»se»desmoronan»muy»fácilmente» cuando»chocan»contra»la»pared,»mientras»que»los»de»Víctor»Manuel,»quien»los»ha»rociado»con» un»poco»de»agua,»se»deshacen»mucho»menos»(figura 3.8). 1. Responde»en»tu»cuaderno. »» ¿Cuál piensas que sea la causa de que unos terrones se desmoronen más fácilmente que otros con el solo hecho de tomarlos entre las manos? ¿Qué tanto puedes deshacer un terrón? »» ¿Se te ocurre alguna cosa —que no sea un terrón— que puedas desmoronar? ¿Cuál?

Aprendemos ¿Qué»es»la»materia?»¿Por»qué»tantas»cosas»comparten»las»mismas»características?»¿Qué»pasaría» si»se»intentara»dividir»muchas»veces»un»trozo»de»materia?»¿Se»llegaría»a»un»límite,»a»una»parte» indivisible,»o»se»podría»seguir»dividiendo»sin»parar?»Preguntas»de»este»tipo»han»preocupado» a»la»humanidad»desde»tiempos»muy»remotos. Como»ya»se»ha»mencionado,»la»respuesta»a»la»primera»pregunta»es»conocida:»materia» es»todo»lo»que»tiene»masa»y»ocupa»un»lugar»en»el»espacio.»Sin»embargo,»las»respuestas»a»las» otras»preguntas»no»son»evidentes»y»han»variado»con»el»tiempo.»Así,»para»Empédocles,»filósofo»griego»del»siglo»v»a.»n.»e.,»el»mundo»estaba»compuesto»por»cuatro»elementos:»agua,»aire,» tierra»y»fuego;»mientras»que»los»chinos»pensaban»que»había»cinco»componentes»básicos»del» universo»físico:»tierra,»madera,»metal,»fuego»y»agua.»En»India,»alrededor»del»siglo»iii,»los»cinco» elementos»básicos»eran:»espacio,»aire,»fuego,»agua»y»tierra. Los»filósofos»griegos»discutieron»mucho»acerca»de»la»naturaleza»de»la»materia»y»concluyeron»que»el»mundo»era»más»sencillo»de»lo»que»parecía.»Pero»no»todos»tenían»la»misma»visión»y» cabe»señalar»que»en»esa»época»ni»la»medición»ni»la»experimentación»eran»métodos»de»trabajo» para»verificar»las»conclusiones»emanadas»de»sus»razonamientos. Así,»se»establecieron»dos»escuelas»de»pensamiento:»la»que»se»basaba»en»la»existencia»de» partes»indivisibles»de»la»materia»(atomismo)»y»la»que»afirmaba»que»se»podía»seguir»dividiendo» infinitamente»cualquier»trozo»de»materia»(continuismo). En»la»primera»destacaron»Leucipo»(450»a.»n.»e.-370»a.»n.»e.)»(figura 3.9)»y»su»discípulo» Demócrito»(460»a.»n.»e.-370»a.»n.»e.).»Para»ellos»solo»había»un»tipo»de»materia»y»sostenían»que» estaba»formada»por»partículas»infinitas,»indivisibles,»de»formas»variadas»y»siempre»en»movimiento,»a»las»que»Demócrito»llamó»átomos»(porque»en»griego»ese»término»significa»‘que»no» se»puede»dividir’).

122

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 122

1/14/13 11:12 AM


Aunque»se»conoce»poco»de»su»vida,»a»Leucipo»se»le»atribuye»la»idea»de»dividir»la»materia» hasta»obtener»una»partícula»tan»pequeña»que»no»pudiera»dividirse»más.»Por»otra»parte,»Demócrito»consideraba»que»una»característica»de»los»átomos»íntimamente»ligada»a»su»propia» Para saber más sobre Demócrito visita existencia»era»el»movimiento»infi»nito,»eterno»e»indestructible,»en»el»vacío.»Demócrito»gozó»en» la página http:// su»época»de»tanta»fama»como»otros»fi»lósofos»de»la»importancia»de»Platón»o»Aristóteles,»pero» www.youtube.com/ desgraciadamente»gran»parte»de»su»obra,»en»particular»de»los»tratados»que»se»le»atribuyen» watch?v=1WCThnl2iQ8 de»física,»matemáticas»y»cuestiones»técnicas,»se»perdió. Así»pues,»en»la»teoría»atomista,»que»es»también»mecanicista,»los»átomos»son»unas» partículas»materiales»indestructibles,»desprovistas»de»cualidades,»y»solamente»se»distinguen» Fuego entre»sí»por»su»forma»y»dimensión.»Los»diferentes»cuerpos»se»forman»debido»a»las»diversas»combinaciones»de»los»átomos»en»el»vacío.»Se»trata»de» una»concepción materialista»de»la»naturaleza,»que»intenta»explicar»todos» Caliente Seco los»fenómenos»en»términos»del»número,»forma»y»tamaño»de»los»átomos.» Incluso»reduce»las»propiedades»sensoriales»de»las»cosas»a»las»diferencias» cuantitativas»de»los»átomos.»En»resumen,»en»la»teoría»atomista»se»hacían» Aire Tierra las»siguientes»consideraciones: m Si se divide un trozo de materia en partes cada vez más pequeñas, se Húmedo Frío acabará encontrando una porción que no se pueda seguir dividiendo. m Las propiedades de la materia varían según la forma en que se agrupen los átomos. Agua m Los átomos no pueden verse porque son muy pequeños. Por»otro»lado,»Aristóteles»fue»el»representante»de»la»teoría continuista»y,»con»base» Figura 3.10 Aristóteles en»la»teoría»de»Empédocles,»rechazó»la»teoría»atomista»con»el»argumento»de»que»no»pue- y un esquema de su de»existir»el»vacío»subyacente»entre»las»partículas.»También»señaló»que»la»materia»está» interpretación de la constituida»de»forma»continua,»es»decir,»que»no»puede»dividirse»en»partes»irreductibles,»y» teoría de los cuatro estableció»que»toda»sustancia»estaba»formada»por»cuatro»elementos»básicos:»tierra,»agua,» elementos y sus interacciones. aire»y»fuego»(figura 3.10).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Contesta»en»tu»cuaderno. »» ¿A quiénes se considera exponentes destacados de la teoría atomista? »» De acuerdo con los continuistas, ¿cuáles son los cuatro elementos básicos de los que están formadas las sustancias? »» ¿Qué diferencias existen entre la teoría atomista y la teoría continuista? 2. Con»base»en»la»teoría»atomista,»¿un»trozo»de»plastilina»se»puede»dividir»indefi»nidamente»sin»llegar»a»un»pedazo»fundamental?,»¿se»puede»dividir»hasta»llegar»a»los» átomos?,»¿o»no»se»puede»dividir?»Argumenta»tu»respuesta.

Con»el»apoyo»de»la»Iglesia»y»sobre»todo»por»la»fuerte»infl»uencia»de»Aristóteles,»en»la»Edad» Media»hubo»una»oposición»bastante»generalizada»al»atomismo.»Sin»embargo,»esta»doctrina»no» desapareció»del»todo»y»tuvo»un»nuevo»auge»en»los»siglos»Xv»y»Xvi,»coincidiendo»con»las»críticas» a»varias»de»las»tesis»aristotélicas. La»visión»atomista»también»se»manifi»esta»en»el»trabajo»de»Newton.»Así,»en»su»obra»titulada» Philosophiae naturalis principia mathematica,»también»conocida»como»los»Principia,»señala» que»“las»partes»más»pequeñas»de»los»cuerpos»tienen»extensión,»son»duras»e»impenetrables,» se»mueven»y»están»dotadas»de»inercia»propia”.

Para saber más Aristóteles pensaba que la naturaleza tenía “horror al vacío”, es decir, a la ausencia de materia. Ese era uno de los motivos por los que no creía en la existencia de los átomos, por el vacío que debería de haber entre ellos. Pensaba que las flechas se movían al dispararlas porque el aire iba rellenando el vacío que dejaban en su movimiento, empujándolas hacia adelante. Hoy existen equipos que pueden extraer el aire de un recipiente y conseguir un vacío casi perfecto.

123

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 123

1/14/13 11:12 AM


Para saber más Además de la teoría atómica, Dalton hizo otras contribuciones científicas notables. En sus estudios acerca de la meteorología desarrolló varios instrumentos de medición e indicó que el origen de la lluvia se basa en el descenso de la temperatura. También determinó que las auroras boreales están relacionadas con el magnetismo de la Tierra.

Figura 3.11 Rudolf Clausius. Molécula. Es la unidad mínima de una sustancia que conserva sus propiedades químicas. Puede estar formada por átomos iguales o diferentes. Aleatorio. Que depende del azar. Difusión. Proceso en donde las partículas se transportan en un medio.

Figura 3.12 James Clerk Maxwell fue uno de los más grandes científicos de todos los tiempos. Además de su contribución a la teoría atómica realizó una de las grandes síntesis de la física al unir en sus famosas ecuaciones la electricidad y el magnetismo.

En»cierto»sentido,»se»puede»decir»que»la»teoría»básica»de»la»materia»de»Newton»es»una» versión»del»mecanicismo»atomista,»en»la»que»las»leyes»de»la»mecánica»que»había»formulado» y»que»servían»para»explicar»los»movimientos»de»objetos»ordinarios»en»la»Tierra»y»en»los»astros» también»eran»aplicables»al»caso»de»los»átomos.»De»hecho,»la»ley»de»inercia»regiría»el»movimiento»de»los»átomos»entre»colisiones»y»las»leyes»del»impacto»que»se»aplican»a»las»colisiones. Newton»también»añadió»a»la»lista»de»propiedades»originales»de»los»átomos»la»de»inercia» o»masa,»y»no»hay»duda»de»que»compartía»con»los»atomistas»originales»la»idea»de»que»todos» los»átomos»están»compuestos»por»una»sola»clase»de»materia» homogénea.»Por»otra»parte,»también»pueden»observarse» características»atomistas»en»las»teorías»que»Newton»desarrolló» para»tratar»de»explicar»propiedades»ópticas»y»químicas»en» las»que»incluía»partículas»en»interacción,»pero»que»estaban» fuera»del»rango»de»observación. En»1808,»John Dalton»(1766-1844),»científi»co»británico,» publicó»su»teoría»atómica»que»retomaba»algunas»de»las»ideas» de»Leucipo»y»Demócrito.»Para»Dalton,»cada»elemento»estaba» formado»por»una»clase»de»átomos»cuyas»propiedades»son» distintas»a»las»de»los»átomos»de»los»demás»elementos.»Así,» asignó»a»cada»elemento»conocido»un»símbolo»distinto,»su» símbolo»químico,»que»posteriormente»fue»cambiando»hasta» llegar»a»los»símbolos»químicos»actuales.»Los»postulados»de» su»teoría»son»los»siguientes: m Los elementos están formados por partículas discretas, diminutas e indivisibles llamadas átomos, que no se alteran durante los cambios químicos. m Los átomos de un mismo elemento son todos iguales en masa, tamaño y en el resto de las propiedades físicas o químicas. En contraste, los átomos de elementos diferentes tienen distinta masa y propiedades. m Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos según una relación numérica sencilla y constante. Por ejemplo, el agua está formada por dos átomos del elemento hidrógeno y un átomo del elemento oxígeno. Hoy»se»sabe»que»ninguno»de»estos»postulados»es»completamente»correcto;»no»obstante,» Dalton»contribuyó»enormemente»a»entender» cómo»estaba»formada»la»materia. Durante»el»resto»del»siglo» XiX»hubo»personajes»que»destacaron»por»sus»contribuciones»al»atomismo.»Se»trata,»en»primer»lugar,»del» físico»alemán»Rudolf»Clausius»(1822-1888)» (figura 3.11),»quien»relacionó»la»temperatura» de»un»cuerpo»con»el»movimiento»caótico»de» sus»átomos»e»introdujo»el»concepto»de»camino libre medio,»que»es»la»distancia»que»recorrería»un»átomo»o»molécula»entre»dos»choques» sucesivos.»En»segundo»lugar,»del»científico» escocés»James Clerk Maxwell»(1831-1879)» (figura 3.12),»quien»formuló»la»ley de distribución de las rapideces de las moléculas de un gas,»suponiendo»que»se»mueven»aleatoriamente,»y»explicó»sobre»bases»atomistas»los» procesos»de»difusión.

124

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 124

1/14/13 11:12 AM


Por»último,»Ludwig»Boltzmann»(1844-1906)»(figura 3.13)»generalizó»la»ley»de»distribución» de»velocidades»de»Maxwell»y»desarrolló»la»ecuación»de»transporte para gases»que»lleva»su» nombre.»Su»visión»atomista»fue»atacada»por»sus»contemporáneos»y»algunos»afirman»que» su»muerte»por»suicidio»fue»motivada,»en»gran»medida,»por»el»rechazo»de»sus»colegas.

Integramos En»esta»lección»te»has»acercado»a»algunas»posibles»explicaciones»acerca»del»comportamiento» de»la»materia»y»su»evolución»histórica.»Es»interesante»hacer»notar»que»la»visión»atomista,»que» ha»ido»confirmándose»mediante»diversos»experimentos,»fue»concebida»en»una»época»en»la» que»ni»la»experimentación»ni»la»comprobación»de»hipótesis»o»su»examen»minucioso»se»consideraban»útiles»o»necesarios. Asimismo,»es»innegable»la»influencia»que»la»experimentación»adquirió»más»tarde»en»los» orígenes»de»la»teoría»atómica»científica»moderna.»Hoy,»la»comprensión»de»la»existencia»del» átomo»se»considera»uno»de»los»avances»más»importantes»del»conocimiento»de»la»humanidad. El»ejemplo»de»la»competencia»de»terrones»sirvió»para»ilustrar»que»algo»que»puede»parecer» compacto»y»sin»huecos»finalmente»puede»desmoronarse,»aunque,»como»se»señaló,»el»proceso» tiene»un»límite.»Más»adelante,»cuando»se»traten»los»modelos»atómicos,»tendrás»oportunidad» de»conocer»con»más»precisión»dicho»límite.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma»equipo»con»un»compañero»para»investigar»en»qué»consiste»la»teoría»corpuscular»de»la»luz,»de»Newton. »» Discutan los resultados de su investigación y describan la teoría en sus cuadernos. 2. Lee»la»siguiente»situación»y»contesta»los»planteamientos. Supón»que»tienes»terrones»de»azúcar.»El»azúcar»es»materia.»Si»deshaces»los»terrones,»lo»que» tendrás»es»azúcar»granulada.»Si»ahora»trituras»los»gránulos»de»azúcar,»obtendrás»azúcar» pulverizada,»mejor»conocida»como»azúcar»glass»(figura 3.14). Si tuvieras los medios para seguir fragmentando las partículas de azúcar pulverizada, ¿hasta qué tamaño de partícula crees que llegarías? »» Si lograras obtener las partículas más pequeñas posibles de azúcar, ¿qué habría entre ellas? »» El agua, al igual que el azúcar, es materia. Si disolvieras un poco de azúcar en agua, ¿desaparecerían las partículas de azúcar? ¿Se transformarían en otro tipo de partículas? Suponiendo que las partículas de azúcar continuaran en el agua, ¿qué habrá entre ellas? Argumenta tus respuestas.

Figura 3.13 Ludwig Boltzmann al desarrollar sus ecuaciones definió una constante k que hoy lleva su nombre y que es fundamental para calcular la energía de los átomos. Esta constante quedó grabada en su tumba.

Para conocer más detalles acerca de cómo está constituida la materia visita http://ntic. educacion.es/w3//eos/ MaterialesEducativos/ mem2000/materia/ web/index.htm

Figura 3.14 Terrones de azúcar (a), azúcar granulada (b), azúcar pulverizada (c).

125

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 125

1/14/13 11:12 AM


3

BLOQUE

Lección 3

Los modelos en la ciencia Aspectos básicos del modelo cinético de partículas: partículas microscópicas indivisibles, con masa, movimiento, interacciones y vacío entre ellas

aprendizaje esperado. Describe los aspectos básicos que conforman el modelo cinético de partículas y explica el efecto de la velocidad de estas.

Comenzamos Cuando»se»tiende»la»ropa»que»se»acaba»de»lavar»en»el»patio»de» una»casa,»en»un»día»claro,»el»Sol»la»seca»en»menos»de»dos»horas» (figura 3.15).»Cuando»se»calienta»agua»en»un»recipiente,»la»tapa»de» la»cacerola»puede»comenzar»a»dar»saltitos.»Al»destaparla»sale»vapor» de»agua»y»se»ve»que»se»han»formado»pequeños»remolinos»en»el»agua.

Figura 3.15 El agua que está impregnada en la ropa mojada pasa a formar parte del aire cuando esta se seca.

1. Contesta»en»tu»cuaderno. »» ¿Por qué se seca la ropa poniéndola al Sol en un tendedero? »» ¿Cuál piensas que sea la causa de que la tapa de una cacerola en la que se está calentando agua después de cierto tiempo se mueva dando una especie de saltitos? »» ¿Sabes por qué se empañan los cristales de los vehículos cuando llueve o hace frío?

Aprendemos

Figura 3.16 El óxido de hierro que recubre el tornillo está formado por moléculas de óxido de hierro, que son partículas pequeñísimas e imperceptibles.

Discontinua. En este caso, significa que la materia está formada por trozos o pedazos discretos, es decir, que consta de partes separadas o diferenciadas. Interacción. Acción que se ejerce recíprocamente.

En»la»naturaleza,»algunas»sustancias»son»habitualmente»sólidas»y»se» funden»o»se»convierten»en»gas»únicamente»en»condiciones»extremas,» mientras»que»otras»son»normalmente»gaseosas.»De»igual»manera,» hay»sustancias,»como»los»metales,»que»son»buenos»conductores»del» calor»y»la»electricidad,»mientras»que»otras»son»buenos»aislantes.»Unas» sustancias»son»transparentes»y»otras»opacas.»¿A»qué»se»deben»estas» variaciones?»Lo»anterior»puede»atribuirse»a»diferencias»en»la»estructura»interna»de»las»sustancias,» pero»para»explicarlas»cualitativa»y»cuantitativamente»es»preciso»recurrir»a»un»modelo»en»el» que»se»incluyan»las»propiedades»e»interacciones»de»los»elementos»estructurales»de»la»materia. En»la»lección»anterior»se»expuso»el»modelo atomista,»según»el»cual»la»materia»es»discontinua.»Ahora»se»abundará»en»un»aspecto»de»este»enfoque,»que»se»conoce»con»el»nombre» de modelo cinético de partículas o teoría cinética corpuscular.»Así,»se»supondrá»que» sustancias»que»parecen»continuas,»como»el»aire,»el»agua»o»un»pedazo»de»metal,»están»en» realidad»compuestas»por»una»gran»cantidad»de»partículas»diminutas»llamadas»moléculas,» las»cuales»no»es»posible»ver.»En»este»modelo,»todas»las»moléculas»de»una»sustancia»pura» son»idénticas»y,»por»tanto,»las»diferencias»que»se»observan»entre»las»propiedades»físicas» de»las»sustancias»tienen»su»origen»en»las»diferencias»entre»las»moléculas»que»las»forman.» Evidentemente,»hay»tantos»tipos»de»moléculas»como»de»sustancias»y,»en»consecuencia,»su» número»es»muy»grande»(figura 3.16). Las»moléculas»que»forman»un»cuerpo»material»se»mantienen»unidas»por»las»fuerzas»de» interacción»intermoleculares.»La»magnitud»de»esas»fuerzas,»que»dependen»de»la»naturaleza» de»las»moléculas,»determinará»si»las»moléculas»del»cuerpo»se»encontrarán»pegadas»rígidamente» unas»a»otras,»si»se»podrán»mover»más»o»menos»libremente»unas»junto»a»otras»o,»en»el»caso»de»que» las»fuerzas»fueran»extremadamente»débiles,»si»escaparán»en»todas»direcciones.»Como»se»verá»más» adelante,»esta»imagen»de»las»fuerzas»intermoleculares»permite»entender»bajo»qué»condiciones» una»sustancia»es»sólida»o»puede»encontrarse»como»líquido»o»como»gas.

126

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 126

1/14/13 11:12 AM


Ahora»hay»que»recapitular»los»aspectos»fundamentales»de»la»teoría»cinética»molecular» de»la»materia.»Su»nombre»se»deriva»de»la»suposición»de»la»existencia»de»las»moléculas»y»de» que»estas»están»moviéndose»continuamente.»Recuerda»que»en»griego»la»palabra»cinético»signifi»ca»‘lo»que»se»refi»ere»o»trata»del»movimiento’.»La»teoría»está»basada»en»el»enfoque»atomista» e»incluye»las»siguientes»nociones: m La materia está formada por partículas muy pequeñas (átomos o moléculas) que no puedes ver. m Aunque a nivel macroscópico los objetos constituidos por materia se encuentren en reposo, las partículas que la componen están moviéndose todo el tiempo. m La materia es discontinua y entre las partículas de las que está formada hay tan solo espacio vacío. Es»muy»importante»que»notes»que»para»poder»explicar»los»fenómenos»que»ves»(por» ejemplo,»cómo»se»derrite»un»hielo»puesto»al»Sol),»puedes»recurrir»a»un»modelo»que»habla»de» partículas»que»aunque»sí»las»puedes»imaginar»y»representar,»en»realidad»no»las»puedes»ver.» De»acuerdo»con»las»ideas»de»los»atomistas»acerca»de»la»materia»—y»a»pesar»de»que»tus»ojos»la» perciban»como»algo»continuo—,»puedes»imaginar»el»interior»de»esta»como»un»espacio»vacío» en»el»que»las»partículas»se»mueven»de»un»lado»a»otro. El»científico»irlandés»Robert Boyle»(1627-1691)»descubrió»en»1661»una»sencilla»ley» experimental»respecto»al»comportamiento»de»los»gases»y»trató»de»desarrollar»un»modelo»del» gas»que»concordara»con»sus»observaciones.»Pues»bien,»la»teoría»cinética»comenzó»a»partir» de»la»deducción»que»hizo»el»científi»co»suizo»Daniel Bernoulli»(1700-1782),»en»1738,»de»la»ley»de» Boyle,»usando»las»leyes»de»Newton»del»movimiento»aplicadas»a» las»moléculas.»Este»trabajo»de»Bernoulli»lamentablemente»fue» ignorado»durante»cerca»de»cien»años. Como»ya»se»mencionó,»fue»durante»el»periodo»que»va»de» 1848»a»1898»que»Clausius,»Maxwell»y»Boltzmann»desarrollaron» la»teoría cinética moderna.»En»particular,»Maxwell,»en»1866,» formuló»la»teoría»a»partir»un»enfoque»estadístico,»llegando»a» la»llamada ley de distribución de Maxwell,»que»da»la»fracción» de»moléculas»del»gas»que»se»mueven»a»una»velocidad»determinada,»a»una»temperatura»específi»ca.»En»la»teoría»cinética,»la» temperatura»y»el»calor»solamente»están»relacionados»con»el» Representación esquemática de las partículas de un gas. movimiento»molecular. Partiendo»de»hipótesis»relativamente»simples,»la»teoría cinética de los gases»usa»una» descripción»molecular»para»derivar»las»propiedades»macroscópicas»de»la»materia,»por»lo»que» constituye»una»rama»de»la»mecánica estadística.»Específi»camente,»la»teoría»supone»lo»siguiente: m Un gas consiste en un conglomerado de partículas (átomos o moléculas), cuyo número es enorme, que responden a las leyes de la mecánica que planteó Newton. m Todas las partículas se mueven aleatoriamente y están tan separadas entre sí que su propio volumen es insignifi cante frente al que ocupa todo el gas. La dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de las partículas pueden cambiar bruscamente en las colisiones con las paredes o con otras partículas. Cualquiera de las partículas seguirá una trayectoria de zigzag debido a dichas colisiones. Sin embargo, como hay muchas partículas, el gran número de colisiones resultante mantiene una distribución total fi ja de las velocidades de las partículas, con un movimiento promedio aleatorio (figura 3.17). m No existen fuerzas apreciables sobre las partículas, salvo las que actúan durante las colisiones elásticas entre sí y contra las paredes. En una colisión elástica se conserva la energía. Entre colisión y colisión, las moléculas viajan con movimiento rectilíneo y uniforme, de acuerdo con las leyes de Newton.

Si quieres conocer más acerca de la teoría cinético-corpuscular de la materia visita http://www. educa.madrid.org/ binary/429/. les594/ pag-3.htm Para aprender sobre la ley de Boyle visita http://www. youtube.com/ watch?v=GLlivXIIYiY

Figura 3.17 Representación esquemática de las partículas de un gas dentro de un vaso tapado.

Estadística. Rama de la matemática que usa grandes conjuntos de datos numéricos para obtener inferencias basadas en el cálculo de probabilidades. Mecánica estadística. Rama de la física que mediante la estadística de las partículas microscópicas que conforman los sistemas físicos obtiene propiedades macroscópicas de dichos sistemas.

127

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 127

1/14/13 11:12 AM


Para saber más En teoría cinética existe una relación entre la temperatura y la energía cinética media por partícula. Al calentar un gas, se aumenta la agitación molecular y se eleva la rapidez media de las partículas. Si disminuye la temperatura del gas, este se puede licuar. Es decir, la energía cinética media de una partícula líquida es menor que la correspondiente a una partícula gaseosa.

A»partir»de»estos»supuestos,»la»teoría»explica»el»comportamiento»conocido»de»los»gases» y»hace»predicciones»que»han»sido»constatadas»experimentalmente,»lo»que»le»confiere»validez» científica.»Para»describir»el»comportamiento»del»gas»no»es»imprescindible»la»historia»individual» de»cada»partícula.»¡Seguir»cada»partícula»sería»imposible!»El»éxito»de»este»modelo»es»que»se» recurre»a»la»estadística»para»interpretar»las»variables»macroscópicas»(por»ejemplo,»la»temperatura)»como»cierto»promedio»de»propiedades»microscópicas.

Integramos En»esta»lección»se»han»proporcionado»detalles»de»la»teoría»cinética»molecular»que»permiten» entender»algunos»hechos»relacionados»con»la»vida»cotidiana,»por»ejemplo,»que»se»seque»la» ropa»o»que»hierva»el»agua»y»haga»saltar»la»tapadera»de»un»recipiente.»En»forma»cualitativa,» es»claro»que»en»ambos»casos»(cuando»se»seca»la»ropa»al»Sol»y»cuando»se»pone»una»cacerola» con»agua»al»fuego)»se»está»añadiendo»calor»a»esos»sistemas»(figura 3.18).»Ello»hace»que»sus» moléculas»se»muevan»más»rápidamente,»aumente»su»energía»cinética»y,»por»tanto,»aumente» su»temperatura»hasta»cierto»valor. Más»adelante»se»precisará»que,»en»virtud»de»la»relación»entre»temperatura»y»energía» cinética»de»las»moléculas,»se»pueden»entender»fenómenos»como»la»evaporación»(que»es»lo» que»ocurre»cuando»la»ropa»se»seca»al»Sol),»la»ebullición»(como»lo»que»ocurre»cuando»hierve»el» agua»en»la»cacerola)»y»también»la»presión,»debida»a»las»colisiones»de»las»moléculas»contra»las» paredes»del»recipiente»(causantes»de»los»saltitos»de»la»tapadera).»También»permitirá»explicar» la»fusión,»la»congelación»o»la»sublimación,»así»como»las»causas»de»que»ciertas»sustancias»se» encuentren»generalmente»en»estado»sólido,»líquido»o»gaseoso.

Figura 3.18 El calor es el responsable de los cambios que se observan en el agua dentro del recipiente.

Una pista Para reflexionar Una de las objeciones que se le hacían a la teoría cinética era que debido a que suponía que solo había espacio vacío entre las moléculas del gas, éstas tendrían inevitablemente que detenerse y caer al suelo formando una capa delgada. Esto no ocurre debido a que están moviéndose de manera constante y rebotando elásticamente de forma continua con el suelo, el techo y las paredes.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma»equipo»con»un»compañero»para»hacer»lo»siguiente. »» Escriba cada uno en su cuaderno las hipótesis fundamentales de la teoría cinética molecular y comparen sus respuestas. »» Investiguen y anoten en su cuaderno qué es el número de Avogadro y cómo se relaciona con la teoría cinética de los gases. »» Discutan a partir del número de Avogadro por qué hay que hacer promedios estadísticos en lugar de analizar cada una de las moléculas que componen un sistema.

128

S-Fis-CNT-B3-116-128_PDF_alta_alumno 128

1/14/13 11:12 AM


3

BLOQUE

Lección 1

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas Las propiedades de la materia: masa, volumen, densidad y estados de agregación

aprendizaje esperado. Describe algunas propiedades de la materia: masa, volumen, densidad y estados de agregación, a partir del modelo cinético de partículas.

Comenzamos Paulina y Luis tendrán una reunión en su casa, donde verán películas con sus amigos. Para la botana han cortado piezas de frutas variadas, zanahorias y pepinos, además, tienen cacahuates, nueces, frutos secos, y prepararán agua de jamaica. Paulina, que hace mucho deporte, va a la tienda y al poco rato regresa contenta y cargando dos bolsas de hielo. Luis también ha ido a la misma tienda a comprar malvaviscos (de igual forma y tamaño que los hielos), pero al volver llega cansado, quejándose de que siempre le tocan los trabajos más difíciles, ya que ha cargado tres bolsas (una más que Paulina) del mismo tamaño y capacidad que las del hielo (figura 3.19). Paulina le dice que, en este caso, él no tiene motivo de queja, y que si hiciera más deporte estaría en mejor forma.

Figura 3.19 Aunque los cubos de hielo y los malvaviscos tienen similares formas y dimensiones, la gente, en el lenguaje cotidiano, suele decir que los primeros “pesan” más que los segundos.

1. Responde en tu cuaderno. m ¿Piensas que Paulina tiene razón al señalar que Luis no tiene motivo de queja a pesar de que cargó una bolsa más que ella? ¿Por qué? m ¿Qué tienen en común el agua que usarán Luis y Paulina para preparar el agua de jamaica y el hielo que ella compró? m ¿Por qué el hielo flota en el agua?

Aprendemos Aunque toda la materia tiene masa y volumen, la misma masa de sustancias diferentes puede ocupar distintos volúmenes. Por ejemplo, 1 kg de algodón ocupa un lugar en el espacio muy diferente al que ocupa 1 kg de hierro. Y si se tiene un volumen fijo, dependiendo de la sustancia que lo ocupe, es posible tener diferentes masas con ese mismo volumen. Conocer el dato de la masa o el volumen no dice nada acerca de la materia de que se trata. Así pues, resulta conveniente definir una cantidad que refleje una propiedad intrínseca de las sustancias. Esta cantidad se llama densidad y es el resultado de dividir la masa entre el volumen de una muestra. densidad =

Intrínseco. Esencial, propio, característico.

masa volumen

La masa y el volumen son propiedades generales de la materia y dependen de la cantidad o extensión del cuerpo, por lo que se denominan cantidades extensivas. En cambio, la densidad es una propiedad intensiva o característica de cada cuerpo, ya que permite identificar distintas sustancias; por ejemplo, varias muestras de oro de diferentes masas, todas tienen la misma densidad. La densidad se puede calcular de forma directa midiendo la masa y el volumen de una muestra.

Si quieres ver una explicación sencilla y amena de lo que es la densidad, visita la página http:// www.youtube.com/ watch?v=cUHawaCAw1k

129

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 129

12/21/12 12:25 PM


Aproximación al conocimiento científico Organízate con tu equipo de trabajo para llevar a cabo esta actividad experimental en la que calcularán la densidad de algunas sustancias a partir de datos de masa y volumen.

Material: ¿Qué necesitamos? 1 L de agua, 1 L de aceite comestible de maíz, una probeta 2 2

graduada de 200 mL y una balanza

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Pesen la probeta en la balanza y anoten el valor obtenido (figura 3.20). 2. Añadan sucesivamente agua a la probeta, de 50 mL en 50 mL, y pésenla cada vez que hagan una adición de agua (figura 3.21). Anoten en su cuaderno los resultados. 3. Elaboren en su cuaderno un cuadro de tres columnas. En la primera columna escriban la diferencia de peso de la probeta con agua, menos el peso de la probeta vacía; en la segunda, el volumen de agua total que contenía la probeta para cada medición; y en la tercera, la división del número de la primera columna entre el número de la segunda columna. 4. Repitan el procedimiento anterior usando ahora aceite en lugar de agua (figura 3.22).

Figura 3.20

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? Figura 3.21

Figura 3.23 El método de desplazamiento de agua se utiliza para conocer el volumen de un cuerpo con forma irregular, como un anillo de plata.

Figura 3.22

1. Respondan. » ¿Cómo son los resultados de la tercera columna para el agua? » ¿Cómo son los resultados de la tercera columna para el aceite? » ¿Qué sustancia tiene mayor densidad?

La actividad anterior se centró en dos sustancias líquidas. La experiencia indica que entre objetos sólidos de hierro o de plomo y objetos de plástico, de la misma forma y volumen, los primeros son más pesados. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado parecerá. En el caso de los objetos sólidos, si se quiere determinar su densidad, lo primero que hay que hacer es determinar su masa con una balanza. Si se trata de objetos cuya forma geométrica coincide con la de alguno de los cuerpos regulares (esfera, cubo, cilindro, etc.), se aplica la fórmula conocida midiendo las longitudes que se necesiten en ella. Si su forma es irregular, se puede proceder de la siguiente manera: en un recipiente graduado (figura 3.23) se vierte agua y se anota su nivel. Luego, se sumerge totalmente el objeto y se anota el nuevo nivel; la diferencia de niveles será el volumen del sólido. Finalmente, se aplica la fórmula para el cálculo de densidad.

130

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 130

12/21/12 12:25 PM


En el cuadro 3.1 se muestran las densidades de algunas sustancias conocidas.

Cuadro 3.1 Sustancia

Densidad en kg/m3

Densidad en g/cm3

Agua

1 000

1

Aceite

920

0.92

Gasolina

680

0.68

Plomo

11 300

11.3

Acero

7 800

7.8

Mercurio

13 600

13.6

Madera

900

0.9

Aire

1.3

0.0013

Butano

2.6

0.026

Dióxido de carbono

1.8

0.018

a)

Debido a que muchas sustancias se contraen o se expanden con los cambios de temperatura, tema que será abordado en otra lección, la densidad es una propiedad que depende de la temperatura, y esta debe ser especificada con una cantidad numérica. Por ejemplo, la densidad del magnesio a 20 °C es de 1.74 g/cm3. Se puede decir entonces que a esta temperatura cada centímetro cúbico de magnesio tiene una masa de 1.74 gramos.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Responde en tu cuaderno. » Un bloque de madera tiene 11 cm de ancho, 14 cm de largo y 4 cm de alto. ¿Cuál es la densidad de este trozo de madera si su masa es de 27 g? Recuerda que el volumen de un paralelepípedo se calcula multiplicando largo por ancho por alto. » Al introducir un bloque de hierro en un cilindro volumétrico, el volumen del agua se desplaza 5.20 mL. Calcula la masa del bloque si la densidad del hierro a temperatura ambiente es de 7.87 g/cm3. 2. Calcula la densidad de un cuerpo con masa de 75 kg y volumen de 5.67 L.

Ya se ha señalado que materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Todo en el Universo está formado por materia. En esta lección se ha hecho referencia a sustancias sólidas o líquidas e indicado cómo determinar su densidad, ahora se abundará en estos conceptos. Aunque hay otros estados de la materia, como los plasmas y los llamados intermedios (como vidrios, coloides o geles), se suele decir que la materia se puede encontrar en tres estados de agregación o estados físicos: sólido, líquido y gaseoso (figura 3.24). Por ejemplo, en el caso del agua, esta puede encontrarse en estado sólido (hielo), en estado líquido, al que habitualmente se hace referencia con el nombre de agua común y corriente, o en estado gaseoso (vapor de agua). La teoría cinética es capaz de explicar por qué una misma sustancia se puede encontrar en los tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Esto depende solo de la velocidad de las moléculas, que las hace agruparse y ordenarse de diferente manera en cada estado.

b)

c) Figura 3.24 Una roca: sustancia sólida (a). Un vaso de agua: sustancia líquida (b). Aire dentro del globo: sustancia gaseosa (c).

131

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 131

12/21/12 12:25 PM


Figura 3.25 Representación del movimiento de las partículas de un líquido que está dentro de un recipiente.

Figura 3.26 Representación del movimiento de las partículas de un sólido que está dentro de un recipiente.

Inmiscible. Que no se mezcla. Viscosidad. Es la fricción que se ejerce entre distintas capas de un fluido.

Para saber más Algunas sustancias que se emplean en la vida cotidiana se encuentran en un estado físico intermedio. Ese es el caso de los coloides. Estos sistemas están formados por dos o más fases, principalmente una continua (normalmente fl uida) y otra dispersa, que se halla en menor proporción, en forma de partículas (por lo general, sólidas).

Considerando la teoría cinética, las propiedades de cada uno de estos estados son las siguientes: m Una sustancia en estado sólido tiene forma propia y volumen constante. Entre sus moléculas predominan fuerzas de atracción grandes, por lo que se hallan en un estado de orden regular y solo pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas (figura 3.25). Debido a ese orden forman estructuras cristalinas. m Las sustancias en estado líquido no tienen forma propia (se adaptan a la forma del recipiente que las contiene), por lo que tienen volumen constante. Sus moléculas están unidas por fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por lo que en este estado de agregación las fuerzas de atracción y repulsión están equilibradas (figura 3.26). Otra característica de los líquidos es que tienen fluidez, es decir, capacidad para desplazarse y pasar a través de orificios pequeños. Debido a fuerzas de fricción entre distintas capas en su interior, tienen mayor o menor facilidad para moverse, lo que se manifiesta a través de una propiedad física llamada viscosidad, de la que seguramente habrás oído hablar. m Los líquidos suelen dilatarse cuando se calientan y contraerse cuando se enfrían. También algunas sustancias líquidas pueden difundirse en otros líquidos y unas más son inmiscibles. m Por lo que se refiere a las sustancias gaseosas, estas no tienen forma propia ni volumen fijo. Presentan las propiedades de expansibilidad y compresibilidad, ya que sus moléculas se mueven libremente y por ello ocupan todo el espacio disponible. No obstante, si se reduce mucho el volumen en el que se encuentra el gas, este pasará al estado líquido.

Integramos Los gases son fluidos, como los líquidos, pero no tienen superficie libre. Como se ha mencionado, sus moléculas, entre las que predominan las fuerzas de repulsión, tienen mucha movilidad y se mueven en espacios muy grandes respecto a su propio volumen. Ese movimiento se efectúa de forma desordenada: con choques entre ellas y contra las paredes del recipiente que las contiene. Hay una pregunta que suele hacerse para gastarle una broma a algún incauto: ¿Qué pesa más: un kilogramo de plumas o un kilogramo de plomo? Evidentemente, ambos pesan lo mismo, pero mientras el kilogramo de plomo ocuparía un volumen un poco más pequeño que el tamaño de un puño, el de plumas llenaría una almohada. En esta lección se introdujo el concepto de densidad, que es una característica intrínseca de las sustancias, la cual permite entender la razón por la que un kilogramo de plomo ocupa menor volumen que uno de plumas: la densidad del plomo es mucho mayor que la de las plumas. También permite reconocer que, efectivamente, Luis tenía poco de qué quejarse, puesto que la densidad de los malvaviscos es menor que la del hielo, y a pesar de que Paulina cargó dos bolsas y Luis, tres, el peso de las de hielo era superior al de las de malvaviscos, ya que la densidad del hielo es también mayor que la de los malvaviscos. Además, en esta lección se ha entendido que si un objeto flota en un líquido es porque tiene una densidad menor que la de este. Por último, se han mencionado las características principales de los estados físicos en los que puede presentarse la materia.

132

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 132

12/21/12 12:25 PM


Aproximación al conocimiento científico Reúnete con tres compañeros para construir un densímetro, instrumento que se emplea para medir la densidad de los líquidos (figura 3.27).

Material: ¿Qué necesitamos?

1 L de alcohol metílico, 1 L de vinagre, 200 g de sal de mesa, 1 L de aceite comestible 2 2 2

de maíz, 1 L de agua, dos vasos de precipitados de 500 mL, un plumón con tinta indeleble, un tubo hueco de plástico rígido de unos 2 cm de diámetro y 15 cm de largo, un tapón de corcho o plástico, apropiado para sellar completamente uno de los extremos del tubo, y suficientes balines de metal (como plomo) para ponerlos como contrapeso en el extremo sellado del tubo.

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Pongan los balines dentro del tubo de modo que al colocarlo en uno de los vasos de precipitados lleno de alcohol metílico flote verticalmente sin tocar el fondo (figura 3.28). 2. Marquen en el tubo con tinta indeleble el nivel en el que queda flotando, al que se le asignará un valor de 0.8 g/cm3, el cual se aproxima al valor de la densidad del alcohol metílico (figura 3.29). 3. Repitan el procedimiento reemplazando el alcohol metílico por agua, y asignen al nuevo nivel el valor conocido de la densidad del agua (1 g/cm3). 4. Entre las dos marcas obtenidas, tracen divisiones igualmente espaciadas y hagan marcas con el mismo espaciamiento por encima de la correspondiente al agua. 5. Llenen ahora el otro vaso de precipitados con vinagre e introduzcan el tubo en él. ¿Cómo fue el nivel de flotación del tubo en este líquido respecto a las marcas del alcohol y del agua? 6. Vacíen el vinagre del vaso, séquenlo bien y llénenlo con aceite. Repitan el procedimiento anterior y anoten sus observaciones (figura 3.30). ¿Cómo se compara el valor aproximado que determinaron ahora, con el calculado en el primer ejercicio de esta lección? 7. Finalmente, añadan la sal al vaso de precipitados con agua y repitan el procedimiento. ¿Qué nivel alcanza ahora el tubo?

Figura 3.27 Con un densímetro o hidrómetro se puede determinar la densidad relativa de los líquidos. Este consiste de un cilindro graduado en g/cm3 y un bulbo conteniendo un material pesado, que flota verticalmente en el líquido cuya densidad se está midiendo.

Figura 3.28

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. Respondan. » ¿Qué aplicación práctica tiene este experimento? » ¿Cómo son los resultados de la tercera columna para el agua? » Con base en el resultado de este experimento con el agua salada, ¿qué concluyen respecto a la densidad del agua de mar y la densidad del agua de una alberca? » Si han ido a la playa habrán notado que les es más fácil flotar en el mar que en el agua de una alberca, ¿a qué se debe esto?

Figura 3.29

Figura 3.30 133

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 133

12/21/12 12:25 PM


3

BLOQUE

Lección 2

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas Presión: relación fuerza y área; presión en fluidos. Principio de Pascal (I)

aprendizaje esperado. Describe la presión y la diferencia de la fuerza, así como su relación con el principio de Pascal, a partir de situaciones cotidianas.

Comenzamos

Figura 3.31 Gato hidráulico en un taller automotriz.

Si quieres hacer algunos experimentos sencillos en los que se aplica el concepto de presión, incluyendo el de presión atmosférica, visita http://recursostic. educacion.es/newton/ web/materiales_didacticos/presion2/quees. htm?0&0

Figura 3.32 Aditamentos especiales para caminar en la nieve.

El primo de Pepe es mecánico automotriz y acaba de montar un taller. Allí tienen, entre otras muchas cosas, aparatos para revisar la alineación y el balanceo de llantas, y bombas de aire para inflarlas. Es muy importante que las llantas estén infladas al nivel adecuado. Un día, Pepe fue a visitar a su primo y vio entrar una camioneta que los empleados dirigieron hacia un sitio en donde había marcados cuatro rectángulos en el suelo, en los cuales debían quedar las llantas. Su primo le explicó a Pepe que el cliente quería que le cambiaran las llantas porque ya estaban muy gastadas, y que para ello tendría que levantar el vehículo. Pepe se quedó maravillado al ver cómo usando el gato hidráulico del taller y, aparentemente, con muy poco esfuerzo, su primo logró elevar la camioneta y sostenerla para proceder al cambio de llantas (figura 3.31). 1. Responde en tu cuaderno. » Para minimizar la posibilidad de accidentes en carretera es importante revisar las llantas de los vehículos. Por un lado, la superficie, tanto aquella que está en contacto con el pavimento como la de los lados, debe de estar en buen estado, con un dibujo que favorezca la fricción con el piso. Además, las llantas no deben de estar ni demasiado infladas ni muy bajas. En los manuales de los vehículos se hacen recomendaciones acerca del nivel adecuado al que deben ser infladas. ¿Sabes qué magnitud mide y cómo se llama el aparato que se usa para determinar este nivel? » Tal vez has observado que cuando las llantas de un coche están demasiado infladas se les saca algo del aire que contienen. ¿Por qué? » Supón que estás en una fiesta y te piden que ayudes a inflar globos. Como tienes buenos pulmones tomas un primer globo con entusiasmo, pero se te pasa la mano y el globo revienta. ¿Qué crees que provocó que el globo reventara?

Aprendemos Ahora se verán más ejemplos, esta vez relacionados con cuerpos sólidos. Seguramente, habrás observado que si intentas cortar algo con un cuchillo mal afilado te cuesta bastante trabajo. Pero ¿qué sucede al afilarlo? Cuando se afila el cuchillo disminuye la superficie de su filo y por ello corta más fácilmente. Por otra parte, si has visto algún documental o película en que aparezca gente caminando en la nieve, habrás notado que para no hundirse en ella se colocan en los pies unas raquetas especiales cuya superficie de apoyo es mayor que la del calzado habitual (figura 3.32). Estos dos ejemplos ilustran un principio general: si una fuerza actúa sobre una superficie pequeña, su efecto deformador es mayor; mientras que si una fuerza actúa sobre una superficie grande, su efecto deformador es menor.

134

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 134

12/21/12 12:26 PM


La magnitud que permite medir cómo se reparte el poder deformador de una fuerza sobre una superficie se llama presión (P), que se define como la “fuerza aplicada perpendicularmente sobre cada unidad de superficie”. Se trata de una cantidad escalar que se obtiene dividiendo la magnitud de la fuerza perpendicular (F) entre la magnitud de la superficie (S) sobre la que se aplica esa fuerza. Así, presión =

fuerza superficie

=P=

F S

Como ya se apuntó en la lección anterior, los gases y los líquidos son fluidos que pueden estar en movimiento o en reposo (estáticos). Recuerda que, de acuerdo con la teoría cinética, aunque esté en reposo la masa de los fluidos, tanto los átomos como las moléculas de las que están formados se encuentran en continua agitación. La disciplina que estudia los líquidos en reposo es la hidrostática. Un fluido en reposo pesa y ejerce presión, es decir, provoca una fuerza perpendicular sobre las paredes y sobre el fondo del recipiente que lo contiene, así como también sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él, independientemente de la orientación que adopten las caras del objeto (figura 3.33). Esta presión se llama presión hidrostática. Cabe enfatizar que cuando los fluidos están en reposo las fuerzas provocadas por la presión en las caras de un cuerpo sumergido en su seno tienen necesariamente que ser perpendiculares a la superficie. De lo contrario, aparecería una fuerza no equilibrada sobre el fluido. La presión no es una fuerza en sí misma, sino el cociente de la magnitud de la fuerza sobre el área en la que se aplica. La presión hidrostática (P) en un punto del interior de un fluido en reposo es directamente proporcional a la densidad del fluido (d) por la profundidad (h) a la que se encuentra el punto. Así,

Una pista Para medir Un manómetro es un dispositivo diseñado para medir la presión en los fluidos. Uno de uso frecuente es el manómetro de rama abierta, que consiste en un tubo en “U” con una de sus dos ramas conectada al recipiente cuya presión se quiere medir y la otra abierta a la atmósfera. P atm

P

P=d×g×h siendo g = 9.8 m/s2 la magnitud de la aceleración de la gravedad. Debido a esta presión hidrostática (P), siempre actuará una fuerza de magnitud (P × S) sobre cualquier superficie (S) situada en el seno de un fluido. Independientemente de la orientación que tenga esa superficie, esta fuerza se aplica sobre un punto situado sobre dicha superficie y su dirección es perpendicular a ella. Como se ha visto, la presión hidrostática solo depende de la densidad del fluido y de la profundidad. Como la densidad de los gases es muy pequeña, la presión hidrostática es también pequeña, pero es importante en los líquidos y más cuanto mayor sea su densidad. Respecto a la presión hidrostática, Blaise Pascal (1623-1662), matemático, físico y filósofo francés del siglo XVII, enunció el siguiente principio, denominado justamente principio de Pascal (figura 3.34): “La presión aplicada a un punto de un fluido estático e incompresible, encerrado en un recipiente, se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido”.

Figura 3.33 La presión del aire en una llanta es la fuerza que este ejerce sobre la superficie que lo contiene.

Figura 3.34 Blaise Pascal (1623- 1662) fue un filósofo, físico y matemático francés.

135

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 135

12/21/12 12:26 PM


Figura 3.35 Esquema de vasos comunicantes.

Una pista

Considera ahora los llamados vasos comunicantes, esto es, un conjunto de recipientes comunicados por su parte inferior que contienen un líquido homogéneo. Cuando el líquido está en reposo, lo que se observa es que alcanza el mismo nivel en todos los vasos, independientemente de la forma y volumen de estos, como se muestra en la figura 3.35. Lo anterior se entiende a partir del principio de Pascal y se debe a que la presión atmosférica y la aceleración de la gravedad son constantes en cada recipiente. Así pues, la presión hidrostática a una profundidad determinada es siempre la misma, sin importar la forma geométrica de los recipientes ni el tipo de líquido de que se trate.

Para reflexionar Se podría reventar un barril lleno de agua y herméticamente cerrado si en la parte superior se le acoplara un tubo largo muy estrecho ajustado a la tapa. Para llenar ese tubo necesitaríamos muy poca agua, pero el aumento de la presión debido a la altura de la columna líquida podría ser tan grande que hiciera estallar el barril. Aproximadamente, cada 10 metros de altura de agua en el tubo producirían un aumento de una atmósfera de presión. Esta es la razón por la que las presas que se construyen para embalsar el agua de los ríos se hacen aumentando su grosor de arriba hacia abajo, de forma que puedan contrarrestar la enorme fuerza que ejerce el agua en la parte inferior, donde hay mucha más presión.

Figura 3.36 Esquema de una prensa hidráulica. Como la presión es la misma sobre S1 y sobre S2, es decir P1 = P2, entonces por la definición de presión, tenemos que F1/S1 = F2/S2

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza las siguientes situaciones y haz en tu cuaderno lo que se pide. » Mide la superficie de apoyo de tus dos zapatos y a partir de tu masa calcula tu peso y la presión que ejerces al estar apoyado en el suelo con los dos pies. » Consigue una botella de plástico vacía, de refresco de litro y medio o de dos litros, y hazle un agujero lateral; con mucho cuidado, haz un agujero en la tapa con una punta calentada al fuego. Desenrosca la tapa y cubre el agujero lateral. Luego, sin destapar el agujero lateral, llena la botella de agua y enrosca la tapa perforada. ¿Qué pasa si descubres el agujero lateral mientras mantienes cubierto totalmente con un dedo el agujero de la tapa? ¿Por qué no se sale el agua?

Integramos En la vida cotidiana es posible encontrar muchos fenómenos que involucran presión. En esta lección se han resaltado los cambios de presión en fluidos. El concepto de presión es muy útil para aplicaciones prácticas, entre las que se pueden mencionar algunas basadas en el principio de Pascal: la prensa hidráulica (figura 3.36) y los frenos hidráulicos. F1 En los frenos hidráulicos se ejerce una fuerza con el pie en un émbolo pequeño, luego, el fluido la transmite y, según la relación entre las áreas de los émbolos, la amplifica. Por su parte, la prensa S2 hidráulica consiste en un depósito con dos émboS1 los de distinta área conectados a este. Amplifica la fuerza aplicada en el émbolo pequeño dando una ventaja mecánica y cambia la dirección de F2 aplicación. El gato hidráulico del taller del primo de Pepe es precisamente una prensa hidráulica.

Aproximación al conocimiento científico Forma equipo con un compañero para construir un reloj de agua o clepsidra.

Material: ¿Qué necesitamos? Una botella de plástico de 1 L, un vaso de cartón, un reloj con segundero, una regla, un lápiz, agua y cinta adhesiva (masking tape) 136

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 136

12/21/12 12:26 PM


Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Corten la parte de arriba de la botella, unos 7 cm debajo de la parte superior (figura 3.37). 2. Peguen un trozo de cinta en la superficie de la botella desde la parte de arriba hasta la de abajo. La cinta debe colocarse lo más recta posible (figura 3.38). 3. Hagan un pequeño agujero en el centro de la base del vaso. Coloquen el vaso en la parte de arriba de la botella como se muestra en la figura 3.39. 4. Viertan agua en el vaso y, al mismo tiempo que empieza a pasar el agua por el orificio hacia la botella, comiencen a controlar el tiempo en el reloj (fíjense en el segundero). Mantengan el agua hasta la mitad del vaso para que salga en forma continua. Uno de ustedes observará la hora, mientras el otro marcará en la cinta el nivel de agua a distintos tiempos (figura 3.40). 5. Cuando hayan transcurrido 30 segundos, marquen en la cinta el nivel del agua. Deben hacer esto cada 30 segundos durante cinco minutos. 6. Ahora peguen otro trozo de cinta al lado del anterior y repitan el procedimiento. Esta vez hagan las marcas cada 60 segundos durante cinco minutos.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. Contesten en su cuaderno. » ¿Estaban las marcas espaciadas uniformemente en ambas cintas? ¿Qué significa esto? » ¿Alguna de las marcas ha coincidido en las dos cintas? ¿Cuál? » ¿Será esta una buena manera de saber la hora? ¿Por qué? » ¿Qué pasaría si hicieran un poco más grande el agujero del vaso? » ¿Cómo se modificaría su clepsidra si en lugar de agua usaran otro líquido, como aceite o miel? ¿Por qué? » ¿Para qué les puede servir el dispositivo que construyeron?

Figura 3.37

Figura 3.38

Una pista Para reflexionar

Figura 3.39

Figura 3.40

Igual que en el caso del barril, por cada 10 m que se sumerge un buzo soporta una atmósfera más de presión. Esto afecta sobre todo a los gases que mueven la sangre por sus venas, capilares y arterias. Con el aumento de presión las burbujas de gas se hacen más pequeñas, y al disminuir la presión ocurre lo contrario. Esta expansión de las burbujas de gas puede obstruir los capilares y hacer que se produzca una embolia gaseosa y provocar la muerte del buzo. Por ello, su ascenso a la superficie debe hacerlo por etapas. Una subida rápida puede tener consecuencias terribles.

137

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 137

12/21/12 12:26 PM


3

BLOQUE

Lección 3

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas Presión: relación fuerza y área; presión en fluidos. Principio de Pascal (II)

aprendizajes esperados. Describe la presión y la diferencia de la fuerza, así como su relación con el principio de Pascal, a partir de situaciones cotidianas. Utiliza el modelo cinético de partículas para explicar la presión en fenómenos y procesos naturales y en situaciones cotidianas.

Comenzamos Figura 3.41 Para inflar una llanta de bicicleta se puede usar una bomba manual que inyecta aire al interior a través de una válvula.

Si quieres conocer más datos acerca de la atmósfera terrestre visita http://recursostic. educacion.es/ newton/web/ materiales_didacticos/ EDAD_1eso_05_ la_atmosfera/ contenido/1q5/1q5_ index.htm

Figura 3. 42 Debido a este experimento de Torricelli, una de las unidades para medir la presión son los centímetros o los milímetros de mercurio.

Santos y Chema van a dar una vuelta en bicicleta. Terminan bastante cansados y sedientos, pero satisfechos de haber hecho ejercicio. Cuando llegan a casa de Chema, Santos se da cuenta de que la llanta trasera de la bicicleta está muy baja. Afortunadamente, lleva una bomba para inflarla; mientras lo hace (figura 3.41), Chema le acerca un vaso de limonada con un popote, por el que Santos bebe rápidamente el contenido. 1. Responde en tu cuaderno. » Además de las bombas para inflar llantas de bicicleta, ¿conoces alguna otra bomba de aire? » ¿Sabes cómo funciona una aspiradora? » ¿Sabrías explicar qué ocurre cuando bebes un refresco con un popote?

