Consideraciones de la Física Moderna
Santa Ana de Coro, junio de 2016
Índice Pag. Introducción…………………………………………………………………………
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¿Qué es la física moderna?................... moderna?............................. ........................ ............................. .......................... .................. ....... 4 Diga y defina las ramas de la física moderna ………………………………….. 5 De qué trata: La biofísica, la astrofísica, física cuántica, electrodinámica,
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relatividad…………………………………………………………………………...
¿De qué trata trata la Teoría del Big Bang?................................... Bang?............................................... ........................ ............ 8 ¿Quién fue fue Albert Einsten?................... Einsten?.............................. ......................... ............................. .......................... .................. ....... 9 ¿Cuál es la velocidad de la luz? ¿quién la calculo? ………………………….. 10 ¿En la naturaleza existe cuatro tipos de fuerzas? Explique ………………….. 12 ¿La tierra es esférica y orbita en torno al sol? Explique ………………………
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La materia, ¿Está constituida por átomos? Explique ………………………….
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El universo universo viene de un solo punto, ¿en ¿en el el que hubo una gran explosión?...
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¿Los planetas y las estrellas se atraen atraen entre si bebido a sus masas?........... 16 Conclusión……………………………………………………………………......... 18 Anexos…………………………………………………………………………….... 19
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Introducción El objetivo de la física es ayudar a entender el comportamiento de la materia, una característica fundamental en el avance tecnológico. Los conocimientos físicos son muy útiles e incluso esenciales en muchos ámbitos. Se interrelaciona con otros campos como la mecánica, la electrónica, la química, etc. En la construcción, por ejemplo, ayuda a determinar qué materiales deben emplearse y cómo para lograr ciertas resistencias, formas, temperaturas, etc. con seguridad. En los vehículos, para lograr velocidad, mejorar el diseño aerodinámico, etc. En la meteorología, para analizar el clima y hacer predicciones. En medicina, para crear prótesis, aparatos de análisis -cardiogramas, rayos X, también sirvió para crear la electricidad, poderla emplear, y potenciar su creación, etc. Son muchísimos los campos que abarca la física, fundamental para el avance de la sociedad y la seguridad. La física moderna comienza a principios del siglo XX, cuando el alemán Max Planck, investiga sobre el “cuanto” de energía, Planck decía que eran partículas
de energía indivisibles, y que éstas no eran continuas como lo decía la física clásica,por ello nace esta nueva rama de la física que estudia las manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de las partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. (También se le llama física cuántica). En los temas anteriormente tratados, la física clásica no servía para resolver los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a las nuevas ideas. Los temas tratados anteriormente no podían ser resueltos por la física clásica. clá sica. La misión final de la física actual es comprender la relación que existe entre las fuerzas que rigen la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Comprender y lograr una teoría de unificación, para así poder entender el universo y sus partículas. Se conoce, generalmente, por estudiar los fenómenos que se producen a la velocidad de la luz o valores cercanos a ella o cuyas escalas espaciales son del orden del tamaño del átomo o inferiores.
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1. ¿Qué es la Física Moderna? La Física Moderna la cual también se le conoce como física cuántica, comienza a principios del siglo XX, cuando el físico y matemático alemán Max Planck investiga sobre el “cuanto1” de energía. Planck decía que eran partículas de energía indivisibles, y que éstas no eran continuas como decía la física clásica. Por ello nace esta nueva nue va rama de la física, que estudia las manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de las partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. Se conoce, generalmente, por estudiar los fenómenos que se producen a la velocidad de la luz o valores cercanos a ella, o cuyas escalas espaciales son del orden del tamaño del átomo del átomo o inferiores. (Ver anexos: Figura 1) Los temas anteriormente tratados de la física clásica no servían para resolver los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en probabilidades, lo que provocó dificultades para adaptarse a las nuevas ideas. En 1905, En 1905, Albert Albert Einstein publicó una serie de trabajos que revolucionaron la física, principalmente representados por “La dualidad onda-partícula de la luz” y “La Teoría de la Relatividad” entre otros. Estos y los avances científicos como el
