Conociendo la
Unidad
Menú de inicio La física, ciencia básica de la naturaleza .............................................................................................................................................. Págs. 12 – 13 Evolución de los conceptos y las teorías físicas ...................................................................................................................... Págs. 14 – 17 Las ramas actuales de la física ................................................................................................................................................................................... Págs. 18 – 19 Física y tecnología .............................................................................................................................................................................................................................. Págs. 20 – 21 Física y sociedad ..................................................................................................................................................................................................................................... Págs. 22 – 23 Física y medio ambiente ........................................................................................................................................................................................................ Págs. 24 – 27
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Abrir sesión La física es una de las ciencias naturales que más ha contribuido al desarrollo y bienestar del ser humano, ya que a través de su estudio es posible explicar una serie de fenómenos. La física ha experimentado un gran desarrollo gracias al esfuerzo de notables científicos, quienes al inventar y perfeccionar instrumentos, aparatos y equipos, han logrado que el ser humano agudice sus sentidos para detectar, observar y analizar los fenómenos.
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LA PALABRA FÍSICA PROVIENE DEL GRIEGO (PHYSIS) Y SIGNIFICA ‘NATURALEZA’.
La física, ciencia básica de la naturaleza Antiguamente, en la sociedad romana se denominaba físico al médico encargado de proporcionar distintos remedios para la salud. En realidad, el físico no era solo el médico, sino que reunía en sí mismo todo el saber científico conocido de su época.
Históricamente, el objetivo de la física ha sido el estudio de los fenómenos naturales, y hasta el siglo XVI estuvo incluida, junto con disciplinas como la biología, la geología, la me dicina, la química y la astronomía, dentro de la denominada “filosofía natural”. A lo largo del siglo XIX, la cantidad de conocimientos que for maban el núcleo doctrinal de estas disciplinas se amplió nota blemente, lo que ocasionó no solo su segregación en forma de asignaturas independientes impartidas en las distintas universi dades, sino, además, la aparición de especialidades dentro de cada una de ellas. En el caso de la física, a ramas ya conocidas, como la mecánica, se unieron otras, como el electromagnetismo, la termodinámica y la óptica. La física puede considerarse la ciencia más básica de entre to das las ciencias naturales, con un campo de interés que se ex tiende desde lo más pequeño, en el estudio de las partículas elementales que forman la materia, hasta lo más grande, en el análisis de las galaxias y de la estructura del Universo.
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Ámbitos de la FÍSICA Los hallazgos de las ciencias físicas afectan a muchos campos de la actividad humana, y las aplicaciones prácticas que se han generado a partir del estudio de la materia y de la energía han cambiado, en muchos aspectos, la vida de las personas en los últimos siglos, especialmente durante el siglo XX, haciéndola, en general, más cómoda.
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Química
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Sin embargo, el progreso científico y técnico ha traído ciertos inconvenientes, como nuevas formas de contaminación, agotamiento de recursos naturales, enfermedades, etc. Por tanto, la ciencia en general y la física en particular deben hacer frente a estos nuevos retos que suponen avanzar pero minimizando o evadiendo estos efectos.
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FISICOQUÍMICA
Biología
Física Actualmente, el campo de interés de la física se traslapa con el de otras ciencias naturales, de forma que sus fronteras no están perfectamente definidas.
Los grandes íconos de la física del siglo XXI • El anillo acelerador de partículas es un exponente de los avances científicos y tecnológicos de nuestra era. En él se aceleran partículas atómicas y subatómicas hasta velocida des próximas a la de la luz y se las conduce hasta un blanco formado por núcleos atómicos u otras partículas. Del estu dio de los fragmentos producidos en los choques pueden inferirse propiedades relacionadas con la estructura de la materia.
• El LHC, la Estación Espacial Internacional (ISS) y el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) son los grandes íconos de la física de comienzos del siglo XXI, y en su desarrollo intervienen multitud de universidades y la boratorios de todo el mundo.
Imagen elaborada por el sistema computacional de la Estación Espacial Internacional (ISS) sobre la Tierra.
En esta web, encontrarás una amplia información acerca de la física, sus campos de interés, blogs, diccionarios, etc. www.lawebdefisica.com/rama/historia.php Las relaciones entre ciencia, tecnología, sociedad y medio ambiente son complejas y variadas. Puedes encontrar información en: www.oei.es/cts.htm
Recuerda que las páginas webs o sus contenidos pueden variar.
En imágenes
En la red
Colisionador de hadrones (LHC).
• El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador de partículas que se ha construido en el complejo científico del CERN, cuyo funcionamiento comenzó en septiembre de 2008.
El “tokamak” es el prototipo de reactor nuclear de fusión que se está utilizando en el proyecto ITER.
Una buena introducción para adentrarse en los secretos de la física. www.tu.tv/videos/ el–universo–mecanico–leccion–1 www.mundofox.com/la/videos/no–lo–sabia/
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Evolución de los conceptos y las teorías físicas
A lo largo de la historia, el objetivo básico de la física, al igual que el de otras ciencias, ha sido unificar, es decir, agrupar fenómenos semejantes bajo principios y leyes que den explicación a todos ellos.
La escuela de Atenas es una de las obras más importantes del pintor renacentista Rafael. Se trata de un fresco de 5 m de altura que decora una de las estancias del Vaticano. En él se retrata a los filósofos, científicos y matemáticos de la época clásica, como Heráclito, Aristóteles o Hypatia de Alejandría.
Ya en la Antigüedad se emitieron teorías unificadoras sobre la composición de la materia: Tales de Mileto, en el siglo VI a. C., consideraba el agua como la esencia fundamental de la mate ria; Heráclito señalaba que era el fuego; Aristóteles suponía que eran cinco los elementos constituyentes de la materia: aire, agua, tierra, fuego y una quinta esencia, el éter, que confe ría espiritualidad a los cuerpos; Pitágoras defendía que el Uni verso y sus leyes se regían por unas pocas relaciones numéri cas razonablemente sencillas entre números enteros.
A pesar de que la Grecia antigua generó importantes científi cos que enunciaron algunas leyes y principios de validez ge neral, como Arquímedes de Siracusa, solo a partir del Rena cimiento (siglo XVI) puede hablarse de un afán unificador en los científicos. Estos intentaban postular leyes más generales que explicasen variedades cada vez más amplias de fenóme nos naturales.
La física de los dioses Los filósofos griegos creían que la naturaleza no estaba gobernada por leyes naturales, sino por fuerzas sobrenaturales que dirigían fenómenos físicos, como el movimiento de los astros o las tormentas. Estas fuerzas sobrenaturales se atribuían a los distintos dioses residentes en el monte Olimpo, que poseían poderes específicos sobre diversos aspectos del mundo natural. Por ejemplo, Zeus controlaba las tormentas y la caída de rayos; Poseidón, los mares y sus temporales, etc. Las relaciones entre los dioses y los hombres se producían a través de sus actuaciones sobre el mundo natural. Cada fenómeno tenía su descripción específica y no se buscaban principios universales que explicaran diversos fenómenos al mismo tiempo.
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Principales teorías unificadoras
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La gravitación universal Fue enunciada por el inglés Isaac Newton en el siglo XVII. Según esta teoría, todos los movimientos de los astros y la caída de los cuerpos están gobernados por un solo tipo de fuerza, llamada fuerza de gravedad. Si esta desapareciese, la Tierra perdería a la Luna y los cuerpos no caerían hacia el centro de la Tierra. Newton creó un modelo matemático para definir el Sistema Solar, del que han podido deducirse innumerables consecuencias. Una de ellas fue la predicción y posterior identificación de planetas desconocidos. Así se descubrieron Neptuno, en 1846, y el planeta enano Plutón, en 1930.
En la red En esta web podrás simular los movimientos del Sistema Solar, según las distintas teorías que trataron de explicarlos. www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/celeste/solar/ sistema_solar.htm
La generalidad de la ley de gravitación permite su aplicación en todo el Universo.
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Las viejas teorías geocentristas, que ubicaban a la Tierra como centro del Universo, dejaron de tener validez y dieron paso a las heliocentristas.
El calor y el movimiento molecular
Eje
Hasta principios del siglo XIX, se pensaba que el calor era un fluido, llamado calórico, contenido en los cuerpos y que estos podían intercambiar.
Termómetro
El físico inglés James Prescott Joule, en 1843, calculó el equivalente mecánico del calor y demostró que este no es un fluido. El experimento de Joule consistía en un dispositivo semejante al de la figura. Cuando las masas de los laterales caen libremente, la energía que pierden se emplea en mover una serie de paletas que hay en el interior del recipiente. Estas ponen en funcionamiento el agua, de modo que aumenta su temperatura. El resultado obtenido para esta relación fue que 4,18 joule son capaces de aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 g de agua. Puesto que el trabajo era una forma de transferencia de energía y el calor estaba directamente relacionado con él, a partir del experimento de Joule se concluye que el calor no es una forma de energía, sino una forma de transferir energía. La energía así transferida se denomina energía térmica.
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MASA
Agua Paletas
Montaje que relaciona el movimiento molecular con el calor.
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La teoría electromagnética Desde el siglo XIX, la teoría electromagnética aceptada fue propuesta por los físicos H.C. Oersted y M. Faraday. Ella explica los fenómenos eléctricos y magnéticos como aspectos distintos de una sola fuerza, la denominada fuerza electromagnética. Posteriormente, el físico inglés James Clerk Maxwell propuso una naturaleza elec tromagnética para la luz, hecho comprobado por el físico alemán H. R. Hertz. Después, los trabajos de numerosos científicos pusieron de manifiesto las profundas relaciones entre la electricidad y el magnetismo. La síntesis de Maxwell unificaba, de esta forma, tres campos que hasta el momento se habían considerado indepen dientes: la electricidad, el magnetismo y la óptica. El establecimiento de la teoría electromagnética y el desarrollo de la tecnología necesaria para producir y detectar ondas electromagnéticas han favorecido el gran avance de las telecomunicaciones.
Unificación espacio-tiempo y masa-energía En la teoría de la relatividad se abandonan las ideas de espacio y tiempo absolutos, utilizadas por Newton en la descripción del movimiento de los cuerpos, y se sustituyen por el llamado “continuo espaciotiempo”. Según esta teoría, las masas producen la curvatura de ese espaciotiempo y se postula, además, la igualdad entre las masas inercial y gravitatoria. Entre las predicciones de la teoría de la relatividad se encuentra la desviación de la luz por los objetos muy masivos.
El físico alemán A. Einstein, probablemente uno de los más importantes del siglo XX, en su teoría de la relatividad (especial y general) propone las unificaciones del espacio-tiempo y de masa-energía.
Las consecuencias de la relatividad
En el espacio se producen espejismos
Esta es una teoría con resultados muy sorprendentes, que adquieren verdadero sentido en sistemas que se desplazan a muy altas velocidades (cercanas a la de la luz). Cuando los sistemas se mueven a velocidades cercanas a las cotidianas, son difíciles de observar.
Este efecto óptico, producido por la desviación que sufre la luz al pasar por las cercanías de un campo gravitatorio fuerte, es una circunstancia que se predice en la teoría de la relatividad.
La teoría de la relatividad usa como base la idea de que la velocidad de la luz es independiente del marco de referencia que se use para medirla. Mediante la teoría especial de la relatividad, Einstein establece que la velocidad de la luz en el vacío (c= 3 •108 m/s) es la máxima que se puede alcanzar. • Las longitudes se acortan a velocidades próximas a la de la luz. • El tiempo transcurre más lentamente cuando se viaja a velocidades cercanas a la de la luz. Esto se conoce como la dilatación del tiempo. • La masa es una forma de energía.
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Einstein indicó que la imagen de un objeto muy brillante y lejano podría verse multiplicada por otro objeto que se interpusiese entre él y la Tierra. La gravedad actuaría como una lente y produciría cuatro imágenes del objeto en forma de cruz. La primera vez que se observó este fenómeno fue denominado precisamente “cruz de Einstein”, en su honor, y fue divisada por el telescopio espacial Hubble, cuya imagen más nítida reproducimos aquí.
Cruz de Einstein.
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La dualidad onda-partícula En 1900, el físico alemán M. Planck estableció la constante de Planck para calcular la energía de un fotón a partir de la frecuencia con que es emitido. En 1905, Albert Einstein propuso que las ondas electromagnéticas (luz) también pueden comportarse, en determinadas condicio nes, como partículas, lo que permite explicar su comportamiento en ciertos fenómenos, como el “efecto fotoeléctrico” y el “efecto Compton”. En 1922, el físico francés L. de Broglie propuso un comportamiento ondulatorio de las partículas, y estableció una dualidad ondapartícula para la luz, hipótesis posteriormente comprobada en fenómenos como la difracción de neutro nes o de electrones. Todas estas ideas sentaron las bases para el desarrollo de la mecánica cuántica, que suponía una unificación de los aspectos corpusculares y ondulatorios de los cuerpos.
La unificación electromagnetismo- fuerza débil La fuerza nuclear débil es la responsable de algunas desintegraciones, como la emisión de rayos β por los núcleos. A fines de la década de los sesenta, se estableció el mismo origen para esta fuerza y el electromagnetismo. La experiencia histórica permite augurar nuevas unificaciones que reduzcan tanto el número de partículas aparentemente elementales como el de fuerzas fundamentales.
¿Onda o partícula? Los fenómenos electromagnéticos se manifiestan de ambas formas El efecto fotoeléctrico, fundamento de la energía solar fotovoltaica, y los fenómenos de interacción de la radiación con la materia, como los espectros discontinuos, son pruebas de que la luz (o la energía que transporta) se comporta como un corpúsculo.
Serie Lyman ultravioleta
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La física progresa hacia niveles de conocimiento más profundos, pero descritos por leyes y teorías cada vez más simples y unificadoras.
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Espectro discontinuo de emisión del átomo de hidrógeno.
La dispersión de la luz al atravesar algunos medios, como las gotas de agua, es una manifestación de la luz como fenómeno ondulatorio.
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Las ramas actuales de la física Física clásica Hasta finales del siglo XIX, todos los fenómenos que eran objeto de estudio de la física estaban clasificados en secciones cuyos nombres a veces hacían referencia a los medios empleados para obtener información, que inicialmente eran solo los sentidos: oído, olfato, vista, gusto y tacto. Hoy entendemos la física clásica compuesta por cinco grandes bloques.
Isaac Newton sentó las bases de la denominada física clásica.
La mecánica
La termodinámica
Describe el movimiento y sus causas.
Estudia la relación entre la materia y el calor.
La óptica La electricidad y el magnetismo
Estudia los fenómenos luminosos.
Estudia los fenómenos asociados a fuerzas eléctricas y magnéticas.
La acústica Estudia el sonido y sus aplicaciones.
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Física moderna
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Cuando la técnica permitió el acercamiento a lo más pequeño (átomos y partículas subatómicas) y a lo más grande (estrellas y galaxias), surgieron nuevas ramas de estudio. Durante el siglo XX, se desarrolla la denominada física moderna como una muestra de que no se trata de una disciplina cerrada, sino en continua expansión. Su origen se encuentra en la búsqueda de soluciones a problemas de la época, como la emisión de energía del cuerpo negro. Una de las soluciones ofrecida por Max Planck, la cuantización de la energía, revolucionó el mundo de la física e hizo que se removieran de su sillón todos aquellos que creían que en física ya estaba todo dicho. Son disciplinas de la física moderna:
Max Planck, con su teoría de la cuantización de la energía, fue el precursor de la física moderna.
La mecánica relativista Amplía las descripciones de la mecánica clásica en la definición del movimiento de los cuerpos.
La mecánica cuántica Describe el comportamiento de los llamados “entes cuánticos”, como fotones y partículas subatómicas.
La termodinámica estadística Aplica la mecánica cuántica a sistemas con muchas partículas, como los gases.
La física de partículas Estudia las partículas más pequeñas que constituyen la materia.
La electrónica Estudia el comportamiento del electrón y sus aplicaciones.
La física del estado sólido Estudia el comportamiento de la materia en ese estado.
Con excepción de la relatividad, todas las disciplinas de la física moderna tienen mucho que ver con el conocimiento del átomo.
Dimensiones
Un criterio actual de clasificación de las áreas de conocimiento de la física las agrupa atendiendo a las dimensiones y a la velocidad de los objetos que son motivo de estudio.
Velocidad c 10 c Menores que 10 c Entre y c 10
Mecánica clásica
Grandes en relación a los átomos y pequeñas en relación a las galaxias.
Mecánica cuántica
Comprendidas entre el tamaño del núcleo y el tamaño del átomo.
Mecánica relativista
Grandes en relación a los átomos y pequeñas en relación a las galaxias.
Mecánica cuántica relativista
Comprendidas entre el tamaño del núcleo y el tamaño del átomo.
Entre
Física cosmológica
Por encima del tamaño de las galaxias (más de 1020 m).
Menores que
Cosmología relativista
Por encima del tamaño de las galaxias (más de 1020 m).
Entre
Menores que
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* c es la velocidad de la luz en el vacío. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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FÍSICA y tecnología En general, los avances tecnológicos son consecuencia de un conocimiento profundo de determinadas ciencias. Por ejemplo, la explotación tecnológica de ciertas energías, como la nuclear, ha podido realizarse gracias a un conocimiento extenso y profundo de las leyes de la física que afectan al núcleo atómico.
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a construcción de máquinas se llevó a cabo, inicialmente, para imitar la acción artesanal del hombre. Por ejemplo, las máquinas de hilar o tejer realizaban movimientos similares a los del hombre cuando hacía estas actividades. Otras tenían la función de facilitar el movimiento de cargas pesadas, como levantar fardos o cortar materiales. La invención e introducción de la máquina de vapor se produjo gracias a un mejor conocimiento de las leyes de la termodinámica. La máquina de vapor puso al servicio de la humanidad la energía del carbón, con lo que desplazó al trabajo manual.
Una nueva era Un cambio significativo en el afán de la ciencia por imitar las manos humanas se produce con la introducción de la electricidad y el desarrollo de la electrotecnia y la electrónica. Los aparatos electrónicos no guardan semejanza con los utilizados en el taller tradicional, ya que las fuerzas que los ponen en funcionamiento, las fuerzas eléctricas, no pertenecen a la experiencia diaria.
No se puede deducir a simple vista el funcionamiento de los circuitos electrónicos.
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Primera máquina de vapor, diseñada por James Watt.
De la observación de su funcionamiento no se deduce cuál es su mecanismo pues no se aprecian desplazamientos de “algo” por sus conductores y componentes. Tal hecho confiere a estos instrumentos un carácter misterioso a los ojos de las personas.
El uso masivo de la electricidad desde finales del siglo XIX para mover máquinas y, sobre todo, el empleo de dispositivos electrónicos en la segunda mitad del siglo XX han vuelto a cambiar los métodos de producción en la industria.
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Implicaciones entre la física y la tecnología La técnica delante de la ciencia El desarrollo de la técnica ha sido, en muchas ocasiones, condición previa para el avance de la física, pues solo el refinamiento en los medios de observación ha permitido una profundización en las teorías. Ejemplos importantes son la invención del telescopio, fundamental para el desarrollo de la mecánica celeste y de la física del cosmos, o el descubrimiento de los rayos X, que ha facilitado el progreso de la medicina.
Primera radiografía con rayos X hecha por Wilhelm Roentgen, en la que se pueden observar los huesos de de la mano de su esposa, Anna.
Durante la década de 1940, los físicos norteamericanos Bardeen, Brattain y Shockley, investigando con semiconductores, descubrieron el transistor. Debido a la gran importancia de este hallazgo, se les concedió en 1956 el Premio Nobel de Física. El desarrollo de la mecánica celeste, iniciado por científicos como Kepler o Galileo, ha permitido al ser humano conquistar el espacio.
La ciencia delante de la técnica Los conocimientos físicos han sido, otras veces, los impulsores del desarrollo tecnológico. La electrónica, que inicialmente apareció como una parte de la electricidad, a partir de la segunda mitad del siglo XX experimentó un gran desarrollo debido a los conocimientos profundos de la física del estado sólido. La invención del transistor y el posterior proceso de miniaturización del mismo son el resultado de este conocimiento. La tecnología actual ha hecho realidad lo que era ficción hace unos pocos años. Ya es posible construir micromotores y microbombas de tamaños inferiores a 1 mm que pueden ser introducidos en el interior del cuerpo humano para aplicar diferentes tratamientos médicos. Las relaciones entre la física y la tecnología son complejas y profundas, y muchas veces superan a la ficción.
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FÍSICA y sociedad Los físicos en su tiempo La influencia de los físicos en las diversas sociedades, a través de sus teorías o de sus desarrollos prácticos, ha sido notoria en todas las épocas.
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ueron muchos los sabios que en la Antigüedad dejaron huella: Platón, Aristóteles, Arquímedes, etc., pero tomemos como ejemplo a Ptolomeo, astrónomo, químico, geógrafo y matemático. Dominó todos estos campos, aunque su principal aporte fue su modelo del Universo. A pesar de ser geocentrista, la descripción que hace del Universo y lo que en él acontece es de tal precisión que los navegantes estuvieron utilizando su cartografía celeste hasta mucho tiempo después de conocerse que la Tierra no era el centro del Universo.
En 1543, ya en pleno Renacimiento, se imprimió el libro “De revolutionibus orbis caelestium”, de Nicolás Copérnico, que establecía un nuevo sistema del mundo, con el Sol en el centro y los planetas orbitando a su alrededor. La ruptura que representaba para la ideología medieval la sustitución de un cosmos con el hombre como centro por un universo homogéneo e infinito, situado alrededor del Sol, hizo dudar a Copérnico, quien no publicó su obra para evitar problemas con la Iglesia. Las ideas y teorías científicas no siempre han sido aceptadas de buen grado por la sociedad. En 1633, Galileo Galilei fue conducido ante el tribunal del Santo Oficio de la Iglesia, donde fue obligado a retractarse de sus ideas sobre el movimiento terrestre y el sistema heliocéntrico.
Galileo ante la autoridad eclesiástica.
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Sin embargo, otros muchos científicos han visto sus méritos reconocidos en vida. EI científico inglés Isaac Newton, nacido en 1642, fue nombrado a la edad de 26 años profesor de la Universidad de Cambridge, y a los 30, miembro de la Royal Society, el más alto honor científico de Inglaterra. En 1705, fue nombrado caballero “sir Isaac Newton” y llegó a ser una persona realmente influyente en la sociedad de su época. En 1609, Johannes Kepler describió matemáticamente la forma de las órbitas planetarias, y en 1610, Galileo Galilei adaptó el primer telescopio para fines astronómicos, con el que realizó minuciosas observaciones de la Luna y los planetas: todas ellas corroboraban el sistema heliocéntrico.
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Influencia de la física en la sociedad del siglo XX En el siglo XVIII se descubrió la electricidad. Su control, durante el siglo XIX, y su desarrollo, durante el siglo XX, junto con sus aplicaciones en muchos ámbitos de la vida cotidiana, como el alumbrado y los electrodomésticos, han producido un cambio determinante en las costumbres sociales, además de una revolución industrial y económica. La energía nuclear es otro referente en cuanto a las implicaciones sociales de la física. En 1939, los físicos eran capaces de fabricar armas atómicas. La información sobre esos temas se convirtió en secreto de Estado en los países que la poseían, por lo que se controlaron todas las actividades de los científicos.
La utilización de la bomba nuclear sobre Japón ocasionó una catástrofe de imprevisibles consecuencias, así como la destrucción total de dos ciudades: Hiroshima y Nagasaki, que tuvo como saldo una devastadora cifra en pérdida de vidas humanas. Esto supuso el fin inmediato de la Segunda Guerra Mundial. El desarrollo de las armas nucleares determinó la política de alianzas estratégicas. La división del mundo en dos bloques, liderados por Estados Unidos y la antigua Unión Soviética, en la denominada «Guerra fría», se mantuvo hasta principios de la década de los años noventa del siglo XX. En este estado de permanente tensión, se tenía la certeza de que una guerra nuclear no tendría vencedores y provocaría una catástrofe generalizada que se extendería a escala planetaria. Pero también la energía nuclear se ha empleado con fines pacíficos; por ejemplo, en la producción de energía eléctrica o en aplicaciones médicas, como las radiaciones terapéuticas.
En la segunda mitad del siglo XX, la electrónica ha originado la última revolución. En 1948 se construyó el primer transistor, que sustituiría a las lámparas electrónicas. Desde entonces, la miniaturización de estos dispositivos y su fabricación a gran escala ha supuesto un nuevo cambio de las costumbres sociales. El desarrollo de los computadores y el empleo generalizado de la informática está cambiando las relaciones laborales clásicas: ya no es necesaria la presencia física de un profesional en un determinado lugar, ya que a través de un terminal conectado a la internet, el trabajador puede realizar su tarea comunicándose con cualquier lugar del mundo, transmitiendo y recibiendo información escrita o mensajes orales e imágenes. También las comunicaciones digitales vía satélite están ampliando, en nuestros días, esta posibilidad.
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FÍSICA y medio ambiente El progreso, tanto científico como técnico, proporciona indiscutibles ventajas. Sin embargo, también conlleva algunos inconvenientes. Por ejemplo, la creciente actividad industrial degrada el entorno en mayor o menor medida.
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uchos de los problemas ambientales están asociados a la producción y utilización de la energía y de las materias primas. Incluso el uso de fuentes renovables de energía plantea inconvenientes. Por ejemplo, los aerogeneradores producen ruidos y ocasionan daños a las aves, las centrales hidráulicas son responsables de inundaciones de valles, etcétera. En general, el desarrollo científico y tecnológico no está exento de desventajas. Por todo ello, la sociedad moderna va desarrollando una preocupación creciente por la conservación del medio ambiente y, en definitiva, por su propia supervivencia.
La contaminación térmica En todo proceso de transformación energética, una parte de la energía se transfiere al ambiente en forma de calor mediante la «convección», «conducción» y «radiación». Otra parte se libera al espacio. En las zonas urbanas se realizan combustiones cuyo fin es la producción de calor, como sucede en las calefacciones de edificios, o la producción de trabajo útil, como en el caso de los motores de automóviles. En ambas situaciones se libera gran cantidad de energía a la atmósfera. Como consecuencia, en el centro de las grandes ciudades se registran temperaturas medias entre 2 y 5 °C más elevadas que en su periferia. Las centrales termoeléctricas son otra fuente importante de contaminación térmica. Dentro del ciclo de funcionamiento de una central termoeléctrica, tanto si utiliza combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas) como si es nuclear, se encuentra el proceso de refrigeración del líquido que extrae directamente el calor de la caldera o del núcleo del reactor.
Las torres de refrigeración son estructuras que bajan la temperatura del agua utilizada en la central.
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Por lo general, en las centrales termoeléctricas se emplea agua de ríos próximos o del mar que, después de ser parcialmente enfriada en las torres de refrigeración, se devuelve a su cauce original pero a una temperatura muy superior. Esto produce un aumento significativo de la temperatura en el entorno acuífero de la zona.
Efectos del aumento de la temperatura • Disminución de la solubilidad del oxígeno. Esta puede pasar de ser 11,3 mg/ L a 10 °C, o de 7,6 mg/L a 30 °C. Los mayores perjudicados son los peces, que encontrarán más dificultades para respirar. • Aceleración del metabolismo de los peces y, por tanto, mayor necesidad de oxígeno que, como hemos visto, se encuentra en menor cantidad. • Incremento del desarrollo de bacterias patógenas, como las cianobacterias. • Trastornos en las cadenas alimentarias; a veces, con la destrucción del plancton. • Variación de la solubilidad de diversas sales en el agua, con el consiguiente cambio de sus propiedades, lo que puede afectar a diversos animales y plantas.
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La contaminación lumínica El aire con vapor de agua y, generalmente, contaminado con sustancias químicas, difunde los rayos luminosos, lo que origina una luminosidad de fondo. En principio, esta es inocua para la salud humana, pero puede influir de forma apreciable sobre las costumbres de otras especies al modificar su ecosistema.
Otro aspecto negativo de la llamada contaminación lumínica es la necesidad de llevar hasta zonas muy apartadas los telescopios e instrumentos, puesto que la observación de objetos de luminosidad débil, como estrellas y galaxias, se ve gravemente impedida por la existencia de luz difusa.
La necesaria utilización de alumbrado público en poblaciones, así como en instalaciones industriales y comerciales, produce la emisión de una gran cantidad de energía luminosa, como puede apreciarse en la imagen.
La contaminación electromagnética Muchas ondas electromagnéticas cruzan constantemente el espacio. Algunas son de origen natural, pero la mayoría se producen artificialmente para establecer telecomunicaciones. A pesar de la regulación legal del espectro radioeléctrico, las interferencias entre las distintas ondas electromagnéticas son cada vez mayores debido a la proliferación de aparatos eléctricos y electrónicos. Los cables por los que circula corriente eléctrica producen en sus cercanías campos eléctricos y magnéticos de alta frecuencia que pueden llegar a ser de intensidad apreciable. Las líneas eléctricas de alta tensión y los aparatos eléctricos (pantallas de televisión, computadores, etcétera) producen campos electromagnéticos de baja frecuencia, cuya influencia sobre la salud humana no está completamente establecida, pero se han dado algunas señales de alarma. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Energías alternativas El progreso científico también desvía parte de sus esfuerzos a la búsqueda de nuevas fuentes de energía cuyos efectos no sean tan perniciosos como las tradicionales. Las fuentes de energía alternativas son aquellas que se empiezan a utilizar en reemplazo de las tradicionales. Fundamentalmente, se engloban en este concepto aquellas energías que están clasificadas como renovables o verdes, aunque hay quienes incluyen en las energías alternativas a todas aquellas que no implican el consumo de combustibles fósiles, como carbón, gas y petróleo. En esta última clasificación estarían la energía nuclear y la hidroeléctrica. La gran importancia de este tipo de energía reside en su renovabilidad. Es decir, no se agotan o no lo hacen en la misma medida que las que dependen de combustibles fósiles.
Energía solar Quizás deberíamos reconocer al Sol como nuestra única fuente de energía, ya que en mayor o menor medida todas las demás dependen de sus efectos. Sin embargo, cuando hablamos de energía solar nos referimos a su aprovechamiento directo como energía térmica o eléctrica, mediante su transformación en los paneles solares. Las centrales térmicas solares utilizan colectores térmicos que concentran los rayos del Sol en una zona por la que pasa un líquido. Este, al ser calentado, se transforma en vapor, que se emplea para mover turbinas y transformar la energía cinética en eléctrica mediante generadores.
El Sol calienta el agua hasta que se produce, vapor que moverá las turbinas para generar electricidad.
Una propiedad importante de la energía solar es que sus pérdidas por transporte se pueden reducir, ya que, como el Sol alumbra en todas partes, podemos obtenerla allí donde va a ser utilizada. De esta forma, en la actualidad, muchos edificios incorporan a su estructura paneles solares que permiten calentar agua para calefacción o sanitaria. En los paneles fotovoltaicos, la energía de la luz solar se usa para liberar electrones y crear una corriente eléctrica a partir del efecto fotoeléctrico. Debido a su bajo rendimiento, la mayoría de las empresas que se dedican a la fabricación de las placas solares siguen investigando para mejorar en este aspecto.
Energía solar en Chile El norte de Chile, entre la región de Arica y Parinacota y Coquimbo, es la zona en la que existe uno de los niveles más altos del mundo de radiación solar. A pesar de que en todo el país este tipo de energía es suficientemente intensa como para poder aprovecharla en forma eficiente, ello no ocurre. Últimamente, se ha desarrollado en gran medida la tecnología fotovoltaica, destinada a diferentes ámbitos, como las telecomunicaciones, las retransmisiones de televisión o los sistemas de iluminación con paneles fotovoltaicos y electrificación rural. El Programa de Electrificación Rural (PER) ha favorecido que organismos públicos y particulares hayan instalado paneles para alumbrado y electrificación de viviendas. También se han desarrollado soluciones individuales con sistemas fotovoltaicos para abastecer de energía eléctrica a viviendas rurales, escuelas y postas.
El girasol es el símbolo que representa las energías renovables por su aprovechamiento de la luz del Sol, su utilidad para la obtención de biodiésel y su parecido con el Astro.
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La energía eólica en Chile
La energía eólica es la que se obtiene a partir de la fuerza del viento. Desde la Antigüedad ha sido utilizada para mover los barcos de vela o, en algunos países, para moler grano en los molinos de viento. Actualmente, representa una de las tecnologías más desarrolladas gracias a la instalación de aerogeneradores en zonas que, por sus características geográficas, reciben una gran cantidad de viento durante casi todo el año. Su funcionamiento es como el de cualquier central, pues lo que el viento produce es un giro, lo único necesario para que los generadores de corriente comiencen a trabajar. Es un recurso renovable, abundante y limpio que ayudará a disminuir las emisiones de gases nocivos que estimulan a la generación del efecto invernadero. En la actualidad, solo el 1% de la energía mundial es de origen eólico, pero en algunos países, como Dinamarca, alcanza el 19% de su producción energética. Por ello, se espera un aumento progresivo de su uso en muchos países en los que existe una gran preocupación por las consecuencias de la emisión de gases contaminantes.
Energía geotérmica De todas las fuentes de energía alternativas, la geotérmica es la única que no tiene dependencia del Sol, ya que procede del aprovechamiento del calor interno de la Tierra. Como fuente de energía, puede considerarse inagotable; el inconveniente que presenta es su irregular abundancia en el planeta.
En 2001 se inauguró en Chile el primer parque eólico: la central “Alto Baguales”, en la Región de Aysén, y desde 2007 opera el primer parque eólico conectado al Sistema Interconectado Central (SIC) en Canela (Región de Coquimbo). Estas iniciativas se complementan con varios proyectos que forman parte del Programa de Electrificación Rural para abastecer a pequeñas localidades eléctricamente aisladas. Entre estos proyectos, destaca el de generación de energía eólica en la Isla Tac (en el Archipiélago de Chiloé, Región de Los Lagos), que funciona desde el año 2000 y ha beneficiado a más de 50 familias. Se trata de un sistema híbrido eólicodiésel.
El compromiso chileno En el mes de noviembre de 2009, se crea el Ministerio de Energía de Chile. Algunos de sus objetivos son: promover las energías renovables no convencionales y la eficiencia energética, el desarrollo sustentable y la protección del medio ambiente, además de favorecer y fomentar las políticas de energización social y rural.
El aprovechamiento de esta fuente de energía puede ser directo, como se hacía en las antiguas termas y en el sistema de calefacción de algunas ciudades, o indirecto, cuando se transforma en electricidad la energía térmica. Para ello se hace descender un líquido hasta zonas que se encuentran a temperaturas muy altas y se lo transforma en vapor, el que se dirige a turbinas solidarias con generadores eléctricos que convierten el giro en corriente eléctrica. El líquido se condensa e introduce de nuevo en el circuito.
En la red
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Comisión Nacional de Energía de Chile: www.cne.cl/ Programa País de Eficiencia Energética: www.ppee.cl/576/propertyvalue-12369.html Asociación Chilena de Energía Solar (Acesol): www.acesol.cl/
En paralelo, se pone en marcha la creación de la Agencia Chilena de la Eficiencia Energética (ACHEE), cuya misión principal es: “el estudio, evaluación, promoción, información, desarrollo y coordinación de todo tipo de iniciativas relacionadas con la diversificación, ahorro y uso eficiente de la energía”.
Un molino de viento de tres aspas gira utilizando la energía cinética generada por las corrientes de aire.
Recuerda que las páginas webs o sus contenidos pueden variar.
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Unidad
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Oscilaciones y ONDAS
Seguramente has visto estas estructuras. ¿Para qué crees que sirven?, ¿qué importancia tiene el tamaño de las antenas parabólicas?, ¿cómo crees que se escoge el lugar hacia donde apuntan?
Menú de inicio ¿Qué aprenderás?
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¿Para qué?
¿Dónde?
Planteamiento de problemas y formulación de hipótesis en investigaciones científicas.
Aplicar las habilidades de pensamiento científico en el planteamiento de problemas y en la formulación de hipótesis en investigaciones experimentales.
Páginas 30 y 31, 56 y 57, 64
Vibraciones, oscilaciones, ondas y transmisión de energía. Características de las ondas.
Identificar las características de las ondas en el movimiento ondulatorio, señalando las partes y magnitudes que las definen.
Páginas 32 a 41
Clasificación de las ondas.
Describir una onda atendiendo a las diferentes clasificaciones.
Páginas 42 a 45
Propiedades y aplicaciones de las ondas.
Explicar las propiedades de las ondas cuando interaccionan entre ellas y con su entorno, relacionándolas con sus aplicaciones tecnológicas.
Páginas 50 a 55, 58 y 59
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Abrir sesión Las ondas tienen una importancia vital en nuestra vida cotidiana. El sentido de la audición, por ejemplo, capta los sonidos cuando es al canzado por las ondas sonoras; el sentido de la vista, en cambio, capta la luz, que es una onda electromagnética. En consecuencia, podemos apreciar que mucha de la información que nos llega del entorno es posible gracias a los movimientos ondulatorios. A continuación, observa las imágenes y responde las preguntas. 1. ¿Por qué crees que el agua toma forma de círculos concéntricos cuando se le arroja una piedra? 2. ¿Qué relación podrías encontrar entre la figura que se forma en el líquido y la ficha de dominó? Vamos a iniciarnos en el estudio de los movimientos ondulatorios y de los fenómenos asociados a ellos para comprender su importancia en nuestras vidas.
¿Por qué las fichas de dominó se van cayendo una sobre la otra? ¿Qué es lo que se transmite entre una ficha y otra?
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Evaluación inicial - Pensamiento científico
Inicializando
Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de resultados. 5. Interpretación de resultados. 6. Elaboración de conclusiones.
¿Cómo se plantea un problema? Un problema se plantea estableciendo una relación entre las variables.
¿Cómo se formula una hipótesis? Una hipótesis se formula anticipando la respuesta, en términos de la manipulación de las variables presentes en el problema, la que debe ser contrastada de forma experimental.
Gran parte de lo que se encuentra a nuestro alrededor parece moverse. Un tipo particular de movimiento es el ondulatorio, que se propaga cuando se produce una perturbación en un medio físico. La perturbación se caracteriza por la formación de ondas que pueden avanzar en todas direcciones, dependiendo del medio y de las condiciones en que se propaguen. A continuación, te invitamos a realizar un diseño experimental que te permitirá comprender el comportamiento de las ondas en una cuerda flexible con palitos de helados pegados a ella y posteriormente reconocer el problema y la hipótesis que es resuelta a través de la situación experimental. Ten presente que tu compromiso es importante para desarrollar las habilidades de pensamiento científico.
Procedimiento experimental En primer lugar, organicen grupos de trabajo para armar el montaje experimental según las indicaciones presentadas en cada paso del procedimiento. A continuación, en un espacio abierto y libre de obstáculos, pongan a prueba su diseño experimental para observar qué sucede cuando se mueve uno de los palitos de madera. 1. Peguen los palitos de madera por su parte central y a espacios regulares; por ejemplo, cada 4 cm en una cuerda flexible o elástica.
Ayuda Una variable es una característica, un factor, una cualidad o un atributo que se debe estudiar, que se puede manipular y que, a su vez, permite observar la relación entre las causas y los efectos.
Materiales – Una cuerda flexible o elástica de unos tres metros de longitud. – Palitos de madera o palos de helado. – Cola fría o silicona. Modelo que representa la forma como se pegan los palitos de madera a la cuerda elástica o flexible.
2. Amarren un extremo de la cuerda, con los palitos pegados, al respaldo de una silla. 3. Levanten la cuerda elástica y estírenla suavemente, sin que la tensión sea muy grande, y unan el otro extremo de la cuerda al respaldo de otra silla. 4. Den un leve empujón a uno de los palitos de uno de los extremos de la cuerda y gene ren un movimiento. Observen qué sucede. 5. Repitan el paso anterior y experimenten generando distintas perturbaciones, unas más lentas y varias más rápidas. ¿Qué sucede con el movimiento en cada caso? 6. Realicen el mismo movimiento ondulatorio en la cuerda, pero variando la tensión, más tensa o menos tensa. Primero, haciendo el movimiento de vaivén corto y rápido, para después hacerlo amplio y lento. Registren el tiempo y vean las diferencias.
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Planteamiento del problema El procedimiento experimental descrito pretende ayudar a resolver un problema. ¿Cuál de los siguientes podría ser ese problema de investigación? Problema 1 • ¿Qué sucede con la rapidez de la onda que se genera si se da un leve empujón hacia abajo al extremo de uno de los palitos de helado pegados a una cuerda más o menos tensa? Problema 2 • ¿Cómo afecta al movimiento ondulatorio generado en la cuerda una perturbación o va rias perturbaciones sucesivas?
Ayuda El movimiento ondulatorio y vibratorio se inicia a partir de un foco emisor que genera una perturbación, la que se transmite por un medio, como la cuerda flexible, en este caso.
¿Qué variables están presentes en el problema? Variable dependiente: Variable independiente:
Mi estado
Formulación de hipótesis
En esta actividad: ¿Qué me resultó más fácil? ¿Por qué?
¿Qué hipótesis eliges de acuerdo al problema de investigación? Hipótesis 1 • Mientras más tensa esté la cuerda con los palitos de helados, mayor será la rapidez de pro pagación de la onda generada por la perturbación. Hipótesis 2 • El número de perturbaciones generadas en la cuerda está directamente relacionado con la formación de ondas.
Obtención de resultados
Respecto de plantear un problema y formular una hipótesis: ¿Cuál es su importancia? ¿Cómo sabes que el problema y la hipótesis están formulados correctamente? ¿Cómo evalúas tu desempeño?
En la tabla del costado, registra el comportamiento del montaje para estudiar el movimien to ondulatorio a partir de la generación de perturbaciones.
Interpretación de resultados
Tensión de la cuerda
a. ¿Qué resultados te permiten validar la hipótesis?
Menor tensión
b. ¿Qué predicciones puedes realizar sobre el medio de propagación de una onda?
Mayor tensión
Rapidez de propagación de la onda
Elaboración de conclusiones a. ¿A qué conclusiones llegaste sobre el movimiento ondulatorio en una cuerda?
Archivos ocultos Considera el desarrollo de la actividad: a. ¿Se puede afirmar que la hipótesis es válida a partir del procedimiento experimental o es necesario reformular el problema de investigación y/o la hipótesis? (Etapa 1 y 2 del método)
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Vibraciones y oscilaciones en el entorno La relación que existe entre nosotros y el medio es posible mantenerla en gran medida gra cias al movimiento ondulatorio: la luz del Sol, el ruido de la calle, la información de la radio y la televisión, entre otros, llegan a nosotros a través de ondas. Para entender estos fenómenos es importante hablar de su origen: la vibración, que es uno de los movimientos más importantes y repetidos de la naturaleza. Consiste básicamente en un movimiento lineal de ida y vuelta que realizan algunos cuerpos cuando se les saca de su posición de equilibrio. Si pudiéramos dibujarlo, describiríamos una línea recta que re presentaría el alejamiento debido a la perturbación. Esto sucede, por ejemplo, cuando una rama de un árbol azotada por el viento vibra en torno a la posición central, lo que genera el movimiento vibratorio, o cuando una cuerda de guitarra es pulsada para tener el sonido de una nota musical.
Mucha de la información que percibimos de nuestro entorno se debe a fenómenos ondulatorios como la luz o el sonido, por ejemplo.
Representación de la trayectoria del movimiento vibratorio
Trayectoria cuerda
Posición de equilibrio
Posición de equilibrio Trayectoria del árbol
Al pulsar una cuerda de la guitarra, esta vibra a partir de su posición de origen y realiza un movimiento.
La punta de la rama del árbol realiza un movimiento vibratorio al ser empujada por el viento.
Por otra parte, una oscilación es un movimiento de ida y vuelta de un punto en torno a la posición de equilibrio estable, lo que produce el movimiento oscilatorio, que se carac teriza por ser periódico, es decir, se repite en ambas direcciones. Un ejemplo muy claro de este movimiento lo podemos ver en los relojes de péndulo. Si el movimiento de vaivén emplea el mismo tiempo en un sentido que en el otro desde su posición de equilibrio, se denomina movimiento armónico simple. Este permite estudiar los fenómenos oscilatorios que ocurren en la naturaleza.
Actividad propuesta 1. Identifica en los diferentes ejemplos si se trata de una vibración o de una oscilación. Cuando te columpias, estás en presencia del movimiento oscilatorio.
a. Un edificio de gran altura se mueve de un lado a otro imperceptiblemente. b. El rebote de una pelota de básquetbol. c. El movimiento de una lámpara colgada del techo. 2. Explica mediante un ejemplo el movimiento que lleva asociado tanto la vibración del cuerpo como la oscilación de un punto.
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En la naturaleza existen muchos fenómenos que se repiten periódicamente. Por ejem plo, el recorrido de los planetas alrededor del Sol; el movimiento de traslación de la Tierra, que da lugar a las estaciones del año; la rotación de la Tierra, que origina el día y la noche; las manecillas de un reloj, que van marcando las horas, los minutos y los segundos. Todos ellos pueden ser descritos por medio de algunas magnitudes comu nes para las vibraciones, oscilaciones, movimiento armónico simple y movimiento on dulatorio, como son el período y la frecuencia, que veremos en detalle más adelante. Revisemos algunos ejemplos de estos fenómenos repetitivos y periódicos a través de las siguientes imágenes:
La Luna se mueve en torno a la Tierra en un período de 28 días, y su frecuencia es un ciclo en 28 días.
Las manecillas del reloj completarán una vuelta o un ciclo cuando pasen nuevamente por ese punto; en el caso del horario, lo harán en un tiempo de 12 horas o en un período de 12 horas .
El reloj de arena completará un ciclo o un período cuando caiga toda la arena.
Actividad modelada Un resorte completa cinco ciclos en 25 segundos. ¿Cuál es su período? ¿Cuál es su frecuencia? Para determinar el período, T, debemos saber cuánto tiempo demora en cada ciclo. Si sabemos que completa 5 ciclos en 25 segundos, podemos resolver la proporción: 5 ciclos 1 ciclo = 25 segundos T T=
25 segundos • 1 ciclo →T=5s 5 ciclos Posición de equilibrio
Para calcular la frecuencia, f, del movimiento, necesitamos determinar cuántos ciclos logra completar en cada segundo. Con la información del enunciado, podemos construir la siguiente proporción: f 5 ciclos = 25 segundos 1 segundo f=
5 ciclos • 1 s 1 ciclo 1 ciclo →→ f= f= 25 s 5s 5 s
Actividad propuesta 1. Calcula el período y la frecuencia de un péndulo que completa 3 ciclos cada 12 segundos. 2. ¿Qué relación puedes establecer entre el valor del período y el de la frecuencia? Analiza las respuestas de la pregunta 1 y de la actividad modelada.
Se completa un ciclo cuando el resorte llega a la posición inicial del movimiento o la posición de equilibrio.
Para grabar Una vibración de un cuerpo es un movimiento de ida y vuelta en torno a la posición de equilibrio. Una oscilación es un movimiento de un punto en torno a la posición de equilibrio.
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Pensamiento científico
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Oscilación de un péndulo Un candelabro que cuelga del techo oscila de un lado al otro con movimiento armónico simple.
Identificación de problemas, hipótesis y diseños experimentales Un domingo de 1581 asistía a misa en la catedral de Pisa el joven Galileo Galilei, de tan solo 17 años, cuando observó que la corriente de aire hacía que un candelabro que colgaba del techo oscilara en ambos sentidos. En su movimiento de vaivén, algunas veces de ángulo pequeño y otras de ángulo mayor, observó algo curioso: el tiempo que tardaba el candelabro en realizar el movimiento de vaivén, medido a través de las pulsaciones de su corazón, era siempre el mismo, independientemente de si el vuelo era largo o corto. Sería lógico pensar que un cuerpo colgado debería tar dar más en realizar el vuelo más largo. Concluida la misa, el joven Galileo corrió a su casa para encontrar la res puesta a su problema de investigación, que seguramente estaba rela cionado con la búsqueda de las leyes físicas que rigen el movimiento pendular. Para ello, desarrolló el diseño experimental que consistió en los siguientes pasos: ató diferentes pesas al extremo de cuerdas de distintos tamaños y observó que un peso colgado de una cuerda más larga tarda ba más en ir y venir que el mismo peso colgado de una cuerda más corta. La genialidad de este científico fue dar uso a esta curiosidad: si el tiempo empleado en realizar el vaivén es el mismo, un péndulo se puede utilizar para medir el tiempo.
Actividad experimental 1. Comprueba las leyes del movimiento pendular encontradas por Galileo Galilei. Para ello, desarrolla el siguiente procedimiento experimental:
L
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Esquema de un péndulo.
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• Amarra un objeto en el extremo de una cuerda y cuélgalo por el extremo libre a un soporte, como muestra la imagen. Hecho esto, has construido un péndulo. • La masa del péndulo está en equilibrio cuando el hilo se encuentra en reposo en posición vertical. • Separa la masa a una pequeña distancia, A, hacia uno de los lados y suéltala. ¿Qué sucede? • Observa cómo oscila a ambos lados del punto de equilibrio, entre A y –A. • Registra el tiempo que se demora en realizar una oscilación completa. • Acorta la cuerda y realiza el mismo procedimiento anterior para ver su oscilación. • Realiza varios ensayos y procura cambiar la masa de los objetos Materiales y el tamaño de la cuerda para verificar el tiempo que se demora - Una cuerda delgada de un metro. una oscilación. - Dos objetos de distintas masas. • Confecciona una tabla de datos con los distintos registros. - Un soporte. 2. Interpreta tus resultados considerando las siguientes preguntas: - Cronómetro. a. ¿Qué factores están presentes en una oscilación del péndulo? - Una regla. b. ¿A qué conclusiones has llegado al realizar esta actividad experimental? c. ¿Cuáles crees que serían las leyes que descubrió Galileo Galilei?
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Seguramente, has llegado a resultados similares a los que encontró Galileo Galilei. En con secuencia, revisa las siguientes observaciones realizadas por él: • La posición de equilibrio de un péndulo es el punto más bajo en su trayectoria, en donde se encuentra estático. • Cuando colocamos el péndulo a una cierta altura y lo soltamos, este comienza a oscilar. • El péndulo realiza un ciclo cuando va de un punto a otro y regresa al mismo punto. • El péndulo completa un período al realizar un ciclo. • El período de un péndulo no depende del tamaño de la masa ni de la distancia recorrida, sino que solo de la longitud de la cuerda. • El período se puede calcular con la siguiente expresión matemática: T= 2π
L g
donde T es el período del péndulo, L es la longitud y g es la aceleración de gravedad terrestre. • El período es constante cuando se mantiene la longitud de la cuerda; por lo tanto, el péndulo puede emplearse para medir el tiempo. Las conclusiones de Galileo, ¿se parecen a las encontradas en la actividad experimental? Si no es así, vuelve a experimentar e interpreta nuevamente tus resultados. Gracias a la curiosidad, esfuerzo, dedicación e investigación de Galileo, es que hoy en día conocemos los relojes pendulares. Casi 300 años después, en 1851, mientras León Foucault observaba un péndulo simple que podía oscilar en cualquier plano horizontal, se preguntó: ¿dependerá de la rotación de la Tierra el sentido de la oscilación de un péndulo? Probablemente, su hipótesis debe de haber sido que el péndulo gira en la misma dirección que el eje de rotación de la Tierra. Si nos encontramos mirando la Tierra desde el hemisferio norte, entonces el sentido del movi miento del péndulo será contrario a las agujas del reloj. Para comprobarlo, armó el siguien te diseño experimental: colgó una masa de 28 kg suspendida de una cuerda de 70 m de longitud y bajo este sistema esparció arena para marcar el plano de oscilación del péndulo y observó que oscilaba libremente, a la vez que giraba en la misma dirección de las agu jas del reloj y recorría una cir cunferencia en un lapso de 24 horas. Entonces, ¿a qué se debía su movimiento? La explicación la encontró en el principio de inercia: la trayectoria del péndulo no cambiaba nunca, ya que no se ejercía ninguna fuerza so bre el plano de oscilación de la masa del péndulo.
El reloj de péndulo basa su funcionamiento en los descubrimientos realizados por Galileo.
El péndulo tarda un día entero en tirar todos los cilindros. Esta imagen muestra una imitación del péndulo de Foucault.
Actividad propuesta 1. Identifica en la lectura de esta página las siguientes etapas de pensamiento científico. a. ¿Cuál es la hipótesis de Foucault? b. Explica el procedimiento experimental utilizado por León Foucault para probar la validez de su hipótesis. c. ¿A qué resultados llegó Foucault al realizar su diseño experimental? 2. ¿Qué diferencias detectas entre las hipótesis y los procedimientos de Galileo Galilei y León Foucault?
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Ondas y transmisión de energía Supongamos que lanzamos una piedra a un estanque con agua. Cuando la pie dra entra en contacto con la superficie, se produce una perturbación. Esta hace que las partículas del agua comiencen a moverse hacia arriba y hacia abajo en un movimiento oscilatorio, con lo que se forman una serie de círculos concéntricos, los que van aumentando de diámetro conforme se alejan del punto donde cayó la piedra, llamado foco emisor, hasta llegar al borde. Cada círculo parece estar separado del anterior por una misma distancia. Al respecto, ¿qué piensas acerca de este movimiento? Es evidente que el agua se está moviendo, pero ¿se aleja del lugar en que cayó la piedra? Es cierto que las partículas del agua comienzan a moverse hacia arriba y hacia abajo en un movimiento oscilatorio, pero no se desplazan. Entonces, ¿qué sucede? Lo que pasa es que las partículas transmiten a su entorno el movimiento oscilatorio que se ha originado por la perturbación, y en consecuencia, dan lugar a un movimiento ondulatorio. Un movimiento ondulatorio es la propagación a través del espacio de un mo vimiento oscilatorio producido en un punto, llamado foco emisor de ondas.
Al caer una gota o si tiras una piedra en el agua, se generan vibraciones que se desplazan en círculos concéntricos cada vez más amplios.
Cuando un foco emisor produce una perturbación, esta se propaga con cierta rapidez por el medio material que la rodea. Cuando la perturbación llega a las distintas partículas del medio, estas comienzan a oscilar. Al cabo de cierto tiempo, cada una de las partículas del medio se encuentra oscilando tal como lo hacía el foco, de forma que si se fotografía el medio material, se verá que las partí culas ocupan una posición en el espacio denominada onda. Una onda es el vehículo de propagación que adoptan en el espacio las partículas del me dio sometidas a la perturbación en un momento determinado, pero no transporta materia. Monte
Ampliando memoria
Posición de equilibrio
Partículas del medio
Un foco emisor de ondas puede ser cualquier perturbación, originada en el medio, que provoque un cambio en la posición de equilibrio de las partículas.
Alejamiento de las partículas de la posición de equilibrio
Avance de la onda
Valle
La imagen muestra la representación de una onda que se ha generado a partir de una perturbación.
Una onda se origina a partir de la propagación en el espacio de una perturbación del me dio, ya sea por el cambio en la densidad, la presión, el campo eléctrico o el campo magné tico, y se desplaza en todas direcciones transportando energía. Los medios en que se transportan las ondas son elásticos, ya que se deforman y se recupe ran mediante la vibración. Estos pueden ser: el aire, el agua o los metales.
Actividad propuesta 1. ¿Qué diferencia puedes establecer entre los movimientos vibratorio, oscilatorio y ondulatorio? 2. Según el ejemplo utilizado del estanque de agua, ¿hacia dónde avanza la onda y qué sucede con la perturbación generada por la piedra? 3. Describe otras situaciones donde esté presente el movimiento ondulatorio. 4. ¿En qué te fijas para saber que un fenómeno observado es del tipo ondulatorio? 5. Si se sabe que una onda transporta energía, ¿cómo imaginas que sucede esto?
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Transmisión de energía En la naturaleza, las partículas nunca se encuentran solas. En cualquiera de las formas que se pueda presentar una sustancia, ya sea sólida, líquida o gaseosa, cada una de sus partículas está rodeada de otras de sus mismas características. De este modo, cuando una partícula inicia un movimiento oscilatorio, su interacción con las que la rodean hace que les transmita el movimiento que está realizando. A su vez, estas hacen lo mismo con las de su entorno. Transcurrido un tiempo, que depende de cada medio, todas las partículas que rodean al punto donde se inició la perturbación o foco emisor estarán realizando un movimiento oscilatorio, pero con distinta fase. Es decir, no oscilarán todas a la vez, sino que se irán formando montes y valles de manera alternada, como se observa en la representación de la onda de la página anterior. Es importante reconocer que lo que se está propagando es la perturbación y no las partículas del medio, ya que estas permanecen oscilando en el mismo sitio. Veámoslo mediante un ejemplo.
Un corcho flota y no se desplaza de acuerdo al movimiento oscilatorio del agua. Así, la propagación de las ondas transmite energía, pero no materia.
Si lanzamos un trozo de corcho al agua de un estanque y provocamos una perturbación, se forman olas en la superficie del agua, que se desplazan en sentido perpendicular a la onda. Cuando estas olas alcanzan al corcho, le transmiten un movimiento vertical de vaivén, igual al de las partículas de agua, pero el corcho no se desplaza en el sentido del movimiento on dulatorio. Esta propagación, que denominamos onda, transmite energía, ya que es capaz de subir y bajar al corcho, pero no puede desplazarse horizontalmente, de modo que no transporta materia. Así, mientras más grande es la onda, más energía transporta.
Actividad experimental
Para grabar
Otro de los péndulos famosos es el denominado péndulo de Newton. Este juego se vende en algunas tiendas y consiste en cuatro o cinco bolas de acero colgadas de un soporte metálico. Al iniciar un movimiento, pendular en este caso, con una de las bolitas de acero de los extremos, comprobarás que cuando impacta al resto de las bolitas, la energía que lleva se transmite, y el movimiento pendular pasa a la bola del extremo contrario.
Una onda es el medio de propagación de una perturbación, la que genera un movimiento oscilatorio que transporta energía, pero no materia. Mientras más grande es la onda, más energía transporta.
Se ha producido una transmisión de energía, la última bola ha iniciado un movimiento, pero no hay transmisión de materia; todas las bolas permanecen en su sitio. 1. Para comprobar lo que sucede con el péndulo de Newton puedes recrear este montaje y observar qué ocurre cuando impactan dos bolitas sobre el resto. 2. ¿Qué hipótesis formularías respecto del impacto de dos bolitas sobre el resto?
Péndulo de Newton de cuatro bolitas.
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Características de las ondas Hasta ahora hemos estudiado que el origen de una onda es un foco emisor que produce una perturbación que genera a su vez un cambio en la posición de equilibrio de un cuer po o de una partícula, de manera que la perturbación se propaga en el medio a través del movimiento ondulatorio, que transporta la energía de un lugar a otro. Además, todos estos movimientos se caracterizan por ser periódicos y repetitivos, lo que hace posible describir con precisión el comportamiento común, tanto de las vibraciones de un cuerpo como de las oscilaciones de un punto, mediante magnitudes y conceptos como los siguientes: am plitud, frecuencia, período, longitud de onda, elongación, monte, valle, fase, posición de equilibrio y rapidez de la onda, que detallaremos a continuación. Pero antes, veamos algunos ejemplos de movimientos ondulatorios:
Ampliando memoria La mayor parte de los objetos elásticos vibran, y las partículas oscilan cuando se les aplica una perturbación. Esto es, una vez que se les saca de la posición de equilibrio, tienden a regresar a ella nuevamente.