Aprendemos Seguramente habrás oído hablar del mal de montaña, que algunas veces sufren los escaladores. Cuando suben a la cima de una montaña o a una ladera muy elevada notan que el aire está enrarecido y conforme ascienden lo encuentran más liviano, tenue y ligero, lo que les puede producir serios mareos. La causa de lo anterior es que la densidad de la atmósfera —que es la capa gaseosa que envuelve a la Tierra— disminuye con la altura, lo mismo le sucede a la presión atmosférica. Pero ¿qué es la presión atmosférica? Es la presión que ejerce el aire sobre la Tierra. En la antigüedad estaban lejos de sospechar que el aire pesaba. Lo consideraban como un cuerpo que por su naturaleza tendía a elevarse; y en el caso de los líquidos, la explicación de su ascensión en las bombas era por el llamado “horror al vacío” que tenía la naturaleza, el cual la hacía rellenar cualquier hueco. Interesado en este problema, Torricelli realizó el siguiente experimento: puso mercurio en un tubo de vidrio de 1 m hasta casi llenarlo. Tapó el extremo del tubo con el dedo, le dio la vuelta y, sin separar el dedo, metió el tubo invertido dentro de una vasija que contenía mercurio. Cuando el tubo ya estaba dentro, retiró el dedo y notó que el mercurio del tubo no caía, sino que solo descendía unos centímetros. Repitió el experimento varias veces y con sus datos comprobó que la columna de mercurio variaba, según el día, en torno a una altura de 76 centímetros. También observó que si los tubos eran de distinto diámetro o se ponían inclinados, la columna de mercurio siempre alcanzaba la misma altura (figura 3.42).

138

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 138

12/21/12 12:26 PM


Estos experimentos de Torricelli demostraron que es el peso del aire el que sostiene el mercurio en la columna y que el mercurio solo sube hasta equilibrar este peso y no para rellenar el vacío de la parte superior de la columna. El aire atmosférico presiona la superficie del mercurio de la vasija y, por el principio de Pascal, el mercurio, en estado líquido, transmite la presión hacia todos los puntos. Lo anterior permite desechar el concepto del “horror al vacío”, pues claramente existe vacío en la punta del tubo invertido. Fue Pascal quien, conocedor de los trabajos de Torricelli, repitió el mismo experimento en localidades situadas a diferentes altitudes. Así, dedujo que al aumentar la altitud, la presión atmosférica disminuye (figura 3.43).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Considera lo siguiente y contesta en tu cuaderno. » A la humanidad le llevó mucho tiempo darse cuenta de que vivía en el fondo de un “mar de aire”. ¿Por qué es menor la presión en la punta de una montaña que al nivel del mar? Explícalo. » ¿Qué presión sentirá un buzo que se sumerge algunos metros en el mar? » El principio de funcionamiento del barómetro se aplica a cualquier líquido. ¿Por qué crees que el barómetro utiliza mercurio y no agua? Ya se ha señalado que la presión atmosférica se debe a que el aire tiene peso. Pero ¿qué hay de la presión que ejercen los gases contenidos en un recipiente? Los gases tienen tres propiedades características que ya se han mencionado. Por una parte, son fáciles de comprimir, pero también se expanden hasta llenar el recipiente que los contiene y suelen ocupar un volumen mucho mayor que cuando la misma sustancia está en estado líquido o sólido. De acuerdo con la teoría cinética, debido a que las moléculas del gas están en continuo movimiento, chocan entre ellas y con las paredes del recipiente que lo contiene. Como discutimos en la página 82, al hablar de la segunda ley de Newton, en una colisión se ejerce una fuerza que produce un cambio de movimiento. Como la magnitud de la fuerza, por unidad de superficie, es la presión, su valor depende del número de colisiones por unidad de tiempo sobre una cierta área. Esta presión sobre las paredes del recipiente depende de la cantidad de gas considerada (es decir, del número de moléculas que haya), del volumen del recipiente y de la temperatura del gas (figura 3.44). Se sabe que a mayor número de moléculas, si el volumen del recipiente es fijo y la temperatura no varía, hay mayor presión; que si el volumen del recipiente aumenta, por ejemplo, si al gas se le permite expandirse a temperatura constante, la presión baja; y que si la temperatura del gas aumenta manteniendo fijo el volumen del recipiente, también lo hace la presión, puesto que mayor temperatura significa mayor energía cinética y, por lo tanto, mayor rapidez de las moléculas. Como se trata de una dependencia de la presión en tres cantidades distintas, si se quieren comprobar experimentalmente las aseveraciones anteriores, pueden diseñarse experimentos en los que, sucesivamente, se mantengan dos de las tres cantidades constantes y se varíe la tercera. Eso fue lo que hicieron Boyle, Gay-Lussac y Charles. En un experimento realizado a temperatura constante, Boyle encontró que para una cantidad determinada de gas, la presión y el volumen son inversamente proporcionales, es decir, que al duplicar el volumen, la presión disminuye a la mitad; que al triplicar el volumen, la presión disminuye a la tercera parte, y así sucesivamente.

Figura 3.43 Barómetros que se usaban en el siglo xvii.

Figura 3.44 Cada partícula de un gas choca contra todas las paredes del recipiente que lo contiene, en este caso, el globo.

139

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 139

12/21/12 12:26 PM


Una pista Para medir La presión atmosférica se puede medir con un barómetro de mercurio, que es, en esencia, el tubo de Torricelli con una escala, llamado barómetro de Fortin. También hay barómetros aneroides en los que la presión atmosférica deforma una pared elástica de un cilindro parcialmente al vacío, lo que a su vez mueve a una aguja. Para leer sobre mediciones de la presión atmosférica visita http://www. windows2universe.org/ earth/Atmosphere/ measuring_press. html&lang=sp

Cabe aclarar que para mantener la temperatura constante al expandir un gas se le tiene que proporcionar energía en forma de calor, y al comprimirlo se debe absorber energía del gas también en forma de calor. Así, considerando la temperatura constante y dos mediciones cualesquiera, se puede escribir la ley de Boyle para una cantidad determinada de gas como P1 V1 = P2 V2 (A temperatura constante) Por su parte, Gay-Lussac, manteniendo el volumen constante y la misma cantidad de gas en un recipiente, hizo experimentos para medir los valores de presión que se obtenían al variar la temperatura. Al aumentar la temperatura en grados Celsius, encontró que la presión del gas aumentaba en forma directamente proporcional y dedujo que podría llegar hasta un valor tan grande que hiciera estallar las paredes del recipiente. También notó que si disminuía la temperatura del gas progresivamente, la presión del mismo disminuía de manera directamente proporcional. Aunque en su época no se había desarrollado todavía la teoría cinética, ahora es claro que esta disminución de la presión al bajar la temperatura se debe a que a menor temperatura las moléculas del gas se mueven cada vez más lentamente (figura 3.45). Esto sugiere que si disminuyese suficientemente la temperatura podría alcanzarse un punto en el que las moléculas estuvieran en reposo y la presión sería, por tanto, igual a cero. A reserva de que más adelante, al hablar de las escalas de temperatura, se precise este concepto, baste ahora señalar que hay una temperatura llamada absoluta, de forma que si esta temperatura del gas fuera igual a cero también la presión sería cero. La ley de Gay-Lussac puede resumirse como sigue: si se tiene una cantidad determinada de gas y el volumen del recipiente que lo contiene permanece constante, entonces para dos distintas temperaturas absolutas las presiones resultantes obedecen la relación P1

En la siguiente página encontrarás simulaciones de las leyes de los gases. http://www.walterfendt.de/ph14s/ gaslaw_s.htm

T1

=

P2 T2

(Con volumen constante) Finalmente, Charles consideró una cantidad fija de gas a presión constante y estudió la variación del volumen con la temperatura. Cabe señalar que en experimentos como los realizados por Charles, para conseguir que la presión sea constante solamente hay que meter el gas en un recipiente con un pistón y dejar este libre. La presión en el interior será siempre igual a la presión en el exterior, que es la presión atmosférica. Charles encontró que el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta y su ley dice que para una cantidad de gas determinada a presión constante, si se mide el volumen que ocupa el gas a dos temperaturas distintas se encuentra que V1 T1

=

V2 T2

(A presión constante) Figura 3.45 En los encendedores, el gas butano almacenado está en estado líquido sujeto a una alta presión. Si liberas la válvula, sentirás que se escapa gas.

Ahora se pueden combinar las tres leyes anteriores de forma que para una cantidad determinada de gas se tenga lo siguiente. P1 V1 T1

=

P2 V2 T2

o

PV T

= constante

Cabe señalar que estas leyes se cumplen únicamente en gases que tienen poca cantidad de partículas, a los que se les llama ideales.

140

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 140

12/21/12 12:26 PM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Considera las siguientes condiciones para un gas dentro de un recipiente y contesta en tu cuaderno. » Si la presión disminuye, ¿un gas se expande o se comprime? ¿Por qué? » A temperatura constante, ¿la presión de un gas es directa o inversamente proporcional al volumen del mismo? ¿Por qué? » A volumen constante, ¿la presión de un gas es directa o inversamente proporcional a la temperatura absoluta? ¿Por qué?

Integramos En esta lección se abundó en el concepto de la presión en los gases. Así, se ha visto que el aire tiene peso y que dicho peso es el responsable de la presión atmosférica. También se relacionó la presión del gas con elementos de teoría cinética y se señaló que esta depende del número de moléculas del gas. Por eso, como en el caso de Santos y su limonada con popote o en el de las bombas de succión, al sacar aire y, por consecuencia, disminuir el número de moléculas, la presión en el interior del popote o del tubo disminuye y debido a la presión atmosférica el líquido puede ascender. Por el contrario, la bomba de bicicleta inyecta moléculas, y como el volumen y la temperatura están fijos, a ello se debe el aumento de presión en la rueda al quedar inflada.

Si quieres ver una simulación del número de colisiones de unas cuantas moléculas de un gas contra una de las paredes de un cubo que las contiene y el tiempo en que esto transcurre visita http://www. juntadeandalucia. es/averroes/ recursos_informaticos/ andared02/leyes_ gases/con_presion.html

Cuadro 3.2 Cuando el la presión volumen es… es… V = 3.2 L

P = 2.0 atm

V = 6.4 L

P = 1.0 atm

V = 8.0 L

P = 0.8 atm

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero para analizar los datos de las siguientes tablas que corresponden a diferentes experimentos con gases.

t (0C)

T (K)

P (atm)

-200

73

0.50

-100

173

1.20

0

273

1.90

20

293

2.00

100

373

2.50

200

473

3.20

300

573

3.90

t (0C)

T (K)

V (L)

-200

73

1.0

-100

173

2.3

0

273

3.7

100

373

5.1

200

473

6.4

V en L

P en atm

1.0

4.00

2.0

2.00

3.0

1.33

4.0

1.00

5.0

0.80

P.V en atm.L

Completen los valores en la tercera columna de la primera tabla. ¿Qué observan? Después, hagan una gráfica de valores de presión contra volumen con los datos de esa misma tabla. ¿Identifican el tipo de curva? m Con los datos de las tablas 2 y 3, hagan sendas gráficas de volumen contra temperatura absoluta y presión contra temperatura absoluta. Comenten los resultados. 2. Al experimentar con gas helio a temperatura constante se han obtenido los pares de valores V (volumen) y P (presión) del cuadro 3.2. m ¿Se cumple la ley de Boyle? ¿Cuál sería la presión si el volumen fuera de 4.5 L? Anoten las respuestas en su cuaderno. m

141

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 141

12/21/12 12:26 PM


3

BLOQUE

Lección 4

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas Temperatura y sus escalas de medición

aprendizaje esperado. Describe la temperatura a partir del modelo cinético de partículas con el fin de explicar fenómenos y procesos térmicos que identifica en el entorno, así como a diferenciarla del calor.

Comenzamos Independientemente de donde vivas, hay épocas del año e incluso momentos durante un mismo día en que habrás sentido calor o frío. Ya se ha dicho que las estaciones son una consecuencia del movimiento de la Tierra alrededor del Sol y de la inclinación del eje de la Tierra y por eso parece natural que durante el verano haga más calor que en el invierno. Sin embargo, la sensación de calor o frío es subjetiva, y probablemente alguien que viva en un lugar como Alaska si viaja a la Ciudad de México en invierno pensará que allí siempre hace calor (figura 3.46). Si estás enfermo y tienes fiebre puedes sentir calor debido a ello. Por otra parte, esas sensaciones subjetivas tampoco permiten cuantificar el grado de calor o frío de las cosas. Así, algunas personas pueden tomar bebidas que a otras les parecen insoportablemente calientes.

Figura 3.46 Nuestro cuerpo puede percibir si hace mucho o poco frío, pero para saber la temperatura es necesario contar con aparatos de medición, como los termómetros.

Para entender mejor la diferencia entre calor y temperatura y su conexión con la teoría cinética, puedes jugar con el interactivo que se encuentra en la siguiente dirección: http://newton.cnice. mec.es/materiales_ didacticos/calor/calorconceptos1.htm?0&0

1. Contesta en tu cuaderno. » ¿Puedes usar tus sentidos para saber si algo está caliente? ¿Cómo? » ¿Es lo mismo calor que temperatura? ¿Qué entiendes por cada una de estas palabras? » Cuando te enfermas y tienes fiebre, en el lenguaje cotidiano se suele decir que tienes temperatura, ¿siempre tienes temperatura o solamente cuando tienes fiebre?

Aprendemos La temperatura es una magnitud relacionada con las nociones de caliente o frío e intuitivamente se suele decir que es una medida de la cantidad de calor de un cuerpo. Por lo general, un objeto más caliente que otro puede considerarse que tiene una temperatura mayor; y si es frío, se considera que tiene una temperatura menor. Con anterioridad se vio que la temperatura está relacionada directamente con la energía cinética de las moléculas de las que está constituido un cuerpo y que cuanto mayor sea la energía cinética de un sistema, este se encontrará más caliente, es decir, que su temperatura será mayor.

Aproximación al conocimiento científico Aunque tus sentidos te pueden ayudar a saber qué tan caliente o frío está un material, muchas veces pueden resultar engañosos. Reúnete con dos compañeros para llevar a cabo esta actividad.

Material: ¿Qué necesitamos? Un termómetro de mercurio de laboratorio, tres palanganas o cubetas pequeñas de plástico, una charola con hielos, agua caliente y agua templada

142

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 142

12/21/12 12:26 PM


Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Viertan en una palangana agua caliente de la llave, que pueda tocarse. ¡Tengan cuidado de no quemarse! Si no la tienen disponible, pídanle a un adulto que la caliente un poco en una cacerola en la estufa y que luego les ayude a verterla en la palangana. 2. En la segunda palangana pongan agua con bastante hielo, y en la tercera pongan agua templada, como la que sale de la llave del agua fría. 3. Uno de ustedes introduzca la mano derecha en la palangana de agua caliente y la mano izquierda en la que tiene agua con hielo. Debe mantenerlas dentro por lo menos un minuto. Después de transcurrido este tiempo, deberá meter ambas manos simultáneamente en la palangana de agua templada (figura 3.47). 4. Midan la temperatura del agua de las tres palanganas con el termómetro y anoten los resultados en su cuaderno (figura 3.48).

Figura 3.47

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. Comenten entre ustedes los resultados que obtuvieron en estas experiencias. 2. Describan la sensación que experimentó el compañero al meter las dos manos en la palangana de agua templada. 3. ¿Cuáles fueron los valores de temperatura del agua templada, de la caliente y de la fría? 4. ¿Fue útil tocar el agua templada para conocer su temperatura? ¿Por qué? 5. Con base en esta experiencia, ¿consideran que tocar la frente de una persona para saber si tiene fiebre es confiable? ¿Por qué? Figura 3.48

La fiebre es un síntoma importante para el diagnóstico de una enfermedad. Cuando se sospecha que un enfermo tiene fiebre es crucial contar con un método preciso para medir la temperatura. Pero hay muchas otras situaciones de la vida cotidiana en las que también es importante medir la temperatura, por ejemplo, en la conservación de alimentos o vacunas. Figura 3.49 La fabricación de los primeros termómetros estaba basada en el hecho de que los Termómetro clínico cuerpos se dilatan cuando se les calienta, es decir, el volumen que ocupan aumenta y este moderno de mercurio. cambio se puede calibrar. Este fenómeno de dilatación es muy común y, aunque quizás no hayas sido consciente de ello, ya lo has presenciado si has visto como “sube” la leche cuando se le calienta en una cacerola y cómo puede derramarse si no se retira a tiempo la cacerola del fuego. No es casualidad que como sustancia termométrica,, es decir, la sustancia cuya dilatación se usa en un termómetro para determinar la temperatura, se haya utilizado el mercurio, pues el volumen de este líquido se modifica considerablemente con pequeños cambios de temperatura. Pues bien, en la construcción de un termómetro, lo que se hace es encerrar una pequeña cantidad de mercurio en un tubo capilar de vidrio. Si el tubo se pone en contacto con un cuerpo que está a mayor temperatura, la dilatación hace que el mercurio suba por el tubo, esto permite relacionar la longitud de la columna de mercurio en el tubo con la temperatura ). Pero para ser cuantitativo, el método del cuerpo (figura 3.49). debe asignarle valores numéricos a cada longitud. Esto se Bulbo con mercurio puede hacer sistemáticamente si se escoge una escala de temperaturas.

143

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 143

12/21/12 12:26 PM


Para saber más Un pirómetro es un dispositivo capaz de medir temperaturas muy altas, hasta de varios miles de grados Celsius, por ejemplo, la temperatura de metales fundidos. Para lograrlo, el pirómetro no entra en contacto con la sustancia, sino que analiza la radiación que la sustancia emite. Funciona comparando la luz emitida por la fuente de calor con la de una fuente estándar. El pirómetro también tiene aplicaciones en astronomía.

Salmuera. Disolución de agua con mucha sal.

Figura 3.50 Comparación entre las diferentes escalas termométricas.

Para construir una escala se debe escoger un cuerpo termométrico, es decir, un cuerpo en el que alguna de sus propiedades varíe en forma continua y medible con la temperatura, y luego tomar un origen y una unidad. Esto se hace empíricamente. En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura, pero las más usadas son las siguientes (figura 3.51): la escala Celsius, también conocida como escala centígrada, la escala Fahrenheit y la escala termodinámica internacional o escala Kelvin. En la escala Celsius, el origen (0 °C) se fija en el punto de congelación del agua a una atmósfera de presión. Si se utiliza un termómetro de mercurio, la unidad (el grado Celsius) se determina marcando el punto al que desciende la columna de este metal líquido cuando se introduce en hielo, y luego marcando el punto hasta donde asciende la columna cuando el termómetro se introduce en agua hirviendo. El espacio que queda entre las dos marcas se divide en 100 partes; cada parte equivale a un grado Celsius. La escala Celsius se utiliza en todo el mundo, en particular, en el trabajo científico. En el caso de la escala Fahrenheit, Celsius que se usa en los países anglosajones, el 100 divisiones cero (0 °F) se fijó en la temperatura de fusión de una salmuera, y los 100 °F en 0 20 40 60 80 100 la temperatura del cuerpo humano. En esta escala, el punto de congelación del Fahrenheit agua es 32 °F y su punto de ebullición 180 divisiones es 212 °F. En la escala Kelvin, el cero se toma 32 100 150 212 como el cero absoluto de temperatura, es decir, la temperatura a la cual las moléculas de cualquier sustancia estarían Kelvin 100 divisiones en reposo, y se ubica en –273.15 °C. La magnitud de su unidad, llamada Kelvin 273 373 y simbolizada por K, es del mismo tamaño que el grado Celsius (figura 3.50).

Aproximación al conocimiento científico Reúnete con un compañero para llevar a cabo este experimento.

Material: ¿Qué necesitamos? Una botella de plástico de 500 mL con tapa, 300 mL de agua, un termómetro de mercurio, un trapo.

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Coloquen los 300 mL de agua fría en la botella, midan su temperatura con el termómetro y luego ajusten la tapa (figura 3.51). 2. Cubran completamente la botella con el trapo y agítenla vigorosamente durante diez minutos (figura 3.52). Figura 3.51

Figura 3.52

144

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 144

12/21/12 12:26 PM


Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? 1. ¿Qué le ocurrió a la temperatura del agua después de agitar la botella? ¿Era eso lo que esperaban? 2. ¿Qué forma de energía está relacionada con el movimiento? Establezcan la conexión entre esta respuesta y la de la pregunta anterior considerando la teoría cinética. 3. ¿Con qué mecanismos se puede aumentar la temperatura de un sistema?

Integramos El concepto de temperatura está muy relacionado con el diario vivir, y se le emplea para referirse al nivel tolerable para ingerir alimentos o bebidas, a la fiebre en los enfermos o al estado del tiempo. Las personas tienen un concepto intuitivo de lo que significa caliente o frío, pero sus sentidos pueden darles respuestas equivocadas y además las sensaciones pueden variar de un individuo a otro. Por ello, es necesario establecer una escala que permita clasificar las temperaturas en orden creciente, y arbitrariamente fijar un origen (el cero de la escala) y la unidad de medida. Esto se puede lograr si se considera un fenómeno físico que sea una función constantemente creciente o decreciente en un rango de temperaturas utilizables. Entre los fenómenos físicos más conocidos que se han empleado para clasificar temperaturas y hacer termómetros se pueden citar la dilatación y la contracción de sólidos, líquidos o gases, la variación de resistencia eléctrica y la radiación electromagnética que emiten todas las sustancias.

Para saber más La temperatura normal del cuerpo humano oscila entre 35 °C y 37 °C. Si la temperatura axilar es mayor o igual a 38 °C, esto significa que hay fiebre. Las fiebres por encima de los 40.5 °C pueden provocar delirios y serias complicaciones, por ejemplo, un infarto cardiaco. Las temperaturas superiores a 42 °C en el ser humano suelen ser incompatibles con la vida.

Desarrolla tu pensamiento científico Para convertir medidas de una escala de temperatura a otra se utilizan las siguientes relaciones, donde se ha aproximado la equivalencia a Kelvin. 1. Usa el cuadro 3.6 para resolver los siguientes planteamientos en tu cuaderno.

Conversiones entre escalas A Fahrenheit A Celsius A Kelvin

De Fahrenheit ___________________

K=

5 9

5

F=

o

9 5

o

C  32

(o F 32)

___________________

(o F  32)  273

K = o C  273

C=

o

De Celsius

9

De Kelvin F=

o

9 5 o

(K  273)  32

Si quieres participar en un interactivo que simula cómo medir temperatura puedes visitar http:// concurso.cnice.mec. es/cnice2005/93_ iniciacion_ interactiva_materia/ curso/materiales/ propiedades/ temperatura.htm

C = K  273

___________________

» ¿Cuáles son los valores de la temperatura normal del cuerpo humano en las tres escalas? » Si tu avión aterriza en Estados Unidos de América y la azafata dice que la temperatura es de 73 ºF, ¿debes abrigarte antes de salir? ¿Por qué? » ¿Cuáles son las equivalencias en grados Celsius y Fahrenheit correspondientes a 0 K? ¿Qué significa que una temperatura sea negativa?

145

S-Fis-CNT-B3-129-145_PDF_alta_alumno 145

12/21/12 12:26 PM


3

BLOQUE

Lección 5

La estructura de la materia a partir del modelo cinético de partículas Calor, transferencia de calor y procesos térmicos: dilatación y formas de propagación. Cambios de estado; interpretación de gráfica de presión-temperatura

aprendizajes esperados. Describe la temperatura a partir del modelo cinético de partículas con el fin de explicar fenómenos y procesos térmicos que identifica en el entorno, así como a diferenciarla del calor. Describe los cambios de estado de la materia en términos de la transferencia de calor y la presión, con base en el modelo cinético de partículas e interpreta la variación de los puntos de ebullición y fusión en gráficas de presión-temperatura.

Comenzamos

Figura 3.53 El calor juega un importante papel en la cocción de los alimentos.

Para saber más El calor específico es la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en un Kelvin o en un grado Celsius. La capacidad calorífica es la cantidad de calor que hay que suministrar a toda la masa de una sustancia para elevar su temperatura en un grado kelvin o en un grado Celsius.

La cocina puede ser un laboratorio para estudiar física. Supón que cocinarás mero a la mantequilla. Lo primero que harás es poner el paquete con los filetes de mero bajo la llave del agua caliente porque al tenerlos en el congelador se les ha formado una pequeña capa de hielo que hay que eliminar para separarlos. Luego, pones un trozo de mantequilla sobre una sartén (que es metálica, pero tiene mango de plástico), donde se calienta hasta que se derrite. Finalmente, salas el pescado y lo pones a freír en la sartén con la mantequilla derretida (figura 3.53). 1. Lee las preguntas y respóndelas en tu cuaderno. » ¿Qué pasa si sacas el mero del congelador unas horas antes de preparar la comida? » ¿Por qué la mantequilla es sólida si está en el refrigerador y se derrite cuando la calientas en una sartén? » ¿Por qué conviene que la sartén metálica tenga mango de plástico?

Aprendemos

Ya se señaló que la temperatura de un cuerpo está relacionada con la energía cinética media de las moléculas que lo componen y que no es lo mismo que el calor. Cuando se calienta un cuerpo, sus partículas se mueven más deprisa, por lo cual aumentan su energía cinética. Si se enfría ocurre lo contrario: disminuye la energía cinética de las partículas. Esto ya sugiere que el calor es una forma de energía. También se apuntó que el funcionamiento de los termómetros depende del uso de sustancias termométricas, es decir, sustancias que poseen alguna propiedad muy sensible a los cambios de temperatura, por ejemplo, el volumen, que puede aumentar o disminuir; a este fenómeno que se le conoce como dilatación o contracción térmica. De manera cotidiana, esto se observa cuando las sustancias se “agrandan” o “empequeñecen” al aumentar o disminuir Conducción la temperatura. Convección Seguramente, habrás notado u oído que al colocar las vías de ferrocarril se suelen dejar algunos espacios entre durmiente y durmiente para evitar que por dilatación se deformen. Y como también ya Radiación se mencionó, se utiliza la dilatación del mercurio en los termómetros que lo emplean como sustancia termométrica. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor también es energía, pero solo se manifiesta cuando se transfiere de un cuerpo a otro, es decir, es energía en tránsito. La transferencia de calor puede llevarse a cabo de tres formas distintas: por conducción, Figura 3.54 El calor se transmite por conducción, por convección o por radiación (figura 3.54). conveción o radiación. 146

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 146

12/21/12 12:29 PM


La conducción térmica es el proceso de transferencia de calor que se produce sin que exista transferencia de masa entre dos o más cuerpos a diferentes temperaturas; generalmente, se presenta en materiales sólidos. Este fenómeno se manifiesta, por ejemplo, cuando se calienta una sartén sobre el fuego de la estufa. Los metales son muy buenos conductores del calor, algunos materiales son malos conductores del calor, por ejemplo, muchos plásticos (figura 3.55). La convección térmica solo se presenta en líquidos o gases, ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura hacia regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio, por ejemplo, el agua o el aire. Un ejemplo de ello puede observarse en los calentadores de aire eléctricos dentro de la casa (figura 3.56). Finalmente, se tiene la radiación térmica, que es el proceso por el cual el calor se transmite a través de ondas electromagnéticas, de las que se hablará más adelante. El calor que nos llega del Sol es probablemente el ejemplo más sencillo de radiación.

Figura 3.55 Las ollas para cocinar son de metal, para facilitar la conducción del calor.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Escribe en tu cuaderno cinco ejemplos de lo que se solicita. » Materiales que conducen bien el calor. » Materiales aislantes » Situaciones en las que se presenta la convección térmica.

Debido a las condiciones de la superficie terrestre, tan solo algunas sustancias como el agua pueden hallarse de modo natural en los tres estados de agregación. La mayoría de las sustancias se presenta en la naturaleza únicamente en estado sólido, líquido o gaseoso. Así, los metales o las sustancias que forman los minerales se suelen encontrar en estado sólido; y el oxígeno o el dióxido de carbono, en estado gaseoso. Sin embargo, como el estado de agregación en que se presenta una sustancia depende del tipo de material, de la temperatura y de la presión, es posible crear de manera artificial las condiciones para que una sustancia que naturalmente se encuentra en estado sólido se pueda tener también en estado líquido. Cuando, como resultado de alguna acción, una sustancia pasa de un estado de agregación a otro, se dice que ocurre un cambio de estado. Así pues, un cambio de estado es el paso de una sustancia de un estado de agregación a otro como consecuencia de una modificación de la temperatura o de la presión. Los cambios de estado son los siguientes.

Cambio de estado

Cuadro 3.3 Consiste en…

Fusión

el paso de una sustancia del estado sólido al líquido.

Solidificación o congelación

el cambio de estado de líquido a sólido.

Vaporización

el cambio de estado de líquido a gas. Se puede producir mediante evaporación o ebullición. La evaporación se produce solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura, mientras que la ebullición se produce en todo el líquido y a una temperatura característica llamada temperatura de ebullición.

Condensación

el paso del estado gaseoso al líquido.

Sublimación

el cambio del estado sólido al gaseoso, sin pasar por el estado líquido.

Sublimación inversa

el cambio del estado gaseoso al sólido, sin pasar por el estado líquido.

Figura 3.56 Las manos se calientan porque el calor se transporta a través del aire.

Para saber más Puedes hacer experimentos sencillos para aprender sobre los estados de la materia, para ello consulta el libro Experimentos sencillos con sólidos y líquidos, de Hans Jürgen (2006), Santillana, Biblioteca del Aula.

147

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 147

12/21/12 12:29 PM


Desarrolla tu pensamiento científico

Figura 3.57 El dióxido de carbono sólido (hielo seco) no moja, porque no se derrite.

Una pista Para medir La caloría (cal) es una unidad de energía que se basa en el calor específico del agua. Aunque esta unidad no se usa en el ámbito científico actual (la unidad de energía es el joule en el Sistema Internacional de Unidades), sí se sigue usando para expresar el valor energético de los alimentos. Su equivalencia es 1 cal = 4.186 J

Figura 3.58 Diagrama de fases del agua.

120

Temperatura T (ºC)

100 80 60 40 20 0

1. Reflexiona sobre las preguntas y respóndelas en tu cuaderno. » Cuando te duchas con agua muy caliente el vapor forma gotas en las paredes del baño, ¿cómo se llama ese cambio de estado? » ¿Has visto qué le pasa a un trozo del llamado hielo seco (dióxido de carbono congelado) cuando lo dejas un rato sobre un plato? Pasa directamente a vapor (figura 3.57). ¿Cómo se llama ese cambio de estado? » ¿Qué le pasa alrededor de la llama a la cera de una vela prendida? ¿Cómo se llama ese cambio de estado?

Aproximación al conocimiento científico La siguiente actividad te permitirá observar cambios de estado sólido a líquido y viceversa.

Material: ¿Qué necesitamos? Una vela, una cucharilla de metal y un encendedor

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Enciendan la vela y observen qué le pasa cuando han transcurrido algunos minutos. 2. Dejen caer una gota de cera sobre un papel y otra sobre la cucharilla que previamente habrán calentado con el encendedor.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» ¿Qué le pasa a la cera en el papel? ¿Qué le pasa en la cucharilla? » ¿A qué atribuyen este resultado? Si tuvieran una mecha, ¿podrían hacer una nueva vela a partir de la cera derretida ya fría? ¿Cómo podrían lograrlo?

La teoría cinética de partículas explica los cambios de estado como sigue: al calentar un sólido, la energía cinética media de sus moléculas aumenta, por lo que su vibración se hace cada vez más intensa hasta que, alcanzada la temperatura de fusión, las fuerzas entre ellas se vuelven tan débiles que las moléculas adquieren bastante libertad de movimiento, lo cual es una característica del estado líquido. Al continuar transfiriéndoles calor, las moléculas siguen aumentando su energía cinética media. En el momento en que se alcanza la temperatura de ebullición incluso las moléculas del interior del líquido tienen suficiente Sólido energía cinética para pasar al estado de vapor. En la figura 3.58 se observa cómo a medida que aumenta Líquido el calor suministrado a una muestra de hielo, crece la y sólido temperatura. Sin embargo, hay dos escalones (a 0 °C y a 100 °C) donde la temperatura no cambia a pesar de Líquido que se suministre calor. En esos puntos, el calor suministrado se utiliza para el cambio de estado. En 0 °C, el Líquido y gaseoso hielo pasa a agua líquida y en 100 °C, el agua se hace Calor (cal) vapor. Esta gráfica también muestra muy claramente Gaseoso la diferencia entre calor y temperatura.

148

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 148

12/21/12 12:29 PM


D Líquido

(Alta presión, baja temperatura)

Presión

En el estado gaseoso, las moléculas prácticamente son libres (la fuerza entre ellas es insignificante) y están muy separadas. Si se sigue transfiriendo calor a presión constante, las moléculas se separarán más y más debido al incremento de su energía cinética media y podrán ocupar todo el volumen del recipiente en el que están contenidas. Es importante enfatizar que mientras se producen los cambios de estado la temperatura permanece constante, ya que la energía aportada al sistema es invertida en vencer las fuerzas de atracción intermolecular. En termodinámica y ciencia de materiales se llama diagrama de fase a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de una sustancia, en función de las variables elegidas para su estudio. Los diagramas de fase más sencillos son los de presión-temperatura de una sustancia pura (esto es, que no contiene otras sustancias disueltas), como el que se muestra en la figura 3.59. En este diagrama de fase, cada punto representa una combinación posible de presión y temperatura que da como resultado que el sistema sea un sólido, un líquido o un gas. Como está indicado, cada área del diagrama de fase corresponde a cada uno de los estados: sólido, líquido y gaseoso. Si se traza una línea horizontal, a una presión constante adecuada, es posible apreciar cómo al aumentar la temperatura se pasa de sólido a líquido y después a gas. Respecto a las líneas que dividen a los tres estados, estas reflejan situaciones de equilibrio en las que conviven dos estados. Por ejemplo, la línea AB indica las combinaciones de presión y temperatura a las que el sólido está en equilibrio con el gas: la misma cantidad de sólido se sublima para formar gas que de gas se condensa para formar sólido. El mismo razonamiento se cumple para las otras líneas. En la BC hay equilibrio entre líquido y gas; y en la BD, entre sólido y líquido. El punto B, llamado punto triple, describe una situación muy particular: las condiciones de presión y temperatura para que coexistan los estados sólido, líquido y gaseoso.

C

Sólido

Gas

B A

(Alta temperatura, baja presión)

Temperatura

Figura 3.59 Diagrama de fases de una sustancia pura dentro de un recipiente, que muestra el efecto de la presión y la temperatura.

Integramos En el lenguaje cotidiano a veces se confunden los términos calor y temperatura. Si bien se puede decir intuitivamente que la temperatura es una medida de la cantidad de calor de un cuerpo y es claro que si se le proporciona calor al cuerpo su temperatura aumenta, el calor es parte de la energía interna de los cuerpos que puede transferirse o recibirse. Por medio de la teoría cinética, y considerando lo anterior, se pueden explicar los cambios de estado que sufren las sustancias cuando varían su temperatura o su presión. Tanto el hielo del paquete de filetes de mero que se funde por la acción del agua caliente como la mantequilla que se derrite son dos cambios de estado provocados por el suministro de calor. La sartén es metálica porque estos materiales conducen muy bien el calor y permiten cocinar más rápidamente; pero el mango de la sartén es de un material aislante, para evitar quemaduras al cocinar.

Pon a prueba tus conocimientos. Observa la relación entre el tiempo y la temperatura en el siguiente interactivo: http://newton.cnice. mec.es/materiales_ didacticos/calor/calorestados1.htm

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza la gráfica de temperatura contra calor. Considera que se trata de una sustancia diferente al agua, que empieza siendo sólida y termina en estado gaseoso. Luego, contesta. » ¿Cuál es la temperatura de fusión? » ¿Cuál es la temperatura de vaporización? » ¿Qué significan las líneas horizontales en la gráfica?

T (oC)

30 oC 0 oC 20 oC

t (min)

149

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 149

12/21/12 12:29 PM


3

BLOQUE

Lección 1

Energía calorífica y sus transformaciones Transformación de la energía calorífica. Equilibrio térmico. Transferencia del calor: del cuerpo de mayor al de menor temperatura

aprendizaje esperado. Describe cadenas de transformación de la energía en el entorno y en actividades experimentales, en las que interviene la energía calorífica.

Comenzamos Para saber más El calor latente del cambio de estado es la cantidad de energía necesaria para cambiar el estado de agregación de cierta cantidad de una sustancia. Generalmente, el calor latente de fusión suele ser menor al calor latente de vaporización, lo que significa que la misma cantidad de sustancia pasará antes de sólido a líquido que de líquido a gas. El calor latente corresponde a los escalones de la gráfica de la figura 3.26, cuando el sólido se hace líquido a 0 ºC y el líquido se hace vapor a 100 ºC.

Figura 3.60 La transferencia de calor está presente en muchos procedimientos cotidianos, como la elaboración de una taza de té.

Para prepararse un té, Jorge primero pone en una cacerola agua de la llave y luego la calienta en la estufa unos tres minutos hasta que hierve. Después, vierte el agua en una taza y mantiene dentro de esta la bolsita de té por un minuto y medio. Como la taza y el té que contiene están demasiado calientes en ese momento, él debe esperar unos cinco minutos más para que se enfríen lo suficiente y poder beberlo. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Cómo se transfiere el calor de la estufa al té de Jorge? » ¿Qué es lo que provoca el enfriamiento del té caliente? » Seguramente te gustan las quesadillas o los tacos al carbón, ¿por qué crees que se utiliza carbón para cocinarlos? » ¿Cómo funciona un calentador de gas? Investígalo y explícalo con tus palabras. » ¿En qué se fundamenta el funcionamiento de un calentador solar? Averígualo y haz una descripción breve.

Aprendemos En la vida cotidiana hay numerosos ejemplos, como el de la taza de té, en los que un objeto que inicialmente está muy caliente, a una temperatura mayor que la de la habitación en que se encuentra, al cabo de un tiempo se enfría de manera espontánea hasta quedar a la temperatura de la habitación (figura 3.60). De acuerdo con el modelo cinético de partículas, el hecho de que la temperatura del objeto disminuya indica que la energía cinética media de sus partículas ha decrecido, por lo cual, el objeto ha cedido una cantidad de su energía inicial al aire, más frío, que lo rodea, cuyas moléculas han recibido dicha energía. Aunque la energía cinética de las moléculas del aire se incrementa por esta cesión, el aumento de la energía cinética media total es imperceptible por ser tan numerosas las moléculas que ocupan la habitación entera, y, por lo tanto, la temperatura de la habitación no cambia. A este tipo de transferencia de energía de un objeto caliente a otro más frío se le llama calor. La explicación previa también permite entender por qué un refresco que se saca del refrigerador y se pone en una habitación que está a una temperatura mayor, al cabo de un tiempo se calienta y adquiere de manera espontánea la temperatura de la habitación. Aquí hay nuevamente una transferencia de energía en forma de calor, en este caso, de las moléculas del aire al refresco.

150

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 150

12/21/12 12:29 PM


Nota que tanto el enfriamiento como el calentamiento de un objeto ocurren por transferencia de calor del objeto de mayor temperatura al de menor temperatura, como se muestra en la figura 3.61. Alrededores (más frío)

Alrededores (más caliente)

Flujo de energía

Flujo de energía

Considerando lo anterior, se puede dar una definición alternativa de temperatura como sigue: la temperatura es una medida de la capacidad que tiene un sistema físico de transferir energía en forma de calor a otro sistema físico. Así, cuanto mayor sea la temperatura de un objeto, mayor será su tendencia a transferir calor, y viceversa: cuanto menor sea la temperatura de un objeto, mayor será su tendencia a ser el receptor en una transferencia de calor.

Figura 3.61 El calor es el flujo de energía de una región de más alta temperatura a una de menor temperatura.

Agua fría

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Supón que una taza pequeña de metal que tiene agua caliente se coloca dentro de otra taza más grande de poliestireno extruido (un buen material aislante) que contiene agua fría, y que ambas tazas están equipadas con termómetros que permiten monitorear el valor de la temperatura del agua conforme avanza el tiempo (figura 3.62). Responde las preguntas y en tu cuaderno haz lo que se te pide. » ¿Piensas que conforme avance el tiempo variará la temperatura del agua de cada taza respecto al valor que tenía inicialmente? Argumenta tu respuesta. » Con base en la respuesta a la pregunta anterior, construye una gráfica que represente cualitativamente el comportamiento de la temperatura del agua de la taza pequeña de metal conforme el tiempo avanza. Haz lo mismo para el agua de la taza de poliestireno. » Si pusieras las dos curvas en una sola gráfica, ¿se cruzarían? ¿Por qué?

En la explicación del enfriamiento de la taza de té o del calentamiento del refresco, se usó un enfoque muy útil para tratar problemas relacionados con el calor y la temperatura, es decir, problemas ubicados en el ámbito de la termodinámica. Se trata de separar en el problema al sistema termodinámico (en este caso, la taza de té) de lo que se designará como sus “alrededores” (el aire de la habitación que la rodea). En términos más precisos, el sistema es la porción del universo que se aísla para estudiarla y “sus alrededores” son el resto del universo, aunque en términos prácticos (como se hizo aquí) estos últimos se restringen considerando solo aquellos objetos que lo rodean directamente.

Agua caliente

Figura 3.62 Esquema del dispositivo. El recipiente interno es de metal y el externo de poliestireno.

Poliestireno extruido. Espuma rígida que se usa como un aislante térmico que se puede mojar sin perder sus propiedades. Se usa principalmente para aislar suelos y en paneles de fachadas.

151

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 151

12/21/12 12:29 PM


Para saber más La primera ley de la termodinámica permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. La segunda ley introduce la entropía y señala la dirección obligatoria en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos. Finalmente, la tercera ley afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos.

Figura 3.63 El agua caliente asciende desde el fondo de la cacerola hasta la superficie, luego, es remplazada por el agua fría que estaba encima.

Considera ahora lo siguiente. De acuerdo con lo que se ha señalado, si dos objetos (o un sistema termodinámico y sus alrededores) tienen temperaturas diferentes, entonces tienen también capacidades distintas para transferir calor. Conforme el tiempo transcurra, habrá un flujo de energía en forma de calor del objeto más caliente hacia el más frío, lo que hará que el primero se enfríe y el segundo se caliente. Este flujo continuará hasta que ambos objetos tengan la misma temperatura, punto en el cual se dice que ambos objetos habrán alcanzado el equilibrio térmico. El principio anterior se formalizó en lo que se conoce como la ley cero de la termodinámica, llamada así porque fue formulada después de otras tres leyes que habían sido denominadas primera, segunda y tercera ley de la termodinámica. Desde otro punto de vista, se puede decir que la ley cero establece que existe una determinada propiedad de los sistemas termodinámicos (la temperatura) que es común para todos los sistemas que se encuentren en equilibrio térmico mutuo con un sistema dado y constituye el fundamento para construir termómetros. Una vez que se ha determinado que una diferencia de temperaturas, bien sea entre dos sistemas o entre dos porciones distintas de un mismo sistema, provoca un flujo de calor, lo que sigue es observar cómo se transfiere este. En la lección anterior aprendiste que hay tres procesos (que a veces pueden ocurrir simultáneamente o predominar uno sobre los otros dos) mediante los cuales se transfiere el calor de un sistema a otro o de una parte de un sistema a otra: conducción, convección y radiación. La convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un objeto de temperatura diferente. La transmisión del calor a través de la pared de una casa se lleva a cabo fundamentalmente por conducción, mientras que el calentamiento del agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se realiza en gran medida por convección. Por otra parte, el calor que llega a la Tierra desde el Sol es casi exclusivamente debido a la radiación. La conducción requiere contacto físico entre los sistemas que intercambian calor, pero en la radiación no hace falta que los sistemas estén en contacto ni que haya materia entre ellos. De hecho, la radiación es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas, las cuales serán descritas en el siguiente bloque. En los sólidos, la transferencia de calor se da por conducción, mientras que los fluidos (líquidos y gases) son, en general, malos conductores del calor y su mecanismo de transferencia de calor es fundamentalmente la convección. Esta implica el movimiento del fluido de una región de alta temperatura a otra de menor temperatura. Considera, por ejemplo, la transferencia de calor hacia el agua cuando esta se calienta en una cacerola metálica situada sobre el quemador de una estufa. La fuente de calor en este caso es el quemador, que calienta la cacerola por conducción. Cuando el metal se calienta lo suficiente, comienza a conducir el calor hacia el agua. Al calentarse el agua que está en contacto con el fondo de la cacerola, se vuelve menos densa y por la diferencia de densidades entre el agua del fondo y la que está encima gradualmente aparecen corrientes de circulación que hacen que el agua caliente suba desplazando al agua fría que tiene encima. Esa agua fría se va hacia el fondo, donde empieza a calentarse y al hacerlo comienza a ascender, y así sucesivamente. Las corrientes de circulación se desarrollan lentamente con el tiempo y son la vía por la cual el agua calentada puede transferir energía del fondo de la cacerola a la superficie. Una representación esquemática de este proceso se muestra en la figura 3.63.

152

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 152

12/21/12 12:29 PM


Considera ahora un sistema aislado formado por dos cuerpos con diferentes masas y temperaturas, que intercambian calor. Por el principio de conservación de la energía, el calor cedido por uno es igual al calor absorbido por el otro. En ese caso, el intercambio de calor es proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos. Cuando estos dos cuerpos alcanzan el equilibrio térmico, es decir, alcanzan la misma temperatura, esta temperatura dependerá no solo de sus temperaturas iniciales, sino de sus masas y de sus calores específicos (ver Para saber más en la página 146). Por ejemplo, si mezclamos una cierta cantidad de agua con otra de aceite, a diferentes temperaturas, la temperatura de equilibro estará entre los valores iniciales de la del agua y de la del aceite, pero también dependerá de la masa del agua y de la masa del aceite, así como de sus calores específicos. El calor específico del aceite es aproximadamente la mitad del calor específico del agua.

Integramos En esta lección se ha reafirmado que el calor es una forma no mecánica de energía y se ha asociado la temperatura de un sistema con su capacidad para transferir calor a otro sistema. Esta transferencia siempre ocurre del sistema de más alta temperatura al de temperatura menor hasta que ambos alcanzan un estado de equilibrio térmico en el que cesa el flujo de calor y ambos sistemas adquieren la misma temperatura (figura 3.64). Regresa ahora al ejemplo de Jorge y su taza de té. Para prepararla, tuvo primero que transferir calor de la llama del quemador al agua, pasando por calentar la cacerola. En todo ello hubo al menos procesos de conducción del calor y convección. Luego, cuando ya había quitado la bolsita de té de la taza, el tiempo de espera antes de bebérselo fue para permitir que el agua hirviendo alcanzara el equilibrio térmico con el aire de la habitación, la cual estaba a una temperatura menor, o al menos con la temperatura de sus labios, para no quemarse. Con este ejemplo relativamente sencillo se han ilustrado varios de los aspectos de la ley cero de la termodinámica y de la transferencia de calor.

Aproximación al conocimiento científico

Figura 3.64 Cuando dos objetos están separados en equilibrio termodinámico (cuerpos A y B) con un tercer objeto (cuerpo C), la temperatura está en equilibrio entre todos, es decir, todos tienen la misma temperatura.

Figura 3.65

Reúnete con un compañero para llevar a cabo la siguiente actividad.

Material: ¿Qué necesitamos? Una cacerola, dos palanganas, un termómetro de mercurio, una taza medidora, una parrilla eléctrica o estufa y 1 L de agua

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Viertan 250 mL de agua en la cacerola y coloquen el termómetro dentro de ella. 2. Calienten la cacerola con agua hasta que el termómetro marque 35 °C. Tengan cuidado de no quemarse y de no romper el termómetro. 3. Pongan 250 mL de agua fría en una de las palanganas y midan su temperatura, anótenla en el cuaderno (figura 3.65).

4. Mezclen el agua caliente y el agua fría en la otra palangana y midan su temperatura.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» ¿Cómo cambió la temperatura del agua fría? » ¿Cuál fue el cambio en la temperatura del agua caliente? » Con base en el modelo cinético de partículas, expliquen los cambios en las temperaturas del agua caliente y del agua fría al mezclarlas. » ¿Podrían decir si el agua caliente le transfirió calor al agua fría o viceversa?

153

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 153

12/21/12 12:29 PM


3

BLOQUE

Lección 2

Energía calorífica y sus transformaciones Principio de la conservación de la energía

aprendizaje esperado. Interpreta la expresión algebraica del principio de la conservación de la energía, en términos de la transferencia del calor (cedido y ganado).

Comenzamos

Si quieres saber más acerca de la conservación de la energía y sus transformaciones, incluyendo información complementaria sobre este y otros temas de física, observa los siguientes videos de la serie “El Universo mecánico”. http://www. youtube.com/ watch?v=B4pwf0ROBww http://www. youtube.com/ watch?v=0MLmsm_ AhcU&feature=related

Figura 3.66 El péndulo de Newton es un dispositivo que demuestra el principio de conservación de la energía y de la cantidad de movimiento. Al poner en movimiento una de las bolas solo las dos de los extremos se mueven, mientras que las tres del centro permanecen quietas, pues almacenan la energía proporcionada por la de un extremo y la transmiten a la que se encuentra en el otro.

Alberto trabaja como ayudante de albañil en una obra cercana a su casa. Todos los días se levanta temprano y desayuna muy bien para tener las fuerzas suficientes para desarrollar su labor. Hoy levantarán un muro y Alberto es el encargado de recoger cada ladrillo del suelo y levantarlo para entregárselo a su compañero, quien lo colocará en la posición que le corresponda. Cuando el muro ya tiene cierta altura, en lugar de darle el ladrillo siguiente a su compañero, Alberto se resbala y deja caer el ladrillo, que choca contra el suelo con estruendo, lo que provoca la risa de los demás trabajadores de la obra. 1. Lleva a cabo las siguientes actividades. » Escribe las formas de energía que identifiques en el texto anterior. » Explica de qué manera el desayuno ayuda a Alberto a tener “las fuerzas” suficientes para desarrollar su labor. » Además de la energía mecánica (cinética y potencial) y el calor, ¿qué otras formas de energía conoces? » Averigua qué es una fuente de energía y explícalo con tus palabras. » ¿Sabes cuáles son las formas de energía que se usan en tu casa? Menciona tres de ellas.

Aprendemos La presencia e importancia de la energía en la naturaleza y en las actividades humanas se manifiestan de maneras diversas: hay huracanes y erupciones volcánicas; las plantas crecen; los animales se trasladan; y las máquinas y herramientas desarrolladas por el hombre hacen las más variadas tareas. La energía es una propiedad asociada con los objetos y las sustancias. Se manifiesta en los cambios físicos (por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo) y también en los cambios químicos (como cuando se quema un trozo de madera o en la descomposición del agua mediante una corriente eléctrica). Ya aprendiste que la energía es la capacidad que tienen los cuerpos o sistemas materiales de realizar trabajo, y también comprendiste que el calor es una forma de energía. Cuando se analizó la energía mecánica, estudiaste que la energía potencial puede transformarse en energía cinética y viceversa, y que en ausencia de fuerzas de rozamiento, esa energía mecánica se conserva (figura 3.66). En un contexto más general, ¿qué significa esto exactamente? Pues que la energía tiene la propiedad de transformarse de unas formas en otras, de manera que la disminución de una forma de energía supone el aumento de otra u otras. El ser humano se las ha ingeniado para aprovechar esta propiedad y así ha desarrollado formas de transformar unas energías en otras más aprovechables.

154

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 154

12/21/12 12:29 PM


Las transformaciones que ocurren en los sistemas materiales pueden describirse mediante los cambios que se producen en la energía de dichos sistemas. Estos cambios pueden ser de dos tipos: los que involucran una transferencia de energía de un sistema material a otro y aquellos en los que se da la transformación de una forma de energía en otra dentro de un mismo sistema material. La primera ley de la termodinámica, mencionada en la lección anterior, introduce explícitamente una propiedad de los sistemas termodinámicos, su energía interna (U), y establece que si se realiza trabajo sobre un sistema, o bien, si este intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará (figura 3.67). Esta ley permite definir el calor (Q) como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna. Matemáticamente,

Figura 3.67 La imagen muestra el experimento que diseñó Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. Los bloques (m) que caen hacen rotar las aspas, provocando que la temperatura del agua se incremente.

Uf – Ui = Q – T donde Uf es la energía interna del sistema (aislado) en el estado final; Ui es la energía interna del sistema en el estado inicial; Q es la cantidad de calor aportado al sistema; y T es el trabajo realizado por el sistema. El contenido físico de esta ley es fundamental, pues encierra el principio de conservación de la energía, el cual señala que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante, es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. Cabe destacar que este principio es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por las ciencias. Pesas

Desarrolla tu pensamiento científico

Aspas giratorias

1. Anota en tu cuaderno un ejemplo de las transformaciones de energía que se indican. » Energía potencial gravitatoria en eléctrica » Energía eléctrica en luminosa » Energía química en calorífica Las diversas formas de energía se pueden clasificar como sigue.

Energía

Descripción

Cinética

Se debe al estado de movimiento de un objeto.

Potencial

Se debe a la posición que guarda un objeto respecto a un origen determinado.

Térmica

Se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia.

Eléctrica

Es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, tres efectos: luminoso, térmico y magnético.

Radiante

Es la que tienen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojos (IR), etc. Se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. Este es el tipo de energía que nos proporciona el Sol y que nos llega en forma de luz y calor.

Acústica

Es la que tienen las ondas sonoras.

Química

Es la que se produce en las reacciones químicas. Una batería tiene este tipo de energía, también la tiene el carbón y se manifiesta al quemarlo.

Nuclear

Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos, la cual se libera en las reacciones nucleares de fisión y fusión.

155

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 155

12/21/12 12:29 PM


Figura 3.68 El funcionamiento de una parrilla eléctrica es un ejemplo de cómo se degrada la energía eléctrica al transformarse en calor.

Aunque las energías química, eléctrica y mecánica pueden convertirse en trabajo y en otras formas de energía con ayuda de la tecnología, no todos los tipos de energía son fáciles de utilizar para convertirlos en trabajo. Por ejemplo, el calor (energía calorífica) es de difícil reutilización; una vez que se le ha vertido al espacio abierto (chimeneas, tubos de escapes, etc.), volver a concentrarlo se convierte en un problema. Cuando ocurren transformaciones la energía se degrada, esto es, pierde calidad. De hecho, en toda transformación parte de la energía se convierte en calor o en energía calorífica y cualquier tipo de energía puede transformarse íntegramente en calor; pero, de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede transformarse íntegramente en otro tipo de energía. Por ello, se suele decir que el calor es una forma degradada de energía (figura 3.68). Ejemplos de esta degradación son el calor producido por una corriente eléctrica al pasar por una resistencia (transformación de energía eléctrica en calorífica); el que se libera en la combustión de algunas sustancias (transformación de energía química en calorífica); o el que se produce por choque o rozamiento (transformación de energía mecánica en calorífica).

Para saber más La energía cinética y la energía potencial son dos formas distintas de energía mecánica.

Resistencia. Componente eléctrico o electrónico formado por níquel y cromo o carbón, que se emplea para disminuir la corriente eléctrica que pasa por él. También se usa para producir calor, en electrodomésticos como planchas, parrillas, secadores para el pelo, etcétera.

Observa una presentación escolar hecha por una niña argentina de 11 años acerca del uso y aprovechamiento de la energía eólica. http://www.youtube. com/watch?v=BuN_ Ql6Nc5c&feature =related

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero para hacer en el cuaderno lo que se pide. m Averigüen qué es un móvil perpetuo de primera especie y explíquenlo con sus palabras. » ¿Creen que la posible existencia de tal móvil contradice el principio de conservación de la energía? Argumenten su respuesta. m Identifiquen el tipo de energía involucrado en cada una de las situaciones siguientes. » Un arco cuando está tenso. » Un balón que rueda sobre una superficie horizontal lisa. » Agua caliente en un cazo » Un cable de cobre conectado a una pila alcalina m Investiguen qué tipo de energía se transforma en una celda solar fotovoltaica.