descubrimiento de la existencia de otras galaxias, la superconductividad, el estudio del núcleo del átomo, y otros, permitieron lograr que años más tarde surgieran avances tecnológicos, como la invención del televisor, del televisor, los rayos x, el radar, el radar, fibra fibra óptica, el óptica, el computador, computador, etc. etc. Casi todo lo planteado en el siglo el siglo XIX fue puesto en duda y al final fue remplazado durante el siglo el siglo XX, y XX, y de esta misma forma puede ocurrir actualmente, a medida que se produzcan resultados como en las nuevas investigaciones, y se materialicen los nuevos conocimientos que se irán adquiriendo durante este nuevo siglo. La física moderna es la que estudia el comportamiento de las partículas subatómicas y los fenómenos que se dan entre la materia y la energía a esa escala. Sirve para entender fenómenos como la fusión y fisión nuclear, los superconductores, los laser, y algunos fenómenos que intervienen en los dispositivos electrónicos tales como el "dopaje" del silicio para formar
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Un quantum o cuanto es la menor cantidad de energía que puede transmitirse en cualquier longitud de onda. 4
semiconductores. También explica el comportamiento de la materia y la energía a velocidades cercanas a la de la luz. Incorpora casi todas las propiedades físicas mágicas en experimentos y proyectos que ayudan a avanzar nuestra comprensión del universo que habitamos. Algunos proyectos de física moderna tienen aplicaciones prácticas y otros apelan a la lógica o incluso a la contemplación filosófica. La física moderna impacta muchos campos de conocimiento y ofrece muchos proyectos que pueden ser tanto educativos como emocionantes. La misión final de la física actual es comprender la relación que existe entre las fuerzas que rigen la naturaleza, la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Comprender y lograr una teoría de unificación, para así poder entender el universo y sus partículas.
2. Diga y defina la rama de de la Física Moderna. Mecánica
cuántica: La mecánica cuántica, una división de la física moderna, investiga las propiedades de la materia a nivel microscópico. Esta rama de la física incluye a la física atómica, la física molecular, la física nuclear, la física de las partículas, la física de la materia condensada y la nanofísica. La Mecánicacuántica es la base de la física moderna, sin ella no se tendría idea de cómo funciona el mundo subatómico, gracias a ella se ha logrado grandes avances. La mecánica cuántica es aquella en que la energía esta cuantizada, por pedazos en un átomo. (Ver anexos: Figura 2)
Relatividad: Como parte de la física moderna, la relatividad estudia e studia el movimiento a velocidades cercanas a la de la luz. La relatividad también abarca la gravedad y su efecto en el espacio-tiempo. Albert Einstein fue el principal pionero en esta rama de la física con sus teorías de la relatividad general y especial.La teoría explica el comportamiento de objetos en el espacio y el tiempo, y puede ser usada para predecir todo, desde la existencia de agujeros negros, a la flexión de la luz debido a la gravedad, como el comportamiento del planeta Mercurio en su órbita.
La cosmología: Otra rama de la física moderna, investiga acerca de los inicios y la estructura del universo. Los cosmólogos estudian, entre otras cosas: la teoría del Big Bang, la energía oscura y la materia oscura.
3. De qué trata: la Biofísica, la astrofísica, física cuántica, electro dinámico, relatividad
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Biofísica:
La biofísica es la ciencia que estudia la biología con los principios y métodos de la física. Se discute si la biofísica es una rama de la física o de la biología. Desde un punto de vista puede concebirse que los conocimientos y enfoques acumulados en la física "pura" pueden aplicarse al estudio de sistemas biológicos. En ese caso la biofísica le aporta conocimientos a la biología, pero no a la física, sin embargo, le ofrece a la física evidencia experimental que permite corroborar teorías. Ejemplos en ese sentido son la física de la audición, la biomecánica, los motores moleculares, comunicación molecular, entre otros campos de la biología abordada por la física. Otros estudios consideran que existen ramas de la física que deben desarrollarse a profundidad como problemas físicos específicamente relacionados con la materia viviente. Así, por ejemplo, los polímeros biológicos (como las proteínas) no son lo suficientemente grandes como para poderlos tratar como un sistema mecánico, a la vez que no son lo suficientemente pequeños como para tratarlos como moléculas simples en solución. Los cambios energéticos que ocurren durante una reacción química catalizada por una enzima, o fenómenos como el acoplamiento químico-osmótico parecen requerir más de un enfoque físico teórico profundo que de una evaluación biológica. Entre esos dos extremos aparecen problemas como la generación y propagación del impulso nervioso donde se requiere un pensamiento biológico, más un pensamiento físico, así como algo cualitativamente nuevo que aparece