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Al saltar sobre una cama elástica se genera una perturbación en forma de onda que traspasa la energía hacia el joven para que dé una voltereta en el aire.
Los resortes, al ser estirados o comprimidos, generan un movimiento ondulatorio que se propaga a través del metal. Por lo general, son usados para resistir una fuerza y/o para almacenar energía según su aplicación, como en lapiceras, elevadores, accesorios eléctricos, paraguas, juguetes, entre otros.
El galope de los caballos puede ser percibido desde distancias lejanas cuando se pone la oreja sobre el suelo, pues la perturbación se propaga a través de la Tierra.
El aleteo periódico del colibrí, a razón de 80 aletazos por segundo, le permite mantenerse estático en el aire para alimentarse y, a su vez, generar un zumbido que se transmite a su alrededor.
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La siguiente gráfica representa un movimiento ondulatorio en el que se indican sus partes. Entre estas se pueden distinguir: Amplitud (A): es la distancia máxima que pueden separarse de su posición de equilibrio las partículas que están realizando un movimiento vibratorio. En el Sistema Internacional (SI) se mide en metros.
Fase: se dice que dos partículas están en fase cuando se encuentran en la misma posición relativa. En la imagen, B está en fase con B’ y también lo están C y C’; pero no están en fase B con C ni B’ con C’, aunque tengan la misma elongación.
Posición de equilibrio: es una línea imaginaria que representa el estado de equilibrio de las partículas en un medio cualquiera, a partir del cual oscilan.
Cresta o monte: es la posición más alta que adoptan las partículas del medio respecto de la posición de equilibrio que presenta el movimiento ondulatorio.
Valle: es la posición más baja que adoptan las partículas del medio respecto de la posición de equilibrio que presenta el movimiento ondulatorio.
Período (T): es el tiempo que emplea una partícula en hacer una oscilación completa. También se define como el tiempo en que una partícula vuelve a estar en su misma posición relativa. Según el SI, se mide en segundo. No es observable en la imagen.
El tiempo que se demora en dar un rebote corresponde al período de oscilación de la pelota.
Cresta o monte
B Elongación (x): es la distancia que separa a las partículas que están vibrando de su posición de equilibrio. Puede tomar cualquier valor entre –A y A, y su valor máximo es la amplitud, A. Se mide en metros.
A
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Posición de equilibrio
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Elongación
La imagen muestra una onda armónica, es decir, si la dividimos por la posición de equilibrio, es simétrica.
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La rapidez de un cuerpo se obtiene a Longitud de onda (λ)
Longitud de onda (λ): es la distancia en línea recta que hay entre dos puntos que se encuentran en fase. Su unidad de medida en el SI es el metro. También se puede medir en kilómetros (103 m), nanómetros (10–9 m) o en cualquier otra unidad de longitud. En general, con respecto al movimiento ondulatorio se cumple que: • Cuando una onda viaja por un medio disminuye el valor de su amplitud, ya que pierde parte de su energía. • Cuando la onda pasa de un medio a otro de distinta densidad, la longitud de onda y la rapidez cambian. • El único valor que siempre se conserva en un movimiento ondulatorio es la frecuencia, dado que depende de la fuente que provoca la perturbación en el medio. Las ondas van perdiendo parte de su energía cuando viajan por un medio material.
Actividad modelada 1. ¿Qué características tiene la onda representada en la imagen? En la imagen se observan las siguientes características de la onda: • La línea central es la posición de equilibrio de las partículas sobre la cual vibran. • Hay tres montes sobre la posición de equilibrio y tres valles bajo la posición de equilibrio. • La amplitud de la onda está dada por el número de cuadros que hay desde la posición de equilibrio hasta la máxima vibración. Es decir, tres cuadros. • La longitud total de la onda equivale a 3λ y cada λ mide nueve cuadros, aproximadamente.
s
partir de: v= , donde s es la distancia t
Frecuencia (f): es el número de oscilaciones completas que da una partícula en una unidad de tiempo o el número de vibraciones que tiene un cuerpo en una unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional es el Hertz (Hz), que corresponde al número de oscila ciones o vibraciones por cada segundo. 1 1 Hz = 1 s-1 = s El período y la frecuencia son magnitudes inversamente proporcionales, de acuerdo con las siguientes relaciones: 1 1 T= = f T Así, T, que es el período de un movimiento, y se define como el inverso de la frecuencia, y f, que es la frecuencia, es el inverso del período. Por ejemplo, un cuerpo que vibra a razón de 2 Hz, tiene un período de 0,5 s. Es decir, com pleta dos ciclos en un segundo. Rapidez del movimiento ondulatorio (v): es la rapidez con que se propaga la onda. Se expresa como la razón entre la longitud de onda y el período, o la longitud de onda por la frecuencia. λ v = λ• f v= T Por ejemplo, si un cuerpo vibra con una rapidez de 5 m/s, significa que la longitud de onda es de 5 m y el período de 1 s. O bien, si se tiene una onda cuya longitud es 10 m y su fre cuencia de vibración es 5 Hz, la rapidez de la onda se obtiene al multiplicar la longitud de onda por la frecuencia, es decir, 10 m por 5 Hz, lo que da una rapidez de 50 m/s.
recorrida y t el tiempo empleado. Al igualar estas variables en el movimiento ondulatorio, se reemplaza s por λ y t por T.
La luz visible es una onda que viaja a 300.000.000 m/s.
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Al comparar algunos tipos de ondas en distintos medios se pueden establecer algunas se mejanzas, como es el caso de la onda generada por un resorte a través de la compresión y elongación que se produce al oscilar en un determinado tiempo.
Longitud de onda, período, frecuencia y rapidez Cualquier movimiento ondulatorio que se realice a través de un medio material se caracteriza por los componentes descritos anteriormente. Así, según el medio en que se propague una onda, ya sea, agua, aire, una cuerda, un resorte u otro, poseerá características particulares. Su estudio permite explicar el comportamiento de las ondas en el agua, el sonido en el aire o en las cuerdas, las ondas sísmicas en el suelo, entre otros fenómenos ondulatorios.
Máxima compresión
Actividad modelada ¿Qué datos se pueden obtener al graficar una onda que es originada por el movimiento de la mano sobre una cuerda que tiene un período de 8 s, si cada cuadrito corresponde a 1 m?
Ayuda
Posición de equilibrio
Para analizar un problema relacionado con las ondas, se sugiere seguir los siguientes pasos:
Monte Máxima elongación
Posición de equilibrio
Valle
1. Observar detenidamente la imagen que se presenta. 2. Analizar los datos que se entregan en el ejercicio. 3. Relacionar la pregunta que se debe responder con la información existente.
Actividad propuesta 1. La siguiente figura muestra el movimiento de un resorte con un peso vertical en torno a su posición de equilibrio a medida que pasa el tiempo.
Elongación (m)
B 2
3
4
5
6
7
8
9
10
período = 8 s posición de equilibrio
frecuencia = 0,125 Hz rapidez de la onda= 0,5 m/s
4 valles
longitud de onda = 4 m
C
t (s)
¿Cómo crees que se obtuvo la gráfica del movimiento del resorte? ¿En qué tiempo pasa el resorte por la posición de equilibrio? ¿Cuál es la amplitud máxima? ¿Cuál es el período y cuál es la frecuencia de oscilación del resorte?
2. ¿Cómo representarías una onda que posee una longitud de onda de 15 m y un período de 3 s? 3. ¿Cuál es la rapidez de una onda que tiene una frecuencia de 50 Hz y posee una longitud de onda de 4 m? 4. Si el período de una onda es 2 s, ¿cuál es su frecuencia?
Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
amplitud = 4,5 m
1. En las siguientes imágenes, que representan ejemplos del movimiento ondulatorio, obtén sus magnitudes si el período de B es de 4 s y el de C es 8 s. Cada cuadro corresponde a 1 m.
1
40
3 montes
Actividad propuesta
4
a. b. c. d.
A
La imagen muestra una onda dividida por la mitad. Así se obtuvo la posición de equilibrio, sobre la cual existen 3 montes y, bajo ella, 4 valles. La distancia desde la posición de equilibrio hasta su elongación máxima, es decir, su amplitud, es de 4,5 m. La longitud de onda, que se obtiene al sumar el número de cuadros que forman un ciclo, es de 4 m. La frecuencia es el inverso del período, o sea, 1ciclo/8 s, lo que equivale a 0,125 Hz. La rapidez de la onda se obtiene al dividir el valor de la longitud de onda (4 m) por el período (8 s), o bien, al multiplicar la longitud de onda (4 m) por la frecuencia (0,125 Hz), lo que da en ambos casos 0,5 m/s.
El movimiento de un resorte es similar al realizado por una onda armónica. Así, la máxima compresión de un resorte genera un monte en la onda armónica, y el máximo estiramiento de un resorte da como resultado un valle en la onda armónica.
Al saltar al vacío con una cuerda elástica sujeta a una estructura, el deportista es como un punto que oscila hasta llegar a la posición de equilibrio.
Las magnitudes que describen este movimiento ondulatorio son:
a. ¿Cuál es el valor de la frecuencia, de la amplitud, de la longitud de onda y de la rapidez de la onda en las imágenes B y C? b. ¿Qué magnitudes en común tienen las ondas representadas en las imágenes A, B y C? c. Si la secuencia de imágenes A, B y C representa el movimiento de un cordel después de accionarlo con la mano, ¿qué puedes decir de la frecuencia, de la amplitud, del período y de la rapidez de la onda?
1 1
0 1
2 2
3 3
4 4
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Fase Dos puntos están en fase cuando se encuentran en la misma posición relativa, es decir, las dos formas de onda ocurren en el mismo tiempo y en el mismo espacio.
Actividad modelada 1. ¿Qué puntos de la siguiente gráfica se encuentran en fase y cuáles no? B’
B
C’
C
D
A
λ
D’
A’
En la gráfica encontramos que: • Los puntos que están en fase son aquellos en los que se completa una longitud de onda: A y A’, B y B’, C y C’, D y D’. • Los puntos que no están en fase son aquellos entre los cuales no existe una longitud de onda: A y B, A’ y B’, C y D, C’ y D’, A y B’, A’ y C’, C’ y D, A y D’.
Para grabar Las magnitudes que se pueden medir y que caracterizan a las ondas son: amplitud, elongación, longitud de onda, período, frecuencia y rapidez de la onda.
2. ¿Qué magnitudes puedes determinar en la gráfica de la onda de la actividad 1, si cada cuadro mide 5 cm y la frecuencia de vibración es de 2 Hz? Luego de mirar la gráfica y considerar los datos de la pregunta, se tiene que: • La longitud de onda es de 20 cm; es decir, la distancia entre A y A’ o B y B’ o C y C’ o D y D’ es de 20 cm. • El período de vibración de la onda es 0,5 s. Es decir, el tiempo que dura la vibración entre A y A’ o B y B’ o C y C’ o D y D’ es de 0,5 s.
Actividad propuesta 1. Si un león que empieza a beber de un estanque de agua moviendo su lengua con una frecuencia de 2 Hz produce olas que avanzan a 40 cm/s. a. ¿Cuál es la longitud de la onda de las olas generadas por la lengua del león? b. ¿Para qué tiempos la onda se encuentra en fase? Señala dos puntos al menos. c. ¿En qué distancias la longitud de la onda se encuentran en fase? Señala al menos dos datos. d. Representa la situación dibujando una onda y registra los datos obtenidos de los puntos anteriores.
Ayuda Para resolver el problema debes atender a los datos y las posibles relaciones que puedes establecer. Los datos son: Frecuencia: 2 Hz Rapidez de la onda: 40
cm s
Las relaciones que puedes establecer son: 1 f=
1
⇒T= T
f
λ= v•T
λ=
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Clasificación de las ondas Los movimientos ondulatorios que se dan en la naturaleza se pueden clasificar según algu nos criterios, tales como: el medio de propagación, la dirección de oscilación de las partí culas del medio, la dimensión del frente de ondas y según el sentido de propagación de la perturbación, como describiremos a continuación.
Ondas mecánicas Las ondas mecánicas son clasificadas así porque precisan de un medio material para su propagación, ya sea un sólido, un líquido o un gas. Esto significa que sin la interacción de las partículas del medio no es posible la propagación. Así, por ejemplo, las ondas sísmicas causantes de los terremotos son ondas mecánicas, ya que tienen su origen en movimientos que se producen en el interior de la Tierra. Estos movimientos se transmiten de partícula en partícula hasta que llegan al exterior, y la energía que transportan origina los desastres que en muchas oca siones causan grandes pérdidas materiales y de vidas humanas. Estas ondas sísmicas también pueden ser generadas de manera ar tificial mediante el empleo de explosivos o de camiones vibradores. En un sismo la onda se propaga usando la Tierra como medio.
Pero ¿cómo se transmite la vibración en los distintos medios? Este movimiento de vaivén tiene la capacidad de hacer oscilar las partículas alrededor de la posición de equilibrio tras pasando a las demás las oscilaciones. Los medios cuyas partículas tienen estas característi cas se denominan medios elásticos. Cualquier medio material elástico se deforma y se recupera vibrando al paso de la onda. Cuanto más elástico es un medio, mejor se propagan por él los movimientos ondulatorios. El aire, el agua, el suelo o el acero son medios elásticos.
Ondas electromagnéticas Las ondas electromagnéticas son aquellas que no precisan de un medio material para su propagación. Se pueden propagar tanto por el vacío como por los medios materiales, ya que lo que vibra en ellas es un campo eléctrico y un campo magnético. Es por eso que son clasificadas como electromagnéticas.
B = Campo magnético E = Campo eléctrico
E B B E
Los infrarrojos del control remoto son ondas electromagnéticas. Entonces, ¿se podría encender un televisor en el vacío?
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
Las ondas electromagnéticas se propagan por la oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Entre ellas están: la luz visible, los rayos X, las ondas de radio, de televisión y telefonía móvil o las del microondas.
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Ondas transversales Las ondas transversales son aquellas cuya dirección de propagación es perpendicular a la dirección de oscilación de las partículas del medio. Ejemplos de este tipo de ondas son las perturbaciones de una cuerda, las olas del agua o algunas ondas sísmicas. Las ondas que se generan cuando se agita verticalmente una cuerda se desplazan en el sen tido perpendicular a la vibración que ha producido el movimiento; por lo tanto, se clasifican como ondas transversales. Cuando representamos mediante un dibujo una onda, siempre lo hacemos trazando una línea ondulada. En ella detectamos la amplitud máxima, que es el punto más alto, denomi nado monte, y el punto más bajo de la amplitud, que es el valle de la onda. Monte
Valle
Al mover una cuerda de abajo hacia arriba se generan ondas transversales que se propagan a través de ella hasta el otro extremo.
Ondas longitudinales
Zona de compresión
Zona de rarefacción
Las ondas longitudinales son aquellas en que las partículas del medio oscilan en la misma dirección en que se propaga la onda, es decir, las partí culas del medio se comprimen y dilatan a medida que va pasando la onda. Una onda longitudinal es más difícil de representar. Se puede hacer una aproximación de lo que ocurre con las partículas más pequeñas del medio por el que se propaga. Cuando se acercan las partículas del medio, unas con otras forman zonas de alta presión, llamadas zonas de compresión, y cuan do se separan, forman zonas de baja presión, llamadas zonas de rarefacción.
Actividad propuesta
Monte
Valle
1. Explica si son correctas las siguientes afirmaciones; de lo contrario, corrígelas en tu cuaderno. a. b. c. d. e.
Las ondas electromagnéticas son transversales y mecánicas. Las ondas mecánicas siempre son longitudinales. Una onda electromagnética no se puede propagar por un medio material. Todas las ondas transversales son de tipo electromagnético. Al comprimir y soltar un resorte se puede observar una onda longitudinal.
2. Clasifica las perturbaciones que generan los distintos tipos de objetos, según el medio por el que viajan y la dirección de propagación en las situaciones dadas a continuación. a. b. c. d.
La vibración de una regla metálica sostenida al borde de una mesa. Un puente colgante se mueve al caminar una persona sobre él. Una piedra lanzada a una piscina genera movimientos en el agua. Al realizar un examen con rayos X, se obtiene una radiografía del interior del cuerpo.
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Ondas unidimensionales Las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan en una sola dirección; por lo tanto, sus frentes de ondas son planos y paralelos, como en la onda que se genera en una cuerda cuando la agitamos verticalmente. Para la descripción completa de las ondas unidimensionales debemos conocer únicamente la distancia al foco emisor. Así podremos saber el estado de vibración en cada punto de la dirección de vibración. Se denomina frente de onda al lugar geométrico en que los puntos del medio son alcan zados en un mismo instante por una determinada onda. Frente de onda
Dirección de vibración
Las ondas que se propagan por un resorte, ya sean transversales o longitudinales, son unidimensionales. Su frente de onda es lineal. Onda transversal
Dirección de propagación Dirección de vibración
Onda longitudinal
Dirección de propagación
Ondas bidimensionales Las ondas bidimensionales son las que en su propagación emplean dos dimensiones de un mismo plano. También se llaman ondas superficiales. Un movimiento clásico bidimensional es el de las ondas moviéndose en el agua. Los mon tes y los valles se desplazan por la superficie del agua, pero no perpendicularmente a ella. La forma de estas ondas depende del foco emisor que las origina.
Ondas tridimensionales Las olas del estanque avanzan de forma circular. Su frente de onda es una circunferencia.
Las ondas tridimensionales son las que se propagan en las tres dimensiones espaciales. También se conocen como ondas esféricas, porque su frente de ondas es una esfera que se expande en todas direcciones. Las ondas sonoras y las ondas electromagnéticas son ondas tridimensionales, ya que se propagan en cualquier dirección. Por ejemplo, la luz que llega del Sol a la Tierra ilumina por igual hasta el lado opues to al nuestro y con la misma intensidad. Del mismo modo, la música que emiten los altavoces en un concierto se propaga hacia adelante, hacia atrás, a ambos lados, arriba y abajo, de forma que llega a todos los oyentes que están en el lugar. Las ondas sonoras de un concierto musical son tridimensionales. Su frente de onda es esférico.
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
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Ondas viajeras Una emisión radiofónica, la voz de un amigo o la luz que llega del Sol son ondas que viajan hasta nosotros, pero nunca regresan al punto de partida. Este tipo de ondas se denominan progresivas o viajeras y se caracterizan porque se propagan desde la fuente sin volver al punto inicial. Se clasifican según el sentido de propagación. Estas ondas transportan la energía en un solo sentido hasta su destino, atenuándose, según las características de cada onda, a medida que transcurre el tiempo.
Ondas estacionarias Las ondas estacionarias se forman al chocar dos ondas de iguales características, es decir, de la misma amplitud que se propagan en la misma dirección, pero en sentido contrario. Cuando una onda viajera se refleja (se devuelve) en el límite de separación de dos medios y regresa por el mismo camino, interfiere con la incidente. Según el estado de vibración de la onda en el punto de choque, se puede dar una superposición de las ondas incidente y refleja da, cuyo resultado es una vibración estacionaria que parece estar fija en el tiempo. En la onda aparecen unos puntos fijos que nunca vibran, denominados nodos, y unas zonas de vibración, llamadas vientres. En el punto medio entre dos nodos, el antinodo alcanza la máxima vibración; en el resto del vientre la vibración nunca llega a ser máxima.
Para grabar Las ondas se clasifican según algunos criterios como: - Medio de propagación: mecánicas y electromagnéticas. - Dirección de oscilación de las partículas del medio: transversales y longitudinales. - Propagación del frente de ondas: unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. - Sentido de propagación de la perturbación: ondas viajeras y ondas estacionarias.
Podemos observar estos efectos si generamos una onda estacionaria en una cuerda. Para ello, hacemos que un extremo de la cuerda permanezca fijo y en el otro extremo colocamos un vibrador. En el extremo fijo, mediante un sistema de pesas, se debe variar la tensión de la cuerda para poder observar diferentes ondas estacionarias:
Ondas estacionarias en una cuerda
Vientre
El vibrador produce una onda que se propaga hasta el extremo fijo. Al llegar a este, la onda se refleja y da lugar a la onda estacionaria con dos nodos (que son los puntos fijos) y un vientre. Esta onda estacionaria es el modo fundamental de vibración o el primer armónico.
Antinodo
Nodo
Si disminuye la tensión de la cuerda, se puede observar que la onda estacionaria que aparece es diferente a la de la imagen anterior. Esta presenta tres nodos, dos fijos y uno central, y dos vientres. Es el segundo armónico.
Tras disminuir de nuevo la tensión de la cuerda, aparece una nueva onda estacionaria con cuatro nodos y tres vientres. Esta se denomina tercer armónico. Se pueden obtener otros armónicos procediendo de la misma manera.
Al no desplazarse la vibración, las ondas estacionarias no realizan transporte de energía porque están limitadas en el espacio, y por lo tanto, no se progaga libremente.
Actividad propuesta 1. Identifica el tipo de ondas que se genera cuando el foco es lineal, circular o esférico. 2. Describe algunos ejemplos donde se forman ondas viajeras y ondas estacionarias. 3. Sintetiza en un mapa conceptual las distintas clasificaciones revisadas acerca de las ondas.
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I.
Evaluación de proceso
Analizando disco
Marca la alternativa que consideres correcta.
4 ¿Qué propiedad de las ondas se demuestra a través del péndulo de Newton en la imagen?
Vibraciones, oscilaciones y características de las ondas
1 ¿Cuál de los siguientes movimientos no corresponden a una vibración y/u oscilación? A. B. C. D. E.
El recorrido realizado por un ciclista. El movimiento de las alas de un pájaro. La trayectoria de un péndulo de Newton. El movimiento de una campana al ser tocada. El movimiento de la mandíbula cuando mastica.
2 ¿Cuál de las siguientes alternativas no es correcta según muestran las figuras? I. T=0s
A. B. C. D. E.
El transporte de materia. La oscilación de la bolita. El movimiento vibratorio. La trayectoria de la bolita. La transmisión de energía.
Utiliza la información de la siguiente figura para responder las preguntas 5, 6, 7, 8 y 9. En ella se muestra el comportamiento de una onda que ha sido generada por un foco emisor que tiene una frecuencia de 5 Hz. C
T=1s
A B
II. T=0s
C’
A'
T=1s
B’
140 m
5 ¿Cuál es el valor de la longitud de onda?
III.
T=0s
T=1s
A. 140 m B. 70 m
C. 46 m D. 40 m
E. 35 m
6 ¿Qué duración tiene el período de la onda? A. B. C. D. E.
La figura III tiene el menor período. La figura I posee la mayor amplitud. La figura III tiene la mayor frecuencia. Las figuras II y III poseen igual amplitud. La figura I tiene la mayor longitud de onda.
3 ¿Cómo oscilan las partículas del medio cuando pasa una onda longitudinal? Transversales a la dirección de la onda. Vibran en la misma dirección de la onda. Perpendiculares a la dirección de la onda. Hacia arriba y hacia abajo en la dirección de la onda. E. Formando un ángulo de 45º con respecto a la onda.
A. B. C. D.
A. 0,2 s B. 0,5 s
C. 1,5 s D. 1 s
7 ¿Qué rapidez lleva la onda? A. 40 m/s B. 80 m/s
Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
C. 140 m/s D. 180 m/s
E. 200 m/s
8 ¿Qué puntos de la onda están en fase? A. A y C B. A’ y C
C. B’ y C’ D. B’ y C
E. A y A’; C y C’
9 ¿Qué puntos representan la posición de equilibrio? A. A y A’ B. C’ y C
C. B’ y C’ D. B y B’
Correctas:
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E. 1,5 s
Incorrectas:
E. A y C’
Omitidas:
0 1 II. Responde las siguientes preguntas. Vibraciones, oscilaciones y características de las ondas
1 Calcula la frecuencia y el período de una onda con rapidez de 200 m/s, cuya longitud de onda es 300 m. 2 Razona por qué se puede decir que siempre están en fase dos puntos alcanzados por una onda que se encuentran separados por una distancia igual a la longitud de onda. 3 Indica el valor de la longitud y de la amplitud de la onda que aparece en la gráfica. Para ello, considera que cada cuadrito tiene una longitud de 1 m.
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Clasificación de las ondas
8 Clasifica los siguientes tipos de ondas según los criterios que se muestran a continuación: Ondas
Medio de propagación
Dirección de oscilación
Olas del mar Ondas de TV Ondas sísmicas
9 Indica un ejemplo de movimiento ondulatorio que sea tridimensional y viajero. 4 Calcula la longitud de onda de un movimiento ondulatorio que se desplaza con una rapidez de 300 m/s, si sabes que el tiempo que tarda en repetirse el movimiento es 0,5 s. Calcula también el valor de la frecuencia de este movimiento. • A la vista de los resultados, podríamos justificar de alguna forma que este movimiento ondulatorio se trata de una radiación electromagnética. En caso contrario, indica por qué.
10 ¿Qué sucede si se deja caer una piedra en un estanque con agua? a. ¿Cuál es el medio de propagación? b. ¿En qué dirección oscilan las partículas? c. ¿Cuál es el sentido de la propagación? 11 ¿Qué representa la imagen?
5 Señala en qué se diferencian los conceptos de frecuencia de vibración y rapidez de propagación en un movimiento ondulatorio. 6 Si Gloria se abanica dos veces por segundo, completando un ciclo, determina la frecuencia y el período. 7 Indica qué tienen en común y en qué se diferencian las dos parejas de ondas de las figuras a y b, si se generan al mismo tiempo. a.
12 En relación a la imagen del punto anterior, ¿cuántos nodos y antinodos posee la onda?
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes hasta ahora usando la simbología dada al final. Reconozco en el entorno situaciones en que se producen vibraciones y/u oscilaciones. Identifico las características de las ondas. Diferencio en un problema los datos que se utilizan para calcular la frecuencia, el período, la longitud de onda y la rapidez.
b.
Clasifico las ondas usando criterios tales como: medio de propagación, dirección de oscilación de las partículas, propagación del frente de ondas y sentido de la perturbación. Aplico los conceptos aprendidos sobre las vibraciones, oscilaciones y ondas a situaciones nuevas. 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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Superposición de ondas Cuando dos o más movimientos ondulatorios alcanzan un mismo punto a la vez en el me dio material por el que avanzan, se nos plantea el problema de saber qué tipo de perturba ción se experimenta en ese punto como consecuencia de las dos ondas que inciden sobre él. En el caso de los fenómenos ondulatorios, a esto se le denomina interferencia, que es el resultado de dos o más ondas del mismo tipo en un mismo medio. Físicamente, el principio de superposición se puede aplicar a pequeñas perturbaciones, en donde el efecto final es la suma de las elongaciones de cada una de las ondas por separado. Aunque hablemos de suma de efectos, en el caso de las ondas la amplitud resultante no tiene por qué ser aditiva. Esto da lugar a los fenómenos de interferencia.
Ampliando memoria Cuando las ondas interactúan se producen fenómenos como la superposición, la interferencia y las pulsaciones.
Al caer dos piedras en dos lugares distintos de un estanque con agua, se generan dos perturbaciones o frentes de ondas.
En el ejemplo del estanque de agua, si además se deja caer un corcho, ¿qué movimien to seguiría este si es alcanzado por las dos perturbaciones? La suma de varias pertur baciones en un punto puede dar como resultado una perturbación nula. En el caso del corcho, este no se elevaría ni descendería en un punto de coincidencia de ondas. Mucho más impresionante es el caso de la luz. Al tratarse de una onda, un fenómeno de interferencia entre dos fuentes de luz puede dar lugar a oscuridad. Es decir, ¡luz más luz puede ser igual a oscuridad! En el ejemplo de la imagen podemos observar una interferencia, denominada anillos de Newton. Se forma por la superposición de dos ondas luminosas procedentes de la misma fuente. Se reflejan entre dos superficies, una curva y la otra plana. Anillos de Newton.
Cuando se ilumina con luz blanca, se forma entre cada claroscuro un arco iris.
Actividad propuesta 1. Si luz más luz puede dar como resultado oscuridad, ¿crees que sonido más sonido puede dar lugar a silencio? ¿En qué condiciones? 2. ¿Qué características deberían tener la amplitud y la frecuencia de dos ondas cuya superposición en un punto es nula? 3. Busca información sobre el experimento de la doble rendija de Young para observar que luz más luz puede dar oscuridad. Por ejemplo, en http: //astroseti.org/ vernew.php?codigo=1800.
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
Recuerda que las páginas webs o sus contenidos pueden variar.
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Máximos y mínimos de interferencia La suma de movimientos ondulatorios puede ser constructiva o destructiva. La interferencia constructiva es la que nos proporciona un máximo de interferencia. Por el contrario, la interferencia destructiva da como resultado una perturbación nula.
En línea Interferencia constructiva 1
Interferencia destructiva
En el siguiente enlace encontrarás una animación sobre interferencias y pulsaciones.
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http://fq.cebollada.net/fis2bto/ composicionmases.htm 2
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Recuerda que las páginas webs o sus contenidos pueden variar.
Actividad propuesta Cuando se aproximan dos montes de la onda, el resultado es un monte de la suma de sus amplitudes. Tras la interferencia, cada movimiento ondulatorio sigue su camino.
Al aproximarse un monte y un valle, la interferencia resultante es la resta de sus amplitudes. Al igual que en la interferencia constructiva, después todo sigue igual.
1. ¿En cuál de los casos de interferencia y en qué paso, de acuerdo al esquema, podría darse que luz más luz es igual a oscuridad?
Pulsaciones Ocurren cuando interfieren dos ondas de la misma amplitud, emitidas desde puntos muy cercanos y con frecuencias casi iguales. La amplitud en un punto varía periódicamente en el tiempo. Esta variación temporal de la amplitud se denomina pulsación o batido.
Ondas de ambos sonidos
La superposición de dos ondas sonoras posee puntos de interferencia constructiva y destructiva.
Ondas de amplitud modulada
El resultado de dos ondas sonoras con interferencia da lugar a ondas de amplitud modulada.
Podemos experimentar este fenómeno si hacemos vibrar dos diapasones de igual frecuen cia. Para alterar la frecuencia de uno de ellos, podemos colocarle una pequeña masa de plastilina o una cinta adhesiva en uno de sus brazos. Al golpear ambos, se percibe un efecto que consiste en un sonido que experimenta máximos y mínimos de forma periódica en su intensidad. Una aplicación importante de las ondas de amplitud modulada son las emisoras de radio AM. Estas modifican la amplitud de una señal de alta frecuencia (portadora) con una onda de baja frecuencia (moduladora).
El diapasón es una pieza metálica en forma de U que proporciona un sonido con una frecuencia estable.
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Ampliando memoria Augustin-Jean Fresnel (1788 - 1827) sintetizó los conceptos de la teoría ondulatoria de Huygens y el principio de interferencia para analizar los fenómenos de difracción que presenta una onda al ser distorsionada por un obstáculo.
Transmisión de las ondas Sabemos que el frente de ondas es la superficie formada por todos los puntos que son alcanzados por una onda en un mismo instante de tiempo. A partir de esta definición, po demos deducir que todos los puntos de un frente de ondas que se encuentran en el mismo estado de vibración tienen la misma fase. Christian Huygens fue uno de los primeros científicos interesados en el movimiento ondu latorio. Propuso un método geométrico muy sencillo que permitía trazar el frente de ondas de distintos movimientos ondulatorios. Para ello, consideraba que cada punto del medio que era alcanzado por la perturbación actuaba como si fuera un foco emisor de ondas que denominaba secundarias. Estas ondas, al superponerse, forman el nuevo frente de ondas.
Trazados de los frentes de onda Ondas secundarias
Ondas secundarias Foco emisor Foco emisor
Frente de onda plano, que se forma a partir de la actuación de los puntos del medio como focos emisores.
Frente de onda esférico, que se forma cuando el movimiento ondulatorio es provocado por un foco emisor puntual. Los puntos del medio vuelven a generar dicho frente de ondas mediante la superposición de sus ondas secundarias.
Pero ¿cuál es la contribución de Fresnel en este ingenioso princi pio? Si únicamente hacemos caso del planteamiento propuesto por Huygens, al actuar un punto como foco emisor de una onda secundaria, dicha onda sería circular y se propagaría en todas las direcciones; por tanto, también hacia atrás. De esto se deduce que, al formarse el frente de ondas por inte racción con las ondas secundarias del resto de las partículas del medio, debería haber dos frentes de ondas: uno hacia adelante y otro hacia atrás. Sin embargo, Fresnel, cien años posterior a Huygens, aclaró la cir cunstancia. El fenómeno de interferencias aportó la solución. En un frente de ondas hacia atrás se producen interferencias destruc tivas del monte de la onda, que retrocede con el valle de la onda que sigue avanzando y que ha sido generada por los puntos in mediatamente anteriores. Principio de Fresnel–Huygens: cada punto de un frente de on das se comporta como un foco emisor de ondas secundarias, cuya envolvente (recta tangente común a toda las circunferen cias) constituye el nuevo frente de ondas. Imagen obtenida al aplicar electricidad en el agua. Muestra que cada punto de un frente de ondas puede generar más ondas.
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
La importancia de este principio es que permite calcular los pa trones de difracción generados por obstáculos y aberturas, como veremos a continuación.
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Difracción de las ondas Un observador puede percibir la luz de un foco luminoso aunque no pueda verlo directa mente, y oye los sonidos de un altavoz aunque se encuentre detrás de un obstáculo. Puede afirmarse, por tanto, que las ondas doblan esquinas y bordean obstáculos. Este fenómeno es una consecuencia del principio de FresnelHuygens.
Un foco emisor puede ser una conversación dentro de una habitación, la que se puede escuchar al tener la puerta entreabierta, ya que esto permite el paso de los sonidos, que se curvan y generan nuevas ondas sonoras, lo que hace posible escuchar la conversación. Foco emisor
Puerta entreabierta
La difracción de onda se produce cuando esta se encuentra con un obstáculo cuyo tamaño es aproximadamente el de su longitud de onda. La onda atraviesa y bordea el obstáculo por que se convierte en un foco emisor de ondas secundarias. Si el tamaño del obstáculo es mucho mayor que la longitud de onda, el fenómeno de la difracción es inapreciable. Cuando se produce una perturbación en un estanque, se observa que al llegar a la abertura de separación se propaga por el segundo medio de acuerdo con el principio de Fresnel Huygens. Además, la propagación pasa de tener un frente de ondas lineal a uno circular, ya que el origen de la perturbación en el segundo estanque es casi un punto.
Nuevos frentes de onda Frente de onda circular
Abertura Estanque 2 Estanque 1 Frente de onda lineal
Puede observarse la difracción de ondas en el agua, si se disponen dos estanques comunicados por una pequeña abertura, como se muestra en la imagen.
Actividad experimental La difracción de la luz por una rendija es muy difícil de observar, ya que la rendija debería ser de un tamaño similar al de la longitud de onda de la luz, entre 400 y 700 nm. Sin embargo, es posible ver el efecto a simple vista por medio de un borde, si se utiliza un objeto con un perfil muy definido. • Para ello, emplea una hoja de papel o una hoja de afeitar y la habitación con la luz encendida. • Sujeta con la mano la hoja de papel, interponiéndola entre el filamento de la ampolleta y el ojo, de tal forma que se tape parte del filamento. • En la hoja puede observarse que el filo de la misma se ilumina. Esta iluminación se debe a la emisión secundaria que están realizando los átomos del borde. La luz que se emite, según el principio de Huygens, será de la misma frecuencia y amplitud que la que parte de la ampolleta.
Ampliando memoria Las propiedades de las ondas que se presentan al interactuar con el medio son: la difracción, la reflexión, la refracción, la amortiguación y la resonancia.
1. ¿En qué otras situaciones se puede observar la difracción de las ondas? 2. ¿Qué es necesario que suceda para conseguir la difracción de las ondas?
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Reflexión de las ondas La reflexión es un fenómeno ondulatorio característico. Se puede estudiar a partir del prin cipio de Huygens, si se considera cada punto alcanzado por la onda como un nuevo foco emisor. La reflexión de ondas consiste en el cambio de dirección de la propagación, al incidir la onda en el límite de separación de dos medios diferentes. Después de la reflexión, la onda sigue propagándose por el mismo medio inicial. Son ejemplos de la reflexión de ondas la desviación de la luz en un espejo o el eco que se produce al reflejarse el sonido en un obstáculo. Para estudiar cualquier fenómeno que implique un cambio de medio hay que definir una línea imaginaria, denominada normal (N), que es perpendicular a la superficie del cambio de medio y se encuentra en el mismo plano que el rayo incidente. Si imaginamos que un frente de ondas como el AA’ incide sobre una superficie formando un ángulo θi con la nor mal, tras la reflexión emergerá con un ángulo θr. Rayos incidentes A'
N Rayos reflejados
A
θi
θr
B
A'
A
El espejo plano muestra la imagen reflejada de la niña con las mismas dimensiones que la original.
B'
Los rayos incidentes y reflejados forman un ángulo congruente con la normal. De esta forma, se cumple que triángulos rectángulos AA’B’ y AB’B son iguales; por lo tanto, también lo serán sus ángulos θi y θr.
Basándonos en el principio de Huygens y teniendo en cuenta que las ondas son del mismo tipo, el tiempo que tarda en llegar de A a A’ es el mismo que tarda en llegar de B a B’. De acuerdo con ello, la rapidez es la misma. Esta propiedad es válida para cualquier onda que se propaga en un medio, de manera que al incidir la onda en el límite de separación, esta se devuelve por el mismo medio de pro pagación y en la misma dirección del ángulo de incidencia. Así, por ejemplo, si podemos ver a una persona en un espejo, esto significa que él también nos puede ver porque se encuentra alejado de la normal en el mismo ángulo.
Leyes de la reflexión • La onda incidente, la onda reflejada y la normal están en un mismo plano de la superficie de separación de ambos medios. • El ángulo de incidencia es congruente con el ángulo de reflexión (θi = θr).
Actividad propuesta 1. Representa, a través de un dibujo, un frente de ondas que llega a una superficie reflectora con un ángulo de 45º y el frente de ondas reflejado. 2. Si una onda se ha reflejado con un ángulo de 20º, ¿cuál será el ángulo de incidencia? 3. ¿Qué aplicaciones cotidianas tiene la reflexión de las ondas?
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Refracción de ondas La refracción de ondas consiste en el cambio de dirección de la propagación que experimen ta una onda al pasar de un medio a otro medio diferente. Experimentalmente, se puede comprobar la propagación de las ondas electromagnéticas en la desviación de un rayo de luz al pasar del aire al agua o viceversa. En ella, la dirección de la onda incidente y la refractada se encuentran en el mismo plano de incidencia. Normal Rayos incidentes
Aire
A' θi Medio 1 Medio 2
θi θr
A
B'
Un rayo de luz, al pasar de un medio de menor densidad, como el aire, a otro de mayor densidad, como el agua, cambia de dirección porque su rapidez de propagación es menor en el medio más denso. Por eso se dice que se refracta.
Agua
B
Ampliando memoria
θr Rayos refractados
Refracción de un rayo de luz.
Para otros tipos de ondas, como las que se originan en el agua, donde el cambio de medio es la profundidad, se observa una disminución de la longitud de onda en el medio menos profundo, como puede apreciarse en las imágenes.
La Ley de Snell explica la desviación que experimentan las ondas al pasar de un medio a otro según la relación: sen θ i v 1 = sen θ r v 2 Donde el sen es la función trigonométrica seno y v es la rapidez de ambos medios.
La profundidad del agua determina un cambio en la amplitud y la longitud de onda.
Por lo general, se cumple que cuando una onda pasa de un medio menos profundo o menos denso a uno más profundo o más denso, el ángulo de refracción es menor que el de inciden cia. Y, en relación recíproca, al pasar una onda de un medio más profundo o más denso a uno menos profundo o menos denso, el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia.
Leyes de la refracción • La onda incidente, la onda refractada y la normal de ambos medios están en el mismo plano, denominado plano de incidencia. • Una onda, al pasar oblicuamente de un medio menos refringente a otro más refringente, se desvía y se acerca a la normal, porque su rapidez disminuye debido a que cambia la longitud de onda y se mantiene la frecuencia.
Ayuda Un medio refringente es aquel capaz de producir refracción, es decir, un cambio en la dirección de la onda debido a la variación de la rapidez al pasar a un medio más o menos refringente. Por ejemplo, del aire al agua.
• Una onda, al pasar de un medio más refringente a otro menos refringente, se desvía y se aleja de la normal, porque aumenta su rapidez. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Amortiguación de ondas Se denomina amortiguación a la disminución de la amplitud de una onda. Esto sucede a me dida que avanza una onda, la que se aminora por dos causas: la absorción y la atenuación con la distancia.
Absorción Ampliando memoria
Al atravesar un medio, las ondas ceden parte de su energía al mismo. Como consecuencia, el medio se calienta. Tal pérdida de energía se traduce en una disminución de la amplitud de las ondas. Esto se puede observar si hacemos oscilar un resorte mediante una perturbación inicial: las oscilaciones van disminuyendo de ta maño hasta que cesan.
La amortiguación de las ondas es una propiedad utilizada en la construcción de las viviendas. Así, se pueden elegir los materiales adecuados para disminuir la intensidad o la potencia de las ondas sonoras, por ejemplo.
No todas las ondas se absorben igual. La absor La voz humana se amortigua muy rápidamente en el aire. ción depende del tipo de onda y del medio por el que se esté propagando. Por ejemplo, una onda sonora y una onda electromagnética (rayo de luz) no se amortiguan de igual manera en el aire. Mientras el sonido puede llegar a avanzar algunos kilómetros, una onda electromag nética es capaz de atravesar toda la atmósfera terrestre.
Atenuación Este fenómeno se da en ondas esféricas cuyo frente de ondas se propaga en todas las di recciones del espacio. A medida que la onda avanza, la esfera que forma el frente de ondas es mayor, de modo que la energía inicial se debe distribuir entre un mayor número de partículas. Este fenómeno se produce siempre, aunque no haya transmisión de energía al medio.
B2 B1 r1 F
r2 A1
A2
En una onda esférica que se propaga desde el foco emisor, F, y atraviesa los puntos B1 y B2 a diferentes distancias, la disminución de la amplitud (A) es proporcional a la distancia al foco de cada punto. A1 r2 = A 2 r1
⇒
A r1 = A r2 •• 1 2
Habitualmente, al hablar de movimientos ondulatorios se utilizan los términos intensidad y potencia. Ambos están relacionados con la transmisión de energía que realiza un movimiento ondulatorio. De he cho, cuando se habla de amortiguación de las ondas, siempre se aplica a la intensidad de la onda. La intensidad, I, de una onda es la energía (E) que atraviesa la unidad de superficie (S) en la dirección perpendicular a la de propagación de la onda por unidad de tiempo (t). La potencia, P, es la energía (E) por unidad de superficie (S). Un frente de ondas, al distribuirse en el espacio, disminuye su amplitud.
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E E P I= S; P = ⇒ I= t S t
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Resonancia Cuando un cuerpo es capaz de vibrar, lo hace siempre con una frecuencia de terminada que se denomina frecuencia propia o natural. Por ejemplo, cuando se estira un resorte y se suelta libremente, siempre vibra con la misma frecuencia. Lo mismo ocurre con el resto de los materiales: edificios, puentes, cristales, etc. Cuando estos materiales son sometidos a vibración bajo la acción de una fuerza externa periódica, pueden variar su frecuencia y ajustarla a la de esa fuerza. Sin embargo, cuando la frecuencia de esta fuerza coincide con la frecuencia propia del cuerpo sobre el que actúa, se produce un aumento progresivo de la amplitud del movimiento vibratorio, denominado resonancia. Este aumento en la amplitud de la vibración lo utilizan los instrumentos musi cales de cuerda para amplificar su sonido. También se puede utilizar para com probar su afinación. Cuando se golpea una cuerda afinada en la misma nota (frecuencia) que otra del instrumento, la segunda debe empezar a vibrar sin necesidad de ser tocada. Sin embargo, en muchas ocasiones puede llegar a ser destructivo; por ejemplo, cuando una soprano cantando es capaz de alcanzar y mantener la frecuencia de vibración de un vaso, este se puede romper. Por la misma razón, cuando un regimiento formado atraviesa un puente, nunca lo hace marcando el paso, ya que ha ocurrido que la construcción se derrumba por este hecho.
Al pulsar las cuerdas de la guitarra se emite un sonido que hace vibrar también la madera, que amplifica el sonido y actúa como caja de resonancia.
Como hemos visto, la resonancia se presenta en los medios materiales elásticos que han sido perturbados y, por consiguiente, vibran. Estas vibraciones actúan como focos emiso res para hacer vibrar los alrededores. Si las vibraciones están en fase, se produce un efecto sumativo de la amplitud de la onda. Por lo tanto, transportan más energía. Dicho de otro modo, mientras mayor es la amplitud, mayor será la energía que transporta la onda.
Actividad experimental Coloca dos copas iguales separadas aproximadamente por cinco centímetros. Pon un palillo sobre una de ellas. Sujeta la otra por la base y frota el borde, con un dedo humedecido, hasta que suene. Observa lo que ocurre en el montaje. 1. Con ayuda de lo observado, completa las líneas en esta oración: a. “La de la copa frotada se transmitirá a la otra, que también comenzará a b. Este fenómeno acústico recibe el nombre de
. .
2. Esta actividad experimental tiene relación con situaciones de la vida cotidiana. ¿Qué ejemplos puedes describir que presentan este fenómeno? 3. ¿De qué factores depende la resonancia de las partículas que forman un cuerpo? 4. Es sabido que un pelotón de 80 soldados que marcha a paso regular se detiene antes de cruzar un puente y después continúa con la marcha. ¿A qué crees que se debe este hecho? 5. ¿Por qué crees que es importante estudiar la propiedad de resonancia de las ondas?
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Pensamiento científico
Ciencia paso a paso
Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de resultados.
En esta actividad, te invitamos a experimentar con las ondas en el agua para comprobar su comportamiento. A partir del procedimiento experimental propuesto, podrás plantearte un problema de investigación y formular una hipótesis. Te invitamos a desarrollar las etapas del método para ejercitar las habilidades de pensamiento científico. Ten presente que tu compromiso es importante para el logro de los objetivos de aprendizaje.
5. Interpretación de resultados.
Procedimiento experimental
6. Elaboración de conclusiones.
El procedimiento lo realizarás en tres pasos distintos para demostrar los efectos producidos en el agua por distintas perturbaciones y obstáculos. A partir de ello, podrás comprobar cualitativamente sus leyes y principios.
¿Qué hacer para plantear un problema? Paso 1: observar de forma sistemática el comportamiento de un fenómeno. Paso 2: identificar las variables que intervienen en el fenómeno.
¿Qué hacer para formular una hipótesis? Paso 1: formular un juicio previo de las causas del fenómeno. Paso 2: establecer los efectos posibles debidos a las causas. Paso 3: una estrategia simple para formular una hipótesis es: Si (causa), entonces (efecto).
Materiales – Cubeta de ondas. – Dos vibradores. – Fuente de luz estroboscópica con regulador de frecuencia y amplitud. – Soporte para el vibrador. – Trozo de madera o metal de 20 cm y dos más pequeños para generar obstáculos.
Ayuda Se requiere de una luz ambiental de baja intensidad para realizar la actividad.
Experiencia 1. Reflexión de ondas 1. Prepara la cubeta de ondas. 2. Toca la superficie del agua con el vibrador y observa el movimiento ondulatorio que se origina. 3. Observa la reflexión en un obstáculo plano introducido perpendicularmente a la superficie del agua. 4. Para mejorar la visualización de las ondas en la cubeta utiliza, de ser posible, una fuente de luz estroboscópica y regula su frecuencia según la rapidez de las ondas producidas. Para ello, es conveniente probar con varias frecuencias hasta obtener las imágenes que resulten más convenientes. 5. Comprueba de manera cualitativa y aproximada el cumplimiento de las leyes de la reflexión (ver página 52).
Experiencia 2. Principio de Huygens 1. Introduce en la cubeta dos obstáculos horizontales, generando una abertura que te permita comprobar el principio de Huygens. 2. Observa cómo, al chocar con un obstáculo, las ondas generan ondas secundarias en la abertura.
Experiencia 3. Interferencia de ondas 1. Produce dos movimientos ondulatorios tocando dos puntos de la superficie del agua, separados por unos pocos centímetros, mediante dos vibradores. 2. Observa el diagrama de interferencias que se genera en la cubeta de agua.
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Planteamiento del problema Una vez realizado el procedimiento experimental que muestra el comportamiento de las ondas en el agua, ¿qué problema de investigación crees que se resuelve al realizar cada una de las ex periencias? Para ello, ten presentes los pasos 1 y 2 para plantear un problema.
Ayuda Identificación del problema
Problema de investigación 1. 2.
Formulación de hipótesis
3.
Formulación de hipótesis A partir de las variables que consideraste en el paso anterior para formular el problema de in vestigación y el procedimiento experimental, ¿qué hipótesis puedes formular para cada uno de los problemas de investigación? Ayúdate con los pasos 1, 2 y 3 para formular una hipótesis (se encuentran al margen de la página anterior).
Diseño de experimentos
Hipótesis 1.
No
¿Hipótesis comprobada?
Sí
2.
3.
Establecimiento de leyes y teorías
Obtención de resultados a. ¿Qué resultados que avalen las hipótesis de cada una de las experiencias encontraste al realizar el procedimiento experimental?
Interpretación de resultados a. ¿Qué interpretación de los resultados puedes realizar si consideras las variables en estu dio? ¿Qué fenómenos has comprobado?
Elaboración de conclusiones a. ¿A qué conclusiones has llegado respecto del planteamiento de los problemas, de la formulación de las hipótesis y de los resultados obtenidos?
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Ciencia, tecnología y sociedad
El sonar
El sonar emite ondas que al rebotar en el fondo marino generan una imagen que puede ser interpretada a través del computador.
Actualmente, el sonar (acrónimo de Sound Navigation And Ranging, navegación y alcance por sonido) es un dispositivo que emite ondas sonoras de alta frecuencia, es decir, por sobre 20.000 Hertz, llamadas ultrasonidos. Su rebote permite realizar una imagen del fondo ma rino. En algunas ocasiones, los barcos pesqueros los montan para localizar bancos de peces y posterior mente capturarlos. Estos instrumentos pueden afectar a la fauna marina, ya que algunas especies, como las ballenas y los delfines, uti lizan “sistemas de comunicación” basados en la emisión de ultrasonidos para localizar a sus presas y predadores.
El ecógrafo El ecógrafo es el dispositivo que se utiliza para realizar las ecografías. Una ecografía es un procedimiento de obten ción de imágenes que emplea los ecos de una emisión de ultrasonidos dirigidos al interior del cuerpo. Esto permite formar una imagen de los órganos internos con fines de diagnóstico. El dispositivo médico que se usa para estos efectos es un instrumento denominado transductor. Este emite ultrasoni dos de alta frecuencia que se transmiten hacia el interior del cuerpo, que llegan a los órganos y se reflejan hacia afuera. El propio transductor recoge el eco y un computador trans forma esta señal en una imagen, que es lo que se observa en la pantalla y que posteriormente se puede imprimir. Este procedimiento presenta múltiples ventajas: • • • •
Especialista aplicando una ecografía.
Se realiza en consultas ambulatorias. No emplea radiación. El diagnóstico es inmediato. No precisa anestesia ni preparación previa.
Actualmente, el progreso en el campo de la electromedi cina permite utilizar contrastes en ecografía, de forma que solo se observa la zona que es objeto de estudio. También se han desarrollado ecografías dóppler, que ponen color a los fluidos (como la sangre) que circulan por el cuerpo. Los últi mos avances en ecografía son las 3D, que hacen posible ver partes del feto en tres dimensiones, y las 4D, que permiten observar al bebé 3D en movimiento.
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
Ecografía en 3D de un feto de entre 35 y 40 semanas.
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El mito del Titanic ¿Será válida la siguiente hipótesis sobre el mito del Titanic? Mientras más capacidad para pasajeros tenga el barco, entonces más beneficios y seguri dad aportarán a la tripulación. ¿Qué responderías al respecto? El Titanic fue el transatlántico más elegante de su época. Tenía una capacidad para 3.547 personas. Entre sus comodidades se contaban: una piscina interior, un gimnasio, una can cha de squash, un baño turco, una biblioteca y una sala de eventos. En abril de 1912, durante su viaje inaugural, el Titanic chocó contra un gran bloque de hielo cuando se dirigía desde Southampton (Inglaterra) a Nueva York (Estados Unidos). Se hundió después de dos horas. El desastre culminó con la muerte de más de 1.500 pasajeros de los más de 2.200 que se encontraban a bordo. Por consiguiente, es considerado uno de los peores desastres marítimos en tiempo de paz. La elevada cifra de muertos se debió, prin cipalmente, a que no llevaba botes salvavidas suficientes para todos los pasajeros, a pesar de cumplir con las reglas marítimas de la época. Por otra parte, murieron muchos hombres debido al protocolo de evacuación de la nave. El Titanic se diseñó usando algunas de las más avanzadas tecnologías disponibles en aquel tiempo, tales como divisiones herméticas independientes para mantenerlo a flote en caso de rotura de una parte del casco. Estaba dotado, además, de telegrafía, de hélice de tres paletas e instalaciones de lujo. En fin, cumplía con todas las normas de seguridad exigidas por la legislación británica y la norteamericana.
Vista de popa del Titanic.
Vista superior de un bloque de hielo.
Vista de proa del Titanic.
Vista del Titanic hundiéndose y de los botes salvavidas, en los que hay sobrevivientes. Grabado: Hundimiento del Titanic.
Actividad propuesta 1. En el momento del desastre del Titanic aún no se utilizaba el sonar. ¿Qué importancia habría tenido este dispositivo si hubiese estado instalado en el equipamiento de este barco? 2. ¿A qué conclusión has llegado respecto del mito del Titanic que dice que mientras más grande es un barco, más seguro puede ser?
3. ¿Cuál crees que es la causa de que en algunas épocas el desarrollo tecnológico sea mucho mayor que en otros momentos de la historia? 4. Indica las ventajas que hacen de la ecografía un buen método de diagnóstico. 5. Existe un dispositivo previo al descubrimiento del sonar que emplea la localización acústica en el aire. Se denomina SODAR. Busca información sobre él e indica para qué se utiliza en la actualidad.
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Historial Utiliza este resumen de los contenidos para elaborar tu propio organizador conceptual.
Movimiento ondulatorio Un movimiento ondulatorio es la propagación, a través del espacio, de un movimiento vibratorio producido en un punto, llamado foco emisor de ondas. Las ondas transmiten energía pero no materia. Las ondas se caracterizan por: la elongación (x), la amplitud (A), la longitud de onda (λ), la frecuencia (f), el período (T) y la rapidez de la onda (v). Págs. 32 a 41
Clasificación de ondas • Según el medio por el que se propagan: mecánicas y electromagnéticas. • Según la dirección de oscilación de las partículas: longitudinales y transversales. • Según la propagación del frente de ondas: unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. • Según el sentido de propagación de la perturbación: ondas viajeras o progresivas y ondas estacionarias. Págs. 42 a 45
Interacción entre ondas • La superposición de ondas se origina cuando dos o más movimientos ondulatorios viajan por el mismo medio material y el efecto final es la suma de los efectos de cada una de las ondas por separado. • Las interferencias se producen cuando dos o más movimientos ondulatorios alcanzan a la vez un mismo punto del medio por el que avanzan, lo que genera una modificación en la amplitud de la onda. Estas pueden ser: interferencias constructivas y destructivas. • La pulsación es la variación temporal de la amplitud en un punto de un movimiento ondulatorio. Págs. 48 a 49
Transmisión de movimiento ondulatorio • Principio de Fresnel-Huygens: cada punto de un frente de ondas se comporta como un foco emisor de ondas secundarias. • Difracción: propiedad de la onda que le permite rodear los obstáculos con los que se encuentre o pasar a través de una abertura si es de tamaño menor o aproximadamente igual a su longitud de onda. • Reflexión: se produce cuando una onda incide contra un obstáculo y vuelve por el mismo medio. • Refracción: es el fenómeno de cambio de dirección que se produce cuando una onda incide en la superficie de separación de dos medios distintos. • Amortiguación: es la disminución de la amplitud de una onda cuando avanza en un medio material o por el vacío. Puede ser causada por absorción o por atenuación. Págs. 50 a 55
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
Modelamiento de pregunta PSU
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Cargando disco Te invitamos a resolver el siguiente ejemplo de pregunta. 1 En la imagen están dibujadas las dimensiones de una onda armónica cuya frecuencia es 10 Hz. Utilizando las unidades de medida del Sistema Internacional (SI), ¿qué magnitudes se pueden determinar a partir de los datos entregados y cuáles son sus valores? 2,5 cm
I. II. III. IV. V.
El período es de 0,1 s La amplitud es de 0,025 m La longitud de onda es de 0,05 m La rapidez de onda es de 0,5 m/s La amplitud es de 4 cm y la rapidez es de 50 cm/s
A. B. C. D. E.
Solo I y IV Solo II y III Solo III y V Solo I, II y V Solo I, II, III y IV
5 cm 2,5 cm
A continuación, analicemos las respuestas. D. Incorrecta. La longitud de onda y el período son correctos para esta onda armónica, pero la amplitud no corresponde al valor de 4 cm, ya que debe considerarse la distancia que existe entre la posición de equilibrio y la elongación máxi ma. Por otra parte, la rapidez de la onda está expresada en cm/s, que no corresponde al SI de unidades.
A. Incorrecta. El período para esta onda armónica es correc to, pero la rapidez de la onda está expresada en cm/s, que no corresponde al SI de unidades. B. Incorrecta. Además de las magnitudes que se indican, falta considerar el período y la rapidez de la onda. C. Incorrecta. La longitud de onda es correcta, pero la am plitud no corresponde al valor 4 cm, ya que debe conside rarse la distancia que existe entre la posición de equilibrio y la elongación máxima. Por otra parte, la rapidez de la onda está expresada en cm/s, que no corresponde al SI de unidades.
E. Correcta. Las magnitudes que se pueden determinar en la imagen de la onda armónica son: la amplitud, que tiene un valor de 2 cm, equivalente en el SI a 0,02 m; la longitud de onda de 5 cm, que en el SI corresponde a 0,05 m; el período, que se obtiene del inverso de la frecuencia, es decir, 0,1 s, y la rapidez de la onda, que se obtiene al dividir la longitud de onda por el período, lo que da de resultado, 0,5 m/s en el SI.
Entonces, la alternativa correcta es la E. A
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I.
Evaluación final
Verificando disco
Marca la alternativa que consideres correcta. 1 ¿Cuál de las siguientes alternativas sobre el movimiento vibratorio es incorrecta? A. Es un movimiento de vaivén, es decir, va y viene. B. La trayectoria del movimiento dibuja una línea recta. C. Se puede provocar en el vacío en ausencia de materia. D. Puede ser repetitivo, vale decir, realizar lo mismo muchas veces. E. Las partículas del medio se mueven en torno a su posición de equilibrio. 2 ¿Qué características describen lo que sucede con el movimiento oscilatorio? I. Es periódico y repetitivo. II. Realiza una trayectoria de ida y vuelta. III. Cada período corresponde a dos vueltas. A. Solo I B. Solo II
C. Solo I y II D. Solo I y III
E. I, II y III
3 Si una pelota de básquetbol da 4 rebotes en 16 s, ¿cuál es la frecuencia y el período, respectivamente? A. B. C. D. E.
4 Hz y 16 s 0,25 Hz y 4 s 64 s y 4 ciclos 4 ciclos en 16 s 8 rebotes en 32 s
4 ¿Qué explicaciones son posibles a través del movimiento ondulatorio para los fenómenos naturales que se producen a distancia? El transporte de energía es originado por la perturbación. II. El desplazamiento de materia depende de la perturbación. III. La propagación del movimiento vibratorio es producida por un foco. I.