Integramos En esta lección aprendiste que la energía puede transformarse de unas formas en otras o transferirse de unos cuerpos a otros, pero, en conjunto, permanece constante. En la vida cotidiana, las personas constantemente se benefician del principio de conservación de la energía y de las transformaciones entre sus diversas manifestaciones. En estas transformaciones, la energía se degrada, pierde calidad. En toda transformación, parte de la energía se convierte en calor o energía calorífica. Algo tan sencillo como la situación descrita al inicio de la lección, en la que Alberto levantó un ladrillo y después lo dejó caer accidentalmente, sirve para ejemplificar diversas transformaciones entre tipos de energía. Para empezar, la energía química almacenada en los alimentos que ingirió se transformó fisiológicamente en calor y luego en energía cinética (cuando movió sus manos), para posteriormente convertirse en la energía potencial del ladrillo cuando lo tuvo en alto. Al caer el ladrillo, esa energía potencial se transformó en energía cinética, y al chocar con el suelo, parte de dicha energía cinética se convirtió de nuevo en calor y otra parte se transmitió al aire como energía acústica (sonido).

156

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 156

12/21/12 12:29 PM


Otras transformaciones de energía se pueden encontrar en ejemplos de la vida cotidiana, como la transformación de la energía química en energía térmica, que ocurre en los calentadores domésticos de gas para calentar el agua de la regadera o en las estufas de gas, madera o carbón, para cocer los alimentos (figura 3.69). Aparatos como el tostador eléctrico, el secador de pelo o la plancha de la ropa son algunos de los ingenios que transforman la energía eléctrica en calor. La conclusión es que unas formas de energía pueden convertirse en otras, pero en ningún caso se puede destruir la energía. Es posible desperdiciarla o dejar que se degrade, pero nunca estará definitivamente perdida. En un determinado proceso, la cantidad de energía es la misma al inicio que en cualquiera de las etapas siguientes.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza la siguiente figura y explica en tu cuaderno cómo se va transformando la energía. » Señala con flechas las formas de energía representadas en el esquema.

2. Considera las tres situaciones siguientes y describe en tu cuaderno las transformaciones de energía que identificas en ellas. » El proceso que empieza con la generación de electricidad en una planta hidroeléctrica y culmina en una televisión encendida en una casa. » El proceso que inicia con el encendido del motor de combustión interna de un coche y culmina en el avance de este por una calle recta. » El ciclo del agua

Figura 3.69 En las estufas se aprovecha la transformación de la energía química, contenida en el gas, en energía térmica.

Para saber más Las fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza, de los que la humanidad puede obtener energía utilizable en sus actividades. El origen de casi todas ellas es el Sol y las hay renovables (aquellas que, tras ser utilizadas, se pueden regenerar de manera natural o artificial) y no renovables (las que se encuentran en forma limitada en la Tierra y se consumen a una velocidad mayor que la de su regeneración). Entre las primeras están la mareomotriz (mareas), la hidráulica (presas y embalses), la eólica (viento), la solar (el Sol) y la biomasa (vegetación). Entre las no renovables están los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y la energía nuclear (fisión y fusión nucleares).

Para conocer más acerca de las transformaciones de energía entra a http://mexico.aula365. com/post/energiatransformacion/

157

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 157

12/21/12 12:29 PM


3

BLOQUE

Lección 3

Energía calorífica y sus transformaciones Implicaciones de la obtención y aprovechamiento de la energía en las actividades humanas

aprendizaje esperado. Argumenta la importancia de la energía térmica en las actividades humanas y los riesgos en la naturaleza implicados en su obtención y aprovechamiento.

Comenzamos

Para que comprendas la situación descrita en la sección “Comenzamos”, analiza el cuadro de Escher titulado La cascada, en este sitio de Internet. http://www. eschergranada.com/ es/component/k2/ item/174-cascada

Figura 3.70 Las turbinas de gas son ejemplo de máquinas térmicas que se destinan a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas.

Mayte y Martín visitan una exposición del pintor holandés M. C. Escher (1898-1972). Ellos se asombran al ver un cuadro de una cascada que parece estar en movimiento perpetuo. En el cuadro, el agua de la cascada sube y vuelve a caer. Martín comenta que el agua de la cascada se podría usar para mover una rueda de molino y así obtener una máquina de movimiento perpetuo. Mayte alega que eso no es posible, porque en un caso real el agua no subiría sola al punto de partida. 1. Contesta. ¿Quién supones que tiene la razón: Martín o Mayte? ¿Por qué? 2. Piensa en algún experimento que pruebe el argumento que consideras correcto (el de Martín o el de Mayte). Descríbelo y coméntalo con tus compañeros.

Aprendemos Uno de los sueños imposibles de la humanidad ha sido construir una máquina que funcione sin consumir energía, una máquina que se ponga a funcionar con cierta inversión de energía y que continúe funcionando eternamente sin ninguna energía adicional. Hay muchos inventores frustrados que han buscado inútilmente crear esas máquinas, ya que las leyes de la termodinámica, que describen principios fundamentales de la naturaleza, explican los fenómenos que impiden su fabricación. Las hipotéticas máquinas de movimiento perpetuo son de dos tipos: las del primer tipo son aquellas que violarían la primera ley de la termodinámica, es decir, que no cumplirían el principio de la conservación de la energía, al producir más energía de la que consumen; las del segundo tipo violarían la segunda ley de la termodinámica, pues funcionarían en un ciclo en forma indefinida, solo intercambiando calor con una fuente térmica. Pero ¿qué es un ciclo termodinámico? Se llaman ciclos termodinámicos a los procesos que permiten que un sistema regrese a su estado inicial. En esos ciclos hay intercambios de calor y trabajo con el entorno. Por la primera ley de la termodinámica se sabe que la suma del calor que entra y el trabajo hecho sobre el sistema debe ser igual a la suma del calor que sale y el trabajo realizado por el sistema. Las máquinas térmicas trabajan en ciclos termodinámicos (figura 3.70). En general, una máquina térmica es aquella que en un ciclo toma calor de un recipiente caliente (Q1), después usa parte de ese calor para realizar un trabajo, y expele una cantidad menor de calor (Q2) en un recipiente más frío, para regresar a su punto de partida. La eficiencia de una máquina térmica es igual al calor útil extraído dividido entre la cantidad de energía calorífica que se sacó del recipiente más caliente (Q1). Según la segunda ley de la termodinámica, la eficiencia no puede ser de 100% porque siempre se pierde algo de la energía de entrada (Q1) en forma de calor (Q2). Ese calor perdido ya no es aprovechable.

158

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 158

12/21/12 12:29 PM


La fricción tiende a convertir la energía mecánica en calor (figura 3.71). Si se empuja un libro sobre una mesa, la fricción lo detiene y su energía cinética se convierte toda en calor; pero nunca vemos que pase lo contrario, es decir, que el libro convierta el calor de la fricción en movimiento. Desde luego, en una máquina térmica el calor se convierte en otras formas de energía, pero siempre con eficiencia menor a 100%.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Junto con un compañero, lee el siguiente texto. Los motores de combustión que utiliza la mayoría de los automóviles son máquinas térmicas (figura 3.72). Trabajan en cuatro tiempos que son la admisión, la compresión, la explosión y el escape. En el primer tiempo o admisión, el cigüeñal arrastra hacia abajo el émbolo, aspirando en el cilindro la mezcla carburante que está compuesta de gasolina y aire procedente del carburador. En el segundo tiempo se efectúa la compresión. El cigüeñal hace subir el émbolo, el cual comprime fuertemente la mezcla carburante en la cámara de combustión. En el tercer tiempo se efectúa la explosión, cuando la chispa que salta entre los electrodos de la bujía inflama la mezcla, produciéndose una violenta dilatación de los gases de combustión, que se expanden y empujan el émbolo, el cual produce trabajo mecánico al mover el cigüeñal, que a su vez mueve las llantas del coche y lo hace avanzar. Por último, en el cuarto tiempo, los gases de combustión se escapan cuando el émbolo vuelve a subir y los expulsa hacia el exterior por el mofle del automóvil.

Figura 3.72 Funcionamiento de un motor de combustión.

2. Utilicen este ejemplo para explicar por qué una máquina térmica trabaja en un ciclo. 3. Contesten las preguntas en su cuaderno. Si es necesario, investiguen en Internet. » ¿De dónde obtiene el calor Q1 y dónde expele el calor Q2? ¿Cuál es el combustible que se emplea? Con base en este análisis, expliquen por qué los automóviles contaminan. » ¿Cuál es la eficiencia de este ciclo? Expliquen por qué no puede ser de 100%.

Figura 3.71 El calor que se produce al friccionar un cerillo con la banda rasposa de la caja inicia la combustión.

Para saber más En este libro podrás leer acerca de las causas más comunes de la contaminación y sobre algunas medidas para prevenirla. Guillén Fedro, Carlos. (2003). Contaminación: causas y soluciones. sEP-Santillana: México.

Si bien la tecnología es una aplicación de la ciencia, no siempre se entiende totalmente un fenómeno antes de aplicarlo. Por ejemplo, la brújula fue inventada hace muchos años y la usaron valientes marineros del pasado, mucho antes de que se entendiera el magnetismo. Así, antes de conocerse las leyes de la termodinámica hubo varios intentos de construir máquinas térmicas. La más antigua de la que se tiene registro, la eolípila, fue inventada por Herón de Alejandría (20-62 a. n. e.). 159

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 159

12/21/12 12:29 PM


Figura 3.73 Representación de la eolípila, inventada por Herón de Alejandría.

Figura 3.74 Diagrama de una máquina de vapor del siglo XVIII.

La eolípila consistía en una pequeña caldera de latón que se llenaba de agua y se calentaba con una llama. A medida que el agua se evaporaba, aumentaba dentro la presión y eso hacía que el vapor saliera por los dos tubos, orientados en direcciones opuestas, por lo que la caldera giraba. Es decir, mediante calor se producía vapor y este, a su vez, producía movimiento (figura 3.73). Pasaron muchos años para aprovechar estas transformaciones de energía y hacer las máquinas de vapor de la Revolución Industrial (figura 3.74). Uno de los retos de ese periodo fue conseguir combustibles para producir el calor necesario. Hasta entonces, con algunas excepciones, el combustible más empleado había sido la leña. A partir de la Revolución Industrial se empezaron a utilizar los combustibles fósiles: el carbón, el petróleo y el gas natural, los cuales se han formado naturalmente mediante complejos procesos bioquímicos a partir de restos vegetales, durante millones de años. Los combustibles fósiles son un recurso natural que el ser humano ha ido gastando. Su gran poder energético fue la base del gran desarrollo industrial y económico del siglo XX. Desafortunadamente, su uso ha tenido un impacto negativo en el medio ambiente. Su combustión produce gases contaminantes como dióxido de carbono, el cual es un gas que contribuye al incremento del efecto invernadero, y óxido de azufre y nitrógeno, que producen lluvia ácida.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Investiga sobre los combustibles fósiles y elabora un cuadro como el siguiente.

Combustible Para conocer el Museo Nacional de los Ferrocarriles Mexicanos entra a http://www. youtube.com/watch?v =YtdY2mYSBjU&featu re=fvst Para leer acerca de la contaminación del aire visita la página de la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales. http://www. semarnat.gob.mx/ temas/aire/Paginas/ contaminacion.aspx

¿Cómo se forma?

En México, ¿dónde hay yacimientos?

Petróleo Carbón Gas natural

Hay que diferenciar lo que es una máquina térmica y lo que es la energía térmica. Se ha discutido ampliamente cómo funciona una máquina térmica, su ciclo termodinámico y su eficiencia. Hay energía térmica involucrada en este ciclo, en el calor que entra y en el que sale. Ahora se hablará de otras propiedades de la energía térmica y de sus aplicaciones. La energía térmica es la energía que se libera en forma de calor. Puede obtenerse por la combustión, la reacción nuclear, la energía solar y la geotermia. La energía térmica se usa directamente para calentar agua y para cocinar; con la tecnología adecuada, se puede utilizar para refrigerar y para producir energía eléctrica.

160

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 160

12/21/12 12:29 PM


El uso de la energía está directamente relacionado con la calidad de vida. Sin embargo, se ha visto que el consumo de energía tiene implicaciones en el deterioro del ambiente, por ejemplo, en la deforestación de los bosques cuando se usa leña como combustible y en la contaminación del aire (figura 3.75). Es necesario buscar un equilibrio para garantizar el desarrollo social sin acabar con los recursos naturales ni contaminar el medio ambiente.

Integramos Gracias al avance de la termodinámica fue posible construir máquinas térmicas muy eficientes, dentro de las limitaciones de la naturaleza. Las máquinas térmicas trabajan en ciclos en los que hay intercambios de calor y trabajo. Su eficiencia depende de la utilidad que se obtenga respecto a lo que se invierta en el proceso. La termodinámica ha permitido aprovechar la energía para nuestras actividades y ha tenido enormes implicaciones, ya que cambió radicalmente la riqueza de las sociedades humanas a partir de la Revolución Industrial. Pero se ha pagado un costo por ello, por un lado, se han gastado reservas naturales como el petróleo, que no es posible recuperar, y por otro, se ha contaminado el medio ambiente debido a la quema de combustibles fósiles. Ahora, si no es posible revertir los daños, sí se deben mitigar los efectos de estas acciones. Para ello, hay que entender la situación y tomar decisiones razonadas. El siguiente paso es buscar tecnologías más benignas para el medio ambiente, que propicien una sociedad más equitativa, así como el cuidado del planeta, para las generaciones siguientes.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma un equipo con tres compañeros para organizar una discusión sobre el tema “La importancia de la aplicación de la energía térmica y los riesgos que ha implicado su aprovechamiento”. m Elijan al moderador de la discusión, quien será el encargado de tomar notas y de presentar las conclusiones. Los otros tres compañeros se repartirán los siguientes puntos y los expondrán. a) ¿En qué forma la termodinámica contribuyó al desarrollo de las máquinas térmicas? b) ¿En qué consistió la Revolución Industrial? c) ¿Por qué el uso de las máquinas térmicas tiene consecuencias en la contaminación ambiental y en el desgaste de los recursos naturales? Incluyan ejemplos. m Al finalizar, organícense para que los moderadores de cada equipo pasen al frente del grupo a presentar sus conclusiones.

Figura 3.75 Una de las consecuencias del uso de los recursos naturales es la enorme pérdida de biodiversidad.

Para saber más El Sistema Nacional de Información Ambiental y de Recursos Naturales (sniarn) es un conjunto de bases de datos, equipos, programas y procedimientos dedicados a recopilar, organizar y difundir información acerca del medio ambiente y de los recursos naturales del país. El sniarn integra la información relativa a los inventarios de recursos naturales, al monitoreo de la calidad del aire, agua y suelo, al ordenamiento ecológico del territorio y a los registros, programas y acciones encaminados a la preservación del equilibrio ecológico y la protección al medio ambiente. http://www. semarnat.gob.mx/ informacionambiental/ Pages/sniarn.aspx

161

S-Fis-CNT-B3-146-161_PDF_alta_alumno 161

12/21/12 12:29 PM


Proyecto

Fase 1

BLOQUE 3 5 inicio

Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar aprendizajes esperados. Plantea y delimita un proyecto derivado de cuestionamientos que surjan de su interés y para el que busque solución. Utiliza la información obtenida mediante la experimentación o investigación bibliográfica para elaborar argumentos, conclusiones y propuestas de solución a lo planteado en su proyecto. Diseña y elabora objetos técnicos, experimentos o modelos con creatividad, que le permiten describir, explicar y predecir algunos fenómenos físicos relacionados con las interacciones de la materia. Sistematiza la información y organiza los resultados de su proyecto y los comunica al grupo o a la comunidad utilizando diversos medios: orales, escritos, modelos, interactivos, gráficos, entre otros.

Has concluido el tercer bloque y ha llegado el momento de aplicar los conocimientos que adquiriste a lo largo de las sesiones trabajadas. Recuerda que los proyectos estudiantiles tienen diferentes propósitos, entre ellos, el que puedas elaborar modelos matemáticos que te permitan predecir algunos resultados. Te sugerimos recordar otras funciones de los proyectos.

Propuestas de actividades para la fase 1 1. Reúnete con tu equipo para leer y comentar los siguientes textos.

Energía y máquinas El ser humano fabricó la primera herramienta al moldear un pedazo de piedra o un hueso. Desde entonces ha dedicado gran parte de su inventiva a crear mecanismos para facilitar su existencia. Sin definir el concepto, la humanidad empezó a manejar las formas de energía que le eran accesibles y, aprovechando sus transformaciones, pudo crear diversas herramientas y máquinas que producen movimiento, como los motores. […] La idea de utilizar fuerzas naturales para satisfacer las necesidades humanas resurgió en el siglo xvii, periodo de gran avance científico en que existía una inmensa necesidad de fuerza bruta para el bombeo del agua que se acumulaba en las minas y para mover las ruedas de la floreciente industria. Uno de los fenómenos naturales de uso obvio era el calor. […] El científico francés Denis Papin logró construir una olla a presión, precursora de la que se usa en nuestros días. Papin dio también los primeros pasos para construir una máquina de vapor práctica. A mediados del siglo xviii, en Inglaterra, la ya mencionada necesidad de sacar agua de las minas alimentó el ingenio de los inventores, quienes empezaron a diseñar mecanismos con los que generaban movimiento a partir de calor. Con los trabajos de Savery, Newcomen y Watt nació la máquina de vapor y con ella el mundo de la industria. Sánchez, A. M., Trigueros, M. y Tagüeña, J. (1999). Energía. México: unam/Dirección General de Divulgación de la Ciencia (Fragmento)

162

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 162

1/18/13 12:38 PM


¿Qué es la termodinámica? Francois Leyvraz

De lo que se trata la termodinámica es del uso de la energía que aparece en forma de calor. La primera máquina que usó la “potencia del fuego” de manera útil fue la máquina de vapor. […] —Y supongo que me dirás que la termodinámica y la segunda ley, ¿hacen imposible una eficiencia de 100% en máquinas que involucran calor? —Precisamente —contesté—. Para una máquina que usa calor, es necesario hacer pasar el calor de una fuente de temperatura alta a otra de temperatura baja si queremos obtener cualquier provecho del calor. —Bien veo —contestó— que un motor realiza parte de su operación a una temperatura alta, pero no veo dónde se requiere otra temperatura baja. —Se requiere —le contesté— porque el mundo que nos rodea, con su temperatura baja, hace posible que un gas caliente se expanda y actúe con fuerza sobre el émbolo. —¡Ya lo veo! —exclamó—. Si la temperatura de ambos lados del émbolo fuera la misma, este no tendría motivo alguno para moverse más de un lado que del otro. Así que lo importante es la asimetría en las temperaturas. —Exactamente, pero hay más: la segunda ley no nos habla solo de motores, sino de procesos físicos arbitrarios. Afirma, por un lado, que ningún proceso puede desarrollarse cuando las temperaturas son iguales y, por otro lado, afirma que todos los procesos tienden a igualarlas. Fragmento tomado de http://www.acmor.org.mx/descargas/09_dic_21_termodinamica.pdf con el permiso de la Academia de Ciencias de Morelos y la Unión de Morelos (Consultado el 27 de enero de 2012)

2. Con base en los textos anteriores, comenten lo que más les llamó la atención y lo que saben al respecto. 3. Definan el problema que resolverán en el proyecto. Pueden partir de preguntas como la siguiente. Intercambien opiniones al respecto. » ¿Cómo funcionan las máquinas de vapor? 4. Puede que tengan otros intereses y decidan resolver un problema distinto al sugerido con la pregunta anterior, por ejemplo: ¿Cómo funciona una olla de presión?; si es así, ¡adelante!, infórmenle a su profesor, quien les comentará si es pertinente. 5. Decidan el tipo de proyecto en el que participarán (científico, tecnológico o ciudadano). Después, con base en el tema que eligieron, revisen lo que saben y lo que han aprendido en otros cursos o asignaturas. Procuren responder estas preguntas. » ¿Qué sabemos? » ¿Qué necesitamos investigar? » ¿Cómo nos ayudará lo que sabemos a resolver el problema que elegimos?

163

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 163

1/18/13 12:38 PM


Proyecto

Fase 2

BLOQUE 3

planeación

Problemática identificada Para que una máquina sea útil es necesario saber en qué ciclo funciona y con qué eficiencia trabaja.

¿Qué haremos? Buscar información en libros y artículos

FASE 2: PLANEACIÓN El éxito de todo proyecto estudiantil depende de la planeación de las actividades y se inicia con su delimitación. Lean lo que hicieron los estudiantes de una escuela secundaria para planear su proyecto. Con base en ello, decidan cómo harán el suyo. Los miembros del equipo analizaron la pregunta elegida y después de reconocer lo que sabían del tema, se plantearon un propósito, es decir, un problema que pudieran resolver. En este caso, optaron por la pregunta “¿Cómo funcionan las máquinas de vapor?”, y decidieron solucionar el siguiente problema. Investigar en qué consiste el llamado ciclo de Carnot y cómo se calcula en este la eficiencia de una máquina. Después, definieron de manera general lo que indagarían, para qué lo harían y cómo habrían de lograrlo. Al final, propusieron una serie de actividades que organizaron en el cuadro 3.1.

Cuadro 3.1 Planeación del proyecto Contenidos del Posible solución Propósito bloque que se pueden utilizar Encontrar la relación matemática que permita calcular la eficiencia de una máquina en un ciclo de Carnot.

Obtener resultados numéricos

Calor, temperatura, presión, volumen

¿Dónde investigaremos? En libros de la biblioteca escolar (de la sep) o en páginas de Internet, por ejemplo: http://arquimedes.matem.unam.mx/DescartesWeb2.0/doctec/fisica/ calor/CicloDeCarnot.htm

Recursos necesarios Computadora e Internet

¿Cuánto tardaremos? Una semana

Propuestas de actividades para la fase 2 1. Con base en la pregunta guía que escogieron, delimiten el problema, así como su posible solución. Comenten ésta con el profesor. 2. Propongan y organicen las actividades en el tiempo que han establecido para ello; asignen responsables. Pueden emplear un organizador como el cuadro 3.1. Un ejemplo de actividades es revisar manuales de diferentes máquinas y equipos comerciales y averiguar qué eficiencia prometen.

164

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 164

1/18/13 12:38 PM


3. Procuren responder estas preguntas. » ¿Qué queremos hacer? » ¿Qué recursos humanos, materiales y económicos requerimos para emprender el proyecto? ¿Con cuáles contamos? ¿Cuáles tenemos qué conseguir? » ¿Cómo registraremos y analizaremos los resultados? » ¿Cómo comunicaremos los resultados y las conclusiones?

Lleven a cabo las actividades que planearon. Procuren consultar a su profesor siempre que sea necesario e informarle sobre los avances; registren la información que obtengan. A continuación, se presentan actividades que hicieron algunos estudiantes durante esta fase del proyecto, según la pregunta guía que eligieron. Investigar en qué consiste el llamado ciclo de Carnot y cómo se calcula en él la eficiencia de una máquina Este equipo investigó en revistas de divulgación científica, libros e Internet cómo se define el ciclo de Carnot y cómo se calcula a partir de él la eficiencia de una máquina que trabaja en dicho ciclo. Entonces decidieron mostrar cómo se calcula matemáticamente la eficiencia en un ciclo de Carnot.

desarrollo

Fase 3

FASE 3: DESARROLLO

Investigación bibliográfica: buscar la información en Internet y en manuales de máquinas, y entrevistar a expertos considerando las siguientes preguntas. » ¿Cómo se define la eficiencia de una máquina? » ¿Por qué una máquina trabaja en ciclos? » ¿Cuál es el ciclo de Carnot? » ¿Qué es una máquina ideal? » ¿Cómo se calcula la eficiencia en un ciclo de Carnot? » ¿La eficiencia que se puede obtener de una máquina tiene un límite? Análisis de resultados y conclusiones El ser humano busca construir máquinas cada vez más eficientes, en el sentido de que den más trabajo por menos energía invertida. Nos gustaría tener una máquina que nos diera 100%, es decir, que toda la energía gastada se recuperara. Es además fundamental ponerle un número a esa eficiencia para saber qué se puede esperar de cada máquina. Sin embargo, hay un límite natural a lo que se puede obtener, más allá de la calidad de las fabricaciones. Estudiar el ciclo de Carnot resuelve la pregunta de la eficiencia máxima posible.

165

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 165

1/18/13 12:38 PM


Proyecto Propuesta de actividades para la fase 3

Fase 4

BLOQUE 3

COMUNICACIÓN

1. Después de llevar a cabo las actividades planeadas, analicen la información que obtuvieron. 2. Con base en los resultados, resuelvan el problema que se plantearon y obtengan conclusiones. Estas las presentarán en la siguiente fase del proyecto.

FASE 4: COMUNICACIÓN Es el momento de comunicar los resultados del proyecto. Para ello, regresen al cuadro de planeación y, considerando lo que pensaron respecto a cómo hacer el proyecto, decidan si optarán por el mismo camino o si harán una presentación general (a manera de exposición) seguida de otras actividades (como una obra de teatro, un programa de radio, una feria de ciencia y tecnología, un periódico mural, una videoconferencia, entre otras). En la presentación general de un proyecto es recomendable que un integrante del equipo dirija unas palabras de bienvenida a la audiencia y, en caso de que lo consideren adecuado, que presente las diferentes actividades o etapas del proyecto. ¿Ya decidieron quién lo hará? ¿Qué dirá? En esta ocasión pongan sus resultados en un cartel del tamaño de una hoja de cartulina. Observen el cuadro 3.2 que hizo un equipo de estudiantes.

Cuadro 3.2 Guion para la presentación del proyecto Actividad Responsable

Duración

Preparar el contenido del cartel

Todos

2 horas

Hacer los dibujos y las gráficas

Toño

3 horas

Escribir la introducción y el desarrollo del proyecto

Mariano

3 horas

Escribir los resultados y las conclusiones

Rocío

3 horas

Integrar todo en el cartel

Todos

2 horas

Presentar el cartel

Todos

5 minutos

Palabras de apertura de la presentación del cartel

Manuel

5 minutos

Contestar preguntas de la clase sobre el proyecto

Todos

30 minutos

Propuesta de actividades para la fase 4 1. Presenten los resultados de su proyecto en el medio de divulgación que eligieron. 2. Con base en los resultados, expliquen los problemas o dificultades que tuvieron, así como las cosas que aprendieron. Les recomendamos destacar los beneficios que les aportó el desarrollo del proyecto. m Si participaron en un proyecto científico, destaquen los datos que obtuvieron, sus observaciones y avances. Si el proyecto fue tecnológico pueden, por ejemplo, explicar cómo hicieron un dispositivo y los resultados que obtuvieron al ponerlo en funcionamiento. En un proyecto ciudadano, sería muy bueno que explicaran la manera en que este benefició a la comunidad. Si encontraron un modelo matemático, úsenlo para hacer algunos cálculos y expliquen su utilidad.

166

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 166

1/18/13 12:38 PM


Evaluación Este es el momento para que reflexiones sobre los logros, las deficiencias y los aprendizajes adquiridos durante el desarrollo y la presentación de tu proyecto. 1. Completa en tu cuaderno el siguiente cuadro.

Trabajo individual

Siempre

Algunas veces

Pocas veces

Nunca

¿Cooperé con mis compañeros de equipo? ¿Fui participativo en las reuniones y actividades? ¿Aporté ideas para enriquecer nuestro trabajo? ¿Cumplí con mis tareas y responsabilidades dentro del equipo? ¿Ayudé a quien me lo pidió aunque no fuera miembro de mi equipo? ¿Participé en la resolución de desacuerdos o conflictos dentro de mi equipo? ¿Me gustó trabajar en equipo?

2. Reunidos en equipo copien en su cuaderno el siguiente cuadro y luego complétenlo.

Trabajo en equipo

No

¿Por qué?

Las investigaciones que realizamos fueron suficientes para desarrollar nuestro proyecto. Las actividades y procedimientos que elegimos fueron adecuados para presentar el tema de nuestro proyecto. La distribución del trabajo en el equipo fue adecuada y equitativa. Dentro de nuestro equipo hubo un ambiente de compañerismo, cooperación y solidaridad. Hicimos los ajustes necesarios en nuestro proyecto para mejorarlo. Logramos los propósitos y el objetivo de nuestro proyecto. Nuestro proyecto fue significativo para la comunidad a la que iba dirigido. Adquirimos nuevos aprendizajes durante el desarrollo y la presentación de nuestro proyecto.

3. Reúnete con el grupo y el profesor. Comparte las respuestas que escribiste en estos cuadros y coméntalas. Propón maneras de mejorar tu desempeño y el logro del proyecto. 167

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 167

1/18/13 12:38 PM


Evaluación (TIPO PISA)

BLOQUE 3 Comprueba tus competencias

Los cambios del agua Los esquemas siguientes representan dos cambios de estado del agua, según el modelo de la teoría cinético molecular. Los círculos simbolizan moléculas de agua.

Diagrama que muestra los cambios de estado del agua, a medida que se va calentando. Hay una temperatura constante en la que pueden coexistir dos estados. Las líneas horizontales corresponden a intervalos de tiempo en los que la temperatura del sistema permanece constante.

Pregunta 1. Razona qué cambio de estado representa cada esquema. Pregunta 2. Según la teoría cinética, ¿cambian las partículas (moléculas) de agua al cambiar el estado? Pregunta 3. Cuando se produce un cambio de estado, ¿qué cambia y qué no, según la teoría cinética molecular? Pregunta 4. ¿Consideras que la teoría cinético molecular es suficiente para explicar todos los cambios de estado? Explica por qué.

¡Aguas, aguas! Los diagramas de fases indican las transformaciones de las sustancias con respecto a sus estados de agregación conforme se incrementa la temperatura a lo largo del tiempo.

F

Temperatura (T)

D

E

Liquido y gas

A

Sólido

Gas

C

B Sólido y líquido

Líquido

Pregunta 1. Observa la imagen y selecciona de las opciones cuáles son las temperaturas aproximadas del agua en la gráfica. a) Sólido (0 ºC), sólido y líquido (-4 ºC), líquido (20 ºC) (90 ºC), líquido y gas (98 ºC), gas (+100 ºC). b) Sólido (-6 ºC), sólido y líquido (0 ºC), líquido (1 ºC) (95 ºC), líquido y gas (96 ºC*) (100 ºC), gas (+100 ºC). c) Sólido (-10 ºC), sólido y líquido (-5 ºC) (0 ºC), líquido (4 ºC) (90 ºC), líquido y gas d) (98 ºC), gas (+100 ºC) *En la Ciudad de México

Tiempo (t)

168

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 168

1/18/13 12:38 PM


¡Tenemos calor! Varias amigas se reúnen en la casa de Julia para hacer una tarea. De pronto sienten que la temperatura aumenta porque el lugar es pequeño y son varias personas en la misma habitación, por lo tanto, buscan abrir las ventanas.

Pregunta 1. ¿Cuál de las dos series de dibujos representa, con base en el modelo cinético de partículas, la situación de la temperatura antes de abrir las ventanas? Argumenta tu respuesta.

a)

b)

169

S-Fis-CNT-B3-162-169.indd 169

1/18/13 12:38 PM


BLOQUE

4

Manifestaciones de la estructura interna de la materia Competencias que se favorecen:

• Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Comprensión de los alcances de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención.

Aprendizajes esperados m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

170

Contenidos

Relaciona la búsqueda de mejores explicaciones y el avance de la ciencia, a partir del desarrollo histórico del modelo atómico. Describe la constitución básica del átomo y las características de sus componentes con el fin de explicar algunos efectos de las interacciones electrostáticas en actividades experimentales y/o en situaciones cotidianas. Explica la corriente y resistencia eléctrica en función del movimiento de los electrones en los materiales.

Explicación de los fenómenos eléctricos: el modelo atómico Lección 1. Proceso histórico del desarrollo del modelo atómico: aportaciones de Thomson, Rutherford y Bohr; alcances y limitaciones de los modelos. Lección 2. Características básicas del modelo atómico: núcleo con protones y neutrones, y electrones en órbitas. Carga eléctrica del electrón. Lección 3. Efectos de atracción y repulsiónelectrostáticas. Lección 4. Corriente y resistencia eléctrica. Materiales aislantes y conductores.

Identifica las ideas y experimentos que permitieron el descubrimiento de la inducción electromagnética. Valora la importancia de aplicaciones del electromagnetismo para obtener corriente eléctrica o fuerza magnética en desarrollos tecnológicos de uso cotidiano. Identifica algunas características de las ondas en el espectro electromagnético y en el espectro visible, y las relaciona con su aprovechamiento tecnológico. Relaciona la emisión de radiación electromagnética con los cambios de órbita del electrón en el átomo.

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia Lección 1. Descubrimiento de la inducción electromagnética: experimentos de Oersted y de Faraday. Lección 2. E l e l e c t ro i m á n y a p l i c a c i o n e s d e l electromagnetismo. Lección 3. Composición y descomposición de la luz blanca. Lección 4. Características del espectro electromagnético y espectro visible: velocidad, frecuencia, longitud de onda y su relación con la energía. Lección 5. La luz como onda y partícula.

Relaciona la electricidad y la radiación electromagnética como manifestaciones de energía, y valora su aprovechamiento en las actividades humanas. Reconoce los beneficios y perjuicios en la naturaleza y en la sociedad, relacionados con la obtención y aprovechamiento de la energía. Argumenta la importancia de desarrollar acciones básicas orientadas al consumo sustentable de la energía en el hogar y en la escuela.

La energía y su aprovechamiento Lección 1. Manifestaciones de energía: electricidad y radiación electromagnética. Lección 2. Obtención y aprovechamiento de la energía. Beneficios y riesgos en la naturaleza y la sociedad. Lección 3. Importancia del aprovechamiento de la energía orientado al consumo sustentable.

Elabora y desarrolla de manera más autónoma un plan de trabajo que oriente su investigación, mostrando responsabilidad, solidaridad y equidad. Utiliza la información obtenida mediante la experimentación o investigación bibliográfica para elaborar argumentos, conclusiones y propuestas de solución. Diseña y elabora objetos técnicos, experimentos o modelos que le permitan describir, explicar y predecir fenómenos eléctricos, magnéticos o sus manifestaciones. Reconoce aciertos y dificultades en relación con los conocimientos aprendidos, las formas de trabajo realizadas y su participación en el desarrollo y comunicación del proyecto.

Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones) » ¿Cómo se obtiene, transporta y aprovecha la electricidad que utilizamos en casa? » ¿Qué es y cómo se forma el arcoíris?

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 170

1/14/13 11:14 AM


El viaje de la electricidad Observa la imagen de esta ciudad iluminada. ¿Todas esas luces son necesarias? ¿Te has preguntado alguna vez cómo viaja la electricidad hasta nosotros para que podamos encender las luces y que funcionen los aparatos eléctricos? Una vez que en las centrales se produce electricidad, esta es transportada hasta los núcleos de población; para evitar pérdidas por disipación de energía mediante calor, la corriente eléctrica se transporta a intensidades muy pequeñas (altos voltajes) y finalmente, en estaciones transformadoras, se reduce al voltaje que empleamos. m Si en la ciudad miras hacia el cielo, apenas verás estrellas, ¿por qué supones que ocurre esto? m Fuera de las grandes ciudades es posible ver enormes torres con líneas de cables. ¿Sabes a qué voltaje circula la electricidad por ellas? ¿Son de media tensión o de alta tensión? ¿En qué voltaje recibimos la electricidad en nuestras casas? En México, la gestión y distribución de la red eléctrica la realiza la Comisión Federal de Electricidad. Puedes conocer más sobre ella en la página electrónica http://www.cfe.gob.mx/sustentabilidad/publicaciones/Paginas/Electricidad.aspx#control

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 171

Hoy en día sería difícil vivir sin electricidad, pues cada día aumenta más su consumo, y por ello su producción y distribución son fundamentales. El objetivo de este bloque es conocer los fundamentos de la electricidad y los distintos modos de producción, así como los fenómenos asociados a esta. Propuestas de proyectos

• ¿Cómo se obtiene, transporta y aprovecha la electricidad que usamos en casa? • ¿Qué es y cómo se forma un arcoíris?

171

1/14/13 11:14 AM


BLOQUE

4

Lección 1

Explicación de los fenómenos eléctricos: el modelo atómico Proceso histórico del desarrollo del modelo atómico: aportaciones de Thomson, Rutherford y Bohr; alcances y limitaciones de los modelos

aprendizaje esperado. Relaciona la búsqueda de mejores explicaciones y el avance de la ciencia, a partir del desarrollo histórico del modelo atómico.

Comenzamos En la fiesta de cumpleaños de Olga, su mamá, que es física, organizó un concurso. Se trata de averiguar la forma y el material con que está hecha una pared que hay detrás de una cortina de humo que impide verla directamente. Para averiguarlo, solo es permitido hacer rodar, sobre el suelo, una bola de billar hacia la pared. Cada participante debe anotar sus observaciones y su respuesta en un papel. Como una pequeña ayuda, da las siguientes pistas: a) Si la bola rebota con la misma dirección y la misma rapidez con que fue enviada, se podrá deducir que la pared es plana y rígida. b) Si la bola rebota con la misma dirección, pero con una rapidez menor, se podrá pensar que la pared es plana, pero cubierta por un material suave, como una alfombra. c) Si al hacer rodar la bola hacia la pared ya no regresa, se podrá imaginar que la pared está hecha de algún material pegajoso, como plastilina, o bien, que la bola hizo un agujero en la pared. Figura 4.1

1. Supón que participas en el concurso que organizó la mamá de Olga. Responde en tu cuaderno los siguientes planteamientos. » Si fueras capaz de escuchar el sonido que hace la bola al rebotar contra la pared, ¿te daría más información respecto al tipo de material con que está hecha? » Si al lanzar la bola, esta rebota aproximadamente con la misma rapidez con que la enviaste, pero en una dirección distinta, ¿qué podrías deducir respecto a la forma y al material de la pared (figura 4.1)? » Si ahora lanzas una bola en línea recta hacia la pared, y luego arrojas otra en la misma dirección desde otro lugar (ubicado a un metro hacia la derecha del sitio anterior), ¿qué podrías decir respecto a la pared, si la bola de la izquierda rebotara en una dirección distinta de la de la derecha (figura 4.2)?

Figura 4.2

Aprendemos En el bloque anterior vimos que en Grecia, hace más de dos mil años, se propuso que toda la materia estaba constituida por componentes elementales e indivisibles denominados átomos, sugerencia que quedó relegada durante casi veintiún siglos. No obstante, fue retomada de manera gradual a lo largo de muchos años no gracias a una nueva reflexión teórica sobre el asunto, sino al trabajo experimental de una gran cantidad de científicos. Hoy, no es extraño escuchar acerca de átomos y moléculas, y la gente comúnmente acepta su existencia aun cuando no tiene una idea muy clara de lo que significan tales conceptos. Sin embargo, hace poco más de cien años la situación era muy distinta, pues incluso muchos científicos de renombre no aceptaban la existencia de los átomos al no haber una evidencia experimental directa de estos. Esta controversia fue resuelta por el físico alemán-estadounidense Albert Einstein en 1905, mediante el estudio del movimiento browniano.

172

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 172

1/14/13 11:15 AM


Entre 1807 y 1808, el químico británico Humphrey Davy (1778-1829) descubrió cinco nuevos elementos químicos que logró aislar mediante la aplicación de una corriente eléctrica a compuestos que los contenían. Posteriormente, el científico británico Michael Faraday (1791-1867), aplicando una corriente eléctrica a ciertos compuestos, continuó el estudio de reacciones químicas, es decir, procesos químicos en los que una o más sustancias (los reactivos) se transforman en otras (los productos). Previamente, el físico Alessandro Volta había mostrado que una reacción química es capaz de producir una corriente eléctrica, lo que le permitió desarrollar en 1800 la pila eléctrica (figura 4.3). Si la electricidad era capaz de producir reacciones químicas y, a su vez, estas reacciones podían producir electricidad, se vislumbraba entonces que la materia se constituye por partículas con carga eléctrica.

Aproximación al conocimiento científico El electroscopio es un aparato que permite detectar la presencia de cargas eléctricas en un cuerpo e identificar el signo de las mismas. Fue inventado por William Gilbert en 1600. Reúnete con un compañero para construir un electroscopio sencillo.

Material: ¿Qué necesitamos? Tarro de plástico sin etiqueta (por ejemplo, de mayonesa), un trozo de alambre de cobre de 10 cm de largo, un trozo de unicel, papel de aluminio, tela de lana, una varilla de vidrio o un tubo de ensayo delgado de 15 a 20 cm de largo, peine de plástico o un globo pequeño inflado

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Recorten un rectángulo estrecho de papel de aluminio y dóblenlo a la mitad. 2. Corten un trozo de unicel del tamaño de la tapa del tarro, y atraviésenlo con el alambre; doblen el extremo que quedará en el interior. 3. Coloquen la tira de papel aluminio sobre la parte más pequeña del alambre doblado (como se ve en la figura), y cierren el tarro con el unicel; procuren que la tira no toque las paredes ni el fondo. 4. Hagan una bolita de papel de aluminio y colóquenla en el extremo exterior del alambre. 5. Para probar su electroscopio, froten el peine o globo en su cabello (debe estar bien seco), y acérquenlo a la bolita de papel de aluminio (figura 4.4) . 6. Ahora, toquen la bolita de papel de aluminio con su mano. 7. A continuación, froten la varilla o tubo de ensayo con la tela y acérquenlo nuevamente a la bolita de papel de aluminio. 8. Finalmente, vuelvan a tocar la bolita de papel de aluminio con la mano (figura 4.5).

Figura 4.3 Alessandro Volta probando su pila.

Para saber más Volta descubrió la pila o columna, a la que inicialmente llamó órgano eléctrico artificial. Para ello, apiló y alternó discos de cobre y cinc del mismo tamaño, entre los cuales había un trapo humedecido en una salmuera. Esta “pila de discos” empezaba y terminaba con discos de diferente tipo. Logró que fluyera una corriente eléctrica al conectar con un alambre los discos situados en los extremos. Según las sales de la salmuera con la que se impregnaba el trapo, la corriente producida era mayor o menor.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos? m

Discutan lo que observaron. » ¿En qué casos se separaron las laminitas de aluminio? ¿En cuáles se juntaron? Justifiquen su respuesta. » ¿Qué otros materiales pueden probar con su electroscopio?

Figura 4.4

Figura 4.5

173

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 173

1/14/13 11:15 AM


Cátodo de aceleración

Haz de electones

Resistencia emisora

Punto brillante

Recubrimiento conductor

Figura 4.6 Esquema del funcionamiento del tubo de rayos catódicos.

Pantalla fluorescente

Un paso más hacia el entendimiento de la estructura de la materia y su naturaleza eléctrica se llevó a cabo durante la segunda mitad del siglo xix, mediante diversos experimentos. Entre los más famosos, se encuentran los hechos en tubos de vidrio al vacío, dentro de los cuales existían dos piezas metálicas llamadas electrodos: el positivo, llamado ánodo, y el negativo, denominado cátodo, conectados a una fuente de energía eléctrica (figura 4.6).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza esta situación y responde en tu cuaderno.

Si deseas ver una animación del experimento de Thomson, visita https://sites.google. com/site/fisicaflash/ home/thomson

Figura 4.7 Modelo atómico de Thomson.

Los rayos catódicos no pueden verse directamente y hay que estudiarlos por sus efectos. Imagina el siguiente experimento: una cortina cuelga del techo en una habitación herméticamente cerrada, por lo que no ves lo que sucede detrás de ella. De repente, notas que la cortina se mueve. » Como la causa no pudo haber sido el viento, puesto que la habitación está herméticamente cerrada, ¿se te ocurre algún método para averiguar la masa y el tamaño del objeto que causó el movimiento?

Con la idea de que los rayos catódicos eran partículas, en 1897, el científico inglés Joseph J. Thomson, utilizando ingeniosamente un tubo de rayos catódicos, fue capaz de determinar el cociente de la carga q y su masa m de las partículas que constituían el haz de rayos. Por su parte, en 1909, Robert Millikan efectuó un experimento en el que logró medir la carga eléctrica. Usando el valor que Thomson encontró para q/m le fue posible determinar la masa de la partícula. A esta partícula de carga negativa se le denominó electrón. La conclusión del trabajo experimental de Thomson fue que los átomos no son indivisibles, como pensaban Demócrito y Dalton. Thomson comprendió que es posible arrancar de los átomos partículas cargadas negativamente (electrones) si se aplican fuerzas sobre ellos, como las fuerzas eléctricas en los tubos de rayos catódicos. Debido a que en general la materia es neutra, es decir, no tiene una carga eléctrica neta, era de esperarse que los átomos también fueran neutros. Para poder explicarlo, partiendo de que el átomo está conformado por electrones cuya carga es negativa, Thomson propuso que los electrones estaban embebidos en una nube con carga positiva, distribuida homogéneamente en el átomo. Esta propuesta se conoce como modelo del átomo de Thomson, aunque también es conocida como el modelo del pastel con pasas, pues se visualiza al átomo como un pastel que tiene carga positiva y en su interior se encuentran distribuidas pequeñas pasas (electrones) con carga negativa (figura 4.7). Los electrones eran las únicas partículas atómicas que se conocían en 1909. Aunque la idea de Thomson parecía razonable, para ser aceptada debía necesariamente ser confirmada mediante experimentos.

174

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 174

1/14/13 11:15 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Selecciona la respuesta correcta y argumenta el porqué de tu elección. m Los electrones son partículas... a) sin carga. b) con carga negativa. c) con carga positiva.

m

Si el modelo de Thomson hubiese sido válido, entonces... a) las partículas alfa, positivas, se habrían desviado mucho. b) las partículas alfa, positivas, habrían rebotado. c) las partículas alfa, positivas, no se habrían desviado.

Ernest Rutherford, alumno de Thomson, llevó a cabo la tarea de verificar experimentalmente si el modelo de su profesor era correcto. Durante muchos años, Rutherford había estudiado partículas, a las que denominaba alfa, las cuales eran emitidas a gran velocidad por ciertos materiales radioactivos, es decir, materiales que se desintegran de manera natural. Rutherford demostró que dichas partículas tienen carga positiva, son pesadas y más pequeñas que los átomos, por lo que pueden emplearse como proyectiles de alta energía para estudiarlos. Para ello, bombardeó delgadas laminillas de oro y otros metales con partículas alfa, y observó la trayectoria de estas últimas después de chocar contra las primeras. Notó que la mayor parte de las partículas las atravesaba sin problema, desviándose acaso ligeramente de su trayectoria original, lo que podía explicarse por la atracción que sentían las partículas positivas hacia los electrones del material. Sin embargo, para su sorpresa, Rutherford observó que pocas partículas rebotaban casi en la dirección de donde provenían, como si fueran repelidas por alguna fuerza, lo cual no podía ser explicado a partir del modelo de Thomson. Para dilucidar este fenómeno, Rutherford sugirió que la repulsión se debía a que la carga positiva del átomo no se encontraba distribuida homogéneamente, como pensaba Thomson, sino localizada en lo que denominó núcleo del átomo; en tanto, los electrones se encontraban muy distantes de él, girando a su alrededor a gran velocidad y en número suficiente para compensar la carga positiva del núcleo. Esto es lo que se conoce como modelo del átomo de Rutherford, que se asemeja a un sistema planetario en miniatura con el núcleo y los electrones haciendo las veces del Sol y los planetas, respectivamente (figura 4.8).

Figura 4.8 De acuerdo con el modelo de Rutherford, el átomo tiene una zona central, o núcleo, donde se encuentra la carga total positiva (la de los protones, de color azul) y la mayor parte de la masa del átomo, aportada por los protones y neutrones (de color rojo). Además, presenta una zona externa donde se hallan los electrones (de color amarillo), que giran en órbitas particulares alrededor del núcleo.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Analiza la situación y responde en tu cuaderno. Imagina que te dan a elegir uno de tres pasteles de bizcocho idénticos, en apariencia, esponjados. Uno de ellos tiene en su interior un diamante redondo, muy valioso, de tres quilates. » ¿Qué harías para elegir el pastel con el diamante, si lo único que se te permite hacer es arrojarle balines con una cerbatana?

» ¿Qué concluirías si los balines arrojados atravesaran el pastel sin desviarse? » ¿Cómo sabrías si uno de los balines golpeó el diamante? 2. Contesta en tu cuaderno. » ¿En qué se parece el modelo atómico de Rutherford al modelo planetario del Sistema Solar? » Averigua y explica con tus palabras por qué estos primeros modelos del átomo son insuficientes para describir la materia.

175

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 175

1/14/13 11:15 AM


Figura 4.9 Niels Bohr (18851962) nació en Dinamarca y propuso un modelo para el átomo de hidrógeno, mismo que sentó las bases para el desarrollo posterior de la teoría atómica. Recibió el Premio Nobel de Física en 1922.

 Electrón

El modelo de Rutherford dio pie para que, en 1913, el físico danés Niels Bohr (figura 4.9), quien a su vez había sido alumno de Rutherford, desarrollara un nuevo modelo para el átomo de hidrógeno, el cual es más sencillo, ya que consta de solo un protón y un electrón. Dicho modelo permitía explicar emisiones de luz del hidrógeno, que se observan cuando se suministra energía a este elemento a través de una descarga eléctrica. Estas emisiones son características para cada elemento y se dice, por tanto, que son como su huella digital. Para desarrollar su modelo, Bohr usó una idea novedosa, la llamada cuantización de la energía, que había propuesto en 1900 el científico alemán Max Planck (1858-1947); esta postula que la energía no se transmite de manera continua, como un chorro de agua, sino en paquetes o cuantos de energía. El modelo de Bohr establece que, para el caso del hidrógeno, el electrón gira en órbitas circulares concéntricas alrededor del núcleo y que cada órbita corresponde a un nivel de energía determinado, una especie de escalera donde cada peldaño se asocia con un cierto nivel de energía (figura 4.10). El paso de un nivel de energía superior a uno inferior implica la emisión de energía luminosa, característica para cada elemento, como ya mencionamos, mientras que el paso contrario implica absorción de energía. Utilizando la idea de la cuantización de la energía, de acuerdo con este modelo la energía luminosa se emite o se absorbe en cantidades discretas (llamadas cuantos de luz o fotones) correspondientes a la diferencia entre niveles. Aunque este modelo constituyó un avance enorme en el entendimiento de la estructura se encontró que al extender el modelo a átomos más complejos que el hidrógeno, sus predicciones no eran correctas. Fueron precisamente los intentos por mejorar el modelo de Bohr los que llevaron al desarrollo de la moderna teoría atómica de la materia, misma que tuvo un avance impresionante durante todo el siglo xx.

Integramos  Electrón

Figura 4.10 Modelo atómico del hidrógeno de Niels Bohr.

El principal problema para determinar si la materia está constituida por átomos es que no podemos verlos a simple vista, de modo que es preciso investigar su existencia de manera indirecta, como cuando tratamos de conocer la forma y el material de la pared que está cubierta por una cortina de humo, o cuando intentamos descubrir, arrojando balines con una cerbatana, en qué pastel está el diamante. El desarrollo histórico de las concepciones del hombre acerca de la materia que lo rodea, nos permite atestiguar la constante evolución de las ideas. Hemos visto que a partir de distintas evidencias experimentales se conformaron los conceptos acerca de la estructura de la materia y cómo se formularon distintos modelos que debieron ser modificados cuando no fueron capaces de explicar los resultados experimentales. Se debe enfatizar que todos los modelos físicos tienen limitaciones, pues son solo aproximaciones de la realidad. En las ciencias, todo concepto o idea está sujeto a revisión, por lo que cualquier modelo o teoría debe contrastarse con la evidencia experimental que depende de la tecnología existente y de ser necesario debe modificarse para adecuarse con la realidad.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero y efectúen lo que se pide. » Hagan una línea del tiempo que muestre la evolución del conocimiento acerca de la estructura de la materia.

» Ubiquen en ella eventos históricos significativos relacionados con esas mismas fechas. » Averigüen quiénes de los científicos involucrados en la teoría atómica recibieron el Premio Nobel.

176

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 176

1/14/13 11:15 AM


BLOQUE

4

Lección 2

Explicación de los fenómenos eléctricos: el modelo atómico Características básicas del modelo atómico: núcleo con protones y neutrones, y electrones en órbitas. Carga eléctrica del electrón

aprendizaje esperado. Describe la constitución básica del átomo y las características de sus componentes con el fin de explicar algunos efectos de las interacciones electrostáticas en actividades y/o en situaciones cotidianas.

Comenzamos Una noche, Miguel y Hortensia salieron a pasear por el centro de la ciudad. Notaron que las lámparas del alumbrado público despedían luz amarilla. Hortensia le comentó a Miguel que se trataba de lámparas de sodio (figura 4.11). En una calle aledaña encontraron un anuncio luminoso cuya luz era azul tenue. Nuevamente, Hortensia aseguró que las letras del anuncio eran iluminadas por lámparas de argón. 1. Reflexiona sobre las preguntas y respóndelas en tu cuaderno. » ¿Has observado el color de la luz que emiten los focos del alumbrado público del lugar donde vives? ¿Cómo es? ¿Sabes qué tipo de lámparas usan? » ¿Cuáles son los colores más comunes en los anuncios luminosos comerciales? ¿Has observado luces de color verde o rojo? ¿A qué supones que se deba esto? 2. Averigua cuál es la diferencia entre un foco convencional, denominado incandescente, y un foco de los llamados ahorradores. Descríbela con tus palabras.

Figura 4.11 Lámpara de sodio. En el interior del tubo que forma la lámpara se encuentra un gas o vapor de sodio. Al ser excitados los átomos de sodio por una descarga eléctrica, sus electrones acceden a niveles de energía superiores, y al regresar a su nivel original emiten una luz amarilla característica de ese elemento.

Para saber más De acuerdo con el modelo estándar de la materia, se piensa que los constituyentes básicos de todo el Universo son los quarks y los leptones.

Aprendemos En la lección anterior estudiamos el desarrollo histórico de los modelos atómicos y vimos que fueron básicamente los resultados experimentales los que llevaron a entender, poco a poco, la estructura de la materia. Así, se comprendió que la materia está compuesta por átomos y que estos, a diferencia de lo que se pensó en un principio, no son indivisibles. Los experimentos de Thomson y Rutherford dejaron claro que los átomos están compuestos por partículas de carga negativa, denominadas electrones, y por un núcleo donde se encuentra concentrada la mayor parte de la masa del átomo; a su vez, el núcleo está compuesto por partículas de carga positiva, llamadas protones, y por partículas sin carga, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón, con un valor de 1.636 × 10 -27 kg, mientras que dicha masa es aproximadamente 1 836 veces la de un electrón.

Si quieres saber más acerca del modelo estándar de la materia, visita la siguiente liga: http://bibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen3/ ciencia3/129/htm/ sec_7.htm

177

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 177

1/14/13 11:15 AM


Para saber más acerca de la diferencia entre una cantidad discreta y una cuantizada, consulta: http://web2.ilce. edu.mx/redescolar/ redescolar2008/ educontinua/ conciencia/fisica/ menufisica.htm En el menú, elige “Mareo Cuántico”; en la parte inferior encontrarás “Cuantización”.

Figura 4.12 El físico estadounidense Robert Andrews Millikan (18681953) obtuvo el Premio Nobel de Física en 1923 por sus trabajos para determinar el valor de la carga del electrón y el efecto fotoeléctrico.

El electrón, el protón y el neutrón también son llamados partículas subatómicas, aunque no son las únicas conocidas. Mediante experimentos que involucran muy altas energías, se ha descubierto toda una gama de partículas subatómicas, aunque ahora se sabe que la mayoría de ellas están formadas de partículas más simples, llamadas partículas elementales, las cuales no están constituidas por otras más pequeñas. A partir de que Millikan (figura 4.12) determinó experimentalmente la carga del electrón, que tiene un valor de 1.6 × 10-19 coulombs, fue tomada como la unidad de carga fundamental. De hecho, Millikan demostró que la carga eléctrica está cuantizada, es decir, la carga eléctrica de cualquier objeto es un múltiplo entero de la carga del electrón. El protón, a su vez, tiene exactamente la misma carga que el electrón, pero con signo opuesto. Así, comúnmente se toma a la carga del electrón como –1 y a la del protón como +1. En un átomo existe el mismo número de protones que de electrones y por tanto su carga neta es cero. De igual forma se acostumbra decir que un átomo tiene carga neutra. Sin embargo, si se le suministra energía, por ejemplo, mediante una descarga eléctrica, es posible arrancar electrones del átomo, de modo que este adquiere una carga positiva al tener más protones que electrones. También puede suceder que un átomo gane electrones, de manera que su carga neta sea negativa. El proceso en que el átomo gana o pierde electrones adquiriendo una carga neta se conoce como ionización, y a los átomos que ganan o pierden electrones se les denomina iones, los cuales pueden ser positivos (cationes) o negativos (aniones). Como veremos más adelante, bajo ciertas condiciones los electrones pueden moverse dentro de un material; el flujo de electrones dentro de este se conoce como corriente eléctrica.