con la visión integradora del problema. (ver anexo Figura 3) Una subdisciplina de la biofísica es la dinámica molecular, que intenta explicar las propiedades químicas de las biomoléculas a través de su estructura y sus propiedades dinámicas y de equilibrio. Astrofísica: El término astrofísica refiere al desarrollo y estudio estudio de la física aplicada a la astronomía. La astrofísica emplea la física para explicar las propiedades y fenómenos de los cuerpos estelares a través de sus leyes, fórmulas y magnitudes. Si bien se usó originalmente para denominar la parte teórica de dicho estudio, la necesidad de dar explicación física a las observaciones astronómicas ha llevado a que los términos astronomía y astrofísica sean usados de forma equivalente. Una vez que se comprendió que los elementos que forman parte de los "objetos celestes" eran los mismos que conforman la Tierra y que las mismas leyes de la física se aplican a ellos, había nacido la astrofísica como una aplicación de la física a los fenómenos observados por la astronomía. La astrofísica se basa, pues, en la asunción de
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que las leyes de la física y la química son universales, es decir, que son las mismas en todo el universo. (Ver anexo: Figura 4) La mayoría de los astrónomos (si no todos) tienen una sólida preparación en física y las observaciones son siempre puestas en su contexto astrofísico, así que los campos de la astronomía y astrofísica están frecuentemente enlazados. Física Cuántica: La física, o mecánica cuántica, estudia el comportamiento de la materia cuando las dimensiones de ésta son tan pequeñas que empiezan a notarse extraños efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud la posición de una partícula o simultáneamente su posición y velocidad, sin afectar a la propia partícula. (Ver anexos: Figura 5)
Los principios básicos de la física cuántica son fundamentalmente dos. El primero es que las partículas intercambian energía en múltiplos enteros de una cantidad mínima posible, es el llamado quantum de energía. El segundo es que la posición teórica de las partículas está dada por una función probabilística, es decir que no es una certeza sino más bien una posibilidad. Electrodinámica:
La electrodinámica consiste en el movimiento de un flujo de cargas eléctricas que pasan de una molécula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor como, por ejemplo, un metal. Para poner en movimiento las cargas eléctricas o de electrones, podemos utilizar cualquier fuente de fuerza electromotriz (FEM), ya sea de naturaleza química (como una batería) o magnética (como la producida por un generador de corriente eléctrica), aunque existen otras formas de poner en movimiento las cargas eléctricas. (Ver anexos: Figura 6) Cuando aplicamos a cualquier circuito eléctrico una diferencia de potencial, tensión o voltaje, suministrado por una fuente de fuerza electromotriz, las cargas eléctricas o electrones comienzan a moverse a través del circuito eléctrico debido a la presión que ejerce la tensión o voltaje sobre esas cargas, estableciéndose así la circulación de una corriente eléctrica cuya intensidad de flujo se mide en Amper (A). Relatividad:
La teoría de la relatividad se llama así por el principio en el que se basa: todo lo que ocurre es relativo al observador.La teoría de la relatividad incluye tanto a la teoría de la relatividad especial como la de relatividad general, formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo. 7
La teoría de la relatividad especial, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell 2 del electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento. La teoría de la relatividad general, publicada en 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana, aunque coincide numéricamente con ella para campos gravitatorios débiles y "pequeñas" velocidades. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios. La teoría de la relatividad especial, llamada también relatividad particular o restringida, es una teoría que describe bien el movimiento de los cuerpos, pero solo a velocidades constantes, y en un espacio plano, de tres dimensiones espaciales y una temporal. En el universo la gravedad acelera a todos los cuerpos, poniéndolos enmovimiento. Además, la gravedad es una fuerza universal, en el sentido de encontrarse en todo lugar. Entonces, dada esta realidad, podemos afirmar que nada está en reposo: todo en el universo se mueve y con aceleración (Ver anexos: Figura 7)
4. ¿De qué trata la teoría del Big Bang? El Universo viene de un solo punto en el que hubo una Gran Explosión Todo lo que puedes ver hoy a tu alrededor, edificios, montañas, nubes, estrellas y planetas proviene de una gran “explosión” ocurrida hace unos 13 700 millones de