A. B. C. D. E.
Solo I Solo II Solo III Solo I y III I, II y III
5 La imagen muestra una onda periódica en una cuerda que tiene una frecuencia de 2 Hz y, además, cada cuadrito representa 1m. ¿Cuál es el valor del período y la rapidez de la onda, respectivamente? A. 0,5 s y 6 m/s C. 6 s y 0,5 m/s E. 0,5 s y 0,25 m/s B. 12 s y 0,25 m/s D. 12 s y 6 m/s 6 ¿Qué ondas viajan tanto en el vacío como en un medio material? A. B. C. D. E.
Las ondas mecánicas. Las ondas estacionarias. Las ondas longitudinales. Las ondas bidimensionales. Las ondas electromagnéticas.
7 ¿A qué tipo de ondas corresponden las producidas por los fuegos artificiales que se pueden visualizar desde distintos puntos? A. B. C. D. E.
Ondas estacionarias. Ondas longitudinales. Ondas bidimensionales. Ondas tridimensionales. Ondas unidimensionales.
8 ¿Cómo se clasifica el tipo de onda de la imagen, según el medio de propagación, la dirección de oscilación de las partículas, la dimensión del movimiento vibratorio y el sentido de propagación de la perturbación, respectivamente? I. II. III. IV.
Viajera. Mecánica. Longitudinal. Bidimensional.
A. II, III, IV y I B. I, III, IV y I
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
C. II, IV, I y III D. IV, I, III y II
E. I, IV, II y III
0 1 9 ¿Qué sucede cuando se produce la superposición de dos ondas?
C. Solo III D. Solo I y II
3 3
4 4
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Cuando las ondas son longitudinales. Cuando las ondas son pulsos circulares. Es un fenómeno propio de ondas sonoras. Se da en todo tipo de ondas, electromagnéticas y mecánicas. E. Se produce en todas las ondas que se propagan por el espacio. A. B. C. D.
Utiliza como referencia las siguientes imágenes, que muestran algunas de las propiedades de las ondas relacionadas con su comportamiento, para responder las preguntas 14, 15 y 16.
10 ¿Qué secuencia muestra la siguiente imagen?
A. Solo I y III B. Solo II y III
2 2
13 ¿Cuándo se produce el fenómeno de atenuación de ondas?
A. Se produce una vibración que depende del desfase entre las ondas. B. Se genera otra onda de características similares a las que se superponen. C. Las ondas no se superponen y, por tanto, no se puede decir lo que ocurrirá. D. Da como resultado una onda de amplitud igual a la suma de las amplitudes de las ondas superpuestas. E. Puede dar como resultado para la amplitud cualquier valor entre la suma de las amplitudes y el opuesto a ese valor.
I. Dos ondas viajeras. II. Una interferencia destructiva. III. Una interferencia constructiva.
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E. Solo I, II y III
11 ¿En qué consiste el principio de Fresnel-Huygens? A. La suma de la amplitud de dos ondas genera el doble de la amplitud de las anteriores. B. Una onda, al chocar con una superficie, genera un cambio de dirección del frente de ondas. C. Un frente de ondas, al pasar a través de una apertura, genera que las ondas se curven. D. Una onda, al pasar de un medio material a otro distinto, produce una desviación de la onda. E. Cada punto de un frente de ondas se comporta como un foco emisor de ondas secundarias. 12 ¿Qué fenómenos cotidianos son explicados a través de la difracción de las ondas? A. Podemos observar que la luz se refleja y permite visualizar los objetos. B. La luz y el sonido, al pasar de un medio a otro se curvan, lo que cambia su trayectoria. C. Las paredes de una habitación absorben el sonido; por ello, lo reflejan en menor proporción. D. Se puede escuchar una conversación desde fuera de la habitación a través de la puerta entreabierta. E. Cuando un objeto vibra con una frecuencia determi nada, ocurre lo mismo con los materiales cercanos.
14 ¿Qué imagen o imágenes muestra o muestran la propiedad relacionada con la reflexión de las ondas? A. 1 B. 2
C. 3 D. 1 y 4
E. 4
15 ¿Cuáles imágenes representan las propiedades de refracción y resonancia de las ondas, respectivamente? A. 1 y 2 B. 2 y 3
C. 3 y 4 D. 1 y 3
E. 1 y 4
16 ¿Cuál de las siguientes alternativas corresponde a aplicaciones de las ondas? A. 1 B. 2
C. 3 D. 4
E. 1 y 4
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Evaluación final - Pensamiento científico
II. Analiza la siguiente situación experimental y luego responde. Un grupo de estudiantes estaba muy entusiasmado por comprender el comportamiento de las ondas y lo único que desea ban sus integrantes era conseguir apreciarlas para medir algunas de sus magnitudes. Luego de una investigación realizada en la web, consiguieron dar con un modelo y los materiales requeridos para llevar a la práctica su proyecto. A continuación, se muestran algunas de las descripciones, el montaje, los materiales y el procedimiento encontrado por ellos. Para construir un modelo que permita estudiar el comportamiento de las on das se puede recrear un péndulo simple, modificado, que posee una sensibili dad y funcionalidad limitada, pero que muestra el movimiento que se genera a partir de una perturbación.
Materiales – – – – – –
1 embudo o cono de cartón. 1 soporte universal o marco de madera. 1 clavo para perforar. Un poco de arena. Hilo. Un pliego de papel cortado a la mitad y pegado para ampliar su longitud o bien siete hojas de papel oficio pegadas para formar una gran huincha.
Por otra parte, el procedimiento experimental que se detalla está acorde con los materiales propuestos. 1. Haz un péndulo con un recipiente lleno de arena que se vacíe poco a poco mientras se mueve; puede ser un embudo o un cono de cartón. 2. Perfora y ata con el hilo el embudo o cono de cartón, colgándolo del soporte universal o marco de madera, para formar un péndulo. 3. Coloca bajo el montaje el pliego de papel extendido o las hojas de oficio pegadas. 4. Genera un movimiento sobre el péndulo y observa qué sucede. 5. Vuelve a mover el péndulo y comienza a mover lentamente la gran hoja de papel. ¿Qué aparece? ¿Qué representa? ¿Qué datos se pueden obtener? De acuerdo con los antecedentes entregados y que puedes recrear si consideras necesario, responde las siguientes preguntas según lo que has aprendido en esta actividad y en el desarrollo de la unidad. 1 ¿Qué problema de investigación crees que se pueda resolver a partir del procedimiento experimental presentado?
2 ¿Qué hipótesis se puede formular a partir del problema propuesto?
3 ¿Es válida la hipótesis propuesta, si consideras el procedimiento experimental y el problema de investigación?
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Unidad 1 • Oscilaciones y ondas
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Cerrar sesión I. Revisa tus respuestas de alternativas. Pregunta
Contenido evaluado
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Aplicar
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Comprender Clasificación de las ondas.
Remediales
Aplicar
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Comprender
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Comprender
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Aplicar Propiedades y aplicaciones de las ondas.
Revisa las páginas 32 a 41 de tu texto.
5
Aplicar
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13
Logro alcanzado
Aplicar Aplicar
12
Mi revisión
Comprender Vibraciones, oscilaciones y características de las ondas.
4
7
Clave
Comprender
2 3
Habilidad
Revisa las páginas 42 a 45 de tu texto.
3
Aplicar Aplicar
14
Aplicar
15
Aplicar
16
Aplicar
Revisa las páginas 50 a 59 de tu texto.
8
II. Revisa tus respuestas de la actividad procedimental. Etapa del método
Planteamiento del problema
Formulación de hipótesis
Criterios
Respuesta
El problema es expresado en forma de pregunta, pero sin relacionar las variables.
Incorrecta
El problema es expresado en forma de pregunta como una relación entre dos o más variables.
Parcialmente correcta
El problema es expresado en forma de pregunta como una relación entre dos o más variables que pueden conducir hacia un posible procedimiento experimental.
Correcta
La hipótesis no explica la relación entre las variables y no establece los efectos posibles debido a las causas.
Incorrecta
La hipótesis explica la relación entre las variables, pero no establece los efectos posibles debido a las causas.
Parcialmente correcta
La hipótesis explica la relación entre las variables, estableciendo los efectos posibles debido a las causas. C orrecta
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes dentro de la unidad usando la simbología dada después de la tabla. Evaluación sección
Inicializando
Analizando disco
Verificando disco
Mi estado final 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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Unidad
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Ondas SONORAS
¿Qué debe suceder para que se escuche la guitarra eléctrica?
Menú de inicio ¿Qué aprenderás?
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¿Para qué?
¿Dónde?
Procedimiento experimental.
Aplicar las habilidades de pensamiento científico en la identificación y descripción de un procedimiento científico.
Páginas 68 y 69, 86 y 87, 104
Origen y propagación del sonido.
Describir cualitativamente el origen del sonido, diferenciando los medios y la rapidez de propagación.
Páginas 70 a 75
Características del sonido.
Identificar las características básicas del sonido, como el tono, la intensidad y el timbre.
Páginas 76 a 79
Intensidad acústica y sonora. Contaminación sonora y prevención. Oído y formas de oír.
Asociar los órganos de la audición y su funcionamiento en la percepción de los sonidos originados por las ondas sonoras con las medidas de prevención frente a su intensidad.
Páginas 80 a 83
Propiedades del sonido y aplicaciones tecnológicas.
Explicar las propiedades del sonido, relacionándolas con fenómenos cotidianos y con sus aplicaciones tecnológicas.
Páginas 88 a 99
Unidad 2 • Ondas sonoras
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Abrir sesión Hay personas que prefieren percibir el sonido del aire; otras, el sonido que hace el mar al chocar contra la orilla; unas, el sonido de una filarmónica inter pretando una pieza de música clásica, y otras, un concierto de rock duro. Cualquiera sea nuestro gusto, debemos tener en cuenta que el sonido se puede convertir en un enemigo invisible, capaz de destruir los receptores sensoriales del oído y, en consecuencia, producirnos sordera. A continuación, observa las imágenes y apela a tu experiencia para respon der las preguntas. 1. ¿Qué opinas de la siguiente afirmación? Las audiometrías realizadas a la población indican que el 40 % de los jóve nes que acuden a conciertos o discotecas más de dos veces al mes pre sentan déficits auditivos. 2. ¿Sabes cómo se propaga el sonido en espacios abiertos y cerrados? 3. ¿Por qué algunos animales perciben y emiten sonidos que nosotros no podemos detectar? En esta unidad estudiaremos el origen, la propagación, las propiedades y las aplicaciones del sonido para tener conciencia de su importancia en nues tras vidas.
¿Qué riesgos se presentan en la salud al escuchar música a gran volumen?
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Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de los resultados.
Evaluación inicial - Pensamiento científico
Inicializando En esta oportunidad, trabajarás en la identificación de un procedimiento experimental que permita estudiar el comportamiento del sonido en distintos medios de propagación. Para ello, debes relacionar algunas variables involucradas que te permitan establecer vinculaciones entre el planteamiento del problema y la formulación de la hipótesis. Paralelamente, tienes que indicar los materiales que se necesitan para determinar el protocolo experimental que hace posible resolver el problema en estudio. Ten presente que el desarrollo de la actividad te permite poner a prueba tus habilidades al trabajar las etapas del método científico.
5. Interpretación de los resultados. 6. Elaboración de las conclusiones.
Planteamiento del problema
¿Cómo se realiza un procedimiento experimental?
Sabemos que el sonido viaja a través de los distintos medios, pero ¿lo hará de la misma manera en todos?, ¿qué piensas al respecto? Para ello, considera la siguiente pregunta de investigación:
Se realiza estableciendo una relación entre el problema de investigación y la hipótesis.
• ¿Qué materiales mejoran la calidad de la propagación del sonido cuando se utiliza un sistema de comunicación a distancia?
¿Qué hacer para realizar un procedimiento experimental? Paso 1: relacionar el comportamiento de un fenómeno con las variables en estudio. Paso 2: manipular las variables que intervienen en el fenómeno, de manera de observar qué sucede. Paso 3: determinar qué materiales se requieren para experimentar y la secuencia adecuada de los pasos que permiten estudiar el fenómeno.
Ayuda Un procedimiento experimental está relacionado con un protocolo de investigación y con los materiales que permiten vincular las variables a través de sus causas y efectos.
Variable independiente: Variable dependiente:
Formulación de hipótesis La hipótesis tiene que ser formulada considerando las variables experimentales presentes en el problema de investigación. Al respecto, ¿cuál sería la hipótesis que formularías para dar respuesta anticipada al problema planteado?
Procedimiento experimental Las actividades realizadas como parte del procedimiento experimental deben estar orienta das a comprobar la hipótesis. Por lo tanto, desarrolla esta etapa teniendo presente los pasos propuestos en el margen (1, 2 y 3) . Además, considera la siguiente pauta y responde en tu cuaderno: Pasos
Preguntas orientadoras
¿Qué harías?
¿Cómo se propaga el sonido en el aire? 1
2
3
¿Cómo los distintos materiales usados en un sistema de comunicación a distancia afectan la calidad del sonido? ¿Cómo será la propagación del sonido en un sistema armado con hilo de: algodón, lana, nailon, cobre o elástico unido a dos vasos plásticos o de plumavit? ¿Qué materiales se necesitan para experimentar y probar la calidad del sonido en un sistema de comunicación a distancia? ¿Cuál será la secuencia adecuada de los pasos para realizar la experimentación?
Una vez que tengas claro el procedimiento experimental, puedes llevar a cabo el protocolo que has descrito y corregirlo si es necesario. No olvides que debe dar cuenta de la validez de la hipótesis.
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Obtención de los resultados Registra los datos obtenidos del procedimiento experimental en una tabla como la que se presenta a continuación. Completa los que faltan de acuerdo con tu procedimiento. Variables
Calidad del sonido (nitidez o volumen)
Algodón Lana Medios materiales
Nailon Cobre
Otros factores
Goma elástica
Se propaga con una baja calidad.
Tensión
Mientras más tensa es la cuerda, mayor es la calidad del sonido.
Largo
El sonido es más claro si la cuerda es más corta.
Grosor
Mejor es la propagación del sonido en una cuerda más fina.
Interpretación de los resultados Considera las siguientes preguntas que te orientarán en la interpretación de los datos. a. ¿Qué diferencias puedes describir sobre la calidad del sonido en los distintos medios materiales en que se propaga?
b. ¿En qué situaciones la propagación del sonido es mejor de acuerdo a los resultados obtenidos en la experimentación?
c. Con los datos obtenidos, ¿qué puedes inferir sobre calidad del sonido?
Elaboración de las conclusiones a. ¿Qué puedes concluir con los datos del procedimiento experimental?
Para que funcione el montaje usado como sistema de comunicación a distancia, es necesario que la cuerda esté tensa.
Mi estado En esta actividad: ¿Qué me resultó más fácil? ¿Por qué? Respecto de la realización del procedimiento experimental: ¿Cuál es su importancia en un proceso investigativo? ¿Cómo sabes que el procedimiento experimental es el correcto? ¿Cómo evalúas tu nivel de desempeño?
Archivos ocultos Considera el desarrollo de la actividad: a. ¿Qué mejoras le harías al procedimiento experimental que has propuesto? (Etapa 3 del método)
b. Si el procedimiento experimental no resolvió la comprobación de la hipótesis, ¿qué propones en reemplazo del que has descrito para esta actividad? (Etapa 3 del método)
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Origen y clasificación del sonido Ya hemos estudiado que una onda es una perturbación que se puede propagar en un me dio material o en el vacío. A pesar de que existen diferentes perturbaciones que pueden dar origen a una onda, todas ellas se comportan de manera semejante. El sonido, como ya hemos visto en algunos ejemplos, es clasificado como una onda mecánica, ya que se propaga únicamente en presencia de un medio material que haga de soporte de la perturbación. Además, se clasifica como una onda longitudinal, porque las partículas del medio vibran en la misma dirección que la propagación de la onda sonora. Cualquier característica general de las ondas es útil para describir el sonido; de igual modo, los fenómenos sono ros permiten comprender mejor algunas de las características del comportamiento ondulatorio. La acústica es un área de la física que se encarga del estudio de la producción, la propagación y la recepción del sonido, además de las leyes y principios que involucran. El sonido tiene su origen en la vibración de un foco emi sor. Un foco emisor es aquel que genera una perturba ción en un medio de propagación, la que se transmite a través de la vibración de las partículas que la ro dean hasta llegar a un receptor de ondas sonoras. Cuando un insecto pasa volando cerca de nuestro oído, percibimos un zumbido que procede del movimiento de sus alas. El foco emisor, en este caso, son las alas del insecto, cuya vibración se ha transmitido a las partículas del aire (medio de propagación) y, desde estas, a nuestros oídos (receptor de ondas sonoras).
El aleteo periódico de la abeja genera un zumbido que se propaga en el aire.
Ampliando memoria Una onda sonora se clasifica, según su frente de onda esférico, como una onda tridimensional.
Lo que nos llega no es el movimiento del aire que rodea a las alas, ya que, en ese caso, lo que percibiríamos sería una pequeña corriente de aire. En realidad, lo que notamos es algo más sutil, como la transmisión del sonido mediante una onda. Para que la onda sonora llegue hasta nuestros oídos necesita, en primer lugar, de un foco emisor que inicie la vibración. Posteriormente, las partículas del medio transmiten esa vibra ción mediante compresiones y rarefacciones al resto de las partículas hasta que nuestros oídos la perciben. Por lo tanto, el sonido se ha producido por las vibraciones del foco emisor y se propaga por la vibración de las partículas del medio. Así, la frecuencia del sonido corresponde a la frecuencia del foco emisor. Por otra parte, la energía sonora va disminuyendo porque parte de ella es absorbida gradualmente en el medio de propagación hasta que se vuelve imperceptible.
Actividad propuesta 1. Indica cuál es el foco emisor y cuál el medio de propagación que emplea el sonido en cada uno de los siguientes casos. a. Escuchamos en una fiesta el bombo de una orquesta. b. Colocamos el oído en la pared y escuchamos la conversación de la habitación contigua. c. En una película del Oeste, observamos que un indio pone el oído en el suelo para percibir el galope de los caballos. 2. Clasifica la onda sonora según el medio de propagación, la dirección y el frente de onda. 3. Describe el origen del sonido de cualquier objeto. ¿Será lo mismo para todos los sonidos? ¿Qué responderías al respecto?
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Mecanismo de propagación del sonido Las ondas sonoras son longitudinales, mecánicas y se propagan en todas las direcciones, de modo que su frente de ondas es esférico; asimismo, tienen la capacidad de estimular el oído humano y producir la sensación sonora. Por ello, el estudio del sonido debe tratar de diferente forma los aspectos físicos y los aspectos fisiológicos relacionados con la audición. Desde un punto de vista físico, el sonido comparte todas las propiedades de los movi mientos ondulatorios, por lo que su estudio se realiza a partir de los conceptos sobre ondas. Asimismo, el estudio del sonido sirve en algunas ocasiones para mejorar la comprensión de algunos fenómenos típicamente ondulatorios. Desde el punto de vista fisiológico, el sonido existe únicamente cuando un oído es capaz de percibirlo. Las vibraciones del aire producen la vibración de la membrana del tímpano; si el oído funciona, sentimos el sonido.
Vibraciones del aire
Las ondas del sonido son como las que se propagan a lo largo de un resorte como consecuencia de una compresión longitudinal. Las partículas del medio se comprimen en las zonas de máxima amplitud de la ondulación y se separan en las de mínima am plitud. Estas zonas se denominan de compresión y rarefacción.
Tímpano
Compresiones
Esquema simplificado que muestra la propagación de la onda sonora en el oído. Como no todos los sonidos son perceptibles, ¿qué características debe tener el sonido para ser escuchado?
Sentido de propagación Dirección de vibración Rarefacciones
Al estirar un resorte, este se comprime y se expande, y así transmite la propagación. Sucede lo mismo con el sonido.
Puede inducir a error pensar que según se acercan al oído las zonas de compresión y rare facción; vamos a oír más o menos. Tenemos que pensar que el sonido es una onda y, por tanto, los máximos y los mínimos en la amplitud no indican la presencia o ausencia de la perturbación, sino la frecuencia con que vibran las partículas del medio y la intensidad del sonido que se puede percibir.
Rarefacción
Compresión
En las ondas mecánicas, el medio juega un papel importante en la propagación de la perturbación, ya que, en el caso de ausencia de medio material, la vibración, al no tener partículas para su propagación, no forma la onda correspondiente. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Pensamiento científico
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¿Qué sucede con el sonido en el vacío? Procedimientos experimentales, inferencias y conclusiones De manera natural y sin reflexionar sobre lo que sucede, nos damos cuenta de la presen cia de algunas vibraciones del entorno a través de los sonidos que estas producen. De la misma forma, podemos identificar cuál es el foco emisor de la perturbación. Todo ello es posible gracias a que percibimos las ondas sonoras mediante el oído. Por ejemplo, si de pronto escuchamos el sonido de una campana, sabemos que proviene del golpe que la hace vibrar, y si el sonido se apaga, significa que ha cesado la vibración. Dicho esto, tenemos claro que el sonido necesita de un medio material para propagarse, pero ¿qué sucede con el sonido en el vacío? Es la pregunta que se propuso investigar un científico inglés hace cuatro siglos atrás. En 1660, Robert Boyle utilizó sus conocimientos para perfeccionar un sistema que le per mitiera estudiar lo que sucedía si se eliminaban los gases del interior de un recipiente. Para ello, utilizó una bomba de vacío, aparato que podía retirar todo el aire del interior y así estudiar el comportamiento de la materia.
Si agitamos el badajo de una campana metálica (pieza de metal ubicada en el interior), esta suena y transmite el sonido a sus alrededores.
El procedimiento experimental que desarrolló Boyle fue preparar un sistema cerrado y transparente que permitiera visualizar el interior. Armó, entonces, un recipiente de vidrio con mangueras para retirar todo el aire del interior del aparato, lo que generaba un vacío, es decir, un ambiente que carecía de materia o moléculas moviéndose. A continuación, colgó una campana atada, cuyo badajo se podía agitar para hacerla sonar. Uno de los resultados que encontró al experimentar con este montaje fue que en el vacío, aunque podía verse que el badajo golpeaba la campana, no se oía ningún sonido. Todo ello le lle vó a inferir que el sonido no se propaga en el vacío porque no existen partículas que vibren y, por lo tanto, el sonido no se escucha. Con esto, demostró que el sonido necesitaba un medio gaseoso, líquido o sólido para su transmisión. A partir de los resultados se elaboran las conclusiones que son el paso final de una activi dad experimental, ya que resumen los hallazgos de importancia encontrados y explican el comportamiento de un fenómeno. Posteriormente, muchas de las conclusiones pasan a ser un punto de partida para iniciar otra investigación. Así, Boyle señaló que el sonido se propaga en los medios materiales y no en el vacío. Posteriormente, como lo hacen la mayoría de los científicos, Robert Boyle puso a dis posición de la comunidad los trabajos realizados sobre el estudio del comportamiento del sonido en ausencia de aire a través de la publicación de su trabajo, titulado: Nuevos experimentos físicomecánicos sobre la elasticidad del aire y sus efectos.
Actividad propuesta 1. ¿Cuál sería el problema de investigación que deseaba responder Boyle? 2. Según el texto, ¿Boyle propuso alguna hipótesis? 3. ¿Cuál fue la importancia del diseño experimental en la obtención de los resultados para la elaboración de las conclusiones? 4. ¿Qué muestran las ideas resaltadas en el párrafo? 5. ¿Qué otro procedimiento experimental crees que habría sido adecuado para experimentar con el sonido en el vacío? 6. ¿En qué momento de la investigación crees que se pueden formular las inferencias? 7. ¿A qué conclusión llegó Robert Boyle con su experimento sobre la propagación del sonido en el vacío?
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Unidad 2 • Ondas sonoras
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Como hemos visto, para que el sonido se propague, unas partículas deben comunicar a sus partículas vecinas la vibra ción inicial. Otra forma de recrear el experimento realizado por Boyle es el que detallamos a continuación. En la imagen de la derecha hay un timbre colocado en el in terior de una campana de vacío. Esta se conecta a una bomba de vacío que va sacando el aire poco a poco. A medida que se va produciendo el vacío en el interior de la campana, el sonido del timbre se debilita cada vez más por que el número de choques con el resto de las partículas del medio disminuye. Cuando ya no queda aire, se deja de escu char el sonido. Con la bomba de vacío se han extraído las partículas del me dio que eran capaces de transmitir la vibración. De modo que cuando desaparecen las partículas, la vibración se sigue produciendo, pero el sonido no se propaga porque no tiene un medio material para que vibre y traspase la energía sonora.
Una campana de vidrio a la que se le ha retirado todo el aire y que contiene un timbre en su interior.
En conclusión, el sonido no se propaga en el vacío. Es decir, para propagarse necesita un medio material, ya sea gaseoso, líquido o sólido, que vibre y transmita a las moléculas vecinas la propagación.
Actividad experimental Es difícil comprobar que el sonido no se propaga en el vacío, porque es muy complicado conseguir el vacío perfecto. Sin embargo, se puede lograr un nivel de vacío que permita comprobar el descenso del nivel sonoro. Para ello, utilizaremos un instrumental al alcance de todos, con el fin de realizar el experimento en el aula. • Se colocan, en uno de los matraces, 50 cm3 de agua y se lo sitúa sobre el manto calefactor para calentarlo. • Mientras se calienta, atamos cada cascabel a un hilo. • Atravesamos el corcho con una aguja para situar el hilo y el cascabel en el interior del matraz, a media altura del balón. • Colocamos uno de los tapones con el cascabel en el interior del matraz que no tiene agua, lo tapamos y comprobamos que al agitar el matraz suena el cascabel. • Cuando hierva el agua en el otro matraz, lo retiramos del fuego y lo tapamos con el otro tapón unido al segundo cascabel. 1. Considerando el diseño experimental, responde las preguntas:
Materiales - Dos matraces de balón con sus tapones de corcho. - Dos trocitos de hilo. - Dos cascabeles. - Un manto calefactor para calentar uno de los matraces.
Ayuda Cuando el vapor que se está produciendo durante la evaporación se condensa por enfriamiento, deja libre de partículas la zona del interior del matraz y su cuello y, por tanto, hemos conseguido hacer el vacío en su interior.
a. ¿Qué ocurre cuando se agitan los dos matraces para escuchar el cascabel? b. ¿Qué diferencias puedes notar en el comportamiento del sonido, en uno y otro matraz? Otra forma de obtener un nivel de vacío es usar una bomba de vacío (como las que usan para sacar el aire de una botella) y aplicar el procedimiento anterior, pero sin calentar el matraz ni usar agua. 2. Respecto de ambos procedimientos: a. ¿Conseguirías los mismos resultados? b. ¿Qué importancia tiene el diseño experimental en la obtención de los resultados?
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Rapidez del sonido (en m/s, medida a 0 ºC) Granito
5.400
Hierro
5.190
Aluminio
5.100
Madera
3.900
Cobre
3.810
Agua
1.402
Plomo
1.190
Aire
331
Medios y rapidez de propagación del sonido El tipo de medio por el que se propaga el sonido es el factor más influyente en la rapidez con que lo hace. En el caso de medios gaseosos, como el aire, las vibraciones son trans mitidas de un punto a otro mediante choques entre las partículas que constituyen el gas. De este modo, cuanto mayor sea la densidad del gas, más facilidad tendrán para chocar las partículas y, por tanto, mayor será la rapidez de la onda. En los medios sólidos, son las fuerzas que unen entre sí las partículas constitutivas del cuerpo las que se encargan de propagar la perturbación de un punto a otro. Este proce dimiento más directo explica por qué la rapidez del sonido es mayor en los sólidos que en los gases. La rapidez varía muy poco con la temperatura en sólidos y líquidos. En los gases, sin em bargo, aumenta con la temperatura porque se incrementa la probabilidad de los choques entre las moléculas. La rapidez de propagación del sonido en el aire en función de la temperatura se expresa mediante la siguiente ecuación: T 273 donde 331 m/s es la rapidez del sonido en el aire a 0 ºC y T es la temperatura absoluta en kelvin. v= 331
Actividad modelada Ayuda La unidad de medida de la temperatura en el Sistema Internacional de unidades es el kelvin. 0 K = -273,16 ºC Normalmente, se utiliza la siguiente aproximación:
1. Calcula la rapidez de propagación del sonido en el aire en invierno, cuando el termómetro señala –10 ºC, y en verano a 38 ºC. En primer lugar, se calcula el valor de ambas temperaturas en kelvin. Temperatura invierno: TI = –10 + 273 = 263 K Temperatura verano: TV = 38 + 273 = 311 K La rapidez en cada caso es: Invierno: v= 331 I
TI 263 = 331 = 325m / s 273 273
0 K = -273 ºC 331 Verano: v= V
TV 273
= 331
311 = 353 m / s 273
Por lo general, se usa como referencia la rapidez del sonido a 15º C, que corresponde a 340 m/s.
Actividad propuesta Debido a la gran diferencia que existe entre la rapidez de la luz y la del sonido en el aire, podemos considerar que la luz, con respecto al sonido, se propaga de forma inmediata. Utilizando esta aproximación, es posible calcular la distancia a que se encuentra una tormenta. Para ello, necesitamos un reloj que pueda medir segundos, aunque los podemos contar mentalmente. Cuando vemos el relámpago, comenzamos a contar los segundos que pasan hasta que se oiga el trueno. Esos segundos los dividimos por 3 y tendremos la distancia de la tormenta hasta nosotros en km. Esto es posible porque cada 3 segundos el sonido recorre aproximadamente 1 km (331 • 3 = 993 m ≈ 1 km). 1. A partir de los datos de la actividad modelada anteriormente y teniendo presente lo que acabas de leer, indica: si tienes una tormenta a 15 km de distancia, ¿cuándo oirías el trueno antes, en verano o en invierno? 2. ¿Cuál sería la rapidez del sonido, si la temperatura es 5 ºC y 25 ºC?
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Unidad 2 • Ondas sonoras
Tormenta eléctrica en la ciudad.
0 1 Ya hemos estudiado que la rapidez del sonido es mayor en líquidos y sólidos que en gases, pues la proximidad entre las partículas que forman esos medios hace que su pro pagación sea más rápida.
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Densidad de algunos materiales (g/cm3) Oro
19
Hierro
7,9
Acero
7,6
Por otra parte, la rapidez del sonido se ve afectada por dos propiedades de la materia: la elasticidad y la densidad.
Diamante
3,5
Aluminio
2,7
Las propiedades elásticas están relacionadas con la tendencia de un material a recuperar su forma original cuando se aplica sobre él una fuerza.
Granito
2,7
Cristal
2,5
Madera
1,2
Agua
1
Corcho
0,12 – 0,2
Además de viajar con distinta rapidez en los distintos medios, el sonido también tiene diferente alcance en cada uno de ellos. Esto está relacionado con la atenuación que su fren todos los movimientos ondulatorios que se propagan mediante ondas esféricas, debi do a la absorción de la energía por parte del medio material.
A escala molecular, un material con alta elasticidad (rígido) se caracteriza por grandes fuerzas entre sus partículas. Esto hace que las partículas vuelvan rápidamente a sus po siciones de equilibrio y estén dispuestas a iniciar de nuevo un movimiento, lo que les permite vibrar a altas velocidades. Por lo tanto, el sonido viaja más rápido a través de medios con mayor elasticidad. La densidad de un medio representa la masa de una sustancia por unidad de volumen. Así, mientras más densa sea una sustancia, mayor masa tendrán sus moléculas, si se considera un mismo volumen, lo que implica que el sonido se transmitirá en él más lentamente. Esto se debe a que las ondas de sonido transportan energía, que es la responsable de la vibra ción de las partículas del medio, y se necesita más energía para hacer vibrar las moléculas grandes que la requerida para hacer vibrar las moléculas más pequeñas. Por esto, el sonido viaja a una rapidez más lenta en el objeto más denso, si ambos tienen las mismas propie dades elásticas.
Ampliando memoria Un modelo matemático que relaciona la densidad y elasticidad de los materiales con la rapidez es: v=
propiedades elásticas propiedades inercialees
El sonido viaja con mayor rapidez por los materiales menos densos y más elásticos. Acero
Corcho
El acero experimentará una pequeña deformación, diferente a la del corcho, si se le aplica la misma fuerza porque es más rígido y elástico, mientras que el corcho se deforma con facilidad y es más flexible. Por lo tanto, el sonido viaja más rápido en el acero que en el corcho.
Actividad propuesta 1. Supón que tenemos una plancha de acero, una de corcho y una de madera y hacemos dar botes una pelota sobre cada una de ellas. Explica por qué apreciarás diferencias en el sonido del bote en cada caso, teniendo en cuenta la diferencia de elasticidad y de densidad de estos materiales. Además, elabora una hipótesis al respecto. 2. Justifica por qué el granito tiene mayor rapidez del sonido que el hierro, considerando algunas de las propiedades de los materiales estudiadas, como la densidad. 3. De acuerdo a la información de los medios materiales y de la rapidez del sonido, ¿cuáles de ellos eligirías para aislar una habitación del sonido?
Para grabar La rapidez del sonido es mayor en medios sólidos y líquidos. En los gases, depende de la temperatura. También, es mayor en los sólidos menos densos y más elásticos.
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El espectro audible está formado por las audiofrecuencias. El oído humano está capaci tado para recibir sonidos cuyas frecuencias se encuentren entre 20 y 20.000 Hz y trans formarlos en sensaciones auditivas. Estos límites no son estrictos, ya Umbral de la sensación desagradable que dependen de factores como la edad, algunas enfermedades o malformaciones de los oídos. Frecuencias bajas
Frecuencias medias
Se encuentran fuera de las audiofrecuencias: Frecuencias altas
120 100 80 60 40 20 0
Intensidad sonora (dB)
Características del sonido
Los infrasonidos, que son ondas acústicas con frecuencias por de bajo de los 20 Hz. Los ultrasonidos, que son ondas acústicas cuyas frecuencias están por encima de los 20 kHz.
Poco perceptible 20
100
103
104
2 • 104
Frecuencia (Hz)
El audiograma muestra la relación entre la frecuencia y la intensidad sonora respecto de las percepciones del sonido. Del audiograma, ¿qué interpretaciones puedes realizar, si consideras la frecuencia y la intensidad?
Como vemos en la imagen, el espectro audible no es completa mente cuadrado. Podemos distinguir en él tres zonas en función de la frecuencia:
1. Zona de frecuencias bajas o tonos graves, que corresponde a los sonidos cuyas fre cuencias se encuentran entre los 20 Hz y los 256 Hz. En esta zona, sonidos de gran intensidad no son percibidos por la mayoría de la población. 2. Zona de frecuencias medias o tonos medios, que corresponde a los sonidos cuyas frecuencias se encuentran entre los 256 Hz y los 2 kHz. A esta zona pertenece el tono fundamental y los armónicos de la mayoría de los sonidos. El rango de intensidades percibido por el oído humano en esta zona es mayor que en la de tonos graves. 3. Zona de frecuencias altas o tonos agudos, que comprende los sonidos con frecuen cias entre 2 kHz y 20 kHz. Es la zona con mayor rango de intensidades percibidas. Su límite con los ultrasonidos depende del oído de cada persona.
Frecuencia de algunos sonidos Sonidos
Frecuencia (Hz)
Todas las sensaciones que llegan en este rango de frecuencias se pueden distinguir, siem pre que difieran en alguna de las características fundamentales. Estas sensaciones se dividen en:
Trueno
80
Rugido de león
90
Voz masculina
125
• Subjetivas o auditivas. Están relacionadas con lo que nuestros sentidos perciben. Son la sonoridad, el tono y el timbre.
Canto de pájaro
180
Actividad propuesta
Voz femenina
220
Sirena de ambulancia
500
• Objetivas o físicas. Se pueden medir con instrumentos y dependen de las propiedades o características de las ondas. Son la intensidad, la frecuencia y la forma de onda.
1. Clasifica algunos sonidos usuales de acuerdo a los rangos de percepción, considerando los siguientes criterios. Sonidos Voz femenina Sirena de ambulancia Voz masculina Trueno Canto de pájaro Rugido de león
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Unidad 2 • Ondas sonoras
Frecuencia (baja, media o alta)
Tono (grave, medio o agudo)
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Intensidad sonora o sonoridad La sonoridad es la cantidad de sensación auditiva que produce un sonido. Según la sonori dad, los sonidos se perciben como fuertes o débiles.
Ampliando memoria
Sonidos débiles y fuertes
La intensidad acústica es la energía que atraviesa cada segundo una unidad de superficie situada en dirección perpendicular a la dirección de propagación del sonido.
Sonido débil
Sonido fuerte
Un sonido débil es aquel que posee una onda sonora de menor amplitud; en cambio, un sonido fuerte se produce por una onda sonora de mayor amplitud.
La sonoridad está relacionada con la propiedad física denominada intensidad. La intensidad del sonido, como la de cualquier otra onda, depende de la energía que transporta, la cual es mayor, cuanto mayor es su amplitud. También, depende de la distancia del foco emisor, así como de la capacidad auditiva del oyente. El control de la intensidad al hablar se logra, por ejemplo, alzando la voz; cuando manejamos un equipo de música, la tecla del volumen permite controlar la intensidad del sonido. Los sonidos existen cuando son percibidos. Ahora bien, su percepción está condicionada por la forma en que el oído percibe las ondas sonoras. La sensación sonora está relacionada úni camente con la percepción de la intensidad, pero esta no se puede separar de las otras carac terísticas del sonido, como el tono y el timbre. Como vimos en el espectro auditivo, la intensidad sonora depende siempre de la frecuencia o tono de cada sonido. Los sonidos de frecuencias más bajas requieren de muchísima más intensidad que los de frecuencias altas para producir la misma sensación sonora. Por ejemplo, un sonido de frecuencia 1000 Hz es capaz de producir sensación sonora prácti camente a cualquier intensidad; sin embargo, un sonido de 100 Hz solo produce una sensa ción sonora para intensidades altas.
Un sonido débil es aquel que posee una onda sonora de menor amplitud; en cambio, un sonido fuerte se produce por una onda sonora de mayor amplitud.
Actividad propuesta 1. Clasifica algunos sonidos de acuerdo con su intensidad, para ello marca con una ✘ según corresponda en la siguiente tabla. Sonidos
Intensidad alta (sonido fuerte)
Intensidad baja (sonido débil)
Un concierto de rock El ruido de las olas del mar La sirena de una ambulancia Una conversación entre dos personas La respiración normal de una persona El despegue de un avión en movimiento El viento moviendo las hojas de un árbol
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Tono El tono permite diferenciar entre sonidos graves y agudos.
Sonidos graves y agudos
Sonido grave (menor frecuencia)
El alargamiento de las cuerdas vocales hace que los adolescentes cambien la voz hacia tonos más graves.
Sonido agudo (mayor frecuencia)
Los sonidos graves tienen una vibración lenta; en cambio, los sonidos agudos poseen una vibración rápida.
El tono está relacionado con la característica física del sonido, denominada frecuencia. La frecuencia es el número de compresiones y rarefacciones que tienen lugar en un punto del medio cada segundo; coincide con la frecuencia de vibración del foco emisor. Es común entre los músicos hablar de una nota más alta o más baja cuando hacen refe rencia a una nota más aguda o más grave. Por esa razón, el tono también recibe el nom bre de altura. La altura o tono es la característica que nos permite diferenciar un sonido agudo de un sonido grave. La altura viene dada por el número de vibraciones por segundo. Así, a mayor número de vibraciones por segundo, más agudo es el sonido; y a menor número de vibra ciones, más grave. La sucesión de sonidos de diferentes alturas nos da la melodía. En música, la altura se representa a través de las notas de la escala musical. Es decir, de lo más grave a lo más agudo es: do – re – mi – fa – sol – la – si. La altura o tono viene determinada por características como: • El tamaño: mientras más grande sea un instrumento musical, más grave será el sonido; al contrario, cuanto más pequeño, más agudo será el sonido. • La longitud: mientras más larga una cuerda, más grave será el sonido; por el contrario, al ser más corta, el sonido será más agudo. • La tensión: mientras más tensa se encuentre una cuerda, más agudo será el sonido; en cambio, mientras menos tensa esté la cuerda, más grave será el sonido. • La presión: mientras mayor sea la presión del aire, más agudo será el sonido; de modo contrario, si la presión es menor, más grave será el sonido.
Los teléfonos de red fija poseen un tono de llamada equivalente a la nota la. Por lo tanto, si no dispones de un afinador, puedes usar este tono para afinar una guitarra, pulsando la 5ª cuerda al aire y comparando los sonidos.
Actividad propuesta 1. La nota do de la escala musical tiene una frecuencia de 264 Hz, y la nota la, de 440 Hz, ¿cuál de estos dos tonos es más agudo? 2. ¿Qué factores determinan el tono del sonido que permite diferenciarlo en graves y agudos? 3. ¿Puede un sonido ser grave y muy intenso a la vez? ¿Y agudo y poco intenso? 4. Indica por qué se oye menos el sonido de una tuba que el de una trompeta. 5. ¿Qué diferencias observas entre las cuerdas más delgadas y las más gruesas, cuando se hacen vibrar en una guitarra?
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Unidad 2 • Ondas sonoras
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Timbre El timbre es la propiedad que permite al oído humano distinguir dos sonidos de la misma frecuencia e intensidad que son emitidos por distintos instrumentos o focos emisores. El timbre es la cualidad del sonido que permite distinguir la misma nota producida por dos instrumentos musicales distintos. Es decir, depende del número, intensidad y fre cuencia de los armónicos que acompañan al sonido fundamental. Por otra parte, también influye el material de que está hecho el instrumento musical (madera, metal o plástico).
Sonidos con distinto timbre
Oboe
Violín
Esto está relacionado con la forma de onda. El timbre característico de cada foco emisor permite que el oído diferencie los sonidos emitidos por diferentes instrumentos o perso nas. La diferencia se percibe por la complejidad de la onda producida.
Para grabar Un sonido está determinado por la frecuencia, el tono, el timbre y la intensidad.
La mayoría de los sonidos que escuchamos a diario son complejos porque generalmente están compuestos por varias ondas simultáneas que nosotros percibimos como una sola. El timbre de los distintos instrumentos se compone de un sonido fundamental, que es el que predomina de acuerdo a la frecuencia que determina la altura del tono, más toda una serie de sonidos que son múltiplos de la frecuencia fundamental y que se conocen como armónicos. Por ejemplo, la nota musical emitida por un diapasón es un sonido puro que se propaga mediante una onda de frecuencia 440 Hz. Sin embargo, la nota emitida por un instru mento musical está formada por esta onda sumada a otras que se superponen, cuyas frecuencias son múltiplos de 440 Hz.
Actividad propuesta 1. ¿Qué característica del sonido permite distinguir la voz de las personas? 2. ¿En qué se diferencian cada uno de los instrumentos musicales que se muestran a continuación?, ¿de qué material están hechos?, ¿qué los hace vibrar?
Güiro Violín
Trompeta Bongós
Flauta traversa
Oboe Clarinete
Arpa Piano
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Ampliando memoria La intensidad acústica se expresa como: I=
E P = S•t S
donde: I es la intensidad acústica, que se mide en W/m2, E es la energía, t es el tiempo, S es la superficie, P es la potencia. La intensidad sonora (βdB) se mide en decibel y expresa como: βdB = 10 log
I Io
donde: Io es la intensidad mínima para la que se produce una sensación perceptible y su valor es 10–12 W/m2. I es la intensidad sonora de cualquier foco emisor.
Actividad modelada 1. ¿Cuál es la intensidad sonora que corresponde a una onda de intensidad 10–6 W/m2? La intensidad sonora se obtiene con ayuda de la tabla y, por lo tanto, su valor es 60 dB.
Intensidad acústica y sonora La inmensa variedad de sonidos perceptibles por el oído está directamente relacionada con la intensidad, que corresponde a la energía que se propaga en el medio y que puede ser medida, como la intensidad acústica o intensidad sonora. La intensidad acústica se define como la cantidad de energía transportada por una onda sonora en la unidad de tiempo y de superficie, o la potencia por unidad de superficie, que se mide en watt/m2. En cambio, la intensidad sonora se mide en decibel, (dB), y es definida con una escala logarítmica no solo porque el intervalo de intensidades a las que resulta sensible el oído es inmenso, sino también porque la sensación de fuerza sonora tiene una dependencia logarítmica con la intensidad. El decibel es la mínima variación de intensidad sonora que percibe el oído humano. Es la décima parte del bel que, al ser una unidad muy grande, habitualmente no se utiliza. La escala decibélica no es una escala sumativa, es decir, si un foco produce una intensidad sonora de 20 dB, la colocación de dos focos no produce la sensación de 40 dB. Para cono cer la intensidad sonora hay que calcular el valor de la intensidad del foco emisor y añadir a dicha intensidad la del segundo foco, para después calcular el valor en dB. Al realizar ese cálculo, nos da 23 dB. En la siguiente tabla, podemos comprobar algunos valores de ambas intensidades para diferentes sonidos.
El despegue de un avión de reacción genera un nivel sonoro que está por sobre el umbral del dolor.
Valor de las intensidades de algunos sonidos habituales En W/m2
Sensación auditiva
En dB
Objeto inmóvil
10–12
Umbral de audición
0
Respiración normal
10–11
Suave
10
Murmullo de hojas
10–10
Suave
20
Susurros a 5 m
10–9
Moderado
30
Casa tranquila
10–8
Moderado
40
Oficina tranquila
10–7
Intenso
50
3. ¿Qué nivel sonoro producirán 10 martillos neumáticos idénticos a los del punto 2?
Voz humana a 1 m
10–6
Intenso
60
Calle con tráfico intenso
10–5
Muy intenso
70
Se multiplica el valor de la intensidad acústica de 10 martillos por el valor de la intensidad acústica de un martillo (10–5 W/m2) y, luego, se observa en la tabla el nivel sonoro. Es decir, I10= 10 • 10–5 W/m2 = 10–4 W/m2. Se tiene que el nivel sonoro es 80 dB.
Fábrica
10–4
Muy intenso
80
Vehículos pesados
10–3
Ensordecedor
90
Ferrocarril
10–2
Ensordecedor
100
Grandes altavoces a 2 m
100
Doloroso
120
Despegue de un avión de reacción
102
Umbral del dolor
140
2. ¿Cuál es el valor de la intensidad acústica de un martillo neumático situado a 1 m de distancia si el nivel de intensidad sonora es 70 dB? La intensidad acústica se obtiene al mirar la tabla: su valor corresponde a 10–5 W/m2.
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Unidad 2 • Ondas sonoras
Fuente sonora
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Contaminación sonora y prevención Para cada frecuencia hay dos intensidades sonoras que definen la sensibilidad del oído hu mano: • El umbral de audición, que es la intensidad sonora mínima de los sonidos audibles. • El umbral de dolor, que es la intensidad por encima de la cual la audición se torna dolorosa. La exposición prolongada a intensidades sonoras elevadas, aunque estén por debajo del umbral del dolor, produce molestias y trastornos en el organismo. Las fuentes de contaminación sonora más habituales son los vehículos motorizados, el des pegue de los aviones, la maquinaria pesada de las industrias y los altavoces de los aparatos reproductores de sonido.
Efectos de la contaminación sonora Se pueden clasificar en dos grandes grupos: • Fisiológicos, que afectan directamente a la salud de la población. Entre estos se encuen tran la pérdida progresiva de la sensibilidad auditiva, la aparición de cefaleas, el incre mento del ritmo cardíaco, las alteraciones del sistema nervioso central y el aumento de la tensión arterial.
Los jóvenes acostumbran utilizar audífonos para escuchar música. Cuando la intensidad de estos se sitúe en torno a los 70 dB, puede provocar la pérdida momentánea de audición en determinadas frecuencias.
• Psíquicos, que desequilibran el estado emocional de las personas que los padecen. Al gunos de estos efectos son la falta de concentración, el insomnio, la reducción de la profundidad del sueño, la incomodidad, la irritabilidad o la disminución de la atención. Otros efectos nocivos del ruido que han sido investigados son los trastornos orgánicos, como el cambio de ritmo de la secreción de hormonas del crecimiento, que afectan a los niños.
Medidas preventivas Las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud indican que el nivel de inten sidad sonora no debe superar los 55 dB en el día y los 45 dB en la noche. Las medidas para reducir la contaminación acústica pueden ser: • Preventivas. Control de los niveles de ruido de vehículos de motor, industrias y aparatos reproductores de sonido.
Las vías con tráfico intenso, los lugares próximos a aeropuertos e industrias pesadas tienen una elevada contaminación sonora.
• Paliativas. Instalación de pantallas acústicas en los bordes de carreteras con tráfico inten so, próximas a núcleos habitados. • Educativas. Formación de los ciudadanos hacia una actitud favorable en el manteni miento de un entorno sin contaminación sonora.
Actividad propuesta 1. Indica si las medidas que se exponen a continuación son preventivas, paliativas o educativas. a. b. c. d. e.
Utilizar protectores en los oídos. Controlar el nivel de ruido en locales de diversión. Inculcar el respeto por el silencio y las horas de descanso de los demás. Moderar la velocidad de los automóviles en las ciudades. Insonorizar edificios con ventanas aislantes y dobles tabiques.
Pantallas acústicas instaladas para aislar del ruido una urbanización.
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El oído y su fisiología Los oídos son los órganos de la audición y del equilibrio. A través de ellos, percibimos los sonidos y nos informan sobre la posición de la cabeza para mantener el equilibrio.
Estructura del oído 1 Oído externo. Está constituido por el pabellón de la oreja, que es un repliegue de la piel sostenido por cartílagos, y el conducto auditivo externo (con glándulas productoras del cerumen), cerrado en su extremo por la membrana del tímpano.
Pabellón de la oreja
3 Oído interno. Está formado por un sistema de canales encajados en el hueso temporal, que denominamos laberinto óseo, el que está relleno de un líquido, la perilinfa, y por el laberinto membranoso, que se aloja dentro del laberinto óseo, como en un molde, y está relleno, a su vez, de otro líquido, la endolinfa. En el laberinto se distinguen dos zonas: los canales semicirculares, donde reside el sentido del equilibrio, y la cóclea o caracol, donde reside el sentido auditivo.
2 Oído medio. Está situado en una cavidad del cráneo. Contiene tres huesecillos encadenados: martillo, yunque y estribo. Está en contacto, por un extremo, con el tímpano y, por otro, con el oído interno. El oído medio se comunica con la faringe por la trompa de Eustaquio, que permite la entrada y salida del aire para equilibrar la presión a ambos lados del tímpano.
Tímpano
Martillo
Yunque
Estribo
Nervio auditivo
2
1
Canales semicirculares
3 Conducto auditivo externo
Caracol
Trompa de Eustaquio
Los oídos son órganos que realizan dos funciones:
Ampliando memoria El daño auditivo es irreparable y acumulativo cuando el ser humano está expuesto a altos niveles de intensidad sonora.
• La audición. Las ondas sonoras, que son recogidas por el pabellón de la oreja y dirigidas hacia el conducto auditivo, hacen vibrar al tímpano. Esa vibración, ampliada por la cade na de huesecillos, se transmite a los líquidos que rellenan el caracol, donde se encuentran los mecanorreceptores sensibles a la vibración. Estos convierten el estímulo en impulsos nerviosos que son enviados al cerebro por el nervio auditivo. • El equilibrio. Cuando movemos la cabeza, se desplaza la endolinfa que rellena los cana les semicirculares. Este movimiento es captado por los receptores situados en su pared y transformado en impulsos nerviosos, los que envían la información de estos movimien tos al cerebro. Los receptores del oído perciben vibraciones y producen impulsos nerviosos que son transportados por el nervio auditivo al cerebro.
Actividad propuesta 1. ¿Por qué crees que se dice que es conveniente abrir la boca cuando escuchamos explosiones fuertes? 2. Sabiendo que la presión y la densidad del aire disminuyen con la altura, explica por qué se nos taponan los oídos cuando subimos o bajamos de una montaña. ¿Qué acción realizas para destaponarlos?
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Unidad 2 • Ondas sonoras
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Distintas formas de oír En la naturaleza, cada especie animal ha desarrollado los sentidos de una forma diferente. Así, por ejemplo, los gatos o las lechuzas son capaces de ver en condiciones de poca lumi nosidad y los cerdos tienen un olfato que les permite incluso detectar comida enterrada bajo tierra. El sentido del oído, como hemos visto en algunos casos, ha sido desarrollado tanto para detectar las bajas frecuencias, ballenas y elefantes, por ejemplo, como las altas, en el caso de los perros. Ahora bien, no todos los animales poseen un sistema de detección de las ondas sonoras como el humano. Algunas especies animales han desarrollado lo que denominamos oído, que no es más que el receptor de ondas mecánicas de diferentes formas. • Los peces han desarrollado la línea lateral, que detecta ligeras vibraciones y corrientes de agua. Consiste en unos canales que discurren bajo la piel a ambos lados del cuerpo, y en cuyo interior se encuentran los receptores denominados neuromastos. Algunos neuromastos, además de detectar el movimiento y vibración del agua, tam bién detectan impulsos eléctricos o campos magnéticos, como es el caso de los tiburones.
Los peces pueden viajar en cardúmenes sin chocar entre ellos, gracias a que han desarrollado estructuras especializadas llamadas neuromastos.
• Los grillos tienen unas pequeñas cavidades, situadas en las patas anteriores, que están cerradas por una fina membrana que hace de tímpano. Los saltamontes tienen localiza dos los tímpanos en la parte central de su cuerpo.
Neuromasto. Receptores de las vibraciones del agua
• Las cucarachas captan el sonido con unas vellosidades que les recubren el cuerpo. Estos “pelos” son lo suficientemente sensibles como para detectar el movimiento del aire pro ducido por las ondas sonoras. • Los gusanos no tienen oído, pero detectan las vibraciones del suelo y reaccionan en consecuencia. • Los elefantes detectan infrasonidos que se propagan tanto por el aire como por el suelo. Al ser la rapidez de propagación mayor en el suelo que en el aire, el elefante detecta el sonido a través de las patas antes que por los oídos, lo que le permite calcular la distancia a la que se ha producido. • Las ballenas son animales que no han desarrollado un órgano externo como el del oído; sin embargo, son capaces de producir y recibir al menos dos tipos de sonidos: unos sir ven para determinar su posición a través de la ecolocación; otros, para la comunicación mediante las vocalizaciones. Se cree que ambos se producen como consecuencia del movimiento del aire al entrar y salir de los sacos nasales.
La ballena se comunica a través de ondas de infrasonidos que pueden alcanzar distancias cercanas a 1.000 Km.
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I.
Evaluación de proceso
Analizando disco
Marca la alternativa que consideres correcta.
Origen y propagación del sonido
1 ¿Cuál de las siguientes alternativas es una afirmación correcta sobre el sonido? A. El sonido se propaga siempre a la misma rapidez, sea cual sea la temperatura del medio. B. Primero se oye el estampido y luego se ve la explo sión de los cohetes en una feria aérea. C. Existen silbatos para llamar o ahuyentar a los perros, cuyo sonido no es captado por el oído humano. D. Cerca de unos potentes altavoces no se puede sentir la vibración de la ropa que llevamos puesta. E. Las vibraciones que se producen en las ventanas de una casa cuando pasa un camión cerca se deben a defectos en el aislamiento acústico. 2 ¿Cuál de las alternativas de grupos de términos es la adecuada para completar el siguiente párrafo? “Todos los medios opacos absorben un porcentaje de la que propagan, ninguno es comple tamente . Si el sonido se hace pasar a través de dos materiales con las mismas propiedades , viajará más por el que tenga menor densidad. La velocidad del sonido es ma yor en y que en los , ya que la proximidad entre las partículas que forman estos medios hace que su propagación sea más rápida”. A. energía/opaco/elásticas/lento/líquido/sólido/gas. B. energía/opaco/plásticas/rápido/gas/líquido/sólido. C. energía/aislado/elásticas/rápido/sólidos/líquidos/ gases. D. frecuencia/opaco/elásticas/lento/líquidos/sólidos/ gases. E. frecuencia/opaco/elásticas/rápido/líquidos/sólidos/ gases. 3 El sonido es una onda longitudinal. ¿Cómo se denominan los valores máximo y mínimo de la amplitud de dicha onda? A. B. C. D. E.
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Tono y timbre. Crestas y valles. Compresión y rarefacción. Elongación máxima y elongación mínima. Intensidad sonora máxima y sonoridad nula.
Unidad 2 • Ondas sonoras
Características del sonido
4 ¿Cuál de las siguientes relaciones entre propiedades físicas de las ondas y características del sonido es correcta? A. B. C. D. E.
Intensidad y tono. Frecuencia y tono. Intensidad y timbre. Frecuencia y timbre. Forma de la onda y sonoridad.
5 ¿Cuál es la característica que permite al oído humano distinguir dos sonidos como los de las imágenes?
Oboe
A. B. C. D. E.
Violín
El tono. El timbre. La sonoridad. La intensidad. Si dos sonidos tienen igual la frecuencia y la ampli tud no se pueden distinguir: son sonidos iguales.
Fisiología del oído
6 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera, respecto del órgano de la audición? A. El tímpano es una membrana que pertenece al oído externo. B. El oído medio se comunica con el oído interno mediante la trompa de Eustaquio. C. En el oído interno reside el sentido del equilibrio y en el oído medio se realiza la función de la audición. D. El oído, que es el órgano de la audición y del equili brio, está dividido en tres partes: martillo, yunque y estribo. E. Los receptores del oído producen impulsos nervio sos que son transportados por el nervio auditivo al cerebro. Correctas:
Incorrectas:
Omitidas:
0 1 II. Responde las siguientes preguntas.