Desarrolla tu pensamiento científico

Para saber más Cuando arrojas un dado no tienes una certeza absoluta del resultado, solo sabes que la probabilidad de que caiga cierto número es 1/6. La mecánica cuántica provee una descripción probabilista del mundo cuántico.

1. Contesta en tu cuaderno. » ¿Cuáles son las partículas que componen el átomo? » El número atómico de un elemento es el número de protones en el núcleo del átomo. El sodio tiene un número atómico de 11, ¿cuántos electrones tiene? » El catión de sodio que pierde un electrón se denota como Na+ y juega un papel fundamental en la transmisión de impulsos nerviosos en el ser humano. ¿Cuántos protones y cuántos electrones tiene este catión?

El modelo del átomo cuyo núcleo asemeja un Sol en miniatura y los electrones como planetas que giran alrededor de este, fue propuesto por Rutherford y desarrollado matemáticamente por Bohr para explicar ciertas propiedades del hidrógeno, el átomo más simple. Aunque su modelo hacía uso de ideas novedosas, como la cuantización de la energía, en esencia, Bohr tenía en mente que los electrones, protones y neutrones se comportaban de manera similar a como lo hacen los cuerpos macroscópicos, por ejemplo, una pelota de futbol, o bien, algo mucho más grande, como un planeta. Sin embargo, nuevamente los resultados experimentales mostraron que esto no es así.

178

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 178

1/14/13 11:15 AM


Como hemos visto en los bloques 1 y 2, cuando describes el movimiento de un cuerpo macroscópico, por ejemplo, un automóvil en la carretera o una piedra lanzada con tu mano, es perfectamente posible determinar con toda exactitud la posición en la que se encuentra el cuerpo a un tiempo dado y, por tanto, definir su trayectoria; de manera simultánea, es decir al mismo tiempo, es posible determinar, con la precisión deseada, la velocidad con la que se desplaza el cuerpo. Con base en las leyes del movimiento, es posible vaticinar acertadamente el comportamiento pasado o futuro de un cuerpo, como en el caso de las sondas espaciales (figura 4.13). Otro ejemplo típico es el movimiento de los planetas alrededor del Sol, pues desde los tiempos de Newton, los astrónomos han sido capaces de determinar de manera precisa su posición y velocidad empleando la ley de gravitación universal. Así, es posible determinar, por ejemplo, dónde se encontraba Marte hace diez mil años o dónde se encontrará dentro de quince mil años. En este sentido, se dice que la descripción del movimiento es determinista. Cuando describimos el desplazamiento de cuerpos macroscópicos aplicamos la llamada física clásica, que es básicamente la estudiada en los bloques anteriores. Si deseamos describir el mundo microscópico, por ejemplo, el comportamiento de las partículas subatómicas, debemos hacer uso de otra rama de la física, denominada física cuántica, o también conocida como mecánica cuántica, que empezó a desarrollarse a partir del trabajo de Bohr y sus predecesores, entre ellos Planck y Einstein. Al adentrarse en el estudio de la materia a una escala cada vez más pequeña, los físicos se dieron cuenta de que el comportamiento de las partículas subatómicas, como los electrones y protones, era muy distinto del que se observa en los cuerpos macroscópicos. En 1927, el físico Werner Heisenberg (1901-1976), publicó un artículo donde enunció un principio fundamental que rige el comportamiento de la materia a escala microscópica: el principio de incertidumbre de Heisenberg. En un sistema cuántico no es posible determinar de manera completa el comportamiento o la evolución futura del sistema. Por ejemplo, las partículas subatómicas no tienen asociada una trayectoria definida, como en la física clásica, por tanto, el modelo del átomo de Bohr, que se asemeja a un sistema planetario, no es adecuado para describir los átomos. La descripción del átomo surgida de la mecánica cuántica es una descripción probabilista. Aunque no es posible determinar la posición exacta de un electrón en un átomo, sí se puede pronosticar (figura 4.14). En la actualidad, se piensa que un átomo está constituido por un núcleo formado por protones y neutrones, y una nube de electrones a su alrededor, mismos que ocupan diferentes niveles de energía. La mecánica cuántica permite calcular la probabilidad de que un electrón se encuentre en un nivel de energía dado, o bien, de que pase de un nivel a otro. Esta descripción permite explicar el funcionamiento de diferentes aparatos de uso cotidiano, por ejemplo, las lámparas de descarga mencionadas al inicio de la lección, formadas por un tubo de vidrio lleno de gas, como sodio, argón o mercurio o una combinación de ellos. Mediante electrodos que se encuentran dentro del tubo, se produce una descarga eléctrica cuya energía se usa para que los electrones de los átomos del gas adquieran niveles de energía más altos, y cuando estos electrones regresan a su nivel original emiten una luz, que es característica de cada elemento.

Figura 4.13 Las sondas espaciales Voyager 1 y 2 fueron lanzadas por la nasa en 1977 y han recorrido prácticamente todo el Sistema Solar. Ya que las sondas obedecen las leyes de la física clásica, es posible determinar su posición y velocidad y, por tanto, su trayectoria con la precisión que se desee.

Figura 4.14 Aunque en las representaciones del átomo los electrones son ubicados en un punto fijo, en realidad no es posible conocer su posición precisa.

179

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 179

1/14/13 11:15 AM


Una pista Para reflexionar “Aunque sea del mismo barro, no es lo mismo olla que jarro”. Este refrán popular se aplica muy bien a la estructura de la materia, pues existen materiales que están compuestos por el mismo tipo de átomos y sus propiedades son muy diferentes. El caso típico lo constituyen el diamante y el grafito, ambos están compuestos por átomos de carbono, pero enlazados de manera distinta. Mientras que el diamante es el material de mayor dureza que se conoce, el grafito es suave y se usa para fabricar las puntillas de los lápices con los que escribes.

Para saber más Una de las áreas de investigación que actualmente se desarrolla con mayor intensidad es la nanotecnología, que trata acerca de la manipulación de la materia a escala atómica. Esta área permitirá el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos para aplicaciones en medicina, electrónica y producción de energía, entre muchas otras.

Desarrolla tu pensamiento científico Aunque la mayor parte de la masa del átomo está concentrada en el núcleo, son los electrones los que determinan en mayor medida las propiedades químicas de los elementos, ya que definen la manera en que se enlaza un átomo con otro. Cuando se enlazan dos o más átomos se forma una molécula. 1. Responde en tu cuaderno las preguntas. » ¿De qué está formada el agua? ¿Contiene solo un tipo de átomos? » ¿Cuáles son los componentes de la sal de mesa? 2. Investiga cómo están estructurados los átomos de carbono en el diamante y en el grafito (figura 4.15). ¿Notas alguna diferencia?

a) b) Figura 4.15 Carbono diamante (a) y carbono grafito (b).

Integramos En esta lección hemos visto que la materia está constituida por átomos y que estos no son indivisibles. Los átomos tienen un núcleo que concentra la mayor parte de su masa, compuesto por protones y neutrones. Alrededor del núcleo se encuentra una nube de electrones en distintos niveles de energía y el paso de un nivel a otro se da mediante la absorción o la emisión de paquetes de energía. Aunque no es posible ver directamente la estructura de un átomo, sí podemos observar manifestaciones de su existencia, como la luz de las lámparas de descarga que observamos en la calle. El comportamiento de las partículas subatómicas es muy distinto que el de los cuerpos macroscópicos y se rige por reglas diferentes. Por extraña y abstracta que parezca la física cuántica debemos reconocerla como la base de la vida moderna. El conocimiento del átomo ha sido el detonador de una gama inmensa de tecnologías con las que convivimos diariamente. El rayo láser, los teléfonos celulares, los reproductores de música, las computadoras y la televisión son algunos de los aparatos que no serían posibles sin el conocimiento de la física cuántica.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Investiga en la biblioteca o en Internet lo que se pide. » El nombre y principio de funcionamiento de algún aparato que permita “observar”, de manera indirecta, los átomos. Explica en tu cuaderno en qué consiste. » Una tecnología basada en la mecánica cuántica. Descríbela en tu cuaderno.

180

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 180

1/14/13 11:15 AM


BLOQUE

4

Lección 3

Explicación de los fenómenos eléctricos: el modelo atómico Efectos de atracción y repulsión electrostáticas

aprendizaje esperado. Describe la constitución básica del átomo y las características de sus componentes con el fin de explicar algunos efectos de las interacciones electrostáticas en actividades y/o en situaciones cotidianas.

Comenzamos Para festejar su cumpleaños, Raúl decidió organizar una fiesta en el departamento, amplio y alfombrado, donde habita con sus padres. Durante la fiesta, Raúl, quien estrenaba sus zapatos con suela de goma, invitó a bailar a Lupita. Después de bailar varias piezas, Raúl se dirigió a la puerta a recibir a Jorge, y al darse la mano, ambos sintieron un ligero “toque” eléctrico que, aunque no los lastimó, los incomodó un poco. 1. Responde los planteamientos en tu cuaderno. » ¿Supones que el “toque” entre Raúl y Jorge se hubiera presentado si el piso en vez de estar alfombrado fuera de loseta cerámica? Justifica tu respuesta. » ¿Se habría producido el “toque” entre Raúl y Jorge si alguno hubiera llevado puestos guantes de cuero gruesos? Justifica tu respuesta. » Después de viajar en un automóvil durante un día seco, ¿has sentido un “toque” al bajarte y tocar la puerta metálica del vehículo? ¿En qué otras situaciones has experimentado algo similar?

Para efectuar otros experimentos interesantes relacionados con la electrostática consulta http://web2.ilce. edu.mx/redescolar/ redescolar2008/ educontinua/ conciencia/ experimentos/ electrostatica.htm

Aprendemos En el estudio de la estructura de la materia, iniciado en las lecciones anteriores, dejamos en claro que todos los materiales están constituidos por átomos y que estos, a su vez, están formados por partículas con carga eléctrica. Sin embargo, aun mucho antes de que se explorara a profundidad la estructura del átomo había una clara evidencia de la naturaleza eléctrica de la materia. Las primeras observaciones que se conocen acerca de los fenómenos eléctricos son las descripciones hechas en el año 600 a. n. e. por uno de los más grandes pensadores de la antigua Grecia, Tales de Mileto (figura 4.16). Tales observó que al frotar un pedazo de ámbar (una resina amarilla y dura), en pieles o ciertos tejidos, este atraía objetos pequeños. Los griegos llamaron a este fenómeno electricidad, palabra que proviene del término griego élektron, que significa ‘ámbar’. Una manera alternativa y muy sencilla de hacer este experimento es frotar un globo con tu cabello y observar cómo este atrae pedacitos de papel. Casi dos mil años después de las observaciones de Tales, el científico inglés Stephen Gray (1666-1736) experimentó frotando diferentes tipos de materiales y descubrió que existen dos clases de electricidad o cargas eléctricas, una que se produce al frotar vidrio, que denominó vítrea, y es la que ahora llamamos electricidad positiva, y otra que se produce al frotar resinas, como el ámbar, que denominó resinosa, hoy en día llamada electricidad negativa. Gray también descubrió que al acercar cuerpos cargados con la misma clase de electricidad se repelían, mientras que aquellos cargados con distinta clase de electricidad se atraían. La atracción o repulsión observada en estos cuerpos no es más que una manifestación de las fuerzas eléctricas mencionadas en el bloque1.

Figura 4.16 Tales de Mileto (630-545 a. n. e.) fue uno de los primeros grandes filósofos de la antigua Grecia. Además de sus observaciones acerca de los fenómenos eléctricos, contribuyó de manera importante a la geometría; una de sus aportaciones es el teorema que lleva su nombre.

181

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 181

1/14/13 11:15 AM


El científico y político estadounidense Benjamin Franklin (figura 4.17) pensaba que los cuerpos tenían cierta cantidad de fluido eléctrico de electricidad positiva y que al frotarse se intercambiaba parte del fluido de uno al otro, de modo que un cuerpo quedaba cargado con exceso de fluido mientras que el otro tenía una carencia de igual valor y, por lo tanto, adquiría electricidad negativa. Aunque ahora sabemos que la electricidad no es un fluido, en ocasiones, en el lenguaje cotidiano, se siguen usando términos como fluido eléctrico para referirnos a la electricidad que llega a nuestras casas.

Aproximación al conocimiento científico

Figura 4.17 Además de participar en la independencia de Estados Unidos de Norteamérica, Benjamin Franklin (1706-1790) es conocido por sus aportaciones científicas, principalmente las relacionadas con la electricidad.

Como has aprendido, es posible generar fuerzas eléctricas frotando un globo con tu cabello. Haz el siguiente experimento con dos compañeros y anoten en su cuaderno las observaciones. Figura 4.18

Material: ¿Qué necesitamos? Un peine de plástico, dos globos, pedacitos de papel, hilo delgado, llave de agua, dos popotes de plástico, un vaso de vidrio o tubo de ensayo Figura 4.19

Para saber más Benjamin Franklin demostró la naturaleza eléctrica de los rayos en una tormenta. Además, inventó el pararrayos, que reduce los daños causados por un rayo en su caída. Este aparato consiste en una barra de hierro terminada en una o varias puntas colocadas en la parte más alta de los edificios que protegen. La barra se une a tierra con un cable conductor que se ramifica en el suelo.

Elabora en tu cuaderno una predicción sobre lo que ocurre cuando un globo es frotado en tu cabello, y luego lo acercas a pedacitos de papel y a un chorro de agua.

Figura 4.20

Desarrollo: ¿Qué hago? 1. Peinen su cabello con el peine de plástico y acérquenlo a los pedacitos de papel (figura 4.18). ¿Qué observas? 2. Vuelvan a peinarse y acerquen el peine a un pequeño chorro de agua en el fregadero de la cocina (figura 4.19). Describan qué le sucede al chorro de agua. 3. Inflen los globos, frótenlos en su cabello y amárrenlos a los extremos de un hilo delgado. ¿Qué observan? 4. Cuelguen un popote de plástico con un hilo amarrado en el centro, de manera que gire libremente (figura 4.20). 5. Froten el popote con el hilo en su cabello y luego acerquen a uno de sus extremos un vaso de vidrio o un tubo de ensayo (previamente, también deberán frotarlo). ¿Qué notan? 6. Froten en su cabello el otro popote y acérquenlo al primer popote. ¿Qué ocurre?

182

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 182

1/14/13 11:15 AM


Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» ¿Por qué se desvía el chorro de agua cuando acercan el peine? » En lo observado en el último paso, ¿cómo influye que ambos popotes estén hechos del mismo material? » En lo observado en el quinto paso, ¿cómo influye que el popote y el vaso estén elaborados con materiales diferentes? » ¿Qué fenómenos físicos se comprueban con estas experiencias?

El tipo de fenómenos que estudiamos en esta lección se conocen como electrostáticos, ya que las cargas asociadas a los cuerpos involucrados se encuentran estáticas, es decir, no cambian con el tiempo, a diferencia de lo que sucede cuando se establece una corriente eléctrica en la que hay cargas en movimiento, como se estudiará en la siguiente lección. ¿Cómo podemos justificar estos fenómenos? La explicación yace en el hecho de que la materia está formada por átomos y estos a su vez tienen cargas eléctricas. Hemos visto que aunque los átomos tienen carga neutra, es posible que uno se cargue positiva o negativamente al intercambiar electrones de un átomo a otro. Existen diferentes formas en las que un cuerpo adquiere una carga neta. La más común es quizá la carga por fricción; en esta, el frotamiento de un cuerpo con otra superficie ocasiona que los electrones más externos del átomo, que son los que presentan menor atracción al núcleo, “salten”. La facilidad con que los electrones externos pueden “saltar” depende de cada material. En otras palabras, la fuerza que mantiene unidos los electrones al átomo depende del material. Por ejemplo, es más fácil que “salten” electrones de la lana que de la resina, de manera que al frotar estos dos materiales hay una transferencia de electrones de la lana a la resina, por lo que esta última adquiere un exceso de electrones, quedando cargada negativamente, mientras que en la lana existe una deficiencia de electrones y queda cargada positivamente. Una forma más en la que es posible que un cuerpo quede cargado es mediante inducción electrostática, sin necesidad de un contacto directo con otra superficie. Esto sucede cuando un cuerpo cargado repele o atrae los electrones de la superficie de otro cuerpo. De esta forma, en el segundo cuerpo se crea una zona donde hay una mayor concentración de carga positiva, lo que da lugar a una fuerza de atracción entre los cuerpos. El ejemplo típico en el que se manifiestan estos fenómenos es frotar un globo en cabello: si el primero es acercado a una pared, se quedará pegado. En este simple experimento ocurre, en primer lugar, la carga por fricción cuando el globo es frotado en el cabello: queda cargado negativamente. Al acercarlo a la pared, sucede la carga por inducción; cuando este se aproxima al muro, se induce una carga eléctrica positiva en él, pues los electrones de su superficie se ven repelidos por la carga negativa del globo. Por tanto, las cargas opuestas del globo y la pared ejercen una fuerza atractiva. Una manera espectacular y divertida de observar el efecto de la carga eléctrica sobre nuestro cuerpo es usar un aparato conocido como generador Van de Graff, inventado por el físico estadounidense Robert Van de Graff (1901-1967), y lo puedes encontrar en algunos museos de ciencias (figura 4.21). En este aparato, un motor hace girar una banda de hule sostenida por dos poleas y mediante cepillos metálicos que están en contacto con la banda en movimiento se transfiere carga eléctrica a la esfera metálica. Si antes de iniciar el movimiento de la banda se toca con la mano la esfera, cuando esta se vaya cargando se transferirá la carga a nuestro cuerpo, incluido nuestro cabello, que al tener la misma carga se erizará, puesto que las puntas de este se repelerán.

Para saber más Un principio fundamental de la física es la conservación de la carga eléctrica. Esto implica que la carga no se puede crear ni destruir, sino únicamente transferir de un cuerpo al otro, manteniendo siempre la carga total inalterada. Si al interaccionar dos cuerpos uno se carga positivamente, por ende, el otro cuerpo se carga negativamente en la misma cantidad.

Figura 4.21 En la imagen se muestra una esfera del generador Van de Graff. Si la tocas, la carga se transfiere a tu cuerpo, por lo que tus cabellos se erizarán.

183

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 183

1/14/13 11:15 AM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Lee las preguntas y elige la opción que las responda correctamente. Argumenta tu elección en tu cuaderno. » ¿Qué sucede cuando quieres cargar un cuerpo mediante frotamiento? a) Se quitan protones. b) Se quitan electrones. c) Se ponen protones. d) Se quitan o se ponen electrones. e) Se quitan o se ponen protones. f) Se ponen electrones. » ¿Qué sucede cuando se carga un cuerpo por inducción electrostática? a) Al poner en contacto un cuerpo cargado positivamente con otro neutro, pasarán electrones del neutro al positivo. Ambos quedarán cargados positivamente. b) Al poner en contacto un cuerpo cargado positivamente con otro neutro, pasarán electrones del positivo al neutro. El neutro quedará cargado negativamente y el positivo seguirá cargado positivamente. c) Al poner en contacto un cuerpo cargado positivamente con otro neutro, pasarán protones del neutro al positivo. El neutro quedará cargado negativamente y el positivo seguirá cargado positivamente. d) Al poner en contacto un cuerpo cargado positivamente con otro neutro, pasarán protones del positivo al neutro. Ambos quedarán cargados positivamente. 2. El generador Van de Graff no solo sirve para ponernos “los pelos de punta”, este tiene múltiples aplicaciones. Averigua y describe con tus palabras algunos de los usos que se le dan a este aparato.

Para saber más Un dato curioso es que el rayo inspiró a desarrollar el microscopio electrónico, un aparato que permite estudiar la estructura interna de la materia. Si deseas saber más acerca del tema, consulta Rivaud, L. y J. Tagüeña. (2007). Del rayo al microscopio electrónico. ¿Cómo ves? 9(98), pp. 16-19.

Si el generador Van de Graff se encuentra cargado y se le acerca a la esfera metálica (sin tocarla) una varilla anclada a la tierra, se produce una chispa eléctrica entre ambas piezas. Además de emitir luz, la chispa genera un leve ruido. Esta chispa es lo que se conoce como descarga eléctrica, similar a la de los rayos que se producen en las tormentas eléctricas, lo que es una manifestación de la energía adquirida por un cuerpo cuando se carga eléctricamente. Usando el concepto de energía potencial que ya hemos estudiado, podemos hacer una analogía con el agua que se acumula en el tinaco ubicado en la azotea de una casa. Al llevar el agua del nivel de la calle hasta el tinaco, se acumula energía potencial gravitacional en el líquido, misma que se manifiesta cuando el agua sale libremente al abrir la llave del lavabo. De manera similar, cuando un cuerpo adquiere carga eléctrica se acumula en él energía potencial eléctrica. Para que esta energía se manifieste mediante una chispa, la carga acumulada en el cuerpo debe transferirse a otro cuerpo que tenga un nivel distinto de carga eléctrica, es decir, un potencial eléctrico distinto. La diferencia de potencial eléctrico entre un cuerpo y otro es lo que se conoce como voltaje. Cuando se genera la descarga se presentan momentáneamente cargas en movimiento, que es lo que se denomina corriente eléctrica y que estudiaremos con más detalle en la siguiente lección. En las tormentas, los rayos se producen cuando existen zonas con diferente carga eléctrica dentro de una nube, entre dos nubes o con la superficie de la Tierra.

184

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 184

1/14/13 11:15 AM


Estas zonas se crean debido al rozamiento de los cristales de hielo dentro de las nubes, que a su vez se producen debido a las corrientes de aire que ascienden en su interior. Los cristales más pequeños ascienden a la parte superior de la nube y se cargan positivamente, mientras que los más pesados permanecen en la parte inferior y se cargan negativamente. Mediante inducción electrostática, esta carga negativa puede producir una carga positiva sobre la superficie de la Tierra. Cuando la diferencia de potencial entre la nube y la Tierra es suficientemente grande se produce una descarga eléctrica, es decir, un rayo (figura 4.22). Hasta ahora solo hemos visto que entre cuerpos cargados con el mismo tipo de carga existe una fuerza de repulsión, en tanto que entre cuerpos cargados con cargas de signo opuesto se presenta una fuerza de atracción. Sin embargo, no hemos dicho nada acerca de la magnitud de tales fuerzas. En la segunda mitad del siglo xvii, Charles Agustin Coulomb investigó la interacción eléctrica entre partículas cargadas, para lo cual construyó un dispositivo llamado balanza de torsión, el cual le permitía medir la fuerza electrostática entre dos cargas. Después de diversos experimentos, Coulomb llegó a la conclusión de que la fuerza con que se atraen o repelen dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas, es decir, cuanto más grandes sean las cargas, mayor será la fuerza. Coulomb (figura 4.23) también descubrió que la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que existe entre los cuerpos. Esto significa que cuanto mayor sea la distancia entre ellos, menor será la fuerza. De manera más precisa, la fuerza entre dos cuerpos cargados y alejados por una unidad de distancia se reduce a la cuarta parte cuando los cuerpos se separan dos unidades de distancia. Por ejemplo, la intensidad de la fuerza entre dos cuerpos cargados separados por una cierta distancia será cuatro veces menor cuando los mismos cuerpos se aparten el doble de dicha distancia. Si consideramos que tenemos un solo cuerpo cargado, podríamos preguntarnos si este afecta de alguna manera al espacio que lo rodea. La respuesta es que aunque no pueda observarse a simple vista, el cuerpo cargado efectivamente ocasiona una alteración en el espacio que se denomina campo eléctrico. La manera de observar los efectos del campo eléctrico es acercando otro cuerpo cargado, lo que dará lugar a una fuerza eléctrica entre ellos. Una manera de visualizar los campos eléctricos es mediante líneas imaginarias conocidas como líneas de fuerza o líneas de campo, mismas que describen los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro (figuras 4.24).

+

Objeto con carga negativa

Figura 4.22 En las tormentas eléctricas, debido al frotamiento del aire, se crean zonas con distinta carga dentro de las nubes, lo que puede ocasionar una descarga eléctrica, que se manifiesta en un rayo.

Figura 4.23 Charles Agustin Coulomb (17361806) fue un físico e ingeniero francés que estudió principalmente los fenómenos electrostáticos. Su contribución más importante es la determinación matemática de la ley que rige la atracción o repulsión entre las cargas eléctricas: la ley de Coulomb.

Objeto con carga positiva

Figura 4.24 Líneas de fuerza o de campo de dos objetos con cargas diferentes.

185

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 185

1/14/13 11:15 AM


Cuando dos cargas eléctricas están cerca, las líneas de fuerza se manifestarán según su naturaleza: si son opuestas o si son iguales (figuras 4.25 y 4.26). Figura 4.25 líneas de fuerza de dos objetos que interaccionan con cargas iguales negativas.

Figura 4.26 Líneas de fuerza de dos objetos que interaccionan con cargas de igual magnitud, pero de signos contrarios.

Integramos En esta lección hemos aprendido que existen dos clases de cargas eléctricas: las positivas y las negativas; y que los cuerpos cargados con el mismo tipo de carga experimentan una fuerza de repulsión, en tanto que, en los cuerpos cuyas cargas son opuestas se presenta una fuerza de atracción. A pesar de que los átomos no tienen carga neta, es posible que un cuerpo se cargue positiva o negativamente, por ejemplo, mediante fricción, como sucedió cuando Raúl frotó sus zapatos con suela de goma sobre la alfombra al bailar. La acumulación de carga en un cuerpo puede dar lugar a descargas eléctricas, como las que observamos durante una tormenta. Los fenómenos electrostáticos que hemos estudiado en esta lección aparecen en situaciones de la vida cotidiana, pero además son de importancia en aplicaciones tecnológicas y en la explicación de fenómenos naturales.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete en equipo con un compañero; averigüen qué necesitan para contestar lo que se plantea. Después de discutir sobre la información recabada, respondan en su cuaderno las preguntas. » ¿Cómo se evita la acumulación de cargas en los aparatos eléctricos? » ¿Cómo funciona un pararrayos? » ¿Cómo se evitan las descargas electrostáticas en los aparatos electrónicos?

186

S-Fis-CNT-B4-170-186_PDF_alta_alumno 186

1/14/13 11:15 AM


BLOQUE

4

Lección 4

Explicación de los fenómenos eléctricos: el modelo atómico Corriente y resistencia eléctrica. Materiales aislantes y conductores

aprendizaje esperado. Explica la corriente y resistencia eléctrica en función del movimiento de los electrones en los materiales.

Comenzamos Hilda y Diana van de compras al centro de la ciudad, para lo cual deciden transportarse en el metro. Para cambiar de una línea a otra atraviesan un pasillo largo que las conduce a la estación deseada. Aunque hay mucha gente en el pasillo, todos se desplazan en la misma dirección avanzando con facilidad a un paso más o menos constante y manteniendo cierta separación entre cada persona. Repentinamente, el fluir de la gente se vuelve mucho más lento y el espacio entre las personas disminuye. Diana observa que esto se debe a que, un poco más adelante, el espacio del pasillo por el que se puede desplazar la gente se ha vuelto más angosto debido a ciertos arreglos que se están llevando a cabo. 1. Responde en tu cuaderno. » Supón que filmas a la gente que camina a lo largo del pasillo, de modo que al ver la película puedes contar el número de personas que pasan cada minuto por cierto punto. ¿Cómo sería la cuenta en el punto donde el pasillo es ancho comparada con otro punto donde es angosto? ¿Dónde hay más resistencia al paso de la gente: donde el pasillo es ancho o donde es angosto? » Imagina que quieres llenar una cubeta de 10 L usando la llave de agua del jardín y para ello cuentas con dos mangueras, una de media pulgada de diámetro y otra de una pulgada. ¿Cuál manguera usarías para llenar la cubeta en el menor tiempo posible? Explica por qué.

Para saber más Existen materiales llamados semiconductores, que se comportan como aislantes o conductores dependiendo de diversos factores, como el voltaje aplicado o la temperatura. Estos materiales tienen múltiples aplicaciones en la industria electrónica.

Aprendemos En la lección anterior estudiaste diversas situaciones en las que las cargas eléctricas se acumulan en un cuerpo manteniéndose en reposo, es decir, estáticas. Viste que un cuerpo puede cargarse negativamente cuando sus átomos adquieren un exceso de electrones, transferidos de otro cuerpo, o bien, puede cargarse positivamente cuando existe un déficit de electrones. Las cargas eléctricas, sin embargo, también son capaces de moverse dentro de un cuerpo, pero su movimiento depende del tipo de material en donde se encuentran. A grandes rasgos, se puede distinguir entre dos tipos de materiales de acuerdo con la resistencia que oponen al movimiento de los electrones: los aislantes y los conductores. Los aislantes son aquellos materiales en los que los electrones encuentran una gran resistencia para desplazarse, puesto que las fuerzas que los mantienen unidos al átomo son muy intensas. Entre los materiales aislantes más comunes se encuentran el plástico, el hule, la cerámica y la madera (figura 4.27).

Figura 4.27 El hule es un aislante eléctrico que se emplea para recubrir los cables conductores y así evitar descargas eléctricas que podrían provocar incendios.

187

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 187

12/21/12 12:37 PM


b) a)

Figura 4.28 El cobre es uno de los mejores conductores (a). Sección transversal de un cable de cobre (b). Los electrones (–) fluyen de la carga negativa a la carga positiva.

e-

e-

Ánodo

Cobre

Figura 4.29 Esquema del flujo de electrones que se da entre dos placas cargadas (una de cobre y otra de plata), de distinto signo, conectadas por un cable metálico.

Si quieres conocer más sobre la corriente eléctrica, consulta el siguiente enlace. http://recursostic. educacion.es/ newton/web/ materiales_didacticos/ electricidad3E/index. htm Figura 4.30 Por convención, el sentido de la corriente eléctrica está en sentido contrario al del desplazamiento de los electrones.

Por su parte, los conductores son materiales que ofrecen una resistencia pequeña al movimiento de los electrones; de hecho, algunos de los electrones pueden pasar de un átomo a otro libremente. Se dice entonces que un conductor posee electrones libres. Los metales como el oro, la plata, el cobre y el aluminio se cuentan entre los mejores conductores eléctricos y sus átomos poseen una gran cantidad de electrones libres que son capaces de moverse dentro del material. Debe quedar claro, sin embargo, que entre la gama de materiales conductores unos son mejores que otros (figura 4.28). Si se conectan dos placas cargadas de distinto signo mediante un cable metálico, los electrones libres del metal serán repelidos por la placa negativa y se desplazarán hacia la placa positiva produciendo un flujo de electrones desde la placa negativa a la positiva a través del cable conductor (figura 4.29). Los átomos que forman el cable metálico no se mueven, solo lo hacen algunos de sus electrones. Al movimiento de los electrones dentro de un Cátodo ematerial conductor se le denomina corriente eléctrica. De manera más precisa, la intensidad de corriente eléctrica se define como el número de electrones que pasa en cierto punto por unidad de tiempo (figura 4.30). Ya que la unidad de medida de la carga eléctrica en el Sistema Internacional es el coulomb (simbolizado por la letra C), la corriente eléctrica tiene unidades de coulombs/segundo (C/s). A esta Plata unidad de corriente se le denomina ampere y se representa con la letra A. El aparato que se usa para medir corriente eléctrica se llama amperímetro.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Discute con dos compañeros las siguientes preguntas y anota en el cuaderno tus respuestas. » ¿Cuál es la razón por la que los materiales aislantes no conducen adecuadamente la corriente eléctrica? ¿Por qué los materiales conductores sí lo hacen? ¿Qué otros materiales aislantes y conductores conoces? » ¿Por qué razón los cables eléctricos se cubren con un material plástico? 2. Investiga cómo se transmiten los impulsos nerviosos en nuestro cuerpo. Luego, responde: ¿El cuerpo humano es aislante o conductor?

Ahora bien, puedes preguntarte qué hace que los electrones se pongan en movimiento en un material conductor para producir una corriente. Piensa por un momento en el caso de los rayos en las tormentas eléctricas, que estudiaste en la lección anterior. Viste que estos son descargas eléctricas que se presentan, por ejemplo, entre una nube y la Tierra debido a que ambas tienen un potencial eléctrico distinto. Ya que la descarga es una corriente eléctrica momentánea que atraviesa el aire, podrías preguntarte si el aire es un buen conductor de la electricidad. De hecho, el aire seco es más bien un aislante eléctrico, sin embargo, el aire húmedo conduce mejor la corriente debido a la presencia de agua. Mientras la diferencia de potencial eléctrico entre la nube y la Tierra es pequeña, el aire impide el paso de la corriente eléctrica. Sin embargo, si esta diferencia es lo suficientemente grande, el aire ya no puede contenerla y entonces actúa como conductor permitiendo la descarga.

188

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 188

12/21/12 12:37 PM


Esto indica que los materiales aislantes pueden volverse conductores en condiciones extremas, es decir, cuando están sujetos a diferencias de potencial muy grandes. La pregunta ahora sería: ¿Por qué no se mantiene el rayo de manera continua? O bien, cuando te has cargado eléctricamente después de frotar tus zapatos con suela de goma sobre una alfombra y luego tocas un objeto metálico, ¿por qué no se mantiene el “toque eléctrico” indefinidamente? Esto se debe a que una vez producida la descarga eléctrica, ambos cuerpos quedan con el mismo potencial eléctrico y, por tanto, deja de existir la causa de la corriente eléctrica. Considera el ejemplo del tinaco lleno de agua que está en la azotea. Debido a la diferencia de energía potencial gravitacional que existe entre el agua del tinaco y la planta baja de la casa, cuando abres la llave el agua fluye continuamente. Si acumulas el agua en otro recipiente en la planta baja, cuando toda el agua se encuentre a ese nivel dejará de fluir y tendrá el mismo potencial gravitacional (figura 4.31). Si quieres mantener un flujo continuo de agua entre el tinaco y el recipiente, necesitas colocar una bomba de agua que lleve el agua hacia el tinaco de manera continua. La bomba proporciona la energía necesaria para mantener la diferencia de energía potencial gravitacional entre el agua en el tinaco y en el recipiente de la planta baja. En el caso eléctrico, para mantener circulando una corriente eléctrica en un material conductor es necesario contar con una fuente de energía eléctrica que permita mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos regiones del conductor. Esta fuente hace las veces de la bomba de agua del ejemplo anterior. Una pila eléctrica es precisamente una fuente de energía eléctrica que convierte la energía química almacenada en ciertos materiales en energía eléctrica, a través de una reacción química. Se llama circuito eléctrico al camino o trayectoria por donde circula la corriente eléctrica. Los circuitos pueden ser muy complicados y tener varios elementos. Un circuito eléctrico sencillo consiste en una pila cuyos polos o terminales (positiva y negativa) se conectan a un cable conductor que a su vez alimenta a un foco. La pila proporciona la diferencia de potencial eléctrico necesaria para que los electrones circulen en el circuito y pasen por el foco, convirtiendo la energía eléctrica en luz y calor (figura 4.32). Como mencionamos en la lección anterior, la diferencia de potencial entre dos puntos se denomina voltaje. En ocasiones, al voltaje también se le llama tensión eléctrica. El voltaje tiene unidades de energía por unidad de carga, que podemos expresar como joule/coulomb (J/C). Un joule/coulomb es lo que se define como un volt y se representa con la letra V, que es la unidad con la que se caracterizan las pilas. El aparato que se usa para medir el voltaje se llama voltímetro. Pila Foco

Bomba

Tinaco

Depósito Figura 4.31 Modelo hidráulico.

Para saber más Un tipo de pila eléctrica consiste en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido llamado electrolito, capaz de conducir iones. Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se produce un exceso de electrones, y en el otro (cátodo) se genera un def ecto de electrones. Cuando los electrones excedentes pasan del ánodo al cátodo a través de un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica.

Cable 2

Cable 1

Caimán

Caimán Cable 3

Figura 4.32 Circuito eléctrico simple. Los caimanes se pueden conectar para cerrar el circuito.

189

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 189

12/21/12 12:37 PM


Aproximación al conocimiento científico Organízate con un compañero para construir un circuito eléctrico sencillo (figura 4.33). Con este dispositivo comprobarán el paso de la corriente eléctrica cuando hay una diferencia de potencial eléctrico. También apreciarán la transformación de energía eléctrica en luz y calor.

Material: ¿Qué necesitamos? Una batería de 9 V, un foco de serie navideña con su base (socket), tres cables con dos caimanes Figura 4.33 Circuito eléctrico simple.

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Con uno de los cables, conecten uno de los polos de la batería a una de las terminales de la base del foco (figura 4.33). 2. Enganchen con un caimán de otro cable el otro polo de la pila y dejen un caimán libre. 3. Utilicen el tercer cable para enganchar la otra terminal de la base del foco con uno de los caimanes y vuelvan a dejar libre el otro caimán 4. Finalmente, pongan un momento en contacto los dos caimanes libres y luego vuélvanlos a separar.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» ¿Qué le ocurre al foco cuando el circuito se abre? » ¿Qué uso le pueden dar a su circuito eléctrico? » Dibujen un esquema del circuito en el que indiquen el paso de la corriente.

Figura 4.34 Las pilas son una fuente de corriente continua.

Figura 4.35 El multímetro es un instrumento que mide la resistencia, la intensidad de corriente y la diferencia de potencial eléctrico.

En un circuito eléctrico, las pilas proporcionan un flujo continuo de electrones, los cuales circulan de la terminal o polo negativo de la pila hacia el polo positivo (figura 4.34). Sin embargo, por razones históricas, el flujo de la corriente eléctrica se define en sentido contrario, es decir, del polo positivo al polo negativo. Esta definición es solo una convención y en la práctica no causa ningún problema. El flujo continuo de electrones en una sola dirección es lo que se conoce como corriente continua. Como verás más adelante, también es posible generar una corriente alterna en la cual el flujo de los electrones cambie de dirección periódicamente debido a que los polos de la fuente de energía eléctrica se invierten igualmente de manera periódica. Dado que existen materiales que conducen la corriente eléctrica mejor que otros, la intensidad de la corriente dependerá directamente del material por el que circula. La propiedad física que caracteriza qué tan fácil o difícil resulta el paso de la corriente a través de un material se denomina resistencia eléctrica, y su unidad de medida es el ohm, que se simboliza con la letra griega Ω (omega) (figura 4.35). De hecho, todos los materiales en mayor o menor medida presentan una resistencia al paso de la corriente eléctrica, pero en los buenos conductores la resistencia eléctrica es muy baja, mientras que los materiales aislantes se caracterizan por tener una resistencia muy alta. Podemos hacer una analogía de la resistencia eléctrica si pensamos en el ejemplo del inicio, donde Diana e Hilda caminan por un pasillo lleno de gente. Mientras el pasillo es ancho, la resistencia es baja y el desplazamiento de la gente es más fácil, sin embargo, cuando el espacio se vuelve más angosto, la resistencia es mayor, por lo que el desplazamiento de la gente se dificulta. Otra manera en que la resistencia se incrementa es cuando algunas de las personas que ocupan el pasillo se encuentran detenidas (por ejemplo, vendedores) ocasionando que otras personas choquen con ellas o tengan que esquivarlas desviando su dirección.

190

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 190

12/21/12 12:37 PM


En 1827, el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm (figura 4.36) descubrió la relación que existe entre la intensidad de la corriente eléctrica, la resistencia del material y el voltaje aplicado, formulando lo que ahora se conoce como la ley de Ohm. Esta ley establece que la intensidad de corriente eléctrica que circula por un material conductor es proporcional al voltaje aplicado (es decir, a la diferencia de potencial aplicada) e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. En lenguaje matemático, la ley de Ohm se expresa como V = R3I, donde V es el voltaje, R es la resistencia e I, la intensidad de corriente eléctrica. Lo anterior quiere decir que en un material con una resistencia eléctrica determinada, si se aplica un voltaje más grande, la intensidad de la corriente será a su vez mayor. Por otro lado, si se aplica un voltaje determinado a distintos materiales conductores, la intensidad de la corriente será más pequeña mientras mayor sea la resistencia del material. En la práctica, cuando consideras un circuito eléctrico, la resistencia de todo el circuito puede estar constituida por varios elementos.

Integramos En esta lección has aprendido que los electrones pueden desplazarse dentro de los materiales y que la facilidad o dificultad para hacerlo depende de una propiedad de cada material llamada resistencia eléctrica. Así, existen materiales aislantes que tienen una resistencia muy alta y dificultan el paso de la corriente, y conductores cuya resistencia es baja y lo facilitan. De manera similar a como se puede contar el número de personas que caminan por un lugar de un pasillo cada cierto tiempo, la intensidad de la corriente eléctrica se define como el número de electrones que pasan por un punto por unidad de tiempo. Has visto también que la ley de Ohm relaciona la intensidad de la corriente eléctrica en un conductor con el voltaje aplicado y la resistencia del material. En esta lección has utilizado varias analogías, como la gente caminando en un pasillo o el flujo del agua en una casa con un tinaco en la azotea, sin embargo, debe quedarte claro que las analogías tienen limitaciones y que extenderlas demasiado podría llevarte a errores conceptuales. Aunque sirven para explicar algunos conceptos, claramente los electrones no se comportan igual que las personas ni la corriente eléctrica es un flujo de agua.

Figura 4.36 Georg Simon Ohm (1789-1854) investigó sobre las corrientes y descubrió la ley que lleva su nombre. A la unidad de resistencia eléctrica se le denomina ohm (Ώ) en su honor.

Para saber más Existen materiales, conocidos como superconductores, que permiten el paso de la corriente eléctrica sin oponer ninguna resistencia y sin perder energía. En estos materiales, la resistencia disminuye a cero cuando se encuentran por debajo de una temperatura crítica que usualmente es muy baja (figura 4.37). En el mercurio, que fue el primer superconductor descubierto, la temperatura crítica es de 4 K (–269 °C).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero para investigar lo siguiente. » ¿Es verdad que cuando un rayo cae sobre un avión que está en el aire, este puede seguir volando? » ¿Cuál es el mejor material conductor a temperatura ambiente que se conoce? » ¿La ley de Ohm se aplica a todos los materiales y en cualquier circunstancia? Justifica tu respuesta.

Figura 4.37 Algunas cerámicas, como la de la imagen, son superconductores.

191

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 191

12/21/12 12:37 PM


BLOQUE

4

Lección 1

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia Descubrimiento de la inducción electromagnética: experimentos de Oersted y de Faraday

aprendizaje esperado. Identifica las ideas y experimentos que permitieron el descubrimiento de la inducción electromagnética.

Comenzamos

Si quieres aprender a hacer una brújula de manera sencilla, conéctate a este enlace. http://redescolar.ilce. edu.mx/redescolar/act_ permanentes/viajeros/ colon/artefase1b.html

Para saber más La magnetita es un mineral formado a partir de hierro y oxígeno, que se encuentra de manera natural en la Tierra. Es muy denso, frágil, duro y atrae al hierro, al acero y a otros metales. Su color es pardo negruzco, con brillo metálico. En la antigüedad se le conocía como piedra imán. Figura 4.38 Muestra del mineral magnetita.

Ana está de campamento con su familia en el bosque y decide salir a caminar con Cristian, a quien le acaban de regalar una brújula para orientarse. Mientras se preparan, Ana deja su teléfono celular en la mesa y, sin pensarlo, Cristian coloca la brújula sobre el celular. Sorprendidos, ambos observan que la aguja de la brújula cambia la dirección que tenía antes de estar sobre el celular. 1. Lleva a cabo este experimento y luego responde las preguntas en tu cuaderno. » Consigue una brújula y un teléfono celular. Coloca la brújula sobre la mesa y observa la dirección norte, adonde apunta la aguja de la brújula. Pon el celular sobre la mesa y coloca su lado largo en la misma dirección que la aguja de la brújula. Ahora coloca la brújula encima del celular. ¿Qué observas? » Ahora gira el celular con la brújula encima un pequeño ángulo. ¿Cambió la dirección de la aguja de la brújula? » Poco a poco sigue girando el celular hasta dar una vuelta completa y describe qué pasa con la aguja de la brújula. Explica qué sucede.

Aprendemos En las lecciones anteriores se habló acerca de la naturaleza eléctrica de la materia y la evidencia experimental de que existen dos tipos de carga eléctrica: la positiva y la negativa. Además, viste que los cuerpos cargados ejercen fuerzas entre sí: de repulsión, cuando los cuerpos tienen el mismo tipo de carga, y de atracción, cuando tienen cargas de distinto tipo. Una cuestión muy importante es que las cargas positivas y negativas existen independientemente unas de las otras, o dicho de otra forma, estas cargas pueden existir separadas. También aprendiste que las cargas pueden desplazarse dentro de los materiales conductores produciendo una corriente eléctrica. Además de los fenómenos eléctricos que se conocen desde hace muchos años, la humanidad también ha estado en contacto con otro tipo de fenómeno que aparentemente no estaba relacionado con ellos: el magnetismo. Esta palabra se usa para definir los fenómenos que se presentan con cierto tipo de materiales conocidos como imanes o magnetos y que tienen la propiedad de atraer el hierro y otros metales. Existen registros históricos que muestran que los imanes fueron conocidos por los seres humanos desde hace más de dos mil años. La palabra magnetismo proviene de una región de Asia Menor conocida como Magnesia, en donde al parecer fueron encontradas por primera vez piedras magnéticas, material conocido ahora como magnetita (figura 4.38). Se sabe también que hace aproximadamente dos mil años, los chinos hicieron uso del magnetismo al inventar la brújula, que ha servido a los navegantes y viajeros para orientarse desde entonces.

192

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 192

12/21/12 12:37 PM


La brújula utiliza un material magnético, por ejemplo, una aguja imantada que gira libremente y que siempre apunta al norte. También hay evidencias arqueológicas que muestran que los materiales magnéticos fueron conocidos por los olmecas, la cultura que floreció cerca de la costa del Golfo de México aproximadamente durante los años1200 a 500 a. n. e. El primero en describir las propiedades de los imanes fue el filósofo griego Tales de Mileto, quien, como viste en el tema anterior, también describió las fuerzas que se presentan en cuerpos cargados eléctricamente. Muchos años más tarde, el físico inglés William Gilbert (1544-1603) escribió en 1600 uno de los primeros tratados científicos sobre magnetismo llamado De magnete, donde describió múltiples experimentos y afirmó que la Tierra es un gran imán. Si has tenido imanes en tus manos, sabrás que tienen propiedades que los hacen únicos. Tienen dos polos, denominados norte y sur (en referencia a los polos geográficos de la Tierra), que no pueden separarse (figura 4.39). Si cortas un imán a la mitad, no obtienes un polo norte y un polo sur aislados, sino dos imanes, cada uno con sus dos polos. Estos forman una unidad indivisible conocida como dipolo magnético. La línea que une al polo norte con el sur se llama eje del dipolo. El que no sea posible separar los polos de un imán, es decir, el que no existan monopolos magnéticos, distingue a los fenómenos magnéticos de los eléctricos, porque las cargas eléctricas (positivas o negativas), como ya se mencionó, sí pueden existir separadas. Si tienes dos imanes y acercas los dos polos iguales, los imanes se rechazan, mientras que si los polos son opuestos se atraen (figura 4.40). En otras palabras, al igual que las cargas eléctricas los imanes producen fuerzas. De hecho, los imanes se reconocen esencialmente por sus interacciones con otros imanes o por la atracción que ejercen sobre algunos metales. Es casi imposible saber si un material es magnético sin acercarlo a otro imán o a un pedazo de fierro. a)

b)

Figura 4.39 Los polos magnéticos de la Tierra están ligeramente desviados con respecto a los polos geográficos.

Para conocer sobre el campo magnético de la Tierra entra a www.acmor.org.mx/ descargas/09_feb_02_ brujulas.pdf

c) Figura 4.40 Polos de un imán (a). Atracción entre polos opuestos de imanes (b). Repulsión entre polos iguales de imanes (c).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con dos compañeros para hacer el siguiente experimento; necesitan dos imanes, diversos objetos metálicos y una brújula. » Acerquen los imanes a los diversos objetos metálicos, por ejemplo, las bancas del salón de clases, la puerta, las llaves de la casa, la reja de la escuela, unas monedas, clips, etc. Hagan una lista de los objetos que son atraídos por los imanes y otra de los que los repelen. Investiguen de qué material está hecho cada objeto. » Acerquen los dos imanes, observen cómo se atraen y repelen, y determinen cuáles son los polos iguales y cuáles los opuestos; si sus imanes son de tipo laminado, como los que se adhieren al refrigerador, esto puede resultar difícil (figura 4.41). » Acerquen uno de los imanes a la brújula y observen qué le pasa a la aguja magnetizada. Expliquen lo que ocurre (figura 4.42).

Figura 4.41

Figura 4.42

193

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 193

12/21/12 12:37 PM


Figura 4.43 Michael Faraday fue un científico inglés que realizó múltiples descubrimientos en física y química.

Para saber más Existen diversos tipos de materiales magnéticos cuyas propiedades dependen de su estructura atómica. En los materiales ferromagnéticos, o imanes permanentes, como la magnetita, el hierro y el níquel, las moléculas forman minúsculos dipolos magnéticos que se orientan fácilmente en la dirección de un campo impuesto produciendo en conjunto un campo magnético neto. Los materiales diamagnéticos, como la plata, el plomo y el agua, tienden a oponerse a un campo magnético aplicado y, por tanto, a ser repelidos por él. Los materiales paramagnéticos, como el aluminio, cuando se exponen a un campo externo, sus dipolos se orientan en la misma dirección reforzando el campo externo, pero al retirarse el campo pierden su magnetización.

Un aspecto importante de las fuerzas que se generan por los cuerpos cargados eléctricamente o por los imanes es que no son fuerzas de contacto, es decir, para que se manifiesten no es necesario que los cuerpos se toquen, como cuando empujas una silla para moverla de lugar. Las fuerzas eléctricas y magnéticas son de largo alcance, similares a la fuerza gravitacional. En la época de Newton, a este tipo de interacción se le llamó acción a distancia, pero este concepto se modificó a partir del trabajo de uno de los más grandes científicos de todos los tiempos: Michael Faraday (figura 4.43). Para entender los imanes, Faraday introdujo el concepto de campo. La idea es que aun alejado de cualquier material, un imán modifica el espacio que lo rodea; dicha modificación es lo que se denomina campo magnético. Aunque un imán produce un campo magnético en el espacio circundante, el campo solo se manifiesta mediante las fuerzas que se producen cuando se le acerca otro imán o un pedazo de fierro. Faraday representó el campo magnético por medio de líneas imaginarias, llamadas líneas de fuerza, que salen de uno de los polos del imán y terminan en el otro. La presencia de estas líneas se sugiere cuando se espolvorea limadura de fierro sobre una hoja de papel debajo de la cual se encuentra una barra de imán. El número de líneas de fuerza que atraviesan un área determinada se llama flujo magnético (figura 4.44). En las regiones donde el campo es más intenso, el flujo magnético es mayor. Como recordarás, los conceptos de campo y líneas de fuerza también se aplicaron a las cargas eléctricas en el tema anterior, y se mencionó que estas generan a su alrededor un campo eléctrico. Mientras que las líneas de fuerza de una carga aislada son como rayos que salen o entran perpendicularmente a la superficie de la carga, las líneas de fuerza en un imán salen del polo norte y entran en el polo sur. En la época en que Faraday inició sus investigaciones prevalecía la idea de que los fenómenos eléctricos y magnéticos no estaban relacionados. Figura 4.44 Si se colocan limaduras de fierro Existían, sin embargo, algunas similitudes entre las sobre un papel debajo del cual se encuentra fuerzas eléctricas y magnéticas que hacían intuir a una barra de imán, las limaduras se orientan algunos físicos que detrás de esto había algo más formando líneas que salen de un polo y terminan en el otro. que una curiosa coincidencia.

Aproximación al conocimiento científico Aprovechando las características del sonido y su carácter ondulatorio puedes desarrollar un sencillo dispositivo de comunicación a distancia. Reúnete con un compañero, hagan lo que se les indica y respondan las preguntas en sus cuadernos.

Material: ¿Qué necesitamos? Una pila eléctrica AA (1.5 volts), dos cables eléctricos delgados, cinta adhesiva y una brújula

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Pongan uno de los extremos de cada cable en contacto con los polos de la pila; fíjenlos con cinta adhesiva. Unan el extremo libre de un cable con el del otro cable.

194

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 194

12/21/12 12:37 PM


2. Coloquen la brújula en la mesa y pongan uno de los cables encima de la brújula transversalmente a la dirección de la aguja magnética (figura 4.45), ¿cambió su dirección? 3. Ahora alineen el cable en la dirección de la aguja, ¿qué sucede? Repitan lo mismo con el otro cable y observen lo que sucede.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» ¿Cómo relacionan sus observaciones con el experimento de la brújula colocada encima del celular? » ¿En cuáles situaciones de la vida cotidiana han observado un fenómeno similar? » ¿Qué aplicaciones tiene este fenómeno?

Figura 4.45 Circuito eléctrico sobre la brújula.

En julio de 1820, el científico danés Hans Christian Oersted (1777-1851) (figura 4.45) descubrió que una corriente eléctrica circulando en un alambre alteraba la dirección de la aguja magnética de una brújula situada debajo del alambre, es decir, encontró que una corriente eléctrica podía generar magnetismo. De hecho, descubrió que un alambre con corriente parecía producir una fuerza magnética siguiendo un círculo alrededor del alambre. Entonces, además de los imanes permanentes, también es posible generar imanes mediante corrientes eléctricas (figura 4.46). En septiembre del mismo año, André-Marie Ampère (1775-1836) se enteró de los descubrimientos de Oersted. Motivado por este trabajo, repitió y mejoró los experimentos de Oersted e hizo otros, y encontró que también existía una fuerza magnética entre dos alambres por los que circulaba una corriente eléctrica. Ampère enrolló entonces un alambre conductor en un tubo cilíndrico de vidrio e hizo circular una corriente eléctrica a través del alambre, construyendo lo que ahora conocemos como bobina. Encontró que esta produce un efecto magnético exactamente igual al de una barra de imán (figura 4.47). Por medio de estos experimentos, Ampère llegó en poco tiempo a establecer que todos los fenómenos magnéticos son producidos por cargas eléctricas en movimiento. El trabajo de Ampère unificó las teorías acerca de la electricidad y el magnetismo, dando lugar al nacimiento de una nueva área de la física: el electromagnetismo.

Figura 4.46 Hans Christian Oersted descubrió que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. Curiosamente, su descubrimiento fue inesperado, ocurrió mientras daba una demostración pública de los fenómenos eléctricos.

Figura 4.47 Ampère descubrió que un alambre enrollado por el que circula una corriente produce un campo magnético similar al de una barra de imán.

195

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 195

12/21/12 12:37 PM


Para conocer un poco más sobre los descubrimientos de Faraday entra a www.acmor.org.mx/ descargas/11_feb_21_ faraday.pdf

Figura 4.48 Diagrama que ilustra la manera en que Faraday logró producir una corriente eléctrica moviendo una barra de imán dentro y fuera de un alambre enrollado, conectado a sus extremos.

A partir de 1821, Faraday dio el siguiente paso en el entendimiento de los fenómenos electromagnéticos. Primero, mediante un ingenioso experimento demostró que el descubrimiento de Oersted, de que una corriente eléctrica produce una fuerza magnética circular, puede dar lugar a efectos mecánicos, es decir, que la electricidad puede producir movimiento. Este descubrimiento fundamental es el antecedente directo de los motores eléctricos. En segundo lugar, dado que los hallazgos de Oersted y Ampère demostraban que era posible obtener magnetismo a partir de la electricidad, Faraday se preguntó si sería posible obtener electricidad a partir del magnetismo. Para responder esta pregunta ideó varios experimentos, entre los que se cuenta uno que hoy puede reproducirse fácilmente. Lo que hizo Faraday fue introducir una barra de imán dentro de un alambre enrollado unido en sus extremos, que a su vez pasaba encima de una brújula. Mientras el imán se encontraba en reposo no encontró ningún efecto perceptible. Sin embargo, observó un ligero salto de la aguja magnética mientras la barra de imán se encontraba en movimiento, entrando o saliendo del alambre enrollado. Faraday reconoció que la clave para entender el ligero salto de la aguja era la existencia de una variación en el campo magnético que atravesaba el circuito formado por el alambre enrollado. La deflexión de la aguja indicaba la aparición de una corriente eléctrica producida por el movimiento del imán: Faraday había descubierto cómo transformar el movimiento en electricidad. Este fenómeno es lo que se conoce como inducción electromagnética y la ley que lo rige se denomina ley de inducción de Faraday (figura 4.48).