años. Por qué se produjo ese evento no se sabe con certeza aún, pero la comunidad científica tiene pruebas suficientes para afirmar que todo viene de un mismo punto a partir del cual hubo una gran expansión. Esta idea se conoce como Teoría del Big Bang y fue presentada por Georges Lemaître en la 100ª Reunión Anual de la l a British Briti sh Association Asso ciation for the Advancement of Science en septiembre de 1931. El Big Bang, literalmente significa la gran explosión, constituye el momento en que de la "nada" emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo. La materia, en el Big Bang, era un punto de densidad infinita que, en un momento dado, "explota" generando su expansión en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo. (ver anexo: Figura 8) Inmediatamente después del momento de la "explosión", cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, de la misma manera que al inflar un globo éste va ocupando más espacio expandiendo su superficie. 2
(1931-1879) físico escocés conocido principalmente por haber desarrollado la teoría electromagnética clásica
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Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial está constituida exclusivamente por partículas elementales: Electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones y un largo etcétera hasta más de 89 partículas conocidas hoy en día. En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos. Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo, la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble 3. Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang. Las estrellas hoy en día se asocian en galaxias. Todos los elementos que conocemos hoy (carbono, hierro, etc.) en día provienen de estrellas moribundas, es decir, hay estrellas que pueden llamarse fábricas de elementos. Los fundamentos matemáticos de esta teoría incluyen la teoría general de la relatividad de Albert Einstein junto Einstein junto a la teoría estándar de partículas fundamentales.
5. ¿Quién fue Albert Einstein? Albert Einstein Nace en Ulm, Imperio alemán el 14 de marzo de 1879 de 1879 y muere Princeton, Princeton, Estados Unidos, Unidos, 18 de abril de 1955. de 1955. Fue un físico un físico alemán alemán de 3
Establece que el corrimiento el corrimiento al rojo de una galaxia una galaxia es proporcional a la distancia a la que está. Se considera la primera evidencia observacional del paradigma de la expansión del universo y actualmente sirve como una de las piezas más citadas como prueba de soporte de la Gran la Gran Explosión (Big Bang).
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origen judío, origen judío, nacionalizado después suizo después suizo y estadounidense. estadounidense. Es considerado como el científico el científico más conocido y popular del siglo del siglo XX. (Ver anexo: Figura 9) Para empezar, Einstein firmó la Teoría de la Relatividad General 4, que supuso una auténtica revolución en el entendimiento de la gravedad. Años antes, el científico había formulado la Teoría de la Relatividad Especial 5, inspirada en aportaciones previas de los investigadores Henri Poincaré 6y Hendrik Lorentz7. Otras deducciones muy famosas de Einstein fueron las relacionadas con el movimiento Browniano, el efecto fotoeléctrico o la equivalencia masa – energía. Además, fue pionero con su Teoría del Quántum en la Radiación, esencial para el funcionamiento de la tecnología láser, y los tan de moda Sistemas de Posicionamiento Global (GPS). Premio Nobel de Física en 1921. Albert Einstein también está considerado el padre de la bomba atómica, aunque en sus escritos se reveló como un firme defensor de los movimientos pacifista, socialista y sionista.
6. ¿Cuál es la velocidad de la luz? ¿Quién ¿Quién la calculo? ¿Para qué sirve sirve el cálculo? Se considera que la velocidad de la luz es una constante universal, invariable en el tiempo y espacio físico. La velocidad de la luz es una medida estipulada por la comunidad científica, generalmente utilizada por los ámbitos de la ciencia de estudios físicos y astronómicos. La velocidad de la luz en el vacío el vacío es por definición una constante una constante universal de valor 299 792 458 m/s 458 m/s (aproximadamente 186 282.397millas 282.397millas/s) /s) (suele (suele aproximarse a 3·108 m/s), o lo que es lo mismo 9.46·1015 m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año llamado año luz. Se luz. Se simboliza con la letra c, proveniente del latín del latín celéritās (en español celeridad o rapidez) o rapidez).. El valor de la velocidad de la luz la luz en el vacío fue incluido oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983 de 1983,4 ,4 pasando así el metro el metro a ser una unidad derivada de esta constante. La rapidez a través de un medio que no sea el "vacío" "vacío" depende de su permisividad su permisividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras características 4
Es una teoría del campo gravitatorio y de los sistemas de referencia generales, publicada por Albert por Albert Einstein en 1915 en 1915 y 1916. 5 La teoría es "especial", ya que sólo se aplica en el caso especial donde la curvatura del espaciodel espaciotiempo debido a la gravedad la gravedad es despreciable despreciable 6 (1854-1912) Físico y matemático francés, hizo contribuciones a la teoría relatividad 7 (1853-1928) Físico holandés, premiado con el Nobel, hizo contribuciones a la teoría relatividad