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
8 Si la longitud de onda es 70 cm y la frecuencia es de 500 Hz para una determinada onda sonora que se propagaba en el aire:
Origen y propagación del sonido
1 Una persona que asiste a un concierto se encuentra a 15 m del guitarrista, que emite una nota la de frecuencia 440 Hz. La temperatura ambiente es de 21 ºC. a. ¿Cuál es la rapidez de propagación del sonido a esa temperatura? b. ¿Cuál es la distancia que hay entre dos compresio nes de la onda emitida? c. ¿Cuál es el tiempo que tarda la persona descrita en oír la nota? 2 Calcula las longitudes de onda, máxima y mínima, si sabes que las frecuencias máxima y mínima que puede percibir el oído humano son 33.792 Hz y 33 Hz, respectivamente. 3 ¿Qué rapidez tiene una onda sonora que posee una longitud de onda de 24 m y una frecuencia de 15 Hz? 4 Calcula la diferencia entre la rapidez del sonido en una estación polar a –40 ºC y una zona desértica que alcance temperaturas de 50 ºC. 5 Si recibimos una onda sonora en el aire cuya frecuencia es 500 Hz: a. ¿Cuál es su periodo? b. ¿Cuál es su longitud de onda? c. Si la onda no fuese mecánica, ¿el periodo tendría el mismo valor? Justifica tu respuesta.
a. Calcula la temperatura del aire en grados centígra dos en el momento de realizar las medidas. Intensidad acústica y sonora
9 Una motocicleta emite ruido con una potencia sonora en el foco emisor de 12 W. Recuerda que el sonido tiene un frente de onda esférico; por lo tanto, obtén la superficie usando la expresión: S = 4πr2. a. Calcula el nivel de intensidad acústica a una distan cia de 2 m. b. Calcula el nivel de intensidad acústica a una distan cia de 10 m. 10 La intensidad acústica en el interior de una fábrica de vidrio es 10–3 W/m2. Debido a este elevado nivel de ruido, los trabajadores se ven obligados a llevar audífonos para sus oídos, ya que dicen que el nivel de intensidad sonora supera los 70 dB. a. Comprueba si es cierto que la intensidad sonora supera los 70 dB. b. Supón que junto a la fábrica pasa un tren que recoge los desperdicios, cuya intensidad acústica es I = 5 • 10–4 W/m2. Calcula el nivel de la intensi dad sonora cuando pasa el tren. Para ello, recuerda considerar el ruido del interior de la fábrica. Ten presente que: I0 = 10–12 W/m2
Mi estado
6 ¿A qué distancia del fondo del mar se encuentra un barco cuyo sonar tarda 1,8 s en recibir las señales que envía, si sabes que la rapidez del sonido en el agua es 1500 m/s?
Anota el nivel de logro de tus aprendizajes hasta ahora usando la simbología dada al final. Describo el sonido usando los conceptos de foco emisor, vibración y medio de propagación.
7 La tabla siguiente indica la rapidez del sonido en diversas sustancias. Sustancia
Rapidez del sonido (m/s)
Hierro Cobre Agua Hidrógeno a 0 ºC Aire a 0 ºC
5.130 3.750 1.493 1.270 331
Determino cuantitativamente la rapidez del sonido a diferentes temperaturas. Identifico las características asociadas al sonido, como son la frecuencia, el tono, el timbre y la intensidad. Asocio los órganos de la audición con su funcionamiento en la percepción de los sonidos. Obtengo el valor de la intensidad acústica y sonora a partir de los datos de un problema. 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
a. Hallar la longitud de onda de la nota musical de 262 Hz en cada una de las sustancias de la tabla.
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Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de los resultados.
Pensamiento científico
Ciencia paso a paso En esta actividad, te invitamos a experimentar con algunas propiedades del sonido, como es la absorción. Para ello, pondrás a prueba un diseño experimental que validarás o reformularás, teniendo presente que el sonido, por el hecho de ser un movimiento ondulatorio, posee la propiedad de reflejarse en los diferentes obstáculos con que se encuentra. Organiza tu grupo de trabajo para llevar a cabo esta actividad que te permite ejercitar las habilidades de pensamiento científico.
5. Interpretación de los resultados.
Procedimiento experimental
6. Elaboración de las conclusiones.
Realiza un montaje, como el de la foto, con tubos de cartón o PVC que canalizan el sonido, evitando su dispersión en unas superficies duras y lisas (vidrio, azulejos cerámicos, cartón, lana, esponja, otros…). Para la instalación de los tubos, ten presente que deben ser colocados de forma que todos los ángulos sean iguales. Además, puedes grabar con claridad el sonido del reloj u otro. Igualmente, puedes ensayar con distintos materiales si se sustituyen los azu lejos por esponjas o por cartones de huevos o por otros. Así comprobarás si el sonido deja de percibirse porque es absorbido o bien se refleja sin inconvenientes.
¿Cómo se realiza un procedimiento experimental? Se realiza mediante el establecimiento de una relación entre el problema de investigación y la hipótesis.
¿Qué hacer para realizar un procedimiento experimental? Paso 1: relacionar el comportamiento de un fenómeno con las variables en estudio. Paso 2: manipular las variables que intervienen en el fenómeno, de manera de observar qué sucede. Paso 3: determinar qué materiales se requieren para experimentar y la secuencia adecuada de los pasos que permiten estudiar el fenómeno.
Montaje experimental para comprobar la reflexión y absorción del sonido.
A partir de las orientaciones del procedimiento anteriormente expuesto, realiza una ma yor profundización y detalle de acuerdo con los pasos anotados en el margen de esta página. Para ello, ten presente las preguntas que te guiarán en la realización de tu propio procedimiento. a. ¿Cuál será el comportamiento del fenómeno estudiado?
b. ¿Cuáles son las variables involucradas en el estudio de este problema de investigación?
c. ¿Cómo realizarías el montaje que dé cuenta del procedimiento experimental?
d. Detalla los pasos requeridos para llevar a cabo el procedimiento experimental.
e. Detalla los materiales necesarios para realizar el procedimiento experimental.
f. Pon en práctica tu procedimiento experimental y corrige para mejorar en caso de ser necesario.
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Unidad 2 • Ondas sonoras
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Planteamiento del problema A partir del procedimiento experimental que has detallado, y de las observaciones realizadas hasta ahora, ya puedes plantear el problema de investigación. ¿Cuál sería tu problema de inves tigación? Recuerda que en la Unidad 1 vimos cómo plantear uno.
De acuerdo con el problema de investigación, ¿cuáles son las variables? Variable independiente: Variable dependiente:
Formulación de una hipótesis La hipótesis se formula considerando las variables experimentales presentes en el problema de investigación. Al respecto, ya vimos en la Unidad 1 cómo formularla. En este caso, ¿cuál es la hipótesis que plantearías para dar respuesta a tu problema?
Obtención de los resultados Registra los datos obtenidos del procedimiento experi mental en una tabla como la que se presenta.
Materiales para ensayar
Sonido reflejado
Sonido absorbido
Lana Vidrio
Interpretación de resultados Considera las siguientes preguntas que te orientarán en la interpretación de los datos obtenidos del procedi miento experimental. a. ¿Cuál es el comportamiento de las ondas sonoras cuando chocan con un objeto rígido y plano?
Cartón Esponja Azulejos Cerámicos
b. ¿Cómo se comportan las ondas sonoras cuando inciden sobre una superficie blanda o rugosa?
c. ¿Qué sucede con la intensidad de la onda sonora cuando se propaga a través de los distintos materiales?
Elaboración de conclusiones Responde en relación a la actividad realizada. a. ¿Lograste comprobar la validez de la hipótesis formulada a partir del diseño experimental?
b. ¿Qué puedes concluir de la actividad experimental?
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Reflexión del sonido Como vimos en la actividad experimental de la página anterior, se com prueba que las ondas sonoras se reflejan en un objeto rígido y plano con el mismo ángulo con el que inciden, pero se atenúan si la superficie es blanda o rugosa. De esta manera, se cumplen las leyes de reflexión. Se puede entender el mecanismo de la reflexión si se considera que las distintas presiones sonoras que transporta la onda y que inciden contra un material hacen que este vibre. Parte de la energía vibratoria es devuelta al medio mediante la reflexión y la otra parte es absorbida por el medio. La energía absorbida, a su vez, se transforma en otros dos tipos de energía: la que se disipa en el medio y la que se transmite por el material. Esto se representa en el siguiente organizador:
Para mejorar la audición de la música se construyen salas con paredes elípticas, de modo de generar un espacio con superficies perfectamente pulidas y, así, aprovechar la energía sonora emitida.
Explica, usando el organizador conceptual, qué sucede con la energía sonora cuando se da un concierto musical en una sala y se deja una puerta entreabierta.
Actividad propuesta 1. Si un niño grita con una frecuencia de 170 Hz y la rapidez de la onda sonora es de 340 m/s, con un ángulo como muestra la imagen: a. Calcula la distancia entre dos frentes de onda consecutivos, o sea, el valor de una longitud de onda. b. Calcula el ángulo de incidencia (θi) y el ángulo de reflexión (θr).
30º N
θi θr
Reverberación Es la prolongación del sonido una vez que se ha extinguido la fuente sonora. Se produce por las múltiples ondas reflejadas que continúan llegando al oído.
La sensación de reverberación no es desagradable al oído, sino que se asocia a la calidez y seguridad que seguramente sentían los primeros humanos cuando se protegían en cavernas y convivían con este fenómeno.
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Unidad 2 • Ondas sonoras
En los locales cerrados, la energía de las ondas sonoras se refleja sucesivamente en las paredes, suelo y techo del local. A cada oyente llega, además del sonido directo de la fuente, el que ha sido refle jado una o varias veces en alguna de las superficies. Si las paredes fueran reflectores perfectos, el proceso sería de duración infinita. Afortunadamente, las superficies reales no lo son y absorben parte de la energía del sonido que les llega, por lo que el proceso tiene una duración limitada.
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El eco El eco es otro fenómeno relacionado con la reflexión del sonido. Se produce cuando el sonido inicial ya se ha ex tinguido y aparece un sonido igual de forma reflejada. Cuando la superficie reflectante está suficientemente lejos, nuestro oído puede percibir por separado la onda directa y la reflejada. Si la separación temporal entre am bos sonidos es superior a 0,1 s, el sonido repetido se llama eco. Es decir, el oído puede percibir dos sonidos al menos. Cuando emitimos un sonido fuerte y de corta dura ción en una zona montañosa, podemos escuchar al cabo de un tiempo el rebote de este sonido contra la montaña. El tiempo que tardemos en percibir el eco depende de la distancia a la que nos encontremos de la montaña.
Al gritar en una montaña se escucha el eco, que es el reflejo de la voz.
Actividad modelada 1. Tomando como valor para la rapidez del sonido en el aire v = 340 m/s, calcula la distancia mínima a la que debe colocarse un obstáculo para que se pueda percibir el eco.
Ayuda s 2 El mínimo espacio al que debe estar situado el obstáculo será el que pueda recorrer el sonido en 0,1 s. Además, debemos tener en cuenta que realizará un camino de ida y vuelta desde el emisor hasta el receptor. A esta distancia la llamamos s y, si utilizamos como dato la rapidez del sonido, tenemos: s t s = vt s = 340 (m / s) • 0,1(s) = 34 m v=
La rapidez de un cuerpo se obtiene a partir de la expresión: v=
s t
donde v es la rapidez, s es la distancia recorrida y t es el tiempo empleado.
Como esta es la distancia de ida y vuelta del sonido, la distancia mínima a la que se debe colocar el obstáculo será: smin =
s 34 = = 17 m 2 2
Actividad propuesta 1. Un niño está situado a 250 m de la ladera de una montaña. Considerando que la rapidez del sonido es 340 m/s, calcula el tiempo que tarda en percibir el eco de su voz. 2. Si en la actividad modelada anteriormente la distancia entre el obstáculo y el emisor del sonido es menor a los 17 m calculados, ¿cómo se denomina el efecto que percibe el receptor del sonido? 3. ¿A qué distancia se encuentra una tormenta si el sonido del trueno llega cinco segundos después de haberse visto el rayo?
Para grabar El sonido, al igual que cualquier otro fenómeno ondulatorio, se devuelve al medio de donde proviene con el mismo ángulo con que incide. De esta manera, se cumple la ley de reflexión.
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Absorción y aislamiento acústico La absorción del sonido es uno de los problemas fundamentales con que se enfrenta un ingeniero cuando tiene que aislar del ruido el inte rior de un edificio o una zona del mismo. Afortunadamente, los distintos materiales tienen la capacidad de ab sorber energía acústica según su porosidad. Basándose en esta pro piedad, se decide qué materiales son más adecuados para revestir las paredes interiores de una sala, por ejemplo. Cuanto más poroso sea un material, más absorbente será y, por lo tanto, reflejará menos sonido. Si una habitación tiene las paredes lisas, cuando hay varias per sonas hablando dentro de ella habrá más ruido que si revestimos las mismas paredes con gruesas cortinas de tela. Esto se debe a que las cortinas están hechas de materiales textiles con múltiples espacios con aire, los que actúan como poros y absorben más el sonido.
En muchos estudios de grabación musical se revisten las paredes para insonorizarlos.
Actualmente, se utilizan materiales muy porosos, como lanas de vidrio, resinas de poliéster o madera para revestir las paredes de oficinas, auditorios, salas de conferencias o estudios de grabación. El tratamiento acústico de los edificios es necesario siempre que haya un exceso de ruido molesto que impida a los ocupantes desempeñar sus actividades habituales con normali dad. La elevada intensidad y una gran variedad de frecuencias pueden contribuir a que los sonidos resulten desagradables; muchos de ellos pueden proceder también del exterior: de los locales contiguos o de las vías públicas, y se transmiten a través de las paredes, vestíbu los y pasillos a todo el edificio. Para conseguir un buen aislamiento acústico entre dos ambientes, es necesario impedir la transmisión del sonido, por lo que se requieren materiales duros, pesados y poco elásticos. Algunos ejemplos son el hormigón, el acero o el plomo, que son suficientemente rígidos y no porosos y ofrecen buenas propiedades aislantes.
Las aulas escolares, las salas de conferencias, los teatros y las salas de conciertos son locales que exigen un acondicionamiento acústico especial.
Las condiciones de trabajo pueden mejorar notablemente con el acondicionamiento acústico. Hace un tiempo, el ruido de las máquinas era insoportable para los oídos de los trabajadores.
Como podemos observar, la absorción acústica se puede utilizar en diferentes lugares. Lo importante es saber cuándo y dónde se deben usar los diferentes materiales acústicos.
Actividad propuesta 1. ¿Qué características físicas deben tener los materiales para que permitan aislar del ruido? 2. ¿Qué materiales utilizarías para revestir una sala de grabación?
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Unidad 2 • Ondas sonoras
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Refracción del sonido La refracción es otra de las características de los movimientos ondulatorios. Consiste en el cambio de dirección y de rapidez que sufre una onda cuando pasa de un medio a otro de distintas características. Pero la refracción también se puede producir dentro de un mis mo medio cuando las características de este no son perfectamente homogéneas, sino que varían en cuanto a su densidad o su temperatura y, por consiguiente, la rapidez de propaga ción de las ondas en ellos también cambia de un punto a otro. En definitiva, la propagación del sonido en el aire sufre refracciones, dado que la temperatura del aire no es uniforme. En relación con las ondas sonoras, son muy pocos los casos en los que estas se transmiten en línea recta de un medio a otro de forma apreciable.
Para grabar La refracción del sonido se produce cuando la onda sonora atraviesa medios distintos, lo que hace que cambie su rapidez de propagación y se desvíe a través de ellos.
En un día soleado, las capas de aire próximas a la superficie terrestre están a mayor tempe ratura que las capas más altas y, por lo tanto, la rapidez del sonido aumenta con la tempera tura porque las moléculas oscilan más rápidamente y transmiten al entorno la perturbación, mayor en las capas bajas que en las altas. Ello da lugar a que el sonido, como consecuencia de la refracción, se desvíe hacia arriba. En esta situación, la comunicación entre dos personas suficientemente separa Aire frío das se vería dificultada. El fenómeno contrario ocurre durante las noches, ya que las capas de aire próximas a la Tierra se enfrían más rápidamente que las más altas. De este modo, el sonido emitido desde el suelo se curva hacia abajo en las capas frías más altas. Así, es fácil explicar por qué por la noche oímos conversaciones de personas que se encuentran a larga distancia o escuchamos ruidos que proceden de zonas muy alejadas.
Aire caliente Aire frío
Una curiosidad que tiene su explicación en la refracción del sonido se produce bajo las superficies nevadas. La nieve no es un medio uniforme, ya que está formada por diferentes capas. Cada una de ellas se encuentra a distintas temperaturas, y las más frías son las más profundas. En estas capas más frías, próximas al suelo, el sonido se propaga con menor rapidez. De modo que las sucesivas refracciones devuelven el sonido a la superficie, lo que produce desplazamientos de masas de nieve a grandes distancias.
¿Te has dado cuenta de que en la noche los sonidos se escuchan con mayor facilidad? ¿A qué crees que se debe este fenómeno? ¿Cómo relacionarías este hecho con la rapidez del sonido?
¿Qué sucedería con el grito de los escaladores en las superficies nevadas? ¿A qué distancia llegaría el sonido?
Actividad propuesta 1. Explica por qué cambia la dirección de propagación de una onda cuando se produce un cambio de medio. 2. ¿Cómo es posible que haya refracciones del sonido dentro de un mismo medio, como en el caso del aire? 3. Si se explican algunos fenómenos asociados al sonido, ¿cómo te das cuenta de que la descripción corresponde a la refracción?, ¿en qué te fijas?
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Difracción del sonido y resonancia El principio de FresnelHuygens permite explicar el fenómeno de la difracción. Como ya he mos visto, cada punto del medio por el que se propaga el movimiento actúa como un foco emisor de ondas secundarias. De esta manera, se puede recibir una onda sin ver directamente el foco emisor, es decir, esta experimenta un cambio en la forma del frente de onda cuando choca con un obstáculo o pasa a través de un orificio.
Ondas sonoras
¿Es posible escuchar una conversación que se produce dentro de una habitación a través de una puerta entreabierta? ¿Qué sucede con el recorrido de las ondas sonoras en este caso?
Las ondas sonoras tienen longitudes de onda desde los 2 centímetros hasta los 17 metros, aproximadamente. Estas dimensiones son del mismo orden que los objetos que nos rodean, automóviles, edificios, personas, etc., de modo que se difractan con facilidad. Ahora bien, no lo hacen igual todas las longitudes de onda. Por ejemplo, aquellas más grandes, correspondientes a sonidos graves, son más difíciles de apantallar y pueden dar vueltas por las esquinas y por los objetos de mayor tamaño. Sin em bargo, los sonidos de longitudes de onda pequeña, correspondientes a los agudos, tienden a propagarse en línea recta, razón por la que es fácil crear en ellos una “sombra acústica”. Son tan pequeñas sus longitudes de onda que las propias orejas pueden producir sombra acústica.
Actividad experimental La experiencia que se propone a continuación es una aplicación de difracción muy sencilla. Para llevarla a cabo, sigue las siguientes instrucciones:
Ayuda Comprobarás que al emitir un sonido grave, este se propaga con la misma intensidad por delante y por detrás. En cambio, al emitir un sonido agudo, se percibe con intensidad menor.
• Junto con un amigo debes ir a algún sitio donde haya poco ruido. • Colóquense de espaldas a una distancia de 10 m. • Uno de los dos emitirá sonidos de aproximadamente la misma intensidad y el otro intentará escucharlos. • En primer lugar, hay que cantar una nota baja o tono grave. • Luego, hay que producir un sonido agudo; un silbido puede servir como ejemplo. 1. En relación con la actividad experimental: a. ¿Qué conclusiones puedes extraer de este experimento? b. Explica la importancia de la difracción cuando nos comunicamos entre las personas.
Resonancia Cuando un cuerpo capaz de vibrar recibe estímulos de una fuente sonora externa de la mis ma frecuencia o muy próxima, sus amplitudes de oscilación aumentan considerablemente. Este incremento es el resultado de una transferencia de energía de una fuente sonora externa al cuerpo vibrante, lo que se deno mina resonancia.
La caja de una guitarra acústica amplifica el sonido gracias a la resonancia.
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Unidad 2 • Ondas sonoras
Las edificaciones a grandes alturas, como las construcciones de puentes, deben considerar la resonancia debida al efecto del viento. ¿Por qué crees que se produce este efecto?
La resonancia presenta varias aplicaciones; una de ellas, son los instrumentos musicales. Al pulsar las cuerdas de una guitarra, estas vibran, lo que hace oscilar a las moléculas vecinas, y consigo a las paredes del instrumento, que actúa como una caja de resonancia, amplifi cando los sonidos producidos. Este efecto también se puede apreciar al golpear los parches de un bombo, por ejemplo.
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Superposición e interferencia La interferencia en las ondas sonoras se produce cuando dos o más ondas sonoras coexisten en el mismo medio y al mismo tiempo, de modo que en cada punto del espacio se suman las elongaciones. Un ejemplo común de la interferencia en ondas sonoras lo comprobamos al estudiar lo que ocurre cuando golpeamos simultáneamente dos diapasones o cualquier otra fuente sonora de frecuencias levemente diferentes. El sonido que se produce varía en intensidad, y alterna entre tonos fuertes y silencio virtual. Estas pulsaciones regulares se conocen como pulsaciones o batido. El resultado es una onda de amplitud modulada generada por otra oscilación. Parece que las ondas sonoras se propagan sin afectarse unas a otras, incluso cuando su dife rencia de intensidad es muy grande. Sin embargo, el sistema auditivo es sensible a la presión sonora total. Por lo tanto, es necesario analizar cómo se combinan o superponen diferentes ondas sonoras para encontrar la onda resultante de la superposición. Esta corresponde a la suma algebraica de cada una de las elongaciones que componen las ondas. Por ejemplo, consideramos dos altavoces, A y B, que están separados por una distancia d y colocados al aire libre para evitar reflexiones. Los dos altavoces emiten el mismo sonido de forma continua y uniforme en fase, de manera que las compresiones y rarefacciones se forman a las mismas distancias de cada fuente. Así, las líneas dibujadas representan las zonas de máxima presión o zona de compresión de cada onda en un instante de tiempo determinado, mientras que los espacios en blanco entre ambas líneas son las zonas de baja presión o zonas de rarefacción.
Una onda de amplitud modulada es aquella en que la amplitud de las ondas generadas de alta frecuencia ha sido modificada a una de ondas de baja frecuencia.
Como las ondas sonoras son longitudinales, un monte corresponde a una compresión y un valle a una rarefacción. Si se coloca un micrófono en el punto C, que se encuentra a la misma distancia de cada altavoz, recibirá, en el momento representado en la imagen, un sonido fuer te porque las interferencias son constructivas: los dos montes llegan en un mismo instante y los dos valles en el instante posterior. Sin embargo, poco o casi nada se percibirá en un punto como el D, porque la interferencia es destructiva debido a que las compresiones de uno de los altavoces se unen a las rarefacciones del otro. D
C
λ
λ
A
d
B
Dos altavoces o parlantes ubicados a una distancia determinada emiten sonidos con la misma frecuencia y, además, si están en fase generan un patrón de interferencia.
Actividad propuesta 1. Indica si son verdaderas o falsas, y por qué, las siguientes afirmaciones: a. El fenómeno de pulsación o batido se produce con sonidos de frecuencias lejanas. b. El altavoz de la imagen percibe sonido cuando este llega a un monte, y silencio cuando llega al valle. c. El experimento de los altavoces se hace con frecuencias en fase porque con las desfasadas no se producen interferencias. d. Una onda de amplitud modulada se genera cuando se juntan dos ondas, una de alta frecuencia y otra de baja frecuencia.
Para grabar La superposición de ondas sonoras se genera cuando dos ondas se juntan y dan lugar a una interferencia, que puede ser constructiva (cuando se juntan dos zonas de compresión) o destructiva (cuando se junta una zona de compresión con una zona de rarefacción).
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Ondas estacionarias en instrumentos musicales Las ondas estacionarias nos permiten explicar cómo se produce el sonido en los instrumen tos musicales y, además, ayudan a los fabricantes a trabajar de forma casi matemática en su construcción. Las ondas estacionarias resultan de la interferencia y de la resonancia de ondas. Cuan do ondas de igual amplitud y longitud de onda se interfieren en sentido opuesto, se forma la onda estacionaria, que a simple vista parece inmóvil. Las diferentes ondas estacionarias que se pueden generar en los ins trumentos de música dependen de cómo se forme la onda en ellos. Puede ser de tres modos: con los extremos fijos, con los extremos libres o con un extremo libre y uno fijo.
Ondas con extremos fijos Las ondas estacionarias con los extremos fijos son las que se dan en instrumentos de cuerda como guitarras, violines o pianos. Estos ins trumentos constan de una o más cuerdas de longitud, L, con una ten sión determinada que permite seleccionar la frecuencia de su sonido. Cuando se pulsa la cuerda sobre el mástil con los dedos, disminuye su longitud y cambia su frecuencia. ¿Cómo se pueden seleccionar las frecuencias en los instrumentos musicales?
Al pulsar las cuerdas de una guitarra, se producen ondas con extremos fijos.
λ = 2L
Suponemos que la longitud del medio, en este caso la cuerda, es L. Debe cumplirse que en los límites x = 0 y x = L. Tiene que haber un nodo, es decir, una zona de ausencia de vibración o de mínima energía y un antinodo o punto de máxima energía.
λ=L
De esta manera, la longitud de onda, λ, de la primera onda estacionaria o primer armónico que se forma es: λ =L ⇒ λ=2L 2
L n=1 Primer armónico
n=2 Segundo armónico
λ = 23 L
n=3 Tercer armónico
λ = 12 L
n=4 Cuarto armónico
λ = 25 L
n=5 Quinto armónico
λ = 13 L
n=6 Sexto armónico
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Unidad 2 • Ondas sonoras
Las mismas condiciones se cumplen para todos los armónicos, de modo que las sucesivas longitudes de onda serán: • Para la segunda, λ = L 3 • Para la tercera, =L⇒ 2
3 = L 2 L • Para la cuarta, 2= ⇒ 2 Si lo escribimos mediante una fórmula recurrente, la longitud de la onda estacionaria será: 2L λ= ; con n = 1, 2, 3, ... n Si consideramos que la rapidez de la onda en la cuerda es v, las fre cuencias correspondientes serán: v v f= = n λ 2L Al hacer vibrar una cuerda sujeta en los extremos, se genera una onda estacionaria cuya variación en la frecuencia produce diferentes ondas de menor longitud, que se llaman armónicos.
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Ondas con extremos libres
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n=1 λ = 2L
La mayoría de los instrumentos de viento son de extre mos libres. La excepción la encontramos en el órgano, la flauta de pan o el clarinete.
n=2
Cuando una onda estacionaria está confinada a un espacio con los dos límites libres, debe coincidir un antinodo con la zona abierta.
n=3
Las condiciones que se imponen en este caso es que tanto en x = 0 como en x = L tiene que haber un vientre. Esta con dición, a efectos de medir la longitud de onda, es la misma que la de límites fijos, de modo que nos encontramos con las mismas longitudes de onda y frecuencias. v v 2L λ= ; con n = 1, 2, 3, ... f = = n n λ 2L
λ=L
λ= 2 L 3 n=4 λ= 1 L 2 X=0
L
X=L
Ondas que se forman en el interior de un instrumento con extremos libres.
Ondas con un extremo fijo y un extremo libre Cuando las ondas estacionarias están confinadas en un tubo con un extremo libre y uno fijo, como el de una flauta de pan, en el extremo fijo, x = 0, debe situarse un nodo y en el libre, x = L, un antinodo.
n=1 λ = 4L
Así, en el primer armónico encontramos que la longitud del tubo coincide con una cuarta parte de la longitud de onda: 1 =L ⇒ 4
n=2 λ= 4 L 3
= 4L
n=3 λ= 4 L 5
El segundo armónico se produce cuando en el tubo hay tres cuartas partes de la longitud de onda. 3 =L ⇒ 4
Si nos fijamos en la imagen lateral, podemos llegar a la fór mula recurrente para λ. 4L λ= con n = 1, 2, 3, ... 2n – 1 La frecuencia será: f =
n=4
4 = L 3
λ= 4 L 7 X=0
L
X=L
Ondas que se forman en el interior de un instrumento con un extremo fijo y un extremo libre.
v (2n – 1) 4L
La zampoña o flauta de pan resuena con un extremo libre y otro fijo.
Actividad modelada Sabiendo que la rapidez del sonido es 340 m/s, calcula la longitud de onda y la frecuencia del tercer armónico de un tubo de órgano, de 60 cm de longitud. Comenzamos calculando la longitud de onda del tercer armónico. Como el órgano es un instrumento con un límite fijo y el otro libre, si utilizamos unidades del SI tenemos: λ= Luego, su frecuencia será: f =
4L 4 • (0, 6) 2, 4 = = = 0, 48 m 2n – 1 2 • 3 – 1 5
v 340 = = 708, 3 Hz λ 0, 48
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Efecto dóppler El sonido emitido por un foco en movimiento (como el silbato de un tren o el motor de un automóvil) que se acerca a alguien que escucha se percibe más agudo (con más frecuen cia) que cuando el foco se encuentra en reposo. Y, al contrario, cuando el foco se aleja, se oye un sonido más grave (de menor frecuencia). El paso de un auto de Fórmula Uno junto a los micrófonos de la pista ilustra perfectamente este fenómeno.
Ampliando memoria El efecto dóppler se emplea para medir la rapidez de los vehículos por medio del radar. Se envía un haz de ondas y luego se captan las reflejadas. La comparación entre los dos haces de ondas permite determinar la rapidez del vehículo.
En el año 1843, el físico austriaco Christian J. Doppler describió este fenómeno al notar cómo el tono del silbido de una locomotora se hacía más agudo al acercarse y más grave al alejarse. Para estudiar el efecto dóppler, se distinguen tres situaciones diferentes: • Observador fijo y foco en movimiento. En este caso, la longitud de onda que percibe el observador se hace más pequeña que la emitida por el foco. Los frentes de onda se comprimen por el espacio que re corre el foco. La longitud de onda recibida es: λλ ' = – (v F • T)
1 2 V
3
V
En el caso contrario, cuando el foco se aleja del observador, las longitu des de onda percibidas son más largas: λλ '= + (v F • T
4 5 Foco móvil
λ 123 4
VF
La expresión de la frecuencia que percibe el observador es:
V0= 0
v f'=f v vF
Observador fijo
V
• Observador en movimiento y foco fijo. En el caso de que el foco se encuentre fijo y el observador sea el que se mueve, lo que varía no es la longitud de onda, sino la rapidez con la que ella se percibe.
V
A la rapidez de la onda hay que sumarle o restarle la rapidez del ob servador.
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V
f' =
5 Foco fijo
λ VF = 0
V
Observador móvil
vT λ
=
v ± v0 v f
v ± v0 =f v
• Observador y foco en movimiento. En este caso, da como resul tado una variación de la longitud de la onda y una variación de la frecuencia. La expresión que proporciona el valor de la frecuencia percibida es una combinación de ambas. v ± v0 f'=f v vF
V
Actividad modelada Ayuda Convención de signos: Es + cuando el observador se aproxima, y – cuando se aleja. Es – cuando el foco móvil se aproxima, y + cuando se aleja.
1. La locomotora de un tren cuyo silbato emite una frecuencia de 250 Hz pasa por delante de un observador con una rapidez de 72 km/h. Calcula la frecuencia que percibe este cuando el tren se acerca y la que percibe cuando el tren se aleja. La rapidez del foco en unidades del SI es: 72 km/h = 20 m/s Cuando el tren se acerca: f ' = f
Cuando el tren se aleja: f ' = f
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Unidad 2 • Ondas sonoras
340 v = 250 = 265, 6 Hz v – vF 340 – 20
340 v = 250 = 236,1 Hz v + vF 340 + 20
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La barrera del sonido Cuando la rapidez del foco emisor aumenta considera blemente hasta que su valor se hace próximo al del soni do, las longitudes de onda por delante del foco se hacen excesivamente pequeñas. En la zona que está justo por delante del foco, los montes y los valles, o zonas de com presión y de rarefacción, se juntan tanto que se forma una zona de muy alta presión. Esto es lo que ocurre justo por delante de los motores de los aviones que son capaces de acercarse a la rapidez del sonido. Esta zona de alta presión limitó durante muchos años la rapidez máxima de los aviones y estableció lo que conocemos como barrera del sonido. La dificultad no era rebasar una velocidad numérica, sino que para hacerlo había que romper una zona de alta presión que ejercían las partículas de aire sobre el avión. Cuando en 1947 por fin se consiguió, en un vuelo super sónico que permitió rebasar la rapidez del sonido, esto generó un tremendo estruendo que sorprendió a todos los que observaban el fenómeno. La rotura de esa zona de alta presión fue la causa de dicho estruendo, que hoy se denomina onda de choque. Lo que cualquier observador percibía, una vez superada la barrera del sonido, era cómo pasaba delante de sus ojos un avión que no hacía ruido, pero en unos instantes después aparecía el sonido. La rapidez de los aviones supersónicos se mide en mach, que es la relación entre la rapidez del avión con respecto a la rapidez del sonido a una temperatura de 15 ºC. Por ejemplo, dos mach es una rapidez igual al doble de la del sonido. A continuación, veamos cómo se obtiene la rapidez de los aviones supersónicos.
Los aviones supersónicos son aquellos que superan la rapidez del sonido, es decir, vuelan por sobre los 340 m/s, o bien, sobre los 1.224 km/h.
Ampliando memoria La rapidez del sonido en aeronáutica se denomina mach, en honor al físico austriaco Ernst Mach.
Actividad modelada 1. Calcula el número de mach de un avión supersónico que se mueve a una rapidez de 680 m/s. v Para obtener el número de mach, se puede expresar la siguiente igualdad: mach = vs donde v es la rapidez del avión y vS la rapidez del sonido a 15 ºC, que corresponde a 340 m/s. Por lo tanto, de acuerdo a los datos del problema y su reemplazo en la expresión, tenemos que: 680 m/ s mach = = 2 mach 340 m/ s
Ayuda Para obtener el número de mach, se consideran las condiciones estándar de la rapidez del sonido a una temperatura de 15 ºC y presión de una atmósfera.
En consecuencia, la rapidez del avión es igual al doble de la rapidez del sonido.
Actividad propuesta 1. Calcula el número de mach correspondiente a un avión que va a 980 m/s. 2. ¿Qué rapidez lleva un avión que va a 2,35 mach? 3. ¿Qué sucede con el número de mach de un avión si varían las condiciones de la temperatura a 0 ºC? 4. ¿Qué importancia crees que tiene para un piloto conocer las condiciones de temperatura para realizar su vuelo? 5. Explica lo que sucede cuando primero observas el avión pasar por el aire y luego de unos segundos escuchas su sonido.
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Ciencia, tecnología y sociedad
Infrasonidos: un modelo de comunicación animal Los infrasonidos se definen como las ondas acústicas con frecuencias inferiores a los 20 Hz. Sus longitudes de onda van desde los 17 metros hasta los 30 kilómetros. Esto implica que para ser desviadas o apantalladas necesitan encontrar en su tra yectoria obstáculos de dimensiones comparables a las suyas. Una característica de los infrasonidos es que su atenuación atmosférica es muy pequeña, lo que les permite recorrer grandes distancias sin disminuir su amplitud. Esta particularidad ha permitido que, en algunas situaciones catastróficas, lleguen a un receptor señales antipodales, es decir, que la misma señal llegue al receptor por los dos caminos: el más corto por la tierra, y el más largo a través del aire. Un ejemplo interesante de los infrasonidos se encuentra en el mundo animal. La comunicación entre individuos de la misma especie, como los elefantes, se puede realizar emitiendo infrasonidos que atraviesan grandes distancias de selvas y llanuras. De este modo, las hembras avisan a los machos que están listas para aparearse, o un grupo puede avisar a otro sobre el lugar en que hay alimentos. Las comunicaciones acústicas de este tipo permiten localizar con gran precisión la fuente de la señal, tanto en el tiempo como en el espacio. Las ballenas, por ejemplo, también son capaces de emitir y recibir infrasonidos. Estos sonidos, ¿serán percibidos por el ser humano?
La gran cavidad bucal y craneal de los elefantes les permite producir y recibir longitudes de onda muy largas.
Aplicaciones de los infrasonidos La aplicación fundamental de los infrasonidos a la tecnología ha sido la detección de señales análogas a las ondas sísmicas para determinar la posición y características de algún suceso. Analizando las propiedades de la onda se determinan las del foco emisor. 1. Las frecuencias que componen la onda indican cómo fue generada y cómo se propaga. 2. La amplitud indica la energía del suceso que la generó. 3. La rapidez de la onda indica la ubicación de la fuente y las propiedades del medio que la rodea. 4. Se puede determinar el trayecto de la onda a partir de varios receptores. 5. El tipo de señal indica el tipo de suceso que la generó. Por ejemplo, un impulso indica una explosión y una señal periódica advierte de otros acontecimientos. Los primeros registros históricos, percibidos a través de los infrasonidos, son debidos a catástrofes de gran envergadura sucedidas entre los siglos XIX y XX. • La explosión del volcán Krakatoa en Indonesia (1883), que fue de tal magnitud que los sonidos se escucharon a distancias de 5.000 km; los infrasonidos se registraron en todo el mundo. • El estampido supersónico que produjo la colisión de un meteorito con la Tierra en el año 1908 en Tunguska (Siberia). • Los días 2 y 9 de agosto de 1945 se detectaron los sucesos de mayor y más trágica envergadura generados por el ser humano: las bombas nucleares de Hiroshima y Nagasaki. Precisamente, el registro de estas señales dio pie para utilizar los infrasonidos en la detección y análisis de El tratado de prohibición completa explosiones atómicas. de ensayos nucleares ha impulsado • En 1949 se detecta la detonación de la primera bomba nuclear soviética, lo que dio paso al el estudio de los infrasonidos. inicio de la Guerra Fría.
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Los ultrasonidos Los ultrasonidos son ondas sonoras de una frecuencia superior a 20 kHz. Sus longitudes de onda oscilan desde algunos centímetros hasta las micras (10–6 m). Al igual que los infra sonidos, no son percibidos por el oído humano; sin embargo, tienen muchas aplicaciones en campos como la medicina, la biología, la física, la química y la industria. La aplicación más antigua y conocida de los ultrasonidos es el sonar, que está re lacionado con la detección y la localización. Se basa en la reflexión de la onda en un obstáculo para, posteriormente, ser transformada en una señal eléctrica visible en una pantalla. Su origen se encuentra en la aplicación que de este Un murciélago es un mamífero capaz fenómeno realizan animales como los murciélagos o los delfines.
de orientarse en la oscuridad a través de los ultrasonidos.
Aplicaciones médicas • Diagnosis. La reflexión de ultrasonidos de baja inten sidad en los diferentes órganos internos permite trans formar la señal en imágenes sobre una pantalla. Es una técnica indolora y sin peligro. Su versión más conocida es la ecografía. • Terapia. Probablemente, la litotricia sea la principal técnica de terapia con ultrasonidos. Consiste en la destrucción de cálculos (pequeñas piedras) en el riñón, la vejiga o la vesícula, mediante la aplicación de ondas ultrasónicas que los trituran, lo que reduce su diámetro para que puedan ser expulsados por el organismo. También son usados para tratar la tendinitis cuando existen calcificaciones.
Aplicaciones industriales y fisicoquímicas En ciencias como la física o la química son utilizados fundamentalmente para la investigación, determinación de propiedades de líquidos y gases o aceleración de algunos tipos de reacciones. Los ultrasonidos también tienen importantes aplicaciones en la industria, según los valores de su frecuencia e intensidad. • Los ultrasonidos de baja intensidad pueden atravesar objetos sin producir modificaciones en ellos. Se utilizan para detectar la presencia de fallos en el espesor de materiales sólidos, en la medida de pérdida de espesor en tubos y chapas, así como en la dispersión de pigmentos en pinturas y tintas. • Los ultrasonidos de alta intensidad permiten la destrucción de bacterias y otros microorganismos, por lo que se emplean en la limpieza de vidrios de laboratorio, instrumentos médicos, componentes electrónicos, etc. • Los ultrasonidos de muy alta intensidad permiten realizar soldaduras metálicas y modelado de figuras.
Ultrasonidos y alimentos En el campo del tratamiento de productos alimenticios, se ha desarrollado una técnica en los últimos años, consistente en la aplicación de ultrasonidos. El proceso también se llama de procesado mínimo. La idea consiste en destruir los microorganismos que descomponen los alimentos, sin modificar la apariencia externa de estos. Lo que hacen las ondas ultrasónicas es destruir la membrana celular de estos organismos y, en consecuencia, provocarles la muerte. Actualmente, no está completamente desarrollado y, además, no es una técnica que sirva para todos los alimentos, ya que algunos conducen muy mal este tipo de ondas.
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Historial Utiliza este resumen de los contenidos para elaborar tu propio organizador conceptual.
Las ondas sonoras • El sonido se produce por las vibraciones del foco emisor y se propaga a través de las partículas del medio. Al contrario, no se propaga en el vacío. • Las ondas sonoras son mecánicas y longitudinales, se comprimen en la máxima amplitud (compresión) y se separan en la mínima (rarefacción). T 273 • En los sólidos y líquidos, el sonido viaja más rápido a través de medios con mayor elasticidad, y más lentamente en los más densos. Págs. 70 a 75
• La rapidez del sonido depende de la temperatura del aire: v= 331
Características del sonido • La sonoridad es la sensación auditiva que produce un sonido. Está relacionada con la amplitud. Los sonidos pueden percibirse como fuertes o débiles. • El tono o altura está relacionado con la frecuencia que permite diferenciar entre sonidos graves y agudos. • El timbre es la propiedad que permite al oído humano distinguir dos sonidos con la misma frecuencia e intensidad emitidos por distintos instrumentos. Está relacionado con la forma de onda. Págs. 76 a 79
Sensación auditiva • La intensidad acústica es la energía transportada por una onda sonora en una unidad de tiempo y de superficie (o la potencia por unidad de superficie). Se mide en W/m2. • La sensación sonora está relacionada con la percepción de la intensidad y las características del sonido, como tono y timbre. Se mide en decibel. • El oído es el órgano de la audición y del equilibrio. Se divide en tres partes: oído externo, oído medio y oído interno. • Los receptores del oído perciben vibraciones y producen impulsos nerviosos que son transportados por el nervio auditivo al cerebro. Págs. 80 a 83
Propiedades de las ondas sonoras • Reflexión y absorción. El sonido se refleja en objetos rígidos y planos, pero se atenúa si la superficie es blanda o rugosa. • Refracción. Es el cambio de dirección y de rapidez de la onda sonora que se produce cuando cambia de medio o cambian las propiedades del medio. • Difracción. El sonido tiene la capacidad de bordear los objetos y cambiar la forma del frente de onda de aquellas que tienen su longitud de onda entre 2 cm y 17 m. • Efecto dóppler. Se produce cuando el emisor y/o receptor de un sonido se encuentra en movimiento relativo y, como consecuencia, cambia la frecuencia en forma aparente. Págs. 88 a 97
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Unidad 2 • Ondas sonoras
Modelamiento de pregunta PSU
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Cargando disco Te invitamos a resolver el siguiente ejemplo de pregunta. 1 Dos ondas sonoras que se propagan en el mismo medio han sido transformadas mediante un micrófono en señales eléctricas para poder ser analizadas con un osciloscopio. El resultado es el que se muestra en las imágenes. Ambas señales fueron igualmente amplificadas para poder ser comparadas. Tras una inspección visual a primera vista, ¿qué podemos afirmar de ellas?
A. Ambos sonidos son de la misma intensidad y se diferencian únicamente en su timbre. B. Se diferencian en la intensidad y el tono. El primer sonido es más fuerte y más grave que el segundo. C. Los sonidos se diferencian en el timbre y el tono. El primero es más grave que el segundo y está producido por un foco diferente. D. Los sonidos se diferencian en la intensidad, ya que a la vista de las imágenes no se puede asegurar nada sobre su frecuencia y su timbre. E. Ambas ondas sonoras son producidas por una misma fuente y, por lo tanto, los valores de longitud de onda y fre cuencia son iguales.
Lo primero que debemos hacer es analizar las imágenes y la información que podemos extraer de ellas. Las ondas están en una pantalla donde hay una cuadrícula que nos permite medir altura y anchura. Luego podemos comparar entre ambas la amplitud y su longitud de onda.
C. Incorrecta. Como ya hemos dicho con anterioridad, los sonidos no se diferencian en el timbre, puesto que la forma de la onda es la misma. En el tono sí se diferencian y, efectivamente, la onda correspondiente al sonido de la izquierda es más grave; esta parte sería correcta. El sonido está producido por el mismo foco.
A. Incorrecta. En principio, ya hemos visto en varios casos que los sonidos no son de la misma intensidad, pues el de la izquierda tiene mayor amplitud. También es un error que se diferencien en el timbre, ya que la forma de las ondas es la misma en ambos casos.
D. Incorrecta. Ambas ondas son producidas por la misma fuente, pero son distintas en su longitud de onda y en su frecuencia. E. Incorrecta. Aunque la primera parte de la frase es correcta, porque los sonidos se diferencian en la intensidad, tam bién lo hacen en otras características. La segunda parte de la frase dice que no se puede asegurar nada sobre su frecuencia y su timbre, pero claramente se puede ver que las frecuencias son diferentes y el timbre es el mismo para ambos sonidos.
B. Correcta. Es cierto que las dos características de las on das en las que se diferencian son la intensidad y el tono. También es cierto que la de la izquierda es más intensa, ya que su amplitud, como se puede apreciar en la escala, es mayor y a la vez es más grave, pues la longitud de la onda también es más larga que la de la derecha.
Entonces, la alternativa correcta es la B. A
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Verificando disco
Marca la alternativa que consideres correcta. 1 ¿Cómo se explica el hecho de que llegue a nuestros oídos el zumbido del aleteo de una abeja? I. II. III. IV.
C. Solo III D. Solo IV
2 ¿Qué puedes inferir de la siguiente tabla, que muestra algunos valores de la rapidez del sonido en distintos medios?
E. I, II, III y IV
Granito
5.400
Hierro 5.190 El sonido se propaga Aluminio 5.100 de mayor a menor Madera 3.900 rapidez en medios sólidos, líquidos y Cobre 3.810 gaseosos. Agua 1.402 II. Es mayor la rapidez Plomo 1.190 del sonido en mate riales más densos y Aire 331 poco elásticos. III. La rapidez del sonido varía según la temperatu ra de los materiales.
A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo I y II
E. I, II, III
3 ¿Cuál es el valor de la rapidez del sonido en el aire, a una temperatura de 17 ºC? A. 320,5 m/s B. 325 m/s
C. 331 m/s D. 341 m/s
E. 351,5 m/s
4 Los murciélagos pueden detectar sonidos de frecuencia igual a 120.000 Hz. ¿Cuál es la longitud de onda en el aire y el periodo de estos ultrasonidos, si se toma como rapidez del sonido 340 m/s? λ = 0,3 m y T = 8,3 • 106 s λ = 0,003 m y T = 120.000 s λ = 0,0003 m y T = 8,3 • 106 s λ = 4,1 • 107 m y T = 120.000 s λ = 2,8 • 10–3 m y T = 8,3 • 106s
Unidad 2 • Ondas sonoras
Tienen diferente tono. Tienen diferente timbre. La frecuencia es igual para cada una. Cada una de esas notas tiene diferente intensidad. Están representadas por diferentes formas de onda.
Utiliza el siguiente gráfico para responder las preguntas 6 y 7. Umbral de la sensación desagradable
Rapidez del sonido (en m/s, medida a 0 ºC)
I.
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A. B. C. D. E.
Las partículas del aire vibran. El foco emisor es el aleteo de la abeja. Se transmiten compresiones y rarefacciones. Existe una frecuencia de vibración y una inten sidad del sonido perceptible al oído.
A. Solo I B. Solo II
A. B. C. D. E.
5 En un piano hay varias teclas que dan la nota sol (tantas como escalas tiene). ¿En qué se diferencia cada una de estas notas?
Intensidad sonora (dB)
I.
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Frecuencias altas
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Frecuencias medias
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Frecuencias bajas
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Frecuencia (Hz)
6 ¿Qué interpretaciones son correctas, de acuerdo con la percepción de los sonidos? Las frecuencias medias son perceptibles por el ser humano. II. Las frecuencias superiores a 30.000 Hz no son perceptibles para el ser humano. III. Es perceptible un sonido que tiene una fre cuencia de 100 Hz y una intensidad de 20 dB. I.
A. Solo I B. Solo II
C. Solo I y II D. Solo I y III
E. I, II, III
7 ¿Qué sucede cuando el sonido supera los 120 dB? I. Es audible a frecuencias bajas. II. No es audible a frecuencias altas. III. Se produce una sensación desagradable a cual quier frecuencia. A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo I y II
E. Solo I y III
0 1 8 Uno de los principales problemas de las grandes ciudades, en la actualidad, es la denominada contaminación acústica. ¿Cuándo el sonido tiene efectos nocivos para la salud? A. Solo cuando supera los 140 dB, momento en el que se produce la rotura del tímpano. B. Cuando el tiempo de exposición al ruido es mayor a cinco horas, sin importar la intensidad. C. El sonido solo tiene efectos nocivos cuando esta mos sometidos a niveles mayores de 120 dB. D. Se considera un ruido contaminante cuando su inten sidad supera los 120 dB, que es el umbral del dolor. E. Ocasiona trastornos orgánicos cuando la exposi ción es prolongada a intensidades elevadas por debajo del umbral del dolor. 9 ¿Qué condiciones deben cumplirse para que el oído perciba los sonidos? Las vibraciones de las ondas sonoras deben tener frecuencias por sobre los 20 Hz. II. La intensidad sonora debe ser superior a 20 dB. III. Los receptores del oído perciben las vibracio nes y producen los impulsos nerviosos. I.
A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo I y III
E. I, II, III
Utiliza la siguiente información para responder las preguntas 10 y 11. Si un gato maúlla a temperatura ambiente de 40 ºC con una frecuencia de 88,5 Hz y la dirección de la onda tiene una inclinación como muestra la imagen: N 10 ¿Cuál es el valor del ángulo de incidencia (θi) y el ángulo de reflexión (θr)? A. B. C. D. E.
40º θi θr
40º, 40º 40º, 50º 50º, 40º 50º, 50º 90º, 40º
2m 3m 4m 8m 10 m
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12 ¿A qué distancia se encuentra una tormenta si el sonido del trueno llega 6 segundos después de haberse visto el rayo? Considera que la temperatura ambiente es de 15 ºC. A. B. C. D. E.
90 m 993 m 1.020 m 1.280 m 2.040 m
13 ¿Qué le puede suceder al sonido cuando se encuentra con un obstáculo en su camino? A. Que se forme una zona de sombra acústica que no permite oír dicho sonido. B. A los sonidos les da igual encontrarse con obstácu los porque los bordean siempre. C. Que, al chocar con el obstáculo, se produzca una reflexión que magnifique su intensidad. D. Según el tamaño del obstáculo, el sonido lo puede bordear y se escucharán determinadas frecuencias. E. Que, al chocar con el obstáculo, se produzca una reflexión y se vuelva a oír únicamente en la zona donde se ha producido el sonido. 14 ¿Cuál es el valor de la longitud de onda y la frecuencia del segundo armónico de una cuerda de una guitarra de 70 cm a 15 ºC?
λ
11 ¿A cuánto corresponde la distancia entre dos frentes de onda consecutivos o λ? A. B. C. D. E.
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A. B. C. D. E.
7 m y 4,85 Hz 140 cm y 2 Hz 0,7 m y 485,7 Hz 70 cm y 4857 Hz 14 m y 472,85 Hz
15 La bocina de un camión en reposo emite sonidos con una frecuencia de 420 Hz. ¿Cuál es la frecuencia que mide un observador que se acerca al camión con una v0 = 5 m/s? Recuerda que v = 340 m/s. A. B. C. D. E.
413,82 Hz 414 Hz 425,15 Hz 426,17 Hz 426,26 Hz
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Evaluación final - Pensamiento científico
II. Analiza la siguiente situación experimental y luego responde. A lo largo de la unidad, hemos trabajado con el valor de la rapidez del sonido, pero ¿será posible desarrollar un método expe rimental que nos permita obtener su valor? Para ello, únicamente debemos basarnos en los conocimientos que tenemos sobre ondas estacionarias en instrumentos mu sicales. Si introducimos una onda de frecuencia conocida en un tubo con un extremo abierto y el otro cerrado, esta adquirirá la máxima amplitud cuando su longitud de onda coincida con una de las ondas estacionarias que se forman en este tipo de 4L tubos. La longitud de onda de una de estas ondas estacionarias es: λ = (2n – 1) v v f = = (2n – 1) De modo que su frecuencia es: λ 4L 4f L Si despejamos el valor de la rapidez en el aire de esta expresión: v = 2n – 1 En nuestro caso, vamos a fijar el valor de la frecuencia utilizando un diapasón de frecuencia conocida (400 Hz). Nuestra única variable será la longitud del tubo. Para facilitar los cálculos utilizamos un solo tubo de, al menos, 40 cm de longitud, que llenaremos parcialmente de agua. El nivel del agua en el tubo se puede regular variando la cantidad de agua de un recipiente de boca ancha, conectado mediante una goma al tubo, como se ve en la imagen.
Diapasón
Ln
Para determinar cuándo se produce la máxima amplitud, el lugar donde se realice el experimento debe estar en silencio. Una vez que hemos golpeado el diapasón, lo acercamos a la boca, al tiempo que escuchamos atentamente el sonido. Cuando detec temos la máxima intensidad, debemos repetir el experimento en torno a dicha posición hasta determinar, con cierto error, evidentemente, la altura de aire para la que se produce el fenómeno. Como sabemos, esta altura corresponderá a una cuarta parte de la longitud de onda, lo que equivale a tener un límite fijo en la zona del agua y uno libre en la boca del tubo. Conoci do el valor de L, se obtiene el valor de la rapidez. Respecto de la actividad experimental, imagina que hubieras tenido que ser tú quien diseñase el experimento que se ha planteado en las condiciones ya conocidas. 1 Si en lugar de un diapasón de 400 Hz, tienes uno de 1000 Hz, ¿qué tendrías que haber cambiado en el procedimiento experimental?
2 ¿Qué frecuencia tendrías que haber buscado, si en lugar de un tubo de 40 cm solo dispusieras de un tubo de 15 cm?
3 ¿Se obtendría el mismo valor para la rapidez en todos estos casos?
4 Detalla el procedimiento que desarrollarías en, al menos, una de las condiciones anteriores, con sus respectivos pasos y materiales.
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Cerrar sesión I. Revisa tus respuestas de alternativas. Pregunta
Contenido evaluado
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Habilidad
Comprender Aplicar
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Aplicar Características del sonido.
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Remediales
Intensidad acústica y sonora. Contaminación y prevención. Oído.
Revisa las páginas 76 a 79 de tu texto.
Comprender Comprender
Aplicar
Revisa las páginas 80 a 83 de tu texto.
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Comprender
11 Propiedades del sonido y aplicaciones tecnológicas.
Revisa las páginas 70 a 75 de tu texto.
3
Comprender
Aplicar
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Logro alcanzado
3
Aplicar
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Mi revisión
Comprender Origen y propagación del sonido.
3
5
Clave
Aplicar Aplicar
14
Aplicar
15
Aplicar
Revisa las páginas 88 a 99 de tu texto.
6
II. Revisa tus respuestas de la actividad procedimental. Etapa del método
Procedimiento experimental
Criterios
Respuesta
El procedimiento experimental no contempla la relación entre las variables del planteamiento del problema ni de la formulación de la hipótesis. Además, no se detallan los materiales ni los pasos que permiten describir el desarrollo de la actividad experimental.
Incorrecta
El procedimiento experimental no necesariamente contempla la relación entre las variables que dan cuenta del planteamiento del problema y de la formulación de la hipótesis. Además, no necesariamente se detallan los materiales y los pasos que permiten describir el desarrollo de la actividad experimental.
Parcialmente correcta
El procedimiento experimental contempla la relación entre las variables que dan cuenta del planteamiento del problema y de la formulación de la hipótesis. Además, se detallan los materiales y los pasos que permiten describir el desarrollo de la actividad experimental.
Correcta
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes dentro de la unidad usando la simbología dada después de la tabla. Evaluación sección
Inicializando
Analizando disco
Verificando disco
Mi estado final 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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Unidad
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LUZ: onda y fotón
¿De dónde viene la luz producida por una tormenta eléctrica? ¿Cómo se mantiene iluminada una gran ciudad?
Menú de inicio ¿Qué aprenderás?
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¿Para qué?
¿Dónde?
Obtención de resultados.
Aplicar las habilidades de pensamiento científico en la obtención de resultados, a partir del procesamiento de datos de un procedimiento experimental.
Páginas 108 y 109, 130 y 131, 146
Orígenes, fuentes y propagación de la luz.
Explicar los fenómenos asociados a la luz y su relación con el origen y las fuentes de luz.
Páginas 110 a 121
Propiedades y aplicaciones de la luz.
Describir las propiedades de la luz y asociarlas con las aplicaciones en espejos y lentes.
Páginas 124 a 137
Fisiología del ojo e instrumentos ópticos.
Diferenciar las estructuras del ojo que permiten visualizar las imágenes y compararlas con los instrumentos ópticos que permiten mejorar la visión.
Páginas 138 a 141
Unidad 3 • Luz: onda y fotón
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Abrir sesión Gracias a la luz, recibimos gran parte de la información que existe en nuestro entorno y en el mundo en que vivimos. A lo largo de la historia, se han realizado grandes esfuerzos para enten der la naturaleza de la luz y así aprovecharla en beneficio de la huma nidad. Como resultado de ello, podemos recibir imágenes lejanas en el espacio y el tiempo (por medio de la televisión, telescopios, cámaras fotográficas, satélites, internet, entre otros) y también entender los fe nómenos naturales (como eclipses o formación del arco iris); entender lo que ocurre cuando nos miramos en un espejo o por qué necesita mos lentes para corregir defectos de la vista. A continuación, responde algunas preguntas asociadas a este tema. 1. ¿Sabes por qué si nos miramos en una cuchara nuestra imagen está invertida o derecha? 2. ¿Por qué el arco iris solo se forma cuando llueve y sale el Sol? 3. ¿Por qué cuando nos reflejamos en un espejo nuestra mano iz quierda pasa a ser la derecha? 4. ¿Qué otras preguntas te puedes plantear antes de iniciar el desarro llo de esta unidad? Si no lograste responder las interrogantes, no te preocupes. Podrás contestar estas y otras una vez que hayas estudiado esta unidad.
¿Por qué crees que la luz blanca se descompone en los colores del arco iris?
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Evaluación inicial - Pensamiento científico
Inicializando
Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de resultados. 5. Interpretación de resultados. 6. Elaboración de conclusiones.
A continuación, te invitamos a ordenar los resultados obtenidos de un diagnóstico radiográfico para que comprendas el comportamiento de las ondas electromagnéticas. Ten presente que solo se consideran algunas de las etapas del método científico; las otras podrás completarlas a partir de tus propias explicaciones en Archivos ocultos. Antes de iniciar la actividad, debes saber que los rayos X pertenecen a ondas electromagnéticas de alta energía y elevada frecuencia, lo que les permite atravesar objetos. Cuando los rayos X penetran en el cuerpo, los tejidos más densos, como los huesos, absorben los rayos más intensamente que otros de menor densidad, como los músculos o los pulmones. La cantidad de radiaciones que atraviesan el cuerpo puede visualizarse de manera permanente en una placa radiográfica, o de forma transitoria en una pantalla fluoroscópica.
¿Cómo se obtienen los resultados? Los resultados obtenidos de un procedimiento experimental se consiguen al manipular las variables y, los datos se pueden recopilar en tablas, gráficos, registros, notas, observaciones u otros.
¿Qué hacer para obtener los resultados? Paso 1: identificar los datos relevantes de la actividad experimental a través de los sentidos y/o usando instrumentos de medida. Paso 2: relacionar los datos obtenidos con la manipulación de variables experimentales. Paso 3: recopilar los datos procesados en una tabla, un registro o un gráfico.