Integramos En esta lección aprendiste que los imanes tienen dos polos que son inseparables y que producen fuerzas de largo alcance. Sus efectos se explican mediante el concepto de campo, que también se aplica a los fenómenos eléctricos. Viste que los experimentos de Oersted y Ampère demostraron que las corrientes eléctricas pueden producir efectos magnéticos, por lo que la electricidad y el magnetismo están relacionados, lo que da lugar al electromagnetismo. Esto permite entender que las corrientes eléctricas que circulan dentro de un teléfono celular producen un campo magnético que puede alterar la dirección de la aguja de una brújula, como observaron Ana y Cristian. Por último, se discutió uno de los experimentos que llevaron a Faraday a descubrir la inducción electromagnética, que tiene como consecuencia la posibilidad de transformar la energía de movimiento en electricidad.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero para escribir en sus cuadernos los conceptos fundamentales que aprendieron en esta lección. Además, investiguen lo siguiente. » ¿Qué aparatos eléctricos utilizan imanes permanentes? » ¿De qué maneras se aprovecha tecnológicamente el hecho de que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos? » ¿Cuál es el principio del funcionamiento de un generador eléctrico, es decir, de un dispositivo que transforma el movimiento en electricidad?

196

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 196

12/21/12 12:37 PM


BLOQUE

4

Lección 2

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia El electroimán y aplicaciones del electromagnetismo

aprendizaje esperado. Valora la importancia de aplicaciones del electromagnetismo para obtener corriente eléctrica o fuerza magnética en desarrollos tecnológicos de uso cotidiano.

Comenzamos El tío de Sandra tiene un “deshuesadero” de autos en las afueras de la ciudad. Sandra y su primo deciden ir en bicicleta a visitarlo y al llegar lo primero que llama su atención es una grúa que sin tener un gancho o tenazas mecánicas en su extremo traslada los autos chocados y piezas de metal de un lugar a otro. El tío les explica que se trata de un electroimán (figura 4.49). Tras platicar con él y ver cómo trabaja, regresan a sus casas poco después del atardecer. Afortunadamente, sus bicicletas cuentan con una lámpara frontal, alimentada por una dínamo acoplada a una llanta de la bicicleta. 1. Responde las siguientes preguntas en tu cuaderno después de discutirlas con tus compañeros. » El electroimán montado en el extremo de la grúa atrae los pedazos de metal. A partir de lo que estudiaste en la lección anterior, ¿cómo te imaginas que funcione un electroimán? » ¿Consideras que hay alguna diferencia entre el campo magnético producido por el electroimán y el producido por un imán permanente? m En la dínamo de la bicicleta de Sandra, la energía de movimiento de la rueda se convierte en energía eléctrica que permite encender un foco. Investiga cómo funciona una dínamo de bicicleta y qué relación tiene con el fenómeno de inducción electromagnética que estudiaste en la lección anterior.

Figura 4.49 Electroimán del extremo de una grúa, que permite trasladar objetos metálicos pesados de un lugar a otro.

Aprendemos En la historia de la ciencia es común encontrar que un descubrimiento fundamental que parecía no tener una aplicación directa logra insertarse en el ámbito de la vida cotidiana después del arduo trabajo de científicos e ingenieros que hacen posible la utilización práctica de dicho descubrimiento. El electromagnetismo es una de las ramas de la física en donde se muestra más claramente la evolución desde los descubrimientos básicos hasta el desarrollo de tecnología. Los descubrimientos fundamentales de Oersted, Ampère y Faraday, y otros que vinieron después de ellos, influyeron de manera radical en el desarrollo del mundo moderno. La lista de las aplicaciones del electromagnetismo en la industria y la vida cotidiana es enorme, y en esta lección estudiarás algunas de ellas. Quizás la aplicación más directa y sencilla del electromagnetismo es la conversión de la energía eléctrica en calor. Como ya viste, cualquier material por el que circula una corriente eléctrica presenta una resistencia a su paso. Esta resistencia ocasiona que parte de la energía que se utiliza para hacer circular a los electrones dentro de un material conductor se transforme en calor al chocar los electrones con los átomos del material. Fue el físico James Joule (figura 4.50) quien observó que al fluir una corriente eléctrica en un conductor, el material experimenta un incremento de temperatura, lo que manifiesta una conversión de energía eléctrica en energía térmica, lo que ahora se conoce como efecto Joule.

Figura 4.50 James Joule (1818-1889) fue un físico inglés que se centró en entender la conversión de una forma de energía en otra y establecer la idea de que el calor es una forma de energía.

197

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 197

12/21/12 12:37 PM


Termómetro

Figura 4.51 Si una resistencia por la cual circula corriente se introduce en agua, esta eleva su temperatura debido al calor disipado por la resistencia.

Batería Resistencia Agua

Figura 4.52 El foco incandescente transforma la energía eléctrica en luz y calor.

Luz y calor Filamento

Para saber más Thomas Alva Edison (1847-1931) fue un científi co, inventor y empresario estadounidense que patentó más de mil inventos, entre los que se cuentan el fonógrafo, la cámara de cine, la lámpara incandescente y la estación eléctrica (desde donde se distribuye la electricidad). En la mayoría de sus inventos aplicó los principios del electromagnetismo, y contribuyó grandemente al desarrollo tecnológico del mundo moderno.

Gas inerte

Ampolla de vidrio

Corriente eléctrica

Esta es la razón por la cual todos los aparatos eléctricos se calientan al estar funcionando. Mediante experimentos, Joule llegó a establecer cuantitativamente una relación entre la corriente que circula por una resistencia y el calor que se produce, conocida como ley de Joule. El calor producido por el paso de la corriente puede ser suficiente para elevar considerablemente la temperatura del conductor (figura 4.51). Este hecho se aprovecha para diseñar hornos, estufas y calentadores eléctricos. En los hornos eléctricos existen varias resistencias encerradas en un recipiente hermético. Al circular la corriente, las resistencias calientan el aire del recipiente que, a su vez, calienta los alimentos o materiales dentro del horno. Una estufa eléctrica está compuesta también por resistencias que soportan altas temperaturas y transfieren su calor a una placa conductora que lo hace llegar a los alimentos que se cocinan. El calefactor o calentador eléctrico contiene muchas resistencias y una superficie reflejante que envía el calor producido hacia la habitación. Otra de las aplicaciones más comunes y útiles del efecto Joule es la lámpara o foco incandescente, inventado por Thomas Alva Edison en 1879. Este consiste en una bombilla de vidrio a la que se ha extraído el aire, logrando un vacío casi perfecto, a no ser por un poco de gas inerte, cuya función es evitar la combustión de un filamento de wolframio (tungsteno) que está dentro (figura 4.52). A través de este filamento se hace pasar una corriente eléctrica que eleva su temperatura hasta alcanzar el punto de incandescencia, en que la energía es irradiada en forma de luz y calor. También hay un elemento de vidrio que impide que el filamento se caliente demasiado. Por último, hay un casquillo metálico unido a la bombilla de vidrio que permite hacer la conexión eléctrica al circuito. El problema con estos focos es que la mayor parte de la energía se irradia en forma de calor y no como luz. Esta es la razón por la que poco a poco estos focos están siendo sustituidos por focos ahorradores.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Discute con dos compañeros las siguientes preguntas y anoten en su cuaderno sus respuestas. » ¿Conoces otra aplicación en donde se utilice el calor producido por el paso de la corriente eléctrica en una resistencia? ¿Cuál? » En los ejemplos que mencionamos antes, el calor producido en la resistencia resulta útil para una aplicación. Sin embargo, en ocasiones, un aparato eléctrico puede dañarse si el calor generado en sus circuitos es excesivo. ¿Qué se hace en una computadora para lograr que la temperatura no se eleve demasiado? 2. Investiga qué parte de la energía suministrada a un foco incandescente se transforma en luz y qué parte en calor.

198

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 198

12/21/12 12:37 PM


A partir del descubrimiento de Oersted, de que una corriente eléctrica circulando en un cable produce un campo magnético a su alrededor, Ampère fue capaz de magnetizar una aguja de hierro enrollando un cable a su alrededor y conectando los extremos a una batería. Al circular la corriente por el cable se generaba un campo magnético en el interior de la aguja y esta quedaba imantada. Este sencillo experimento es el antecesor del electroimán, que es precisamente un imán producido mediante electricidad. Siguiendo la idea de Ampère, en 1825, William Sturgeon (1783-1850) construyó el primer electroimán enrollando un poco de alambre conductor en una barra de hierro en forma de herradura y conectando los extremos del alambre a una batería, de manera que magnetizó la barra y logró levantar un peso veinte veces mayor que el peso del electroimán. El campo magnético generado por un imán permanente es igual que el de un electroimán, pero este último tiene la ventaja de que la intensidad magnética se puede controlar modulando la corriente eléctrica que se hace circular por el alambre o reduciendo el número de espiras. Obviamente, el efecto magnético en un electroimán desaparece cuando la corriente eléctrica se desconecta. Los electroimanes se utilizan no solo en las grúas, sino en una gran cantidad de aplicaciones, como en los motores, generadores, bocinas, frenos electromagnéticos y en los discos duros de las computadoras, entre muchas otras.

Para saber más Si se enrolla un alambre conductor alrededor de un cuerpo cilíndrico y pasa corriente eléctrica a través del alambre, se obtiene lo que se conoce como bobina o solenoide. El campo magnético producido por una bobina es similar al producido por una barra de imán, de manera que las líneas de fuerza salen del polo norte y entran en el polo sur. Dentro del cilindro, el campo magnético es uniforme.

Aproximación al conocimiento científico Reúnete con un compañero para construir un electroimán simple.

Material: ¿Qué necesitamos? Dos trozos de alambre de cobre de medio metro, dos clavos de 2 pulgadas, cinta adhesiva, clips metálicos para papel, una pila de 9 volts

Desarrollo: ¿Qué hacemos? 1. Enrollen uno de los alambres de cobre alrededor del clavo, dando unas diez o quince vueltas, de manera que no todo el clavo quede cubierto, y conecten los extremos del alambre en cada polo de la pila, fijándolos con cinta adhesiva. 2. Acerquen al clavo uno o varios clips. ¿Observan alguna atracción de los clips hacia el clavo con el alambre enrollado? 3. Ahora enrollen el otro alambre en el clavo restante, de manera que el alambre quede bien justo y no quede ninguna parte del clavo descubierta. Conecten los extremos del cable a la pila y acerquen los clips (figura 4.53). ¿Observan alguna diferencia respecto al caso anterior? ¿Cómo explican estos resultados? 4. Corten un pedazo de 1 cm de alambre de cobre y acérquenlo al clavo con el alambre enrollado conectado a la pila. ¿El pedazo de cobre es atraído por el clavo? ¿Por qué?

Para observar un video sobre un motor eléctrico muy sencillo, entra a http:// newton.cnice.mec.es/ materiales_didacticos/ electricidad3E/motor. htm?3&1

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» Expliquen cuál es la función del alambre enrollado. » Representen con un esquema el flujo de la corriente eléctrica y el campo magnético de su electroimán.

Figura 4.53 Construcción de un electroimán simple.

199

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 199

12/21/12 12:37 PM


Figura 4.54 En esta imagen se observan varias bobinas o solenoides agrupados en un arreglo circular.

Otro de los grandes inventos logrados a partir de los descubrimientos que estudiaste en la lección anterior es el motor eléctrico, que es un aparato capaz de transformar la energía eléctrica en movimiento, es decir, en energía mecánica. Para entender su funcionamiento, considera un cilindro de hierro en el que se enrolla un cable conductor cuyos extremos están conectados a una batería, de forma similar al experimento del clavo. Como ya se mencionó, a este enrollado comúnmente se le conoce como bobina. Supón que la bobina está colocada horizontalmente y que está fija a un eje que la atraviesa transversalmente, alrededor del cual puede girar, como se muestra en la figura 4.54. Si ahora se coloca la bobina dentro de los polos de un imán permanente, al circular la corriente eléctrica por el alambre la bobina se comportará como un imán y sus polos serán atraídos y repelidos de manera continua por los polos del imán permanente y, por tanto, girará alrededor del eje.

Eje

N

Figura 4.55. El motor eléctrico es un dispositivo que convierte la energía eléctrica en movimiento.

S

Bobina

N

S

Imán permanente

L

Con un diseño adecuado de bandas y poleas, el movimiento de giro de la bobina puede aprovecharse para realizar algún trabajo útil (figura 4.55), por ejemplo, subir un cuerpo o mover las llantas de un carro. Los motores eléctricos modernos tienen un diseño más sofisticado, pero el principio de funcionamiento es básicamente el que se acaba de explicar. El principio por el cual funciona un motor eléctrico puede invertirse y, por tanto, es posible transformar energía mecánica o de movimiento en energía eléctrica. El dispositivo que hace esto posible se llama generador eléctrico o dínamo y su funcionamiento está basado en la ley de inducción de Faraday, que ya conoces. En esencia, la ley de inducción establece que la variación del campo magnético que atraviesa un circuito crea en él una corriente eléctrica, llamada corriente inducida. Para simplificar la explicación piensa que el circuito está formado por una única espira que puede hacerse girar con una manivela y que se encuentra dentro del campo magnético producido por un imán permanente. 200

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 200

12/21/12 12:37 PM


Figura 4.56 El generador eléctrico es un dispositivo que convierte la energía mecánica en eléctrica y se basa en la ley de inducción de Faraday.

Se visualiza el campo del imán por medio de las líneas de fuerza que salen del polo positivo y entran al negativo. Al girar la manivela, el número de estas líneas que atraviesan la espira cambia con el tiempo, lo que indica una variación del campo magnético en el circuito y, por tanto, se produce una corriente inducida que puede extraerse si se colocan contactos adecuados y, por ejemplo, encender un foco. Hay muchos tipos de generadores eléctricos, desde la dínamo de una bicicleta hasta los generadores que producen electricidad para una ciudad, pero todos basan su funcionamiento en la ley de inducción de Faraday (figura 4.56).

Integramos Has visto que a través del efecto Joule la energía eléctrica puede transformarse en otras formas de energía, como calor y luz, que es posible aplicar para diversos usos prácticos. Asimismo, viste que los principios básicos del electromagnetismo, descubiertos por Oersted, Ampère y Faraday, han dado lugar a una gran cantidad de aplicaciones que han transformado la civilización moderna a partir de múltiples aplicaciones tecnológicas. Aquí se han presentado solo unas cuantas, como el electroimán que se utiliza en las grúas para cargar, por ejemplo, los carros chocados en el “deshuesadero” del tío de Sandra, o bien, el generador eléctrico, cuyo funcionamiento es el mismo que la dínamo que permite alimentar las lámparas de las bicicletas de Sandra y su primo a partir del movimiento de las ruedas. Nuestra forma de vida no sería la misma sin todas las aplicaciones tecnológicas que han surgido y siguen surgiendo del electromagnetismo.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero y escriban en su cuaderno los conceptos fundamentales que aprendieron en esta lección. Además, investiguen lo siguiente. » ¿Cuál fue el primer aparato de comunicación a larga distancia que utilizó los principios del electromagnetismo? » En la actualidad, la mayoría de los automóviles funcionan a partir de la combustión de gasolina o diésel, sin embargo, tienen distintos aditamentos eléctricos. ¿Cómo se produce la energía eléctrica que mantiene encendidas las luces de un auto? » ¿De dónde obtiene un auto eléctrico la energía para desplazarse?

Para conocer la evolución del electromagnetismo y cómo ha infl uido este en la tecnología moderna entra a http://bibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen3/ ciencia3/112/htm/ electr.htm

201

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 201

12/21/12 12:37 PM


Lección 3

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia BLOQUE

4

Composición y descomposición de la luz blanca

aprendizaje esperado. Identifica algunas características de las ondas en el espectro electromagnético y en el espectro visible, y las relaciona con su aprovechamiento tecnológico.

Comenzamos Una pista Para medir Se sabe que la luz del Sol tarda aproximadamente 8 minutos en llegar a la Tierra. Esto nos ayuda a darnos una idea de la distancia entre estos dos cuerpos celestes, si consideramos que la luz recorre 300 000 km en tan solo un segundo.

En un día soleado de verano, Tania y Emilio van con su familia a un balneario. En cuanto llegan se dirigen a la alberca. Emilio se sumerge quedando luego de pie con el agua hasta la cintura, mientras que Tania observa desde la orilla cómo el cuerpo sumergido de Emilio parece deformarse. Más tarde, mientras se asolean en el jardín, donde varios aspersores riegan el pasto, los dos observan que en el agua esparcida se forma claramente un arcoíris. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Qué se necesita para que se forme un arcoíris en un lugar abierto? » ¿Es posible observar un arcoíris en un lugar cerrado, por ejemplo, en un cuarto con una ventana? ¿Por dónde necesitaría pasar la luz para que se forme el arcoíris? 2. Llena un vaso de cristal con agua y mete dentro de él un lápiz largo que sobresalga del agua. Observa el lápiz desde distintos ángulos (por ejemplo, desde arriba, de lado a distintas alturas, desde el fondo del vaso) y describe tus observaciones. ¿Se te ocurre alguna explicación de lo que observas?

Aprendemos

Si quieres observar un video sobre el fenómeno de refracción de la luz entra a www.youtube.com/ watch?v=Olg4UBCD7s4 Observa un video sobre la descomposición de la luz blanca en www.youtube.com/wat ch?v=jj8wWfbQIMo&fe ature=results_main&pl aynext=1&list=PLE5CB C82E6F2AA955

A diario experimentas una gran cantidad de situaciones familiares, como verte al espejo, ver a través de un vaso de agua o del cristal de una ventana, u observar las sombras proyectadas. Todo ello puede ayudarte a entender la naturaleza de la luz. Eres capaz de visualizar un cuerpo cuando una parte de la luz que incide sobre el mismo se refleja y llega a tus ojos. Desde los tiempos de Galileo se sabe que los rayos de luz se propagan en línea recta, lo que parece confirmarse por el hecho de que cuando la luz incide sobre un objeto opaco, es decir, un objeto que no permite el paso de la luz, como una mesa, se forma una sombra bien definida. Podrías preguntarte si la luz viaja a una velocidad determinada o si se propaga instantáneamente. Mediante la observación de eclipses de las lunas del planeta Júpiter, el astrónomo Olaf Roemer (1644-1710) determinó en 1675 que la velocidad de la luz es extremadamente grande, unos 300 000 km/s. Otros fenómenos luminosos conocidos desde la época de Galileo son la reflexión y la refracción. La reflexión se presenta cuando al incidir un rayo de luz sobre una superficie pulida (por ejemplo, un espejo), formando cierto Ángulo Ángulo ángulo i respecto a una línea perpendicular a incidente de reflexión la superficie, este se refleja con un ángulo r, que es igual al formado por el rayo incidente, como se muestra en la figura 4.57. A este hecho se le conoce como ley de la reflexión.

Figura 4.57 Esquema de la ley de la reflexión.

202

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 202

12/21/12 12:37 PM


Rayo

Ángulo de

incidente Por otra parte, cuando un rayo de luz en el aire incide incidencia sobre una superficie de agua, parte de la luz se transmite en el agua, pero al penetrar en este medio la luz cambia de dirección. El cambio en la dirección de la luz al pasar de un medio a otro se conoce como refracción. Como se muestra en la figura 4.58, los ángulos de incidencia y refracción no Ángulo de son iguales, pero existe una relación entre ellos, conocida refracción como ley de Snell, que depende de las características de los medios involucrados. Además de sus grandes contribuciones al estudio del movimiento, Isaac Newton también estudió los fenómenos Rayo refractado luminosos. Para tratar de explicarlos, Newton propuso un modelo en el que la luz se componía de partículas diminutas o corpúsculos viajando a cierta velocidad. De esta manera, la reflexión de la luz podía entenderse como el rebote de las partículas Figura 4.58 Esquema de la al chocar con una superficie, mientras que el cambio en la dirección de la luz ocasionado por ley de la refracción. la refracción se explicaba arguyendo que las partículas cambiaban su velocidad al pasar de un medio a otro. Uno de los descubrimientos de Newton es que la luz blanca está compuesta por diversos colores. Su experimento consistió en hacer pasar luz blanca del Sol a través de un prisma de vidrio, observando que la luz que salía del otro lado del mismo se descomponía en los colores del arcoíris (figura 4.59). Este experimento indicaba que cada rayo de luz de color sufría una desviación o refracción distinta a la de otro color al pasar por el prisma.

Integramos Has aprendido que los rayos de luz se propagan en línea recta y se reflejan con el mismo ángulo con el que inciden. Sin embargo, al atravesar de un medio a otro, la luz cambia de dirección dando lugar al fenómeno de refracción, que ocasiona que el cuerpo de Emilio se vea distorsionado cuando se encuentra sumergido en el agua. También viste que la luz blanca en realidad está formada por diversos colores, lo que se puede comprobar al hacerla pasar por un prisma de vidrio, o bien, al observar el arcoíris. En este caso, como lo observaron Tania y Emilio en el agua del aspersor, las pequeñas gotas actúan como prismas que descomponen la luz que incide sobre ellas.

Figura 4.59 Descomposición de la luz blanca a través de un prisma.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Discute con un compañero estas preguntas y anoten en su cuaderno sus respuestas. » Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie de agua, ¿además de refracción se presenta el fenómeno de reflexión? » ¿Dónde se desvía más la luz: al pasar de aire a agua o de aire a vidrio? 2. Investiga cuáles son los colores del arcoíris y en qué orden aparecen. 3. Coloca una moneda en el fondo de un vaso vacío, y viéndola desde arriba mide el diámetro de la moneda con una regla que descanse sobre la boca del vaso. Vierte agua en el vaso y mide nuevamente el diámetro (figura 4.60). Explica tus observaciones. Figura 4.60

203

S-Fis-CNT-B4-187-203_PDF_alta_alumno 203

12/21/12 12:37 PM


BLOQUE

4

Lección 4

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia Características del espectro electromagnético y espectro visible: velocidad, frecuencia, longitud de onda y su relación con la energía

aprendizaje esperado. Identifica algunas características de las ondas en el espectro electromagnético y en el espectro visible, y las relaciona con su aprovechamiento tecnológico.

Comenzamos En un día de vacaciones, Ana y su hermana menor, Natalia, salen a jugar a un parque cercano. Aunque el día es soleado, hay algunas nubes en el cielo y, al observarlas, Ana nota que los bordes de las nubes se ven más iluminados que las regiones interiores. Mientras tanto, Natalia juega a hacer pompas o burbujas de jabón. Al atrapar una de ellas y observarla a los rayos del Sol, ve que en su superficie se forman regiones coloreadas intercaladas con regiones oscuras.

Figura 4.61 En una burbuja de jabón iluminada por el Sol se observan franjas de colores iluminadas y otras oscuras.

1. Responde los planteamientos en tu cuaderno. » ¿Has observado nubes con bordes iluminados? ¿En qué época del año es más fácil verlas? » ¿Qué pasa cuando observas una burbuja de jabón desde distintas posiciones? ¿Las franjas luminosas y oscuras quedan siempre en la misma posición (figura 4.61)? » Debido al paso de los automóviles, es común que los charcos en la calle tengan aceite en su superficie. Si el charco es iluminado con la luz del Sol, se forman patrones irregulares de líneas de colores, ¿has observado este fenómeno? ¿Cómo harías un experimento para comprobarlo? ¿Consideras que este fenómeno es similar al observado con las burbujas de jabón? ¿Por qué?

Aprendemos

Si quieres ver la formación de patrones luminosos en una película de jabón que interactúa con luz y sonido, consulta http://www.youtube. com/watch?v=_ uuTXwdfVyg En esta dirección hay un video sobre la formación de los anillos de Newton: http://www. youtube.com/ watch?v=IzI0oo7KSUo

En los fenómenos de reflexión y refracción de la luz que estudiamos en la lección anterior, resulta razonable pensar que los rayos de luz se mueven en línea recta sin desviarse. En estos casos, el modelo de Newton que considera la luz como partículas pareciera adecuado. Sin embargo, desde la época de Newton se conocían otros fenómenos luminosos que no podían explicarse a partir de este modelo. Un experimento que fue hecho tanto por Newton como por Hooke consiste en iluminar una superficie con una cierta curvatura (como una lente de contacto) colocada sobre una superficie plana de manera que quede una delgada capa de aire entre ellas. Lo que se observa es un patrón de anillos circulares de distintos grosores, unos iluminados y otros oscuros. La repetición de estos anillos, que se conocen ahora como anillos de Newton, hizo pensar al este científico que algo en la luz parecía comportarse periódicamente. Este fenómeno se conoce ahora como interferencia de la luz. Esta idea se acentuó aún más al observar otro fenómeno, conocido ahora como difracción de la luz, descubierto por el científico Francesco M. Grimaldi (1618-1663). Grimaldi utilizó la luz que pasaba a través de un orificio diminuto en una persiana para iluminar un pequeño objeto, observando que la sombra que proyectaba no era nítida sino difusa. Además, observó la formación de bandas coloreadas iluminadas que alternaban con bandas oscuras. Este experimento indicaba que al iluminar un cuerpo opaco con una fuente de luz muy pequeña, la luz pareciera doblarse al pasar por los bordes del objeto. No obstante estos resultados, Newton siguió convencido de que su modelo corpuscular de la luz era correcto.

204

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 204

12/21/12 12:41 PM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Discute con dos compañeros los planteamientos y anoten en su cuaderno las respuestas. » En un día soleado, ¿has observado la luz que atraviesa el follaje de un árbol? Si miras hacia las hojas, parecería que sus bordes se unen. Observa la sombra que proyectan en un piso plano y fíjate si está nítidamente definida. » Mira los dedos de tu mano a contraluz y varía la apertura entre dedo y dedo. Si la separación entre tus dedos es muy pequeña, ¿logras observar que tus dedos parecen unirse? » Investiga si el fenómeno de difracción se puede encontrar en otro tipo de situaciones que no involucran luz, por ejemplo, las que implican sonido. ¿Te has preguntado por qué eres capaz de escuchar un sonido incluso si estás dentro de un cuarto con la puerta cerrada y el sonido se produce fuera del cuarto?

Sin embargo, no todos los científicos estaban de acuerdo con que la luz fuera un flujo de partículas. En Holanda, Christian Huygens (figura 4.62) propuso que la luz no eran partículas, sino ondas. Debido al gran prestigio de Newton, aunque el trabajo de Huygens llegaba a resultados interesantes no tuvo una repercusión muy grande en su época, pero sembró ideas que serían retomadas más adelante. Como recordarás, una onda es una perturbación que se propaga en un determinado medio. Sus características nos permiten explicar fenómenos como el sonido. El sonido es una onda que se propaga en el aire y, por tanto, cuando se produce, lo que ondula es precisamente el aire. De manera similar, cuando agitamos el extremo de una cuerda producimos una onda que viaja a lo largo de ella. En este caso lo que ondula es la cuerda misma y aunque en cada punto esta se mueve de arriba hacia abajo, la cuerda en sí no se desplaza en la dirección del movimiento de la onda. Uno de los fenómenos más atractivos donde el movimiento ondulatorio se manifiesta de manera muy clara, es el de las ondas que se propagan en una superficie de agua, como en un estanque o una fuente. Si arrojas una pequeña piedra en un estanque de agua puedes observar que se generan una serie de ondas que aparecen como anillos que se propagan en el agua. Esto nos hace recordar los anillos de Newton. Si hiciéramos un experimento que nos permitiera observar cómo se mueven las partículas en cada punto del agua al propagarse la onda, veríamos que estas suben y bajan alrededor de una cierta posición, es decir, no se desplazan en la dirección de propagación de la onda. Ahora bien, si arrojas una segunda piedra en una región cercana adonde arrojaste la primera, verás que las ondas generadas por las dos piedras interfieren y se forma un patrón en el que se verán franjas oscuras y otras más claras. La teoría ondulatoria de la luz fue retomada más adelante por el físico Thomas Young (figura 4.63), quien efectuó una serie de experimentos cuidadosos con haces de luz y fue capaz de explicar la formación de los anillos de Newton a partir de un modelo ondulatorio de la luz. La explicación de Young se basaba en el fenómeno de interferencia que se conocía bien para el caso de ondas mecánicas, como las formadas en superficies de agua. Así, las bandas oscuras en los anillos de Newton se deben a que en ese punto las ondas de luz interfieren de manera destructiva, es decir, una cresta de la onda coincide con el valle de otra onda de manera que ambas ondas se anulan, es decir, la amplitud de la onda resultante es cero y el resultado es una región oscura.

Figura 4.62 Christian Huygens (1629-1695) fue uno de los primeros promotores de la teoría ondulatoria de la luz.

Para observar un video sobre el fenómeno de interferencia en ondas generadas en agua, consulta http://www.youtube. com/watch?v=ORgFEQQM2w

Figura 4.63 Thomas Young (1773-1823) fue un físico inglés que logró explicar el fenómeno de interferencia de la luz a partir de un modelo ondulatorio.

205

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 205

12/21/12 12:41 PM


Amplitud

(a)

Las bandas luminosas resultan cuando en un cierto punto las ondas interfieren de manera constructiva, es decir, la cresta de una onda se sobrepone a la cresta de la otra, de modo que su amplitud se incrementa, y lo que observamos es una banda luminosa (figura 4.64).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Contesta, en tu cuaderno, las preguntas. » ¿Cómo explicas la formación de bandas oscuras y luminosas que se forman en las ondas cuando arrojas dos piedras en regiones cercanas de un estanque? » Sabiendo que la luz se “dobla”, es decir, se difracta cuando pasa a través de espacios pequeños, ¿podrías explicar por qué a veces se ve iluminado el borde de una nube? Recuerda que las nubes están formadas por una multitud de gotas pequeñas que se encuentran muy juntas unas de otras.

(b) Figura 4.64 a) Interferencia constructiva: la amplitud de la onda resultante aumenta. b) Interferencia destructiva: la amplitud de la onda resultante disminuye.

Después de los trabajos de Young, aunque quedaba claro que un modelo ondulatorio describía los fenómenos luminosos, surgía la pregunta de qué era lo que ondulaba para que la luz pudiera propagarse. Quien respondió esta pregunta y terminó de demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz fue el gran físico escocés James Clerk Maxwell (figura 4.65). Con una habilidad prodigiosa, desarrolló una teoría matemática que conjuntaba los resultados de los fenómenos electromagnéticos de Oersted, Ampère y Faraday, y encontró que las ecuaciones que describían el comportamiento tanto del campo magnético como del eléctrico eran las mismas que describían los fenómenos ondulatorios. Él descubrió que cuando un campo magnético varía, produce un campo eléctrico, mientras que la variación de un campo eléctrico da como resultado un campo magnético. Encontró que la velocidad con la que se propagaba el campo electromagnético era precisamente la velocidad de la luz. Sus resultados lo llevaron a predecir que la luz es una onda y a responder que lo que ondulaba al propagarse la luz era el campo electromagnético. Unos pocos años después de la muerte de Maxwell, el físico alemán Hendrich Hertz (1857-1894) demostró experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas. Además, sus experimentos demostraron que era posible que las ondas electromagnéticas tuvieran distintas frecuencias y longitudes de onda (figura 4.66). Recuerda que la frecuencia y la longitud de onda son inversas, es decir, las ondas con frecuencia baja tienen longitud de onda larga mientras que las de frecuencia alta tienen longitud de onda corta. Campo eléctrico Distancia Campo magnético

Figura 4.65 James Clerk Maxwell (1831-1879) fue un físico escocés que formuló matemáticamente la teoría electromagnética y predijo que la luz es una onda.

x

λ

Campo eléctrico

z y

λ

Campo magnético

Figura 4.66 Ondas electromagnéticas en el espacio libre. La línea azul representa la perturbación del campo eléctrico, mientras que la línea verde la perturbación del campo magnético.

206

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 206

12/21/12 12:41 PM


En la actualidad, se llama espectro electromagnético al conjunto de todas las ondas con distintas frecuencias o longitudes de onda (figura 4.67). Mientras más alta es la frecuencia, las ondas son más energéticas y, por tanto, capaces de atravesar distintos materiales. Entre las ondas de mayor frecuencia y más energéticas se encuentran los rayos gamma y los rayos X, que pueden tener frecuencias mayores a 1017 Hz y longitudes de onda menores a 10-7 cm. Al otro lado del espectro se encuentran las ondas de radio, que pueden tener frecuencias del orden de megahertz (103 Hz) o kilohertz (106 Hz) y longitudes de onda que van de kilómetros a metros. En la región intermedia están las microondas, las infrarrojas, la luz visible y las ultravioletas.

Figura 4.67 En este amplio espectro, la luz que podemos ver ocupa solo un pequeño rango de frecuencias que va de 7 × 10-5 cm (correspondiente al rojo oscuro) a 4 × 10-5 cm (violeta). Las longitudes de onda de la luz visible son extremadamente pequeñas, justo del tamaño del espacio por donde pasa la luz a través de nuestra retina. Si las ondas son mucho más grandes o mucho más pequeñas que este espacio, no podemos verlas. Por tal motivo no observamos las ondas de radio ni los rayos X, aunque estos últimos pueden causar un efecto dañino sobre nuestro cuerpo.

Integramos Hemos aprendido que hay fenómenos luminosos que no pueden ser descritos a partir de concebir la luz como partículas. Los fenómenos de interferencia (como el que se observa en la superficie de una burbuja de jabón) o el de difracción (como el que observó Ana en el borde iluminado de las nubes, o que observaste en la luz que pasa a través de un espacio reducido entre tus dedos) encuentran su explicación a partir de la teoría ondulatoria de la luz. Ahora sabemos que la luz visible forma solo una pequeña porción de todo el espectro electromagnético que incluye a las ondas de radio, la radiación infrarroja y ultravioleta, a los rayos X y a los rayos gamma. Toda la radiación electromagnética transporta energía y, como veremos más adelante, existe una inmensa variedad de aplicaciones en las que esta energía es aprovechada por la humanidad.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero e investiguen lo siguiente. » ¿Por qué no es conveniente que una persona se exponga muy seguido a los rayos X? ¿Qué precauciones debe tomar la gente que opera estos equipos? » ¿Qué tipo de ondas son las que permiten las transmisiones de televisión? » ¿Por qué las ondas de radio, a las que estamos expuestos constantemente, no nos causan ningún daño?

Para un recuento ameno y detallado de la teoría ondulatoria de la luz y de sus múltiples aplicaciones, consulta http://bibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen3/ ciencia3/112/htm/ electr.htm

207

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 207

12/21/12 12:41 PM


BLOQUE

4

Para saber más En 1905, a los 24 años de edad, Einstein publicó cinco artículos sobre distintos problemas; estos fueron fundamentales para el desarrollo de la física, pero el Premio Nobel de Física se le otorgó en 1921 por la explicación del efecto fotoeléctrico.

Observa un video sobre el efecto fotoeléctrico en la página http://recursostic. educacion.es/ newton/web/ materiales_didacticos/ efectofotoelectrico_ prob/index.html Si quieres conocer una descripción detallada de la dualidad ondapartícula de la luz, consulta http://bibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen2/ ciencia3/107/htm/ sec_13.htm

Fotones Electrones Metal

Figura 4.68 Modelo del efecto fotoeléctrico.

Lección 5

Los fenómenos electromagnéticos y su importancia La luz como onda y partícula

aprendizaje esperado. Relaciona la emisión de radiación electromagnética con los cambios de órbita del electrón en el átomo.

Comenzamos Mariano, Rafa y sus vecinos organizan un partido de futbol en un parque cuyos alrededores están limitados por una reja metálica de barrotes verticales. Mariano patea el balón con mucha fuerza, pero sale desviado lateralmente y se atora en la parte alta de la reja, entre dos barrotes. Ya que no es posible alcanzarlo con las manos ni brincando, Rafa sugiere lanzar otro balón de repuesto para golpear el balón atorado y liberarlo. Aunque logran golpearlo, la energía con que llega el balón de repuesto no es suficiente. Finalmente, Mariano lo lanza con buen tino y mucha energía, de modo que logra liberarlo. 1. Responde los planteamientos en tu cuaderno. » Si en vez de lanzar el balón de repuesto hubieran lanzado un chorro de agua sobre el balón atorado, ¿supones que sería posible liberar al balón? ¿Cómo debería ser el chorro de agua? » ¿Consideras que sería posible liberar al balón arrojando pelotas de tenis?

Aprendemos Con los trabajos de Maxwell y Hertz culminó una etapa importante en el estudio de la luz, que se estableció como un fenómeno electromagnético en toda su dimensión. Al entender la luz como una onda, fue posible explicar todos los fenómenos conocidos en particular, los de difracción e interferencia que se rehusaban a ser comprendidos mediante el modelo corpuscular de la luz. Como veremos más adelante, la teoría electromagnética no solo fue capaz de proporcionar una explicación adecuada de los fenómenos luminosos, sino que permitió el desarrollo de una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas, en particular, las comunicaciones inalámbricas hacia finales del siglo xix. Sin embargo, cuando se empezó a estudiar la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, por ejemplo, luz incidiendo sobre un cierto material, surgió un nuevo problema que no encontraba solución a partir de la poderosa teoría electromagnética. El problema en cuestión se presentaba cuando se hacía incidir luz sobre un metal. Se había observado que cuando la luz era de una cierta frecuencia era posible desprender electrones del metal. Este fenómeno se conocía como el efecto fotoeléctrico. La explicación que se daba a partir de la teoría electromagnética, que consideraba la luz como una onda, era que al incidir la luz sobre un electrón lo hacía vibrar con la misma frecuencia de la luz, de modo que este comenzaba a oscilar absorbiendo la energía de la onda (figura 4.68). Cuando la energía absorbida por el electrón era suficientemente alta, el electrón podía escapar del material. De acuerdo con esta teoría, el efecto fotoeléctrico debía presentarse para cualquier frecuencia de la luz y además la energía absorbida por el electrón debía ser proporcional a la intensidad del haz con que se ilumina el metal. En cierta forma se pensaba que la energía era parecida a un chorro de agua, de manera que si este era suficientemente intenso, aunque fuera de una frecuencia baja, podría liberar al electrón, mientras que uno poco intenso no lo haría.

208

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 208

12/21/12 12:41 PM


La explicación de este fenómeno la dio Albert Einstein en 1905, y se basaba en la idea de que la energía de la luz era intercambiada de manera discreta por una partícula llamada fotón, a la que se asociaba una frecuencia determinada. El efecto fotoeléctrico solo se presenta si la frecuencia de la radiación incidente es mayor que el valor mínimo necesario para arrancar los electrones del metal. Además, la energía de los electrones es independiente de la intensidad de la luz (figura 4.69). No debe confundirse este efecto con el efecto fotovoltaico, que discutiremos en el bloque 5.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Discute con dos compañeros las preguntas y anoten, en su cuaderno, las respuestas. » Describe en qué consiste el efecto fotoeléctrico. » De acuerdo con la teoría electromagnética, ¿por qué sería posible liberar electrones con un haz de luz suficientemente intenso? » ¿Cuál fue la aportación de Einstein para comprender el efecto fotoeléctrico?

Integramos En esta lección hemos visto que aunque la teoría ondulatoria de la luz explica satisfactoriamente fenómenos tales como interferencia y difracción, y muchos otros a escala macroscópica, falla al tratar de explicar fenómenos microscópicos que consideran la interacción de la radiación con la materia. Es necesario recurrir a una explicación cuántica en que la energía se intercambia de manera discreta a través de fotones de luz, como cuando Mariano arroja el balón de repuesto para liberar el balón atorado. Hay que recordar, sin embargo, que esta analogía tiene serias limitaciones, pues los fotones están muy lejos de comportarse como lo hacen los balones u otro cuerpo macroscópico. Finalmente, el entendimiento completo de la luz requiere tanto de la teoría electromagnética (que considera la luz como onda), como de la teoría cuántica que considera la luz como fotones o partículas de radiación. La riqueza de los fenómenos físicos nos obliga a considerar que la luz tiene una naturaleza dual, es decir, es a la vez onda y partícula, y se manifiesta como una o la otra dependiendo del fenómeno estudiado.

Figura 4.69 Las celdas fotoeléctricas que se utilizan como interruptores en los elevadores se basan en el efecto fotoeléctrico para su construcción. Al colocarlas como parte de un circuito eléctrico controlan el paso de la corriente: cuando un rayo incide en ellas se cierra el circuito eléctrico, conducen electricidad y pueden operar un mecanismo mecánico de cierre de puertas. Por otro lado, cuando se interrumpe el rayo, el circuito se abre y las puertas se abren de manera automática.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero e investiguen lo siguiente. » ¿Por qué el efecto fotoeléctrico se observa en metales y no en materiales aislantes? » ¿Qué ocurre con los electrones de las órbitas externas en cada caso? » ¿Qué frecuencias de luz se deben utilizar para lograr el efecto fotoeléctrico en un metal determinado, por ejemplo, sodio? » ¿La dualidad onda-partícula se presenta solo en la luz o en otras partículas? 2. Intercambien su información con otras parejas y compleméntenla si es necesario.

209

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 209

12/21/12 12:41 PM


BLOQUE

4

Lección 1

La energía y su aprovechamiento Manifestaciones de energía: electricidad y radiación electromagnética

aprendizaje esperado. Relaciona la electricidad y la radiación electromagnética como manifestaciones de energía, y valora su aprovechamiento en las actividades humanas.

Comenzamos

Para conocer un recuento detallado del desarrollo de las comunicaciones a larga distancia y otras aplicaciones del electromagnetismo, consulta la liga http:// bibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen3/ ciencia3/112/htm/ electr.htm

Recientemente Héctor sufrió una fractura en el tobillo. Afortunadamente, ha sido capaz de efectuar casi todo su trabajo desde su casa. Con su teléfono celular se comunica a su trabajo, y con su computadora portátil recibe y envía mensajes y documentos a distintas partes, además de controlar el funcionamiento de otros equipos a su cargo. En unos días irá a tomarse una radiografía para confirmar que su tobillo ha sanado completamente. 1. Responde los planteamientos en tu cuaderno. » Investiga cuál es la diferencia esencial entre el funcionamiento de un teléfono celular y un teléfono fijo localizado en una casa u oficina. » ¿Qué tipo de ondas electromagnéticas se utilizan para las comunicaciones vía Internet? » Investiga cuál es la diferencia principal entre la radiación que emite un teléfono celular y la de un aparato de rayos X que permite obtener una radiografía.

Aprendemos

Figura 4.70 Telégrafo antiguo.

Para saber más El telégrafo transmite mensajes codificados por medio de señales eléctricas que son transportadas a través de un cable conductor. Fue inventado por Joseph Henry (1797-1878) en 1829 e impulsado principalmente por Samuel Morse (1791-1872), quien inventó un sistema de codificación que lleva su nombre.

Entre las primeras aplicaciones del electromagnetismo se encuentra la comunicación a larga distancia. Hoy en día existen tan variadas formas de comunicarse a larga distancia que es difícil, sobre todo para la gente joven, apreciar el avance que significaron los primeros inventos en esta dirección. Tal es el caso del telégrafo, que en la actualidad está prácticamente en desuso, pero que hace poco menos de 30 años todavía era utilizado por mucha gente (figura 4.70). Otro gran invento del siglo xix es el teléfono. Su invención en 1876 se adjudica comúnmente a Alexander Graham Bell (1847-1922), aunque mucha gente contribuyó a su desarrollo. Básicamente, el teléfono es un dispositivo que convierte en una corriente eléctrica las ondas de sonido que se generan cuando hablamos. Esta corriente se transmite a través de un cable conductor hasta llegar a un receptor, el cual desarrolla el proceso inverso, es decir, convierte las variaciones de la corriente eléctrica en sonido. Date cuenta de que el funcionamiento del teléfono se basa en la conversión de energía mecánica (sonido) en energía eléctrica (corriente) y de esta nuevamente en mecánica. En el tema anterior conociste el funcionamiento de un generador eléctrico, que permite transformar la energía de movimiento en energía eléctrica. Una vez que fabricaron estos dispositivos, uno de los principales retos a los que se enfrentaron los científicos e ingenieros fue el llevar la energía eléctrica generada hasta los lugares que la necesitaban. Esto se logró en 1881 a partir del desarrollo de las estaciones eléctricas (otro gran invento de Edison), que consistían en plantas donde se generaba la electricidad y se distribuía a una cierta localidad mediante un cableado eléctrico.

210

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 210

12/21/12 12:41 PM


Desarrolla tu pensamiento científico 1. Investiga con un compañero lo siguiente. » ¿Cuál es el principio de funcionamiento del teléfono? » ¿Cuál es el principio de funcionamiento de la televisión? » ¿Qué estrategias se utilizan para reducir las pérdidas cuando se transporta energía eléctrica a un lugar distante de la planta generadora?

A partir de los experimentos de Hertz, quien comprobó la existencia de las ondas electromagnéticas en 1887 se inició una gran labor de investigación para aprovecharlas (figura 4.71). Cuando estas ondas se propagan en el espacio transportan energía sin necesidad de cables. La manera de producirlas es haciendo oscilar cargas eléctricas en un conductor que actúa como emisor. Esto produce una vibración del campo electromagnético con la frecuencia de las cargas oscilantes, que se propaga en el espacio; al encontrar otro conductor que actúa como receptor, el campo hace oscilar sus cargas eléctricas con la misma frecuencia. Esta forma de propagación de la energía se conoce como radiación electromagnética. Las ondas electromagnéticas posibilitaron las comunicaciones inalámbricas que fueron desarrolladas inicialmente por el científico, ingeniero, inventor y empresario italiano Guglielmo Marconi (1874-1937), quien logró la primera comunicación transatlántica sin alambres de por medio utilizando ondas de radio (figura 4.72). Actualmente, la gran mayoría de las comunicaciones a larga distancia son inalámbricas y hacen uso de satélites artificiales que facilitan el proceso. Como vimos en la sección anterior, existe otro tipo de radiación electromagnética de mucha mayor energía que las ondas de radio, la cual es capaz de atravesar cuerpos opacos. Son los rayos X, descubiertos en 1895 por Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923), que se producen cuando un flujo de electrones se frena bruscamente al chocar con un blanco metálico. Sus principales aplicaciones se dan en medicina, aunque es preciso tener un control estricto de su uso para evitar daños a los pacientes y al personal médico (figura 4.73).

Integramos La energía electromagnética se puede convertir en otras formas de energía, que es posible transportar mediante cables conductores, o bien, a través de radiación electromagnética. Entre las múltiples aplicaciones que existen hoy en día, una de las más importantes es la comunicación inalámbrica que le permite a Héctor comunicarse mediante un teléfono celular, o bien, enviar y recibir mensajes a través de su computadora. Asimismo, existen otros usos de la radiación electromagnética, como los rayos X, que permiten, entre otras aplicaciones, obtener una radiografía del tobillo lastimado de Héctor.

Figura 4.71 Muchos satélites artificiales son utilizados para retransmitir hacia alguna estación terrestre las ondas electromagnéticas enviadas desde un transmisor localizado en otro lugar de la Tierra.

Figura 4.72 Guglielmo Marconi impulsó las comunicaciones inalámbricas usando ondas de radio. Obtuvo el Premio Nobel de Física en 1909.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero, investiguen y comenten lo siguiente. » ¿Las tormentas eléctricas pueden afectar las comunicaciones inalámbricas? ¿Por qué? » Si las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz, ¿por qué en ocasiones las comunicaciones inalámbricas se vuelven muy lentas? » Además de las aplicaciones médicas, ¿qué otros usos se le dan a los rayos X?

Figura 4.73 Radiografía de una mano.

211

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 211

12/21/12 12:41 PM


BLOQUE

4

Lección 2

La energía y su aprovechamiento Obtención y aprovechamiento de la energía. Beneficios y riesgos en la naturaleza y en la sociedad

aprendizajes esperados. Reconoce los beneficios y perjuicios en la naturaleza y en la sociedad, relacionados con la obtención y aprovechamiento de la energía.

Comenzamos Figura 4.74 Prototipo de una casa bioclimática.

Figura 4.75 En los focos convencionales se desperdicia mucha energía en forma de calor.

Una pista Para reflexionar La gasolina es un combustible de alta densidad energética. Eso quiere decir que a partir de una pequeña porción se obtiene una gran cantidad de energía. Por ejemplo, para mover un automóvil de 1.5 toneladas de peso a lo largo de 10 o 12 km, solo se necesita un litro de gasolina. Sin embargo, este combustible no es renovable y contamina el aire.

Romualdo se queja con Odilón de lo cara que está la vida. Cada día paga más dinero por el gas que utiliza para calentar el agua con la que se baña y por la gasolina que utiliza para transportarse en su automóvil. Para colmo, en época de calor, su consumo de electricidad aumenta enormemente debido al aire acondicionado que tiene instalado en su casa. Con una sonrisa en los labios, Odilón le comenta que su consumo de gas ha disminuido mucho desde que instaló un calentador solar en su casa y que prácticamente no gasta en gasolina, pues se desplaza en bicicleta al trabajo. Además, la arquitectura de su casa es bioclimática (figura 4.74), por lo que siempre se mantiene fresca, bien ventilada e iluminada con luz natural durante el día, de modo que su consumo de electricidad es muy bajo. 1. Responde los planteamientos en tu cuaderno. » ¿Cuáles son las diferencias principales de calentar el agua mediante un calentador a gas y un calentador solar? » ¿De dónde obtiene Odilón la energía que utiliza para desplazarse en bicicleta? » Investiga cuáles son los elementos principales que se utilizan en la arquitectura bioclimática.

Aprendemos Uno de los conceptos más importantes que has aprendido en las lecciones anteriores es la posibilidad de convertir una forma de energía en otra. Con el desarrollo de las máquinas térmicas, la humanidad aprendió cómo transformar el calor en movimiento. Por su parte, la comprensión de los fenómenos electromagnéticos posibilitó convertir la energía de movimiento en electricidad y esta, a su vez, en energía luminosa. Por supuesto, también es posible convertir electricidad en movimiento o en calor, y las diversas aplicaciones que hemos mencionado previamente son una muestra de las múltiples tecnologías que se han desarrollado para aprovechar la energía para su uso. Ten presente que en todo proceso en el que se convierte una forma de energía en otra para aprovecharla (como convertir el movimiento de una caída de agua en electricidad), siempre existe una parte de la energía utilizada que se desperdicia. Ya que sabemos que la energía se conserva, lo que esto implica es que aunque esa parte de la energía no se pierde no es aprovechable para nuestros propósitos (figura 4.75). La cantidad de energía no aprovechable depende de la manera en que llevemos a cabo el proceso de conversión de una energía en otra. Es decir, siempre es posible encontrar una manera de hacer mejor las cosas y desperdiciar la menor cantidad de energía.

212

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 212

12/21/12 12:41 PM


En tiempos remotos, además del Sol que le proporcionaba calor, el ser humano hacía uso de la energía proveniente de su cuerpo para hacer sus diferentes tareas. La energía del cuerpo humano proviene de los alimentos que consumimos, los cuales son transformados a través de procesos químicos por nuestro organismo. Los alimentos son entonces nuestra fuente de energía. Con el desarrollo de la tecnología, hemos aprendido a aprovechar diversas fuentes de energía para nuestro beneficio. Entre las primeras fuentes de energía utilizadas por la humanidad se encuentra la de origen vegetal, como la madera. Por medio de la combustión de este material obtenemos energía calorífica, que podemos utilizar para cocinar o calentarnos. Durante muchos siglos, el uso desproporcionado de la madera como combustible ha ocasionado la deforestación de enormes regiones de nuestro planeta (figura 4.76). Además, sabemos que como producto de la combustión se generan gases que llegan a la atmósfera. A partir de finales del siglo xix, la fuente de energía principal utilizada en prácticamente todo el mundo han sido los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón mineral (figura 4.77). Los combustibles fósiles se consideran fuentes de energía no renovables. Esto quiere decir que la rapidez con que los consumimos es mucho mayor que la rapidez con la que se generan. Por ejemplo, el petróleo se forma en el interior de la Tierra a partir de la descomposición de materia orgánica a lo largo de millones de años. En tanto, la humanidad ha consumido petróleo a una tasa tan alta que en poco más de cien años las reservas existentes han sido casi agotadas. Es a partir de la quema de combustibles fósiles que se obtiene la energía térmica utilizada para diversos propósitos. Sin embargo, los gases generados por la combustión producen contaminación atmosférica. De hecho, han causado un daño creciente en nuestro entorno debido a que al acumularse en la atmósfera ocasionan el efecto invernadero, que impide la salida del calor fuera de la atmósfera y produce un aumento en la temperatura de nuestro planeta.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Discute con dos compañeros las siguientes preguntas y anoten en su cuaderno sus respuestas. Si es necesario, investiga. » Cuando utilizas la energía eléctrica para hacer funcionar un aparato eléctrico, ¿cómo sabes qué parte de la energía no se utilizó para el funcionamiento del aparato? » Además de la madera y los combustibles fósiles, ¿qué otras fuentes de energía conoces? » ¿Cómo se produce el efecto invernadero en la atmósfera? ¿Interviene alguno de los fenómenos que hemos estudiado en lecciones anteriores?

Figura 4.76 La leña aún se utiliza como fuente de energía calorífica en diversas comunidades rurales.

Figura 4.77 El carbón mineral es un combustible fósil que está clasificado como una fuente de energía no renovable.

Para saber más Uno de los peores accidentes nucleares de la historia tuvo lugar en la planta de Chernóbil en Ucrania, en 1986. Una falla técnica ocasionó que uno de los reactores sufriera una avería que provocó que material radioactivo fuera arrojado a la atmósfera.

213

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 213

12/21/12 12:41 PM


Figura 4.78 Planta termoeléctrica.

Para obtener energía eléctrica a partir de la quema de combustibles fósiles se requiere de varios pasos. En las plantas termoeléctricas, la energía térmica proveniente de la combustión es utilizada para calentar agua en una caldera hasta que se convierte en vapor a muy alta presión (figura 4.78). El vapor es dirigido hacia una turbina, que es un dispositivo mecánico capaz de rotar al recibir el chorro de vapor. El movimiento rotatorio de la turbina es a su vez transferido hacia un generador eléctrico, donde se utiliza para producir un movimiento relativo de un imán y de un conductor sólido, cuyo resultado es, debido a la ley de inducción de Faraday, la generación de energía eléctrica. Como ves, este proceso involucra primero la obtención de energía calorífica, que se transforma en movimiento, para finalmente convertirse en energía eléctrica. Obviamente, en todo este proceso hay energía que se desperdicia, además de los gases de desecho que se lanzan a la atmósfera. Para suplir la quema de combustibles fósiles, desde mediados del siglo xx se diseñaron y construyeron reactores nucleares en los que el calor necesario para producir vapor se obtiene a partir de reacciones nucleares de material radiactivo. Esencialmente, la reacción consiste en desintegrar de manera controlada los núcleos de los átomos de materiales como el uranio, lo que lleva a la liberación de una gran cantidad de energía. Aunque en un principio se creyó que la energía nuclear sería la solución de los problemas de abasto energético en el mundo, se han presentado fuertes inconvenientes para su uso relacionados, por un lado, con el almacenamiento de los desechos radiactivos resultantes de la reacción, que son un grave peligro ambiental, y, por otro, con los accidentes donde el vapor y otros materiales radiactivos han escapado a la atmósfera, contaminando amplias regiones habitadas por seres humanos, animales y plantas. Afortunadamente, existen alternativas al uso de combustibles fósiles y material radiactivo, para producir energía eléctrica, que tienen un impacto mucho menor sobre el ambiente y la sociedad. Una de estas alternativas es utilizar una fuente geotérmica de energía, donde se aprovecha el calor que se genera de manera natural en el interior de nuestro planeta y que, en ocasiones, surge hacia la superficie como vapor a alta temperatura. Esta energía está disponible en ciertas regiones del mundo, particularmente, en las zonas de actividad volcánica, de las cuales hay muchas en nuestro país. La producción de energía eléctrica a partir de energía geotérmica se lleva a cabo esencialmente de la misma manera que se describió con anterioridad, solo que el vapor para mover las turbinas proviene de los llamados pozos geotérmicos. Otra manera de obtener electricidad es a partir de energía hidráulica, es decir, aprovechando la energía mecánica contenida en las caídas de agua naturales o creadas para tal fin mediante la construcción de presas. En este caso, las turbinas son alimentadas por chorros de agua a gran velocidad, de manera que se efectúa una conversión de energía mecánica en eléctrica, sin que intervenga la energía térmica. El inconveniente de la energía hidráulica es que solo está disponible en regiones específicas donde hay grandes ríos.