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electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el el índice de refracción. refracción. En modificaciones del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, Casimir, poblaciones térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad de energía de ese vacío. Muchos científicos como Galileo calcularon la velocidad de la luz, pero los cálculos más precisos comenzaron con Albert Abraham Michelson 8, en 1879, durante una reunión de la Asociación Americana para el Progreso de la Ciencia, presentó el método que había utilizado para determinar la velocidad de la luz, que halló ser de 300091 Km/s, pero en 1926, como consecuencia de los estudios que realizó en el observatorio de Monte Wilson, dio como valor más correcto el de 299520 Km/s. En Estados Unidos, colaboró con Edward W. Morley 9 para realizar una serie de experimentos con el interferómetro para conocer la influencia que el movimiento de la Tierra pudiera ejercer sobre un supuesto éter. Estos trabajos probaron la constancia de la velocidad de la luz, siendo la base del principio de la relatividad de Einstein. Se han empleado otros métodos para mejorar la exactitud. En 1958, Froome llegó al valor de 299792.5 Km/s, mediante un interferómetro de microondas y una celda Kerr 11. A partir de 1970 con el desarrollo de aparatos de láser con una estabilidad espectral muy grande y relojes de cesio exactos, ha sido posible mejorar las medidas, llegando a ser conocida con tan sólo un error de un m/s. 10
La velocidad de la luz es de gran importancia para las telecomunicaciones. Sirve para el entendimiento sobre los cuerpos celestes, astronómicos, para saber cómo es su comportamiento y la transmisión de la radiación electromagnética, como la luz es percibida por el ojo humano. El basamento teórico de la “ velocidad de la luz” es expresado mediante la relación que se plantea entre cuanta es la tardanza de la luz en traspasar en el vacío desde un punto a otro, y se mide en el tiempo. También nos sirve como referencia para grandes distancias Además, una de las más utilidades utilidad es del conocimiento de la velocidad de la luz l uz la encontramos en la famosa fórmula Einstein. De acuerdo a esta, la velocidad de la luz nos permite saber cuánta energía conserva un cuerpo con una masa determinada. 8 (1852-1931) Físico Estadounidense, En 1907 recibió el premio Nobel de Física 9 (1838-1923) químico y físico e stadounidense 10 Físico Ingles, realizo cálculos sobre la velocidad de la luz 11 Este efecto toma su nombre del físico escocés John Kerr (1824 - 1909), que descubrió que ciertas sustancias transparentes y ópticamente isótropas, se convierten en anisótropas y birrefringentes bajo la acción de un campo electrostático.
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7. ¿En la naturaleza existe cuatro tipos tipos de fuerzas? fuerzas? Explique La fuerza es la acción que se produce sobre un cuerpo de determinada masa y que produce en este cuerpo un efecto. Existen 4 tipos de fuerzas principales, las cuales son las fuerzas fundamentales de la naturaleza, estas son:
La fuerza gravitatoria: este tipo de fuerza se produce, cuando los cuerpos de mayor dimensión, por ejemplo, como los planetas, ejercen algún tipo de fuerza sobre los cuerpos más pequeños. Esta fuerza de atracción se denomina gravitatoria y es proporcional a las masas y a la separación que existe entre ambos cuerpos. (Ver anexos Figura 11)
La fuerza electromagnética: Es aquella fuerza que genera una interacción, entre determinadas partículas con carga eléctrica, este tipo de partículas se separan en dos formas de interacción, la interacción electrostática, la cual se presentan en cuerpos en reposo y la interacción magnética, la cual se presentan sobre cargas en movimiento. A través de estas interacciones electromagnéticas, se ha explicado los fenómenos relacionados con, la electricidad, el magnetismo, las ondas electromagnéticas, la estructura interna de la materia bien sea a nivel molecular o a nivel atómico, la relación e interacción entre luz y materia. (ver anexos Figura 12)
La interacción nuclear débil: es llamada también fuerza débil o de tipo débil, es aquella fuerza que se encarga de la separación o desintegración de los neutrones. Este tipo de fuerza actúa sobre los fenómenos naturales, entre estos la desintegración de tipo radioactivo. Su fuerza es 103 veces menor que el tipo de interacción nuclear fuerte. (ver anexos Figura 13)
La interacción nuclear fuerte: este tipo de fuerza interviene en la naturaleza para mantener unidos a los protones y a los neutrones, los cuales se encuentran en el núcleo atómico. Su efecto solo es posible a distancias muy cercanas, siendo consideradas fuerzas de corto alcance, lo que se diferencia de la fuerza electromagnética y gravitatoria, las cuales son fuerzas de largo alcance o de alcance infinito. (Ver anexos Figura 14)
Por consiguiente, si existen 4 fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza electromagnética, la fuerza gravitatoria, la fuerza de interacción débil y la fuerza de interacción fuerte.