Ayuda El procesamiento de los datos para obtener los resultados se realiza relacionando las variables experimentales con la pregunta de investigación y la hipótesis. Además, los datos obtenidos deben permitir responder la pregunta de investigación y validar la hipótesis.
Obtención de resultados Los resultados obtenidos del estudio de una lesión ósea se presentan ordenadamente en su descripción, pero desordenadamente en las imágenes. 1. Estudio de la fractura: se realiza una primera radiografía de la zona donde se ha producido la lesión para observar el tipo de fractura y determinar las acciones que se tienen que emprender.
A
2. Observación de las medidas practicadas: se colocan los hue sos en su lugar, unidos correcta mente por los extremos fractura dos. Después, se inmoviliza la zona de la fractura. 3. Observación de la evolución: para comprobar la evolución del tratamiento y su resultado, se ha cen nuevas radiografías.
En ocasiones, es preciso recurrir a placas metálicas y clavos para unir los huesos, como se observa en la radiografía.
B
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La radiografía ha sido tomada una vez que se han eliminado los tornillos y la placa. Vemos que los huesos se han soldado bien.
En la radiografía se observa una fractura con desplazamiento de los huesos de la pierna (tibia y peroné).
En consecuencia, debes determinar cuál es el orden correcto en que se tomó cada una de las radiografías. El orden correcto es:
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
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Interpretación de resultados Para interpretar adecuadamente los resultados de un examen radiográfico es conveniente conocer las características de este tipo de exploración. Como ya sabemos, las imágenes radiográficas muestran las zonas que absorben más ra diación (como los huesos) porque permiten un mayor paso de los rayos X y, por lo tanto, se ven más claras. En cambio, las zonas que aparecen más oscuras son aquellos tejidos que absorben menos los rayos X, pues son menos densos. a. ¿Qué explicaciones darías al observar los resultados obtenidos en la etapa 4?
b. ¿En qué fijaste tu atención para determinar el orden correcto de las radiografías?
Ayuda Muchos exámenes por imágenes no se realizan durante el embarazo, ya que la radiación puede ser peligrosa para el feto. En caso de que sea necesario el examen de rayos X, se tomarán precauciones para minimizar la exposición del bebé a la radiación.
Elaboración de conclusiones a. ¿Qué puedes concluir del ordenamiento de los datos para interpretar adecuadamente la técnica radiográfica y dar un diagnóstico adecuado?
b. ¿Cuál es la importancia de los rayos X y qué precauciones se deben tomar para realizar esta técnica en beneficio de la salud?
Procedimiento experimental Los pasos fundamentales para realizar un examen radiográfico son los siguientes: 1. Se le solicita al paciente que se quite toda o parte de su vestimenta y que utilice una bata durante el examen. 2. También se le pide que se quite las joyas, lentes y cualquier objeto de metal o vestimen ta que pueda interferir con las imágenes de rayos X.
Mi estado En esta actividad: ¿Qué me resultó más fácil? ¿Por qué? Respecto de la obtención de resultados: ¿Cuál es su importancia en un proceso investigativo? ¿Cómo sabes que has obtenido los datos correctos y que el procesamiento fue el adecuado? ¿Cómo evalúas tu nivel de desempeño en esta actividad?
3. El paciente se sitúa cerca de la máquina de rayos X para aplicar la técnica y realizar el examen radiológico. 4. La imagen queda registrada en una placa radiográfica o se visualiza de forma transitoria en una pantalla fluoroscópica para interpretarla posteriormente.
Archivos ocultos Considera el desarrollo de la actividad: a. ¿Qué problema de investigación podrías plantear para esta actividad, teniendo presente la obtención de los resultados? (Etapa 1 del método)
b. ¿Qué hipótesis puedes formular de acuerdo al problema de investigación planteado? (Etapa 2 del método)
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Pensamiento científico
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Teorías de la luz Construcción de teorías Las teorías propuestas por los científicos para explicar la naturaleza de la luz han ido cam biando a lo largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas evidencias que permiten interpretar su comportamiento, como corpúsculo, onda, radia ción electromagnética, cuanto o como mecánica cuántica. Pero ¿qué es una teoría científica? Una teoría científica es un marco conceptual que se usa para explicar y predecir observaciones, hechos, fenómenos o teorías previas a través de ideas simples, relevantes, lógicas, empíricas, contrastables, reproducibles, corregibles y dinámicas.
Corpúsculos luminosos
Ahora que sabemos qué es una teoría, examinemos algunas de las principales que expli can la naturaleza de la luz.
Teoría corpuscular Esta teoría fue planteada en el siglo XVII por el físico inglés Isaac Newton, quien señalaba que la luz consistía en un flujo de pequeñísimas partícu las o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes luminosas, que se movían en línea recta con gran rapidez. Gracias a esto, eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes, lo que nos permitía ver a través de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos, los corpúsculos rebotaban, por lo cual no podíamos observar lo que había detrás de ellos. Esta teoría explicaba con éxito la propagación rectilínea de la luz, la refracción y la reflexión, pero no los anillos de Newton, las interferencias y la difracción. Además, experiencias realizadas posteriormente permitieron demostrar que esta teoría no aclaraba en su totalidad la naturaleza de la luz.
Fuente luminosa
Teoría ondulatoria
Una fuente de luz origina corpúsculos luminosos. Ondas luminosas
Fuente luminosa
Una fuente de luz origina ondas luminosas.
Fue el científico holandés Christian Huygens, contemporáneo de Newton, quien elaboraría una diferente teoría para explicar la naturaleza y el com portamiento de la luz. Esta teoría postulaba que la luz emitida por una fuen te estaba formada por ondas, que correspondían al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter. Además, indicaba que la rapidez de la luz disminuye al penetrar en el agua. Con ello, explicaba y describía la refracción y las leyes de la reflexión. En sus inicios, esta teoría no fue considerada debido al prestigio de Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta: se la sometió a pruebas a través de los trabajos del médico inglés Thomas Young, sobre las interferencias luminosas, y los del físico francés Auguste Jean Fresnel, sobre la difracción. Como consecuencia, quedó de manifiesto que su poder explicativo era mayor que el de la teoría corpuscular.
Actividad propuesta 1. ¿Qué ideas son las resaltadas en los párrafos anteriores? 2. Si tuvieras que formular una teoría sobre la naturaleza de la luz, ¿qué dirías con los antecedentes vistos hasta ahora?
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Teoría electromagnética En el siglo XIX, se agregan a las teorías existentes de la época las ideas del físico inglés James Clerk Maxwell, quien explica notablemente que los fenómenos eléctricos están relacionados con los fenómenos magnéticos. Al respecto, señala que cada variación en el campo eléctrico origina un cambio en la proximidad del campo magnético e, inversamente, que cada varia ción del campo magnético origina un cambio en el campo eléctrico. Por lo tanto, la luz es una onda transversal electromagnética que se propaga a través de ondas perpendiculares entre sí. Este hecho permitió descartar que existiera un medio de propagación insustancial e invisible, el éter, lo que fue comprobado por el experimento de Michelson y Morley.
Ampliando memoria En 1887, Albert Michelson y Edward Morley comprobaron experimentalmente que la luz viaja a la misma velocidad relativa desde cualquier punto del espacio. Por lo tanto, este hecho invalida la existencia del éter.
Sin embargo, esta teoría deja sin explicación fenómenos relacionados con el comporta miento de la luz en cuanto a la absorción y la emisión: el efecto fotoeléctrico y la emisión de luz por cuerpos incandescentes. Lo anterior da pie a la aparición de nuevas explicaciones sobre la naturaleza de la luz.
Teoría de los cuantos Esta teoría, propuesta por el físico alemán Max Planck, establece que los intercambios de Ondas energía entre la materia y la luz solo son posibles por cantidades finitas o cuantos de luz, luminosas que posteriormente se denominarán fotones. La teoría tropieza con el inconveniente de no poder explicar los fenómenos de tipo ondulatorio, como son: las interferencias, la difrac ción, entre otros. Nos encontramos nuevamente con dos hipótesis contradictorias, la teoría electromagnética y la de los cuantos.
Fotones
Posteriormente, basándose en la teoría cuántica de Planck, en 1905 el físico de origen ale mán Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de los corpúsculos de luz, a los que llamó fotones. Con esto, propuso que la luz se comportaba como onda en determi nadas condiciones.
Mecánica ondulatoria Esta teoría reúne tanto la teoría electromagnética como la de los cuantos heredadas de la teoría corpuscular y ondulatoria, con lo que evidencia la doble naturaleza de la luz. El que esta se comporte como onda y partícula fue corroborado por el físico francés Luis de Broglie, en el año 1924, quien agregó, además, que los fotones tenían un movimiento ondulatorio, o sea, que la luz tenía un comportamiento dual. Así, la luz, en cuanto a su propagación, se comporta como una onda, pero su energía es transportada junto con la onda luminosa por unos peque ñísimos corpúsculos que se denominan fotones (“pequeños paquetes de energía”).
Fuente luminosa
Una fuente de luz origina ondas y partículas.
Esta teoría establece, entonces, la naturaleza corpuscular de la luz en su interacción con la ma teria (procesos de emisión y absorción) y la naturaleza electromagnética de su propagación.
Actividad propuesta 1. ¿Qué ideas de las teorías sobre la luz resaltarías de los párrafos anteriores? 2. Si tuvieras que representar gráficamente la teoría electromagnética y la teoría de los cuantos, ¿cómo lo harías? 3. ¿Cómo reformularías el texto propuesto sobre la teoría mecánica ondulatoria para que cumpla con los requerimientos de la enunciación de una teoría científica? 4. ¿Qué hechos permiten descartar la existencia del éter? 5. ¿Cómo construirías una teoría sobre la luz considerando los antecedentes presentados? 6. Realiza una tabla resumen sobre las distintas teorías de la luz, tomando en cuenta sus principales ideas y explicaciones. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Espectro electromagnético La mayoría de las ondas electromagnéticas son originadas a partir de la vibración de los electrones, la cual genera una perturbación que hace variar sus campos eléctricos y mag néticos. Estos son perpendiculares entre sí. Respecto del movimiento de la perturbación, se trata de una onda transversal. Es por esta razón que los electrones emiten energía en forma de ondas electromagnéticas, tal como los rayos X, los rayos ultravioleta, la luz visible, los rayos infrarrojos, las microondas o las ondas de radio y televisión. Todas ellas están clasifica das y ordenadas en forma decreciente, según los valores de sus frecuencias en el espectro electromagnético.
Espectro electromagnético Frecuencia Longitud de onda
Ampliando memoria La luz visible es un tipo de radiación electromagnética que posee igual rapidez en el vacío que cualquiera otra radiación, la cual es de 300.000 km/s. Esto significa que la luz del Sol se demora algo más de ocho minutos en llegar a la Tierra.
1020 Hz
1018 Hz
1016 Hz
10–20 Hz
10–10 Hz
10–8 Hz
Rayos gamma
Rayos X
1015 Hz 0,5 • 10–6 m
Rayos ultravioleta
Luz visible
En el extremo izquierdo del espectro están las radiaciones de mayor frecuencia y más ener géticas, pero de menor longitud de onda. Las más peligrosas son los rayos X y los rayos gamma, que pueden provocar mutaciones genéticas perjudiciales. Por otra parte, las radiaciones que van desde el ultravioleta hasta el infrarrojo tienen efectos ópticos y fotoquímicos que impresionan los sentidos o queman la piel. Las ondas electromagnéticas con longitudes de onda comprendidas entre 0,38 • 10–6 m y 0,75 • 10–6 m son percibidas por el ojo humano como luz visible. Por lo tanto, la luz es una sensación producida en el ojo por estas ondas y, además, es energía que se transfiere a través de ondas electromagnéticas. La zona visible del espectro electromagnético es solo una pe queña parte de este y en ella se distinguen siete colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Cuando estos llegan conjuntamente al ojo humano, son percibidos como luz blan ca. Cada uno de los colores del espectro visible corresponde también a un tipo de radiación y se le asocia una determinada longitud de onda, frecuencia y energía transportada.
Actividad propuesta 1. La frecuencia de los rayos ultravioleta es del orden de 1016 Hz. ¿Por qué no son percibidos por el ojo humano? 2. Calcula qué rango de valores de la frecuencia de las ondas electromagnéticas es percibido por el ojo humano como luz visible. 3. Si tuvieras que enviar un mensaje de texto a un amigo sobre la luz visible, ¿qué le contarías? 4. A partir de estas ideas sobre la luz, ¿cómo explicarías el color blanco de las nubes?
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
0 1 En el extremo derecho del espectro electromagnético están las ondas radioeléctricas o radiofrecuencias. Estas tienen frecuencias bajas y son utilizadas por los distintos sistemas de comunicación inalámbrica (ondas de radio y microondas). Cada uno emplea una banda distinta del espectro: • las emisoras de televisión emiten entre 50 y 850 MHz. • los teléfonos móviles funcionan a frecuencias de 824 a 894 MHz. • los comandos de apertura de puertas de garaje, los sistemas de alarma, los de control remoto de los vehículos o aviones funcionan gracias a la emisión de ondas de radio de frecuencias entre 40 y 80 MHz.
1012 Hz
108 Hz
104 Hz
10–5 m
10–2 m
103 m
Rayos infrarrojo
Microondas
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Para grabar El espectro electromagnético está constituido en su mayoría por ondas originadas gracias a la vibración de los electrones. Esto genera una perturbación en los campos eléctricos y magnéticos, lo que permite la circulación de energía que depende de la frecuencia y de la longitud de onda.
Ondas de radio y televisión
Durante el siglo XX se estudiaron todas las posibles radiaciones electromagnéticas. Presen tamos algunas de sus descripciones aquí: • Ondas de radio y televisión: son utilizadas para enviar sonidos e imágenes y se em plean en telefonía celular y satelital o como radiolocalizadores, entre otras aplicaciones. • Microondas: son ondas de alta frecuencia que permiten calentar alimentos y agua, ya que pueden traspasar cerámicas, plásticos y vidrios. También se usan como portadoras de información con destino militar y como estaciones encargadas de repetir señales de televisión y radio.
Actividad propuesta 1. Explica por qué se puede escuchar radio dentro de un edificio y, sin embargo, no puede verse la luz del Sol.
• Radiación infrarroja: la percibimos como calor; por lo tanto, depende de la temperatura del objeto, por ejemplo, una fogata, un horno encendido o nuestro propio cuerpo. Es posible ver ciertas frecuencias con lentes de visión nocturna.
2. ¿Por qué crees que no es recomendable calentar alimentos en un recipiente metálico en un microondas?
• Radiación ultravioleta: es una radiación de alta frecuencia que estimula la producción de vitaminas en los seres vivos, pero su exceso ocasiona cáncer a la piel.
3. ¿Qué importancia tienen los bloqueadores solares para la protección de la piel de la radiación ultravioleta?
• Rayos X: poseen gran cantidad de energía, lo que les permite atravesar parte de los tejidos de nuestro cuerpo, pero no los huesos ni los dientes ni el metal. Gracias a esta propiedad, es posible inspeccionar nuestro cuerpo o el contenido de las maletas en los aeropuertos.
4. ¿Dónde crees que se encuentran las radiaciones electromagnéticas?
• Rayos gamma: son las radiaciones más peligrosas, ya que pueden atravesar cualquier objeto y son capaces de matar las células. Son las radiaciones que se liberan en una ex plosión atómica y, además, se emplean para aniquilar las células cancerígenas.
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Fuentes de luz y clasificación de medios La luz proviene de los cuerpos llamados fuentes luminosas o emisores luminosos. Ejemplos de fuentes luminosas son el fuego, las estrellas y algunos insectos, como las luciérnagas. También son emisores de luz las ampolletas, los tubos fluorescentes y las linternas. ¿Qué diferencia existe entre estas fuentes luminosas? Como habrás notado, las tres primeras no son producidas por el ser humano. A estos cuer pos que son capaces de emitir luz se les denomina fuentes luminosas naturales. Los otros emisores de luz mencionados sí han necesitado la intervención humana para ser produci dos y reciben el nombre de fuentes luminosas artificiales. Entre las fuentes de luz de naturaleza artificial están las lámparas eléctricas comunes: • Lámpara incandescente: origina la luz por incandescencia de un filamento metálico calentado por el paso de la corriente eléctrica. Contiene un gas inerte que retarda la evaporación del filamento. • Lámpara halógena: contiene vapor de halógeno, que permite remover continuamente el material del filamento que se deposita por evaporación en la superficie interna de la ampolleta, lo que alarga su vida útil.
Una lámpara con ampolleta de bajo consumo permite un ahorro energético mayor que las ampolletas con filamento convencional. ¿A qué crees que se debe esto?
• Lámpara de descarga: produce luz mediante descarga eléctrica a través de un gas, un vapor metálico o una mezcla de gases y vapores. • Lámpara fluorescente: emite luz mediante una capa delgada de material fluorescente excitado por la radiación ultravioleta de la descarga.
Clasificación de medios Los medios materiales se pueden clasificar, según el paso de la luz a través de ellos, en: • Medios transparentes: son aquellos que permiten el paso de la luz hacia el interior del material, lo que hace posible distinguir las imágenes a través de los mismos. Ejemplos son los vidrios, el agua, el aire, láminas finas de plástico, entre otros. • Medios opacos: corresponden a materiales que no dejan pasar la luz; por lo tanto, no es posible ver a través de ellos. Ejemplos son una lámina de madera, un bloque de concreto, una plancha de cinc, entre otros. • Medios translúcidos: son materiales que dejan pasar la luz, pero no permiten ver nítida mente los objetos a través de ellos. Ejemplos son el vidrio fino esmerilado, papel encera do, algunos plásticos, entre otros.
Actividad propuesta 1. Completa la tabla con las características solicitadas de los siguientes objetos. Objeto Existen vidrios que son transparentes y otros que son translúcidos, según la composición del vidrio.
Color
¿Cómo se ven los objetos al observar a través de ellos?
Florero de vidrio Caja de plumavit Botella de bebida Plancha de policarbonato Pantalla de un computador Botella con aceite comestible 2. ¿En qué te fijas para clasificar un objeto según el paso de la luz a través de él?
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Clasificación según el paso de la luz
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Luz y sombra Las ondas luminosas se suelen representar gráficamente mediante rayos de luz; por consi guiente, un rayo es la línea recta que recorre la luz al propagarse.
Propagación de la luz Rendijas alineadas
Foco de luz
Pantalla
Al observar en la noche una pista de aterrizaje, también se puede ver la trayectoria rectilínea de la luz.
Al alinear dos ranuras y alumbrar a través de ellas, se puede comprobar la trayectoria rectilínea de la luz.
Si un objeto opaco se interpone en el camino de la luz, se forman sombras y penumbras, lo que nos demuestra que la luz se propaga en línea recta en todas las direcciones. Según el foco, ya sea una fuente de luz puntual o extensa, se pueden distinguir:
Sombra nítida
Sombra y penumbra
Pantalla
Pantalla Zona de penumbras Sombra Foco de luz Sombra
Si el foco de luz es muy pequeño, las sombras producidas por el objeto opaco son nítidas.
Objeto
Si el foco es grande, la sombra queda rodeada de una zona de penumbra que es más ancha y difusa, cuanto mayor sea el foco.
La sombra es la zona que no es al canzada por ningún rayo luminoso originado por el foco de luz. Puede ser producida por una fuente de luz puntual o una extensa, si esta se encuentra próxima al cuerpo que será iluminado. La penumbra es la zona alcanzada solo por algunos de los rayos que parten del foco luminoso. Se pro ducirá por la iluminación de una fuente de luz extensa o multipuntual.
Zona de penumbra
Zona de sombra
Zona de sombra y penumbra durante un eclipse de Sol.
Por ejemplo, en un eclipse de Sol, la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra, lo que da lugar, sobre la superficie terrestre, a un área de sombra dentro de una amplia zona de pe numbra. Como la Luna es muy pequeña con respecto al tamaño del Sol, la sombra que se produce es reducida. Así, en la zona de la Tierra donde se proyecte la sombra, parecerá que es de noche durante unos momentos y se producirá un eclipse total de Sol; en el lugar de la penumbra se apreciará un eclipse parcial de Sol. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Dispersión de la luz Todas las ondas luminosas se propagan con la misma rapidez en el vacío; en cambio, en un medio transparente, la propagación de la luz depende de su frecuencia. Por otra parte, las ondas luminosas de distintas frecuencias se desvían con ángulos diferentes al pasar de un medio a otro, como veremos más adelante. Cuando un rayo de luz blanca, que es una mezcla de luces de varias frecuencias, atraviesa un prisma de vidrio, se descompone en los colores que lo integran. Este conjunto de colo res se denomina espectro visible.
Ampliando memoria
Descomposición de la luz blanca
La luz visible o luz blanca es policromática porque está formada por ondas de diferentes frecuencias, que van del rojo al violeta. En cambio, un rayo de luz monocromático tiene una única frecuencia o un solo color, por ejemplo, la luz de un rayo láser.
La dispersión de la luz es la descomposición de un rayo de luz en los colores que lo consti tuyen. Así, la luz blanca se dispersa en sus siete colores y, por lo tanto, es policromática, es decir, está formada por ondas de distintas frecuencias. El arco iris es un ejemplo de dispersión de la luz que todos hemos visto en algún momento. Cuando la luz atraviesa las gotas de agua dispersas en la atmósfera, la rapidez de propagación de los colores que forman la luz blanca varía, y también sus direcciones de propagación, por lo que se forma un arco con los colores del espectro visible del rojo al violeta. Se denomina luz monocromática a la que corresponde a una única frecuencia o color y que, por lo tanto, no se puede dispersar.
Actividad experimental ¿Es posible “recomponer” la luz? Con materiales sencillos puedes comprobar si a partir de los colores en los que se descompone la luz es posible volver a observar luz blanca. Para ello, desarrolla el siguiente procedimiento: • Recorta un círculo en el cartón blanco y divídelo en seis sectores triangulares. • Pinta cada sector con un color del espectro visible, como muestra la imagen. • Haz un orificio en el centro del círculo y pasa la varilla de madera. Has construido un disco de Newton. • Hazlo girar y observa lo que ocurre. 1. De acuerdo con la actividad, responde las preguntas formuladas a continuación: a. ¿Qué sucede con los colores cuando se hace girar el disco? b. ¿El resultado habría sido el mismo si hubieras utilizado todos los colores de la descomposición de la luz blanca? c. Con lo que has aprendido sobre la dispersión de la luz, intenta dar una explicación a este fenómeno y responder la pregunta inicial de la actividad.
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Materiales – Témpera o lápices de los colores en los que se descompone la luz visible. – Un trozo de cartón blanco. – Una varilla de madera (puede servir un lápiz).
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El color El color es una percepción que se genera en el cerebro al interpretar las señales nerviosas que envían los fotorreceptores de la retina del ojo, cuando captan cada una de las frecuen cias de las ondas luminosas. La frecuencia, f, la longitud de onda, λo, y la rapidez de la luz en el vacío, c, están relaciona das, como en cualquier movimiento ondulatorio, mediante la expresión: c = λ0 • f Al igual que en las demás, la frecuencia de la luz no varía, aunque esta cambie de medio. Por ello, si la rapidez de propagación de la luz varía al pasar de un medio a otro, la longitud debe hacerlo también, de forma que se cumpla: v=λ•f El color de los objetos opacos que percibe el ojo se debe a que la luz se refle ja y no se absorbe. Por ejemplo, un objeto amarillo absorbe todos los colores, excepto las ondas cuya frecuencia corresponde al amarillo. Las imágenes que vemos, por ejemplo, en la televisión, se obtienen variando las intensidades de tres colores que se denominan primarios: rojo, azul y verde.
Superposición de la luz de los colores primarios.
Como puedes ver en la fotografía, cuando iluminamos con haces de colores rojo, azul y ver de de la misma intensidad, se puede conseguir luz de cualquier otro color; si las luces de los tres se unen, obtendremos la luz blanca. De esta manera, se logran colores por adición.
Actividad propuesta 1. Relaciona cada uno de los enunciados con los esquemas que se muestran a continuación: a. La superficie refleja todas las radiaciones del espectro visible. b. La superficie absorbe todas las radiaciones menos la frecuencia que corresponde al color azul. c. La superficie absorbe todas las radiaciones del espectro visible. Luz blanca
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Luz blanca
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Luz blanca
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2. Justifica matemáticamente por qué el violeta es el color que más se desvía cuando un rayo de luz incide en un prisma y por qué el rojo es el que menos lo hace. Para resolver este problema, considera los datos entregados a continuación. c = 300.000 km/s f (rojo) = 7,8 • 1014 Hz; f (violeta) = 4 • 1014 Hz; Equivalencia: 1 nm = 10–9 m;
λ (rojo) = 380 nm λ (violeta) = 750 nm 1 Hz = 1 s–1
3. Explica qué adiciones son necesarias para obtener los siguientes colores: a. Amarillo. b. Magenta. c. Cian.
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Emisión y absorción de la luz Como hemos estudiado anteriormente, los colores de los objetos dependen de las propie dades de la luz, como la reflexión, y de la constitución de los materiales.
Ampliando memoria La intensidad luminosa es una propiedad característica de la luz y tiene directa relación con la cantidad de energía emitida por un foco luminoso. La intensidad del foco se establece midiendo la cantidad de luz que emite una fuente por unidad de superficie (m2) en una unidad de tiempo (t). Su valor permite distinguir entre luz intensa y luz tenue. La unidad de medida de la intensidad luminosa en el Sistema Internacional es la candela.
Si bien la luz es una composición de un conjunto definido de colores, ella estimula nuestro sentido de la vista. A su vez, sabemos que la luz es energía, ya que se transfiere a través de ondas electromagnéticas; entonces, cada uno de los colores del espectro visible también corresponde a este tipo de radiación y se le asocia una determinada longitud de onda, fre cuencia y energía transportada. Por medio de la teoría cuántica fue posible interpretar fenómenos que involucraban la ab sorción y emisión de la energía, es decir, cuando los electrones cambian de nivel dentro del átomo a través de la absorción y emisión de energía al entorno, lo que podemos apreciar como luz, calor o electricidad. Cada sustancia es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunque solamen te en algunas frecuencias que son características propias de las sustancias. Así, un sólido incandescente que se encuentra rodeado de un gas frío producirá un es pectro con algunas franjas oscuras, denominadas líneas de absorción, debido a que el gas ha absorbido la luz de aquellos colores. Esto se conoce como espectro de absorción y es característico de cada sustancia.
Espectro de absorción
También es posible conseguir un espectro de emisión cuando se aporta energía calórica a una sustancia gaseosa y, de esta manera, sus átomos emiten luz de determinadas frecuen cias del espectro visible. Este comportamiento es característico de cada sustancia.
Espectro de emisión
Los espectros de absorción y emisión son muy importantes para el estudio de la compo sición de la materia en sus estados sólido, líquido y gaseoso, porque permiten conocer los elementos químicos que conforman un cuerpo o sustancia.
Actividad experimental La luz blanca, ¿es una superposición de ondas? Es lo que averiguaremos al realizar la siguiente actividad. • Recorta trozos de papel celofán de 5 cm x 5 cm de los distintos colores. • Ubica una zona iluminada para realizar las pruebas siguientes. • Sitúa sobre el espejo dos pares de papel celofán de distinto color y observa el color reflejado. • Coloca sobre el espejo tríos de papel celofán y observa qué sucede. • Por último, ensaya colocando todos los colores de papel celofán y observa. Resume tus hallazgos en la siguiente tabla:
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Colores superpuestos
Materiales – Un espejo. – Papel celofán de color rojo, azul, verde y amarillo. – Una tijera. Color resultante
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Filtros de colores Ya hemos visto que el color se debe a la luz reflejada por los objetos. A menudo, se utilizan filtros de colores para invertir ese proceso. Los filtros son superficies transparentes, de vidrio o de papel celofán, que se interponen entre los objetos y el observador para que absorban la luz de algunas frecuencias y dejen pasar otras. Un filtro verde colocado en el camino de los rayos de luz que atraviesan un pris ma, por ejemplo, deja pasar el verde y absorbe el resto de los colores de la luz blanca; por ello, veremos el rayo de color verde.
Actividad propuesta 1. Explica por qué los colores primarios corresponden a la síntesis aditiva y los demás colores a la síntesis sustractiva. 2. Si necesitas fotografiar un paisaje con tonalidades amarillas y el entorno no posee esos colores, ¿cómo lo harías si empleas filtros de colores? La primera imagen se ha obtenido sin filtro; la segunda, interponiendo un filtro naranja, y la tercera, uno azul.
Hemos comprobado, a través de la acti vidad experimental de la página anterior, que la luz blanca resulta de la adición de los colores primarios. Esto acontece por que el ojo humano tiene tres tipos de re ceptores del color que permiten visualizar estas frecuencias. En cambio, al mezclar los colores magenta, cian y amarillo, se produ ce una ausencia de colores porque absor ben algunas frecuencias de la onda. Esto es conocido como síntesis sustractiva.
Mezcla aditiva de los colores.
Mezcla sustractiva de colores
El color en el arte Los seres humanos somos capaces de distinguir numerosos colores; sin embargo, los artistas suelen expresarse utilizan do solo unas cuantas mezclas preparadas industrialmente y, mediante ellas, tratan de plasmar diferentes aspectos del mundo del color. Para comprender la importancia que tiene el color en la vida de las personas, es necesario tener en cuenta que no es una cualidad fija de las formas, ya que puede cambiar según sea la luz que las ilumine. Asimismo, a través del color se pueden expresar sensaciones, ideas y sentimientos.
Judy Chicago. Rainbow Shabbat (detalle del panel central de la vidriera), 1992.
Muchos artistas han aprovechado las cualidades expresivas del color para realizar sus obras de arte. Desde pintores hasta vidrie ros que decoraban las catedrales han tenido que entender los fundamentos y propiedades de la luz para aprovechar al máximo sus posibilidades de expresión.
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Rapidez de propagación de la luz Una de las habilidades más importantes que debe desarrollar un buen científico es la de medir. Cualquiera de nosotros sería capaz de realizar una medida directa de una magnitud cuyo valor no sea demasiado grande ni demasiado pequeño. Por ejemplo, si disponemos de una huincha de medir para calcular el volumen de nuestra sala de clases, no tendríamos ningún problema para realizar las medidas ni los cálculos. Sin embargo, si lo que tenemos que medir es el diámetro de la Tierra, nos encontramos con que la huincha no nos sirve. En este caso, hay que desarrollar un método indirecto.
Rapidez de la luz, método astronómico La rapidez de la luz tiene un valor tan grande que durante mucho tiempo se pensó que era infinita. Hacia 1670, se produjo la primera medida rigurosa de ella. El astrónomo danés Olaf Röemer se encontraba estudiando los eclipses de uno de los satélites de Júpiter, cuyo periodo conocía porque lo había calculado con anterioridad. Cuando creyó que estaba en condiciones de predecir la aparición del satélite tras la sombra de Júpiter, se encontró con que el instante que tan cuidadosamente había calculado se retrasaba 996 s.
Júpiter 2 Ío
s Tierra 2 Sol
Júpiter 1
Tierra 1
La explicación para el error se muestra en la imagen de la iz quierda: cuando Röemer realizó los primeros cálculos, la Tierra estaba alineada con Júpiter, mientras que cuando observó el retraso, la Tierra estaba al otro lado de la órbita, de modo que la luz debía recorrer una distancia añadida, la del diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol (s). Como el diámetro era conocido (299.000.000 km), el cálculo de la rapidez de la luz dio como resultado: v= luz
Ío
Esquema para calcular la rapidez de la luz y justificación del error del cálculo realizado por Röemer.
v= luz
s t
299.000.000 km = 300.201 km / s 996 s
Rapidez de la luz, método experimental Doscientos años después, en 1850, Armand Fizeau planteó un método de medida directa de la rapidez de la luz. Consistía en calcular el tiempo que esta tardaba en hacer un recorri do de ida y vuelta entre su laboratorio y un espejo situado a 8.633 m. N
ω Espejo semitransparente
Para calcular el tiempo, situó una rueda dentada de 720 dientes en el recorrido de la luz. Cada diente y su hueco forma ban un ángulo de 0,5º. Luego modificó la rapidez de la rueda para conseguir que un rayo de luz pasase por un hueco y volviese por el siguiente. Este hecho se producía cuando la rapidez de la rueda dentada era de 25,2 vueltas por segun do. Con este planteamiento experimen tal, obtuvo un valor para la rapidez de la luz de 313.000 km/s.
Rueda dentada
Método experimental para calcular la rapidez de la luz.
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La luz se propaga en el vacío con una rapidez tan alta que hace un par de siglos se pensaba que lo hacía de forma instantánea. Actualmente, se conoce con precisión el valor de su ra pidez en el vacío, que es el máximo que puede alcanzar: 299.792.458 m/s (300.000 km/s). Gracias a que este valor es constante, se emplea para determinar otras regularidades: • La estimación de las distancias muy alejadas, como en el caso de las estrellas o de las galaxias. Por consiguiente, se tiene que un año luz equivale a la distancia que recorre la luz en un año, es decir, 9.460.000.000.000 km. • La rapidez con que se propaga la luz en cualquier otro medio, distinto del vacío, es me nor. Esto lo podemos apreciar al revisar los datos que muestra la tabla. En consecuencia, se puede establecer una relación entre la rapidez de la luz en el vacío y la rapidez en un medio cualquiera, lo que se conoce como índice de refracción. Se denomina índice de refracción de un medio, n, a la razón entre la rapidez de la luz en el vacío, c, y la rapidez de la luz en un medio determinado, v. Por lo tanto, no tiene unidad de medida. c n= v
Rapidez de la luz en distintos medios Medio
v (km/s)
Aire
299.910
Agua
225.564
Cuarzo
205.479
Vidrio
197.368
Diamante
123.967
La refringencia de un medio viene medida por su índice de refracción. Los medios más re fringentes son aquellos en los que la luz se propaga a menor rapidez. Por regla general, la refringencia de un medio va ligada a la densidad, pues la luz encontrará más dificultades para propagarse mientras mayor sea la cantidad de materia en una misma distancia. Así, pues, a mayor densidad, menor rapidez y mayor índice de refracción o grado de refringencia.
Actividad modelada Calcula el tiempo que tarda en llegar al suelo la luz emitida por la ampolleta de un farol que está a 10 m de altura. ¿Qué distancia recorre en ese mismo tiempo un auto que se desplaza a 90 km/h? Rapidez de la luz: c = 300.000 km/s = 3 • 108 m/s s s 10 = 3, 3 • 10 –8 s Si sustituimos en la fórmula de la rapidez: v= ⇒ t = = t v 3 • 108 Esto nos indica que el tiempo que tarda la luz en alcanzar el suelo es tan pequeño que no lo apreciamos. Si el automóvil se desplaza a una rapidez de 90 km/h, esto es igual a 25 m/s. La distancia recorrida por el automóvil en el tiempo que tarda la luz en llegar al suelo es: s = v • t ⇒ s = 25 m/s • 3,3 • 10–8s = 8,3 • 10–7 m
Ayuda Al observar el desarrollo de la actividad modelada, se consideran los siguientes pasos: 1. Calcular el tiempo que recorre la luz al llegar al suelo. 2. Relacionar ese valor con la rapidez del automóvil. 3. Realizar el cálculo de la distancia recorrida.
Luego, la distancia que se recorre en ese tiempo es tan pequeña que no podemos apreciarla.
Actividad propuesta 1. Recibe el nombre de año luz la distancia que recorre la luz en un año. ¿A cuántos kilómetros equivale? 2. ¿Qué tiempo tardaría la luz en ir de la Tierra a la Luna, si la distancia entre ambos es de 380.000 km? 3. ¿Cuánto tiempo se demora la luz del Sol en llegar a la Tierra, si la distancia de separación es de 299.000.000.000 m? 4. El aire es un medio transparente cuya densidad disminuye a medida que nos alejamos de la Tierra. La trayectoria de los rayos solares en el aire, ¿será rectilínea o curvilínea? Razona la respuesta. 5. Calcula el índice de refracción de las sustancias que se muestran en la tabla que está al margen y señala de qué depende su valor. Además, confecciona una tabla de valores con los datos obtenidos. 6. Una estación de radio emite ondas electromagnéticas cuya rapidez de propagación es 3 • 108 m/s. Si la frecuencia es de 100.000 Hz, ¿cuál es la longitud de onda de la onda emitida?
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I.
Evaluación de proceso
Analizando disco
Marca la alternativa que consideres correcta.
Orígenes, fuentes y propagación de la luz
1 ¿Qué explicaciones aportan las teorías de la luz? I. La luz viaja en línea recta. II. Explican la rapidez de la luz en el vacío. III. La luz se comporta como onda y como partícula. A. Solo I B. Solo II
C. Solo I y III D. Solo I y II
E. Solo II y III
2 ¿Qué afirmaciones son correctas sobre el espectro electromagnético? I. Son todas las radiaciones electromagnéticas. II. Las ondas están ordenadas por su frecuencia. III. La luz visible no es una onda electromagnética. A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo I y II
E. I, II y III
3 ¿Cuál de los siguientes ejemplos no es una fuente luminosa? A. B. C. D. E.
La Luna. Una estrella fugaz. Una vela prendida. Un trozo de carbón. Una pantalla de televisión encendida.
6 ¿De qué color se ven las hojas verdes de una planta iluminadas con luz visible si miras a través de un vidrio rojo? A. B. C. D. E.
Se ven rojas. Son casi invisibles. Parecen casi negras. Se ven de su color natural. Toman un aspecto azulado.
7 ¿Cuál de las magnitudes características de la luz no varía al cambiar de medio? A. B. C. D. E.
La rapidez. La amplitud. La frecuencia. La intensidad. La longitud de onda.
8 El índice de refracción es una característica de cada medio. ¿Cuál es su expresión? c v C. n= E. n = λc A. n= v c B. n=
nλ v
D. n = cv
Utiliza como referencia la imagen para responder las preguntas 9 y 10.
4 ¿Cuál de los siguientes objetos es el único perfectamente visible en una habitación totalmente oscura? A. B. C. D. E.
Un espejo. Un alambre al rojo vivo. Una superficie coloreada. Una hoja de papel blanco. Un tubo de neón desconectado.
5 ¿Cómo se clasifican las ondas luminosas, según el medio de propagación y la dirección de vibración? A. B. C. D. E.
Mecánicas y transversales. Mecánicas y longitudinales. Longitudinales y transversales. Electromagnéticas y transversales. Longitudinales y electromagnéticas.
9 ¿Qué propiedad de la luz permite explicar lo que se observa en la imagen? A. Adición. B. Dispersión.
10 ¿Qué proceso recompone la luz blanca? A. Adición. B. Dispersión.
Correctas:
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
C. Absorción. E. Color. D. Sustracción.
C. Absorción. E. Color. D. Sustracción.
Incorrectas:
Omitidas:
0 1 II. Responde las siguientes preguntas.
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
5 ¿Cómo se ha podido obtener esta fotografía?
Propagación de la luz
1 En el siguiente esquema se representa un eclipse de Luna.
a. Explica considerando todo lo que has aprendido sobre la luz y los colores. b. Describe lo que es un filtro de color. 6 ¿Qué muestran los diagramas de los colores? a. Señala las zonas de sombra y de penumbra produ cidas por la Tierra. b. Indica en qué regiones el eclipse es parcial y en cuáles es total. c. Explica por qué hay zonas desde las cuales no se puede observar este eclipse.
Diagrama A
Diagrama B
2 Juana ha encontrado la siguiente tabla de índices de refracción: Medio
Índice de refracción
Aire
1,33
Vidrio
1,50
Sal gema
1,54
Diamante
2,42
a. ¿Qué valores deducirá para la rapidez de la luz en esas sustancias? b. ¿En cuál de los medios la luz viaja más rápido? 3 Un objeto se percibe de color rojo porque absorbe todas las radiaciones del espectro visible, menos las de ese color. ¿De qué color se percibirá ese objeto si se ilumina exclusivamente con luz azul? 4 Los científicos utilizan como unidad para medir distancias astronómicas el año luz, que es la distancia recorrida por la luz en el vacío en un año. a. Calcula la equivalencia en metros para el año luz. b. Expresa en años luz la distancia entre la Tierra y el Sol (150 millones de kilómetros). c. Calcula a qué distancia, expresada en kilómetros, se encuentra la estrella más próxima al Sol, situada a 4,3 años luz.
a. b. c. d.
¿Qué muestra el diagrama A? ¿Qué representa el diagrama B? ¿Cómo se obtienen el color cian y el magenta? ¿Cuándo se produce la ausencia de color?
7 Explica por qué la mayoría de las plantas se ve de color verde.
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes hasta ahora usando la simbología dada al final. Identifico las teorías de la luz con sus ideas principales. Asocio que el espectro electromagnético agrupa a todas las radiaciones electromagnéticas y que, además, incluye el espectro de la luz visible. Reconozco cuándo estoy en presencia de una fuente de luz. Infiero por qué los objetos se ven de un determinado color. Interpreto los diagramas de colores para explicar la síntesis aditiva y sustractiva. Aplico la relación entre la longitud de onda, la frecuencia y la rapidez de propagación de una onda luminosa para resolver un problema. 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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Reflexión de la luz La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo cuando incide sobre una superficie opaca. Como no cambia de medio de propagación, tampoco varía su rapidez. Los objetos no luminosos reflejan la luz en todas direcciones, de modo que una parte de ella llega hasta nuestros ojos, lo que produce el efecto de la visión. A este tipo de reflexión se le denomina difusa, y se debe a que las superficies de los objetos son muy irregulares, condición que hace imposible la formación de imágenes. Si la superficie está pulimentada, como ocurre con los espejos, la reflexión se produce en una sola dirección, gracias a lo cual es posible la formación de imágenes. Esta reflexión se conoce como especular.
Reflexión difusa especular
Ampliando memoria Existen dos principios básicos de la propagación de la luz:
Reflexión difusa
Reflexión especular
Reversibilidad: la luz puede ir y volver por la misma trayectoria. Independencia: cuando los rayos de luz se encuentran, no hay cambio de trayectoria. Superficie irregular
Los rayos que inciden sobre la superficie se reflejan y rebotan como lo haría una pelota que incidiese en la misma dirección.
Normal
Rayo incidente
θi
Superficie pulimentada
θr
Rayo reflejado
Para realizar un estudio geométrico del fenómeno de la reflexión, considerare mos un solo rayo luminoso que incide oblicuamente sobre una superficie. En la figura se representa cómo cambia de dirección y aparece el rayo reflejado. La normal, N, es la recta imaginaria perpendicular al plano en el punto de inci dencia O. El ángulo de incidencia, θi, es el ángulo que forman el rayo incidente y la nor mal.
O
El ángulo de reflexión, θr, es el ángulo que forman la normal y el rayo reflejado. Superficie reflectante
Leyes de la reflexión • El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano.
Plano de incidencia
• Los ángulos de incidencia y de reflexión son de igual medida: θi = θr
Actividad propuesta 1. De las características de la luz que has estudiado ¿cuál crees que puede ser consecuencia de la reflexión? 2. Sitúate frente a la pared y frente a un espejo. ¿Por qué te ves reflejado en el espejo y no en la pared? 3. Un rayo luminoso incide perpendicularmente sobre una superficie plana pulimentada. ¿Cuál es la dirección y sentido del rayo reflejado? 4. ¿Qué propiedad de la luz se observa en la imagen?
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Clasificación de las imágenes Los espejos producen imágenes que tienen efectos diversos. Estas imágenes siempre si guen algunas leyes, y el conocimiento de ellas permite construir sistemas ópticos eficaces de tal forma que al colocar un objeto delante se puede conseguir el efecto deseado.
El reflejo de un árbol en un lago es visto por el observador como una imagen virtual e invertida.
Un sistema óptico es un conjunto de medios materiales limitados por superficies, cuya fi nalidad es aprovechar las propiedades de la luz en la construcción de instrumentos como espejos, lentes, lupas, microscopios, telescopios y otros de cualquier naturaleza. Cuando los rayos de luz parten de un mismo punto y se concentran en otro distinto, se dice que el segundo es la imagen del primero. Las imágenes pueden clasificarse, según su naturaleza, en: • Reales: se forman cuando los rayos reflejados después de interactuar con un espe jo o lente, se intersectan en un punto. La imagen debe proyectarse sobre un plano o pantalla para ser visible. • Virtuales: se forman cuando los rayos, después de interactuar con un espejo o una lente, divergen y son sus prolongaciones las que se unen en un punto. Estas imáge nes no pueden proyectarse en un plano, pero son visibles para el observador. Con respecto a la posición, las imágenes pueden ser: • Derechas: si están orientadas igual que el objeto. • Invertidas: si están en la posición contraria a la del objeto. Según su tamaño, las imágenes se denominan:
Se observa una imagen aumentada, derecha y virtual.
• Aumentadas o mayores: si son más grandes que el objeto. • Disminuidas o menores: si son más pequeñas en relación al objeto.
Actividad propuesta 1. Observa las siguientes imágenes y clasifícalas atendiendo a su naturaleza, posición y tamaño. 2. ¿En qué te fijas para analizar las imágenes según su tamaño, su posición y su naturaleza? 3. Averigua qué significa que los rayos de luz sean convergentes o divergentes.
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Espejos planos y angulares Los espejos son superficies opacas y pulidas en las que parte de los rayos luminosos se reflejan y llegan al observador. Pueden ser planos y angulares, o esféricos regulares e irregulares.
Imágenes en espejos planos Ampliando memoria El campo visual de un espejo plano depende de la orientación del espejo respecto del observador, y según la superficie del espejo, se alcanza diferente campo visual.
La formación de imágenes en espejos planos tiene su explicación en las leyes de la reflexión. El rayo incidente y el reflejado forman el mismo ángulo con la normal, y las líneas que los representan están en el mismo plano. Espejo
θ
θ A
La mamá sujeta a su bebé con la mano derecha, pero en el espejo se ve que lo hace con la izquierda: la imagen está invertida lateralmente.
Actividad modelada Representa a través de un diagrama de rayos la imagen producida por un objeto en un espejo plano. La representación de la imagen se realiza a través de los siguientes rayos:
Normal
θ A'
En la figura se muestra un diagrama de rayos de un espejo plano en donde el ojo representa el punto de vista del observador.
Los rayos de luz se reflejan hacia el ojo como si procedieran de detrás del espejo, pero real mente no vienen desde ahí. Si pudiéramos colocar una cámara fotográfica en la posición aparente de la imagen reflejada, no se revelaría, porque la imagen no es real, sino virtual. Las imágenes formadas por los espejos planos son virtuales, del mismo tamaño relativo del objeto respecto al espejo y están a la misma distancia que existe del objeto al espejo que del espejo a la imagen, pero invertidas lateralmente.
Imágenes en espejos angulares Son espejos planos cuya unión forma un cierto ángulo entre ellos. Si se coloca un objeto, se pueden observar varias imágenes, de acuerdo al ángulo entre los espejos. A medida que el ángulo es más pequeño, aumenta el número de imágenes según la siguiente relación: 360 – 1, donde θ es θ el ángulo formado por la unión entre los espejos planos y múltiplos de 360. N=
Por ejemplo, cuando dos espejos planos forman un ángulo recto (son perpen diculares) y en ellos se for man tres imágenes.
Si colocas dos espejos perpendicularmente, en una de las imágenes se consigue eliminar la inversión lateral.
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Espejos esféricos Si observamos nuestra imagen en las dos caras de una cuchara, ve remos que en la parte interna (cóncava) la imagen es más pequeña y está invertida, mientras que en la parte exterior (convexa) la imagen es también pequeña, pero está derecha. Los espejos curvos son superficies reflectoras en forma de casque tes esféricos, de metal o vidrio plateado, que pueden ser cóncavos o convexos y cumplen las leyes de la reflexión de los espejos planos.
Elementos de los espejos esféricos • Centro de curvatura, C. Es el centro de la superficie esférica que pertenece al espejo.
Cara cóncava.
Cara convexa.
• Radio de curvatura, R. Es la distancia entre C y la superficie del espejo o centro del espejo.
Vértice
• Centro del espejo, O. Es el origen del sistema de coordenadas. También llamado vértice.
R
• Eje óptico o eje principal. Es la recta que pasa por C y O. Corres ponde al eje de simetría del espejo.
C Superficie cóncava
• Foco, F. Es el punto del eje situado entre C y O por el que pasan los rayos reflejados que se encuentran paralelos al eje principal.
F
Eje O óptico
f
• Distancia focal, f. Es la distancia entre O y F. Superficie convexa
Descripción de los rayos principales
Representación de los principales elementos de los espejos curvos.
La construcción de una imagen en los espejos curvos se puede de terminar trazando los siguientes rayos que la definen.
1 4
• Rayo de luz paralelo al eje principal. Cualquier rayo de luz que incida paralelo al eje principal se reflejará pasando por el foco del espejo esférico o su prolongación. Rayo 1.
3 Imagen real
F
Objeto
• Rayo de luz que pasa por el foco. Cuando un rayo de luz incide pasando por el foco del espejo esférico o en su dirección, se re fleja paralelo al eje principal. Rayo 2.
Principales rayos en un espejo cóncavo.
• Rayo de luz que pasa por el centro de la curvatura. Si un rayo de luz pasa por el centro de la curvatura o en su dirección e incide perpendicular a la superficie del espejo, necesariamen te se refleja por la misma trayectoria, pero en sentido contrario. Rayo 3. • Rayo de luz que incide en el centro del espejo esférico o en su prolongación. Como el eje principal es una línea normal, se cumple la ley de reflexión, es decir, el ángulo del rayo incidente es el mismo que el del rayo reflejado. Rayo 4.
2
1 4 2 Objeto
Actividad propuesta
3
F Imagen virtual
Principales rayos en un espejo convexo.
1. ¿Cuál será la dirección y el sentido de un rayo que incide perpendicular al centro del espejo? 2. ¿Qué representan los números 1, 2, 3 y 4 en las imágenes de los espejos cóncavos y convexos?
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En línea Los espejos esféricos, según su geometría, pueden ser regulares o irregulares. Sin embargo, para realizar el trazado de rayos se emplean espejos esféricos regulares. Puedes observar el trazado de rayos en
Imágenes en espejos esféricos La construcción gráfica de una imagen en un espejo curvo se realiza a partir de la proyección de los rayos principales. Estos espejos pueden ser cóncavos o convexos.
Imágenes en espejos cóncavos Los rayos reflejados por un espejo cóncavo tienden a converger cuando pasan por el foco.
http://teleformacion.edu. aytolacoruna.es/FISICA/document/ fisicaInteractiva/OptGeometrica/ EspejoPlano/EspejoCurvo/ EspejosConcFormaImag.htm
C
eje
F
0
Los rayos que llegan paralelos al eje pasan por el foco tras reflejarse, y los procedentes del foco se reflejan paralelos al eje. Recuerda que las páginas web o sus contenidos pueden variar.
El tamaño y la disposición de las imágenes reflejadas en los espejos cóncavos dependen de la posición del objeto en relación con el foco del espejo. Objeto alejado del centro de curvatura
Objeto en el centro de curvatura
Objeto
Objeto
Ampliando memoria Si un objeto está situado en el foco, la imagen se forma en el infinito y, por lo tanto, no se aprecia. ¿Cómo realizarías el trazado de rayos para demostrar esta afirmación?
C
Imagen
Si el objeto está alejado del centro, la imagen se forma delante del espejo, de menor tamaño, real e invertida.
Si el objeto está en el centro, la imagen se forma delante del espejo, de igual tamaño, real e invertida.
Objeto entre el centro de curvatura y el foco
Objeto C
Ayuda Para resolver cualquier problema relacionado con espejos esféricos, se debe realizar la proyección de los rayos principales y encontrar la imagen del objeto.
Imagen
F
C
F Imagen
Objeto entre el foco y el centro del espejo
O F
Si el objeto está entre el centro de curvatura y el foco, la imagen que se forma delante del espejo es real, invertida y de mayor tamaño.
O C
F
Objeto
Si el objeto está entre el foco y el espejo, la imagen es virtual, aparece aumentada y derecha.
Actividad propuesta 1. Si se quiere conseguir una imagen aumentada para maquillarse con un espejo cóncavo, ¿a qué distancia debe ubicarse el rostro para conseguir el efecto deseado? 2. Si se observa una imagen invertida del mismo tamaño, ¿a qué distancia está ubicado el objeto? 3. ¿Qué aplicaciones crees que tienen los espejos cóncavos?
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
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Imágenes en espejos convexos Los rayos reflejados en un espejo convexo son divergentes; se unen en un foco virtual. No importa la ubicación del objeto, ya que la imagen formada siempre tendrá las mismas carac terísticas.
Objeto
Imagen
F
C
La imagen obtenida en un espejo convexo es siempre virtual, derecha y más pequeña que el objeto.
Aplicaciones de los espejos Si queremos peinarnos, lo primero que buscamos es el espe jo. En este caso, lo utilizamos para formar una imagen virtual nuestra en la que comprobamos nuestro aspecto. Sin embargo, la mayoría de las grandes aplicaciones que a través de la ciencia se han podido dar a los espejos están siempre relacionadas con la propiedad de estos de cambiar la dirección de los rayos de luz. Ejemplos muy comunes de esta aplicación, en el caso de espejos esféricos, son el retrovisor y los espejos laterales de los vehículos. Mediante una reflexión, se pueden observar las zonas traseras y laterales que quedan completamente ocultas a nuestra visión.
Gracias a los espejos laterales podemos ver imágenes sin girar la cabeza.
Si aumentamos de una a dos reflexiones, nos encontramos con el periscopio de los submarinos. Este permite a la tripulación del submarino ver por encima de la superficie del agua. Su construcción es muy básica. Basta con colocar paralelos los dos espejos mirando hacia el interior de un tubo que está per forado en los extremos. Los espejos deben formar un ángulo de 45º con la horizontal y la vertical. Los espejos convexos también tienen aplicaciones para facilitar la circulación vial; se emplean en calles muy estrechas que no tienen buena visibilidad en los cruces. Para tenerla, habría que asomar el automóvil hasta el cruce de peatones, lo que sería muy riesgoso. Sin embargo, con un espejo convexo, que produce siempre imágenes virtuales, derechas y más pequeñas, se puede ver lo que ocu rre a ambos lados del cruce. Si consideramos el espejo con la curvatura cóncava, encontramos aplica ciones en los focos de los vehículos. En este caso, se suelen utilizar espejos parabólicos, y la ampolleta se coloca en el foco del espejo iluminando hacia el propio espejo. Así, la reflexión de los rayos hace que estos salgan del automóvil paralelos a la dirección del movimiento, lo que permite concentrar muchos ra yos en un solo sentido.
En muchos cruces de calles estrechas se sitúan espejos convexos para facilitar una circulación segura.
Actividad propuesta 1. Si un odontólogo requiere examinar las piezas dentales, ¿qué tipo de espejo necesita?
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Pensamiento científico
Ciencia paso a paso
Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de resultados. 5. Interpretación de resultados.
La siguiente actividad te invita a descubrir nuevas evidencias para explicar el paso de la luz a través de dos medios distintos, como son el aire y el agua y, a su vez, a trabajar una habilidad científica, como es la organización de datos obtenidos del procedimiento experimental. Como ya sabes, la luz viaja en línea recta, buscando el camino más rápido para tardar el menor tiempo. Al llegar a la superficie de separación de dos medios, puede reflejarse, pasar a través de ella y/o ser absorbida.
6. Elaboración de conclusiones.
En esta actividad, estudiaremos el viaje de la luz a través de medios distintos: el paso del agua al aire.
¿Cómo se obtienen los resultados?
Planteamiento del problema
Los resultados obtenidos de un procedimiento experimental se consiguen al manipular las variables, y se pueden recopilar en tablas, gráficos, registros, notas, observaciones u otros.
• ¿La luz realizará su trayectoria en línea recta o se desviará cuando pase a través de medios distintos, como son el agua y el aire?
¿Qué hacer para obtener los resultados? Paso 1: identificar los datos relevantes de la actividad experimental a través de los sentidos y/o usando instrumentos de medida. Paso 2: relacionar los datos obtenidos con la manipulación de variables experimentales. Paso 3: recopilar los datos procesados en una tabla, un registro o un gráfico.
Variable independiente: Variable dependiente:
Formulación de hipótesis ¿Qué explicación darías a la pregunta planteada en el problema? Propón una hipótesis que explique lo que sucede con la trayectoria de la luz cuando viaja a través de medios distintos, como el agua y el aire.
Procedimiento experimental
Materiales – – – –
Un vaso de precipitado grande. Una moneda. Un poco de plastilina. Un tubo de cartón o plástico que sea negro en su interior. – Huincha de medir de 1 m. – Agua. – Un transportador.
Te proponemos el procedimiento experimental que se explica a continuación: 1. Fijar con plastilina una moneda en el fondo de un vaso de precipitado. 2. Llenar el vaso con agua. 3. Poner el tubo de cartón o plástico sobre el borde del vaso de precipitado con agua e inclinarlo hasta que sea posible observar la moneda que está en el interior del vaso. 4. Encontrar la inclinación perfecta para observar la moneda utilizando el tubo y medir la altura (H) y (h), según muestra la imagen de referencia del montaje.
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
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Obtención de resultados a. ¿Cuáles son los datos relevantes que se pueden anotar según el paso 1, descrito en el mar gen de la página anterior?
Ampliando memoria La explicación de la trayectoria que sigue la luz en un medio está dada por el principio de Fermat, que señala que: “el camino óptico de un rayo de luz para ir de un punto a otro es aquel que sigue una trayectoria mínima de todas las variaciones de los caminos posibles”.
b. ¿Qué estrategias empleas para obtener los datos de acuerdo con el paso 1?
c. ¿Cuáles son las variables experimentales que te permiten obtener los datos según el paso 2, descrito en el margen de la página anterior?
Ayuda
d. ¿Cómo ordenarías los datos obtenidos de acuerdo con el paso 3, descrito en el margen de la página anterior?
La refracción corresponde a la desviación que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando pasa de un medio a otro. Se aprecia porque varía el ángulo de incidencia (θi) con respecto al ángulo de refracción (θr).
Interpretación de resultados Para determinar si la luz realizó la misma trayectoria en el aire y en el agua, es necesario establecer los valores de los parámetros indicados en el dibujo.
θr
L
H-h
Para ello, realiza un modelo a escala y obtén el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción con el transportador. θi
Debes tener presente que el rayo de luz que observaste va desde el agua hacia el aire. a. ¿Qué significado tienen los datos obtenidos?
h
D 2
b. ¿Será lo mismo para otros medios como el vidrio o el aceite? ¿De qué dependerá la des viación de la luz?
Elaboración de conclusiones Elabora las conclusiones considerando la trayectoria de la luz en el agua y en el aire y, ade más, utiliza los datos que obtuviste en el experimento para realizar tu explicación.
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Refracción de la luz Cuando un rayo de luz incide de forma oblicua en la superficie de separación de dos medios, parte de él se refleja, por lo que se queda en el primer medio, y otra parte pasa al segundo medio, por lo que cambia su rapidez y su dirección. El comportamiento de la luz en el segun do medio se denomina refracción. Esto se debe a que los medios no son totalmente homo géneos, y por lo tanto, varía la rapidez de propagación de la luz. Son ejemplos de ello algunos fenómenos ópticos, como la formación del arco iris, los espejismos, al mirar dentro de una piscina o un lápiz dentro de un recipiente con agua.