214

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 214

12/21/12 12:41 PM


También es posible utilizar la energía mecánica del viento, es decir, la energía eólica, para convertirla en electricidad. Para aprovecharla se diseñan aerogeneradores que constan de grandes aspas que se mueven con el viento y están acopladas a un generador eléctrico (figura 4.79). Una alternativa interesante para producir energía eléctrica a partir de movimiento es mediante la energía de las olas del mar, conocida como energía de oleaje. Pero probablemente una de las fuentes de energía con mayores posibilidades de abastecer a una gran porción de la población mundial y, en particular, de nuestro país, es la energía solar. Recordemos que la energía que proviene del Sol es la que ha permitido el desarrollo de todas las formas de vida en la Tierra. El aprovechamiento de la energía solar no es nuevo, pero es en años recientes cuando ha empezado a tener una relevancia cada vez mayor debido al agotamiento de las reservas de petróleo alrededor del mundo y a la certeza de que la energía que obtenemos a partir de los combustibles fósiles dentro de algunos años ya no estará disponible. Existen diversas tecnologías solares que, actualmente, alcanzan un desarrollo suficiente como para suplir a los métodos convencionales de producción eléctrica. Una de ellas es la llamada torre central, en la que se dispone una gran cantidad de espejos llamados heliostatos, que juntan la radiación solar en un punto localizado en lo alto de una torre, donde se da la conversión de energía calorífica en eléctrica (figura 4.80). En otra tecnología, un tubo que contiene un fluido corre a lo largo de concentradores solares de forma parabólica, que reúnen la radiación solar en el tubo, de manera que el fluido es calentado y después usado para producir energía eléctrica.

Figura 4.79 Aerogeneradores en planta eoloeléctrica.

Aprende sobre las tecnologías solares más desarrolladas en http://www.acmor. org.mx/descargas/11_ dic_19_solar2.pdf Si quieres saber sobre algunos aspectos del desarrollo histórico de la energía solar, consulta la página http://www.acmor. org.mx/descargas/11_ dic_12_solar.pdf Conoce las posibilidades de desarrollo de la energía geotérmica en México en http://www.acmor. org.mx/descargas/11_ ago_8_geotermicos.pdf Observa un video sobre la conversión de energía eólica en eléctrica en http:// www.youtube.com/wat ch?v=UV3yLeu4OAY&fe ature=related

Figura 4.80 Torre solar rodeada por heliostatos.

215

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 215

12/21/12 12:41 PM


Una pista Para reflexionar ¿Sabías que es posible producir frío con el Sol? Si quieres saber más consulta la página http://www.acmor. org.mx/descargas/11_ sep_26_frio.pdf

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Investiga y discute con dos compañeros las siguientes preguntas. Anoten en su cuaderno las respuestas. » ¿Cuáles son las principales diferencias entre la producción de energía mediante combustibles fósiles y otras fuentes de energía como la geotérmica, hidráulica, eólica y solar? » ¿Cuáles son las plantas hidroeléctricas más grandes de nuestro país? ¿Cuáles son las ventajas de la energía solar respecto a otras fuentes de energía?

Las fuentes de energía geotérmica, hidráulica, eólica y solar, entre otras, se conocen como fuentes renovables de energía. Esto es, la rapidez con que consumimos la energía de una fuente renovable es menor que la rapidez con que esta se produce. Por ejemplo, para efectos del consumo humano, la energía solar es prácticamente inagotable, aunque sabemos que en algunos miles de millones de años el Sol se apagará. Como dijimos antes, la utilización de estas fuentes de energía tiene un impacto mucho menor sobre el ambiente y la sociedad que el que presentan los combustibles fósiles o la energía nuclear. La utilización de las fuentes renovables de energía puede llevarnos a lo que se conoce como desarrollo sustentable, que discutiremos en la siguiente lección. Si quieres ampliar tus conocimientos sobre el desarrollo de las energías renovables, consulta la liga http:// redescolar.ilce.edu.mx/ redescolar/biblioteca/ abc_ambiental/mayo/ renovable.html

Para saber más Para entender los distintos aspectos del desarrollo sustentable, consulta el libro Fuentes renovables de energía y desarrollo sustentable. Tagüeña, J. y Martínez M. (2008). México Editorial ADNCNCA.

Integramos Has aprendido que aunque hay muchas maneras de convertir alguna forma de energía en energía eléctrica, no todas son recomendables para el cuidado del ambiente y para la preservación de los recursos naturales. Mientras que fuentes de energía como los combustibles fósiles y la energía nuclear pueden acarrear serios problemas ambientales, la utilización de energías renovables como la solar, eólica, geotérmica e hidráulica pueden ayudar a resolver los problemas energéticos mundiales. Así como Odilón es un buen ejemplo que propicia el ahorro de energía, debemos evitar caer en hábitos como los de Romualdo, que además de tener costos muy elevados llevan al despilfarro de recursos que son un bien valioso para toda la sociedad.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero y escriban, en su cuaderno, los conceptos fundamentales que aprendieron en esta lección. Pueden hacer un cuadro sinóptico o un mapa de conceptos. 2. Investiguen y contesten en su cuaderno. » ¿Cuánto tiempo más se estima que estarán disponibles los combustibles fósiles en el mundo antes de que se agoten? » ¿Cuál es el consumo de energía promedio en tu hogar? ¿Sería posible que tu familia cubriera sus necesidades con energía solar? » ¿En qué región de México existen mejores condiciones para el desarrollo de la energía eólica?

216

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 216

12/21/12 12:41 PM


BLOQUE

4

Lección 3

La energía y su aprovechamiento Importancia del aprovechamiento de la energía orientado al consumo sustentable

aprendizaje esperado. Argumenta la importancia de desarrollar acciones básicas orientadas al consumo sustentable de la energía en el hogar y en la escuela.

Comenzamos Tania observa en su escuela situaciones que la preocupan. Los botes de basura se encuentran repletos de botellas de plástico y se mezclan los desechos orgánicos con los inorgánicos. Existen fugas de agua en los baños y la luz permanece encendida en los salones aun cuando están vacíos. A la hora de la salida, algunos padres utilizan sus automóviles para recoger únicamente a sus hijos. Tania acuerda con sus compañeros proponer a la dirección de la escuela algunas medidas para mejorar la situación, que involucran la participación de los alumnos, padres y maestros. Entre esas medidas sugieren a los alumnos utilizar recipientes reciclables para sus alimentos y a la escuela colocar bebederos con agua potable. También separar y reciclar los desechos, y usar los orgánicos para hacer composta que abone las plantas de la escuela. Todos se comprometen a apagar la luz de los salones que no están ocupados y a sugerir a los padres hacer rondas con otras familias para llevar y recoger a los alumnos de la escuela. 1. Responde los planteamientos en tu cuaderno. Investiga, si es necesario. » ¿Qué otras medidas sugerirías para propiciar el ahorro de agua y energía en tu escuela? » ¿Qué medidas llevarías a cabo en tu casa para ahorra agua y energía? » Investiga cuántas toneladas de basura se acumulan aproximadamente en tu ciudad o comunidad cada día.

Una pista Para reflexionar Nuestra forma de vida impacta de alguna manera a la naturaleza. Una forma de estimar este impacto es mediante el concepto de huella ecológica, que nos indica cuánta energía consumimos y cuánta basura producimos para mantener nuestro ritmo de vida, alimentación, movilidad y habitación.

Aprendemos En la actualidad, la gente que tiene la fortuna de tener energía eléctrica en sus casas simplemente enciende el interruptor de la luz o conecta algún aparato en el enchufe eléctrico para obtener la energía que necesita. A pesar de pagar por ella, la facilidad con la que muchas personas tienen acceso a la energía en su vida diaria ocasiona que frecuentemente olviden el complejo proceso que implica disponer de dicha energía y, lo que es peor, a veces la desperdician. Actualmente, hemos llegado a un punto en que si seguimos utilizando las mismas prácticas de consumo de energía, estaremos atentando de forma directa contra nuestro bienestar. Por tanto, es de vital importancia que toda la sociedad adquiera educación en el tema de la energía. En las lecciones anteriores estudiaste las diferentes formas en que se manifiesta la energía y la posibilidad de convertir una forma de energía en otra. Muchos de los desarrollos tecnológicos modernos que han propiciado la mejora en la calidad de vida de la humanidad se basan en el manejo de la energía. De hecho, toda actividad humana requiere de algún tipo de energía. También has aprendido una de las principales leyes de la física, es decir, la ley de conservación de la energía, que establece que la energía no se crea ni se destruye, únicamente se transforma. Ante tal afirmación, uno podría preguntarse por qué entonces existen problemas energéticos en nuestros días.

Para calcular el valor de tu huella ecológica responde el cuestionario incluido en la página www.wwf.org.mx/ wwfmex/index.php de la oficina mexicana del Fondo Mundial para la Naturaleza.

217

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 217

12/21/12 12:41 PM


Figura 4.81 Plataforma petrolera en el mar.

Para saber más El 20 de abril de 2010 ocurrió una de las peores catástrofes ambientales en el Golfo de México cuando se produjo una explosión en una plataforma petrolera británica en aguas territoriales de EUA, que provocó el derrame de cientos de miles de toneladas de petróleo al mar (figura 4.82).

Figura 4.82 Contaminación de un ecosistema acuático por derrame de petróleo.

Como se mencionó antes, aunque la energía total se conserva no toda es útil, pues cuando llega a su última etapa de transformación ya no podemos utilizarla para nuestros propósitos. Recuerda que en cualquier proceso de transformación de energía, por ejemplo, de electricidad a energía luminosa (como sucede en un foco), parte de la energía se desperdicia irremediablemente. Lo que podemos hacer es tratar de que el desperdicio sea el menor posible. Otro de los aspectos fundamentales para explicar la existencia de la actual crisis energética está relacionado con las fuentes de energía que comúnmente utilizamos para satisfacer nuestras necesidades. Desde hace poco más de cien años, el desarrollo de las sociedades modernas se ha basado fundamentalmente en el uso de combustibles fósiles (principalmente hidrocarburos, como el petróleo y el gas natural) como fuentes de energía, que, como vimos en la lección anterior, son fuentes no renovables. A pesar de que durante todo el siglo xx se efectuaron importantes hallazgos de nuevas reservas petroleras alrededor del mundo (incluido nuestro país), actualmente, la producción mundial de petróleo empieza a sufrir una declinación notoria. Cada vez es más difícil extraer petróleo, puesto que existen aspectos técnicos y económicos que limitan el volumen que se puede extraer del subsuelo, lo que provoca un aumento en su costo a medida que se hace más compleja la extracción (figura 4.81). Aunque varían las predicciones de por cuántos años más tendremos petróleo disponible, es claro que esta fuente de energía se agotará en el futuro próximo.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Investiga con dos compañeros las preguntas y anoten en su cuaderno las respuestas. » ¿Cuál es el campo petrolero más importante en México y en qué año alcanzó su producción máxima? » ¿Para cuántos años estima el gobierno mexicano que durarán las reservas petroleras con las que cuenta nuestro país? » ¿Qué país es el mayor productor mundial de petróleo?

Pero no es solo la escasez de petróleo lo que es preocupante, sino los múltiples problemas que su utilización ha acarreado en términos ambientales. Recientemente, diversos organismos internacionales han aceptado que la actividad humana, en particular, la involucrada con la producción y el consumo de energía, afecta en forma negativa al clima de nuestro planeta. Esto se relaciona directamente con la contaminación que producimos al utilizar combustibles fósiles como fuente de energía, ya que durante la combustión se generan gases que se acumulan en la atmósfera y ocasionan el efecto invernadero, que influye en el cambio climático global. El uso de esta fuente de energía está ligado también con la lluvia ácida, la contaminación en las grandes ciudades o los desastres químicos y ambientales por el transporte de combustibles.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Junto con dos compañeros, lee las siguientes preguntas e investiguen lo que sea necesario para responderlas en su cuaderno. » ¿Cómo se ha visto afectado el medio ambiente por el establecimiento de campos petroleros en nuestro país, por ejemplo, en la denominada Sonda de Campeche? » ¿Qué es la lluvia ácida? ¿Qué es lo que se entiende por cambio climático global? » ¿Cuánto tiempo tarda en degradarse una botella de plástico?

218

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 218

12/21/12 12:41 PM


Equitativo

Social Económico Nos enfrentamos a un gran dilema, pues si queremos hacer llegar los beneficios de la tecnología a todos los sectores DESARROLLO de la población e incrementar el nivel de vida de cada vez un SUSTENTABLE mayor número de mexicanos, es decir, si deseamos seguir en desarrollo, requerimos tener energía disponible. Sin embarVivible Viable go, nuestros actuales patrones de producción y consumo de energía nos llevan a una situación que pone en peligro nuestro bienestar. ¿Qué hacer entonces? Ambiental Los problemas de contaminación ambiental y las dificultades cada vez mayores para basar nuestro desarrollo en el consumo del petróleo han llevado a muchas personas, organizaciones y gobiernos en el mundo a plantear Figura 4.83 El desarrollo la necesidad de cambiar nuestro modelo actual de desarrollo y la manera de interaccionar sustentable debe llevarse a con nuestro entorno. Así, ha surgido el concepto de desarrollo sustentable, cuyo principio cabo de manera equilibrada fundamental es que el desarrollo de la sociedad debe efectuarse de manera equilibrada sin en los ámbitos social, poner en riesgo a las generaciones futuras en el planeta. Esto implica una serie de acciones económico y ambiental. que involucran la modificación de nuestros hábitos de consumo y producción de energía, lo que se debe llevar a cabo de manera gradual, pero al mayor ritmo posible (figura 4.83). Uno de los pilares del desarrollo sustentable es la búsqueda de fuentes de energía menos contaminantes y renovables, que aseguren el abasto energético para el futuro (figura 4.84). No podremos dejar de depender del petróleo de un día para otro, pero debemos implementar acciones encaminadas a la diversificación energética, es decir, a la utilización de distintas fuentes de energía renovables como la solar o la eólica, que tienen un potencial Figura 4.84 El uso de muy amplio en nuestro país. Aunque en gran medida esto involucra el planteamiento de energías renovables, como la eólica y la solar, es una una política energética que corresponde fundamentalmente al gobierno, a escala local, en condición indispensable tu familia, escuela o comunidad es posible implementar ciertas acciones que han resultado para el desarrollo sustentable. muy exitosas en todo el mundo. Por ejemplo, hoy en día es posible sustituir los calentadores de agua que utilizan gas por calentadores solares que en pocos años recuperan la inversión inicial y no contaminan. Asimismo, actualmente se cuenta con una gran variedad de cocinas y hornos solares que se utilizan para cocinar alimentos de una manera sencilla. Incluso en tu casa o escuela puedes construir una estufa solar con materiales baratos y de fácil acceso. El desarrollo sustentable requiere necesariamente hacer uso de nuevas tecnologías que nos ayuden no solo a satisfacer nuestras necesidades actuales y futuras, sino a resolver el problema ambiental que hemos creado. Tenemos la obligación de limpiar lo que contaminamos, reconstruir lo que destruimos y proteger a todas las especies que pusimos en peligro.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Dividan al grupo en tres equipos. Cada equipo elegirá una de las siguientes preguntas y buscará información para contestarla. Al final, un representante de cada equipo pasará al frente a exponer la respuesta que planteó su equipo.

» ¿Qué países han implementado políticas para basar su desarrollo en las energías renovables en el mediano plazo? » ¿Existen proyectos para desarrollar la energía solar y eólica en México? ¿En qué regiones del país? » En la actualidad, ¿cuál es el principal obstáculo para utilizar extensivamente las tecnologías solares? 219

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 219

12/21/12 12:41 PM


Para saber más Los calentadores solares de agua son una de las tecnologías limpias más extendidas en el mundo. Su uso puede disminuir considerablemente el consumo energético de una familia. Nuestro país es especialmente propicio para el uso de prácticamente todas las tecnologías solares.

El ahorro de energía es otro aspecto muy importante para lograr el desarrollo sustentable. Debemos promover condiciones adecuadas para un uso racional de la energía ya que un empleo más eficiente de esta no solo ahorra energía, sino también recursos financieros y reduce la contaminación ambiental. Una estrategia básica para el ahorro de energía es el uso de mejores tecnologías que reduzcan el consumo energético. Por ejemplo, usar focos ahorradores, calentadores solares, arquitectura bioclimática, aislantes térmicos en las tuberías, entre otros. Otra estrategia consiste en modificar los hábitos sociales de comportamiento, para reducir la demanda energética. El utilizar el transporte público, la bicicleta, reciclar materiales y reducir la compra de materiales desechables son algunas propuestas. Pequeñas acciones que parecieran no tener relevancia pueden hacer la diferencia. Debemos propiciar lo que podríamos llamar “prácticas sustentables”, es decir, aquellas que utilizan responsablemente, conservan, reciclan o sustituyen materia prima, productos, desechos y tecnologías para preservar y extender el progreso económico y proteger el medio ambiente ahora y en el futuro.

Integramos

Si quieres saber cómo construir una estufa solar de manera sencilla, consulta http://www.cie.unam. mx/~arp/solar1.html

Una pista Para medir Hay muchas formas sencillas de ahorrar energía en tu casa. Por ejemplo, evita dejar las luces o aparatos eléctricos encendidos cuando no los ocupes, no dejes la puerta del refrigerador abierta más de lo necesario y usa poca agua al bañarte, procura que no esté demasiado caliente.

Para encaminar a la sociedad mexicana hacia el desarrollo sustentable es indispensable que de manera gradual transitemos de un sistema energético basado primordialmente en el petróleo a otro basado en las energías renovables. El desarrollo sustentable no es solo responsabilidad de los gobiernos o las grandes industrias, sino que involucra la participación directa de todos los integrantes de la sociedad. Existe una multitud de acciones que puedes implementar en tu casa, escuela y comunidad para propiciar un desarrollo sustentable, es decir, un desarrollo equitativo y equilibrado que no comprometa el bienestar de las futuras generaciones. Además, debes aprender a exigir a los gobiernos políticas adecuadas para favorecer dicho desarrollo. Implementar acciones tan sencillas y concretas como las que Tania propuso en su escuela permite el ahorro de energía, el mejor aprovechamiento y preservación de los recursos y conlleva al bienestar de la comunidad. Las acciones que hoy tomemos definirán el mañana que le espera a la humanidad.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reflexiona sobre las preguntas, respóndelas y compara tus respuestas con las de tus compañeros. » ¿Cuánto tiempo más se estima que estarán disponibles los combustibles fósiles en el mundo antes de que se agoten? » ¿Cuál es el consumo de energía promedio en tu hogar? ¿Sería posible que tu familia cubriera sus necesidades con energía solar? » ¿Qué acciones propondrías en tu escuela y en tu casa para fomentar el desarrollo sustentable?

220

S-Fis-CNT-B4-204-220_PDF_alta_alumno 220

12/21/12 12:41 PM


Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar

Propuestas de actividades para la fase 1

BLOQUE 4

inicio

Fase 1

aprendizajes esperados. Elabora y desarrolla de manera más autónoma un plan de trabajo que oriente su investigación, mostrando responsabilidad, solidaridad y equidad. Utiliza la información obtenida mediante la experimentación o investigación bibliográfica para elaborar argumentos, conclusiones y propuestas de solución. Diseña y elabora objetos técnicos que le permitan describir, explicar y predecir fenómenos eléctricos, magnéticos o sus manifestaciones. Reconoce aciertos y dificultades en relación con los conocimientos aprendidos, las formas de trabajo realizadas y su participación en el desarrollo y comunicación del proyecto.

Proyecto

1. Reúnete con tu equipo para leer y comentar el siguiente texto.

Arcoíris El arcoíris es un conjunto ordenado de arcos de colores, todos con el mismo centro. Aparece en el cielo cuando llueve. Se produce cuando un rayo de luz es interceptado por una gota de agua suspendida en la atmósfera. La gota lo descompone en todos sus colores al mismo tiempo que lo desvía (lo refracta al entrar en la gota y al salir). Debido a estas refracciones el rayo se vuelve hacia la parte del cielo en que está el Sol. Parte de la luz que se refracta al entrar en la gota se refleja en las paredes interiores y vuelve a refractarse al salir de la gota al exterior. La gota actúa como lo haría un prisma: la primera refracción separa los colores que contiene el rayo de luz y la segunda refracción incrementa aún más esta separación. Cuando estás viendo un arcoíris siempre tienes el Sol a tu espalda y por encima de ti. La lluvia está formando una cortina delante de ti, y sobre ella ves el arcoíris. Para que exista un arcoíris tiene que haber gotas de agua suspendidas en la atmósfera (figura 4.85). El centro del arco está frente a ti y por debajo. Cuando la reflexión-refracción se produce en millones de gotas suspendidas en el aire, se forma un arco de colores en el cielo (varios arcos de colores concéntricos). Cada gota se ve de un color. El grupo de gotas que se ve del mismo color se sitúa sobre un círculo de ese color. En realidad, el número de reflexiones internas puede ser mayor de dos (dependiendo de por dónde entra la luz en la gota) y puede dar lugar a la aparición de dos arcoíris: el primario más fuerte e interior y el secundario más débil y exterior.

Figura 4.85 El arcoíris aparece en el cielo cuando llueve.

Fragmento tomado de http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/color/ arcoIris/ArcoIris.htm (Consultado el 28 de enero de 2012)

2. Con base en el texto anterior, comenten lo que más les llamó la atención y lo que saben al respecto. 3. Definan el problema que resolverán en el proyecto. Pueden partir de preguntas como la siguiente. » ¿Qué es el arcoíris y cómo se forma? 4. Puede ser que tengan otros intereses y decidan resolver un problema distinto al sugerido anteriormente, por ejemplo, ¿cómo funciona el ojo humano?; si es así, ¡adelante!, infórmenle a su profesor, quien les comentará si es pertinente.

221

S-Fis-CNT-B4-221-227_PDF_alta_alumno 221

12/21/12 12:13 PM


Proyecto BLOQUE 4

Fase 2

Para leer sobre la descomposición de luz blanca en los colores del arcoíris entra a http://web2.ilce. edu.mx/redescolar/ redescolar2008/ educontinua/ conciencia/fisica/ newton/nw9.htm

planeación

5. Decidan el tipo de proyecto en el que participarán (científico, tecnológico o ciudadano). 6. Con base en el tema que eligieron, revisen lo que saben; recuerden también lo que han aprendido en otros cursos o asignaturas. Procuren responder estas preguntas. » ¿Qué sabemos? » ¿Qué necesitamos investigar? » ¿Cómo nos ayudará a resolver el problema que elegimos?

FASE 2: PLANEACIÓN El éxito de todo proyecto estudiantil depende de la planeación de las actividades y se inicia con su delimitación. Lean lo que hicieron los estudiantes de una escuela secundaria para planear su proyecto. Con base en ello, decidan cómo harán el suyo. Los miembros del equipo analizaron la pregunta elegida y después de reconocer lo que sabían del tema, se plantearon un propósito, es decir, un problema que pudieran resolver. En este caso, optaron por la pregunta “¿Qué es y cómo se forma el arcoíris?”, y decidieron solucionar el siguiente problema. Construir el llamado disco de Newton para hacer una demostración de la relación de la luz blanca con los colores del arcoíris. Después, definieron de manera general lo que indagarían, para qué lo harían y cómo habrían de lograrlo. Al final, propusieron una serie de actividades que organizaron en el cuadro 4.1.

Problemática identificada Mostrar la relación entre la luz blanca y los colores del arcoíris

Cuadro 4.1 Planeación del proyecto Contenidos del Posible solución Propósito bloque que se pueden utilizar Buscar en Internet y en libros información para construir un dispositivo para hacer una demostración

¿Qué haremos?

Entender cómo se forma el arcoíris

La luz, el espectro electromagnético

¿Dónde investigaremos?

Buscar información sobre el trabajo pionero de Isaac Newton relativo al arcoíris

En libros e Internet

Recursos necesarios Computadora e Internet, un libro de Física y material para hacer una demostración

¿Cuánto tardaremos? Cuatro horas

Propuestas de actividades para la fase 2 1. Con base en la pregunta guía que escogieron, delimiten el problema, así como su posible solución. Comenten ésta con el profesor. 2. Propongan y organicen las actividades en el tiempo que han establecido para ello; asignen responsables. Visiten el laboratorio de física de su escuela y observen cómo

222

S-Fis-CNT-B4-221-227_PDF_alta_alumno 222

12/21/12 12:13 PM


la luz se descompone en los colores del arcoíris al pasar por un prisma y estos pueden volver a unirse formando luz blanca con otro prisma colocado adecuadamente. 3. Procuren responder estas preguntas. » ¿Qué queremos hacer? » ¿Qué recursos humanos, materiales y económicos requerimos para emprender el proyecto? ¿Con cuáles contamos? ¿Cuáles tenemos que conseguir? » ¿Cómo registraremos y analizaremos los resultados? » ¿Cómo comunicaremos los resultados y las conclusiones? desarrollo

Fase 3

FASE 3: DESARROLLO Lleven a cabo las actividades que planearon. Procuren consultar a su profesor siempre que sea necesario e informarle sobre los avances; registren la información que obtengan. A continuación, se presentan actividades que hicieron algunos estudiantes durante esta fase del proyecto, según la pregunta guía que eligieron. Pregunta guía: ¿Cómo podemos hacer una demostración para que se vea la relación entre la luz blanca y los colores del arcoíris? Este equipo investigó en revistas de divulgación científica, libros e Internet, los estudios pioneros de Newton sobre la relación de la luz blanca con los colores del arcoíris. Newton se dio cuenta de que al pasar la luz por un vidrio siempre se veía algún color, dependiendo del ángulo con el que entrara y de la forma del vidrio. A esto se le llama dispersión de la luz. Con un prisma probó que la luz se descompone en luz de los diferentes colores que vemos en el arcoíris. Se le ocurrió entonces diseñar un disco donde la relación entre la luz blanca y los colores resultara evidente (figura 4.86).

Material: cartón grueso, cartulina blanca, compás, lápices de colores, regla graduada, transportador, tijeras, dos lápices Procedimiento 1. Dibujen dos círculos de 20 cm de diámetro en el cartón y dos en la cartulina blanca. Recorten los cuatro círculos. 2. Pinten uno de los círculos de cartulina con un solo color. Dividan el otro círculo de cartulina blanca en ocho sectores iguales, pintando en ellos cada uno de los siete colores del arcoíris: rojo, anaranjado, amarillo, verde, verde azulado, violeta y púrpura. 3. Peguen cada círculo de cartulina (el de un solo color y el de los colores del arcoíris) en un círculo de cartón. 4. Hagan un orificio (del tamaño de la punta de un lápiz) en cada uno de los círculos. 5. Sáquenle punta a cada lápiz (unos dos centímetros). Introduzcan en la punta de cada lápiz uno de los círculos y háganlos girar. Análisis de resultados y conclusiones Hacer pasar la luz por un prisma y ver su descomposición en los colores del arcoíris es un experimento de óptica: la luz blanca al pasar por un material se descompone en ondas de diferentes frecuencias. En cambio, el disco de Newton no es una prueba experimental, es tan solo una demostración que permite entender la relación entre la luz blanca y los colores. En esta demostración es importante comparar qué pasa cuando se tiene un círculo de un solo color, comparado con un círculo con los colores del arcoíris.

Figura 4.86 En el disco de Newton, llamado así por ser este científico su inventor, se consigue ver el efecto contrario a lo que sucede con el arcoíris. Al girar rápidamente este disco, pareciera que es blanco. Cuanto más estrechos sean los segmentos, más fácilmente se ve el efecto.

223

S-Fis-CNT-B4-221-227_PDF_alta_alumno 223

12/21/12 12:13 PM


Proyecto

Fase 4

BLOQUE 4

Propuestas de actividades para la fase 3 1. Después de llevar a cabo las actividades planeadas, analicen la información que obtuvieron. 2. Con base en los resultados, resuelvan el problema que se plantearon y obtengan conclusiones. Estas las presentarán en la siguiente fase del proyecto.

comunicación

FASE 4: COMUNICACIÓN Es el momento de comunicar los resultados del proyecto. Para ello, regresen al cuadro de planeación y, considerando lo que pensaron respecto a cómo hacer el proyecto, decidan si optarán por el mismo camino o si harán una presentación general (a manera de exposición) seguida de otras actividades (como una obra de teatro, un programa de radio, una feria de ciencia y tecnología, un periódico mural, una videoconferencia, entre otras) (figura 4.87). En este caso se hará una demostración a la clase. En la presentación general de un proyecto es recomendable que un integrante del equipo dirija unas palabras de bienvenida a la audiencia y, en caso de que lo consideren adecuado, que presente las diferentes actividades o etapas del proyecto. ¿Ya decidieron quién lo hará? ¿Qué dirá? Observen el cuadro 4.2 que hizo un equipo de estudiantes.

Cuadro 4.2 Guion para la planeación del proyecto Actividad Responsable

Duración

Palabras de apertura de la presentación de la demostración

Nayeli

De 1 a 2 minutos

Demostración de qué pasa cuando se hace girar un círculo de un solo color.

Pedro

5 minutos

Demostración de qué pasa cuando se hace girar el disco de Newton.

Lola

10 minutos

Discusión acerca de lo observado

Todos

10 minutos

Pedir voluntarios para que pasen al frente a hacer girar el disco de Newton.

Todos

10 minutos

Discusión sobre la importancia de la demostración para entender cómo se forma el arcoíris.

Todos

10 minutos

Agradecimiento y cierre

Nayeli

1 minuto

Repartición de copias en las que se explique cómo hacer un disco de Newton.

Todos

5 minutos

Propuestas de actividades para la fase 4

Figura 4.87 La exposición oral con demostración experimental es una manera de difundir los resultados de un proyecto.

1. Presenten los resultados de su proyecto en el medio de divulgación que eligieron. 2. Con base en los resultados, expliquen los problemas o dificultades que tuvieron, así como las cosas que aprendieron. Destaquen los beneficios que les aportó el desarrollo del proyecto. m Si participaron en un proyecto científico, destaquen los datos que obtuvieron, sus observaciones y avances. Si el proyecto fue tecnológico pueden, por ejemplo, explicar cómo hicieron un dispositivo y los resultados que obtuvieron al ponerlo en funcionamiento. En un proyecto ciudadano, sería muy bueno que explicaran la manera en que este benefició a la comunidad.

224

S-Fis-CNT-B4-221-227_PDF_alta_alumno 224

12/21/12 12:13 PM


Evaluación Este es el momento para que reflexiones sobre los logros, las deficiencias y los aprendizajes adquiridos durante el desarrollo y la presentación de tu proyecto.

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Completa un cuadro como el siguiente en tu cuaderno.

Trabajo individual

Siempre

Algunas veces

Pocas veces

Nunca

¿Cooperé con mis compañeros de equipo? ¿Fui participativo en las reuniones y actividades? ¿Aporté ideas para enriquecer nuestro trabajo? ¿Cumplí con mis tareas y responsabilidades dentro del equipo? ¿Ayudé a quien me lo pidió, aunque no fuera miembro de mi equipo? ¿Participé en la resolución de desacuerdos o conflictos dentro de mi equipo? ¿Me gustó trabajar en equipo?

2. Reunido con tu equipo copia el siguiente cuadro en tu cuaderno y complétalo.

Trabajo en equipo

No

¿Por qué?

Las investigaciones que hicimos fueron suficientes para desarrollar nuestro proyecto. Las actividades y procedimientos que elegimos fueron adecuados para presentar el tema de nuestro proyecto. La distribución del trabajo en el equipo fue adecuada y equitativa. Dentro de nuestro equipo hubo un ambiente de compañerismo, cooperación y solidaridad. Hicimos los ajustes necesarios en nuestro proyecto para mejorarlo. Logramos los propósitos y el objetivo de nuestro proyecto. Nuestro proyecto fue significativo para la comunidad a la que iba dirigido. Adquirimos nuevos aprendizajes durante el desarrollo y la presentación de nuestro proyecto.

3. Reúnete con el grupo y el profesor. Comparte las respuestas que escribiste en estos cuadros y coméntalas. Propón maneras de mejorar tu desempeño para el logro del proyecto.

225

S-Fis-CNT-B4-221-227_PDF_alta_alumno 225

12/21/12 12:13 PM


Evaluación (TIPO PISA)

BLOQUE 4

Comprueba tus competencias Al principio del bloque se te invitó a conocer la naturaleza de la electricidad, su modo de producción y los fenómenos asociados a esta. Comprueba que lo has conseguido.

Transporte de la energía eléctrica La energía eléctrica no se puede almacenar en grandes cantidades y es necesario producir en cada momento la que se consume. La producción eléctrica está muy diversificada y distribuida. Numerosas centrales energéticas cooperan a través de una red que transporta la corriente hasta cualquier punto de consumo. En las centrales y en las redes de distribución se presentan averías que deben ser reparadas al instante. Un centro de control ordena cambios en la producción en las centrales y desvía la corriente a través de las redes de alta tensión. A lo largo del día, y del año, el consumo de energía cambia. Si conectamos un electrodoméstico en casa o si se detiene un elevador, el sistema eléctrico responde ajustando su producción. Diariamente, se realiza una provisión de consumo que puede verse afectada por diferentes circunstancias, por ejemplo, una huelga o la celebración de un partido de futbol, etcétera. Pregunta 1. Desde el punto de vista de la producTipo de central Estabilidad Adaptabilidad ción eléctrica, interesa que la generación pueda ser Térmica de carbón mineral muy estable y que permita aumentar o disminuir Hidroeléctrica la potencia de una forma sencilla. Térmica de gas natural Clasifica las centrales del cuadro según la esEólica tabilidad en el suministro y la adaptabilidad a las Solar necesidades de consumo. Explica en qué razones te has basado. Pregunta 2. Elabora dos gráficas con datos estimados: una que muestre cómo evoluciona el consumo eléctrico a lo largo del día y otra que represente cómo evoluciona el consumo eléctrico mensual a lo largo del año. Justifica la forma que le has dado a las gráficas.

¿Cuánto cuesta la electricidad? En el recibo de la luz se recogen tres apartados: potencia, consumo e impuestos. Mientras que la potencia-capacidad de consumo de la instalación es una cantidad fija que se paga según sea el valor contratado, el consumo es proporcional a la cantidad de energía utilizada.

Pregunta 1. La energía se conserva en todas las transformaciones. ¿Adónde va la energía que gastamos para mantener el funcionamiento de los electrodomésticos? Menciona tres ejemplos de conversión de la energía eléctrica en otras formas de energía. Pregunta 2. Propón tres medidas para reducir el importe del recibo de la luz. Si dispones de Internet, entrénate en el ahorro de energía con esta página: http://www.cfe.gob.mx/casa/4_Informacionalcliente/Paginas/Ahorro-de-Energia.aspx En esta página puedes encontrar más detalles sobre el recibo de la luz: http://www.cfe.gob.mx/casa/4_Informacionalcliente/Paginas/Conoce-tu-recibo.aspx Pregunta 3. Dos veces al año se cambia el horario con el fin de ahorrar electricidad. ¿Crees que esta medida es efectiva?

226

S-Fis-CNT-B4-221-227_PDF_alta_alumno 226

12/21/12 12:13 PM


Los superconductores Todos los cuerpos están compuestos por átomos, desde una tabla de madera hasta un cable de cobre, y los átomos contienen electrones. Si la corriente eléctrica se define por el movimiento de los electrones, ¿qué les impide moverse a los electrones en un material aislante? En los materiales conductores, la resistencia que encuentra la electricidad es muy baja, pero no es nula. Sin embargo, algunos materiales, en ciertas circunstancias, son capaces de conducir la corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cero: son los llamados superconductores.

Pregunta 1. Explica la diferencia de comportamiento de los electrones en una material aislante y en un material conductor.

Induciendo magnetismo El campo magnético de un imán en movimiento dentro de la bobina solenoide produce la inducción magnética, como consecuencia, se genera una corriente eléctrica en esa bobina.

Diagrama que representa un proceso experimental para producir inducción magnética.

G

Pregunta 1. ¿Cómo sería el proceso para reproducir el experimento para generar la inducción magnética? a) Al instalar el circuito (A) de una segunda bobina (B), la corriente eléctrica comienza a circular por las espiras creando un campo electromagnético a su alrededor, capaz de inducir una corriente eléctrica o fuerza electromotriz en otra bobina (C), pero ahora por inducción electromagnética. La presencia de la corriente eléctrica que circulará por esa tercera bobina se comprueba con el galvanómetro (G) conectado al circuito de esa última bobina. b) Al instalar el circuito eléctrico (A), a la corriente eléctrica que comenzará a circular por sus espiras (B), se creará un campo electromagnético, que a su vez inducirá una corriente eléctrica o fuerza electromotriz en otra bobina (C). La presencia de la corriente eléctrica que circulará por esa tercera bobina se podrá comprobar con la ayuda de un galvanómetro (G) conectado al circuito de esa última bobina. 227

S-Fis-CNT-B4-221-227_PDF_alta_alumno 227

12/21/12 12:13 PM


BLOQUE

5

Conocimiento, sociedad y tecnología

Competencias que se favorecen:

• Comprensión de fenómenos y procesos naturales desde la perspectiva científica. • Toma de decisiones informadas para el cuidado del ambiente y la promoción de la salud orientadas a la cultura de la prevención. • Comprensión de los alcances de la ciencia y del desarrollo tecnológico en diversos contextos.

Aprendizajes esperados m

m

m

m

m

m

m

m

m

Identifica algunas de las ideas acerca del origen y evolución del Universo, y reconoce sus alcances y limitaciones. Describe algunos cuerpos que conforman al Universo: planetas, estrellas, galaxias y hoyos negros e identifica evidencias que emplea la ciencia para determinar algunas de sus características. Reconoce características de la ciencia, a partir de los métodos de investigación empleados en el estudio del Universo y la búsqueda de mejores explicaciones. Reconoce la relación de la tecnología y la ciencia, tanto en el estudio del Universo como en la búsqueda de nuevas tecnologías. Aplica e integra conceptos, habilidades, actitudes y valores mediante el diseño y la realización de experimentos, investigaciones, objetos técnicos (dispositivos) y modelos con el fin de describir, explicar y predecir fenómenos y procesos del entorno. Desarrolla de manera más autónoma su proyecto, mostrando responsabilidad, solidaridad y equidad en el trabajo colaborativo; asimismo, reconoce aciertos y dificultades en relación con los conocimientos aprendidos, las formas de trabajo realizadas y su participación en el proyecto. Plantea preguntas o hipótesis que generen respuestas posibles, soluciones u objetos técnicos con imaginación y creatividad; asimismo, elabora argumentos y conclusiones a partir de evidencias e información obtenidas en la investigación. Sistematiza la información y los resultados de su proyecto, comunicándolos al grupo o a la comunidad, utilizando diversos medios: orales, textos, modelos, gráficos y tecnologías de la información y la comunicación. Argumenta los beneficios y perjuicios de las aportaciones de la ciencia y la tecnología en los estilos actuales de vida, en la salud y en el ambiente.

Contenidos El Universo Lección 1. Teoría de “La gran explosión”; evidencias que la sustentan, alcances y limitaciones. Lección 2. Características de los cuerpos c§ósmicos: dimensiones, tipos; radiación electromagnética que emiten, evolución de las estrellas; componentes de las galaxias, entre otras. La Vía Láctea y el Sol. Lección 3. Astronomía y sus procedimientos de investigación: observación, sistematización de datos, uso de evidencia. Lección 4. Interacción de la tecnología y la ciencia en el conocimiento del Universo. Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones) Integración y aplicación La tecnología y la ciencia en los estilos de vida actual » ¿Cuáles son las aportaciones de la ciencia al cuidado y la conservación de la salud? » ¿Cómo funcionan las telecomunicaciones? Física y ambiente » ¿Cómo puedo prevenir y disminuir riesgos ante desastres naturales al aplicar el conocimiento científico y tecnológico en el lugar donde vivo? » ¿Crisis de energéticos? ¿Cómo participo y qué puedo hacer para contribuir al cuidado del ambiente en mi casa, la escuela y el lugar donde vivo? m Ciencia y tecnología en el desarrollo de la sociedad » ¿Qué aporta la ciencia al desarrollo de la cultura y la tecnología? » ¿Cómo ha evolucionado la física y la tecnología en México? » ¿Qué actividades profesionales se relacionan con la física? ¿Cuál es su importancia en la sociedad?

228

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 228

1/14/13 11:21 AM


El Universo Observa la siguiente imagen. ¿Qué te sugiere? ¿Qué elementos reconoces en ella? ¿Cómo y cuándo se formó la Tierra? ¿Cómo se originó la vida? ¿Qué representa el Sistema Solar dentro del Universo? Estas son los grandes interrogantes que desde siempre el ser humano ha tratado de responder. 1. ¿Conoces alguna teoría sobre el origen del Universo? ¿Has oído hablar sobre “La gran explosión”. Comparte lo que sabes con tus compañeros. 2. Las estrellas que se ven en el hemisferio norte son diferentes de las que se ven desde el hemisferio sur. Elabora una teoría para explicar este hecho. 3. La observación del cielo además de un gran espectáculo puede ser de gran utilidad. ¿Sabes el nombre de la estrella de la cúpula celeste que permanece fija en el cielo? La tecnología ha permitido avanzar en la formulación de la teoría sobre el origen del Universo. En 1978, Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel por el hallazgo de una radiación cósmica que ayuda a evidenciar la teoría de “La gran explosión”. Si quieres saber cómo fue este hallazgo consulta: http:// www.inaoep.mx/~rincon/expansion_2.html

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 229

El ser humano siempre se ha preguntado por el origen de la vida y, apoyándose en la ciencia, ha tratado de responder a esta pregunta. En este bloque vas a aprender las diversas teorías sobre el origen del Universo y de qué manera la ciencia se pone al servicio de las personas. Propuestas de proyectos

• ¿Cuáles son las aportaciones de la ciencia al cuidado y la conservación de la salud? • ¿Cómo funcionan las telecomunicaciones? • ¿Cómo puedo prevenir y disminuir riesgos ante desastres naturales al aplicar el conocimiento científico y tecnológico en el lugar donde vivo? • ¿Crisis de energéticos? ¿Cómo participo y qué puedo hacer para contribuir al cuidado del ambiente en mi casa, la escuela y el lugar donde vivo? • ¿Qué aporta la ciencia al desarrollo de la cultura y la tecnología? • ¿Cómo ha evolucionado la física y la tecnología en México? • ¿Qué actividades profesionales se relacionan con la física? ¿Cuál es su importancia en la sociedad?

229

1/14/13 11:21 AM


BLOQUE

5

Lección 1

El Universo Teoría de “La gran explosión”; evidencias que la sustentan, alcances y limitaciones

APRENDIZAJE ESPERADO. Identifi ca algunas de las ideas acerca del origen y evolución del Universo, y reconoce sus alcances y limitaciones.

Comenzamos 1. Lee el texto y haz en tu cuaderno lo que se pide. Para observar un ejemplo del efecto Doppler entra a http:// www.youtube.com/ watch?v=Ql_B4z3_M10

Espectrómetro. Instrumento que mide las propiedades de la luz emitida por una fuente al separarla en sus diferentes componentes del espectro electromagnético. También se conoce como espectroscopio. Galaxia. Conjunto de gran tamaño constituido por cientos de miles de estrellas, polvo interestelar, gases y partículas.

Figura 5.1 La imagen es una representación del efecto Doppler.

Figura 5.2 Edwin Hubble (1889-1953) fue un astrónomo estadounidense que midió el corrimiento al rojo de las galaxias lejanas, y así comprobó que el Universo está en expansión.

Nacho y Elena esperan en la esquina el camión escolar, cuando oyen acercarse una ambulancia. Les llama mucho la atención que cuando se acerca, el sonido de su sirena es más agudo; y cuando se aleja, es más grave. » En lecciones anteriores aprendiste acerca de las características del sonido, cómo se define la frecuencia y la longitud de onda. Analiza en el ejemplo anterior cuál debe ser el efecto del movimiento de la ambulancia en la frecuencia y en la longitud de onda del sonido. » Piensa en algún experimento que puedas llevar a cabo para observar este interesante fenómeno.

Aprendemos El fenómeno que observaron Nacho y Elena, el aparente cambio de la frecuencia de una onda debido al movimiento relativo entre la fuente y el observador, recibe el nombre de efecto Doppler, en honor del físico checo Christian Doppler (1803-1853), quien fue su descubridor. Cuando va hacia ti una fuente de sonido, los frentes de onda se acercan, la frecuencia aumenta y el sonido es más agudo. Cuando el objeto se aleja, los frentes de onda se separan, la frecuencia disminuye y el sonido es más grave (figura 5.1). Este mismo efecto ocurre con la luz, que como ya has visto es una onda electromagnética. Si el objeto se aleja, la luz que emite se corre hacia longitudes de onda largas, que corresponden al rojo, y si el objeto se acerca, su luz emitida se desplaza hacia longitudes de onda más cortas y hay un corrimiento hacia el azul. Como la velocidad de la luz es enorme, ninguno de los objetos con que estamos en contacto cotidianamente se mueve a velocidades suficientemente grandes para que sea posible ver este efecto. Sin embargo, hay cuerpos cósmicos que sí se mueven muy rápidamente, por ejemplo, algunos grupos de estrellas. Aun en datos recabados de fenómenos espaciales, esta desviación hacia el rojo o el azul no puede ser captada por el ojo humano, así que es necesario medirla con instrumentos especiales, como el espectrómetro. Aunque hay registros anteriores del efecto Doppler en la luz proveniente de estrellas lejanas, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) publicó resultados que mostraban que la luz que percibimos de las galaxias lejanas presentaba un corrimiento hacia el rojo, lo que solo se podía explicar si se alejaban de la nuestra (figura 5.2).

230

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 230

1/14/13 11:21 AM


El Universo es todo lo que existe: el espacio, el tiempo, la materia y la energía; es enorme y no ha dejado de expandirse desde que se formó. En él está contenido todo, desde los átomos hasta los grandes cuerpos cósmicos. Por lo que se sabe, las mismas fuerzas y leyes se cumplen en todo el Universo. Es la fuerza de gravedad la que mantiene unida la materia en los cuerpos cósmicos. Hay muchas incógnitas acerca del Universo. Por ejemplo, no se sabe cuál es su tamaño y no se ha podido observar en su totalidad. Lo que se conoce proviene de la información de las ondas electromagnéticas que podemos detectar y que llegan hasta nosotros desde los confines del Universo. Existe una teoría llamada de “la gran explosión o Big Bang”, que describe la evolución del Universo, y es consistente con lo que hoy se sabe. Según esta teoría, el Universo era muy pequeño, muy denso y muy caliente, lo que ocasionó una presión enorme; como consecuencia, el Universo empezó a expandirse y enfriarse. Se cree que esto ocurrió hace unos 13 700 millones de años; a partir de aquí, se considera el inicio del tiempo. Se piensa que inmediatamente después de “la gran explosión” el Universo era una especie de “sopa” de partículas. Dichas partículas son los constituyentes de los protones y neutrones, y de otras partículas que conocemos hoy, y tenían energías mucho mayores que las que se pueden conseguir hasta la fecha en los grandes aceleradores en la Tierra. Aunque se sabe poco de la física que ocurre a esas temperaturas tan elevadas, justo al inicio de la expansión del Universo, se cree que debido a ellas, en el inicio, las fuerzas fundamentales de la naturaleza (gravedad, electromagnética y nucleares) estaban unificadas en una sola. Al expandirse y enfriarse el Universo se alcanzaron temperaturas a las cuales se separaron las fuerzas, la radiación y la materia. En ese momento apareció la luz y se terminó la llamada “edad oscura”. Posteriormente, la evolución procedió de acuerdo con las leyes de la física de altas energías, que conocemos actualmente. Entonces se formaron los primeros protones, electrones y neutrones, luego los núcleos y finalmente los átomos. Después, la materia siguió aglomerándose, se formaron las primeras galaxias y luego las estrellas. Según esta teoría, transcurrieron unos 300 000 años entre la aparición de los átomos y las primeras estrellas que iluminaron el Universo. A los 350 000 años de edad, el Universo estaba lleno ya de luz y de átomos, tanto de hidrógeno como de helio (figura 5.3).

Una pista Para medir El espectrómetro mide la intensidad luminosa en función de la longitud de onda de la luz. Permite observar las líneas espectrales, es decir, las longitudes de onda donde un compuesto o elemento emite o absorbe energía luminosa.

Para saber más Paradójicamente, el nombre de “Teoría del Big Bang” fue creado por un detractor de la misma: el astrónomo y matemático inglés Fred Hoyle (1915-2001), quien más bien pensaba que el Universo se encuentra en un estado estacionario, sin cambios drásticos. Hoy se sabe que el Universo nunca explotó, como si fuera una bomba.

Figura 5.3 Representación de la teoría del Big Bang, que explica la evolución del Universo.

231

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 231

1/14/13 11:21 AM


Desarrolla tu pensamiento científico El astrónomo y divulgador norteamericano Carl Sagan ideó una manera gráfica para representar, en el lapso de un año civil, es decir, doce meses, la evolución del Universo hasta nuestros días. 1. Reúnete con un compañero y analicen los eventos acontecidos en el año cósmico (figura 5.4). Respondan las preguntas en su cuaderno.

Enero

Febrero

Marzo

Abril Mayo Junio Julio

Formación de la Vía Láctea

Big Bang

» ¿A cuántos años reales equivale un mes del calendario cósmico? » ¿Cuántos segundos del calendario cósmico representan un siglo real? » Si el primer segundo del primero de enero del año 2000 es el inicio del nuevo año cósmico, ¿cuántos segundos cósmicos han pasado desde entonces a la fecha? » Todo lo que ha hecho la humanidad, ¿en qué parte del calendario cósmico se ubica?

Agosto Formación del Sol y la Tierra

Septiembre Octubre Noviembre Primeras células

Primeros organismos pluricelulares

Diciembre 1 Oxígeno en la atmósfera

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15 Organismos del Cámbrico

16 Enfriamiento de la Tierra

17 Primeros vertebrados

18

19

20 Primeros animales de cuatro patas

21 Florecimiento de insectos

22

23

24 Primeros dinosaurios

25 Primeros mamíferos ancestrales

26 Formación de Pangea y su separación

27 Primeras aves

28

29 Extinción de los dinosaurios

30

31

10:15 21:24 22:48 23:59:50 Último segundo

➔ ➔ ➔ ➔ ➔

Aparición de los primates Primeros homínidos erguidos Aparición del Homo erectus Construcción de las grandes pirámides Ahora

Figura 5.4 Representación del calendario cósmico propuesto por Carl Sagan.

232

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 232

1/14/13 11:21 AM


La teoría de “la gran explosión” permite relacionar la cosmología, que estudia la estructura a gran escala y la dinámica del Universo, con la física de las partículas elementales, que involucra la escala de lo muy pequeño. Hoy en día, en el colisionador de partículas que se encuentra en Ginebra, donde se producen choques entre partículas, se están haciendo experimentos que recrean las condiciones que se dieron durante “la gran explosión” (figura 5.5). Una de las evidencias del modelo de “la gran explosión” es la llamada radiación de fondo. Se ha observado que en cualquier lugar del Universo se detecta una emisión de ondas de radio muy homogénea, como si todo el Universo estuviera sumergido en emisiones de radio provenientes de todas las direcciones. Antes de la formación de las estrellas y los planetas, el Universo era muy denso y caliente y había en él un brillo uniforme, como una especie de niebla proveniente del plasma caliente de hidrógeno ionizado. Al expandirse, tanto el plasma como la radiación se enfriaron y, cuando se formó el hidrógeno, se emitió la radiación de fondo de microondas. Las pequeñas variaciones en la homogeneidad de esta radiación que se observan hoy en día muestran un patrón muy específico, que es igual al que se esperaría de un gas muy caliente originalmente distribuido de manera uniforme, el cual se hubiera expandido hasta el tamaño actual del Universo. Como se ha mencionado, al expandirse el Universo, su temperatura cayó hasta el punto en el que se podían formar núcleos atómicos. Entonces los protones (que en realidad eran iones de hidrógeno) y los neutrones empezaron a combinarse para formar dichos núcleos a través de la fusión nuclear. Pasados unos 350 000 años, los electrones se unieron a esos núcleos, y el primer átomo que se formó fue el de hidrógeno. En este momento, los fotones, que previamente estaban “atrapados” (es decir que chocaban constantemente con otras partículas), pudieron viajar libremente. Este es el punto de partida de la evolución de los elementos químicos. A continuación, los neutrones libres se combinaron con protones para formar deuterio, que es un átomo de hidrógeno con un neutrón adicional en el núcleo. El deuterio rápidamente se convirtió en helio, de nuevo a través de la fusión. Cuando concluyó este periodo llamado de nucleosíntesis (que fue muy breve), se alcanzó un punto en el que la densidad y la temperatura del Universo no eran suficientes para que la fusión continuara, teniendo como resultado que al final del mismo solamente hubiera hidrógeno, helio y trazas de otros núcleos. El resto de los elementos se sintetizaron en las estrellas cuando las condiciones físicas lo permitieron. Se ha observado que la abundancia de helio es muy parecida en todo el Universo y eso también se considera una prueba de la teoría de “la gran explosión”, pues, como se explicó, se formó gran parte de este simultáneamente.

Cosmología. Parte de la astronomía que trata del origen, de la evolución y de las leyes generales del Universo. Física de partículas elementales. Rama de la física que estudia los componentes fundamentales de la materia y sus interacciones.

Figura 5.5 Partículas dispersas en el acelerador de partículas del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear).

Desarrolla tu pensamiento científico Para el estudio del Universo, una de las herramientas que emplean los científicos es el análisis de la radiación electromagnética que llega de los cuerpos cósmicos. La radiación es la manifestación de la propagación de energía atómica en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas. Cuando esta radiación tiene la energía suficiente para extraer electrones de la estructura atómica se le llama ionizante. De lo contrario, se le denomina no ionizante. Observa el espectro electromagnético de la figura 5.6, analiza la información que se proporciona respecto a la longitud de las ondas, el tipo de fuentes que las emiten y sus rangos de energía.

233

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 233

1/14/13 11:21 AM


Figura 5.6 Diagrama del espectro electromagnético.

1. Generalmente, se piensa que la radiación de fondo no es perceptible con los sentidos debido a que sus dimensiones son muy pequeñas o la energía muy baja. Si consideras que la radiación de fondo está en el rango de las microondas, responde en tu cuaderno las siguientes preguntas. » ¿Qué tipo de objetos tienen un tamaño comparable con la longitud de onda de la radiación de fondo? » ¿Por qué no son perceptibles con los sentidos las ondas de la radiación de fondo? » ¿Qué fuentes emisoras de ondas electromagnéticas se consideran que generan radiación ionizante? » ¿Por qué se considera que la radiación ionizante es dañina para la salud? Responde utilizando los conceptos y rangos de energía que te proporciona la imagen. 2. Seguro habrás escuchado la frase “la radiación está en todas partes”; con base en lo que observas en la imagen, ¿te parece correcta la afirmación? ¿Por qué?

Una pista Para reflexionar Nota que en la figura 5.6 no aparecen las ondas de sonido. Si bien el sonido, como vimos en el bloque 1, es también una onda, no es una onda electromagnética, sino una onda mecánica, que requiere de un medio para propagarse. La luz, en cambio, nos llega de los cuerpos cósmicos atravesando el espacio vacío.

¿Qué le espera al Universo en el futuro? Lo que se supone es que el destino del Universo depende solamente de la cantidad de masa que contiene. Un escenario posible es que si su masa excede cierto límite, entonces se frenará por la atracción gravitatoria. Sin embargo, hay pruebas de que el Universo se expande cada vez más rápidamente, a una velocidad mayor desde su origen. Este resultado lo obtuvieron los investigadores norteamericanos Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess, estudiando la luminosidad de un tipo de estrellas supernovas (estrellas que explotan liberando una gran cantidad de energía), para calcular las distancias a las galaxias. Además de otros fenómenos, encontraron que dichas estrellas se movían más rápido de lo esperado, lo que llevó a la conclusión de que algo está acelerando la expansión del Universo. A ese “algo” misterioso se le ha denominado energía oscura y ahora el reto es descifrar su naturaleza. Por los hallazgos encontrados, los mencionados investigadores fueron merecedores del Premio Nobel de Física en 2011. Para medir distancias se pueden usar objetos de los cuales se conoce su brillo intrínseco. El brillo intrínseco es una medida patrón en la que se conoce la luminosidad de un tipo de objetos. Si se ve un objeto similar, entonces se puede determinar su distancia a partir del brillo intrínseco. En el caso de las supernovas, su luminosidad disminuye con el tiempo, la rapidez con la que esto ocurre permite deducir el brillo intrínseco del momento en el que la supernova alcanza un máximo de luminosidad. Entonces, las observaciones de supernovas en otras galaxias permiten determinar a qué distancia están dichas galaxias. Como la luz de esas galaxias tarda en llegar a la Tierra, la distancia está relacionada con una edad determinada del Universo. La velocidad a la que se expandía el Universo en diferentes momentos puede obtenerse a partir del efecto Doppler observando la luz emitida por diferentes galaxias o estrellas.