8. ¿La tierra es esférica y orbita en torno al sol? sol? Explique La tierra es esférica debido a la acción de la gravedad. La gravedad tira con igual fuerza de todas las direcciones; por lo tanto, cualquier variación de una forma 12
esférica provocará una reacción de las fuerzas gravitacionales para regresar a la forma esférica. Cuando en un cuerpo celeste su fuerza de gravedad le da forma esférica se dice que está en equilibrio hidrostático. Sin embargo, esto último es sin considerar su rotación. La rotación de nuestro planeta añade efectos centrífugos, que provocan que la Tierra se abulte ligeramente en el ecuador y se achate ligeramente por los polos. Es el mismo efecto de una onda, que después de girar a gran velocidad lanza la piedra debido a la fuerza centrífuga. Debido a estos efectos el radio polar de la Tierra es un 0,33% menor que el ecuatorial. Ahora bien, ¿por qué está el planeta en órbita alrededor al rededor del Sol en lugar de que el Sol esté en órbita alrededor del planeta? El objeto más liviano está en órbita alrededor del más pesado, según la fuerza gravitacional, y el Sol, de lejos, es el objeto más pesado del Sistema Solar. El Sol es 1000 veces más pesado que el planeta más grande, Júpiter, y es más de 300,000 veces más pesado que la Tierra. Su órbita es casi circular, de modo que la diferencia entre el punto más lejano de la Tierra y el Sol, y su punto más cercano es muy pequeña. La órbita de la Tierra define un plano de dos dimensiones que llamamos la eclíptica. (Ver anexo: figura 15) La Tierra tarda aproximadamente 365 días en darle una vuelta al Sol. Esto significa que la Tierra se desplaza, con un movimiento de traslación y a su vez de rotación, a través de espacio y alrededor del Sol a un índice aproximado de 67 000 kilómetros por hora. El tiempo que toma para que la Tierra circunde el Sol es a tiempo completo de lo que llamamos, un año. El efecto combinado del movimiento orbital de la Tierra y la inclinación de su eje de rotación dan lugar a las estaciones.
9. La materia, ¿está constituida constituida por átomos? Explique Materia es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.La materia está integrada por átomos, átomos, partículas diminutas que, a su vez, se componen de otras aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas (Electrones, protones y neutrones), las la s cuales se agrupan para constituir los diferentes difer entes objetos. (Ver anexos Figura 16) Un átomo es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia y puede entrar en combinación. Está constituido por un núcleo, en el el cual se hallan los protones y neutrones y una corteza, donde se encuentran los electrones. Cuando el número número de protones del núcleo es igual al de electrones de la corteza, el átomo se encuentra en estado eléctricamente neutro. Se denomina número atómico al número de protones que existen en el núcleo del átomo de un elemento. elemento. Si un átomo pierde o gana uno o más 13
electrones adquiere carga positiva o negativa, convirtiéndose en un ion. Los iones se denominan cationes si tienen carga positiva y aniones si tienen carga negativa. La mayoría de los científicos cree que toda la materia contenida en el Universo se creó en el Big Bang, que desprendió una enorme cantidad de calor y de energía. Al cabo de unos pocos pocos segundos, algunos de los haces de energía se transformaron en partículas diminutas que, a su vez, se convirtieron en los átomos que integran el Universo en que vivimos. En la naturaleza los átomos se combinan co mbinan formando las moléculas. Una molécula es una agrupación de dos o más átomos unidos mediante enlaces químicos. La molécula es la mínima cantidad de una sustancia que puede existir en estado libre conservando todas sus propiedades químicas. Todas las sustancias están formadas por moléculas. Una molécula puede estar formada por un átomo (monoatómica), por dos átomos (diatómica), por tres átomos (triatómica) o más átomos (poliatómica) Las moléculas de los cuerpos simples están formadas por uno o más átomos idénticos (es decir, de la misma clase). Las moléculas de los compuestos químicos están formadas al menos por dos átomos de distinta clase (o sea, de distintos elementos). 10. El universo viene de un solo punto, ¿en el que hubo una gran explosión? Existen cuatro teorías fundamentales que explican el origen del universo. Estas son: Teoría