Se aprecia el lápiz quebrado justo cuando se produce el cambio de medio entre el aire y el agua. ¿A qué crees que se debe este fenómeno?
Índice de refracción en distintos medios Medio
Índice
Aire
1
Agua
1,33
Metanol
1,36
Cuarzo
1,55
Diamante
2,43
Se ha dicho que la rapidez de propagación de la luz cambia según el medio por el que viaja. Gracias a ello, se establece una relación entre la propagación de la luz en el vacío y la propaga c ción de la luz en un medio cualquiera, a través de la siguiente relación: n = , donde n es el v índice de refracción, c es la rapidez de la luz en el vacío y v es la rapidez de la luz en cualquier medio material. El valor del índice de refracción permite diferenciar medios más o menos refringentes. Así, un medio con menor valor de n es menos refringente, mientras que con mayor valor de n es más refringente. Por lo general, se cumple que mientras mayor es la densidad de un medio transparente, mayor es su refringencia. Para realizar el estudio geométrico del fenómeno, se considera un rayo que se propaga por un medio material cuyo índice de refracción es n1 y que incide sobre la superficie de separación de ambos medios de forma oblicua. La parte del rayo que pasa al segundo medio, n2, cambia su dirección y rapidez. El ángulo que forma el rayo refractado con la línea normal es θr, diferen te del que forma el rayo incidente θi. De acuerdo con el modelo de propagación rectilínea de la luz del rayo incidente y refractado, se pueden establecer algunas relaciones entre los rayos mediante la utilización de las conside raciones geométricas que darán lugar a las leyes de la refracción.
Normal Rayo incidente
Índice de refracción
Medio material (n1) θi
Leyes de la refracción • El rayo incidente, el refractado y la normal se encuentran en el mismo plano de incidencia. • La dirección de propagación del rayo incidente, al pasar oblicuamente de un medio menos a otro más refringente, produce que el rayo refractado se desvíe, por lo que se acerca a la normal.
θr Rayo refractado
Medio material (n2)
• La dirección de propagación del rayo incidente, al pasar oblicuamente de un medio más a otro menos refringente, produce que el rayo refractado se desvíe, por lo que se aleja de la normal.
Actividad modelada Si desde la superficie de un acuario con un ángulo de 45º vemos a un pez que se desplaza por el fondo, indica en qué lugar se encuentra realmente el pez, más cerca o más lejos de la normal. Realiza un esquema para explicar.
Rayo incidente
El lugar en que se encuentra el pez es más próximo a la normal, es decir, la dirección del rayo de luz se desvía porque el agua es un medio más denso o más refringente que el aire y se cumplen las leyes de la refracción. Por lo tanto, el esquema de rayos que explica el fenómeno se muestra al costado derecho.
Unidad 3 • Luz: onda y fotón
Normal Aire
θr Agua
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Rayo refractado
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Reflexión interna total y ángulo límite Las leyes de la refracción nos llevan a la conclusión de que cuando un rayo pasa a un medio con mayor índice de refracción, se acerca a la normal; por el contrario, cuando pasa a un me dio con un índice de refracción menor, se aleja de la normal. En este último caso, habrá una dirección de incidencia para que el rayo refractado se aleje de la normal el máximo posible, es decir, 90º. El ángulo que se forma en esta dirección incidente con la normal se denomina ángulo límite θL. Para direcciones del rayo incidente mayores que las del ángulo límite, el rayo no pasa al se gundo medio, de modo que no se produce la refracción. Este fenómeno se conoce como reflexión total. N
El rayo incide perpendicularmente en la cara semicircular del bloque, por lo que no se refracta en su interior. Cuando llega a la cara plana, el rayo pasa a un medio de índice menor y se aleja de la normal. También se observa un débil rayo de luz que se refleja en la cara plana del bloque.
N
A medida que el ángulo de incidencia aumenta en el interior del cuerpo semicilíndrico, el ángulo de refracción también aumenta y la intensidad del rayo refractado en la cara plana se hace menor. Se puede observar también que el rayo reflejado va adquiriendo mayor intensidad.
Rayo incidente
1 1
2 2
Normal θi
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Medio material (n1) 90º Rayo refractado θr
Medio material (n2)
Incidencia de un rayo de luz que produce un rayo refractado de 90º. N
Llega un momento en que el ángulo de refracción es de 90º. El ángulo de incidencia correspondiente es el ángulo límite. Si en estas condiciones el ángulo de incidencia aumenta más, no se produce refracción y el rayo de luz experimenta reflexión total.
Una de las aplicaciones más importantes de la reflexión total es la fibra óptica. Se trata de un tubo formado por dos capas. La interior es un cristal con índice de refracción muy alto; la exte rior es un plástico de índice de refracción menor. En consecuencia, cada vez que la onda llega a la superficie de separación de ambos medios, se produce una reflexión interna total. Las fibras ópticas son muy utilizadas en telecomunicaciones, ya que transmiten los datos con mayor rapidez que el cable y evitan las interferencias.
Actividad propuesta 1. Observa esta imagen de una refracción e intenta explicar por qué se ve el lápiz doblado hacia arriba y no hacia abajo. Ten en cuenta que el líquido en el que se encuentra sumergido el lápiz es agua, cuyo índice de refracción es mayor que el del aire. 2. ¿Cómo representarías en un diagrama la trayectoria de un rayo que pasa por cuatro medios distintos como son el aire, cuarzo, agua, diamante y el aire? Ten presente que debes mirar el valor del índice de refracción de las sustancias en la tabla de la página anterior.
Detalle de la fibra óptica y cómo la luz viaja en su interior.
3. Representa la trayectoria de los rayos que viajan a través de una fibra óptica.
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Ampliando memoria Ecuación de las lentes delgadas Se denominan lentes delgadas a aquellas cuyo grosor es despreciable con respecto al tamaño de los radios de curvatura de las caras de la lente. Para estas lentes existe una ecuación muy sencilla, que permite relacionar la posición del objeto s, la posición de la imagen s’ y la distancia entre el foco y la lente f’. Esta ecuación se denomina ecuación del fabricante de lentes. 1
–
1
=
positivas si se miden desde el centro de la lente hacia la derecha, y negativas hacia la izquierda. La relación entre el tamaño del objeto y el tamaño de la imagen se obtiene a partir de la expresión del aumento: y' y
=
Una lente es una pieza fabricada con un material transparente y limitada por dos superficies curvas, o una plana y una curva. Su misión es formar imágenes de objetos reales. Su funciona miento se basa en las leyes de la refracción, ya que hace variar la dirección de los rayos de luz mediante cambios de sistemas (airevidrio, por ejemplo). Estas variaciones permiten formar imágenes con tamaños y posiciones diferentes a los del objeto original, y tienen múltiples utilidades. Las lentes se clasifican en dos grandes grupos: las convergentes o (+) y las diver gentes o ().
Elementos de una lente Toda lente puede considerarse formada a partir de la interacción de dos esferas. Los elemen tos que la definen se presentan en el esquema: Π1
Π2
1
s' s f ' Las distancias s, s’ y f’ se consideran
b=
Lentes
s'
o C1
v1 h1 h2 v2 F2 f2 C2 i F1 f1
R1
: centros geométricos o de la curvatura. : eje principal.
O
: centro óptico.
R1, R2
: radio de la curvatura.
F1, F2
: focos principales.
f1, f2
: distancia focal.
o, i
: objeto e imagen.
V1, V2
: vértices de las curvaturas.
Π1, Π2 : planos de la lente.
Los tipos de lentes que existen son convergentes y divergentes.
Lentes convergentes
s
Las lentes se especifican indicando el valor de su potencia P =
R2
C1, C2 C1, C2
1 f'
, que es el
inverso de la distancia focal. Su unidad es la dioptría, 1D = 1m–1.
Algunos tipos de lentes cóncavas y convexas
Las lentes convergentes concentran los rayos de luz porque su centro es más grueso que su borde. Cuan do estos se dirigen paralelos al eje de simetría, se unen, después de atravesarla, en un punto llamado foco principal (F). La distancia del centro de la lente al foco principal es la distancia focal. Simétrico a este foco se encuentra, al otro lado de la lente, el foco objeto.
Tres rayos paralelos que inciden en una lente convergente producen un foco principal.
Lentes divergentes
Biconvexa
Plano convexa
Cóncava convexa Tres rayos paralelos que inciden en una lente divergente producen un foco virtual.
Las lentes divergentes tienen su centro más delgado que su borde y, por lo tanto, tienden a dispersar los ra yos de luz que inciden en forma paralela al eje principal. El foco principal, F, de una lente divergente es el punto donde se unen las prolongaciones imaginarias de los rayos que se refractan. Este punto se denomina foco virtual porque no es punto real. Al igual que las lentes convergentes, las divergentes tienen un foco objeto si métrico al principal.
Actividad propuesta 1. ¿Qué tipo de lente se utiliza para concentrar los rayos solares en un punto? 2. ¿De qué depende el aumento de una lente? Bicóncava
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Plano cóncava
Convexa cóncava
Unidad 3 • Luz: onda y fotón
3. ¿A qué se llama foco principal, foco objeto y foco virtual?
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Formación de imágenes en lentes Para calcular gráficamente la posición de la imagen que forma una lente, es necesario trazar al menos dos rayos que partan de un mismo punto del objeto y lleguen a un mismo punto de la imagen. Es decir, los rayos se interceptan luego de ser refractados por la lente y forman la imagen. Hay tres rayos característicos de los que se conoce su trayectoria, y son los que se utilizan para calcular la posición de la imagen: • El rayo que llega paralelo al eje principal se refracta y pasa por el foco o su prolongación. • El rayo que pasa por el centro óptico de la lente no se desvía. • El rayo que pasa por el foco o en su dirección se refracta paralelo al eje principal. El tipo de imagen que forman las lentes convergentes depende de la posición del objeto. Objeto lejano
Objeto entre el foco y la lente A'
M
A
A
M
B' B
F
F'
0
B
F
B'
F'
0
A'
Ayuda
s s
s'
s'
Se considera este caso cuando la distancia del objeto a la lente es superior a la distancia focal (|s| > |f'|) . La imagen que se obtiene es real e invertida. Su tamaño depende de la distancia del objeto a la lente.
En este caso, el objeto se encuentra a una distancia (|s| > |f’|). La imagen es virtual, derecha y de mayor tamaño que el objeto. La lente actúa como lupa.
En las lentes divergentes, para cualquier posición del objeto se obtiene siempre el mismo tipo de imágenes. La imagen es virtual, derecha y de menor tamaño que el objeto. Objeto lejano
Objeto entre el foco y la lente
M
A
M
A
Los símbolos que se emplean para describir la formación de imágenes en lentes son: 0 : centro del lente. F : foco. F' : foco virtual. s : posición del objeto. s’ : posición de la imagen. AB : objeto. A’B’ : imagen del objeto. M : grosor de la lente.
A'
F' B'
B
0
F
F' B
B' 0 s'
s' s
F
s
Actividad modelada Calcula la posición de la imagen de un objeto que está situado a 1,5 m a la izquierda de una lente convergente, y de una divergente de media dioptría. 1 Para la lente convergente P= = 0, 5 ⇒ f ' = 2m f' 1 1 1 1 1 1 1 1 1 –1, 5 + 2 0, 5 – = ; = + ; = + = = ⇒ s' = –6 m s' s f ' s' f ' s s' 2 –1, 5 –3 –3 1 Para la lente divergente P= = –00, 5 ⇒ f ' = –2 m f' 1 –1, 5 – 2 –3, 5 1 1 1 1 1 1 1 1 + = = ⇒ s' = –0, 86 m = + ; = – = ; 3 3 s' s f ' s' f ' s s' –2 –1, 5
Para grabar Las lentes son piezas de material transparente que, al ser traspasadas por la luz, forman imágenes reales o virtuales con tamaños diferentes al objeto. Pueden ser convergentes y divergentes.
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Ciencia, tecnología y sociedad
El láser El láser es un dispositivo que produce y amplifica una radiación electromagnética en el intervalo de 200 nm a 1 mm de longi tud de onda (luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja). La pala bra láser está formada por las iniciales de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación). El primer láser fue construido por Theodore Harold Maiman en 1960. Estaba formado por una barra de rubí sintético que, al ser expuesta a la luz, emitía un rayo muy energético de color rojo. La luz proveniente de fuentes naturales (el Sol, el fuego, etc.) o artificiales (ampolletas o faros) es luz policromática, es decir, está formada por una mezcla de ondas de todas las frecuencias del espectro. • La luz del láser es monocromática, ya que es una onda lumi nosa de una frecuencia y de una longitud de onda fija.
Un rayo láser de color rojo es monocromático y viaja en línea recta sin dispersarse.
• La luz del láser es unidireccional, porque se trata de ondas de gran amplitud que se propagan en una dirección determi nada. Se dispersa muy poco en su recorrido, lo que permite concentrar una gran cantidad de energía luminosa a grandes distancias. • La luz del láser es coherente porque las ondas electromag néticas que la forman están en fase.
Aplicaciones del láser Los rayos láser intervienen en el funcionamiento de muchos dispositivos de uso común, como los lectores y grabadores de discos compactos (CD y DVD), los lectores de códigos de barras en los establecimientos comerciales, las impresoras láser, las fibras ópticas de comunicaciones en telefonía, radio o tele visión por cable, etc.
Un rayo láser, por su alta energía, puede cortar una gruesa plancha de metal.
• En medicina se emplean como bisturí y como cicatrizante para pegar retinas desprendidas, y en odontología, para tra tar tejidos blandos. • En telecomunicaciones se utilizan como onda transmisora de múltiples canales. • En la industria se usan para soldar y cortar metales, para trazar líneas rectas con precisión (por ejemplo, en la horadación de túneles) o para tomar niveles en construcción y urbanización. • En investigación científica se aprovechan para el estudio de las propiedades de nuevas sustancias o para la medición de tiempos y distancias muy pequeñas. • Finalmente, el láser se puede utilizar en el campo militar, ya sea en misiles, aviones o satélites.
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
Un rayo láser puede ser usado como lector de código de barras de un medicamento.
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Mito o realidad, ¿será posible conseguir luz líquida? Un grupo de científicos de la Universidad de Vigo de España ha demostrado, solo de manera teórica, la posibilidad de que la luz de un láser puede convertirse en líquido. La forma teórica para conseguir este “cambio” de la luz sería similar al proceso de fu sión del vapor de agua. De ser así, las “gotas de luz” atrapadas en un recipiente podrían utilizarse a modo de bits de información para el desarrollo de futuros computadores ópticos. Esto significaría que los computadores podrían ser unas 10.000 veces más potentes. En colaboración con un equipo de científicos australianos, tratarán de demostrar su teoría de manera práctica en el laboratorio, después de más de ocho años de investi gaciones. Mientras tanto, el resultado de sus investigaciones se ha publicado en pres tigiosas revistas científicas, como Physical Review.
¿Onda o corpúsculo? La naturaleza de la luz ha sido, desde la Antigüedad, uno de los temas más controvertidos dentro de la comunidad científica. ¿Qué es realmente la luz? En el siglo XVII se establecieron dos teorías sobre su naturaleza, basa das en hechos experimentales. Una de ellas la consideraba formada por corpúsculos (partículas) y la otra afirmaba que era una onda. Ambas teorías han alternado su vigencia hasta principios del siglo XX. En 1924, el físico Louis Víctor de Broglie propuso la existencia de ondas lu minosas que llevaban asociados unos pequeños corpúsculos llamados fotones, los cuales transportaban la energía.
Los fenómenos de interferencias luminosas se justifican mediante el carácter ondulatorio de la luz.
Ondas de televisión Un televisor funciona mediante un proceso electrónico que convierte las on das electromagnéticas en una rápida secuencia de imágenes y sonidos que reproducen la realidad. La señal recibida contiene información con frecuencias distintas para el color, la luz y el sonido. En la historia de la televisión han existido distintos tipos de televisores, como el de tubo catódico, LCD y de plasma. Estos últimos ofrecen mayores ángulos de visión, gran realismo en los colores y excelente contraste, por lo que suelen fabricarse en grandes formatos.
Actividad propuesta 1. ¿Cuáles son las ventajas del láser respecto de la luz blanca para que sea utilizado en tantos y tan diversos dispositivos?
Una pantalla de plasma ofrece gran realismo en sus imágenes.
2. El láser tiene su origen en otro dispositivo denominado máser. Encuentra información acerca de él y explica las diferencias entre ambos. 3. Los científicos discutieron durante siglos sobre el carácter dual de la luz. Busca información en internet y elabora una tabla con los defensores de la teoría corpuscular de la luz y los que se inclinan por la teoría ondulatoria. 4. ¿Qué nombre recibe actualmente la rama de la física que sostiene la teoría de que la luz tienen un comportamiento dual?
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Óptica de la visión El ojo humano es el órgano encargado de la visión. Tiene forma aproximada mente esférica, con un diámetro de 2,5 cm en los adultos.
Esquema del ojo Humor acuoso
La luz llega al ojo por la pupila, atraviesa el cristalino (que actúa como una lente), los humores acuosos y vítreo (medios transparentes) y alcanza la retina. Sobre esta última se forma una imagen del objeto observado.
Retina
Iris
Nervio óptico
Córnea Humor vítreo
Pupila Cristalino
La retina está tapizada por una serie de células sensibles a la luz (conos y bas tones) que captan la luz reflejada por los objetos que vemos y producen im pulsos nerviosos. El nervio óptico transmite estas señales al cerebro, donde son tratadas las informaciones captadas por nuestros dos ojos. El resultado es que percibimos una imagen única y en relieve. En la imagen siguiente, se muestra la incidencia de los rayos de luz, y la ima gen que se obtiene sobre la retina es real e invertida.
Imagen reflejada en la retina
Formación de imágenes en la retina
Objeto real
Ampliando memoria Para poder ver los objetos correctamente, el ojo realiza automáticamente dos procesos: Acomodación o enfoque. El cristalino adapta su curvatura para modificar la dirección de los rayos de luz y permitir que las imágenes de los objetos situados a diferentes distancias se formen correctamente sobre la retina. Regulación de la cantidad de luz. La pupila se cierra o se abre en función de la intensidad luminosa para que no nos deslumbremos cuando hay mucha luz, y ver mejor cuando hay poca.
Anomalías de la visión Los problemas oculares más comunes se deben a alteraciones en el globo ocular o en la su perficie de la córnea, las que provocan la formación defectuosa de la imagen. Miopía
Hipermetropía
Se debe a una longitud excesiva del globo ocular, lo que provoca que los rayos de luz refractados por el cristalino se enfoquen delante de la retina; por ello, en la propia retina la imagen es borrosa, y así llega al cerebro. Los miopes ven claramente de cerca, pero no enfocan correctamente los objetos lejanos.
Se debe a una escasa longitud del globo ocular, lo que provoca que los rayos de luz refractados por el cristalino se enfoquen detrás de la retina; como consecuencia, la imagen en la retina no es nítida y así se transmite al cerebro. Los hipermétropes pueden ver los objetos lejanos correctamente, pero no enfocar los cercanos.
Visión lejana e imagen desenfocada.
Visión cercana e imagen desenfocada.
Actividad propuesta 1. ¿Por qué algunas personas para leer necesitan acercar o alejar el diario? ¿Qué defecto a la vista se puede distinguir con esta conducta?
La miopía se corrige con lentes divergentes, que alejan el foco del cristalino para enfocar la imagen.
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
Para corregir la hipermetropía se utilizan lentes convergentes, que consiguen acercar el foco al cristalino.
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¿Todos los animales ven igual? Todos los animales tienen ojos cuyas células reaccionan ante la luz y procesan información que es enviada al cerebro. Algunos seres vivos no tienen ojos, como las lombrices, pero sí poseen células sensibles a la luz que sustituyen ese órgano. A pesar de estas características comunes, existen factores cuya combinación determina el tipo de visión que tienen los distintos animales: grado de evolución, número y posición, tamaño de los ojos, o cantidad de células fotorreceptoras que poseen. Las personas y muchos mamíferos (especialmente depredadores) tienen dos ojos en la parte frontal de la cara. Esto facilita la visión tridimensional, ya que el cerebro realiza una combinación de la información recibida por cada ojo (que es diferente), lo que da lugar a la visión binocular, que genera una imagen única. Algunos animales, como los peces, los herbívoros y pequeños mamíferos (que suelen ser presas), tienen dos ojos, pero situados en posición lateral. Esto les permite tener un amplio campo visual; sin embargo, su agu deza es menor.
Visión binocular, tetracromática.
Un mundo de color Muchas veces habrás escuchado decir que algunos animales ven en color, y otros, en blanco y negro. En realidad, esta no es una afirmación del todo correcta. Lo cierto es que la cantidad y la variedad en el tipo de conos es la que determina que unos y otros distingan mejor o peor los demás colores. Por ejemplo, los perros pueden ver los colores, pero no tantos como los humanos, porque solo tienen dos tipos de conos. Distinguen el azul del amarillo, del rojo o del verde, pero no pueden distinguir el rojo del verde.
Visión binocular, dicromática.
Células fotorreceptoras En la retina se encuentran las células encargadas de percibir la luz. Son de dos tipos: • Conos: son células sensibles a los colores, pero no captan bien la luz de baja intensidad. • Bastones: son células que perciben la luz de baja intensidad, pero no los colores. Tipos de conos
Tipo de visión
Ejemplo
Tetracromática
La mayoría de las aves, de los reptiles y los peces. Perciben el UV.
3
Tricromática
Humanos y primates.
2
Dicromática
La mayoría de los animales.
1
Monocromática
Algunos anfibios, aves y roedores nocturnos.
4 o más
Visión lateral, monocromática.
Ampliando memoria La visión tetracromática consiste en diferenciar los colores rojo, verde y azul y, además, percibir la luz ultravioleta (UV).
Actividad propuesta 1. En las siguientes imágenes, puedes ver los ojos de algunos animales. a. Clasifícalos, de acuerdo con la posición de sus ojos, en presas o depredadores. b. ¿Cómo crees que el tamaño del ojo, en relación con el de su cráneo, afecta a los hábitos nocturnos o diurnos de estos animales? c. ¿Cuáles crees que tendrán mejor visión en la oscuridad? Razona tus respuestas.
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Instrumentos ópticos Las propiedades de refracción de la luz son aplicadas en la construcción de instrumentos ópti cos para ampliar la visión del ojo humano, como la lupa, el microscopio o el telescopio.
La lupa La lupa es considerada el instrumento óptico más antiguo. Consta únicamente de una lente convergente que forma una imagen virtual, derecha y más grande de un objeto. Para ello, el objeto se debe colocar entre el foco y la lente.
M
y' y O
F
F'
s s'
Imagen ampliada
Trazado de rayos a través de la lente de la lupa.
La luz reflejada por el objeto se desvía al atravesar la lupa, lo que crea la ilusión de que es más grande.
En el trazado de rayos podemos observar que los rayos que va a percibir el ojo del observador se juntan detrás del objeto original, lo que forma la imagen y’.
El microscopio Ayuda Se representan las lentes por medio de símbolos como: lente convergente lente divergente
Para avanzar aun más, la ciencia necesitaba que se fabricaran instrumentos que permitie ran observar objetos mucho más pequeños. Era preciso construir instrumentos con más aumentos. Esto se consiguió mediante el microscopio, cuyo funcionamiento está basado en combinacio nes de lentes convergentes. f '1
f2
δ L
B y
F'1
A'' A y'
F'2
F'2
A'
F1 Objetivo
Trazado de los rayos en las lentes de un microscopio. Ocular
B'' 25 cm a + ∞
Al observar a través del ocular, se ve una imagen ampliada que depende del objetivo.
El objeto que se quiere ver se debe colocar delante de la primera lente (objetivo) a una distan cia mayor que la distancia focal. La imagen que se forma de este debe estar entre el foco y la segunda lente, que ejercen función de lupa y generan una imagen virtual, mayor e invertida del original. Como se puede observar, y’, que es la imagen que percibe el observador, es mucho mayor que el objeto inicial, y.
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
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El telescopio El telescopio tiene su origen en el anteojo astronómico. Lo introdujo Galileo como instru mento científico (puesto que hasta ese momento era considerado un juguete), lo que le per mitió realizar grandes descubrimientos, como son los satélites de Júpiter. En el anteojo astronómico de Galileo, la combinación de lentes hace que las imágenes se vean derechas, por lo que fue muy útil como instrumento de vigilancia en la superficie terrestre. El anteojo de Galileo es la combinación de una lente convergente y una divergente, con una distancia focal del objetivo (lente más alejada del ojo) mucho mayor que la del ocular (lente cercana al ojo). Las lentes se deben colocar de tal forma que el foco imagen del objetivo coincida con el foco objeto del ocular para que las imágenes, que parten paralelas desde puntos muy lejanos, lleguen al ojo también paralelas.
F'2 F'1= F'2
Galileo utilizó un telescopio para la observación y descubrimiento de las manchas solares, valles y montañas lunares, los satélites de Júpiter y las fases de Venus.
Propagación de rayos en el anteojo astronómico de Galileo.
El intento de construir anteojos astronómicos más grandes suponía que las lentes debían ser mayores, lo que producía muchos problemas; entre otros, que cuanto más gruesa es una lente, más se nota la diferencia de refracción que se produce entre los diferentes colores que forman la luz blanca. Esto hace que las imágenes se observen borrosas y con una franja de colores a su alrededor. Para resolver el problema, a Newton se le ocurrió hacer converger los rayos con un espejo en lugar de una lente. Al no producirse refracción, to dos los colores llegan al mismo tiempo. Este es el fundamento de los actuales telescopios ópticos. El telescopio es más corto, más manejable y menos costoso que el anteojo astro nómico.
Espejo curvado
Telescopio basado en la convergencia de rayos mediante espejos.
Foco Espejo secundario
Trazado de rayos en el telescopio de Newton.
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Historial Utiliza este resumen de los contenidos para elaborar tu propio organizador conceptual.
Orígenes y fuentes de luz Actualmente, la teoría que explica la naturaleza de la luz es la mecánica ondulatoria, porque propone una naturaleza corpuscular y electromagnética. • La luz visible forma parte del espectro electromagnético. • La luz se origina a partir de la vibración de los electrones en el interior del átomo. • Una onda luminosa se caracteriza por su frecuencia e intensidad. • La luz es una onda transversal y electromagnética. Págs. 110 a 114
Propagación de la luz La luz viaja en línea recta y en todas direcciones. Por ello, se pueden formar sombras y penumbras, según el tamaño del foco luminoso. • La dispersión es la descomposición de un rayo de luz blanca en sus colores. • El color es la sensación causada en la retina por cada una de las frecuencias de las ondas luminosas. • La luz blanca es una mezcla de colores de distintas frecuencias. • Los filtros de colores pueden ser aditivos o sustractivos de algunas frecuencias luminosas. • La luz se propaga en el vacío a una rapidez de 300.000 km/s. Págs. 115 a 121
Propiedades y aplicaciones de la luz • La reflexión: es un fenómeno que experimentan las ondas luminosas cuando inciden sobre una superficie opaca. Se cumple que el ángulo de incidencia es congruente con el ángulo de reflexión. • La refracción: es el cambio de dirección que experimentan las ondas luminosas cuan do pasan de un medio a otro diferente. Entre las aplicaciones de la luz, gracias a la reflexión y refracción, se encuentran: • Espejos: son superficies pulidas que reflejan la luz. Pueden ser planos o curvos. • Lentes: son medios transparentes que refractan la luz. Pueden ser convergentes o divergentes. Págs. 124 a 137
Fisiología del ojo e instrumentos ópticos El ojo es el órgano que permite visualizar las imágenes, a través de la sensación producida por la luz de determinadas frecuencias. Para el ser humano la visión es tricromática. Existen instrumentos ópticos que amplían el campo de visión del ser humano; entre ellos están: la lupa, el microscopio y el telescopio. Págs. 138 a 141
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
Modelamiento de pregunta PSU
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Cargando disco Te invitamos a resolver el siguiente ejemplo de pregunta. 1 Una cámara fotográfica es similar al globo ocular, aunque mucho menos compleja. Para enfocar las imágenes, la lente del objetivo se adelanta o retrasa; por su parte, la luz de una cámara fotográfica se regula abriendo o cerrando el orificio del diafragma. A continuación, se muestran las imágenes de una cámara fotográfica y un esquema del ojo. Objetivo
Película sensible
Lente
A
C
B Diafragma
Al respecto, ¿qué nombre reciben las estructuras señaladas en el esquema y a qué componentes del ojo equivalen el objetivo, el diafragma y la película sensible de una cámara fotográfica?
IV. Las estructuras del ojo equivalentes a las de una cámara fotográfica son: la pupila con la lente de la cámara, el diafragma con el cristalino y la retina con la película sensible. V. Algunas estructuras del ojo pueden asemejarse, pero no tienen ninguna equivalencia con la cámara fotográfica.
Las estructuras del ojo indicadas por las letras A, B y C son: cristalino, retina y pupila, respecti vamente. II. Las estructuras del ojo equivalentes con las de una cámara fotográfica son: cristalino con la lente de la cámara, la pupila con el diafragma y la retina con la película sensible. III. Las estructuras del ojo indicadas por las letras A, B y C son: pupila, cristalino y retina, respecti vamente. I.
A. B. C. D. E.
Solo I y IV Solo II y III Solo II y V Solo III y IV Solo III y V
A continuación, analicemos las respuestas. A. Incorrecta. Las estructuras del ojo indicadas no correspon den a las letras ni tampoco a las de la cámara fotográfica.
C. Incorrecta. Las relaciones establecidas entre el ojo y la cámara son correctas, pero la segunda es incorrecta porque sí se puede establecer una analogía entre el ojo y la cámara fotográfica.
B. Correcta. Las asociaciones establecidas entre las estruc turas del ojo y las de una cámara fotográfica son equiva lentes porque cumplen las mismas funciones, es decir, el cristalino, señalizado con la letra B, actúa como una lente; la pupila, indicada por la letra A, se comporta como un diafragma, pues aumenta o disminuye su tamaño según la cantidad de luz y, finalmente, la retina, indicada por la letra C, es donde se forma la imagen en el ojo y es comparable con la película sensible de una cámara fotográfica.
D. Incorrecta. Las estructuras del ojo indicadas son correc tas, pero las equivalencias entre el ojo y las partes de una cámara fotográfica están equivocadas. E. Incorrecta. La primera parte es correcta, pero la segunda es incorrecta, ya que sí se puede establecer una analogía entre el ojo y la cámara fotográfica.
Entonces, la alternativa correcta es la B. A
B
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I.
Evaluación final
Verificando disco
Marca la alternativa que consideres correcta. 1 ¿Cómo explica el comportamiento de la luz la teoría mecánica ondulatoria? I. La luz origina ondas y partículas. II. La luz es una onda transversal electromagnética. III. La luz se propaga como una onda electromag nética. IV. La luz tiene un comportamiento corpuscular al interactuar con la materia. A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo IV
E. Solo III y IV
2 ¿Cómo ordenarías los pares de ondas del espectro electromagnético, si consideras desde las menos a las más energéticas? I. II. III. IV.
Rayos X y rayos gamma. Luz visible y ultravioleta. Microondas e infrarrojos. Ondas de radio y televisión.
A. I, II, III y IV B. IV, III, II y I
C. III, II, IV y I D. I, III, II y IV
E. II, III, IV y I
3 ¿Qué le puede ocurrir a la luz cuando encuentra un obstáculo en su camino, como muestra la imagen?
4 ¿Qué alternativa muestra ordenadamente la rapidez de propagación de la luz cuando viaja a través de medios como el agua, el aire, el vidrio, el diamante y el cuarzo? A. B. C. D. E.
Agua > cuarzo > vidrio > aire > diamante. Aire > agua > cuarzo > vidrio > diamante. Cuarzo > vidrio > diamante > aire > agua. Vidrio > diamante > aire > agua > cuarzo. Diamante > aire > agua > cuarzo > vidrio.
5 Si quieres mirarte en un espejo situado en una habitación en la que no hay más luz que la que entra por la ventana, ¿cómo tienes que colocarte para verte mejor? A. B. C. D. E.
Es indiferente. Tú de frente a la luz. El espejo frente a la luz. Es necesario que haya otra fuente de luz. Tú y el espejo de manera que reciban la luz lateral mente.
6 ¿Cómo se vería la palabra SOL cuando se refleja en un espejo plano? A. B.
C. D.
E.
7 ¿Qué propiedad(es) de la luz se muestra(n) en la imagen según los contenidos vistos?
A. Concluye su viaje cuando choca con un obstáculo. B. Se difracta en todas direcciones, lo que permite ver los objetos. C. La luz bordea el obstáculo y forma sombra y pe numbra, lo que demuestra que la luz viaja en línea recta. D. Choca contra el obstáculo y produce una reflexión de todos los colores, menos del color del que ve mos el objeto. E. Que al chocar contra una superficie, cambie la di rección y la rapidez; por lo tanto, las características dependen de la reflexión o refracción.
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Unidad 3 • Luz: onda y fotón
I. Reflexión. II. Refracción. III. Dispersión. A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo I y II
E. I, II y III
0 1 Utiliza como referencia las fotografías siguientes para responder las preguntas 8, 9 y 10.
1
2 2
3 3
4 4
5 5
11 ¿Qué le ocurre a la luz cuando pasa de un medio a otro con mayor índice de refracción? A. B. C. D. E.
2
1 1
Se acerca a la normal. Se separa de la normal. Continúa en línea recta. Se refleja completamente. Se refleja en todas direcciones.
12 Las figuras muestran dos haces de luz. ¿Qué rayos son producidos por qué tipo de lentes?
1
8 ¿Cómo qué tipo de espejo se comporta una cuchara según las imágenes que refleja en 1 y 2, respectivamente? I. II. III. IV.
Plano. Cóncavo. Convexo. Angular.
A. Solo I y III B. Solo II y IV
C. Solo III y IV D. Solo I y IV
Foto 1
E. Solo II y III
Reflector de la luz. Como un periscopio. Telescopio reflector. Ampliar el campo visual. Espejo de aumento.
Foto 2 Circulación vial. Reflejar la imagen. Espejos angulares. Focos de vehículos. Aumentar la visibilidad.
10 ¿Qué características tienen las imágenes que se forman en las fotos 1 y 2? Foto 1 A. B. C. D. E.
Rayos 1 son producidos por lentes divergentes. Rayos 2 son producidos por lentes convergentes. Rayos 1 son producidos por lentes convergentes. Rayos 2 son producidos por lentes divergentes.
A. Solo I y IV B. Solo I y II
C. Solo III y IV D. Solo I y III
E. Solo II y III
13 ¿Qué imagen se forma en una lente divergente?
9 ¿Para qué fines se usa un espejo del tipo que muestra la cuchara de las fotos 1 y 2? A. B. C. D. E.
I. II. III. IV.
2
Invertida y real. Aumentada y virtual. Virtual, derecha y pequeña. Más pequeña y real. Real y de mayor tamaño.
Foto 2 Menor y virtual. Virtual e invertida. Real, menor e invertida. Aumentada y virtual. Menor e invertida.
A. B. C. D. E.
Real, invertida e igual. Real, derecha y menor. Real, derecha y mayor. Virtual, derecha y menor. Virtual, invertida y menor.
14 ¿Cuál de las siguientes alternativas no describe lo que es un rayo láser? A. B. C. D. E.
Es luz coherente. Es luz policromática. Es luz monocromática. Se usa en lectores y grabadores de CD y DVD. Se emplea en medicina en reemplazo del bisturí.
15 ¿Cuál es la alternativa incorrecta para explicar la óptica de la visión? A. La imagen es virtual y derecha. B. Se percibe una imagen única y en relieve. C. El nervio óptico transmite al cerebro estas señales de los objetos que vemos. D. La luz llega a la pupila, atraviesa el cristalino, los humores y alcanza a la retina. E. La retina capta la luz reflejada por los objetos y produce los impulsos nerviosos.
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habilidad
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Evaluación final - Pensamiento científico
II. Analiza la siguiente situación experimental y luego responde. El daltonismo es la incapacidad para distinguir la diferencia entre ciertos colores. El tipo más común es el daltonismo de rojo y verde, en el que las personas perciben estos colores como iguales. Se sabe que el daltonismo lo sufre aproximadamente el 10% de la población masculina y que en las mujeres se manifiesta en un bajísimo porcentaje. Por lo tanto, esta información debe ser considerada al momento de realizar los trámites para obtener la licencia de conducir.
Algunos ejemplos de pruebas para detectar la ceguera cromática
Entre los procedimientos utilizados para detectar la ceguera cromática, o para detectar el daltonismo, se utilizan por lo general láminas Isihara (pseudoisocromá ticas), las cuales contienen patrones llenos de puntos de colores primarios. Estos patrones con puntos representan un símbolo que está superpuesto sobre un fon do de colores mezclados al azar. Esta prueba puede determinar ciertas anomalías visuales en una persona, relacionadas con la percepción de los colores. Imagina que tus compañeros de curso necesitan solicitar su licencia de conducir. Para ello, deben rendir el examen psicotécnico que detecta la ceguera cromática. Al respecto, ¿cómo desarrollarías esta situación experimental para que refleje el porcentaje de estudiantes que padece ceguera cromática y que sería rechazado en la obtención de su licencia de conducir? Resuelve las siguientes preguntas considerando lo que has aprendido hasta ahora. 1 ¿Qué variables experimentales identificas en el problema de investigación?
2 ¿Qué hipótesis formularías sobre el problema, si consideras el número de estudiantes que pertenecen a tu curso y los antecedentes preliminares de la investigación?
3 ¿Qué procedimiento experimental realizarías para comprobar tu hipótesis?
4 ¿Cuáles son los datos relevantes en que te fijarías para desarrollar esta situación experimental?
5 ¿Qué relaciones entre los datos obtenidos y las variables experimentales pue des establecer?
Una persona normal verá el número 73, una línea de color verde y el número 57. Una persona daltónica no verá nada en la primera y segunda imagen, y en la tercera verá el número 35.
146
Unidad 3 • Luz: onda y fotón
6 ¿Cómo recopilarías y procesarías los datos?
0 1
1 1
3 3
2 2
4 4
5 5
Cerrar sesión I. Revisa tus respuestas de alternativas. Pregunta
Contenido evaluado
1 2 3
Habilidad
Origen y propagación de la luz.
Comprender
5
Aplicar
6
Aplicar
7
Aplicar
8
Aplicar Propiedades y aplicaciones de la luz.
Remediales
4
Aplicar Aplicar
12
Aplicar
13
Aplicar
14
Aplicar
Fisiología del ojo.
Revisa las páginas 110 a 121 de tu texto.
Aplicar
11
15
Logro alcanzado
Comprender
Aplicar
10
Mi revisión
Comprender
4
9
Clave
10
Comprender
1
Revisa las páginas 124 a 137 de tu texto.
Revisa las páginas 138 y 139 de tu texto.
II. Revisa tus respuestas de la actividad procedimental. Etapa del método
Obtención de resultados
Criterios
Respuesta
En la obtención de resultados no se considera la identificación de los datos revelantes de la actividad experimental. Por otra parte, no se establecen relaciones entre los datos obtenidos y la manipulación de las variables experimentales ni se recopilan.
Incorrecta
En la obtención de resultados se considera la identificación de los datos revelantes de la actividad experimental, pero no se establecen relaciones entre los datos obtenidos y la manipulación de las variables experimentales ni se recopilan, o bien, no se consideran los datos relevantes, pero sí se establecen relaciones entre los datos obtenidos y la manipulación de las variables.
Parcialmente correcta
En la obtención de resultados se considera la identificación de los datos revelantes de la actividad experimental obtenidos a través de los órganos de los sentidos o a través de instrumentos de medida. Además, se establecen relaciones entre los datos obtenidos y la manipulación de las variables experimentales, y se recopilan los datos procesados en tablas, registros o gráficos.
Correcta
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes dentro de la unidad usando la simbología dada después de la tabla. Evaluación sección
Inicializando
Analizando disco
Verificando disco
Mi estado final 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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habilidad
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Habilidad
Evaluación integradora
Recopilando disco En esta doble página te presentaremos preguntas abiertas que podrás responder, haciendo énfasis en la habilidad de analizar según una secuencia de pasos, como son: describir, seleccionar, determinar y relacionar, explicados al margen.
Analizar Es descomponer una situación determinada y distinguir las partes que la constituyen para establecer cómo se relacionan unas con otras con un propósito general.
Pasos para analizar Paso 1: describe todos los aspectos que conforman la situación problema. Paso 2: selecciona los componentes principales de los que son menos importantes. Paso 3: determina de qué manera se diferencian o se parecen sus componentes. Paso 4: relaciona los aspectos involucrados que intervienen en el todo.
Responde de acuerdo a las situaciones que se presentan a continuación. 1. Si atendemos a las distintas perturbaciones que son generadas en un medio material o en el vacío, podemos encontrar una serie de ondas que son percibidas por los sentidos. En todas ellas se cumple que un foco emisor es el que produce una perturbación que se propaga con cierta rapidez, con lo que llega a las distintas partículas del medio, las que comienzan a oscilar. También se cumple que la frecuencia de vibración del foco emisor es la misma frecuencia de la onda propagada, y la amplitud de la onda está asociada con la energía que transporta. A partir de estos antecedentes, ¿en qué aspectos son diferentes y en cuáles son similares los distintos tipos de ondas? a. Describe todos los aspectos en que te fijarías para establecer las diferencias y simi litudes entre las ondas.
b. Selecciona los aspectos principales que te permiten establecer las diferencias y similitudes.
c. Determina cuáles son las diferencias y las similitudes entre las distintas ondas.
d. Relaciona todos los aspectos involucrados y completa la siguiente tabla. Clasificadas Ondas Luz Sonido Rayos X Olas del mar Ondas de TV Ondas sísmicas Ondas en una cuerda
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Evaluación integradora
Medio de propagación
Dirección del movimiento
Propagación del frente de ondas
Percibidas por los sentidos
Foco emisor
0 1
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2. Un fenómeno que involucra dos tipos de ondas es el de una tormenta eléctrica, que lleva asociado tanto la luz como el sonido. Sabemos que ambos tipos de ondas tienen distinta rapidez de propagación: la luz viaja a 300.000.000 m/s y el sonido a 340 m/s a temperatura de 15 ºC con 1 atm de presión. Por lo tanto, utilizando esta información podemos saber a qué distancia ocurre una tormenta eléctrica en la que visualizamos el rayo y a los 4 s después oímos el trueno. a. Describe los pasos que debes realizar para calcular a qué distancia se produce la tormenta eléctrica.
b. Selecciona los datos que requieres para realizar los cálculos.
c. Determina los valores utilizando las igualdades que necesitas.
d. Relaciona los datos obtenidos y señala si se acercan a lo que sucede en la realidad.
3. Observa la siguiente imagen tomada en un día con lluvia y cuando asoma el Sol. Explica este fenómeno considerando todo lo que has aprendido sobre las ondas y la luz. Para ello, responde las etapas siguientes.
Ayuda
a. Describe lo que ves en la imagen.
Compara tus respuestas del punto 1 con la información que aparece en las páginas 36 a 45, 70 a 79, 82, 112, 113 y 138; para el punto 2, revisa las páginas 70 a 75, 82, 120 y 121, y para el punto 3, las páginas 53, 116, 117, 120, 121, 132 y 138.
b. Selecciona los aspectos sobre los cuales explicarías el fenómeno.
c. Determina qué propiedades de las ondas te permiten explicar este fenómeno.
d. Relaciona todos los aspectos que te permiten explicar lo que sucede y que hacen posible apreciar este fenómeno.
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Unidad
TECTÓNICA de placas
4 4
Más de una vez habrás visto alguna falla, pliegue o fractura producida por desplazamientos de rocas. ¿A qué crees que se deben, si se sabe que la Tierra está formada por distintas placas?
Menú de inicio ¿Qué aprenderás?
150
¿Para qué?
¿Dónde?
Interpretación de resultados.
Aplicar las habilidades de pensamiento científico en la interpretación de resultados de una investigación descriptiva o de exploración directa.
152 y 153, 170 y 171, 184
Antecedentes históricos y estructura de la Tierra.
Explicar los fenómenos asociados a la dinámica litosférica a través de las teorías que avalan su comportamiento.
154 a 157
Movimiento de las placas tectónicas.
Describir el movimiento de las placas y los fundamentos físicos que provocan los cambios internos y externos del planeta Tierra.
158 a 163
Descripción y parámetros de vulcanismo, sismos y tsunamis.
Diferenciar cómo se producen las erupciones volcánicas, los sismos y los maremotos, utilizando para ello parámetros que cuantifican su magnitud y, además, señalar las medidas de seguridad que se adoptan.
166 a 179
Unidad 4 • Tectónica de placas
1 1
2 2
3 3
4 4
0 1
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Abrir sesión Son apreciables a simple vista los efectos de los agentes externos en la erosión y en el modelamiento del relieve, ya que transportan los materiales a otros lu gares, así como los de los volcanes y los terremotos, que modifican la superficie terrestre. Sin embargo, no se puede afirmar lo mismo sobre el desplazamiento de las placas tectónicas, pues no nos resulta evidente que los continentes han permanecido inmóviles; de ahí que los llamemos “tierra firme”. El descubrimiento de que los continentes se habían desplazado en el pasado –y continúan haciéndolo en la actualidad– no resultó fácil, y constituye uno de los episodios más interesantes de la historia de la geología. A modo de iniciar esta unidad, te invitamos a responder estas preguntas. 1. ¿Cómo se pudo descubrir que los continentes se habían movido y que lo siguen haciendo? 2. ¿Conoces alguna evidencia de que esto ocurra? 3. ¿Hay alguna relación entre un maremoto y un terremoto? Si no lograste responder las interrogantes, no te preocupes. Esas y otras po drás contestarlas una vez que hayas estudiado esta unidad.
Se dice que Chile es un país sísmico. ¿Por qué crees que se hace esta afirmación?
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Evaluación inicial - Pensamiento científico
Inicializando
Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de resultados.
En esta ocasión, te ocuparás de la interpretación de los resultados a partir de los datos que se registraron sobre el comportamiento de las placas que forman los continentes. Para ello, debes relacionar algunas variables involucradas en el fenómeno que te permitan recrear y estudiar si estos continentes hipotéticos estuvieron unidos. Ten presente que en el desarrollo de la actividad se consideran algunos aspectos de las etapas del método científico; así podrás completarlas a partir de tus propias explicaciones en la sección Archivos ocultos.
5. Interpretación de resultados.
Planteamiento del problema
6. Elaboración de conclusiones.
Es sabido que los continentes están en movimiento y, por ello, tanto su superficie externa como la interna se van conformando a lo largo de millones de años. Este movimiento se debe a que continuamente sale material del manto por debajo de la corteza oceánica y se crea una fuerza que empuja la zona ocupada por los continentes (las placas continentales), lo que los hace cambiar de posición. La imagen que se muestra a continuación representa cuatro continentes de un planeta imaginario que vamos a estudiar.
¿Cómo se interpretan los resultados? Para interpretar los resultados, debes atender a los datos cualitativos o cuantitativos obtenidos del procedimiento experimental y expresarlo con tus propias palabras, de acuerdo a lo que entiendes del fenómeno.
C
Granito Su edad es de 500 M.a.
¿Qué hacer para interpretar los resultados? Paso 1: relacionar los datos obtenidos del procedimiento con el comportamiento del fenómeno. Paso 2: establecer las semejanzas y diferencias entre los datos obtenidos del fenómeno, de manera de comprender lo que sucede. Paso 3: explicar los resultados en términos del comportamiento, considerando las diferencias y similitudes obtenidas al analizar los datos.
Carbón (clima tropical) Su edad es de 300 M.a. D
Morrena glaciar Su edad es de 300 M.a. Yesos Su edad es de 250 M.a.
A B
M.a.: millones de años.
Comenzaremos con el problema: • Si los continentes estuvieron unidos alguna vez, ¿qué parámetros permiten reconstruir la historia de las uniones y fragmentaciones de los continentes del planeta imaginario? Variable dependiente: Variable independiente:
Formulación de hipótesis ¿Qué hipótesis formularías para dar una respuesta anticipada al problema?
Procedimiento experimental 1. Fotocopien los continentes imaginarios para recortarlos posteriormente. 2. Reconstruyan, como si se tratara de un rompecabezas, hasta conseguir alguna seme janza y calce entre las distintas partes. 3. Estudien la imagen formada del planeta imaginario.
152
Unidad 4 • Tectónica de placas
0 0 Obtención de resultados
Interpretación de resultados
2 2
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5 5
Criterio de comparación
Fragmentaciones En esta etapa tienes que atender a los distintos datos, ya sean descrip tivos o numéricos, que indican lo que sucede al encajar las formas que has reconstruido del planeta imaginario y observar si hay rocas que continúan entre un continente y otro, así como la edad de ellas. Anota estos resultados en la tabla que está al costado.
1 1
Composición de las rocas
Edad geológica
A B C D
Para interpretar los resultados debes considerar a los datos recolectados en la tabla y esta blecer relaciones que permitan explicar el comportamiento del planeta originario. Para ello, ten en cuenta los pasos dados en el margen de la página anterior y las siguientes preguntas que te ayudarán en esta tarea. a. ¿Qué datos te permiten reconstruir las uniones y fragmentaciones de los continentes del planeta imaginario?
Mi estado
b. ¿En qué se parecen y en qué se diferencian los datos obtenidos?
c. ¿Cómo explicarías con tus palabras el comportamiento del planeta originario, si atien des a los datos obtenidos?
Además, es necesario establecer otras interrogantes relacionadas con el tema, como las que se muestran a continuación:
En esta actividad: ¿Qué me resultó más fácil? ¿Por qué? Respecto de interpretar los resultados: ¿Cuál es su importancia? ¿Cómo sabes que la interpretación está formulada correctamente?
d. ¿Estuvieron unidos estos cuatro continentes? Explica.
e. ¿Puede saberse la edad de este planeta originario? Explica.
f. ¿Hasta qué edad, como mínimo, estuvieron unidos los continentes A y B?
g. ¿Qué continentes se separaron antes y cuándo se produjo la última separación continental?
Archivos ocultos Considera el desarrollo de la actividad: a. Si relacionas el dibujo del planeta originario con el planeta Tierra, ¿cuál es tu conclusión respecto de que los continentes actuales habrían estado unidos? (Etapa 6 del método)
b. ¿En qué datos te fijarías para formular tu conclusión? (Etapa 6 del método)
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Estructura interna de la Tierra Son muchas las dudas que todavía existen acerca del interior del planeta. De los 6.370 km que tiene el radio terrestre, solo se ha accedido directamente hasta 12 km de profundidad. Es similar a tener que deducir cómo es el interior de un huevo de gallina sin haber atravesado completamente su cáscara.
Datos sobre el interior terrestre Se dispone de pocos datos directos, pero de muchos indirectos. Unos y otros proporcio nan una idea aproximada del interior terrestre: • El interior de la Tierra es más denso. Se conocen la masa y el volumen del planeta. De hecho, se ha calculado que la densidad media de la Tierra es de 5,5 g/cm3. Es decir: densidad =
g masa 5, 9736 • 1027 g = 5, 5 3 = 27 3 Volumen 1, 0833 • 10 cm cm
Sin embargo, la densidad media de las rocas continentales es de 2,7 g/cm3. En conse cuencia, los materiales del interior de la Tierra deberán ser mucho más densos. Ninguna perforación ha superado los 12 km y las minas más profundas no alcanzan los 4 km.
• El interior de la Tierra está caliente. A medida que se profundiza en las minas, la tem peratura aumenta. La existencia de erupciones volcánicas nos informa, igualmente, de las altas tempera turas del interior. • La Tierra parece un imán. En la Tierra existe un campo magnético, gracias al cual, la brújula se orienta hacia el norte magnético. La existencia de un núcleo metálico permite explicar este fenómeno. • La Tierra está estructurada en capas. Al producirse un terremoto, una serie de ondas se desplazan en todas direcciones: son las ondas sísmicas. La rapidez con la que viajen las ondas depende de las características de los materiales por los que pasan. Por esta razón, un cambio brusco en esa rapidez nos informará que ha variado la naturaleza de los materiales o su estado físico. Es por este motivo que el análisis de la propagación de las ondas sísmicas muestra un planeta estructurado en capas concéntricas.
Actividad propuesta
a. ¿Cuántas discontinuidades detectas al observar la gráfica? b. ¿A qué profundidad se encuentra cada salto brusco? c. ¿Qué indican las diferencias de rapidez de las ondas? Explica usando los conceptos aprendidos sobre las propiedades de las ondas, como la refracción. d. A partir de la gráfica, ¿se puede deducir que la Tierra está estructurada en capas?
154
Unidad 4 • Tectónica de placas
2 3 4 5 6 7 50 1.000 2.000 Profundidad (km)
Las erupciones volcánicas nos muestran que la temperatura del interior terrestre es alta.
Velocidad (km/s)
1. La gráfica representa los cambios en la rapidez de las ondas sísmicas a medida que se profundiza en la Tierra. Cada salto brusco o discontinuidad marca el límite entre una capa y la siguiente.
3.000 4.000 5.000 6.000
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9 10 11 12 13 14
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Composición de la Tierra La rapidez de propagación de las ondas sísmicas muestra tres cambios bruscos, como lo dedujimos al interpretar la gráfica de la página anterior. Estas discontinuidades reciben los nombres de sus descubridores: Mohorovicic, Gutenberg y Lehmann. Las dos prime ras se deben a cambios en la composición de los materiales, mientras que la última marca un cambio en el estado físico. Así, las capas de la Tierra se clasifican en:
Rocas de la corteza
• Corteza: es la delgada capa superficial. En los continentes tiene un grosor medio de 35 km, y predominan el granito y el gneis con una cubierta de sedimentos. En los océanos, su grosor medio es de 8 km y predomina el basalto, cubierto también por sedimentos.
Granito
• Manto: es una capa muy gruesa; llega hasta los 2.900 km de profundidad. Está separa do de la corteza por la discontinuidad de Mohorovicic, y compuesto por peridotita. • Núcleo: es la esfera central. Se encuentra separado del manto por la discontinuidad de Gutenberg y está compuesto por hierro y níquel. Gneis
Unidades geodinámicas En la actualidad, es más frecuente diferenciar las capas terrestres no tanto por la compo sición de los materiales, como por su comportamiento mecánico o estado físico: • Litosfera: es la capa más externa y rígida. Incluye toda la corteza y un poco del manto superior. La litosfera continental tiene entre 100 y 200 km de grosor, mientras que la litosfera oceánica oscila entre 50 y 100 km. • Manto sublitosférico: es la capa plástica situada bajo la litosfera y limita con el núcleo. Las rocas se encuentran en estado sólido, aunque cercanas a su punto de fusión; por eso, es una capa plástica y deformable (dúctil). Tradicionalmente, en el manto sublitosférico se ha diferenciado una capa superior, la astenosfera, que llegaría hasta los 670 km de profundidad, y otra inferior, la mesosfera, que alcanza hasta los 2.900 km. • Núcleo externo: situado por debajo del manto, llega hasta la discontinuidad de Leh mann, 5.150 km. Se encuentra en estado líquido y es la única capa del interior terrestre que está fundida. • Núcleo interno: comprende el resto del núcleo y se halla en estado sólido. Corteza
Basalto
Para grabar La Tierra está formada por capas que se diferencian entre ellas por la composición de los materiales y el estado físico. Las capas terrestres son clasificadas en unidades geodinámicas o en corteza, manto y núcleo.
Estructura en capas de la Tierra
Manto
Corteza oceánica
Discontinuidad de Mohorovicic
Núcleo
Discontinuidad de Gutenberg
Litosfera Mohorovicic
Discontinuidad de Lehmann
Litosfera
5 150 km
Manto sublitosférico
Actividad propuesta
m 2 900 k
Manto sublitosférico Núcleo externo
Núcleo interno
1. ¿Cuál es la composición del núcleo externo? ¿Y del interno? ¿En qué se diferencian? 2. Realiza un paralelo entre la composición de la Tierra y las unidades geodinámicas. Para ello, dibuja un círculo que dividido por la mitad incluya en una parte la corteza, manto y núcleo, y en la otra, dibuja las unidades geodinámicas.
Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Pensamiento científico
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Teorías de la tectónica de placas Distinción entre leyes, teorías e hipótesis Las comunicaciones científicas que explican el comportamiento de un fenómeno pueden plantearse en términos de hipótesis, leyes y teorías. Pero, ¿qué importancia tiene cada una de ellas para la ciencia? Una teoría es un sistema razonado, cuyas explicaciones están fundadas en datos que sirven de apoyo para confeccionar un modelo científico que interpreta a un conjunto de observaciones mediante proposiciones explicativas comprobadas. Por otra parte, una ley científica es una proposición que afirma una rela ción constante entre dos o más variables involucradas en un fenómeno. En cambio, una hipótesis constituye una posible o probable explicación o descripción científica de un conjunto de observaciones o de experi mentos basados en supuestos verificables. Ahora, revisemos qué proponían los científicos sobre el comportamien to de la estructura de nuestro planeta Tierra.
Alfred Wegener murió esperando encontrar pruebas del desplazamiento de los continentes.
Argumentos paleoclimáticos
A comienzos del siglo XX, los científicos sabían que los continentes esta ban sometidos a los movimientos verticales propuestos por la teoría de la isostasia. Esta planteaba que la corteza terrestre se comporta como si flotase en un material más denso con un movimiento vertical, pero los continentes no experimentarían movimientos horizontales. Sin embargo, en 1915, el meteorólogo alemán Alfred Wegener publicó el libro El origen de los continentes y los océanos, donde sostenía que los continentes se desplazaban. Nace, de esta manera, la primera teoría movilista estructurada y bien fundamentada. Las teorías movilistas plantean que los continentes se han desplazado a lo largo de la historia de la Tierra. Sus antagonistas, las teorías fijistas, niegan la posibilidad de que los continentes se muevan horizontal mente. Aunque no todas las ideas de Wegener eran originales, nunca antes se había presentado una teoría movilista con tal cantidad de argumentos, datos y observaciones. El científico indagó acerca de los datos conocidos y los relacionó de manera que avalaran su teoría. Entre ellos, destacan:
Yesos Tillitas Carbones
Indicadores climáticos utilizados por Wegener para deducir la distribución de los climas hace unos 290 millones de años.
156
Unidad 4 • Tectónica de placas
• Argumentos geográficos. El punto de partida de Wegener fue la for ma de los continentes, que parecían encajar como las piezas de un enorme rompecabezas. Se le objetó que el ajuste no era perfecto, ya que había solapamientos y huecos entre estas piezas. Pero si consi deramos los continuos cambios del nivel del mar y los procesos de erosión litoral, lo casual sería que el encaje hubiese sido perfecto. • Argumentos geológicos. Wegener encontró que algunas formacio nes geológicas tenían continuidad a uno y otro lado del Atlántico. • Argumentos paleoclimáticos (de paleo, antiguo). Utilizó ciertas ro cas sedimentarias como indicadores de los climas en los que se origi nan: tillitas (clima glacial), yeso y halita (clima árido), carbones (clima tropical húmedo). Luego, dibujó mapas de estos climas antiguos y concluyó que su distribución resultaría inexplicable, si los continentes hubiesen estado siempre en sus posiciones actuales.