234

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 234

1/14/13 11:21 AM


Una vez conocida la velocidad y la distancia se aplica la ley de Hubble, que establece una proporción directa entre la distancia a una galaxia y la velocidad a la que esta se aleja del observador. Los ganadores del Premio Nobel notaron un cambio en la tasa de expansión, es decir, que el Universo se aceleraba. Aunque hay otras hipótesis incluso más probables, una posible explicación consiste en suponer que debe haber una energía causante de esta aceleración a la que, como no se ha medido, se le llamó energía oscura. Según esta hipótesis, aproximadamente 70% de toda la energía del Universo debería ser energía oscura. Actualmente, también se discute un modelo llamado el Universo inflacionario, el cual se refiere a una época temprana del Universo en la que este se expandió por un brevísimo periodo, de forma muy acelerada. Como ya se explicó, al alcanzarse la temperatura requerida se produjo la separación entre las fuerzas. Esta transición hizo que el Universo se llenara con un tipo de energía, llamada energía de vacío, que provocó que el Universo se expandiera con una gran rapidez por un periodo muy corto. Cuando se completó la transición, se presentó un proceso de “recalentamiento”, en el que apareció la “sopa” de partículas. A partir de ella, la evolución del Universo se llevó a cabo de acuerdo con lo que ya hemos expuesto. En este modelo nuevamente vemos la conexión entre la cosmología y la física de las partículas elementales, y como consecuencia de dicha conexión, sin duda en el siglo xxi se verán nuevos avances en la comprensión del Universo.

Para saber más Para saber acerca del gran colisionador de partículas del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), con sede en Ginebra, en donde están tratando de entender lo que sucedió en la gran explosión (Big Bang), lee el siguiente artículo. http://www.comoves. unam.mx/archivo/ fi sica/114_hadrones. html

Integramos El Universo es todo y sus escalas de tiempo y de distancia son tan grandes que es muy difícil manejarlas. Sin embargo, a pesar de esta enorme vastedad, el ser humano ha logrado penetrar en sus misterios y encontrar algunas respuestas. En gran medida, el éxito se debe a que las leyes de la física que se cumplen en la Tierra se cumplen, hasta donde se ha podido comprobar, en todo el Universo. El efecto Doppler, que permite saber mediante el sonido si una ambulancia llega o se va, como en el ejemplo del principio, es el mismo que aplicado a la luz prueba que el Universo está en expansión. Es importante resaltar que aunque la luz se mueve a una gran velocidad, requiere cierto tiempo para llegar a su destino. Así, cuando se estudia la luz que llega a la Tierra, se estudia el pasado del cuerpo cósmico que la emitió. A pesar de los grandes avances —como es el modelo de la gran explosión, para entender algunos aspectos del origen y la evolución del Universo—, quedan muchas preguntas por responder: ¿Por qué es una expansión acelerada? ¿De dónde viene la energía oscura? ¿Cómo podríamos detectarla? ¿Qué ha pasado con las partículas elementales, que no detectamos hoy, creadas durante “la gran explosión”? Las respuestas a estas preguntas son parte de investigaciones de frontera en la ciencia, y hay que estar atentos a las noticias científicas porque habrá sorpresas al respecto en los próximos años.

Investigación de frontera. Es aquella que tiene como objetivo que el ser humano aprenda y avance traspasando límites del conocimiento y superando los puntos de vista actuales en beneficio de todos.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Para que tengas una idea más clara de lo que representa la equivalencia temporal del calendario cósmico, haz la siguiente analogía. Imagina que tu nacimiento corresponde al inicio del tiempo (cero segundos) y que el momento actual corresponde a 60 segundos. Ubica en esa línea de tiempo tres situaciones de tu vida (por ejemplo, cuando empezaste a ir a la escuela) y di a cuántos segundos corresponde cada una de estas situaciones. Dibuja en tu cuaderno el esquema correspondiente.

235

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 235

1/14/13 11:21 AM


BLOQUE

5

Lección 2

El Universo Características de los cuerpos cósmicos: dimensiones, tipos; radiación electromagnética que emiten, evolución de las estrellas; componentes de las galaxias, entre otras. La Vía Láctea y el Sol

APRENDIZAJE ESPERADO. Describe algunos cuerpos que conforman al Universo: planetas, estrellas, galaxias y hoyos negros e identifi ca evidencias que emplea la ciencia para determinar algunas de sus características.

Comenzamos a)

Figura 5.7 La constelación Orión (a) y los trazos imaginarios que se hacen para visualizarla (b).

b)

Pepe y Miguel acampan en la playa y aprovechan para observar el cielo nocturno. Están lejos de un poblado, así que no hay contaminación luminosa que estorbe la observación. Además, hay Luna menguante y pueden observar un suave brillo que recuerda a la leche, el cual le da su nombre a la Vía Láctea. Ambos buscan patrones de estrellas y reconocen la constelación Orión, el Cazador (figura 5.7). Comentan que esa constelación la han visto muchas veces, desde que eran niños, y que siempre tiene la misma forma.

1. Responde en tu cuaderno. » A la constelación Orión le llamaron así los antiguos griegos en honor de uno de sus héroes. ¿Ves ahora el mismo patrón? » Si pudieras observar un cielo estrellado en el hemisferio sur, ¿verías lo mismo que en México (en el hemisferio norte)? ¿Por qué? 2. Haz una lista de los cuerpos cósmicos que has observado además de las estrellas.

Aprendemos

Figura 5.8 Una de las constelaciones más famosas es la Osa Mayor, que puedes ver todo el año si miras al norte.

Una constelación es una agrupación de estrellas que diversos grupos humanos han unido de manera arbitraria mediante trazos imaginarios que evocan alguna figura, creando siluetas en la esfera celeste. Incluso diferentes civilizaciones han agrupado las estrellas de manera distinta. El cielo que se ve hoy en las noches es prácticamente el mismo que veían nuestros antepasados. Además de Orión y la Osa Mayor, las constelaciones más conocidas son las doce que forman el Zodiaco, cada una de las cuales queda sobre nuestra cabeza al principio de cada mes (figura 5.8). Técnicamente, las estrellas de una constelación cualquiera se nombran con las letras del alfabeto griego: alfa, beta, gamma, etc., yendo de la más brillante a la que menos brilla. La estrella alfa de Orión se llama Betelgeuse.

Desarrolla tu pensamiento científico Para leer acerca de la Osa Mayor entra a http://redescolar.ilce. edu.mx/educontinua/ conciencia/fi sica/ astronomia/mitologia/ osamayor.htm

1. Observa la imagen de la constelación Orión (figura 5.7). Analiza los trazos para ver la figura de este héroe de la mitología griega y haz lo que se pide. » Localiza la estrella alfa. » Traza una figura diferente a la de Orión, pero con las mismas estrellas. La forma de las constelaciones depende de la imaginación de quien las ve. Los chinos y los mesoamericanos dibujaron constelaciones muy diferentes de las dibujadas por los griegos.

236

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 236

1/14/13 11:21 AM


Los cuerpos cósmicos que se observan con mayor facilidad desde la Tierra son el Sol (figura 5.9) y la Luna. También pueden verse los planetas Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno, pero es difícil distinguirlos de las estrellas. A veces, Venus y Marte son más brillantes que las estrellas que los rodean. El Sol es, por lo tanto, nuestra estrella más cercana y también más querida, pues su presencia permite que haya vida en el planeta Tierra, además, es una gran fuente de energía renovable. El Sol es una enorme esfera de gas incandescente con un diámetro aproximado de 100 veces el de la Tierra, y su masa es de 330 000 veces la masa de dicho planeta (esta última es de aproximadamente 6 × 1024 kg). Es un plasma que genera un campo magnético. El Sol es una estrella bastante común, de las que abundan en el Universo. Su temperatura en la capa externa, conocida como fotosfera, es de alrededor de 5 600 °C, pero dentro de su núcleo es de 15 millones de grados Celsius, lo cual le permite formar helio a partir de hidrógeno y convertir una porción de materia en energía. El Sol también tiene trazas de otros elementos, principalmente de carbono, nitrógeno y oxígeno. Además de la radiación electromagnética que recibimos del Sol, este continuamente emite partículas a las que se les denomina viento solar, este contiene sobre todo electrones, protones y núcleos de helio. Como ya se mencionó, el campo magnético terrestre nos protege de dicho viento. Desde su formación hace 4 600 millones de años, la Tierra ha estado girando alrededor del Sol y lo seguirá haciendo por lo menos otro tanto. En unos cinco mil millones de años, el hidrógeno en el núcleo del Sol ya no será suficiente para formar helio y el Sol se transformará en un gigante rojo. Será tan grande que la órbita de la Tierra estará dentro de su atmósfera. Unos miles de años después expulsará su atmósfera al espacio dejando únicamente el núcleo, que se verá como una estrella blanca enana, la cual terminará convertida en una estrella negra enana, un cuerpo denso y sin luz. Sin embargo, para la humanidad la energía solar es renovable, puesto que la vida del Sol transcurre en un rango de tiempo tan grande que comparado con los tiempos humanos puede considerarse eterno. Se sabe que las estrellas nacen en las nubes interestelares que están llenas de gases y polvo. En algunas regiones de estas nubes, la materia puede acumularse (por ejemplo, por la fuerza de gravedad empujada por una explosión de una supernova cercana) y entonces la región comienza a colapsarse. En este proceso se forma un disco y en el centro de este, un objeto (protoestrella) que se convertirá en estrella cuando la temperatura en su núcleo permita el inicio de las reacciones nucleares. Las estrellas son reactores nucleares donde la materia se convierte en energía en el proceso llamado fusión nuclear, en el que elementos más livianos se unen para formar elementos más masivos. Las estrellas nacen, evolucionan y finalmente, cuando se les acaba el combustible, mueren. La vida de una estrella depende de su masa. Hay estrellas cuya masa va desde 0.5 hasta 100 masas solares. Las estrellas más masivas agotan de forma más rápida su hidrógeno y viven menos que las de masa baja. Las estrellas de mayor tamaño, de unas diez veces la masa del Sol, cuando mueren terminan en una gran explosión que se llama supernova. Durante estas explosiones se forman elementos químicos más pesados que se integran al polvo estelar. Estas explosiones pueden ser tan brillantes que se observan a simple vista, como una que reportó Kepler en 1604 (figura 5.10).

Figura 5.9 Aunque el Sol te acompaña cada día, no lo debes observar directamente porque puede dañar tus ojos. Plasma. Estado de la materia en el que un gas se encuentra ionizado, es decir, los electrones están separados de sus núcleos atómicos. Debido a ello, los plasmas tienen una conductividad eléctrica apreciable. Masa solar. Unidad de medida utilizada en astronomía para medir comparativamente la masa de las estrellas y galaxias. Es igual a la masa del Sol y equivale a 332 950 veces la masa de la Tierra.

Figura 5.10 Johannes Kepler fue un astrónomo, matemático y físico alemán que nació en 1571 y murió en 1630.

237

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 237

1/14/13 11:21 AM


Figura 5.11 Representación del espacio deformado por un agujero negro.

No hay que olvidar que cuando se observa la señal de una supernova, ya ha pasado un tiempo desde que sucedió. Por ejemplo, en 1987, astrónomos en diferentes observatorios detectaron una de estas explosiones que ocurrió en una galaxia llamada la Nube Mayor de Magallanes, que está a unos 160 000 años luz de distancia. Esto quiere decir que la explosión ocurrió cuando la humanidad estaba en la Edad de Piedra. Ya has visto que la fuerza fundamental en el Universo es la gravedad. Esta fuerza se siente por la presencia de la Tierra. Existe cierta velocidad de escape para vencer su atracción gravitatoria cuando se lanza, por ejemplo, un cohete al espacio. Sin embargo, hay objetos tan masivos que de ellos no se escapa nada, ni siquiera la luz. Esos objetos se llaman hoyos negros o agujeros negros. Estos consisten en una gran cantidad de masa atrapada en una pequeña región del espacio-tiempo envuelta en una región cerrada, como se muestra en la figura 5.11. Aunque hay diferentes mecanismos para que se forme un agujero negro, el más común es a través de una supernova cuyo núcleo colapsa hasta cierto radio. Esto sucede con estrellas muy masivas, de unas 20 veces la masa del Sol. Desde luego, no es posible ver directamente un agujero negro, pues de este no sale radiación. Tampoco refleja la luz, pues todo lo que llega a él lo atrapa. Su presencia se mide por su efecto. Por ejemplo, hay estrellas que se ha observado que giran alrededor de algo que no se ve, por lo que se asume que giran alrededor de un agujero negro. Los agujeros negros también se han estudiado teóricamente.

Aproximación al conocimiento científico La forma particular que tiene el espacio-tiempo en un agujero negro se puede simular de la siguiente manera. Reúnete con un compañero para que hagan un modelo.

Material: ¿Qué necesitamos? Una tela elástica, por ejemplo, una media; un bastidor circular, un bastidor rectangular, un balín pequeño, dos pelotas de esponja: una grande y una chica

Desarrollo: ¿Qué hacemos?

Figura 5.12

1. Coloquen la tela elástica en el bastidor circular. Ahora tomen del centro el material y jálenlo hacia abajo. Comparen la superficie que obtuvieron con la de la figura 5.9. 2. Tomen el balín, colóquenlo en la parte superior del material en el bastidor y denle un pequeño empujón de lado. Observen cómo gira hasta caer al vértice inferior (figura 5.12). 3. Monten el mismo tipo de tela en el bastidor rectangular. Pongan en el centro la pelota grande, simulando el Sol, y a cierta distancia, la pelota pequeña, simulando un planeta. Observen lo que le ocurre a la tela.

Análisis de resultados: ¿Qué concluimos?

» Describan el movimiento del balín en la tela. » Expliquen el efecto que causan las bolas en la tela.

Las estrellas pueden formar cúmulos en los que se llegan a agrupar de cientos a miles de estas, los cuales pueden disgregarse con los años. Además, las estrellas pueden tener planetas a su alrededor, como es el caso del Sol. 238

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 238

1/14/13 11:21 AM


Las galaxias son conglomerados de miles de millones de estrellas, gas y polvo. Nuestra galaxia contiene unas 200 000 millones de estrellas y tiene el gas más denso concentrado en un plano, que tiene brazos en forma de espiral. A este gran sistema se le denomina Vía Láctea y su presencia se distingue en la luz difusa y brillante que se ve de fondo en una noche oscura (figura 5.13). Como estamos inmersos en este disco, no podemos ver nuestra galaxia en perspectiva, pero podemos hacer un modelo de ella a partir de las observaciones astronómicas. Las galaxias se pueden clasificar por su forma. Existen las galaxias espirales, como la nuestra, las de apariencia elíptica y las irregulares. La galaxia espiral más cercana a la nuestra es Andrómeda, a dos millones de años luz de distancia (figura 5.14). También las galaxias se pueden agrupar en cúmulos. Con base en las propiedades del Sistema Solar y en las observaciones de otros sistemas planetarios en formación, se ha deducido que nuestro sistema se formó a partir de una nube que colapsó formando un disco compuesto de polvo y gases. En el centro de este disco se formó el Sol y del disco, los planetas. Actualmente, el Sol y su sistema giran alrededor del centro de la galaxia a una velocidad de 250 km/s y tardan en dar la vuelta 226 millones de años. La velocidad de la Tierra alrededor del Sol es de 30 km/s y tarda un año en recorrer su órbita. Los planetas no tienen suficiente masa para generar energía dentro de ellos, y los vemos solo porque reflejan la luz de su estrella. En el Sistema Solar, los planetas se dividen en interiores (Mercurio, Venus, Tierra y Marte) y exteriores (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) (figura 5.15). Los interiores son rocosos, con

los materiales más densos en el núcleo. Solo Mercurio no tiene una atmósfera, la de Marte es muy ligera y la de Venus es mucho más densa que la de la Tierra. Los planetas exteriores son de mayor tamaño, pero gaseosos, como el Sol. Salvo Mercurio y Venus, todos tienen algún satélite girando alrededor, como la Luna. Hay muchos otros cuerpos menores en el Sistema Solar, principalmente asteroides y cometas (figura 5.16). Los asteroides son cuerpos de por lo menos 1 000 km de diámetro, y hay una franja llena de asteroides girando alrededor del Sol entre los planetas interiores y los exteriores. Los cometas son cuerpos pequeños, de entre 1 y 10 km de diámetro compuestos de hielo y polvo. Sus órbitas son muy largas y solo de vez en cuando visitan el Sistema Solar. Cuando los cometas pasan cerca del Sol, este derrite parte de su hielo y se forma la llamada cola, que es una envolvente gaseosa. Además, el viento solar empuja estos gases y se forman espectaculares colas. Cuando un observador del cielo descubre un cometa suele ponerle su nombre.

Figura 5.13 Vía Lactea, nuestra galaxia.

Figura 5.14 Galaxia Andrómeda.

Figura 5.15 Modelo del Sistema Solar.

Figura 5.16 El cometa Halley es periódico y su órbita fue calculada por primera vez por el astrónomo Edmund Halley, en 1705. Este cometa orbita alrededor del Sol cada 75 años en promedio. Se observó por última vez en 1986, se calcula que volverá en 2061.

239

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 239

1/14/13 11:21 AM


Una pista Para reflexionar Hay dos procesos para obtener energía nuclear: la fisión y la fusión. En la fisión, un átomo pesado se convierte en dos más ligeros; y en la fusión, dos átomos ligeros (por ejemplo, de hidrógeno) se unen para formar uno más pesado (el helio). En ambos casos se genera una gran cantidad de energía.

Lo que se denomina estrellas fugaces son pedacitos de materia, fragmentos de cometas o de meteoritos, que se incendian por fricción al entrar en la atmósfera terrestre (figura 5.17). Todos los días caen toneladas de material interplanetario a la Tierra, pero la mayoría es polvo que se quema y evapora en la atmósfera. Otras veces son tan grandes que solo se quema parte de ellos y caen en la superficie provocando cráteres y dejando meteoritos como indicio. Cuando la Tierra cruza por una zona donde pasó un cometa, entonces partes de ese cometa entran a la atmósfera y ocurre una lluvia de estrellas. La materia de la que se ha hablado cubre tan solo cerca de 10% de la que debería existir, según los efectos gravitacionales que se han observado. Todos los cuerpos que se han descrito están formados por lo que podría llamarse materia visible, compuesta de electrones, protones y neutrones. Tal vez haya otras partículas, creadas durante la gran explosión, que no podemos ver. A esta materia se le llama materia oscura, la cual no emite radiación para ser medida con las técnicas actuales, pero cuya existencia se deduce a partir de los efectos que causa en la materia visible, como en el caso de los agujeros negros.

Integramos

Figura 5.17 Estrella fugaz.

El Universo contiene numerosos objetos, algunos de los cuales son apreciables a simple vista, como el Sol, la Luna o las estrellas. La humanidad, a lo largo de su historia, ha agrupado en constelaciones a las estrellas observables en el cielo nocturno. Esta organización es arbitraria, de manera que los chinos describieron figuras diferentes a las de los griegos o los mesoamericanos. Las estrellas se forman en nubes de polvo y gases, y cambian con el tiempo. La evolución de una estrella depende de su masa inicial. Las más masivas se transforman rápidamente y terminan explotando como supernovas. En algunos casos, mientras que las capas exteriores de una estrella explotan, el núcleo se contrae hasta formar un objeto compacto cuya fuerza de gravedad es tan grande que ni la luz escapa de él. A estos objetos se les llama agujeros negros. Las galaxias son enormes estructuras formadas por estrellas, gases y polvo. Las galaxias pueden clasificarse por su forma: espirales, irregulares o elípticas. Nuestra galaxia es una espiral. Nuestra estrella más cercana, el Sol, está rodeada por ocho planetas: los internos, que son rocosos, y los externos, que son gaseosos. En el Sistema Solar también existen cuerpos menores como los cometas y los asteroides. Las estrellas fugaces son pedazos de material del Sistema Solar que entran a la atmósfera terrestre. Si el cuerpo que cae es lo suficientemente grande, entonces parte de él chocará con la superficie terrestre generando un cráter.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma equipo con dos compañeros para investigar y responder en el cuaderno lo siguiente. » ¿Qué características debe tener un planeta para que haya vida en él? » Además de la Tierra, ¿algún otro planeta del Sistema Solar tiene estas características? ¿Cuál? » ¿Podría existir algún planeta con características similares al nuestro y que tuviera vida? ¿En qué parte del Universo?

240

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 240

1/14/13 11:22 AM


BLOQUE

5

Lección 3

El Universo Astronomía y sus procedimientos de investigación: observación, sistematización de datos, uso de evidencia

APRENDIZAJE ESPERADO. Reconoce características de la ciencia, a partir de los métodos de investigación empleados en el estudio del Universo y la búsqueda de mejores explicaciones.

Comenzamos El ojo derecho ve con una perspectiva ligeramente diferente al ojo izquierdo y eso permite medir la profundidad. 1. Realiza el siguiente experimento. » Párate frente a un librero que te servirá de referencia. Extiende un brazo y levanta un dedo. » Cierra el ojo izquierdo, ¿frente a qué libro se ve el dedo? Ahora abre el ojo izquierdo y cierra el derecho, ¿frente a qué libro se ve ahora el dedo? » Puedes trazar dos líneas que lleguen al dedo desde cada ojo y que formen entre ellas un ángulo. De hecho, se forma un triángulo cuya base es la distancia entre los ojos y cuyo vértice es el dedo. 2. Responde en tu cuaderno. » Si el dedo fuera un cuerpo celeste cuya distancia quieres medir y la separación entre dos posiciones de observación es el equivalente a la distancia entre los ojos, ¿cuál sería la mayor distancia posible entre dos observatorios en la Tierra? » ¿Se te ocurre alguna manera de hacer mediciones separadas por una distancia mayor sobre la Tierra? Recuerda que la Tierra gira alrededor del Sol en una órbita elíptica. » Si la distancia fuera demasiado grande para usar el método de paralaje, ¿cómo podrías medir distancias cósmicas?

Figura 5.18 Las culturas antiguas consideraban a los cuerpos celestes como dioses y trataban de explicar el origen del Universo mediante leyendas relacionadas con ellos.

Aprendemos Todas las noches las estrellas brillan en el cielo y desde los comienzos de la humanidad la gente hacía muchas preguntas: ¿Qué son esas cosas que brillan? ¿De dónde vienen? ¿De qué tamaño son? ¿A qué distancia están? Cada mañana sale el Sol y en la noche desaparece, luego sale la Luna. ¿Cuál es el papel de la Tierra en todo esto? Las primeras respuestas a esas preguntas consistieron en leyendas y mitos. En sus orígenes, todos los pueblos tuvieron una visión cosmogónica de su presencia en el Universo (figura 5.18). Sin embargo, muy pronto en la historia de las civilizaciones, la observación del cielo le permitió al ser humano reconocer patrones repetidos y a partir de ellos predecir cuándo, por ejemplo, la Luna sería llena o menguante. Por un lado, este conocimiento llevó a diseñar calendarios que ayudaban a planear la siembra y la recolección agrícola, por otro, surgieron creencias acerca de que los astros tenían influencia sobre el destino de los seres humanos. Algunas de ellas se mantienen en la actualidad, un ejemplo de esto es la astrología (figura 5.19).

Paralaje. Diferencia entre las posiciones aparentes que en la bóveda celeste tiene un astro, según el punto desde donde es observado.

Figura 5.19 Los astrólogos antiguos diseñaron el disco del Zodiaco, que está basado en la división en doce partes iguales de la banda celeste sobre la cual trazan sus trayectorias el Sol, la Luna y los planetas, avanzando un sector por cada mes del año.

241

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 241

1/14/13 11:22 AM


A medida que se empezaron a buscar explicaciones naturales en lugar de sobrenaturales fue surgiendo la astronomía, como la ciencia que estudia todos los cuerpos del Universo, sus propiedades y movimientos. A partir del siglo xVii —y ciertamente hoy en día— es muy clara la diferencia entre lo que se denomina astrología y la ciencia llamada astronomía. Un ejemplo del conocimiento astronómico que cambió la percepción del ser humano acerca del Universo consiste en la medición de las distancias. Uno de los fenómenos que se utiliza para medir distancia es la paralaje (nota que es un sustantivo femenino), que es el ángulo que se forma haciendo observaciones desde lugares distintos (figura 5.20). Existen aparatos, como el astrolabio, que sirven para medir ese ángulo (figura 5.21). Como conoces la distancia entre los lugares de observación —en el ejemplo, la distancia entre los ojos—, puedes calcular la distancia al objeto —en el ejemplo, el dedo—. El método de paralaje se utiliza para medir la distancia a cuerpos cósmicos cercanos. Cuanto mayor sea la distancia entre las observaciones más lejos se distingue la paralaje. Sin embargo, hay una distancia a la que ya no se distingue ningún cambio y el método deja de servir. Figura 5.20 Esquema que muestra el método de la paralaje trigonométrica para medir la distancia de la Tierra a una estrella.

Figura 5.21 Astrolabio antiguo.

Astrolabio. Antiguo instrumento en el que estaba representada la esfera celeste y se usaba para observar y determinar la posición y el movimiento de los astros. Figura 5.22 Las aportaciones de Henrietta Leavitt se emplean en la actualidad para calcular la distancia en el cosmos.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. En una habitación oscura prende una vela en una esquina y trata de leer un libro mientras vas alejándote de ella. Contesta. » ¿Qué sucede con la intensidad luminosa de la vela a medida que te alejas? » ¿Qué sucede si ahora colocas dos velas iguales? ¿Cómo cambia la luminosidad? » Analiza qué sucede alrededor de la vela cuando te alejas en cualquier dirección, si al inicio la vela está colocada en el centro de la habitación.

Hay una ley que relaciona la intensidad luminosa de un objeto con la distancia a la que se encuentra respecto al observador. Sin necesidad de entrar en detalles, basta decir que es una ley como la de gravitación universal y la de Coulomb, es decir, que la luminosidad disminuye con el cuadrado de la distancia, y esto sucede homogéneamente en todas direcciones. Así pues, si se conoce la intensidad luminosa de un objeto y se mide la luz que llega a la Tierra, es posible determinar la distancia a la que se encuentra dicho objeto. La primera persona que logró medir el tamaño del cosmos mediante este procedimiento fue la astrónoma Henrietta Leavitt (1868-1921), para lo cual tomó como referencia unas estrellas llamadas Cefeidas (figura 5.22). Los objetos de estudio de los astrónomos, en general, son enormes y están muy lejos; ellos deben esperar pacientemente, observando, a que lleguen las señales luminosas del espacio. Por eso, se han desarrollado equipos cada vez más sofisticados para que los astrónomos estudien el cosmos. Como ya se ha mencionado, Tycho Brahe hizo las mediciones más precisas de su época porque construyó astrolabios más grandes que los existentes, y Galileo perfeccionó el telescopio.

242

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 242

1/14/13 11:22 AM


Es importante mencionar que los telescopios modernos no solamente analizan la luz visible. Como ya se ha discutido, la radiación electromagnética cubre todo un rango de frecuencias más allá de lo que puedes ver. En particular, las ondas de radio son interesantes porque, en contraste con lo que le pasa a la luz visible, estas no son perceptibles a simple vista. Hay instrumentos, llamados radiotelescopios, que pueden captar las ondas de radio que se producen en algunos cuerpos cósmicos y transformarlas en imágenes, las cuales pueden analizarse. Otra característica de la astronomía es que implica la interpretación de una enorme cantidad de datos. Los observatorios producen miles de fotos que deben ser interpretadas y organizadas. En el pasado, ese análisis se hacía en forma manual —como lo llevó a cabo Leavitt en el observatorio de Harvard, en Estados Unidos de América—, pero afortunadamente hoy en día se cuenta con computadoras que pueden manejarlos y organizarlos. Las computadoras además juegan un papel fundamental en el desarrollo de la ciencia en general y en particular de la astronomía, pues permiten a los astrónomos modernos realizar simulaciones computacionales para resolver la complejidad matemática de los problemas teóricos a través de cálculos numéricos. Cuando se usan las herramientas de la física (como las leyes y los conceptos discutidos hasta ahora) para estudiar el Universo, se habla de astrofísica. No se puede dejar de resaltar la importancia de la fotografía en las investigaciones astronómicas. Galileo, por ejemplo, registró todas sus observaciones en dibujos y ese método continuó hasta que surgió la fotografía, lo cual permitió eliminar la subjetividad del observador (figura 5.23). Además, una placa fotográfica puede ser expuesta a la luz tenue mucho tiempo y así se logra obtener más información, imposible de percibir a simple vista. Actualmente, las fotografías son digitales, es decir, el proceso de almacenamiento es electrónico y quedan guardadas en la memoria de una computadora. Se ha insistido mucho en el Sistema Internacional de Unidades. Sin embargo, las cantidades involucradas en las medidas astronómicas harían poco práctico el uso de números tan grandes. Así, en esta disciplina se usan unidades muy diferentes. Por ejemplo, se define una unidad astronómica como la distancia media de la Tierra al Sol, que es de aproximadamente 150 000 000 m. Para las distancias cósmicas se usa el año luz, que es la distancia recorrida por la luz en un año y es igual a aproximadamente 9.5 × 1015 m. Otra unidad de distancia muy usada es el parsec (pc), que es la distancia marcada en la figura 5.24 cuando la paralaje mide 1” y es P aproximadamente igual a 3.1 × 1016m. En México ha habido y hay grandes astrónomos. El conocimiento astronómico es ancestral y 1" existen muchos lugares arqueológicos en toda Mesoamérica inspirados en el estudio de los astros, cuyas fachadas están orientadas para marcar alguna fecha. Los primeros habitantes del territorio que 1 pc hoy ocupa nuestro país notaron que los astros se mueven en el cielo de este a oeste e inmediatamente definieron los cuatro puntos cardinales. Los astrónomos de la antigüedad mesoamericana usaban los cerros como puntos de referencia de 1 de julio 1 U.A. los movimientos de los astros o incluso colocaban Sol piedras para este fin.

Figura 5.23 Dibujos de Galileo que corresponden a sus observaciones de los cúmulos de estrellas Orión y Pesebre, en el siglo xvii.

Para leer sobre la astronomía en Mesoamérica entra a http://bibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen1/ ciencia2/04/html/sec_5. html ¿Quieres conocer grandes observatorios mexicanos? Visita la página del Observatorio Astronómico Nacional de San Pedro Mártir en Baja California, operado por el Instituto de Astronomía de la unam. http://www.astrossp. unam.mx/indexspm. html

Figura 5.24 Esquema que muestra la equivalencia de un parsec.

1 de enero Tierra

eclíptica

243

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 243

1/14/13 11:22 AM


a)

b)

Figura 5.25 a) Pirámide del Castillo y b) Observatorio El Caracol, ambos en Chichén Itzá.

Un ejemplo particularmente hermoso, que todos los años reúne a gran cantidad de visitantes, es cómo se puede ver en la pirámide de El Castillo, en la ciudad maya de Chichén Itzá, cómo baja, mediante un juego de luz y sombra, la serpiente Kukulkán el día de los equinoccios, 21 de marzo y 22 de septiembre (figura 5.25). En el transcurso de esas fechas, poco antes de ponerse, el Sol va proyectando la sombra de los nueve cuerpos de la pirámide, como triángulos, sobre la balaustrada de la escalinata norte. Este evento culmina cuando el Sol, antes de tocar el horizonte, ilumina la cabeza de una serpiente labrada al pie de la escalinata. En esa misma ciudad maya se encuentra El Caracol, que era su observatorio y que hoy es el logotipo del Observatorio Astronómico Nacional. Una de las grandes muestras del desarrollo astronómico de Mesoamérica es sin duda el calendario. El calendario mexica está basado en los ciclos de 365 días de la Tierra alrededor del Sol (así es nuestro calendario), el de la Luna alrededor de la Tierra, y el movimiento de Venus probablemente se usaba para un calendario ceremonial de 260 días (figura 5.26). En 8 años terrestres, Venus da 5 revoluciones alrededor del Sol, y la Luna da 100 revoluciones alrededor de la Tierra. Esto significa que si registramos la posición en el cielo del Sol y de Venus en una fecha dada, después de 2 922 días ambos volverán a estar en la misma posición. Por otra parte, la Luna mostrará su misma fase que 2 922 días antes. El siguiente cuadro muestra esta relación entre los tres periodos.

Revoluciones

Duración en días de una revolución

Total en días

Tierra

8

365.25

2 922

Venus

5

584.4

2 922

Luna

100

29.22

2 922

Astro

Uno de los ciclos más importantes en este calendario era el de 52 años, otro ciclo relevante era cada 104 años, pues cumple la relación: 104 × 365 = 146 × 260 = 65 × 584.

Astro

Revoluciones en 52 años

Revoluciones en 104 años

Tierra

52

104

Venus

32.5

65

Luna

650

1 300

Figura 5.26 Calendario azteca.

Desarrolla tu pensamiento científico Una pista Para medir Se puede construir un telescopio con bajos recursos. Para conocer un ejemplo visita http:// www.cielosur.com/recursos.php

1. Lee las preguntas, reflexiona sobre ellas y contéstalas en tu cuaderno. » ¿Qué sucede con el Sol y la Luna cuando pasan 52 años? » ¿Qué sucede cada 104 años con el Sol, la Luna y el planeta Venus? » El calendario civil de los aztecas era el solar y constaba de 18 meses y cinco días, considerados de mala suerte, vacíos. ¿De cuántos días debía constar cada mes azteca?

Debido a la complejidad de las observaciones modernas y del análisis de las mismas, así como del alto costo que implican los instrumentos de medición, se ha establecido una red internacional de observatorios, donde los astrónomos apartan tiempos para llevar a cabo sus investigaciones.

244

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 244

1/14/13 11:22 AM


En México tenemos una larga tradición de observatorios. Actualmente, contamos con grandes telescopios en los tres observatorios principales. En primer lugar, está el Observatorio Astronómico Nacional de San Pedro Mártir, Baja California. Ahí se encuentran tres telescopios: uno de 2.12 m de diámetro en su óptica principal (figura 5.27), otro de 1.5 m, y uno más de 0.84 m. En Cananea, Sonora, está el Observatorio Astrofísico Nacional Guillermo Haro, operado por el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). Su telescopio es de 2.12 m de diámetro en su óptica principal. El INAOE también cuenta con el Observatorio Astrofísico Nacional Tonantzintla, Puebla, con un telescopio de 1m de diámetro en su óptica principal. Este instituto, además, opera el Gran Telescopio Milimétrico (GTM), localizado en el Cerro del Tliltépetl conocido como La Negra o Volcán Sierra Negra, ubicado al suroeste del Pico de Orizaba, en el estado de Puebla. Se han detectado lugares especialmente favorables para hacer observaciones, y que cubren los hemisferios norte y sur. Por ejemplo, existen el Observatorio de Teide, en las islas Canarias, en España; el Observatorio del Cerro Paranal, en el desierto de Atacama, en Chile; el Observatorio de Mauna Kea, en Hawai; y el Observatorio de Palomar, en California, Estados Unidos de América.

Figura 5.27 Observatorio Astronómico Nacional, San Pedro Mártir, localizado en la Sierra de San Pedro Mártir, en Ensenada, Baja California, México. En la imagen se observa el telescopio principal, de 2.12 m de diámetro

Integramos Ya se ha explicado el marco de estudio de la astronomía. Ahora te debe quedar claro cómo la astronomía se ha separado de la astrología en su búsqueda de explicaciones científicas. También debes saber que los grandes apoyos para el desarrollo de la astronomía son, en primer lugar, los equipos de observación, registro y medición; después, las computadoras que permiten el manejo de datos e instrumentos; y, finalmente, el conocimiento físico relativo al Universo, que hace posible construir modelos para explicar problemas tan fundamentales como el origen de este y su evolución.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Para estudiar la altitud de los astros sobre el horizonte, que se reporta como un ángulo medido desde la horizontal al suelo, construye una especie de astrolabio. » Consigue un transportador, un popote y una pesa. Pega el popote a la orilla plana del transportador y con la pesa haz una plomada sujeta al transportador por su centro (figura 5.28). » Coloca el transportador invertido y asómate por el popote hasta localizar el objeto cuya altitud medirás. Si haces esto, el hilo de la plomada marcará el ángulo de altitud (figura 5.29). Por ejemplo, puedes intentar hacerlo con la estrella polar y verás que el resultado es de aproximadamente 19°.

Si te interesa participar en algún grupo de aficionados a la astronomía, consulta en esta página direcciones de grupos pertenecientes a instituciones académicas o planetarios. http://www.inaoep. mx/~astrofi/astromex. html

Figura 5.29

Figura 5.28

245

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 245

1/14/13 11:22 AM


BLOQUE

5

Para saber más Los materiales se clasifi can por sus propiedades eléctricas en conductores, semiconductores y aislantes. Los semiconductores tienen propiedades intermedias entre los conductores —que conducen muy bien la electricidad— y los aislantes —que presentan una gran resistencia al paso de la corriente—.

Lección 4

El Universo Interacción de la tecnología y la ciencia en el conocimiento del Universo

APRENDIZAJE ESPERADO. Reconoce la relación de la tecnología y la ciencia, tanto en el estudio del Universo como en la búsqueda de nuevas tecnologías.

Comenzamos Lupita va con sus padres de paseo de la Ciudad de México a Cuernavaca. En la carretera nota que cada ciertos metros hay un teléfono de seguridad, por si alguien sufre un accidente o tiene una emergencia. Cada teléfono está unido a un poste que en su extremo superior tiene un equipo rectangular. Les pregunta a sus padres qué es ese dispositivo unido al teléfono y le explican que es un panel de celdas solares, el cual convierte la energía solar en electricidad. Cuando llegan a Cuernavaca le enseñan que también hay alumbrado público que usa energía solar captada a través de celdas solares. 1. Responde en tu cuaderno. » ¿Has visto instaladas en algún lugar celdas solares? Si es así, comenta dónde y para qué uso. » ¿Por qué un teléfono requiere electricidad? » ¿Cuál es la ventaja de usar un módulo de celdas solares en una carretera lejos de cualquier asentamiento humano?

Aprendemos Panel. Elemento prefabricado que se utiliza para hacer divisiones verticales en el interior o exterior de las viviendas y de otras construcciones.

Figura 5.30 Satélite de telecomunicaciones.

Un panel solar, llamado también panel fotovoltaico, contiene cierto número de módulos con celdas solares que convierten directamente la luz solar en electricidad. A este fenómeno se le llama efecto fotovoltaico. El desarrollo inicial de las celdas solares es una consecuencia de la exploración espacial. Si bien el efecto fotovoltaico se conoce desde 1883 cuando el físico francés Becquerel lo descubrió, no fue sino hasta el aprovechamiento de los materiales semiconductores en la década de 1950 que se empezaron a construir celdas solares utilizables. Su primera aplicación importante fue en los lanzamientos espaciales, ya que son el dispositivo ideal para tener energía eléctrica en el espacio, a partir de la energía solar. El primer satélite que usó celdas solares fue el Vanguard 1 en 1958. Los paneles solares están también presentes en todos los satélites geoestacionarios de comunicación. Estos paneles se unen a baterías para almacenar la energía y utilizarla cuando no están siendo alumbrados por el Sol. Hoy en día, no hay nave espacial, satélite o sonda que no cuente con celdas solares para transformar la radiación solar en energía eléctrica (figura 5.30). Observa cualquier foto o película de la conquista del espacio y encontrarás un panel de celdas solares. El efecto fotovoltaico se da en ciertos dispositivos que son uniones de materiales semiconductores. El material semiconductor más empleado es el silicio, que es un elemento muy abundante y con grandes cualidades para sus aplicaciones en electrónica. Cuando sobre una celda solar incide la luz —recuerda que esta se puede comportar como si estuviera formada por paquetes llamados fotones— sus fotones son absorbidos por los electrones de una de las capas de la unión. Los electrones liberados dejan un hueco en el lugar del átomo en que estaban ubicados. Estos electrones y huecos producen en la unión un voltaje llamado fotovoltaico.

246

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 246

1/14/13 11:22 AM


Así, al conectar la celda solar a un circuito, gracias a este voltaje, fluye una corriente (figura 5.31). El término fotovoltaico proviene de las palabras fotón y voltaje, esta última, a su vez, surgió en honor del físico italiano Alejandro Volta (1745 -1827). Las celdas se acomodan primero en módulos y luego en paneles. Un módulo fotovoltaico suele tener entre 32 y 36 celdas (figura 5.32). Las interconexiones de las celdas solares pueden ser en serie o en paralelo, según se requiera incrementar el voltaje o la corriente. Un panel fotovoltaico es un grupo de módulos interconectados de acuerdo con lo que se desee. Para entender a fondo el efecto fotovoltaico es necesario recordar la mecánica cuántica. Ya se dijo que toda la tecnología de la época actual está basada en el conocimiento cuántico de la materia. Las celdas solares son uno de los ejemplos del poder de la mecánica cuántica y de la comprensión atómica de la materia. El mismo tipo de dispositivo que se usa para las celdas solares, que consiste en una unión de materiales semiconductores, se utiliza para construir transistores y, a partir de ellos, los circuitos integrados que son la base de la electrónica. Todos los equipos modernos, las computadoras, los teléfonos celulares, los reproductores de sonido se basan en la electrónica. Sobra decir que todos los satélites y naves espaciales se construyen con aditamentos electrónicos. Este es un muy buen ejemplo de la relación entre la ciencia, su aplicación a la tecnología y su uso para explorar el Universo (figura 5.33). Con la mecánica cuántica se entiende cómo hacer celdas solares, mediante las celdas solares se puede alimentar de energía sondas espaciales, por ejemplo, Juno, que se dirige a Júpiter y llegará en 2016 después de recorrer 2 800 millones de kilómetros. Cuando Juno llegue a ese lejano planeta, enviará la información que obtenga y se sabrá más sobre la formación del Sistema Solar.

Figura 5.31 Esquema que muestra cómo funciona una celda solar.

Figura 5.32 Panel solar formado por ocho módulos.

Figura 5.33 Estación espacial Mir.

Para saber más

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Ya se ha visto la importancia de las celdas solares en la exploración espacial. Sin embargo, su uso se ha vuelto también fundamental en aplicaciones terrestres y cada vez lo es más en aplicaciones cotidianas. Para cada uno de los siguientes ejemplos, investiga dónde se pondría el panel de celdas solares y para qué serviría. » Un coche eléctrico » Un bote eléctrico » Una cocina eléctrica

La televisión por satélite es un método de transmisión que consiste en retransmitir desde un satélite una señal de televisión emitida desde algún lugar del planeta, lo que permite mandar la señal a lugares muy distantes, sin importar si hay montañas entre ellos.

247

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 247

1/14/13 11:22 AM


Figura 5.34 Los detectores de humo son dispositivos de seguridad que detectan la presencia de humo en el aire y emiten una señal sonora que alerta del riesgo de fuego.

Figura 5.35 El código de barras contiene información que se procesa y almacena con base en un sistema digital binario. La información es leída por un escáner láser.

Figura 5.36 Los discos compactos están hechos de policarbonato y son un soporte digital óptico que se emplea para almacenar información de audio, imágenes, documentos y otros datos.

Cotidianamente, usas muchos utensilios cuya invención ni siquiera te habrás percatado de que tiene su origen en tecnología empleada en la exploración espacial. No todos los objetos de la siguiente lista fueron creados para ese gran proyecto, pero mucho de lo que ya se conocía se perfeccionó y adquirió nuevas posibilidades como consecuencia de este. Por ejemplo: m Todos los dispositivos inalámbricos que usas se diseñaron a partir de un taladro inalámbrico empleado en la misión Apolo para romper rocas en la Luna. m El teflón que se utiliza para proteger las naves espaciales es el mismo material que cubre las sartenes antiadherentes. m Se desarrollaron sensores de radiación infrarroja y detectores de humo (figura 5.34). El láser, tan utilizado hoy en diversas aplicaciones médicas, se aprovechó para medir distancias. m El código de barras que se usa ahora en todos los productos comerciales fue diseñado por la NASA para organizar las miles de piezas involucradas en un viaje al espacio (figura 5.35). m También se inventaron los termómetros digitales sin mercurio, los monitores cardiacos y técnicas de desinfección —que están hoy en todos los hospitales— para vigilar la salud de los astronautas. m En materia de salud, además, se fabricaron los tubos de pasta dentífrica que se conocen hoy en día y los lentes de contacto. m En lo que respecta a los alimentos, se desarrollaron técnicas para almacenarlos y preservarlos, así como el uso del microondas para calentarlos. m También se diseñaron pañales desechables para los astronautas, con gelatina absorbente que permite un control térmico en trajes espaciales cuyas telas utilizan hoy los pilotos de Fórmula 1 y los bomberos. m Los zapatos deportivos con aire, tan populares entre los jóvenes porque dan estabilidad y flexibilidad, fueron originalmente diseñados para los astronautas. m El policarbonato, material flexible y resistente del que se hacen los discos compactos, se sintetizó para los cascos de los astronautas (figura 5.36). m Los satélites artificiales ahora son utilizados también para pronosticar huracanes y el estado del tiempo. Has visto cómo un gran proyecto científico-tecnológico de la humanidad, la exploración del espacio, ha traído como consecuencia muchos avances no solo en el conocimiento básico de la naturaleza, sino en la posibilidad de comunicarse mejor, cuidar la salud y prevenir desastres. Una de las áreas más desarrolladas del estudio del Universo es la óptica geométrica. El trabajo del vidrio se remonta a la antigüedad. La calidad de las lentes fue perfeccionándose y el uso de los anteojos y la lupa comenzó a finales del siglo xiii en Venecia.

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Forma equipo con un compañero para simular lo que pasa en un telescopio refractor. Consigan dos lupas, coloquen una delante de la otra y observen a través de ellas un objeto distante. Describan lo que observan. » Observen con una sola lupa y noten si el objeto se ve borroso. » Utilicen la segunda lupa. Al acercarla y alejarla del ojo para enfocar la imagen, ¿ven la imagen derecha o invertida?, ¿la ven más o menos brillante?

248

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 248

1/14/13 11:22 AM


Integramos El avance de la ciencia y la tecnología que se dio en el siglo xx, y que continúa en el siglo xxi, es muy impresionante. Está basado en los avances de la física de lo muy pequeño (la nanofísica), la física cuántica y la física relativista desarrollada por Albert Einstein. A pesar de sus grandes avances, quedan muchas preguntas por responder y ya existen nuevas teorías que intentan unificar el conocimiento de lo muy pequeño (las partículas elementales) con el de lo muy grande y lejano (el Universo como un todo) (figura 5.37). Quienes hoy son jóvenes seguramente conocerán las revoluciones científicas por venir. Los grandes proyectos, como la exploración espacial, son detonadores de estos avances que terminan influyendo en la vida cotidiana, como en el ejemplo que sorprendió a Lupita al recorrer una carretera. Se ha visto que, además de las celdas solares, hay una gran lista de tecnologías espaciales que se han vuelto cotidianas. Es importante entender la diferencia entre una limitación tecnológica que en principio podría resolverse y una limitación que impone la naturaleza. Se puede construir una celda solar más eficiente, pero hasta cierto límite, pues depende de cada material. Recuerda que en toda transformación energética siempre habrá pérdida de energía, por lo que no hay un proceso 100% eficiente. Si bien toda actividad humana suele tener componentes nacionalistas y la carrera espacial no fue una excepción, al cabo del tiempo los avances que se han logrado son un éxito de la humanidad. El sueño de salir de nuestro planeta se ha logrado y cuando la Tierra se ve como un punto azul desde el espacio todas nuestras rivalidades cotidianas dejan de tener sentido (figura 5.38).

Desarrolla tu pensamiento científico 1. Reúnete con un compañero para investigar algunos hechos importantes en la historia de la exploración espacial. Responde en tu cuaderno. » ¿Cuál fue el primer satélite puesto en órbita? ¿Cuál es la diferencia entre un cosmonauta y un astronauta? » ¿Qué es una sonda espacial? Busquen algunos ejemplos. » ¿Qué es un transbordador espacial? » ¿Qué es una estación espacial? Busquen algunos ejemplos de naciones que las han usado.

“Como un pálido punto azul”, así es como Carl Sagan describió nuestro planeta cuando observó una fotografía tomada por la sonda Voyager a 6 000 km de la Tierra. Observa en el siguiente video el mensaje que emitió al respecto. http://www. youtube.com/ watch?v=dQV4bUFaZoY

Figura 5.37 El Universo es inconmensurable. El ser humano apenas conoce una ínfima porción de él. Figura 5.38 Vista de la Tierra desde la superficie lunar.

Para saber más “Aquí Marte, aterrizamos sin novedad” fue el primer mensaje de la nave no tripulada Pathfinder, que llegó el 4 de julio de 1997 a la superficie marciana. Visita la siguiente página y observa las rocas de Marte y las celdas solares de la nave. http://www. windows2universe. org/mars/exploring/ MPF_overview. html&lang=sp

249

S-Fis-CNT-B5-228-249_PDF_alta_alumno 249

1/14/13 11:22 AM


Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones). Integración y aplicación BLOQUE

Fase 1

5

inicio

Proyecto 1. La tecnología y la ciencia en los estilos de vida actual aprendizajes esperados. Aplica e integra conceptos, habilidades, actitudes y valores mediante el diseño y la realización de experimentos, investigaciones, objetos técnicos (dispositivos) y modelos con el fin de describir y predecir fenómenos y procesos del entorno. Desarrolla de manera más autónoma su proyecto, mostrando responsabilidad, solidaridad y equidad en el trabajo colaborativo; asimismo, reconoce aciertos y dificultades en relación con los conocimientos aprendidos, las formas de trabajo realizadas y su participación en el proyecto. Plantea preguntas o hipótesis que generen respuestas posibles, soluciones u objetos técnicos con imaginación y creatividad; asimismo, elabora argumentos y conclusiones a partir de evidencias e información obtenidas en la investigación. Sistematiza la información y los resultados de su proyecto, comunicándolos al grupo o a la comunidad, utilizando diversos medios: orales, textos, modelos, gráficos y tecnologías de la información y la comunicación. Argumenta los beneficios y perjuicios de las aportaciones de la ciencia y la tecnología en los estilos actuales de vida, en la salud y el ambiente.

Propuestas de actividades para la fase 1 1. Reúnete con tu equipo para leer y comentar los siguientes textos.

¿La tecnología puede proporcionarnos salud? (Respuesta a una inquietud de una lectora, alumna de secundaria) Alejandro Alagón Los seres vivos, las personas y las sociedades estamos en constante cambio. Las utopías solo se dan en situaciones estables, lo que es imposible que ocurra. Siempre hay un “algo” (o muchos) que desequilibra una situación que pareciera ideal. Puedes controlar e inclusive erradicar una enfermedad o estado negativo, y estás creando las condiciones para que una horda de enfermedades poco prevalentes se disparen y hasta aparezcan algunas nuevas. […] Cuando apareció la penicilina se empezó a utilizar para combatir infecciones. La humanidad tuvo la ilusión, por un breve tiempo, de que las infecciones por bacterias pasarían a ser parte de la historia. Y, ¿qué fue lo que pasó? Pues pronto empezaron a aparecer bacterias resistentes al antibiótico… y comenzó una carrera que aún perdura: nuevos antibióticos = nuevas cepas resistentes. […] Se habla mucho de los avances de la medicina moderna y su impacto benéfico en nuestras vidas. Sin embargo, el que hoy podamos esperar una vida razonablemente larga se debe a las condiciones sanitarias (acceso a agua potable y drenaje, remoción de basura, adecuado aseo personal y mejoras en vivienda), a que podemos comer de manera suficiente y, en menor grado, a las vacunas […] a los antibióticos para infecciones fáciles y a las intervenciones quirúrgicas de rutina […] […] no pienses que la tecnología lo puede todo […] los humanos somos mucho más que simples conjuntos complicados de genes, moléculas y células. Tenemos necesidades que trascienden lo que la tecnología nos puede ofrecer. Fragmento tomado de http://www.acmor.org.mx/descargas/10_ene_11_salud.pdf con la autorización de la Academia de Ciencias de Morelos y la Unión de Morelos (Consultado el 29 de enero de 2012)

250

S-Fis-CNT-B5-250-255_PDF_alta_alumno 250

12/21/12 12:03 PM


Física y medicina Hay dos líneas de investigación fundamentales que unen a la física con la medicina. Por un lado, el hecho de que el cuerpo humano funciona según las leyes de la naturaleza, y por otro, que ha habido grandes descubrimientos en la física que se han aplicado a la medicina. Además, la especialidad Física médica, que incluye todas las aplicaciones de la física a la medicina con relación al uso de principios y técnicas de la física en cualquier aspecto de la prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades humanas, y la investigación médica para la promoción y conservación de la salud del ser humano. Con respecto a la física en el funcionamiento del cuerpo humano, todos los movimientos del sistema muscular y esquelético siguen las leyes del movimiento. Para entender el sistema cardiovascular y el respiratorio hay que referirse a la física de los fluidos, tanto líquidos como gases. El sistema nervioso funciona con estímulos eléctricos; en tanto, el sistema auditivo capta el sonido, y el sistema visual es un dispositivo óptico muy elaborado. Además, somos como una máquina que trabaja y transforma energía. La lista de descubrimientos que han cambiado la instrumentación en medicina es enorme: el microscopio, el estetoscopio, el termómetro, el electrocardiograma, el electroencefalograma, los rayos X, la radiactividad, los detectores de radiación, el televisor, la computadora, la bomba de cobalto, el láser, el acelerador lineal, el ciclotrón, el sincrotrón, la tomografía computarizada, el ultrasonido, la resonancia magnética nuclear, el PET (tomografía de emisión de positrones), entre otros (figuras 5.39 y 5.40). Además, la difracción de rayos X fue fundamental para descifrar la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN). No hay duda de los grandes beneficios de estos equipos, que han permitido investigar, diagnosticar, curar y prevenir enfermedades.

Figura 5.39 El estetoscopio es un aparato acústico que amplifica las ondas sonoras. Es usado para auscultar, principalmente, los ruidos cardiacos o respiratorios, aunque también sirve para detectar ruidos intestinales o flujos anómalos en arterias y venas. Lo inventó el médico francés Laënnec en 1819.

Fuente: este texto fue escrito especialmente para este libro por sus autores.

2. Cada integrante del equipo debe contar una historia de un ejemplo de ciencia en medicina, que él mismo haya experimentado. 3. Con base en la siguiente pregunta, definan el problema que desean resolver en el proyecto. » ¿Cuáles son las aportaciones de la ciencia en el cuidado y conservación de la salud? 4. Elijan un tema que sea de su interés y que se relacione con cualquiera de los equipos de medición usados en la medicina; por ejemplo, qué fenómeno físico se involucra en un equipo de resonancia magnética nuclear. Informen al profesor sobre el tema que seleccionaron para que los asesore durante su desarrollo. 5. Decidan en qué proyecto trabajarán; respondan lo siguiente. » ¿Qué pregunta deseamos contestar? » ¿Qué necesitamos investigar? » ¿Cómo distribuiremos el trabajo?

Figura 5.40 La resonancia magnética nuclear (MNR) es una técnica no invasiva que permite obtener imágenes de gran precisión de diferentes partes del cuerpo, como el cerebro y el sistema nervioso central.

Lee acerca de la física en la medicina en http://bibliotecadigital. ilce.edu.mx/sites/ ciencia/volumen1/ ciencia2/37/htm/fi s.htm

251

S-Fis-CNT-B5-250-255_PDF_alta_alumno 251

12/21/12 12:03 PM


Proyecto

Fase 2

BLOQUE 5

planeación

FASE 2: PLANEACIÓN Planear un proyecto estudiantil es fundamental para alcanzar las metas propuestas. En primer lugar, se debe definir qué pregunta se resolverá y la manera en que se contestará. Durante esta fase, es preciso repartir el trabajo entre los miembros del equipo, y definir el tiempo destinado a las actividades. Elaboren un cuadro, como el de abajo, mismo que deben adecuar a la cuestión seleccionada. Fíjense en el ejemplo. El equipo analizó la pregunta elegida y, después de reconocer lo que sabían del tema, plantearon un propósito, es decir, un problema que pudieran resolver. En este caso, el equipo optó por esta pregunta: ¿Qué mide un electrocardiograma? Después definieron, de manera general, qué esperaban indagar, para qué, y cómo lograrlo. Para ello, propusieron una serie de actividades que organizaron en el cuadro 5.1.