del Bing Bang Teoría inflacionaria Teoría del estado estacionario Teoría del universo oscilante Teoría del universo múltiple Teoría de la Gran Congelación Teoría según la biblia
Teoría inflacionaria:
La teoría de inflación cósmica, cósmica, popularmente conocida como la teoría inflacionaria, formulada por el gran cosmólogo y físico teórico norteamericano Alan Guth, intenta explicar los primeros instantes del universo basándose en estudios sobre campos gravitatorios fortísimos, como los que hay cerca de un agujero negro. Esta teoría supone que una fuerza única se dividió en las cuatro que ahora conocemos (las cuatro fuerzas fundamentales del universo: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil), provocando provocan do el origen del 14
universo. El empuje inicial duró un tiempo prácticamente inapreciable, pero fue tan violenta que, aun cuando la atracción de la gravedad frena las galaxias, el universo todavía crece y absolutamente todo en el universo está en constante movimiento. (Ver Anexos: Figura 17)
Teoría del estado estacionario
Los seguidores de esta teoría consideran que el universo es una entidad que no tiene principio ni fin: no tiene principio porque no comenzó con una gran explosión ni se colapsará en un futuro lejano, para volver a nacer. (Ver anexos Figura 18) El impulsor de esta idea fue el astrónomo inglés Edward Milne y según ella, los datos recabados por la observación de un objeto ubicado a millones de años luz, deben ser idénticos a los obtenidos en la observación de la Vía Láctea desde la misma distancia. Milne llamó a su tesis principio cosmológico. En 1948, algunos astrónomos retomaron este principio y le añadieron nuevos conceptos, como el principio cosmológico perfecto. Este establece, en primer lugar, que el universo no tiene un génesis ni un final, ya que la materia interestelar siempre ha existido y, en segundo término, que el aspecto general del universo no solo es idéntico en el espacio sino también en el tiempo.
Teoría del universo oscilante
La La teoría del universo oscilante sostiene que nuestro universo sería el último de muchos surgidos en el pasado, luego de sucesivas explosiones y contracciones. (Ver anexos: Figura 19) Fue propuesta por Richard Tolman de 1948 (el mismo año de su muerte). Muy relacionada con la teoría del universo estacionario, no existe una explosión inicial, sino una contracción de nuestro propio nuestro propio universo hasta un punto de enorme densidad (que denominó Big Crunch 12) en que la fuerza de atracción de la gravedad se convierte en una fuerza repulsiva que provoca una expansión de la materia (un Big Bang). Este acontecimiento se produciría continuamente dando lugar a una sucesión cíclica e infinita del mismo universo (que no necesariamente tienen que poseer las mismas condiciones). El eterno retorno.
Teoría del universo múltiple
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El gran crujido
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Andrei Linde 1987 es el más importante representante de la Teoría del Universo Múltiple.De acuerdo a Andrei Linde el Universo produce incesantemente una serie de dominios inflacionarios de todos los tipos posibles, lo que determina la existencia de múltiples universos. Este efecto es debido a la gran ola de fluctuaciones cuánticas del campo generado durante la inflación. (ver anexo: Figura 20) El Universo se divide después de la inflación en grandes dominios dentro de los cuales las leyes de la Física y la dimensionalidad del espacio-tiempo podrían ser diferentes. El universo es un gran fractal que contiene un exponencialmente grande número de objetos que se desarrolla produciendo nuevos objetos permanentemente. Es un Universo que nunca muere y tampoco tiene un único principio. Se auto genera continuamente.