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• Argumentos paleontológicos. Analizó la distribución de gran cantidad de fósiles y com probó que organismos de la misma especie se encuentran en lugares muy distantes en la actualidad, de manera que su presencia resulta difícil de explicar, salvo que en la época en que vivieron, estos lugares hubiesen estado próximos. Es lo que ocurre con el Mesosaurus, reptil que vivió hace 270 millones de años en los ríos de Sudáfrica pero también en Suda mérica. O con el Lystrosaurus, un reptil mamiferoide que vivió en África, India y Australia.
Síntesis de los argumentos paleontológicos Ampliando memoria África
Wegener desconocía cuál era la causa de los desplazamientos continentales. No obstante, la insistencia de diversos científicos le impulsó a sugerir dos causas posibles:
India Sudamérica
Australia
La fuerza centrífuga, debida a la rotación terrestre, que desplazaría los continentes hacia el ecuador.
Antártica
Lystrosaurus: reptil terrestre
Cynognatus: reptil terrestre
Glossopteris: vegetal terrestre
El frenado producido por la atracción del Sol y la Luna. Ninguna de las dos causas era suficiente. Wegener murió en 1930 sin que su teoría fuese aceptada; en los años siguientes, sus ideas fueron calificadas de hipótesis imposibles.
Mesosaurus: reptil terrestre
Teoría de la deriva continental Con los datos anteriores y otros que fue recopilando, Wegener construyó una teoría que sería conocida como teoría de la deriva continental. • En el pasado, todas las tierras emergidas estuvieron unidas en lo que fue un gran conti nente, denominado Pangea (que en griego significa “todas las tierras”).
Actividad propuesta
Pangea
1. ¿Cuáles de las explicaciones dadas constituyen una teoría? 2. De los argumentos presentados, ¿cuáles serían una ley? 3. ¿Por qué los científicos de la época consideraron las ideas de Wegener como una hipótesis imposible?
• El Pangea se dividió en fragmentos que se desplazaron y, así, dieron lugar a los continen tes actuales. • En el frente de avance de los continentes se formarían unas “arrugas”, que serían las cor dilleras. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Plataforma continental
¿Cómo son los fondos oceánicos? En los fondos marinos se diferencian tres zonas:
Dorsal
• La plataforma continental. Es una franja de poca pendiente que rodea a los continentes y va desde la línea de la costa hasta una profundidad aproximada de 200 metros. • El talud. Es una franja estrecha, con fuerte pendien te, que va desde la plataforma continental hasta los fondos oceánicos profundos.
Talud
Llanura abisal
Corteza oceánica
Corteza continental
• Las llanuras abisales. Constituyen los fondos oceá nicos por excelencia. Son zonas profundas, formadas por inmensas llanuras en las que se encuentran algu nos relieves muy definidos: las dorsales y las fosas.
Dorsales y fosas Hasta mediados del siglo XX, el conocimiento de los fondos oceánicos se limitaba a las zonas más cercanas a los continentes y, por tanto, menos profundas. La utilización de barcos oceanográficos dotados de sonar permitió elaborar mapas más precisos del relie ve oceánico. El sonar es un instrumento que emite ondas sonoras y mide el tiempo que tarda el fondo marino en devolverle el eco. La utilización del sonar permitió descubrir la existencia de: • Las dorsales oceánicas. Son relieves estrechos y extraordinariamente largos que se ele van dos mil o tres mil metros sobre las llanuras abisales circundantes. Por su longitud total, 65.000 km, las dorsales constituyen el relieve más importante del planeta. • Fosas oceánicas. Son surcos estrechos pero muy profundos. Así, la fosa de las Marianas (océano Pacífico) alcanza 11.000 m de profundidad, mientras que la fosa de las Filipinas tiene una profundidad de 10.500 metros.
Relieve oceánico y continental
Fosa de las Aleutianas
Dorsal Atlántica
Fosa del Japón Fosa de las Filipinas Fosa de las Marianas
Dorsal del Pacífico
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Fosa de Java
Unidad 4 • Tectónica de placas
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Un océano joven y en extensión
Extensión del fondo oceánico
Suele decirse que “la tectónica de placas es hija de los océanos”. No les faltan razones a quie nes lo afirman, ya que los estudios de los fondos oceánicos aportaron datos decisivos para la formulación de esta teoría.
Las dorsales oceánicas son zonas en las que se crea nueva litosfera oceánica a partir de materiales magmáticos procedentes del interior terrestre, y desde ahí se extienden a am bos lados. Así se explica que las rocas encontradas en las dorsales sean actuales: “acaba de salir” el magma que las ha formado. Del mismo modo se explica que la edad se incre mente al alejarse de la dorsal. Por otra parte, cuanto más antiguo es un fondo oceánico, más tiempo llevan depositándose materiales, por lo que cabe esperar que los sedimentos sean más abundantes.
La dorsal oceánica es un relieve submarino que se eleva entre 2 y 3 km sobre la llanura abisal. Su recorrido, de unos 65.000 km, es periódicamente interrumpido por fracturas que la desplazan lateralmente. Estas fracturas se denominan fallas transformantes.
Estructura de la dorsal oceánica Falla transformante
Islandia es un trozo de la dorsal oceánica que, excepcionalmente, se encuentra emergida.
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Para grabar Los fondos oceánicos son dinámicos, es decir, a lo largo de la dorsal oceánica se va formando litosfera oceánica y, por consiguiente, se mantiene un equilibrio entre la formación y la destrucción a través de las zonas de subducción.
No todas las dorsales son igualmente activas. En el Atlántico norte, la dorsal se extiende a cada lado 1 cm por año, mientras que en ciertas zonas de la dorsal del Pacífico el ritmo es diez veces mayor. Esto se muestra en la siguiente imagen, donde los valores corresponden a la velocidad de formación del fondo oceánico expresada en cm/año.
Velocidad de formación del fondo oceánico en diferentes tramos de la dorsal Ampliando memoria
Litosfera Sedimentos
Corteza oceánica
La dorsal atlántica presenta un surco central, llamado rift, de donde sale magma procedente del manto sublitosférico que genera suelo oceánico a ambos lados. No todas las dorsales tienen rift.
1,8 2,5
17,0
7,2 6,0
Fosa
18,0
Edades de los fondos oceánicos Todas las rocas de los fondos oceánicos tienen una edad inferior a 185 M.a. Aunque esta cifra puede parecer alta, conviene considerar que la Tierra tiene 4.500 M.a. En los continen tes se han encontrado rocas de hasta 3.800 M.a. La distribución de las edades de los fondos oceánicos resulta mucho más ordenada que en los continentes. Destacan tres datos: • Hay rocas actuales en las dorsales. Los basaltos que constituyen las dorsales oceánicas tienen una edad inferior al millón de años; son lo que en geología recibe el nombre de rocas actuales.
10,0
Actividad propuesta 1. ¿Qué significa que el océano sea joven y en extensión? 2. ¿A qué se llama dorsal oceánica? 3. ¿Cómo describirías los fondos oceánicos? 4. ¿De qué depende el relieve oceánico? 5. Si tuvieras que representar un modelo de los fondos oceánicos, ¿cómo lo harías?
3,3 1,7
La abreviatura de esta unidad es: M.a.
7,3
1,3
Ayuda La unidad de medida del tiempo más empleada en geología son los millones de años.
Dorsal oceánica
4,1
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• La corteza oceánica envejece al separarse de la dorsal. La edad de los basaltos va in crementándose a medida que nos alejamos de la dorsal oceánica, y lo hace siguiendo una distribución casi simétrica a uno y otro lado de la misma. • La potencia de los sedimentos está relacionada con la edad del fondo oceánico. La dorsal carece de sedimentos, mientras que al alejarnos de ella se incrementa la potencia o espesor de los depósitos.
Dorsal y zona de subducción
3,0
7,2 Zona de subducción
La litosfera oceánica se destruye
Corteza oceánica basáltica
Si en las dorsales se está creando nueva litosfera oceánica, debe haber otros lugares del océano en los que se compense este proceso, mediante su destrucción. De lo contrario, la litosfera iría aumentando sus dimensiones gradualmente, de manera indefinida. De acuerdo con la teoría de la tectónica de placas, existen lugares en los que la litosfera se introduce de nuevo en el interior terrestre: son las zonas de subducción.
Ayuda
Las zonas de subducción suelen localizarse junto a las fosas marinas más profundas.
Para grabar Los fondos marinos están constituidos por la plataforma continental, el talud y las llanuras abisales. En las llanuras abisales se encuentran algunos relieves: las dorsales y las fosas oceánicas. Según las características de las dorsales, se puede determinar la edad de los fondos oceánicos.
Debes tener en cuenta que se forma litosfera oceánica a uno y otro lado de la dorsal.
Actividad propuesta 1. La figura muestra una sección del Atlántico norte con la edad del fondo oceánico. Según esta imagen: a. ¿Cuántos kilómetros de dorsal oceánica se ha formado en los 4 M.a.? b. ¿Cuál ha sido la velocidad de extensión de esta zona oceánica durante los últimos 4 M.a.?
4 M.a. 0
20
40 km
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Placas tectónicas La teoría de la tectónica de placas no solo permite explicar los movimientos de los con tinentes y de los océanos, sino también otros procesos geológicos, como el origen y la distribución de los volcanes, las causas de los terremotos o el origen de las cordilleras. Los relaciona a todos y los incluye en la dinámica global del planeta. Por esta razón, también ha sido denominada teoría de la tectónica global. La tectónica de placas puede resumirse en las siguientes ideas básicas: • La litosfera está dividida en un conjunto de fragmentos rígidos, denominados placas litosféricas. Las placas son fragmentos de litosfera cuyo grosor oscila entre 50 y 200 km y poseen una extensión superficial muy variable. Hay siete grandes placas, entre las cuales se sitúan una docena de placas de menor tamaño. • Los bordes de las placas litosféricas pueden ser de tres tipos: Dorsales. Límites en los que se genera nueva litosfera oceánica a partir de materiales procedentes del interior terrestre.
Dorsal
• La litosfera oceánica se renueva continuamente, mientras que la litosfera continental tiene un carácter más permanente. La creación de litosfera oceánica en las dorsales y su destrucción en las zonas de subducción explican la juventud relativa de los fondos oceánicos. • Las placas litosféricas se desplazan sobre los materiales plásticos del manto sublitosférico. Lo hacen a velocidades de algunos centímetros por año. Siguen distintas direcciones y provoca alejamientos y colisiones de continentes, así como rozamientos entre las placas. Por esta razón, las principales actividades geológicas, como son las erupciones volcánicas, los terremotos y la formación de cordilleras, se producen en los bordes de las placas. • Los desplazamientos de las placas litosféricas son producidos por la energía térmica del interior terrestre, ayudado por la energía gravitatoria. La diferencia de temperatu ra entre un núcleo muy caliente y una litosfera fría genera corrientes de convección en el manto, las que causan los movimientos de las placas.
Zonas de subducción. Límites en los que se destruye litosfera, con lo que se com pensa la generada en las dorsales.
• A lo largo de la historia de la Tierra, ha cambiado no solo la posición de las placas litosféricas, sino también su forma y tamaño, así como el número de ellas. La acti vidad de las dorsales y de las zonas de subducción modifica la forma y el tamaño de las placas. Además, las placas se pueden fragmentar y unir.
Fallas transformantes. Límites en los que no se crea ni se destruye litosfera, sino que una placa se desplaza lateralmente con respecto a otra.
• Tanto los volcanes, terremotos y formación de cordilleras están ligados a la fractura de grandes bloques de rocas que implican un movimiento o desplazamiento.
Ampliando memoria La teoría de la tectónica de placas nos aclara la comprensión de los procesos sísmicos y volcánicos y la posibilidad de predecir los riesgos asociados a ellos. También ayuda en la búsqueda de yacimientos minerales de importancia económica.
Actividad propuesta Placa Euroasiática
▲▲ ▲
Zona de subducción
1. Responde las siguientes preguntas de acuerdo con la información que aporta el mapa y la placa litosférica donde se encuentra Chile.
Placa Juan de Fuca Placa Norteamericana Placa del Pacífico
Placa Arábiga Placa Africana Placa del Caribe
Placa Filipina
Placa del Pacífico Placa de Cocos
Falla transformante Placa de Nazca
Placa Sudamericana Placa Indoaustraliana
a. ¿Qué nombre recibe la placa donde se encuentra? b. ¿Qué tipo de borde tiene la placa? c. ¿Se está destruyendo o creando litosfera en la placa? d. ¿Qué consecuencias puede tener la creación o destrucción de litosfera en la placa? 2. ¿Qué otras interpretaciones puedes realizar sobre los bordes de las placas litosféricas?
Placa Antártica
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¿Por qué se mueven las placas tectónicas? Como ya hemos visto, la litosfera es la capa externa, sólida y rígida de la Tierra. Pero esta capa no se encuentra en una sola pieza, sino que está dividida en grandes fragmentos, cada uno de los cuales es una capa litosférica. Los bordes de placa delimitan siete grandes placas litosféricas: Euroasiática, Africana, Indoaustraliana, del Pacífico, Norteamericana, Sudamericana y Antártica. Entre ellas se sitúan una docena de placas de menor tamaño, como la de Nazca, la del Caribe o la Arábiga. Excepto la placa del Pacífico, todas las grandes placas contienen litosfera conti nental y litosfera oceánica.
Placas litosféricas Placa Euroasiática Placa Norteamericana
Placa Cocos
Placa Arábiga
Placa del Caribe
Placa del Pacífico Placa Sudamericana
Placa del Pacífico
Placa Filipina
Placa Africana
Placa de Nazca
Placa Indoaustraliana
Placa Antártica
Las placas se mueven La creación de litosfera en las dorsales o su destrucción en las zonas de subducción implica diversos movimientos. Por ejemplo, la dorsal del Atlántico norte no puede generar nueva li tosfera sin que se desplace Europa hacia el este y Norteamérica hacia el oeste. Como las pla cas están juntas, el desplazamiento de cualquiera de ellas afecta inevitablemente a otras.
Corte A-B de la litosfera Oceáno Pacífico
Norteaméricana
Oceáno Atlántico
Eurasiática
Oceáno Pacífico
A
B Subducción
Dorsal
Los continentes forman parte de las placas y viajan con ellas como si fuesen pasajeros. Como pensaba Wegener, vivimos sobre un rompecabezas en movimiento, pero sus piezas no solo cambian de posición, también cambian de forma y de tamaño e incluso varía su número. Se ha comprobado que las placas litosféricas se mueven. La tecnología moderna, que uti liza rayos láser y satélites, ha permitido medir con precisión movimientos actuales de las placas de, por ejemplo, 8,3 cm/año entre las islas Hawai y Japón, o de 1,8 cm/año entre Gran Bretaña y Estados Unidos. Pero, ¿qué mueve a las placas?
Para grabar Las placas litosféricas son los grandes fragmentos en los que está dividida la litosfera.
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Las corrientes de convección Un fluido al calentarse se dilata, disminuye su densidad y asciende. Cuando llega a zonas con menor temperatura, se enfría y desciende. Se establecen así los movimientos cíclicos denominados corrientes de convección. El aire de la atmósfera y el agua de los océanos tienen estos movimientos. Aunque el manto terrestre se encuentra en estado sólido, tam bién hay en él corrientes de convección. Estas se generan a través de los límites de las placas tectónicas.
Corrientes de convección en el manto
Corrientes de convección
Manto
Al calentar agua, se generan diferencias en la densidad debido a los cambios en la temperatura. Así, el agua más caliente sube y la más fría baja, lo que genera las corrientes de convección. Además del ejemplo presentado, ¿en qué otras situaciones podrías observar este fenómeno?
Manto Núcleo
Núcleo
El núcleo terrestre se encuentra a temperaturas muy elevadas (entre los 3.500 y los 5.000 ºC). Los materiales del manto, en contacto con el núcleo, se calientan, se dilatan y ascienden.
Los materiales del manto que han ascendido, al entrar en contacto con la litosfera se enfrían, aumentan su densidad y se hunden. Así se completa el ciclo de las corrientes de convección.
Qué mueve a las placas Modelo de corrientes de convección en el manto Dor sal
Zona de subducción
Aunque se ha comprobado que las placas litosféricas se mueven, los científicos aún tienen ciertas dudas acerca de los procesos que intervienen. Las ideas básicas que gozan de mayor consenso son: • La energía térmica del interior terrestre hace que el manto se encuentre agitado por corrientes de convección, lo que constituye la causa inicial del movimiento de las placas. Si el manto estuviese frío, las placas no se moverían y no habría volcanes ni terremotos. • La fuerza de gravedad parece desempeñar también un papel clave en el movimiento de las placas. Intervendría gracias a dos mecanismos complementarios: La placa oceánica se encuentra levantada en las dorsales y hundida en las zonas de subducción, lo que favorece su deslizamiento hacia abajo. La litosfera subducida es densa y fría, y las altas presiones del manto aumentan su den sidad. Así, el extremo subducido tira de la placa y la arrastra, lo que se conoce como tirón gravitatorio. Es lo que le ocurre a una toalla que tiene su extremo inferior en el agua: a medida que se empapa, pesa más y arrastra al resto de la toalla hacia abajo. El manto se encuentra agitado por corrientes de convección. La energía térmica del interior terrestre genera esta agitación y es, en última instancia, la causa del movimiento de las pla cas, seguramente ayudada por la energía gravitatoria.
Actividad propuesta 1. Explica por qué cambia la densidad de una roca al modificarse la temperatura. 2. ¿Cuál es la importancia de las corrientes de convección en el movimiento de las placas tectónicas? 3. ¿Qué implicancia tiene la gravedad en el movimiento de las placas litosféricas? 4. ¿Qué fenómenos explicarían por qué las placas litosféricas se mueven? 5. Si tuvieras que recrear un modelo que represente el movimiento de las placas por convección, ¿qué materiales utilizarías y cómo lo harías?
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Consecuencias del movimiento de las placas La división o la creación de un continente son consecuencias del movimiento de las placas tectónicas, pero hay otras de menores dimensiones que se deben a las deformaciones de las rocas.
Ampliando memoria Los materiales pueden experimentar tres tipos de deformaciones.
La deformación de una roca es el cambio de posición, forma o volumen que experimenta al ser sometida a esfuerzos.
1. Elástica. Al ser sometido a un esfuerzo, el material se deforma, pero recupera su forma original.
La deformación elástica es transitoria, mientras que las deformaciones plástica y por rotura tienen carácter permanente. Independientemente de su comportamiento inicial, cualquier material, ya sea elástico, plástico o rígido, se fractura cuando se supera un valor máximo de deformación, denominado límite de rotura o ruptura. Un bloque de granito, de mármol o de caliza tiene un comportamiento rígido, y si se some te a un esfuerzo suficientemente alto, se fracturará. La mayoría de las rocas no parece que pudiera tener un comportamiento plástico. Sin embargo, en la naturaleza cualquier tipo de roca puede encontrarse plegada (comportamiento plástico). Esto significa que lo presentan siempre que se den ciertas circunstancias y, como todos los materiales, se comportan de manera diferente al cambiar las condiciones físicas o químicas en las que se encuentran, ya sean temperaturas o presiones altas, presencia de agua, etc.
2. Plástica. Al ser sometido a un esfuerzo, el material se deforma y no recupera su forma original.
La formación de las cordilleras es una consecuencia visible a gran escala del movimiento de las placas tectónicas y, además, origina los relieves continentales más importantes. Sin embar go, otras consecuencias, como los pliegues y las fallas, tienen menores dimensiones. Los pliegues son ondulaciones que se originan en las rocas al ser sometidas a esfuerzos de compresión. Un pliegue es una deformación plástica. 3. Por rotura. El esfuerzo hace perder la cohesión interna del material y este se fractura.
Detalle de un pliegue 1
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Plano axial. Divide el pliegue en dos mitades más o menos simétricas. Charnela. Zona del pliegue que tiene la máxima curvatura. Eje del pliegue. Intersección del plano axial y la charnela. Núcleo. Zona más interna de un pliegue. Flancos. Laterales del pliegue situados a ambos lados de la charnela.
Las fallas son fracturas en las que se ha producido el desplazamiento de un bloque de roca con respecto al otro. Una falla es una deformación por rotura.
Detalle de una falla
Actividad experimental 1. Somete diversos materiales a esfuerzos de tensión y de compresión para analizar su comportamiento. Para ello, primero aplica esfuerzos pequeños (puede hacerse con dos dedos de la mano) y después esfuerzos mayores, con las dos manos. Al respecto:
2
Materiales -
1
1
Barra de arcilla húmeda. Barra de arcilla seca. Varilla hueca de vidrio. Varilla hueca de vidrio calentada.
3
a. Predice qué comportamiento tendrán los materiales que necesitas ante esfuerzos de tensión grandes y pequeños, y esfuerzos de compresión grandes y pequeños. Elabora una tabla y anota tus predicciones.
b. Comprueba experimentalmente el comportamiento de la arcilla y del vidrio ante los esfuerzos.
1
c. Compara tus predicciones con los resultados experimentales. ¿Qué diferencias has encontrado?
2
d. ¿Qué material crees que se parecerá más al de una roca, por ejemplo, el granito?
3
Labios de la falla. Son los dos bloques en los que ha quedado dividido el terreno al originarse la fractura. Salto de falla. Es la medida del desplazamiento relativo producido. Plano de falla. Es la superficie de fractura.
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I.
Evaluación de proceso
Analizando disco
Marca la alternativa que consideres correcta.
5 ¿Qué explica la tectónica de placas? Es una teoría que explica que la litosfera terres tre está fragmentada en placas. II. Explica que las dorsales oceánicas separan algunos continentes, lo que genera litosfera oceánica hacia ambos lados. III. Esta teoría científica explica los desplazamien tos de las placas litosféricas, los procesos geoló gicos internos y muchos de los externos. I.
Origen y antecedentes de la estructura de la Tierra
1 ¿Cómo se llaman las teorías que dicen que los continentes se mueven horizontalmente? A. B. C. D. E.
Fijistas. Movilistas. Neutralistas. Horizontalistas. Continentalistas.
2 ¿Cuál es el gran continente que mantuvo unidos a todos los demás en el pasado? A. B. C. D. E.
Pangea. Laurasia. Gondwana. Supercontinente. No se ha podido demostrar.
A. Solo I B. Solo II
C. Solo I y II D. Solo II y III
E. I, II y III
6 La fotografía muestra un símil del comportamiento de una roca sometida a un esfuerzo.
3 ¿Qué nombre recibe el conjunto de fragmentos rígidos qué constituyen la Tierra? A. B. C. D. E.
Dorsales. Continentes. Llanuras abisales. Placas litosféricas. Fondos oceánicos.
4 ¿Qué afirmaciones son correctas? El límite de la corteza continental lo forma la dorsal oceánica. II. En los límites de las placas litosféricas no se crea ni se destruye litosfera. III. La litosfera se introduce en las dorsales y se eleva en las zonas de subducción. IV. Las corrientes de convección del interior terres tre provocan el movimiento entre placas. V. Los límites de placa en los que se crea nueva litosfera oceánica son las dorsales oceánicas. IV y V I, III y V I, II y IV II, III y IV I, II y V I.
A. B. C. D. E.
¿Cuál de las siguientes afirmaciones explica el comportamiento de una roca cuando se somete a un esfuerzo y se comporta como en la imagen? A. B. C. D. E.
Por efecto de la compresión, se fractura. Por compresión, se deforma elásticamente. Por compresión, se deforma plásticamente. Un esfuerzo cualquiera la deforma plásticamente. En presencia de tensión, se deforma plásticamente.
7 ¿Qué comportamiento tienen las rocas en presencia de agua y de altas temperaturas? A. B. C. D. E.
Las rocas se fracturan. Tienen un comportamiento plástico. Poseen un comportamiento elástico. Nunca tienen un comportamiento plástico. Pueden tener un comportamiento plástico.
Correctas:
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Incorrectas:
Omitidas:
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II. Responde las siguientes preguntas.
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6 Para observar las corrientes de convección se puede realizar la siguiente experiencia:
Estructura de la Tierra
1 ¿Por qué cambia la densidad de una roca, al modificar su temperatura? 2 En un planeta que tiene dos capas del mismo volumen y la densidad de la externa es de 2,7 g/cm3, mientras que la densidad media del planeta es de 5,5 g/cm3: a. ¿Qué densidad tendrá la capa interna? b. ¿Cambiaría el resultado anterior, si la capa externa fuese mucho más delgada? Justifica tu respuesta. 3 La mayor parte de las placas litosféricas tienen una zona continental y otra oceánica.
• En el centro de un vaso de precipitados (mejor cuanto más amplia sea su base) se echa un poco de permanganato potásico y se cubre con unas gotas de cera derretida. • A continuación, se vierte agua en él hasta cubrir las 2/3 partes del recipiente, y finalmente se añaden unos cubitos de hielo. • Por último, el vaso de precipitados se coloca sobre un mechero con una llama muy suave. Al fundirse la cera, se disuelve el permanganato en el agua y la tiñe de rojo violáceo, lo que permite ver las corrientes que se establecen.
a. Cita una placa que solo tenga territorios oceánicos. 4 El dibujo representa un corte esquemático de la Tierra por el ecuador (se ha exagerado el grosor de la litosfera).
5 ºC 10 ºC 15 ºC 20 ºC
Océano Atlántico América del Sur
África
5 ºC 10 ºC 15 ºC 20 ºC 25 ºC 30 ºC 35 ºC
Océano Índico
Al respecto, responde las siguientes interrogantes: Océano Pacífico
Indonesia
a. Indica los nombres de todas las placas que apare cen en la ilustración. b. ¿Cuáles son los límites de cada una de ellas? c. ¿Qué tipos de litosfera figuran en cada placa? d. Dibuja unas flechas que señalen el desplazamiento relativo de cada una de las placas. 5 ¿Por qué el herrero calienta hasta el rojo vivo el hierro antes de darle forma? ¿Qué cambio en el comportamiento del hierro se produce al calentarlo?
a. Si se va a calentar el vaso, ¿por qué se le echan unos cubitos de hielo? b. Describe detalladamente las corrientes de convec ción que se establecen. c. ¿En qué zonas de la Tierra se producen procesos similares?
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes hasta ahora usando la simbología dada al final. Identifico las teorías que explican el comportamiento de la Tierra. Explico la estructura de la Tierra a través de las teorías de la tectónica de placas. Describo el movimiento de las placas tectónicas a través de los fundamentos físicos que provocan los cambios. 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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En línea En la página web del Observatorio volcánico de los Andes del Sur http://fq.cebollada.net/fis2bto/ composicionmases.htm puedes obtener toda la información relativa al vulcanismo en Chile y tener acceso al mapa de volcanes activos en nuestro país. También puedes acceder a las cámaras que vigilan continuamente volcanes activos, como el Villarrica y el Llaima. Recuerda que las páginas web o sus contenidos pueden variar.
Vulcanismo y tectónica de placas Cuando los magmas, a través de fracturas, llegan a la superficie, la menor presión en el ex terior hace que los gases disueltos se separen bruscamente y se produzca una erupción volcánica. Los volcanes son los lugares por los que salen a la superficie terrestre estos productos magmáticos. Dicho proceso se realiza tanto más fácilmente, cuanto menor sea la viscosidad del magma. El vulcanismo está íntimamente relacionado con la tectónica de placas. Su distribución en la superficie terrestre fue una de las pruebas fundamentales de la dinámica litosférica y sirvió para determinar la extensión y los límites de las placas.
Distribución mundial de los volcanes
Placa Euroasiática Placa Juan de Fuca
Placa Norteamericana
Placa del Caribe
Placa Arábiga
Placa Cocos
Placa Africana
Placa del Pacífico Placa de Nazca Volcán Convergente Divergente
Placa Sudamericana
Placa Filipina
Placa del Pacífico
Placa Indoaustraliana
Placa Antártica
Los riesgos volcánicos Ampliando memoria Aún no es posible predecir el momento exacto en el que va a producirse una erupción. Sin embargo, sí se puede conocer algunas señales que “avisan” antes: Pequeños terremotos.
La peligrosidad volcánica se relaciona con:
Cambios en la inclinación del terreno.
• Las explosiones que acompañan a la erupción. Así, en 1883, la isla de Krakatoa (Indone sia) voló en pedazos como consecuencia de una actividad explosiva. Hubo 36.000 vícti mas mortales.
Aumento de la emisión de gases. Subida de la temperatura del agua de los pozos de la zona. A veces, estos precursores se detectan con meses de antelación. Por ejemplo, un año antes de la erupción del Nevado del Ruiz comenzaron a producirse terremotos. En otras ocasiones, son solo unos días u horas antes.
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El 10% de la población mundial está expuesta a riesgos volcánicos; la mayor parte corres ponde a las poblaciones situadas alrededor del océano Pacífico, el llamado “cinturón de fuego del Pacífico”. En Chile, el hundimiento de las placas de Nazca y Antártica provocan que la cordillera de los Andes mantenga un gran número de volcanes, tanto potencialmen te activos como inactivos. En los últimos 200 años, la mayor erupción volcánica registrada en nuestro país se produjo en 1932, protagonizada por el volcán Quizapu. Las erupciones volcánicas, aunque generalmente ocasionan menos víctimas que fenómenos como los sis mos, originan enormes pérdidas materiales y tienen efectos globales sobre el medio am biente (emisión de gases, contaminación de aguas, etc.).
Unidad 4 • Tectónica de placas
• La formación de nubes ardientes. En 1902, la erupción del Mont Pelé (Caribe) causó la muerte de 28.000 personas. • La emisión de gases tóxicos. Así, en 1783, en Islandia, los gases provocaron 10.000 vícti mas mortales. • La formación de coladas de barro o lahares. El 13 de noviembre de 1985, la erupción del Nevado del Ruiz (Colombia) provocó la inmediata fusión de la nieve que cubría la cima del volcán. El agua y los piroclastos formaron masas de barro que sepultaron la ciudad de Armero. Fallecieron 23.000 personas.
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Los sismos El 27 de julio de 1976, en Tagnshan (China), un sismo causó más de 600.000 víctimas fatales. Fue el sismo más catastrófico de los ocurridos a lo largo de todo el siglo XX. Cada año se producen en nuestro planeta más de un millón de sismos; la mayor parte de ellos son tan débiles que pasan inadvertidos.
¿Qué es un sismo? Un sismo o seísmo, también llamado terremoto, es la vibración del terreno producida por una brusca liberación de energía acumulada en las rocas que se encuentran sometidas a esfuerzos. Cuando una roca sometida a una deformación elástica recupera bruscamente su forma anterior, libera la energía acumulada, de igual manera que si la deformación fuera por rotura. Un sismo se produce al romperse grandes masas de roca o si, una vez rotas, se mueve una de esas masas con respecto a otra. Estas roturas de las rocas son las fallas. El lugar donde se origina el terremoto es el foco sísmico o hipocentro.
Epicentro
Desde el hipocentro, las vibraciones u ondas sísmicas se transmiten en todas direcciones, de modo similar a lo que ocurre en el agua de un estanque tranquilo al tirar una piedra. El foco sísmico se sitúa en el inte rior de la Tierra, a una profundidad que varía entre algunos kilómetros y 700 km. El punto de la superficie terrestre más cercano al hipocentro se deno mina epicentro. Falla
¿Cuánto dura un sismo?
Hipocentro
El sismo es siempre un fenómeno muy breve. La mayoría tiene una duración de entre 20 y 60 segundos. Sin embargo, cuando las sacudidas son muy fuertes, pueden durar varios minutos. El sismo de mayor duración que se ha registrado ocurrió en 1960, en Chile, y se prolongó durante 5 minutos. Con frecuencia, después del terremoto principal se producen otros de menor importancia; son llamados réplicas.
Representación de las ondas generadas por un sismo.
Ondas sísmicas
Actividad experimental ¿Existirá alguna similitud entre quebrar una varilla de madera con las manos y un sismo? Si tomas una varilla larga de madera entre las manos y la doblas, llegará a partirse y liberará bruscamente la tensión acumulada. En las manos sentirás unas vibraciones que se transmitirán a lo largo del cuerpo. Realiza dos veces la experiencia anterior utilizando dos varillas distintas: una delgada y otra más gruesa. 1. Responde de acuerdo a los resultados de la experiencia. a. ¿En cuál de los dos casos se parte con más facilidad la varilla? ¿Has realizado el mismo esfuerzo en los dos casos? b. ¿En cuál de las dos será más intenso “el terremoto”? Justifica tu respuesta.
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Escala de Richter Magnitud
Energía equivalente a bombas de Hiroshima
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Magnitud e intensidad de los sismos La magnitud de un terremoto es la cantidad de energía que libera. Para medirla, se utiliza la escala de Richter. En ella, cada grado corresponde aproximadamente a 33 veces la ener gía del anterior. Así, la energía liberada en un sismo de grado 6 es equivalente a la de una bomba atómica como la de Hiroshima, mientras que la energía liberada en otro de grado 7 equivale a 33 de esas bombas. Esta escala no tiene límite inferior ni superior. Nunca se ha registrado un terremoto de magnitud 10 o superior; el mayor terremoto regis trado en toda la historia fue de grado 9,5. Ocurrió en la ciudad de Valdivia, Chile, en 1960, y en él perecieron 2.000 personas. La intensidad de un terremoto es la medida de sus efectos sobre las personas, las construc ciones y el terreno. Antes de disponer de instrumentos adecuados, la intensidad se medía por los efectos tal y como eran percibidos por las personas. Se utilizaba para ello la escala de Mercalli, que era, por tanto, una escala subjetiva. Una versión actualizada de ella es la escala MSK. Escala de intensidad MSK Grado
Ampliando memoria En Chile se están desarrollando nuevas tecnologías antisísmicas. Una de ellas es el disipador magnetoreológico, que utiliza un fluido que se torna viscoso cuando se somete a un campo magnético. El disipador se instala en lo alto de un edificio que actúa como péndulo y compensa en fracciones de segundo el movimiento provocado por un terremoto. Un ejemplo del uso de estas nuevas tecnologías es la construcción del edificio Parque Araucano de 22 pisos en la comuna de Las Condes, Región Metropolitana.
Efectos observados
I
El sismo no es percibido por las personas, solo registrado por los instrumentos.
II
Percibido solo por algunas personas en reposo.
III
Percibido por mucha gente, pero no suelen darse cuenta de que es un sismo.
IV
Percibido con claridad, vibran las ventanas y las puertas.
V
Percibido por casi todos, mucha gente se despierta, los objetos ligeros se desplazan.
VI
Ligeros daños, fisuras en las paredes, mucha gente sale atemorizada a la calle.
VII
La mayoría de las personas se aterroriza, muchas construcciones sufren daños graves.
VIII
Las construcciones especialmente diseñadas sufren ligeros daños, las otras se derrumban.
IX
Pánico general, todos los edificios dañados, aparecen grietas en el suelo.
X
Muchas construcciones quedan destruidas, suelo con grietas de decímetros.
XI
Derrumbe de casi todas las construcciones, puentes destruidos, hay desplazamientos de terrenos y amplias grietas en el suelo.
XII
Destrucción total, grandes masas de rocas desplazadas, se cierran valles y se desvían ríos.
No deben confundirse los términos de magnitud e intensidad, ya que dos terremotos de la misma magnitud pueden tener efectos y, por tanto, intensidades muy diferentes. Cada terremoto tiene una sola magnitud, mientras que su intensidad (sus efectos) va disminu yendo a medida que nos alejamos del epicentro. La magnitud de un terremoto es la cantidad de energía que ha liberado. Es un valor diferen te a la intensidad, que mide los efectos producidos en un lugar determinado.
Actividad propuesta 1. El terremoto de Chile de 1960 fue de 9,5 en la escala de Richter y murieron 2.000 personas. Sin embargo, en el de Pakistán de 2005, de 7,6 grados, murieron 80.360. ¿Cómo puede explicarse esto? 2. ¿En dónde será mayor la intensidad de un terremoto, en el epicentro o a 50 km de él? ¿Y qué sucederá con la magnitud? 3. Si necesitas contarle a un amigo lo sucedido en un sismo que has vivido, ¿cómo lo describirías?
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Distribución mundial de sismos y sus riesgos Ubicar en un mapa los epicentros de los principales sismos ocurridos a lo largo de la historia ayuda a valorar el riesgo sísmico existente en cada lugar del planeta y, además, contribuye a entender mejor cómo y por qué se producen los terremotos. El mapa de la distribución mundial de los sismos muestra que no se reparten de mane ra homogénea por toda la superficie terrestre. Por el contrario, hay lugares en los que se producen con mucha frecuencia, mientras que en otros apenas ocurren. Puesto que los terremotos se originan al fracturarse o desplazarse grandes masas de rocas, los lugares en los que ocurran frecuentemente sismos serán zonas con importantes fracturas. En ellas se producen movimientos de bloques. Son estos desplazamientos bruscos, que se producen a saltos, los que generan los sismos.
Distribución mundial de sismos
En línea En la página del Servicio Sismológico Nacional en http://ssn.dgf.uchile.cl puedes obtener información de la sismicidad de Chile. El servicio, a través de sus 52 estaciones sismológicas, cubre algunas regiones de las cuales el 40% se encuentra en la Región Metropolitana y sus alrededores. Recuerda que las páginas webs o sus contenidos pueden variar.
Regiones con actividad sísmica intensa. Otras regiones sujetas a actividad sísmica. Algunos de los terremotos más fuertes ocurridos recientemente.
La inmensa mayoría de los sismos se sitúa en los límites de las placas tectónicas, porque es allí donde la geosfera libera mayor cantidad de energía interna. Existen tres grandes alinea ciones sísmicas en la Tierra: el cinturón circumpacífico, que se debe a la existencia de zonas de subducción; el cinturón que va desde el sur de la península Ibérica hasta Indonesia, que corresponde al límite de la Placa Euroasiática por el norte, con las Placas Africana, Ará biga, Iraní e Indoaustraliana, y que tiene zonas de colisión y de subducción; y el cinturón de las dorsales, en el que los sismos son de foco somero. La mayor parte de los sismos ocurre en las zonas del planeta que tienen grandes fracturas, a lo largo de las cuales se producen movimientos de importantes masas de rocas.
Actividad propuesta 1. En el mapa se localizan los terremotos con magnitud superior o igual a 7 producidos en nuestro planeta desde 1975 hasta la actualidad. Cada círculo representa un epicentro sísmico, y el color hace referencia a la profundidad del hipocentro.
Sector B
a. Analiza la distribución global de la sismicidad. b. ¿Cuál es el origen de los terremotos profundos en el margen occidental del océano Pacífico? c. Explica el riesgo sísmico en los sectores A y B. 2. ¿Qué relación puedes establecer entre las placas tectónicas y la ocurrencia de los sismos?
Sector A –800
Profundidad (km) –500
–300
–150
–70
3. ¿En qué zonas del planeta existe mayor probabilidad de que ocurran sismos?
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Pensamiento científico
Ciencia paso a paso
Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de resultados. 5. Interpretación de resultados. 6. Elaboración de conclusiones.
¿Cómo se interpretan los resultados? Para interpretar los resultados, debes atender a los datos cualitativos o cuantitativos obtenidos del procedimiento experimental y expresarlo con tus propias palabras, de acuerdo a lo que entiendes del fenómeno.
Te invitamos a estudiar la regularidad de un fenómeno natural para trabajar una habilidad científica, como es la interpretación de resultados. Para un científico, toda regularidad debe ser analizada como si fuese resultado no de una casualidad, sino de una causalidad. Solo si una regularidad inicial no vuelve a repetirse, es considerada consecuencia del azar. Gracias a este modo de enfrentarse a los datos, se han producido notables descubrimientos. Los científicos suelen organizar los datos que recogen en tablas, gráficos, mapas, etc. El objetivo no es solo organizarlos para verlos con más claridad, sino buscar regularidades, tendencias o patrones de comportamiento.
Planteamiento del problema En Perú se producen terremotos con frecuencia y queremos saber si tienen alguna relación con los accidentes geográficos importantes. Así es que te proponemos la siguiente pregunta inicial para esta actividad: • ¿Existe alguna regularidad en estos focos sísmicos que tenga relación con los acciden tes geográficos?
Formulación de hipótesis ¿Qué hacer para interpretar los resultados? Paso 1: relacionar los datos obtenidos del procedimiento con el comportamiento del fenómeno. Paso 2: establecer las semejanzas y diferencias entre los datos obtenidos del fenómeno, de manera de comprender lo que sucede. Paso 3: explicar los resultados en términos del comportamiento, considerando las diferencias y similitudes obtenidas al analizar los datos.
¿Qué hipótesis puedes formular para dar respuesta al planteamiento del problema?
Procedimiento experimental El procedimiento que se realiza para estudiar la existencia de fallas en una zona geográfica que lleva asociados movimientos sísmicos, en una situación como esta, es el que se describe a continuación. 1. Se recoge información de la zona.
Mapa de América del Sur
N
2. Se comprueba que en el mar, a unos 120 km de la costa del continente sudamericano, se encuentra la fosa de PerúChile.
O S
3. Se realiza un registro de cada uno de los eventos sísmicos, y se considera la profundidad y la distancia del epicentro a la fosa. 4. Se anotan en una tabla los terremotos más importantes ocurridos, en este caso en el Perú, durante los últimos años, y se señala la profundidad del foco sísmico o lugar del interior terrestre en el que se origina el terremoto. 5. Se clasifican los focos sísmicos según su profundidad en: someros, si es inferior a 70 km; intermedios, si está entre 70 y 300 km, o profundos, si es mayor a 300 km.
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E
América del Sur
Fosa de Perú-Chile
Océano Pacífico
Océano Atlántico
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Obtención de resultados
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Ayuda
En concordancia con el procedimiento experimental, se ha registrado en la tabla la siguiente información respecto a la distancia entre la fosa de PerúChile y el epicentro de cada terremoto o lugar de la superficie más cercano al foco sísmico, así como si el epicentro se localiza al este o al oeste de esta fosa oceánica. Profundidad del foco sísmico (km)
Distancia epicentro-fosa (km)
¿Al este o al oeste de la fosa?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
50 300 385 160 125 200 660 35 65 520 410 610 310 280 250
120 240 350 60 230 320 860 110 140 580 680 720 500 450 390
Este Este Este Este Este Este Este Este Este Este Este Este Este Este Este
700 600 Profundidad (km)
Terremoto
Para poder visualizar las tendencias o regularidades de los datos de la tabla es conveniente graficar dicha información. Para ello, considera el punto del terremoto 1 como ejemplo para todos. Utiliza la cuadrícula para realizar el gráfico.
500 400 300 200 100
1 0
100
200 300
400 500
600 700
800 900
Distancia a la fosa (km)
Interpretación de resultados Analiza los datos y observa si existen regularidades, patrones y/o tendencias en la ubicación de los terremotos. A continuación, responde las siguientes preguntas. a. ¿Cuál es la regularidad más evidente que muestra la tabla?
b. ¿Observas alguna regularidad en la distribución de los focos sísmicos en el gráfico?
c. Si dibujas dos líneas rectas sobre el gráfico realizado, tan cercanas como sea posible, dentro de las cuales queden la mayoría de los focos sísmicos representados, ¿la franja delimitada por estas paralelas es horizontal o inclinada?
d. ¿Cómo explicarías la ocurrencia de los sismos en la fosa PerúChile?
Elaboración de las conclusiones Elabora una conclusión sobre este fenómeno teniendo presente si existe alguna regularidad en la ocurrencia de los terremotos y relacionando la profundidad de los focos sísmicos con la distan cia del epicentro a la fosa.
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Ondas sísmicas El método sísmico es el procedimiento que más información ha aportado acerca de la estruc tura del interior terrestre. Se basa en el estudio de los terremotos y el modo en que viajan las ondas que ellos originan. Tipos de ondas sísmicas Ondas POndas S
Las ondas P, o primarias, se desplazan a mayor velocidad y son las primeras en llegar. Se propagan a partir del hipocentro por todos los medios, ya sean sólidos o fluidos.
Las ondas S, o secundarias, se propagan a menor velocidad que las P, también a partir del hipocentro. Estas ondas solo se propagan por los medios sólidos.
Son ondas longitudinales o de compresión, es decir, las partículas del terreno oscilan en la dirección de propagación de la onda. A su paso, las rocas se comprimen y dilatan alternadamente, del mismo modo en que lo hace un acordeón.
Son ondas transversales o de cizalla, es decir, las partículas del terreno oscilan en dirección perpendicular a la de propagación de la onda. Es un movimiento similar al que se produce al agitar la gelatina.
Movimiento de las partículas
Propagación de las ondas
Propagación de las ondas
Movimiento de las partículas
Ondas superficiales Las ondas superficiales, de Rayleigh y Love, se generan al llegar las ondas P y S al epicentro y se propagan por la superficie de la geosfera. Por esta razón, no aportan información sobre la estructura del interior terrestre, pero son las que provocan los riesgos sísmicos. Ondas Love
Ondas Rayleigh
Movimiento de las partículas
Bisagra
Registro de sismos
Ondas S
Masa inmóvil
Amplitud Tiempo
Lápiz Tambor giratorio
Ondas P
Vibración del terreno
Esquema de un sismógrafo.
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Unidad 4 • Tectónica de placas
Propagación de las ondas
Ondas superficiales
Para registrar y medir la magnitud de un sismo se utili zan instrumentos muy sensibles, los sismógrafos, que dibujan unas gráficas llamadas sismogramas. El sismógrafo más sencillo consta de una masa suspen dida que permanece inmóvil durante el transcurso del sismo. Esta masa lleva unido un lápiz que dibuja una lí nea en el papel, la que se desplaza sobre un tambor do tado de un sistema de relojería. La vibración del tambor durante el sismo registra las oscilaciones producidas. El sismograma permite conocer en qué momento se produjo la llegada de las ondas sísmicas, así como su duración y magnitud.
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Propagación de las ondas sísmicas La rapidez con la que se propagan las ondas sísmicas depende de las características de los materiales por los que viajan. No lo harán con igual rapidez por el granito que por el basalto, y tampoco si estas rocas se encuentran frías que si están a temperaturas altas. Cada variación en la rapidez de propagación provoca un cambio en la dirección de avance de la onda.
Ayuda La refracción también es una propiedad que está presente en las ondas sísmicas, de tal forma que responde a la ley de Snell, según la cual:
Pero, ¿por qué cambia la dirección de las ondas sísmicas? Para explicarlo, deben utilizarse los siguientes conceptos: • El frente de onda es la superficie que separa el material perturbado por el paso de la onda y el que aún no ha sido alcanzado por ella. Al tirar una piedra a un estanque, se originan ondas en el agua; el frente de onda, entonces, marcaría en cada momento el límite entre el agua que está agitándose y la que todavía permanece estática. La dirección de avance de la onda estará dada por líneas que parten radialmente del lugar en donde se ha iniciado la perturbación.
sen θi
=
sen θr
V1 V2
Donde es θi el ángulo de incidencia, θr el ángulo de refracción, y V1 y V2 la rapidez en los medios 1 y 2, respectivamente.
• El rayo sísmico es cada uno de los radios que parte del origen de la perturbación. El rayo sigue una trayectoria rectilínea, pero si pasa de un medio a otro, cambia su dirección, es decir, se refracta. Las ondas sísmicas cambian de dirección al pasar de un medio a otro, como hemos visto.
Trayectoria de ondas sísmicas Si V1 > V2 > V3> V4
Si V1 > V2' θi > θr θi
Medio 1
θr
Medio 2
1
θi θr
4
Si la onda sísmica atraviesa medios en los que se propaga a velocidad decreciente (V1 > V2), su trayectoria será curvilínea.
1
Medio 1
2 3
Si V1 < V2 < V3< V4
Si V1 < V2' θi < θr 2 3
Medio 2
4
Si la velocidad de la onda sísmica es creciente (V1 < V2), tendrá también trayectoria curvilínea, pero en sentido contrario.
Si el interior terrestre fuese homogéneo, es decir, si estuviese constituido por un mismo material y este se encontrase en idénticas condiciones físicas, el rayo sísmi co sería rectilíneo. La figura de la derecha muestra que no es eso lo que ocurre en nuestro planeta. En ella se puede observar la dirección de avance de las ondas P y S en el interior terrestre. Su trayectoria muestra que la velocidad de las ondas sísmicas se incrementa desde la superficie hasta la base del manto. Sin embargo, la llegada al núcleo externo coincide con un descenso de la velocidad de propagación.
Núcleo externo
0º Foco sísmico
Manto Núcleo interno
Las zonas de sombra son lugares en los que no se reciben las ondas de un sismo.
Núcleo
Zonas de sombra 103º
2. ¿Por qué se representa la dirección de avance de las ondas en el interior terrestre como una línea curva y no como una línea quebrada? 3. ¿Cómo se puede explicar el cambio de dirección de avance de las ondas P al llegar al núcleo terrestre?
Zonas de sombra Solo se reciben ondas P
Actividad propuesta 1. Dibuja la trayectoria que seguirían los rayos sísmicos en un planeta en el que la rapidez de las ondas no cambiase con la profundidad.
Se reciben ondas P y S
Se reciben ondas P y S
143º
143º
Representación del comportamiento de las ondas sísmicas en el interior terrestre, que nos muestra que las ondas sísmicas se refractan en las distintas capas de la Tierra.
4. ¿Qué interpretaciones se pueden realizar, a partir del diagrama de la representación, de los tipos de ondas sísmicas en el interior terrestre?
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Velocidad (km/s)
Discontinuidad de Mohorovicic 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
¿Qué información aportan los sismos? Discontinuidad de Gutenberg
Discontinuidad de Lehmann
La velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el interior terrestre sufre variaciones graduales y, a veces, cambios bruscos. Los cambios bruscos en la velocidad de propagación se denominan discontinuidades. Una idea clave para extraer conclusiones de los estudios sísmicos es que la velocidad a la que se desplazan las ondas sísmicas de pende de dos factores:
Ondas P Ondas S
• De la composición de los materiales por los que se propaga. Manto 670
• Del estado físico de estos materiales.
Núcleo 2 000
2 900
4 000
5 150
6 000
Profundidad (km)
Variaciones de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas con la profundidad.
En consecuencia, una variación brusca de velocidad indi cará que en ese lugar cambia la composición o el estado físico de los materiales terrestres. Esto explica por qué las discontinuidades sísmicas se utilizan para diferenciar las capas en que se divide el interior del planeta.
Principales discontinuidades y su interpretación Corte esquemático de una porción interior de la Tierra
• Discontinuidad de Mohorovicic o, simplemente, Moho. Fue la primera discontinuidad relevante descrita. La detec tó, en 1909, A. Mohorovicic. Se encuentra a una profundi dad que en los continentes oscila entre 25 y 70 km, y en los océanos, entre 5 y 10 km.
Corteza
30 km
Manto
En las zonas más próximas a la superficie, las ondas P via jan a velocidades comprendidas entre 5 y 6,5 km/s, mien tras que las velocidades de las ondas S varían entre 2,5 y 3,5 km/s. Al llegar al Moho, suben hasta 8 y 4,5 km/s, respectivamente. Esta discontinuidad se utiliza para diferenciar la delgada capa superficial, la corteza, de la capa que hay bajo ella, el manto.
Discontinuidad de Mohorovicic
• Discontinuidad de Gutenberg. Fue descubierta en 1914 por Beno Gutenberg. En la gráfica superior es la que más destaca. Se encuentra a 2.900 km de profundidad. 2.900 km
Núcleo Discontinuidad de Gutenberg
En ella las ondas P, que se propagan a más de 13 km/s, caen bruscamente hasta 8 km/s, en tanto que las ondas S dejan de propagarse. Esta discontinuidad separa el manto del núcleo terrestre. Dado que las ondas S se propagan por todos los sólidos pero no por los fluidos (líquidos y gases), habrá que con cluir que a 2.900 km de profundidad se encuentra por primera vez una capa continua de material fundido. Las discontinuidades de Moho y Gutenberg permiten esta blecer las tres capas que tradicionalmente se distinguen en el interior de la Tierra: corteza, manto y núcleo.
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Otras discontinuidades Determinadas variaciones en la propagación de las ondas sísmicas permiten diferenciar sub capas dentro del núcleo y del manto. Así, en 1936, Inge Lehmann descubrió que no todo el núcleo era líquido. En efecto, como se observa en la gráfica, a una profundidad de 5.150 km se produce un brusco incremento de la velocidad de las ondas P. Este salto se interpreta como resultado de un cambio en el estado físico de los materiales del núcleo, que pasan de líquido a sólido. En honor a su descubridora, esto se conoce como discontinuidad de Lehmann, y permite diferenciar el núcleo externo, fundido, del núcleo interno, que se encuentra en estado sólido. Por otra parte, a profundidades que fluctúan entre 100 y 800 km de profundidad, los incre mentos de la velocidad de las ondas P y S tienen variaciones, con algunos descensos y rápi dos aumentos. El mayor de ellos se produce a 670 km y se utiliza para diferenciar el manto superior del manto inferior.
Profundidad (km)
Onda P
2000 3000 4000 5000
2
3
4
5 6
7
8
Velocidad (km/s)
6000
En definitiva, los datos proporcionados por la velocidad de propagación de las ondas sísmicas nos hablan de una Tierra estructurada en tres capas, corteza, manto y núcleo, con diferen cias notables en su composición. La corteza y el manto se encontrarían en estado sólido, mientras que el núcleo externo se hallaría fundido.
¿Hay corteza, manto y núcleo en la Luna? Las misiones Apolo realizaron algunas investigaciones sísmicas en la Luna. A partir de los datos recogidos, se construyó una gráfica con las velocidades de propagación de las ondas P y S hasta 1.000 km de profundidad (el radio de la Luna es de 1.738 km). Por debajo de 1.000 km, los datos eran menos precisos pero se observaba una disminución de la velocidad de propagación de las ondas S. Otros datos indirectos permiten inferir que posee un núcleo de unos 300 km de radio. 1. Respecto de los datos, indica: a. ¿Qué discontinuidades se observan?
Velocidad (km/s)
3
4
5
6
7
8
9
0
Los científicos dedican un gran esfuerzo a investigar la forma de predecir y de reducir los efectos de los sismos. Si por predecir entendemos pronosticar el lugar y el momento en el que se va a producir un sismo, la respuesta es, desgraciadamente, negativa.
El riesgo sísmico de una zona es la probabilidad de que ocurra en ella un terremoto de cierta intensidad durante un período determinado.
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Actividad propuesta
¿Se pueden predecir los sismos?
Hasta el momento, no se dispone de un procedimiento fiable que permita predecir la ocurrencia de sismos de modo similar a como se pronostican las erupciones volcánicas. Sin embargo, a partir de los datos históricos de los sismos y del conocimiento de las características geológicas de una zona, se puede estimar la probabilidad de que ocurra en ella un sismo.
1000 Onda S
Ampliando memoria
Puedes visualizar las zonas probables de Chile donde se presenten focos sísmicos en http://earthquake.usgs.gov/ earthquakes/world/chile/ gshap.php. Recuerda que las páginas webs o sus contenidos pueden variar.
200 400
Para grabar 600 800
b. ¿Qué estructura en capas puede establecerse?
1000
c. ¿Cuál es el estado físico del interior de la Luna?
Profundidad (km)
Vs
VP
La velocidad de las ondas sísmicas aporta información sobre la composición y el estado físico de los materiales terrestres, lo que se utiliza para diferenciar las capas del interior del planeta.
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Ciencia, tecnología y sociedad
Las nuevas tecnologías y el conocimiento del planeta • El sistema SLR (Satellite Laser Ranging system) utiliza rayos láser y satélites puestos en órbita alrededor de la Tierra. Des de una estación situada en una placa litosférica se emite un rayo láser que, tras ser reflejado por un satélite, es recibido en otra estación ubicada en una placa diferente. Cualquier movimiento de una estación con respecto a la otra es de tectado. La precisión alcanzada es similar a la obtenida con interferometría.
En las últimas décadas, nuestro conocimiento de la Tierra ha recibido un fuerte impulso gracias a la utilización de satélites, radiotelescopios y potentes computadores. Así, la observación a distancia o teledetección ha proporcionado un gran volumen de imágenes, ortofotos, mapas y datos de diversa naturaleza, utilizados en la prevención de los desastres naturales. Antes de la formulación de la teoría de la tectónica de placas, no se disponía de una tecnología lo suficientemente precisa como para poder detectar diferencias de unos centímetros en tre las distancias que separan puntos situados a centenares o miles de kilómetros. En la actualidad, tres tipos de tecnologías han permitido realizar mediciones extremadamente precisas:
Lageos
• La interferometría utiliza radiotelescopios que recogen las señales de radio emitidas por quásares. Cualquier cambio en la posición de un continente con respecto a otro implicará un desfase en la recepción de estas ondas. Con este método, se pueden detectar movimientos de hasta 2 mm/año.
Estación A
• El GPS (Global Positionning System) se basa en una cons telación de 24 satélites que giran alrededor de la Tierra a 20.000 km de altitud. Los satélites emiten continuamente señales radioelectrónicas que son recogidas por recepto res ubicados en la superficie terrestre. El sistema no solo permite trazar un itinerario o llegar al lugar de destino, sino también medir distancias con precisión.
Estación B
El satélite Lageos ha sido utilizado para medir desplazamientos de las placas litosféricas.
Movimientos relativos de las placas 17 Placa Euroasiática 72
49
22
Placa Norteamericana
48
23 Trópico de Cáncer
6
23 Placa de Cocos Ecuador
Placa del Caribe
21
30 146
78
Trópico de Capricornio
Placa de Nazca
158
27
Placa Sudamericana 84
Placa del Pacífico
Placa Arábiga
Placa Africana
59
106
9
8
37 66 34
14
Placa Indoaustraliana
75
59 84 Límite de placa 10 Movimientos relativos de las placas (cm/año)
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Dorsales oceánicas Zonas de subducción
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La unión intercontinental Europa
Hoy sabemos que en el pasado las masas de tierra estaban uni das y formaban un único y gigantesco supercontinente que luego se disgregó. Este proceso se ha producido al menos dos veces y, actualmen te, estamos inmersos en otro. La proyección hacia el futuro de la dinámica continental indica que dentro de 100 millones de años, América del Norte y África cambiarán de dirección y em pezarán a acercarse. El Mediterráneo desaparecerá y Australia chocará contra Asia. Y poco después, dentro de 250 millones de años, se formará el próximo supercontinente, cuando el At lántico se cierre y la Antártica se mueva hacia el norte, lo que convertirá al océano Índico en un pequeño mar.
África Asia
América del Norte América del Sur Océano Pacífico Australia Antártica
Planisferio de la unión intercontinental que muestra la dinámica que experimentará el continente en el futuro.
Prevención de terremotos
Por prevención sísmica se entiende el conjunto de intervenciones que permite evitar o reducir los efectos de un terremoto. Las medidas de prevención más importantes son: • Elaborar mapas de riesgo sísmico. Conocer los terremotos ocurridos en el pasado permite determinar la probabilidad de que vuelvan a ocurrir. • Establecer normas para la construcción. En las zonas de mayor riesgo sísmico se exigen normas de construcción de edificios que los hacen más resistentes a los terremotos. • Educar a la población. Conocer lo que debe hacerse en caso de terremoto puede salvarte la vida o ayudar a que salves las de otras personas.
¿Qué hacer en caso de sismo? Mantén y transmite la calma. Si el terremoto no es fuerte, no hay motivo de preocupación, y si es fuerte, resulta primordial que estés calmado. Si estás dentro de un edificio: – Aléjate de las ventanas y abre las puertas. – No salgas fuera si encuentras un lugar seguro donde per manecer: las salidas y escaleras pueden estar bloqueadas. – Resguárdate bajo estructuras, como los marcos de las puer tas o muebles sólidos, que te protejan.