Problemática identificada Entender qué mide un electrocardiograma

Cuadro 5.1 Planeación del proyecto Contenidos del Posible Propósito bloque que se solución pueden utilizar Consultar con expertos, y buscar en Internet o en libros, información acerca de las señales eléctricas del cuerpo humano

¿Qué haremos?

Analizar un caso en el que la física ha servido para el cuidado de la salud

Movimiento ondulatorio, movimientos periódicos, bomba de fluidos, carga eléctrica, corriente eléctrica

¿Dónde investigamos?

Buscar información en textos; entrevistar a un experto

Internet, textos, clínica u hospital

Recursos necesarios Computadora e Internet, libros especializados

¿Cuánto tardaremos? Una semana

Propuestas de actividades para la fase 2 1. Además de la búsqueda bibliográfica acerca del electrocardiograma, el equipo aludido invitó a un médico para que hablara con el grupo y contestara preguntas. 2. Si optan por el mismo tema, se les sugiere visitar una clínica o un hospital donde les permitan ver un electrocardiógrafo, y entrevistar a un experto. 3. Procuren responder lo siguiente: » ¿Hemos organizado bien la planeación? » ¿El equipo está bien estructurado? » ¿Cómo sistematizaremos los resultados? » ¿Cómo comunicaremos las conclusiones al resto de la clase?

252

S-Fis-CNT-B5-250-255_PDF_alta_alumno 252

12/21/12 12:03 PM


DeSaRRollo

Fase 3

En este momento, ya saben cómo llevar a cabo una investigación, por ello, aunque reciban ayuda de su profesor, su trabajo debe reflejar autonomía. Para definir un proyecto original, básense en otros trabajos, pues les servirán como referencia. Fíjense en el ejemplo.

Pregunta guía: ¿Qué mide un electrocardiograma? El equipo investigó en revistas de divulgación científica, libros e Internet, entre otros, acerca de las señales eléctricas en el cuerpo humano. Leyeron que en 1845, Carlo Matteucci, profesor de Física en la Universidad de Pisa, Italia, descubrió que una corriente eléctrica acompaña cada latido del corazón. A partir de esto, los alumnos inciaron con la búsqueda de bibliografía. Investigación bibliográfica: indagar en la Internet, libros y manuales de máquinas; entrevistar a expertos considerando las siguientes preguntas: » ¿Cuál fue el trabajo pionero de Galvani acerca de la electricidad en los seres vivos? » ¿En qué consistieron los experimentos de Matteucci? » ¿A qué se debe que haya fenómenos eléctricos en el cuerpo humano? » ¿Cuál es la periodicidad con la que late un corazón? » ¿Cómo se relaciona el latido con los cambios eléctricos? » ¿Se producen en el corazón cambios de voltaje? » ¿Qué anomalías podría detectar un electrocardiograma? » ¿Por qué es necesario colorar electrodos en el cuerpo para efectuar un electrocardiograma? » ¿Cómo se analiza un electrocardiograma si se tiene en cuenta que es una gráfica en la cual una de las variables es el tiempo (figura 5.41)?

Electrodo. Extremo de un conductor en contacto con un medio, al que lleva o del que recibe una corriente eléctrica.

Análisis de resultados y conclusiones Las aportaciones de la física a la salud son innumerables. Sin embargo, es importante conocer detalladamente al menos un ejemplo de su uso (el comportamiento eléctrico del corazón, en este caso) para entender cómo la física no solo sirve para estudiar objetos, sino también seres vivos. La ciencia se basa en mediciones; la medicina no es la excepción. Una medición hecha a tiempo puede hacer una gran diferencia en la salud de un individuo. Prácticamente, todos los equipos de medición en medicina están basados en conceptos físicos.

Figura 5.41 Un electrocardiograma es la representación gráfica de la actividad eléctrica del corazón. Permite detectar enfermedades cardiovasculares y mide el ciclo cardiaco.

Propuestas de actividades para la fase 3 1. Sistematizar la información obtenida de fuentes escritas y entrevistas 2. Analizar los resultados para obtener conclusiones

253

S-Fis-CNT-B5-250-255_PDF_alta_alumno 253

12/21/12 12:04 PM


Proyecto

Fase 4

BLOQUE 5

comunicación

FASE 4: COMUNICACIÓN El equipo anteriormente mencionado, decidió ofrecer un seminario para explicar los resultados de su investigación y reproduo una grabación de la entrevista a un médico. También consideró invitar a expertos para que hablaran del tema en la clase. Respecto a la presentación general de un proyecto, se recomienda dividirla en secciones, desde el inicio hasta las conclusiones, y repartirlas a los integrantes del equipo con el fin de que todos participen en ella. Miren en el cuadro 5.2 cómo el equipo aludido organizó la presentación de su proyecto.

Cuadro 5.2 Guion para la presentación del proyecto Actividad

Responsable

Duración

Palabras de apertura de la presentación del proyecto

Sergio

1-2 minutos

Presentación, con imágenes, de los antecedentes históricos del tema

Laura

5 minutos

Exposición, con ilustraciones, sobre la actividad cardiaca

Hernán

10 minutos

Explicación, ejemplificada, sobre qué es un electrocardiograma

Mónica

5 minutos

Presentación de la entrevista al experto

Todos

10 minutos

Conclusiones

Laura

5 minutos

Agradecimientos y cierre de la exposición

Sergio

1 minuto

Tiempo para contestar preguntas

Todos

10 minutos

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Presentar los resultados del proyecto según el medio de divulgación seleccionado. 2. Con base en los resultados, explicar los problemas o dificultades que tuvieron, así como lo que aprendieron.

254

S-Fis-CNT-B5-250-255_PDF_alta_alumno 254

12/21/12 12:04 PM


Evaluación Es conveniente evaluar tu colaboración y la del equipo durante el desarrollo del proyecto. Reflexionarás respecto a los logros, las deficiencias y los aprendizajes adquiridos en este. Completa el cuadro según tu desempeño.

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Completa el siguiente cuadro en tu cuaderno.

Trabajo individual

Siempre

Algunas veces

Pocas veces

Nunca

¿Cooperé con mis compañeros de equipo? ¿Participé en las reuniones y actividades? ¿Aporté ideas para enriquecer el trabajo? ¿Cumplí con mis tareas y responsabilidades dentro del equipo? ¿Ayudé a quien me lo pidió aunque no fuera miembro de mi equipo? ¿Participé en la resolución de desacuerdos o conflictos dentro del equipo? ¿Me gustó trabajar en equipo?

2. Reúnete con tu equipo para copiar el siguiente cuadro en su cuaderno, luego, complétenlo.

Trabajo en equipo

No

¿Por qué?

Las investigaciones que hicimos fueron suficientes para desarrollar nuestro proyecto. Las actividades y procedimientos que elegimos fueron adecuados para presentar el tema de nuestro proyecto. La distribución del trabajo en el equipo fue adecuada y equitativa. Dentro de nuestro equipo hubo un ambiente de compañerismo, cooperación y solidaridad. Hicimos los ajustes necesarios en nuestro proyecto para mejorarlo. Logramos los propósitos y el objetivo de nuestro proyecto. Nuestro proyecto fue significativo para la comunidad a la que iba dirigido. Tuvimos nuevos aprendizajes durante el desarrollo y la presentación de nuestro proyecto.

3. Reúnete con tu grupo y el profesor. Compara los resultados de este proyecto con los anteriores. ¿Notas algún cambio? Si es así, analiza las posibles causas. 255

S-Fis-CNT-B5-250-255_PDF_alta_alumno 255

12/21/12 12:04 PM


Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones). Integración y aplicación BLOQUE

Fase 1

5

inicio

Proyecto 2. Física y ambiente aprendizajes esperados. Aplica e integra conceptos, habilidades, actitudes y valores mediante el diseño y la realización de experimentos, investigaciones, objetos técnicos (dispositivos) y modelos con el fin de describir y predecir fenómenos y procesos del entorno. Desarrolla de manera más autónoma su proyecto, mostrando responsabilidad, solidaridad y equidad en el trabajo colaborativo; asimismo, reconoce aciertos y dificultades en relación con los conocimientos aprendidos, las formas de trabajo realizadas y su participación en el proyecto. Plantea preguntas o hipótesis que generen respuestas posibles, soluciones u objetos técnicos con imaginación y creatividad; asimismo, elabora argumentos y conclusiones a partir de evidencias e información obtenidas en la investigación. Sistematiza la información y los resultados de su proyecto, comunicándolos al grupo o a la comunidad, utilizando diversos medios: orales, textos, modelos, gráficos y tecnologías de la información y la comunicación. Argumenta los beneficios y perjuicios de las aportaciones de la ciencia y la tecnología en los estilos actuales de vida, en la salud y el ambiente.

Has concluido el quinto bloque y ha llegado el momento de aplicar los conocimientos que adquiriste a lo largo de las sesiones trabajadas. Recuerda que los proyectos estudiantiles tienen diferentes propósitos, entre ellos, el que asumas responsabilidades frente a los problemas ambientales y busques la equidad en el trabajo colaborativo.

Propuestas de actividades para la fase 1 1. Reúnete con tu equipo para leer y comentar los siguientes textos.

La energía solar: una riqueza para todos P. Karanukaran Nair La riqueza de la energía solar se palpa bien en la fotosíntesis, que ocurre en las hojas de las plantas en presencia de agua, bióxido de carbono y la radiación solar. La creación de la biomasa en este proceso permite el almacenamiento de energía solar en forma de energía química. La figura 5.40 es una representación del recurso energético más abundante y vital en México: la radiación solar. La unidad de cuantificación de esta energía es el kilowatt-hora (kWH). Cada día inciden de 4.5 a 7 kWh sobre cada metro cuadrado de los casi 19 937 000 kilómetros cuadrados de nuestro territorio. Como referencia, consideremos que un refrigerador doméstico consume entre 1.2 y 3.5 kWh de energía eléctrica por día, dependiendo del tamaño, y 5 lámparas fluorescentes de 20 W, encendidas durante 10 h, consumen 1 kWh. Si como hacen las plantas, deseamos aprovechar la energía del Sol para nuestro beneficio, requerimos desarrollar materiales abundantes, baratos y no Figura 5.42 dañinos para la salud, que sean capaces de interaccionar con la radiación solar. Esto es lo que hacen los denominados recubrimientos ópticos y optoelectrónicos […] la conversión de energía solar, ya sea a energía térmica (lo que se denomina conversión fototérmica), o bien, a energía eléctrica (lo que se denomina conversión fotovoltaica), se realiza comúnmente usando estos recubrimientos […] Para aprovechar la radiación solar mediante la conversión fototérmica o fotovoltaica, el reto es encontrar tecnologías que usen adecuadamente las propiedades de los materiales. Fragmento tomado de http://www.acmor.org.mx/descargas/11_oct_24_solar.pdf con el permiso de la Academia de Ciencias de Morelos y la Unión de Morelos (Consultado el 28 de enero de 2012)

256

S-Fis-CNT-B5-256-260_PDF_alta_alumno 256

12/21/12 12:04 PM


La Tierra, un planeta con enorme potencial de energía Édgar Santoyo Gutiérrez e Ignacio S. Torres Alvarado No es una casualidad que muchas culturas del pasado hayan ubicado en el interior de nuestro planeta regiones más calientes que en la superficie. Seguramente, el hombre antiguo se percató muy pronto de que la temperatura aumenta a medida que se avanza en dirección al centro de la Tierra. Esta energía térmica se manifiesta de muy diversas maneras en la superficie, a través de la presencia de lodos y manantiales calientes, fumarolas, sulfataras, géiseres, y con seguridad la forma más espectacular de todas, las erupciones volcánicas. La energía térmica almacenada en el interior de nuestro planeta, mejor conocida como geotermia, ha sido usada por el ser humano desde tiempos muy remotos. El origen de esta forma de energía tiene que ver con la génesis del planeta mismo y con su estructura interna […] Con base en las propiedades renovables del flujo de calor y los largos tiempos geológicos requeridos para su agotamiento, la energía de la Tierra es considerada por muchos científicos como una fuente de energía renovable, prácticamente inagotable, y por su disponibilidad natural en todo nuestro planeta, quizás la mejor distribuida, junto con la energía solar […] México es un país privilegiado por la naturaleza en este tipo de recursos y pionero en su utilización para la producción de electricidad.

Para hacer una estufa solar entra a http://www.cie.unam. mx/~arp/solar1.html El año 2012 ha sido declarado por las Naciones Unidas como el Año Internacional de la Energía Sostenible para Todos. http://www. un.org/spanish/ millenniumgoals

Fragmento tomado de http://www.acmor.org.mx/descargas/11_ago_8_geotermicos.pdf con el permiso de la Academia de Ciencias de Morelos y la Unión de Morelos (Consultado el 28 de enero de 2012)

2. Discutan los textos anteriores que se refieren a la crisis energética relacionada con el uso de los combustibles fósiles, como el petróleo. 3. A pesar de lo inconmensurable del Universo, la humanidad solo tiene una casa, que es el planeta Tierra. ¿Qué podemos hacer para cuidarlo? » ¿Crisis de energéticos? ¿Cómo participan y qué pueden hacer para contribuir al cuidado del medio ambiente en la casa, la escuela y la localidad donde vivimos? 4. Seguramente, el problema de la crisis energética y la contaminación ambiental les interesa y preocupa. Pueden contestar preguntas relacionadas con este tema, como cuáles son las fuentes no renovables y las fuentes renovables de energía, y cuál es su relación con el desarrollo sustentable. ¡Adelante! Pidan su opinión al profesor. 5. Decidan el tipo de proyecto en el que participarán (científico, tecnológico o ciudadano). Después, con base en el tema que eligieron, revisen lo que saben y lo que han aprendido en otros cursos o asignaturas. Procuren responder estas preguntas: » ¿Qué queremos investigar? » ¿Cómo lo haremos? » ¿Cómo les ayudará lo que saben hasta ahora a resolver las crisis comentadas?

257

S-Fis-CNT-B5-256-260_PDF_alta_alumno 257

12/21/12 12:04 PM


Proyecto

Fase 2

BLOQUE 5

planeación

FASE 2: PLANEACIÓN Tu equipo y tú deberán plantearse un proyecto estudiantil original. Veamos un ejemplo que puede ser útil, de un grupo escolar en una secundaria. Los miembros del equipo analizaron la pregunta elegida y después de reconocer lo que sabían del tema, se plantearon un propósito, es decir, un problema que pudieran resolver. En este caso, optaron por la pregunta “¿Crisis de energéticos?¿Cómo participo y qué puedo hacer para contribuir al cuidado del medio ambiente de mi casa, la escuela y el lugar donde vivo”, y decidieron solucionar el siguiente problema: Investigar y justificar científicamente qué medidas se pueden tomar a nivel individual para contribuir al ahorro de energía en nuestra sociedad, y proponerle a la clase que las siga y las comparta con su familia y vecinos. Después, definieron de manera general lo que indagarían, para qué lo harían y cómo habrían de lograrlo. Al final, propusieron una serie de actividades que organizaron en el cuadro 5.3.

Cuadro 5.3 Planeación del proyecto Problemática identificada Hay una crisis energética porque el petróleo se agotará, y además el uso de los combustibles fósiles contribuye al cambio climático.

Posible solución

Propósito

El ahorro de energía ayudará a controlar la crisis, mientras se buscan energías alternativas, así como a disminuir el impacto negativo en el medio ambiente.

Generar conciencia sobre la participación individual con consejos útiles para ahorrar energía, con base en un análisis científico, en la búsqueda del desarrollo sustentable.

¿Qué haremos?

Contenidos del bloque que se pueden usar

Recursos necesarios

Energía, electricidad, calor

Computadora e Internet

¿Dónde investigaremos?

Buscar información acerca del uso de energía. Calcular el gasto energético en las diferentes actividades humanas. Definir el desarrollo sustentable.

En la página web del Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica (FIDE) http://www.fide.org.mx/home/interior.asp?cve_cont=271

¿Cuánto tardaremos? Una semana

Propuestas de actividades para la fase 2 1. Aprender a calcular el impacto del uso de la energía, por ejemplo, midiendo el CO2 que cada actividad humana emite a la atmósfera. 2. Visitar el Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica y pedir, además de asesoría, folletos y trípticos acerca de este tema, como antecedente de este proyecto. 3. Procuren responder estas preguntas: » ¿Qué queremos lograr? » ¿Cómo reunir suficiente información confiable? » ¿Cómo presentaremos los resultados numéricos para que sea claro el impacto del ahorro? » ¿Cómo comunicaremos las conclusiones para convencer a la comunidad de la importancia del ahorro de energía?

258

S-Fis-CNT-B5-256-260_PDF_alta_alumno 258

12/21/12 12:04 PM


Lleven a cabo las actividades que planearon. Procuren consultar a su profesor siempre que sea necesario e informarle sobre los avances; registren la información que obtengan. A continuación, se presentan actividades que hicieron algunos estudiantes durante esta fase del proyecto, según la pregunta guía que eligieron.

desarrollo

Fase 3

FASE 3: DESARROLLO

Pregunta guía: ¿Crisis de energéticos?¿Cómo participo y qué puedo hacer para contribuir al cuidado del medio ambiente de mi casa, la escuela y el lugar donde vivo? Este equipo investigó en revistas de divulgación científica, libros e Internet, para definir medidas que permitan ahorrar energía y mitigar la crisis energética y el problema del calentamiento global. Entonces decidieron hacer un folleto para que lo puedan usar sus compañeros en la escuela y lo lleven a sus casas, y así contribuir al cuidado del medio ambiente. Procedimiento: diseñar un folleto que contenga consejos para ahorrar energía. En el folleto se explicará y justificará con argumentos científicos las siguientes medidas. De ser posible, se hará un cálculo del ahorro en cada medida. (Se sugiere considerar para los cálculos del impacto el ahorro de emisiones de CO2,, como se hace en la llamada huella ecológica: http://www.wwf.org.mx/wwfmex/ he_cuestionario.php). Medidas que deben explicarse y cuantificarse 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Usar focos ahorradores en lugar de focos incandescentes. Apagar la luz cuando una habitación esté vacía. Poner la computadora en modo de descanso cuando no se use. No poner a funcionar una lavadora con una carga de poca ropa. Usar abrelatas manuales en lugar de eléctricos. Compartir el transporte, para ahorrar gasolina. Usar bicicleta si es posible. Cerrar el agua de la regadera al enjabonarse. Cerrar el agua de la llave mientras se cepillan los dientes. Usar bolsas de tela o de papel en lugar de bolsas de plástico. Tratar de reutilizar las cosas lo más posible. Reciclar los objetos que ya no se usen. Plantar al menos un árbol. Usar ropa adecuada al clima, para evitar el empleo de ventiladores y calentadores. Usar energías renovables.

Análisis de resultados y conclusiones Sin duda, la humanidad enfrenta serios problemas con la crisis de energéticos y el cambio climático. Hay que entender que estos problemas están íntimamente relacionados. A pesar de la gravedad de la situación, sí es posible, como individuos, tomar decisiones que repercutan en el ahorro energético, las cuales harán una diferencia en la protección del planeta y de la biodiversidad. La conciencia y un cambio de actitud de los jóvenes en la escuela se extendería a su familia y a su comunidad.

259

S-Fis-CNT-B5-256-260_PDF_alta_alumno 259

12/21/12 12:04 PM


Proyecto Propuestas de actividades para la fase 3

Fase 4

BLOQUE 5

1. Después de llevar a cabo las actividades planeadas, analicen la información que obtuvieron. 2. Con base en los resultados, resuelvan el problema que se plantearon y obtengan conclusiones. Estas las presentarán en la siguiente fase del proyecto. comunicación

En este caso, el grupo hizo una dinámica. Se organizaron equipos de cinco personas y se les repartió el folleto diseñado. Al cabo de 15 minutos, cada equipo dio su opinión acerca de las medidas propuestas en el folleto. Se les preguntó cuáles medidas les parecieron buenas respecto al ahorro de energía. A partir de las conclusiones que obtuvieron en la dinámica, decidieron cómo hacer la versión del folleto final sobre el ahorro de energía. Para que esta dinámica funcionara, el equipo tuvo que distribuir las actividades entre sus integrantes, y explicarles a los participantes los criterios científicos en que basaron las medidas de ahorro propuestas. Observen el cuadro 5.4, que hizo el equipo de estudiantes.

Cuadro 5.4 Guion para la presentación del proyecto Actividad

Responsable

Duración

David

2 minutos

Carmen

3 minutos

División en grupos de cinco alumnos

Todos

5 minutos

Repartirle a cada grupo la propuesta sobre ahorro de energía.

Todos

5 minutos

Explicar cómo se calculó el impacto que tiene cada medida de ahorro.

Todos

5 minutos

Esperar a que los grupos hagan su discusión.

Todos

15 minutos

Escuchar las opiniones de cada grupo

Sergio

10 minuto

Agradecimiento y cierre

David

1 minuto

Explicación de la dinámica de grupos Presentación de información acerca del FIDE

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Presenten los resultados de su proyecto en el medio de divulgación que eligieron. 2. Con base en los resultados, expliquen los problemas o dificultades que tuvieron, así como las cosas que aprendieron. Destaquen los beneficios que les aportó el desarrollo del proyecto.

Evaluación Este es el momento para que reflexiones sobre los logros, las deficiencias y los aprendizajes adquiridos durante el desarrollo y la presentación de tu proyecto. Copia en tu cuaderno los cuadros de la página 253 y complétalos, el primero de manera individual, y el segundo en equipo. Te recomendamos reunirte con tu grupo y tu profesor. Compara tus resultados con los que obtuviste en los proyectos de los bloques anteriores. ¿Notas algún cambio? Si es así, analiza a qué se debe. 260

S-Fis-CNT-B5-256-260_PDF_alta_alumno 260

12/21/12 12:04 PM


Proyecto: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar (opciones). Integración y aplicación

5

Proyecto 3. Ciencia y tecnología en el desarrollo de la sociedad aprendizajes esperados. Aplica e integra conceptos, habilidades, actitudes y valores mediante el diseño y la realización de experimentos, investigaciones, objetos técnicos (dispositivos) y modelos con el fin de describir, explicar y predecir fenómenos y procesos del entorno. Desarrolla de manera más autónoma su proyecto, mostrando responsabilidad, solidaridad y equidad en el trabajo colaborativo; asimismo, reconoce aciertos y dificultades en relación con los conocimientos aprendidos, las formas de trabajo realizadas y su participación en el proyecto. Plantea preguntas o hipótesis que generen respuestas posibles, soluciones u objetos técnicos con imaginación y creatividad; asimismo, elabora argumentos y conclusiones a partir de evidencias e información obtenidas en la investigación. Sistematiza la información y los resultados de su proyecto, comunicándolos al grupo o a la comunidad, utilizando diversos medios: orales, textos, modelos, gráficos y tecnologías de la información y la comunicación. Argumenta los beneficios y perjuicios de las aportaciones de la ciencia y la tecnología en los estilos actuales de vida, en la salud y el ambiente.

Has concluido el quinto bloque y ha llegado el momento de aplicar los conocimientos que adquiriste a lo largo de las sesiones trabajadas. Recuerda que los proyectos estudiantiles tienen diferentes propósitos, entre ellos, plantear, analizar y reflexionar las preguntas relacionadas con tu entorno y con la sociedad en la que vives.

Fase 1

BLOQUE

inicio

Propuestas de actividades para la fase 1 1. Reúnete en equipo para leer los siguientes textos. Coméntenlos.

El valor cultural de la ciencia Edmundo Calva ¿Saben ustedes que todos tenemos algo de científico? Cuando en nuestra vida cotidiana tomamos una decisión razonada, es probable que estemos usando el método científico. Si en cualquier aspecto de la vida diaria deducimos a partir de observar, meditar, volver a observar y finalmente comparar con puntos de referencia definidos, estamos siguiendo el método que usan los científicos profesionales para realizar su trabajo… Cuando se argumenta, y se argumenta bien, que es importante la inversión en ciencia y tecnología porque permite el desarrollo de tecnologías propias, porque conlleva al mejor cuidado del medio ambiente y porque propicia la mayor eficiencia en los procesos industriales, me atrevo a argumentar que, aunque todo ello es ciertamente el resultado de hacer buena ciencia, no son las razones fundamentales. La razón central para invertir en ciencia es por su valor cultural, porque la ciencia nos permite analizar nuestro entorno con mayor agudeza y con ello satisfacemos la necesidad de todo ser humano, de explorar lo no conocido… De esta manera, las ciencias comparten con las humanidades y las artes el proceso creativo, y todas ellas son satisfactores de la necesidad de explorar lo ignoto. En la cultura no solo hay sinfonías, pinturas o esculturas, sino también experimentos y teorías […] la preparación ideal de un individuo debería comprender todas las formas de la cultura. A esta preparación ideal debemos añadir los deportes individuales o de grupo, que implican disciplina y competencia, y que son otra forma de la cultura por la creatividad y destreza

261

S-Fis-CNT-B5-261-265_PDF_alta_alumno 261

12/21/12 12:38 PM


Proyecto BLOQUE 5

Biotecnología. Es el empleo de células vivas para la obtención y mejora de productos útiles, como los alimentos y los medicamentos. Se basa en la biología, pero tiene un enfoque multidisciplinario que incluye la química y la física.

Para saber más acerca del cambio climático, visita http://redescolar. ilce.edu.mx/proyectos/ climate4classrooms_ oto11/

técnica que involucran, además de los valores que implican el trabajo en equipo y el manejo de la victoria y la derrota. Y así como es importante la preparación íntegra de un individuo, en el mismo contexto es importante la preparación íntegra de una sociedad. Fragmento tomado de http://www.acmor.org.mx/descargas/08_ene_28_valor.pdf con el permiso de la Academia de Ciencias de Morelos y la Unión de Morelos (Consultado el 27 de enero de 2012)

Biotecnología y consumo responsable: para actuar diferente, hay que pensar diferente Francisco Gasteozoro Piñeiro y Brenda Valderrama En los últimos años hemos escuchado los términos “calentamiento global”, “cambio climático” o “gases de efecto invernadero” en discursos políticos, en las noticias e incluso en cápsulas comerciales […] Es muy común que la posición que encontramos sea de preocupación, pero también de aceptación en cuanto a la necesidad de actuar con conciencia ecológica o ambiental. Desgraciadamente, estamos acostumbrados al consumismo desmedido y a la desinformación, por lo que no nos es fácil tomar las mejores decisiones cuando se trata de aspectos ambientales. Afortunadamente, está en nuestras manos generar conciencia de las acciones que podemos realizar individualmente, las cuales, aunque pequeñas, pueden representar una gran diferencia. De hecho, la información es nuestra aliada más poderosa para generar un cambio en nuestra forma de actuar y de pensar. […] existe una serie de preocupaciones relacionadas con industrias y la utilización indiscriminada de energía y de recursos no renovables en sus procesos de producción, lo que genera daños en el medio ambiente. En contraste, los procesos biotecnológicos fomentan la consolidación de industrias sostenibles al cumplir con los preceptos básicos del desarrollo sustentable, al generar bienestar e influir de manera benéfica en cada sector de la economía, al disminuir la producción de desechos, hacer un adecuado consumo de energía y [reducir] la emisión de gases de efecto invernadero. Fragmento tomado de http://www.acmor.org.mx/descargas/11_ene_24_biotecnologia.pdf con el permiso de la Academia de Ciencias de Morelos y la Unión de Morelos (Consultado el 28 de enero de 2012)

2. Con base en los textos anteriores, ¿qué concluyes respecto a la cultura científica? ¿Qué piensas acerca de las nuevas tecnologías? 3. Para definir el problema que desean resolver en el proyecto, formulen preguntas como la siguiente. » ¿Qué aporta la ciencia al desarrollo de la cultura y la tecnología? 4. Tú y tu equipo tienen experiencia en el desarrollo de proyectos, por lo que pueden plantearse preguntas nuevas; por ejemplo: ¿Es la tecnología una aplicación de la ciencia? ¿Qué significa un invento? ¿Qué es una innovación tecnológica? ¡Adelante! Informen de su proyecto a su profesor, quien les comentará si es pertinente efectuarlo o no. 5. Con base en el tema que eligieron, revisen lo que saben y contesten las siguientes preguntas. » ¿Cómo impacta la ciencia en la sociedad en que viven? » ¿Cómo aprovechar la ciencia para resolver problemas ambientales? » ¿Cómo crear conciencia entre los compañeros, acerca de estos problemas?

262

S-Fis-CNT-B5-261-265_PDF_alta_alumno 262

12/21/12 12:39 PM


Una vez que se ha detectado un tema de interés, la planeación de un proyecto estudiantil debe ser detallada: hay que definir las actividades de cada miembro del equipo, las actividades grupales y la calendarización. Es conveniente inspirarse en proyectos desarrollados; para ello, revisa el ejemplo que está a continuación. El equipo analizó la pregunta elegida y, después de reconocer lo que sabían del tema, se plantearon un propósito, es decir, un problema que resolverían. En este caso, el equipo optó por la pregunta: ¿Qué aporta la ciencia al desarrollo de la cultura y la tecnología?, y definió que este sería su objetivo: Incrementar la cultura científica respecto al problema del cambio climático con ayuda de un experimento de efecto invernadero. Después, definieron de manera general lo que esperaban indagar, para qué lo harían y cómo lo lograrían. Con ello propusieron una serie de actividades que organizaron en el cuadro 5.5.

Problemática identificada La poca cultura científica de la sociedad respecto al problema del cambio climático

planeación

Cuadro 5.5 Planeación del proyecto Contenidos del Posible solución Propósito bloque que se pueden usar Diseñar un experimento sencillo que permita explicar el efecto invernadero

¿Qué haremos? Buscar información en textos e Internet, diseñar un experimento

Con un experimento mostrar la importancia del efecto invernadero.

Radiación electromagnética, calor, temperatura

¿Dónde investigamos? En Internet y en textos especializados

Fase 2

FASE 2: PLANEACIÓN

Recursos necesarios Computadora, Internet, material para el experimento

¿Cuánto tardaremos? Dos días

Propuestas de actividades para la fase 2 1. El problema del cambio climático es muy complejo, pero se limitó a la comprensión del efecto invernadero. 2. Revisar en el laboratorio de física de la escuela qué tipo de termómetros tienen. 3. Responder las siguientes preguntas. » ¿Cómo mostrar la importancia de un razonamiento científico? » ¿Qué experimento puede hacerse con facilidad frente al grupo? » ¿Cómo analizar los resultados para obtener conclusiones? » ¿Cómo mostrar la importancia de un razonamiento científico para tomar una decisión?

263

S-Fis-CNT-B5-261-265_PDF_alta_alumno 263

12/21/12 12:39 PM


Proyecto BLOQUE 5 Fase 3

desarrollo

FASE 3: DESARROLLO Para llevar a cabo las actividades que ustedes hayan escogido, conviene revisar lo que hizo el grupo del ejemplo, según la pregunta guía que eligieron. Pregunta guía: ¿Se entiende la importancia del efecto invernadero en el problema del cambio climático? Este equipo investigó, en revistas de divulgación científica, libros e Internet, qué es el efecto invernadero. Se dieron cuenta de que este fenómeno se da en la atmósfera y es el mismo que sucede en cualquier invernadero con paredes de vidrio. También que a este se debe el calor que sentimos al entrar en un coche que ha permanecido cerrado, bajo el Sol. La información que obtuvieron les ayudó a definir un experimento para probar el efecto invernadero y contribuir así a la cultura científica en cuanto al cambio climático. Material: dos termómetros digitales, un frasco de vidrio transparente en el que quepa el termómetro, un reloj, una lámpara de calor, una hoja de registro Procedimiento 1. Colocaron los dos termómetros, uno al lado del otro bajo la lámpara de calor, o directamente bajo el Sol. 2. Esperaron unos tres minutos hasta que los dos termómetros se estabilizaron y dieron la misma medida. Apuntaron ese dato, temperatura y tiempo en la hoja de registro. 3. Cubrieron uno de los termómetros con el frasco de vidrio. 4. Se aseguraron de que el frasco no le hiciera sombra al otro termómetro. 5. Apuntaron la temperatura de cada uno de los termómetros cada minuto, durante los siguientes 10 minutos. Análisis de resultados y conclusiones Al comparar los resultados de cada termómetro se comprueba el efecto invernadero producido dentro del bote de vidrio. Los gases invernadero actúan como el vidrio, atrapando parte del calor producido al ser la luz absorbida y reemitida. Los últimos 200 años, el CO2 ha sido el gas invernadero más abundante, resultado del uso de combustibles fósiles, y se ha incrementado de 280 a 380 partes por millón. La comparación del aumento de CO2 con el aumento de temperatura es uno de los elementos que hacen suponer que el cambio climático tiene que ver con el uso de energía por parte del ser humano.

Propuestas de actividades para la fase 3 1. Llevar a cabo un experimento como el del ejemplo anterior, y clasificar los datos obtenidos. 2. Con base en las mediciones efectuadas, explicar en qué consiste el efecto invernadero y cómo puede afectar al planeta.

264

S-Fis-CNT-B5-261-265_PDF_alta_alumno 264

12/21/12 12:39 PM


Propuestas de actividades para la fase 3

Fase 4

1. Después de llevar a cabo las actividades planeadas, analicen la información obtenida. 2. Con base en los resultados, resuelvan el problema que se plantearon y obtengan conclusiones. Estas serán las que presentarán en la siguiente fase del proyecto.

FASE 4: COMUNICACIÓN En este caso, el grupo hizo una dinámica. Se organizaron equipos de cinco personas y se les repartió un folleto que elaboraron. Al cabo de 15 minutos, cada equipo dio su opinión acerca de las medidas propuestas. Comentaron cuáles les parecieron buenas medidas para ahorrar energía. De las conclusiones de esta dinámica se decidirá cómo hacer la versión del folleto final de ahorro de energía. Para que esta dinámica funcione, el equipo debe distribuirse las actividades y explicar bien a los participantes los criterios científicos detrás de las medidas de ahorro propuestas. Observen en el cuadro 5.6 lo que hizo este equipo.

comunicación

Cuadro 5.6 Guion para la presentación del proyecto Actividad

Responsable

Duración (minutos)

Palabras de apertura de la presentación del experimento

Eduardo

1-2

Presentación de información acerca del cambio climático

Beatriz

5

Luis

10

Disposición del experimento

Todos

5

Desarrollo del experimento

Todos

15

Reportar los resultados de la medición

Beatriz

5

Discusión de los resultados y la importancia de estos en el cambio climático

Todos

5

Eduardo

1

Explicación del efecto invernadero

Agradecimientos y cierre

Propuestas de actividades para la fase 4 1. Presenten los resultados de su proyecto con base en el medio de divulgación que eligieron. 2. Utilicen los resultados para explicar los problemas o dificultades que tuvieron, así como lo que aprendieron. Les recomendamos destacar los beneficios que les aportó el desarrollo del proyecto.

Evaluación Este es el momento para que reflexiones sobre los logros, las deficiencias y los aprendizajes adquiridos durante el desarrollo y la presentación de tu proyecto. Copia en tu cuaderno los cuadros de la página 253 y complétalos, el primero de manera individual, y el segundo en equipo. Te recomendamos reunirte con tu grupo y tu profesor. Compara tu desempeño con el de los proyectos de los bloques anteriores. ¿Notas algún cambio? Si es así, analiza a qué se debe. 265

S-Fis-CNT-B5-261-265_PDF_alta_alumno 265

12/21/12 12:39 PM


Evaluación (TIPO PISA)

BLOQUE 5

Comprueba tus competencias Al principio del bloque te presentamos las diversas teorías sobre el origen del Universo. Comprueba que las aprendiste.

Origen del Universo, galaxias y globos En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble observó que las galaxias se alejan unas de otras; de ahí dedujo que el Universo se encuentra en expansión. Para explicar este fenómeno puedes imaginarte las galaxias como puntos pintados en un globo. Si lo inflamos, la distancia entre todos los puntos aumentará.

Pregunta 1. Observa las imágenes y explica con ellas esta teoría. Pregunta 2. Esta es una de las evidencias naturales en que se basa la teoría de la gran explosión. Busca otras evidencias en las que se fundamenta y prepara un mural para explicarlo.

La armonía de los mundos Desde la más remota antigüedad, la humanidad ha sentido fascinación por la astronomía, que no solo ayudaba a conocer el mundo, sino que proporcionaba un conocimiento de gran utilidad para la vida cotidiana.

Pregunta 1. ¿Sabrías citar alguna de estas utilidades? Pregunta 2. ¿Cuáles fueron los modelos de interpretación del Universo más influyentes? ¿Quiénes los propusieron? Pregunta 3. La imagen corresponde a un astrolabio. ¿Sabes para qué se utilizaba? Investiga acerca de sus usos y prepara una exposición para explicárselo a tus compañeros.

266

S-Fis-CNT-B5-266-272.indd 266

1/18/13 12:45 PM


La exploración espacial En marzo de 2009, la NASA lanzó un nuevo telescopio espacial, al que puso el nombre del gran astrónomo del siglo XVII, Kepler. A los diez días de iniciar su misión, Kepler ya había detectado un planeta que orbita alrededor de una estrella situada a 1 000 años luz de la Tierra. La prensa señalaba que este planeta extrasolar, denominado HAT-P-7, es algo mayor que Júpiter y está más cerca de su estrella que la Tierra del Sol.

Pregunta 1. El planeta HAT-P-7 completa su órbita alrededor de la estrella en 52 horas. ¿Qué son estas 52 horas? a) El año del planeta. b) El mes del planeta. c) El día del planeta. d) Ninguna de las medidas anteriores.

Pregunta 2. ¿Que significa que esta estrella se encuentre a 1 000 años luz de la Tierra? e) Que está a 1 000 millones de kilómetros de la Tierra. f ) Que su luz es 1 000 veces mayor que la del Sol. g) Que su distancia a la Tierra es 1 000 veces mayor que la de la Tierra al Sol. h) Que su luz tarda en llegar a la Tierra 1 000 años. Pregunta 3. El planeta HAT-P-7 orbita muy cerca de su estrella y se encuentra a una temperatura de 2 300 ºC. Si su temperatura es tan alta, ¿por qué no se considera una estrella?

Las fases de la Luna La Luna tarda 27 días, 7 horas y 43 minutos en completar una vuelta alrededor de la Tierra. El plano de la órbita lunar tiene una inclinación de 5º respecto al plano de la eclíptica. Como el periodo de rotación de la Luna sobre su eje es el mismo que el periodo de su movimiento alrededor de la Tierra, la Luna presenta siempre el mismo lado a la observación terrestre. Esta cara lunar visible desde la Tierra puede estar total o parcialmente iluminada por el Sol. Desde la Tierra se observa que la Luna puede estar totalmente iluminada (Luna llena), totalmente oscurecida (Luna nueva) o parcialmente iluminada (Luna creciente y Luna menguante). El ciclo de las fases lunares constituye el mes lunar o sinódico, que dura 29.53 días. Este mes lunar es la base de muchos calendarios, como el musulmán y el chino.

Pregunta 1. Determina el número de meses lunares que hay a lo largo de un año solar. Pregunta 2. La Luna está más cerca del Sol durante la fase de Luna: a) creciente, b) llena, c) menguante, d) nueva. 267

S-Fis-CNT-B5-266-272.indd 267

1/18/13 12:45 PM


Anexo Vectores Entre las numerosas aplicaciones de las matemáticas a la física se encuentra la cuantificación de propiedades, así como realizar cálculos y mediciones. Algunas propiedades físicas quedan completamente determinadas con solo indicar su magnitud. Por consiguiente, son adecuadamente representadas mediante escalares, es decir, con solo un número, por ejemplo, el tiempo (t). En cambio, otras propiedades físicas son de tal naturaleza que para ser completamente descritas requieren de más información, en particular, la magnitud, la dirección y el sentido. Este tipo de descripción se puede lograr haciendo uso de las construcciones matemáticas denominadas vectores. Cuando una propiedad se comporta como un vector se suele escribir su símbolo en negritas, por ejemplo, la velocidad se representa por v. Como un vector es un arreglo de números, es posible construir para los vectores una matemática similar a las usuales operaciones aritméticas con números, aunque el álgebra vectorial es mucho más rica en posibilidades que el álgebra numérica. Además, podemos describir a los vectores con definiciones gráficas. En la descripción gráfica podemos dibujar a un vector como una flecha a la cual se le hace corresponder una magnitud (longitud de la flecha), un sentido (punta de la flecha) y un punto de aplicación (base de la flecha) respecto a un sistema de referencia. Un vector V puede colocarse en el origen de un plano cartesiano, en cuyo caso la dirección viene dada por el ángulo x que forma con el eje horizontal. Colocado así, el vector es la suma de otros dos vectores Vx y Vy, sobre los ejes, a los que se denomina sus componentes.

ud

M

nit ag

Punto de aplicación y

Dos operaciones básicas con vectores son la suma de vectores y la multiplicación de un vector por un escalar.

V Vy

Suma de vectores

α

Sean los vectores a y b. Para sumarlos gráficamente se dibuja uno a continuación del otro, es decir, el origen de uno está en la punta del otro. El vector resultante se obtiene uniendo el origen del primer sumando con el extremo del último. Así, dados los vectores de la figura de la izquierda, el vector c es su suma. Obsérvese que el resultado es el mismo si empezamos la suma considerando el vector a o la empezamos a partir del vector b, es decir, a + b = b + a. Este mismo procedimiento puede extenderse a cualquier número de vectores. Simplemente, después de colocar el primer vector, todos los siguientes tienen su origen en la punta del vector anterior. En la siguiente figura se muestra la suma de a + b + c + d = e.

x

Vx

a

b

c=a+b c=b+a b

a

+

b

+

a

c

+

d

c

b

d

a 268

S-Fis-CNT-B5-266-272.indd 268

e

1/18/13 12:45 PM


Para restar vectores, basta con definir que –a es igual en magnitud y dirección que el vector a, pero en sentido contrario, es decir, un signo negativo es equivalente a un cambio de sentido. En la figura de la derecha se muestran a y –a.

–a

a

Multiplicación de un vector por un escalar

Al multiplicar un vector por un número se obtiene otro vector con la misma dirección y cuya magnitud resulta igual a la magnitud anterior multiplicada por este número. Así, por ejemplo, si el vector cuya magnitud es a se multiplica por 2, se obtiene otro cuya magnitud es 2a, que tiene la misma dirección y sentido. a b = 2a

a

b = 2a a Si el número es negativo, el vector cambia de signo, por ejemplo, el vector a de la figura multiplicado por –2 da el vector –2a, que es dos veces más grande que el anterior y orientado en sentido inverso.

a a

b = – 2a

a

b = – 2a

a 2 a 2 a

Dividir un vector entre un escalar es equivalente a multiplicarlo por una fracción. Así al multiplicar un vector a por ½, el resultado queda con la mitad de la magnitud.

a

a 2

En el caso de que la fracción sea negativa, simplemente se invierte el sentido. 

a 2

269

S-Fis-CNT-B5-266-272.indd 269

1/18/13 12:45 PM


Bibliografía Bibliografía consultada para la elaboración de la obra AAAS. (1997). Ciencia: conocimiento para todos. Biblioteca para la Actualización del Maestro. México: Oxford University Press/sep. • Ben-Dov, Y. (1999). Invitación a la física. Barcelona: Editorial Andrés Bello. • _____, Squires, A., Rushworth, P. y Wood-Robinson, V. (2000). Dando sentido a la ciencia en secundaria. Biblioteca para la Actualización del Maestro. México: MEC/Morata/sep. • _____ et al. (2000). Dando sentido a la ciencia en secundaria. Investigaciones sobre las ideas de los niños. Biblioteca de Actualización del Maestro. México: Visor/sep. • _____ e Infield, L. (1996). La física, aventura del pensamiento. (17ª ed.). Buenos Aires: Losada. • Flores Camacho, F. et al. (2006). Retos. Cultura científica. 2º. Física. México: Editorial Santillana. • _____ et al. (2006). Retos. Cultura científica. 3º. Física. México: Editorial Santillana. • Friedl, A. E. (2000). Enseñar ciencias a los niños. Madrid: Gedisa. • Gil, D. y Macedo, B. (2005). ¿Qué razones pueden avalar la necesidad de una educación científica para todos los ciudadanos y ciudadanas? En ¿Cómo promover el interés por la cultura científica? Santiago: unesco/orealc. • Hargreaves, A. et al. (2000). Una educación para el cambio. Reinventar la educación de los adolescentes. Biblioteca del Normalista. México: sep. • Harlen, W. (1998). Recursos para el aprendizaje de las ciencias. En Enseñanza y aprendizaje de las ciencias. (2ª ed., 198-214). Madrid: Morata. • Hecht, E. (1999). Física en perspectiva. México: Addison Wesley Longman/Pearson. • Hewitt, P. G. (1999). Física conceptual. México: Addison Wesley Longman. • _____. (1999). Física conceptual. (3ª ed.). México: Addison Wesley Longman/Pearson. • Kina, V. (2004). Ideas previas de los estudiantes sobre conceptos básicos de química. Biblioteca para la Actualización del Maestro. México: Editorial Santillana/sep. • La Cueva, A. (2000). Ciencia y tecnología en la escuela. Madrid: Editorial Laboratorio Educativo/Editorial Popular. • Machold, D. K. (1996). ¿Vale la pena enseñar Física? En sep. (1995). La enseñanza de la Física en la escuela secundaria. Lecturas. México: Pronap, 115-120. • Perrenoud, P. (2004). Diez nuevas competencias para enseñar. Biblioteca para la Actualización del Maestro. México: sep. • Pozo Municio, J. I. y Gómez Crespo, M. A. (2000). Aprender y enseñar ciencia. Del conocimiento cotidiano al conocimiento científico. Madrid: Morata. • Purcell, M. E. (1990). Electricidad y magnetismo, México: Reverté. •• sep. (1995). Libro para el maestro. Física. Educación Secundaria. México: sep. • Torp, L. y Sage, S. (1998). El aprendizaje basado en problemas. Buenos Aires: Amorrortu Editores. •

Bibliografía para el profesor • • • • • • •

Alonso, M. y Edward J., F. (2001). Física. México: Addison-Wesley Iberoamericana. Bernal, J. D. (1995). La ciencia en la historia. México: Nueva Imagen. Derry, T. K. y Williams, T. (1991). Historia de la tecnología (5 vols.). México: Siglo XXI. Driver, R. et al. (2000). Dando sentido a la ciencia en secundaria. Investigaciones sobre las ideas de los niños. Biblioteca para la Actualización del Maestro. México: Visor/sep. Einstein, A. e Infeld, L. (1993). La evolución de la física. Barcelona: Salvat. Fancello, O. (1990). El camino de la ciencia (2 tomos). México: Grijalbo. Feynman, R. (2000). El carácter de la ley física. Barcelona: Tusquets.

270

S-Fis-CNT-B5-266-272.indd 270

1/18/13 12:45 PM


_____ (1989). Las lecturas Feynman de física. Wilmington: Addison-Wesley Iberoamericana. Flores, F. y Gallegos, L. (1996). Consideraciones sobre la estructura de las teorías científicas y la enseñanza de la ciencia. En La enseñanza de la física en la escuela secundaria. Lecturas. Primer nivel. Programa Nacional de Actualización Permanente. México: sep. • Hewitt, P. (2007). Física conceptual (10a ed.). México: Pearson Addison-Wesley. • _____ (2004). Prácticas de física conceptual (9a ed.). México: Pearson Educación de México. • Krauss, L. M. (1996). Miedo a la física. Santiago de Chile: Editorial Andrés Bello. • Mason, S. F. (1995). Historia de las ciencias. La ciencia del siglo xx. México: Alianza Editorial. • Mendoza, J. (1997). Alfa de física II. México: Oxford University Press. • Noreña, F. (1996). Física II. México: fce. • Parker, S. P. (1991). Diccionario McGraw-Hill de física (2 tomos). México: McGraw-Hill. • Pessoa de Carvalho, A. M. (1996). La construcción del conocimiento y la enseñanza de las ciencias. En La enseñanza de la física en la escuela secundaria. Lecturas. Primer nivel. Programa de Actualización Nacional. México: sep. • Rojano Ceballos, T. (ed.). (2006). Enseñanza de la física y las matemáticas con tecnología. Modelos de transformación de las prácticas y la interacción social en el aula. México: sep. • _____ y Tonda Mazón, J. (coords). (2000). Enseñanza de la física con tecnología. Educación Secundaria. México: sep/ilce. •• sep. (2002). Enseñanza de las ciencias a través de modelos matemáticos. Física. México: sep. • Serway, R. A. (1998). Física (4a ed.). México: McGraw-Hill. • Tipler, P. A. y Mosca, G. (2004). Física (5a ed.). Madrid: Reverté. • Tippens, P. E. (2007). Física, conceptos y aplicaciones (7a ed.). México: McGraw-Hill Interamericana. • Torres, R. M. (1998). Las competencias cognitivas básicas. En Qué y cómo aprender. Biblioteca para la Actualización del Maestro. México: sep. • Trabulse, E. (1994). Ciencia y tecnología en el Nuevo Mundo. Ensayos. México: Colegio de México/Fideicomiso Historia de las Américas/fce. • Vallejo, P. (1995). Física para tercer grado (2a ed.). México: Publicaciones Cultural. • •

Bibliografía para el alumno • • • • • • • • • •

Aguilar Sahagún, G., Cruz Jiménez, S. y Flores Valdés, J. (1997). Una ojeada a la materia. La ciencia para todos. (2a ed.). México: fce. _____ (1997). El hombre y los materiales. La ciencia para todos. México: fce. Alba Andrade, F. (1993). El desarrollo de la tecnología. La aportación de la física. La ciencia desde México. (2a ed.) México: fce. Asociación Petits Débrouillards. (2005). Las sorpresas del tacto. Astrolabio. México: Ediciones SM/sep. Barnett, A. (2004). Agujeros negros y otras curiosidades espaciales. Astrolabio. México: Planeta Junior/sep. Braun, E. (1992). Electromagnetismo. De la ciencia a la tecnología. La ciencia para todos. México: fce. _____ (1997). Arquitectura de sólidos y líquidos (2a ed.). La ciencia para todos. México: fce. Calvo R., Fernández Bayo, A. y Fernández Bayo, I. (2003). Enchúfate a la energía. Espejo de Urania. México: Ediciones SM/sep. Cetto, A. M. (1996). La luz en la naturaleza y en el laboratorio. La ciencia desde México. México: fce. Challoner, J. (2005). La revolución digital. México: Planeta. 271

S-Fis-CNT-B5-266-272.indd 271

1/18/13 12:45 PM


• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Domínguez, H., Flores, J., Tagüeña, C. y Tagüeña, J. (2002). Sonido, luz y otras ondas. Espejo de Urania. México: Santillana/sep. Fandel, J. El foco. (2006). Espejo de Urania. México: Ediciones SM/sep. Fraioli, L. (2002). Historia de la ciencia y de la tecnología. El siglo de la ciencia. México: sep/Diana. García-Colín S., L. (1995). Y sin embargo se mueven… teoría cinética de la materia. La ciencia desde México. (2a ed.). México: fce. García, H. (2002). La naturaleza discontinua de la materia. Espejo de Urania. México: Santillana/sep. Gasca, J. (ed.). (2003). Fuerzas físicas. México: Ediciones Culturales Internacionales/sep. Hacyan, S. (1996). Relatividad para principiantes. La ciencia desde México. México: fce. Hammond, R. (2006). ¿Sientes la fuerza? México: Ediciones SM. Jeunesse, G. (2004). Máquinas y robots. México: Ediciones SM/sep. Lara, J. M. (1992). Ciencia recreativa. Barcelona: Planeta. Lomnitz, C. (2003). Los temblores. México: sep/Conaculta. Llansana, J. (2004). Atlas básico de física y química. Espejo de Urania. México: Parramón Ediciones/sep. Martín M., Flores, A. y Flores, M. (2002). Relación entre materia y energía. Espejo de Urania. México: Santillana/sep. Menchaca Rocha, A. (1996). El discreto encanto de las partículas elementales. La ciencia para todos. México: fce. Michel, F. (2005). La energía paso a paso. Espejo de Urania. México: Calandria Ediciones/sep. Morrison, I. (2004). ¡La materia se rompe! Astrolabio. México: McGraw-Hill Interamericana/sep. Navarrete, N. (2003). Atlas básico de tecnología. México: sep/Parramón Ediciones. Noreña, F. (2004). Dentro del átomo. Espejo de Urania. México: Libros del Escarabajo/sep. Noreña Villarías, F. y Tonda Mazón, J. (2002). El movimiento. Espejo de Urania. México: Santillana/sep. Paquette, D. (2005). Diario de los inventos del Dr. Genio. Astrolabio. México: Ediciones SM/sep. Peralta-Fabi, R. (1993). Fluidos: apellido de líquidos y gases. La ciencia desde México. México: fce. Piña Garza, E. (1995). Cacería de cargas. La ciencia para todos. México: fce. Reeves, H. (2005). Diario del Universo del Dr. Genio. Astrolabio. México: Ediciones SM/sep. Régules Ruiz-Funes, S. de (2001). Cuentos cuánticos. Espejo de Urania. México: ADN Editores/sep. Stefani, M. (2002). Historia de la ciencia y de la tecnología. La revolución científica. México: sep/Diana. Tagüeña, J. y Martina, E. (1997). De la brújula al espín. El magnetismo. La ciencia para todos. (2a ed.). México: fce. Tagüeña, C., Tagüeña J. y Flores J. (2002). Sólidos y fluidos. Espejo de Urania. México: Santillana/sep. Taylor, B. (1997). Descubre y experimenta. Ciencia divertida. Luz y color. México: Mega. _____ (1997). Descubre y experimenta. Ciencia divertida. Sombras y reflejos. México: Mega. Tonda, J. (1993). El oro solar y otras fuentes de energía. La ciencia desde México. México: fce. Van Cleave, J. (1996). Física para niños y jóvenes. 101 experimentos superdivertidos. México: Limusa. _____ (2002). Astronomía para niños y jóvenes. 101 divertidos experimentos. Astrolabio. México: Limusa/sep. _____ (2003). Astronomía para niños y jóvenes. Limusa/Noriega/sep. _____ (1997). Física para niños y jóvenes. México: Limusa.

272

S-Fis-CNT-B5-266-272.indd 272

1/18/13 12:45 PM


7055000619 120

Los libros de texto de Conect@ Entornos están disponibles en papel y en soporte digital. Acompañan el desarrollo de las competencias científicas de los alumnos, desde preescolar hasta secundaria, y siguen las disposiciones curriculares del campo de formación Exploración y conocimiento del mundo natural y social. La Guía didáctica Física de la serie Conect@ Entornos le proporciona orientaciones didácticas para el tratamiento del contenido del libro del alumno, además del solucionario. Adicionalmente, en reconocimiento a la importancia de brindar a los docentes una variedad de recursos didácticos para aplicar el enfoque de enseñanza de la física en la educación secundaria, en el portal www.conectadigital-sm.com.mx podrá registrarse para que le asignemos un código con el que accederá al contenido digital asociado al libro del alumno. En este portal también encontrará recursos de evaluación (reactivos tipo enlace), avance programático editable y herramientas para el seguimiento del aprendizaje de sus alumnos.

Educar lo es todo. Al adquirir cualquiera de nuestras obras colaborarás en el crecimiento educativo y cultural de muchas personas con menos oportunidades para desarrollarse. SM pertenece a la Fundación SM quien, a través de sus diversos programas educativos y sociales, asume la responsabilidad de retornar a la sociedad una parte de los beneficios que genera el trabajo editorial, contribuyendo así a extender la cultura y la educación a los grupos más desfavorecidos. La educación es un derecho de todos. ¡Gracias por contribuir con SM a llevarla a todas partes!

www.fundacion-sm.org.mx

¡Gracias por permitirnos ser su compañero en la aventura de educar a los jóvenes de la Sociedad del Conocimiento! www.conectadigital-sm.com.mx

www.ediciones-sm.com.mx

Fisica_conecta_guia_portada privada.indd 2

6/3/13 4:19 PM

 
Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you