Teoría de la Gran Congelación
Conocida como la Teoría de la Gran Congelación, esta nueva hipótesis surgió en 2014 de la mano de Christof Wetterich, físico de la Universidad de Heidelberg en Alemania. Según información del portal Actualidad.Rt, el Actualidad.Rt, el físico cree que el universo es el resultado de un largo y gélido periodo de transformación y no de un fuerte estallido como afirma la teoría del Big Bang. Es decir, no emergió tras una explosión caliente, sino tras una congelación. (Ver anexos: Figura 21) La congelación del agua ilustra mejor el inicio del Universo “Imaginemos un universo primitivo líquido. A medida que el Universo se enfriaba, el material cristalizó formando tres dimensiones espaciales y una temporal, tal y como es ahora y como lo describió Einstein”, explicó el físico. Esta teoría sugiere que el espacio estaría formado por componentes básicos indivisibles, que pueden ser considerados como similares a los píxeles que forman una imagen en una pantalla.
Teoría según la Biblia
El libro más importante de la religión católica cuenta que en un principio p rincipio existía el caos y en el vagaba Dios. Éste creo el Mundo de la nada en 6 días: El primero separó la luz de las tinieblas, creando el día y la noche en el mundo. El segundo, separó las aguas de la tierra y creó los mares y ríos. En el tercer día creó la tierra dónde habitamos y le introdujo todo tipo de vegetación. El cuarto creó los astros, el Sol, la Luna y las estrellas. El quinto día creó a los primeros seres vivos, las aves y los peces y animales acuáticos y el último día creó al ser humano a su imagen y semejanza. (Ver anexos: Figura 22)
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11. ¿Los planetas y las estrellas se atraen entre e ntre si debido a sus masas? Explique.
Todos los astros del Universo se atraen entre sí debido al hecho de tener masa. Esta evidencia fue recogida por Isaac Newton en 1687 en su libro Principios matemáticos de la filosofía natural: los cuerpos con masa se atraen entre sí con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separan.(Ver anexos Figura 23) Siguiendo la teoría gravitacional de Newton la tierra permanece en órbita porque la atracción gravitatoria entre ambos planetas es igual a la fuerza centrífuga propia de la trayectoria curva de la tierra alrededor del sol. Actualmente la Gravitación Universal ha sido absorbida por la Teo ría General de la Relatividad de Einstein, en la cual se afirma que los cuerpos con masa crean una curvatura en el espacio-tiempo que es la responsable de la gravitación. Una curiosidad es que la fuerza gravitatoria es mucho más débil que la fuerza electromagnética. Cuando levantas un bolígrafo, por ejemplo, estás ganando a toda la Tierra con tu movimiento, y éste es de origen electromagnético. En el mismo orden de ideas, la gravedad es lo que hace que las estrellas giren alrededor de un punto central formando galaxias. Las galaxias también se atraen entre sí por la gravedad, y forman los cúmulos de galaxias. Los astrofísicos han observado que las estrellas y galaxias se mueven demasiado deprisa, ya que están sostenidas solo por su gravedad mutua. Por otra parte, si no existiese otra fuerza además de la gravitatoria, las estrellas y galaxias saldrían disparadas en todas direcciones.
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Conclusión Por siglos el ser humano ha investigado el átomo y su estructura y a pesar de que nunca se ha podido observar, si se ha logrado determinar las fuerzas que producen la interacción de las partículas que lo componen, las cuales determinan toda la estructura de la materia que nos rodea. Es interesante darse cuenta que la gran cantidad de fuerzas que se dan en la naturaleza, se pueden atribuir a la interacción de cuatro fuerzas que se han descubierto: la fuerza gravitacional, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil en donde para cada interacción hay un tipo de partícula específica que sirven como mediadora entre otras partículas. Hasta el momento se han obtenido algunos descubrimientos relacionados con estas fuerzas, pero, se espera en un futuro, poder relacionarlas de tal forma que se logre comprender mejor las fuerzas fundamentales. Las diferentes teorías del pasado, hoy día se relacionan con las establecidas por la física moderna, en busca de descubrir la creación del universo. Casi todo lo planteado en el siglo XIX fue puesto en duda y al final fue remplazado durante el siglo XX, y de esta misma forma puede ocurrir actualmente, a medida que se produzcan resultados las nuevas investigaciones, y se materialicen los nuevos conocimientos que se irán adquiriendo durante este nuevo siglo. La aportación de la física hoy por hoy no se limita únicamente al entorno universitario o a la investigación, sino que también está presente en la práctica totalidad de los sectores económicos de y desarrollo, incluyendo como algo más que complementario utilizado así cada una de las ramas de la física para el desarrollo integral de todas las áreas del desarrollo humano.
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