– En caso de que sea necesaria la evacuación, no uses el as censor: puedes quedar atrapado. – Apaga todo fuego y no enciendas ningún fósforo o encen dedor. Si estás en el exterior de un edificio: – Mantente alejado de edificios, paredes y otros objetos que puedan caer, como cables eléctricos o carteles colgantes. – Si te encuentras en un vehículo, para en un lugar despejado y aléjate de los puentes y vías elevadas.
Actividad propuesta 1. De acuerdo con los datos del mapa de movimientos relativos de las placas, explica la relación que existe entre la placa de Nazca y la placa Sudamericana, sobre la que se encuentra Chile. 2. Entra a la página web de Google Earth (http://earth.google.es/index.html). Allí podrás descargar el programa de manera gratuita. Google Earth organiza su información en diversas ventanas que disponen de datos geográficos de interés. 3. Infórmate sobre el funcionamiento de Google Earth e identifica en qué tecnología se basa para poner a nuestra disposición la información que ofrece. 4. Navega con Google Earth y localiza tu ciudad o localidad; puedes encontrar hasta tu propia casa. Identifica un accidente geográfico que la caracterice y usa los controles de navegación: juega con el zoom, observa coladas volcánicas, introdúcete en el cráter de algún volcán, inclina y gira la imagen. Puedes viajar a cualquier lugar del mundo, aunque no en todos los sitios es igual la calidad de la imagen y la información de que se dispone.
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Maremoto El término tsunami, de origen japonés, designa a un conjunto de olas de enorme volumen originadas al elevarse bruscamente una gran masa de agua desde el fondo del mar. Es equivalente a un maremoto. La mayoría de los maremotos son generados por sismos cuyo epicentro se sitúa bajo el mar, aunque a veces tienen otras causas, como erupciones volcánicas submarinas, derrumba mientos, incluso impactos de meteoritos. Con frecuencia, minutos antes de la llegada de la gran ola, se produce una retirada del mar. Muchas personas que desconocen este fenómeno se han visto atraídas por él, a riesgo de caer en una trampa mortal. Aunque la altura de un maremoto puede llegar a superar los 30 metros, su potencia des tructora se debe, fundamentalmente, a su extraordinaria longitud, lo que hace que el vo lumen de agua desplazado sea de gran magnitud. La ola de un maremoto puede penetrar varios kilómetros tierra adentro.
Así se origina un maremoto o tsunami 600 km/h
Nivel del mar
300 km/h
1 200 km Profundidad 5.500 m
1 Un terremoto eleva bruscamente el fondo oceánico y un gran volumen de agua es desplazado hacia arriba. En mar abierto, las ondas se propagan a una velocidad de 600 km/h.
50 km/h
2 Profundidad 900 m
2 En altamar, las olas apenas tienen un metro de altura. Pero su longitud de onda (distancia entre dos crestas sucesivas) puede ser de 200 km, por lo que el volumen de agua desplazado por cada ola es enorme.
3 Profundidad 20 m
3 Al acercarse a la costa, el rozamiento con el fondo frena la ola, reduce su velocidad y produce el «efecto de amontonamiento». La ola se estrecha y se eleva. Puede alcanzar decenas de metros de altura.
Prevención de maremoto No es posible predecir cuándo ni dónde se va a producir el terremoto que origine el mare moto. Sin embargo, si se detecta a tiempo, podrá avisarse a la población de su llegada con algunos minutos u horas de antelación, tiempo suficiente para alejarse de la costa y situarse a mayor altura. De ahí la importancia de contar con un sistema de alerta.
Actividad propuesta 1. El tsunami de Sumatra de diciembre de 2004 se desplazó en altamar a 500 km/h. Tardó en llegar a la India 2 horas y media. A Somalia no llegó hasta 8 horas más tarde. a. En la India murieron 14.000 personas, en Sri Lanka, 41.000; en islas Maldivas, 91; en Somalia 160; en Tanzania, 14. ¿Cuántas pudieron salvarse? b. ¿Qué podría haberse hecho para salvar a estas personas?
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Unidad 4 • Tectónica de placas
Somalia
India
+8 +7 +6 +5 +4 +3 +2 +1 Sumatra
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1 1
2 2
3 3
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Dinámica de la Tierra Los movimientos de las placas litosféricas generan terremotos y volcanes, originan nuevos océanos y causan la formación de cordilleras. Son procesos activados por la energía térmica del interior terrestre, que introducen importantes cambios en la superficie del planeta. Pero no son los únicos, ya que hay otros procesos geológicos con origen y efectos diferentes. Así, por ejemplo, antiguas cordilleras han sido arrasadas por la erosión, y los materiales resultan tes, transportados y depositados en los océanos. La superficie terrestre está sometida a cambios permanentes que son consecuencia de la intervención de dos tipos de procesos: • Los procesos geológicos internos, que originados por la energía térmica del interior terrestre, ayudada por la gravedad, producen las dorsales o las cordilleras. • Los procesos geológicos externos, que generados por la energía solar, ayudada por la gravedad, tienden a modelar el relieve, suavizándolo o allanándolo. Por lo general, estos procesos tienen influencias entre ellos, es decir, los procesos internos influyen en los externos y viceversa. Por ejemplo, en el primer caso, la elevación de una cordillera activa procesos erosivos o la actividad volcánica muy intensa modifica la compo sición y dinámica de la atmósfera. Así, propicia cambios climáticos y, con ello, cambios en los procesos de erosión, transporte y sedimentación. Por otra parte, en el caso de la influencia de los procesos externos sobre los internos, como el retiro de materiales en una zona y su depósito en otra, provoca desajustes isos táticos en ambas, que serán compensados con movimientos de elevación y descenso, respectivamente. O bien, los procesos externos aportan los materiales sedimentarios que serán plegados y fracturados durante la formación de las cordilleras. También, el agua presente en los sedimentos subducidos favorece la fusión de las rocas y, por tanto, la actividad magmática.
Para grabar El estudio de la distribución de los volcanes y terremotos permite determinar las zonas geológicamente muy activas. Los terremotos se producen al fracturarse enormes bloques de rocas o al activarse fracturas antiguas que acarrean grandes desplazamientos de materiales. Los volcanes y los terremotos no se distribuyen homogéneamente. En muchos lugares coinciden la actividad sísmica y la volcánica.
Dinámica terrestre
Animales Plantas Humanos
Viento Temperatura Humedad Rayos Meteoritos
Externo (Volcanismo) Agua
Lluvia
Marina
Congelada
Fluvial
Interno (Plutonismo)
Movimientos epirogénicos (hundimientos, levantamientos lentos)
Movimientos orogénicos (plegamientos, fallas, formación de montañas)
Entre los procesos geológicos internos y los externos se producen interacciones que modi fican el relieve terrestre. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Historial Utiliza este resumen de los contenidos para elaborar tu propio organizador conceptual.
Antecedentes de la tectónica de placas Los cambios en la distribución de continentes y océanos fueron causados por desplazamientos horizontales que la Teoría de la deriva continental explica: • En el pasado, todas las tierras emergidas estuvieron unidas en un gran continente: el Pangea. • El Pangea se dividió. Los fragmentos resultantes se desplazaron y dieron lugar a los continentes actuales. • En el frente de avance de los continentes se formarían unas “arrugas”, que serían las cordilleras. Págs. 154 a 157
Teoría de la tectónica de placas Explica que la litosfera está dividida en placas litosféricas, cuyos límites entre unas y otras son: las dorsales, las zonas de subducción y las fallas transformantes. • Las siete mayores placas litosféricas son: Euroasiática, Africana, Indoaustraliana, del Pacífico, Norteamericana, Sudamericana y Antártica. • Las placas se mueven debido a la energía térmica del interior terrestre, que genera corrientes de convección, y a la energía gravitatoria, que arrastra hacia el interior del manto a las placas que subducen. Ambos efectos originan la apertura y cierre de los océanos, la fragmentación y la unión de los continentes, la actividad volcánica y sísmica y la formación de cordilleras. Págs. 158 a 160
Pliegues y fallas La dinámica litosférica se manifiesta en procesos, entre los que se encuentran las deformaciones de las rocas, que pueden ser plásticas o por rotura. • Los pliegues son ondulaciones que se originan en las rocas sometidas a esfuerzos de compresión. Son deformaciones plásticas. • Las fallas son fracturas en las que se ha producido un desplazamiento de un bloque de roca con respecto a otro. Son deformaciones por rotura. Págs. 161 a 163
Vulcanismo y sismos El vulcanismo es una consecuencia del movimiento de las placas litosféricas. Los sismos son vibraciones del terreno producidas por la brusca liberación de energía. Su magnitud se mide a través de la escala de Richter, y la intensidad, a través de la escala de Mercalli. Se propagan mediante ondas sísmicas: primarias (P), secundarias (S) y superficiales (de Love y de Rayleigh), y todas ellas se registran en los sismogramas. Los sismos pueden originar maremotos, y ambos suponen un riesgo para las personas y el medio ambiente. Págs. 166 a 179
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Unidad 4 • Tectónica de placas
Modelamiento de pregunta PSU
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Cargando disco Te invitamos a resolver el siguiente ejemplo de pregunta. 1 Las figuras que se presentan a continuación muestran las direcciones de avance de las ondas S en dos planetas imaginarios. ¿Qué interpretaciones podríamos hacer sobre la estructura interna de los planetas A y del B en relación con el comportamiento de las ondas sísmicas?
Planeta A
Planeta B
A. Los planetas A y B se encuentran en estado sólido y son homogéneos. B. Los planetas A y B no son completamente sólidos (tienen zonas fundidas), pero sí son homogéneos. C. El planeta A es sólido y homogéneo, mientras que el B también es sólido, pero no es homogéneo.
D. El planeta A es sólido y homogéneo, mientras que el B está parcialmente fundido y no es homogéneo. E. El planeta A se encuentra totalmente fundido y es homogéneo, mientras que el B es sólido y no es homogéneo.
A continuación, analicemos las respuestas. A. Incorrecta. El hecho de que se propaguen las ondas S in dica que los planetas están en estado sólido; sin embargo, no pueden ser ambos homogéneos, ya que las ondas S se propagan con diferente velocidad. B. Incorrecta. Si los planetas tuvieran zonas fundidas, en ellas no se recibirían las ondas S. C. Correcta. El planeta A se encuentra en estado sólido, ya que por él se propagan las ondas S, y es un planeta homo géneo, pues las ondas sísmicas no cambian de dirección. El planeta B también es completamente sólido, pero no es
homogéneo, ya que presenta una diferenciación gradual, porque que las ondas S van incrementando su velocidad a medida que profundizan. D. Incorrecta. La primera parte de la respuesta es correcta, pero si en el planeta B se propagan las ondas S, esto signifi ca que no puede haber zonas fundidas. E. Incorrecta. El planeta A no puede estar fundido porque no se registrarían las ondas S; respecto del planeta B, es correc ta la respuesta.
Entonces, la alternativa correcta es la C. A
B
C
D
E
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Evaluación final
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I. Marca la alternativa que consideres correcta.
5 ¿Qué son las dorsales y las fosas oceánicas?
Utiliza la imagen de referencia de la estructura del planeta Tierra para responder las 1 preguntas 1 y 2.
2
1 ¿Qué nombres reciben las capas numeradas con 1, 2, 3 y 4, respectivamente? I. II. III. IV.
3
Manto. Corteza. Núcleo interno. Núcleo externo.
A. I, II, III y IV B. II, I, IV y III
C. III, IV, I y II D. IV, III, II y I
4
A. Son relieves ubicados en las llanuras abisales. B. Son franjas de poca pendiente que rodean la tierra. C. Constituyen las zonas planas de los fondos oceá nicos. D. Son fallas que se originan por la deformación plástica. E. Son franjas de mucha pendiente que llegan al fondo oceánico. 6 ¿Qué datos permiten determinar la edad de los océanos? I. II. III. IV.
E. III, IV, II y I
2 ¿En qué estado físico se encuentra la capa 3, delimitada por las discontinuidades de Gutenberg y Lehmann?
A. Solo I y II B. Solo II y III
I. Sólido. II. Líquido. III. Gaseoso. A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo I y II
E. Solo I y III
I. El Pangea se dividió en los continentes. II. La Tierra, en el pasado, estuvo unida en el Pangea. III. En el frente de avance de los continentes se formarían las cordilleras. IV. Los continentes experimentan movimientos verticales, y no horizontales. C. II, III y IV D. I, II y III
E. I, II, III y IV
4 ¿Qué zonas se diferencian en los fondos marinos? A. B. C. D. E.
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Dorsales y fosas. Fallas transformantes. Zonas de subducción. Placas tectónicas, pliegues y fallas. Plataforma continental, talud y llanuras abisales.
Unidad 4 • Tectónica de placas
C. Solo III y IV E. I, II, III y IV D. Solo I, II y III
7 ¿Qué explicaciones entrega la teoría de la tectónica de placas? I. La litosfera está dividida en placas. II. La litosfera oceánica se renueva continua mente. III. Los bordes de las placas litosféricas son: dor sales, zonas de subducción y fallas transfor mantes. IV. Los desplazamientos de las placas litosféricas son producidos por la energía térmica del inte rior terrestre.
3 ¿Cuáles son las principales ideas de la teoría de la deriva continental?
A. I y II B. III y IV
Las rocas de las dorsales. La cantidad de sedimentos del fondo oceánico. Las fallas transformantes de la dorsal oceánica. La corteza oceánica, que envejece al separarse de la dorsal.
A. Solo I y II B. Solo II y III
C. Solo III y IV E. I, II, III y IV D. Solo I, II y III
8 En el mapa se muestra el borde de una placa litosférica que tiene un símbolo: ←|→¿Qué representa? A. B. C. D. E.
Dorsal. Pliegue. Límite de rotura. Falla transformante. Zona de subducción.
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9 La imagen representa un modelo de estudio. ¿Qué comportamiento del interior de la Tierra se podría explicar a través de él? El movimiento de las pla cas tectónicas. II. Las corrientes de convec ción que se generan en el interior terrestre. III. El núcleo terrestre en contacto con el manto que se calienta, dilata y asciende. C. Solo I y III D. Solo I y II
E. I, II y III
10 Tanto las rocas como una barra de arcilla seca tienen comportamientos parecidos con respecto a la deformación. ¿Qué les sucede cuando son sometidas a grandes esfuerzos? I. Se rompen. II. Se deforman elásticamente. III. Tiene una deformación plástica. A. B. C. D. E.
Solo I Solo II Solo III Solo I y II Solo II y III
11 De los siguientes sucesos, ¿cuál no está necesariamente relacionado con la peligrosidad volcánica? A. B. C. D. E.
2 2
3 3
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13 ¿Qué indica la magnitud de un terremoto?
I.
A. Solo I B. Solo II y III
1 1
Las explosiones. La emisión de lava. Las coladas de barro. La emisión de gases tóxicos. El aumento de la temperatura del agua.
12 ¿Por qué los terremotos son más frecuentes en las dorsales oceánicas, en las fosas submarinas y en las cordilleras continentales más altas? A. Porque son zonas donde hay discontinuidades. B. Porque son zonas con materiales muy deformables. C. Porque estas zonas marcan los límites de las placas litosféricas. D. Porque en estas zonas la energía térmica de la Tie rra es mayor. E. Porque se distribuyen de manera muy irregular y no necesariamente se producen en las zonas indicadas.
A. B. C. D. E.
La intensidad del terremoto. La cantidad de energía liberada. El número de réplicas por minuto. La duración del terremoto y sus réplicas. Los efectos sobre personas, construcciones y terreno.
14 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es más correcta? A. Los cambios bruscos en la velocidad de las ondas sísmicas se denominan saltos sísmicos. B. Los cambios bruscos en la velocidad de las ondas sísmicas se denominan discontinuidades. C. Las ondas S se propagan a partir del epicentro, mientras que las P lo hacen a partir del hipocentro. D. Las ondas sísmicas se originan como consecuencia de un terremoto y se pueden clasificar en: primarias (P) y secundarias (S). E. Las ondas sísmicas aportan información sobre el interior terrestre debido a que se propagan a velocidad constante, independientemente de los materiales por los que viajan. 15 ¿A qué fenómeno se designa con el término de tsunami? A. A una tormenta tropical de gran intensidad y de efectos devastadores. B. A un terremoto de baja escala con réplicas sucesi vas que se perciben a cierta frecuencia. C. A un terremoto submarino que no genera ningún impacto sobre la superficie del agua. D. A un sismo no percibido por las personas, y que solo es registrado por los instrumentos. E. A un conjunto de olas de enorme volumen origi nadas al elevarse bruscamente una gran masa de agua del fondo del mar. 16 ¿Cuál es la causa principal del movimiento de las placas litosféricas? A. El efecto combinado entre la gravedad terrestre, la del Sol y la Luna. B. La energía del interior terrestre, que mantiene en movimiento a las placas. C. La energía térmica del interior terrestre, ayudada por la energía gravitatoria. D. La energía gravitatoria de la Tierra, que mantiene unidas las placas litosféricas. E. La fragmentación que se produce como conse cuencia de la creación de la litosférica oceánica.
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Evaluación final - Pensamiento científico
II. Analiza la siguiente situación experimental y luego responde. La sismología es una de las disciplinas de la geofísica que se preocupa del estudio de los terremotos y, actualmente, ha tenido importantes avances gracias al desarrollo tecnológi co, instrumental y computacional, que ha permitido conocer el interior de la Tierra. Cuando ocurren los terremotos se generan ondas sísmicas que se propagan por el interior de la Tierra, y al llegar a la superficie son registradas por una gran cantidad de sismógrafos. El trayecto que siguen las ondas es un importante dato de análisis, ya que ayuda a conocer, entre otras cosas, las propiedades físicas de los materiales que atraviesan, y a describir el proceso de ruptura y evolución del sismo. Gracias a que la parte sólida del planeta es, en cierto modo, transparente a las ondas sísmicas, la medi ción de tiempos de viaje, las refracciones, las reflexiones y las oscilaciones de las ondas sísmicas han revelado más información acerca de su estructura interna que ninguna otra propiedad física.
Representación de un sismógrafo.
P
0 500 400
S
6
30
5
20
4
100 65 45
10 8 6 4
3
25 5
2
200
Hora Amplitud = 23 (s)
10 20 S – P = 24 s
Magnitud
50 40
S – P (s)
Distancia (km)
300
10 20 30
La interpretación de los datos de un sismo que han sido registrados por un sismógrafo y visualizados en la pantalla de un computador se analiza en función de los tiempos de llegada de las ondas sísmicas de tipo P y S, como se muestra en la de terminación gráfica de la magnitud de Richter.
2 1 0
0
100 50 20 10 5 2 1 0,5 0,2 0,1
Amplitud (mm)
03 04 05 06 07 08 09 10 11 15
20
25
30
35
Determinación gráfica de la magnitud de Richter. Se obtiene a partir de una línea que conecta los tiempos de llegada de las ondas S-P con la amplitud máxima de la onda sobre el sismograma, medida sobre un instrumento, como muestra la imagen.
Parte de la imagen de la pantalla de un computador que muestra un sismograma donde está registrado el sismo del 27 de febrero de 2010 con epicentro en la región del Biobío.
Responde las preguntas orientadas a la interpretación del registro de un sismo. 1 ¿Qué datos registrados en el sismograma están relacionados con el comportamiento de las ondas sísmicas?
2 ¿Qué semejanzas y diferencias puedes establecer en el registro del sismógrafo?
3 Explica lo sucedido en el sismograma considerando las diferencias y similitudes de los datos analizados.
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Minutos
Unidad 4 • Tectónica de placas
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Cerrar sesión I. Revisa tus respuestas de alternativas. Pregunta
Contenido evaluado
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Habilidad
Antecedentes históricos y estructura de la Tierra.
Comprender Comprender
4
Comprender
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Comprender
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Remediales Revisa las páginas 154 a 157 de tu texto.
3
Comprender Aplicar
9
Aplicar
10
Aplicar
11
Comprender
12
Comprender
14
Logro alcanzado
Comprender Movimiento de las placas tectónicas.
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Mi revisión
Comprender
3
7
Clave
Descripción y parámetros de vulcanismo, sismos y maremotos.
Revisa las páginas 158 a 163 de tu texto.
7
Comprender
6
Comprender
15
Comprender
16
Comprender
Revisa las páginas 166 a 179 de tu texto.
II. Revisa tus respuestas de la actividad procedimental. Etapa del método
Interpretación de resultados
Criterios
Respuesta
En la interpretación de resultados no se relacionan los datos obtenidos del procedimiento con el comportamiento del fenómeno en estudio y, además, no se establecen semejanzas ni diferencias ni se explican los resultados.
Incorrecta
En la interpretación de resultados se relacionan los datos con el comportamiento del fenómeno, pero no se establecen semejanzas ni diferencias al explicar los resultados, o bien se explica solo en función de las semejanzas y diferencias.
Parcialmente correcta
En la interpretación de resultados se relacionan los datos obtenidos del procedimiento con el comportamiento del fenómeno en estudio para establecer las semejanzas y diferencias entre los datos y, por último, se explican los resultados en términos del comportamiento y considerando el análisis de los datos.
Correcta
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes dentro de la unidad, usando la simbología dada después de la tabla. Evaluación sección
Inicializando
Analizando disco
Verificando disco
Mi estado final 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Deformación y MOVIMIENTO
Si un material sometido a esfuerzos experimenta una deformación, ya sea elástica, plástica o por rotura, ¿cuál será el comportamiento del material representado en la imagen?
Menú de inicio ¿Qué aprenderás?
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¿Para qué?
¿Dónde?
Elaboración de conclusiones.
Aplicar las habilidades de pensamiento científico en la elaboración de conclusiones de una investigación descriptiva o de exploración directa.
Páginas 188 y 189, 200 y 201, 220
Deformación de los materiales y efectos de las fuerzas.
Explicar el comportamiento de los materiales frente a las deformaciones elásticas, plásticas o por rotura que se producen debido a la acción de las fuerzas de tracción, torsión o compresión.
Páginas 190 a 193
Ley de Hooke y medida de las fuerzas.
Inferir que la magnitud de una fuerza puede ser medida a través del estiramiento de un resorte, estableciendo una relación entre la fuerza aplicada y la deformación.
Páginas 194 a 197
Descripción del movimiento relativo.
Describir un movimiento unidimensional a partir de sus características, que relacionan sus parámetros, como son: marco de referencia, sistema de coordenadas, posición, desplazamiento, trayectoria, distancia recorrida, rapidez y velocidad.
Páginas 202 a 215
Unidad 5 • Deformación y movimiento
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Abrir sesión Para comprender los fenómenos de la naturaleza es necesario reflexionar so bre cómo percibimos el entorno y cómo interpretamos y comunicamos lo que observamos. Sin embargo, para iniciar alguna reflexión es necesario te ner cierta información previa acerca de lo que queremos conocer. Aunque esa información nos la proporcionen, en primer lugar, nuestros sen tidos, estos no siempre son precisos ni infalibles al momento de obtener da tos o referencias. Por esta razón, necesitamos desarrollar técnicas de registro, medición y obtención de información que nos permitan ampliar nuestra ca pacidad de exploración y búsqueda. A modo de iniciar esta unidad, te invitamos a leer el siguiente diálogo y a contestar la pregunta planteada al final. – – − – – – – – – –
¿Me puede decir cómo llegar a la farmacia más cercana? Claro, solo tiene que caminar quinientos metros. Sí, pero… Eso significa que llegará tranquilamente en diez minutos. Claro, sí, pero… Si camina rápido, estará en cinco minutos. Lo entiendo, pero… ¿Qué pasa? ¿No se olvida de decirme algo importante? Bueno…la verdad es que la farmacia es un poco cara; hay otra más barata un poco más lejos…¿Le digo cómo llegar?
1. ¿Por qué no consiguió la respuesta que buscaba? ¿Qué era necesario aña dir a la información que se proporcionó? Si no lograste responder la interrogante, no te preocupes. Esta y otras podrás contestarlas una vez que hayas estudiado la unidad.
Las zapatillas que llevan puestas los atletas se mueven respecto a ellos. ¿Qué opinas?
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Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis. 3. Procedimiento experimental. 4. Obtención de resultados. 5. Interpretación de resultados.
Evaluación inicial - Pensamiento científico
Inicializando El efecto de una fuerza de un cuerpo sobre otro puede producir una deformación o cambio en el movimiento de ellos. Así, por ejemplo, después de estirar un resorte, este puede volver a su condición inicial o deformarse. A continuación, te invitamos a seguir el desarrollo de la actividad para experimentar con las propiedades de ciertos materiales que son sometidos a distintas fuerzas. Así conocerás el comportamiento de algunos cuerpos y analizarás los resultados obtenidos que te permitirán elaborar las conclusiones.
Planteamiento del problema
6. Elaboración de conclusiones.
¿Cómo elaborar conclusiones?
• ¿Qué efecto experimentan los materiales al ser sometidos a fuerzas de tracción, torsión y compresión? Variable dependiente:
Es necesario examinar los resultados de una situación para determinar de qué manera se relacionan sus partes y encontrar una explicación del fenómeno en estudio.
Formulación de hipótesis
¿Qué hacer para elaborar las conclusiones?
• ¿Qué hipótesis puedes formular respecto al efecto que experimentan los materiales al aplicar diferentes fuerzas?
Paso 1: identificar los resultados que se necesitan para elaborar una conclusión de la actividad. Paso 2: relacionar los resultados obtenidos con la manipulación de variables experimentales. Paso 3: explicar de manera clara y sencilla la relación entre los resultados y las variables experimentales.
Variable independiente:
Procedimiento experimental 1. Reúne los materiales solicitados y experimenta con cada uno de ellos, aplicándoles tres diferentes tipos de fuerzas, como son: tracción, torsión y compresión.
Tracción
Torsión
Compresión
Materiales – Un trozo de esponja. – Un trozo de madera. – Un trozo de elástico. – Un resorte. – Un trozo de alambre. – Un trozo de género. – Un trozo de plastilina. – Un poco de agua. Nota: el tamaño de los materiales debe permitir estirarlos, torcerlos y comprimirlos.
2. Para cada uno de los materiales aplica la misma fuerza de tracción. Observa cuáles responden a esta fuerza y anota si ocurre una deformación. 3. Ahora, somete cada uno de los materiales a una fuerza de torsión. Observa qué suce de y registra qué cambios experimenta el material. 4. Aplica a cada uno de los materiales una fuerza de compresión y observa qué sucede en cada caso. Registra si experimenta o no una deformación. 5. Clasifica los materiales respecto al efecto de las fuerzas y anota cuáles materiales ex perimentan una deformación y de qué tipo.
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Obtención de resultados Completa la tabla con la información obtenida del procedimiento experimental. Materiales
Tracción
Torsión
Compresión
Esponja Madera
Ayuda
Elástico
Los materiales pueden experimentar deformaciones elásticas, plásticas o por rotura, debido al efecto de una fuerza.
Resorte Alambre Género Plastilina Agua
Interpretación de resultados a. De acuerdo a lo observado, ¿cómo clasificaste los materiales?
b. Si los cambios no se pueden observar a simple vista, ¿significa que no se produjeron?
c. ¿Por qué algunos materiales vuelven a su condición inicial?
Mi estado En esta actividad: ¿Qué me resultó más fácil? ¿Por qué?
Elaboración de conclusiones Responde las preguntas, pues ellas te ayudarán a elaborar la conclusión de la actividad. Con sidera, además, los pasos descritos (1, 2 y 3) en el margen de la página anterior. a. ¿Qué resultados te permiten formular una conclusión?
b. ¿Qué relaciones puedes establecer entre los resultados y las variables experimentales?
Respecto de la elaboración de las conclusiones: ¿Cuál es su importancia? ¿Cómo sabes que las conclusiones han sido elaboradas correctamente?
c. ¿Cuál es la conclusión del comportamiento de los materiales al efecto de las fuerzas?
Archivos ocultos Considera el desarrollo de la actividad: a. ¿Qué información fue necesaria para elaborar correctamente las conclusiones? (Etapa 6 del método)
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Ciencia, tecnología y sociedad
Materiales elásticos: resortes y elastómeros No hay ningún material que sea totalmente rígido. Todos se deforman en mayor o menor proporción ante una fuerza externa. Puede ocurrir que el material recupere la forma y dimensiones cuando cese la fuerza o bien que quede deformado perma nentemente. La elasticidad es la propiedad que tienen los materiales de recuperar su forma ini cial cuando cesa la fuerza que los deforma. La propiedad contraria es la plasticidad o capacidad de los materiales para sufrir deformaciones permanentes cuando cesan las fuerzas que las producen. Todos los materiales son elásticos dentro de un rango de fuerzas, y plásticos cuan do las fuerzas superan dicho valor. La plastilina posee una elasticidad prácticamente nula, lo que le permite adoptar cualquier forma con facilidad.
Resortes Los resortes son dispositivos elásticos que pueden estar fabrica dos de diferentes materiales, como acero, cromovanadio, bron ce, etc., y que son capaces de almacenar energía cuando están deformados. Esta energía la desprenden, sin sufrir deformación permanente, cuando cesa la fuerza a la que están sometidos. Los resortes pueden tener diferentes formas y dimensiones, según el uso que se les dé. Se pueden clasificar en:
Resortes de tracción.
• Resortes de tracción. Son los que se someten a esfuerzos de tracción y se caracterizan por tener unos ganchos en sus extremos, los que permiten montar el resorte en diferentes posiciones. Son, por ejemplo, los resortes que se utilizan para colgar o tensar objetos. • Resortes de torsión. Son los que, al recibir la fuerza, están preparados para realizar una torsión o giro. La pinza vuelve a su posición porque recibe la energía de la torsión del resorte central.
Resorte de torsión.
• Resortes de compresión. Son los que están sometidos a fuer zas de compresión, contrarias a las de tracción. Los hay de for ma cilíndrica o cónica. El resorte de los juegos infantiles de vuelve la energía después de comprimirse. La diversidad de formas y dimensiones que presentan los resor tes se debe a su gran cantidad de aplicaciones. La mayoría están diseñados para ofrecer resistencia a una fuerza o amortiguar las fuerzas externas. Podemos encontrarlos como almacenamiento y retorno de energía, el caso de los mecanismos de las armas de fuego; como aislador de vibraciones en los amortiguadores de vehículos y máquinas; para desplazar piezas, como los frenos de los pedales y los resortes de las puertas, o para mantener una fuerza determinada en el mecanismo de válvulas, entre otros muchos usos.
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Resorte de compresión.
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Elastómeros Los elastómeros son polímeros que poseen una gran elasticidad: llegan a defor marse hasta varias veces su tamaño original. En algunas ocasiones, hasta el 700%, según el material, y recuperan sus dimensiones cuando cesa la fuerza que los de forma. Esta elasticidad se debe a la disposición de sus macromoléculas, en forma de red de malla con pocos enlaces. Algunos de los elastómeros más importantes en nuestra vida diaria son los siguientes: • Cauchos. Pueden ser naturales; proceden del látex, que se obtiene a partir de la savia de algunos árboles, como el Hevea brasiliensis del Amazonas o el árbol del hule de México. También los hay sintéticos. La industria del caucho descubrió la vulcanización, proceso que evita las propiedades indeseables de los cauchos na turales y proporciona mayor fuerza, elasticidad y resistencia a los cambios de tem peratura. Su descubridor fue el estadounidense Charles Goodyear.
Un polímero es una macromolécula que se forma mediante una reacción en la que se van uniendo partes iguales, sencillas, llamadas monómeros.
• Neoprenos. El neopreno es una marca comercial de una familia de gomas sintéticas basadas en el policloropreno. Fue la primera goma sintética que se produjo a escala industrial. Tiene muchos usos: en trajes de submarinismo, correas para vehí culos, uniones de mangueras, aislamientos eléctricos e incluso aislamiento acústi co. Pero el más importante es su empleo como aislante térmico. • Poliuretanos. Probablemente el poliuretano más famoso sea la espuma de po liuretano que se utiliza en la construcción como aislante; sin embargo, es rígida y poco elástica. Entre los elásticos encontramos las gomaespumas y sobre todo los recubrimientos de protección.
Los neumáticos de los automóviles son de caucho vulcanizado.
Los secretos de la tela de araña Tiene propiedades insospechadas. Ya se sabe que es pegajosa, lo que unido a su capacidad antibacteriana permite que se utilice para tapar y cicatrizar rápidamente heridas y también en cirugía. Pero su resistencia es mucho mayor de lo que se pensaba. Para estudiar sus propiedades, un grupo de científicos españoles, dirigido por Manuel Elices, cultiva 30 tipos diferentes de arañas, a las que les extraen el hilo a medida que lo fabrican. Tras analizar las propiedades de cada tipo de tela de araña, han descubierto que algunas tienen una resistencia diez veces mayor que el acero. En otra investigación, la empresa Noxia Biotechnologies ha mejorado las cualidades de la tela de araña. Ha desarrollado un nuevo material, a partir de la seda de araña y la leche de cabra, que es sumamente ligero y tan resistente que es capaz de absorber el impacto de una bala. Además, es biodegradable, de manera que la naturaleza lo recicla de forma natural, deshaciéndolo sin formar residuos. Se llama biosteel (acero biológico), y sus aplicaciones pueden ir desde los chalecos antibalas hasta envases para todo tipo de productos.
La tela de araña puede ser extendida entre el 30 y el 50 por ciento de su longitud antes de romperse.
La esponja de aseo personal es de poliuretano.
Traje de neopreno usado para surf o buceo.
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Pensamiento científico
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Ley de Hooke Procesamiento e interpretación de datos Cuando los cuerpos se someten a fuerzas externas, sufren cambios de tamaño o de forma que dependen de la constitución del material. Así, su deformación obedece a la magnitud de la fuerza aplicada y al comporta miento del material, es decir, si es elástico, plástico o rígido. La ley de Hooke describe fenómenos elásticos como los que se presen tan en los resortes. Esta ley afirma que la deformación elástica que sufre un cuerpo es proporcional a la magnitud de la fuerza que produce tal deformación, siempre y cuando no se sobrepase el límite de elasticidad. Esta ley permite asociar una constante a cada resorte. Es decir, cada mate rial con que es elaborado un resorte tiene su propio valor de elasticidad. En 1678, se publica la ley conocida como ley de Hooke: “La fuerza que devuelve un resorte a su posición de equilibrio es proporcional al valor de la distancia que se desplaza de esa posición”. En los resortes, la relación matemática entre las fuerzas y las deformacio nes de los cuerpos elásticos, como hemos visto, es especialmente senci lla, y eso los hace útiles para construir aparatos para medir fuerzas. Si se quiere saber cómo están relacionadas las fuerzas aplicadas sobre un resorte con los alargamientos que producen en él, habrá que aplicar fuerzas conocidas, medir la deformación y con estos datos buscar alguna relación matemática.
Robert Hooke (1635-1703) estudió, entre otras cosas, el comportamiento elástico del resorte.
F (N) L0
ΔL
2ΔL m
F
F
2m
F (N)
ΔL (cm)
5 4
1 2 3 4 5
3 6 9 12 15
3 2 1 3
6
9 12 15 ΔL (cm)
2F
Las fuerzas son proporcionales a las deformaciones que producen. A doble o triple fuerza, doble o triple alargamiento. La gráfica que representa la fuerza frente a la deformación (ΔL) es una recta que pasa por el origen. La ecuación F = k • ΔL = k • (L – L0) se conoce como ley de Hooke. En el resorte del ejemplo,
1 = N / cm y la ley de Hooke toma la forma: 3 1 F= • () L– 0 3
Es decir, cada vez que se alarga el resorte en 1 cm, es porque sobre él se ha ejercido una fuerza de F = 1/3 N. Su valor en unidades del sistema internacional sería 33,3 N/m, es decir, por cada 33,3 N, se alarga 1 m. El dinamómetro es un instrumento que se utiliza para medir fuerzas basado en la ley de Hooke.
192
La constante k se denomina constante elástica, y es distinta para cada resorte. Este valor nos proporciona una idea de lo que cuesta estirar o comprimir un resorte.
Unidad 5 • Deformación y movimiento
0 0
1 1
2 2
3 3
5 5
4 4
Pero, ¿qué sucede si se continúa aumentando la fuerza de tracción aplicada sobre un resor te? Este se deforma desproporcionadamente, es decir, aumenta su tamaño una vez que se deja de aplicar la fuerza, pero no recupera su tamaño inicial. A continuación, revisemos algunos ejemplos de cómo se comportan los cuerpos elásticos frente a las deformaciones. Caso 1. Una goma de caucho es un cuerpo elástico. Para de formarlo, le unimos un platillo donde vamos colocando pesas y, con una regla, medimos la longitud (L) que va alcanzando la goma con cada pesa. La longitud del caucho no sigue una gráfica lineal, como po demos observar en la imagen. Caso 2. Repetimos la experiencia con un resorte. Junto a él se coloca una regla para poder medir la longitud que alcanza a medida que se colocan las pesas. Ten en cuenta que si el peso es excesivo, el resorte puede deformarse permanentemente. La longitud de un resorte sigue una gráfica lineal frente a la fuerza aplicada, como se puede observar en la imagen. En este caso, se puede determinar la constante elástica del re sorte y, por lo tanto, se cumple la ley de Hooke. Al interpretar la gráfica que representa los datos obtenidos del estiramiento de la goma de caucho, se tiene que sufre una deformación que produce elongaciones distintas frente a di ferentes fuerzas. En cambio, los resortes mantienen una defor mación proporcional, que depende del módulo de la fuerza aplicada. Por lo tanto, se emplean para medir la magnitud de las fuerzas a través de instrumentos como los dinamómetros.
F(N)
F (N)
L (cm)
ΔL
3,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
7 7,6 7,9 8,4 9,0 9,8 11,4
0 0,6 0,9 1,4 2,0 2,8 4,4
2,5
F (N)
L (cm)
ΔL
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
3 5 7 9 11 13 15
0 2 4 6 8 10 12
2,0 1,5 1,0 0,5 0
0,6
0,9
1,4
2,0
2,8
3,5 4,4 L (cm)
2
4
6
8
10
12
F(N)
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
14 L (cm)
Actividad modelada Sobre un resorte de 25 cm de longitud, se ejerce una fuerza de 10 N, lo que provoca que el resorte se alargue hasta medir 30 cm. ¿Cuál sería la longitud final del resorte, si se le aplica una fuerza de 2 N? El alargamiento producido por una fuerza de 10 N es: ΔL = L – L0 = 30 cm – 25 cm = 5 cm = 0,05 m A partir de este valor, calculamos la constante k del resorte. F= k • ∆L;
k=
F 10 N = = 200 N / m ∆L 0, 05 m
Al aplicar una fuerza de 2 N, el resorte se alarga en: ∆L = L – L 0 =
F 2N = = 0, 01 m k 200 N / m
Ayuda Se pueden interpretar los datos de un problema una vez que se ha realizado un adecuado procesamiento de la información. A partir de ello, se da respuesta a la situación problema a través de la interpretación de la información.
De acuerdo al procesamiento de datos, se tiene que su longitud final es: L = L0 + 0,01 = 0,25 + 0,01 = 0,26 m = 26 cm
Actividad propuesta 1. Si se aplica una fuerza de 20 N sobre un resorte, este se alarga 4 cm. ¿Qué fuerza hay que aplicar para que se alargue 5 cm? 2. ¿Cuál será la longitud final de un resorte de 10 cm, si colgamos de él un peso de 2 N y su constante es k = 400 N/m? 3. La gráfica del caso 2 muestra que ante incrementos de fuerza iguales se producen elongaciones iguales; sin embargo, no ocurre lo mismo con la goma. ¿Cuál es el comportamiento de la goma? Razona tu respuesta. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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Aplicaciones de la ley de Hooke La ley de Hooke tiene algunas aplicaciones que se presentan, principalmente, en los cuerpos elásticos siempre y cuando no se sobrepase la deformación del material, de tal forma que este pueda recuperar su forma inicial. A continuación, revisaremos algunas de las aplicaciones de la ley de Hooke:
En el calibrado de los dinamómetros, lo que nos permitirá medir la intensidad de las fuerzas aplicadas.
En la fabricación de amortiguadores de automóviles, que se utilizan para mejorar la estabilidad y evitar las irregularidades del terreno, lo que entrega comodidad a los pasajeros.
En la elaboración de resortes para ser utilizados en la construcción de los asientos, ya sean de bicicletas, motocicletas u otros.
L0
En el armado de camas elásticas para realizar deportes.
En el empleo de trampolines, gracias a la elasticidad de las maderas usadas para la elaboración de tablones.
En la elasticidad de los materiales con que se fabrican las pelotas de los diferentes juegos deportivos.
Todos los ejemplos que hemos visto están relacionados con las propiedades elásticas de los materiales, que se comportan según lo establece la ley de Hooke.
Actividad propuesta 1. ¿Qué deformación experimentan las vigas y cables de acero utilizados para construir puentes?
Para grabar Los materiales se deforman ante una fuerza exterior. Algunos de ellos son elásticos, es decir, se deforman proporcionalmente por la aplicación de una fuerza y cumplen con la ley de Hooke. La intensidad de una fuerza se puede medir con un dinamómetro en newton.
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Unidad 5 • Deformación y movimiento
2. Responde en relación con la siguiente gráfica, que representa el estiramiento de un cuerpo. a. ¿Qué variables anotarías para cada uno de los ejes del gráfico? b. ¿Qué interpretación realizarías de la curva? c. ¿Por qué el gráfico no sigue la línea recta? ¿Qué ha sucedido en ese punto? d. Predice qué materiales tienen el comportamiento descrito en el gráfico.
Estiramiento de un cuerpo
0 0
1 1
2 2
3 3
5 5
4 4
Medida de las fuerzas Ya hemos visto que cuando se les aplican fuerzas a los materiales, la deformación es distinta en unos y otros. Es así como algunos vuelven a su condición inicial cuando deja de actuar una fuerza; por ejemplo, la goma de caucho, las pelotas de golf, los trampolines, las camas elásticas, las pelotas de fútbol y los resortes, entre otros.
ΔL
En cambio, en otros materiales, la deformación es inelástica, es decir, una vez que se deja de aplicar la fuerza, siguen deformados; por ejemplo, la masilla, la pasta muro y la arcilla, entre otros.
F
Una característica importante de la aplicación de la fuerza es que esta será relevante de acuerdo al tipo de deformación producida en el cuerpo. Así, una fuerza de tracción defor mará el cuerpo estirándolo, mientras que una de compresión lo deformará aplastándolo, y la de torsión lo deformará torciéndolo.
Cuanto más peso se cuelgue, más se flexiona el soporte. Al dejar de hacer fuerza, el soporte recupera su posición. Es decir, sufre deformación elástica.
2ΔL m F
2m 2F
La fuerza debida al peso del cuerpo depende del estiramiento del resorte. Así, mientras mayor es la masa, mayor será la fuerza aplicada.
Cuanta más fuerza se hace, más se deforma la arcilla; si se deja de hacer fuerza, la arcilla no vuelve a su posición inicial. Es decir, sufre deformación inelástica.
De acuerdo a lo que hemos visto hasta ahora, podemos definir una fuerza como la acción ejercida por un cuerpo sobre otro que produce alguna deformación, que será tanto más grande cuanto mayor sea el valor de la fuerza. Por lo tanto, el valor numérico de la fuerza será la intensidad, que en el Sistema Internacional de unidades se mide en newton (N). Un newton corresponde al peso que tiene un cuerpo en la Tierra, cuya masa es de 102 gramos aproximadamente. Entonces, el peso de un cuerpo depende de su masa. La intensidad de la fuerza se puede medir con un dinamómetro cuando se cuelga un cuer po y se mira el valor que indica el instrumento. Este depende tanto de la masa del cuerpo, como de la gravedad terrestre, correspondiente a 9,8 m/s2. Por ejemplo, un cuerpo de masa de 1,02 kilogramos tendrá un peso aproximado de 10 N.
Ayuda El peso es la fuerza que ejerce el planeta Tierra sobre un cuerpo. Por lo tanto, se obtiene a partir de la expresión: P=m•g
En los cuerpos elásticos, suele haber una relación entre la fuerza aplicada y la deforma ción, lo que se observa a través de la ley de Hooke, F = K ΔL. Es así que el comportamien to de los cuerpos elásticos permite armar sistemas para medir las fuerzas. Un instrumento que tiene esta función es el dinamómetro: constituido por un resorte que se deforma elásticamente y una escala graduada que permite medir la intensidad de la fuerza, que está directamente relacionada con la constante de recuperación del material y de acuer do con la ley de Hooke.
Actividad modelada 1. ¿Cuál es la fuerza ejercida por un cuerpo de 5 kg suspendido de un dinamómetro? Un cuerpo suspendido de un dinamómetro ejerce una fuerza equivalente a su peso, que corresponde a P = m • g; en donde P es el peso, m es la masa y g es la aceleración de gravedad, que corresponde a 9,8 m/s2. Por lo tanto, P = 5 kg • 9,8 m/s2 = 49 kg • m/s2 = 49 N La fuerza ejercida por un cuerpo de 5 kg suspendido de un dinamómetro es 49 N.
Ayuda La unidad de medida de fuerza es el newton, que corresponde a: 1 N = 1 kg • m/s2
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Calibrado de un dinamómetro Un dinamómetro es un cuerpo elástico que cumple con la ley de Hooke, F = K ΔL, mien tras no se deforme demasiado. Así, por ejemplo, el peso de una masa de 10 g, o sea, 0,01 kg es P = mg = 0,01 kg • 9,8 m/s2 = 0,098 N. Por lo general, con un dinamómetro no es posible determinar exactamente las centésimas, por lo que el peso de 10 g de masa es de 0,1 N.
Actividad experimental En esta actividad, calibrarás un resorte para transformarlo en un dinamómetro y aplicarás los métodos propios de la ciencia en la obtención de datos y en el tratamiento para interpretar y elaborar las conclusiones. Una de las precauciones que debes tener presente para mantener la integridad del resorte es evitar estirarlo demasiado para que no se estropee. Sobre un resorte aplicamos fuerzas conocidas para medir el alargamiento que producen y así usarlo como dinamómetro. Las fuerzas más fáciles de evaluar son las pesas; para ello, colgamos pesas conocidas sobre el resorte. Con esto, se pretende hallar la constante del resorte para saber la ecuación que lo calibra. Entonces, el procedimiento por realizar es el siguiente: • Haz el montaje de la figura y mide la longitud inicial del resorte con el portapesas colgado. • Cuelga diferentes pesas para obtener la recta de proporcionalidad entre la fuerza y el alargamiento para reducir los errores cometidos en cada medida. Montaje de la calibración de un resorte para ser usado como dinamómetro.
• Se van poniendo pesas de igual valor, de una en una, y se miden las longitudes que va adquiriendo el resorte. • Se elabora una tabla como la siguiente para los datos: Fuerzas (N)
N
2N
3N
4N
5N
6N
Ayuda Recuerda que la masa es la cantidad de materia expresada en gramos. En cambio, el peso es la fuerza gravitacional que ejerce el planeta sobre un cuerpo. Se expresa en newton.
Longitud inicial (cm) Longitud final (cm) Alargamiento, ΔL (cm) • Los datos obtenidos se representan en una gráfica: sitúa las fuerzas en las ordenadas y los alargamientos en las abscisas. Si el resorte es elástico, se obtiene una recta que pasa por el origen, por ser la fuerza y los alargamientos proporcionales. Tener varios puntos en la gráfica permite minimizar los errores, ya que busca la recta que mejor se ajuste a todos los puntos y no solo a uno.
Materiales -
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Un soporte para colgar un resorte. Una cinta métrica. Un resorte. Pesas de valores conocidos. Un portapesas. Una hoja de papel milimetrado.
Unidad 5 • Deformación y movimiento
• Así se obtiene la constante, K, del resorte, que es la pendiente de la recta. Conocida la constante, ya se tiene el resorte calibrado: F = K • ΔL. La fuerza hallada estará expresada en newton cuando el alargamiento se mida en centímetros. Por lo tanto, la ecuación del resorte calibrado es: • Dibuja una huincha con el papel milimetrado que relacione la fuerza aplicada con el estiramiento del resorte y colócala de guía para futuras mediciones. De esta manera, has construido tu propio dinamómetro. 1. Responde las siguientes preguntas de acuerdo con la actividad experimental. a. Mide con tu dinamómetro el peso de tu estuche u otro cuerpo liviano. Comprueba que los valores coinciden dentro de la imprecisión del aparato. b. ¿Cuál será la fuerza que realizas al estirar el resorte 6 centímetros?
0 0
1 1
2 2
3 3
5 5
4 4
Las fuerzas y sus efectos sobre los cuerpos Los cuerpos tienen propiedades como la masa, el volumen, la densidad o la temperatura; sin embargo, no poseen fuerza. Por ejemplo, una pelota colocada en el centro de un campo de fútbol permanecerá en reposo indefinidamente; para ponerse en movi miento, debe interactuar con ella el pie de un jugador. La fuerza no es una propiedad de los cuerpos. Para que exista debe producirse una interacción de uno con otro, es decir, una forma de relación física. Por tanto, por cada fuerza siempre inter vienen dos cuerpos, uno que ejerce la fuerza y otro que recibe la acción de la fuerza. Las fuerzas son cosas de dos, lo que puede ser ejemplificado por la flecha y la cuerda del arco. Es decir, la cuerda del arco empuja la flecha con la misma fuerza que la flecha al arco. La mujer que sostiene el arco, con mucha más masa, se desplaza hacia atrás más despacio que la flecha hacia adelante, a pesar de recibir la misma intensidad de la fuerza, pero con sentido contrario.
Las mujeres ejercen fuerza al tensar sus arcos y preparar sus flechas antes de ser soltadas.
Efectos de las fuerzas Según su comportamiento frente a las fuerzas, los sólidos pueden clasificarse en deforma bles o indeformables. • Sólidos deformables. Cambian de forma cuando se aplica una fuerza sobre ellos. Por ejemplo, un resorte, una varilla metálica o una bola de plastilina. • Sólidos indeformables. No cambian su forma cuando se aplica una fuerza sobre ellos. Por ejemplo, el suelo, una mesa o una bola de billar. En realidad, la clasificación entre deformables e indeformables es convencional, ya que to dos los sólidos se deforman si sobre ellos se aplica una fuerza lo suficientemente intensa. Se denomina sólido rígido a un sólido que, en determinadas condiciones, se comporta como indeformable. Las fuerzas, además de deformaciones, pueden provocar cambios en el estado del movi miento de los cuerpos sobre los que actúan.
El panadero realiza una fuerza sobre la masa y la moldea. El resultado de esta fuerza no es un desplazamiento del cuerpo, sino una deformación.
La lanzadora ejerce una fuerza sobre la pesa mientras la tiene en su mano, lo que hace que cambie su velocidad desde el reposo hasta la de salida. Ha producido un cambio en el estado del movimiento.
Para encestar la pelota en la canasta, hay que comunicar una fuerza con la intensidad adecuada y hacerlo en la dirección y sentido correcto. El resultado de esta fuerza es un cambio en el estado del movimiento. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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I.
Evaluación de proceso
Analizando disco
Marca la alternativa que consideres correcta.
4 ¿Qué fenómenos explica la ley de Hooke? Permite calcular la constante elástica de un resorte. II. Describe las deformaciones plásticas que se producen en distintos cuerpos. III. Señala que la fuerza aplicada sobre un cuerpo elástico es proporcional a su deformación. I.
Deformación de los materiales y efectos de las fuerzas
1 ¿Qué comportamientos corresponden al material de la fotografía?
A. Solo II B. Solo I y II
C. Solo I y III D. Solo II y III
E. I, II y III
Utiliza la información que aporta el siguiente gráfico para responder las preguntas 5, 6 y 7. I. Elasticidad nula. II. Alta plasticidad. III. Recupera su forma cuando cesa la fuerza. A. Solo I B. Solo II
C. Solo I y II D. Solo II y III
F (N)
5 4 3 2
E. I y III
1
2 ¿Cuál afirmación es incorrecta? A. Los resortes pueden ser de tracción, compresión y torsión. B. Los elastómeros son polímeros con comportamien to elástico. C. Todos los poliuretanos son elastómeros y, por tanto, son muy elásticos. D. Los resortes son dispositivos elásticos capaces de almacenar energía cuando están sometidos a un esfuerzo. E. La elasticidad es la propiedad que tienen los mate riales de recuperar su forma cuando cesa la fuerza que los deforma. 3 ¿Cuál(es) comportamiento(s) son correcto(s) si se someten los cuerpos a fuerzas externas? Los cuerpos sufren cambios de tamaño o de forma que dependen del material. II. Según la fuerza aplicada, el material puede ser: plástico, elástico o rígido. III. Se deforman según la intensidad de la fuerza. I.
A. Solo I B. Solo II
C. Solo I y III D. Solo II y III
3
Unidad 5 • Deformación y movimiento
9 12 15 ΔL (cm)
5 ¿Qué representa la línea recta del gráfico? I. Que es un estiramiento plástico. II. Que la fuerza es proporcional al estiramiento. III. Que al aumentar la fuerza, aumenta la deformación. A. Solo II B. Solo I y II
C. Solo I y III D. Solo II y III
E. I, II y III
6 ¿Qué expresión representa la ley de Hooke, según el gráfico? A. F = k ΔL C. F = k (L – L0) E. F = 5 ΔL B. F = 1/3 (L – L0) D. F = 3 (L – L0) 7 ¿Qué cuerpos, al ser sometidos a una fuerza, poseen un estiramiento como muestra el gráfico? A. Un cordel. B. Una tabla.
C. Un resorte. D. Una rueda.
E. Una goma.
E. I, II y II
Correctas:
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6
Incorrectas:
Omitidas:
0 0
II. Responde las siguientes preguntas.
1 1
2 2
3 3
5 5
4 4
7 ¿Cuál es la fuerza ejercida por un cuerpo de 15 kg que está suspendido de un dinamómetro?
Ley de Hooke
1 Describe con tus palabras lo que muestra la imagen.
8 ¿Qué aplicaciones describirías sobre la ley de Hooke? 9 Explica cuáles pueden ser los comportamientos de los cuerpos, de acuerdo a las siguientes situaciones.
L0
ΔL
a. Se aplica una fuerza de torsión a un cuerpo rígido. b. Se aplica una fuerza de tracción a un cuerpo elástico. c. Se aplica a un resorte una fuerza que supera la constante elástica.
2ΔL m
F
2m
10 Interpreta el siguiente gráfico.
2F
a. ¿Qué relación matemática explica el comporta miento del resorte? b. Según la ley de Hooke, ¿cómo lo describirías? 2 Considera los datos presentados en la tabla para responder las preguntas dadas a continuación.
Alargamiento (mm)
Estiramiento de un cuerpo material
120 100 80 60 40
F (N)
ΔL (cm)
20
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0
a. ¿Qué gráfico te permite construir la tabla? b. ¿Cuál es el valor de la constante elástica, según la ley de Hooke? c. ¿Cómo expresarías la ley de Hooke? d. ¿Qué conclusión se puede extraer a partir de los datos? 3 Sobre un resorte de 30 cm de longitud se ejerce una fuerza de 5 N, lo que provoca que el resorte se alargue hasta medir 32 cm. ¿Cuál sería el alargamiento, si se le aplica una fuerza de 7 N? 4 Si se aplica una fuerza de 3 N sobre un resorte, este se alarga 2 cm. ¿Qué fuerza hay que aplicar para que se alargue 4 cm? 5 ¿Cuál será la longitud final de un resorte de 8 cm, si colgamos de él un peso de 1 N y su constante es k = 200 N/m? 6 Si un dinamómetro marca 7 N, ¿cuál es la masa del cuerpo?
2
4
6
8
Fuerza (N)
10 Límite de elasticidad
a. ¿Qué dirías de la curva formada? b. ¿Qué sucede cuando se supera el límite de elastici dad? c. ¿Cuál es la ecuación que representa la ley de Hooke?
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes hasta ahora usando la simbología dada al final. Identifico las deformaciones elásticas, plásticas o por roturas. Asocio las fuerzas de tracción, como el estiramiento, las de compresión, como aplastamiento y las de torsión, como de giro. Reconozco que cuando actúa una fuerza sobre un cuerpo, esta produce una deformación que depende de la intensidad. Infiero que los objetos elásticos modifican su forma según la intensidad de la fuerza y que cuando esta cesa vuelven a su estado original. Interpreto los gráficos asociados a la ley de Hooke. 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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Etapas del método científico 1. Planteamiento del problema. 2. Formulación de hipótesis.
Pensamiento científico
Ciencia paso a paso A continuación, te invitamos a describir cuándo un cuerpo se encuentra en movimiento o en reposo, y a descubrir respecto de qué se mueve o respecto de qué está en reposo. Para ello, trabaja de forma individual las etapas 3 y 4, y colectivamente las demás.
4. Obtención de resultados.
Ten presente que esta actividad te permite desarrollar las habilidades de pensamiento científico, para analizar los resultados, relacionar sus partes, examinar lo que sucede y, finalmente, elaborar las conclusiones.
5. Interpretación de resultados.
Procedimiento experimental
3. Procedimiento experimental.
6. Elaboración de conclusiones.
¿Cómo elaborar conclusiones? Es necesario examinar los resultados de una situación para determinar de qué manera se relacionan sus partes y encontrar una explicación al fenómeno en estudio.
Cuando un objeto se mueve frente a nuestros ojos, se va formando en nuestra retina una sucesión de imágenes que nos dan la sensación de que el objeto se está moviendo. Las siguientes imágenes conforman una secuencia de cuatro fotografías tomadas con una cámara fija, con un intervalo de tiempo aproximado de 5 s, entre una y otra.
Persona posición 1
Persona posición 2
¿Qué hacer para elaborar las conclusiones? Paso 1: identificar los resultados que se necesitan para elaborar una conclusión de la actividad. Paso 2: relacionar los resultados obtenidos con la manipulación de variables experimentales. Paso 3: explicar de manera clara y sencilla la relación entre los resultados y las variables experimentales.
Persona posición 3
Persona posición 4
Obtención de resultados a. Describe lo que ves en la secuencia de las imágenes.
b. Traza el recorrido con una línea recta desde el punto de partida hasta el punto de llega da en cada una de las fotografías y estima algunos valores de la distancia recorrida y el tiempo empleado.
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Unidad 5 • Deformación y movimiento
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1 1
2 2
3 3
5 5
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Planteamiento del problema a. ¿Qué problemas podrían ser resueltos a partir de los datos obtenidos?
Formulación de hipótesis a. Elige un problema a resolver. ¿Qué hipótesis formularías para dar respuesta al proble ma de investigación?
Interpretación de resultados a. Determina si la persona que aparece en la secuencia fotográfica está en reposo o en movimiento. Explica tu respuesta.
Ayuda Para describir un movimiento es necesario acordar un marco de referencia y, a partir de él, realizar el estudio del cuerpo en movimiento.
b. Si consideras la distancia y el tiempo, ¿qué magnitud puedes calcular?
c. ¿Respecto de qué punto de la secuencia de las fotografías consideraron realizar la des cripción de las imágenes?
Elaboración de conclusiones a. ¿Cuáles son los datos observados que te permiten elaborar conclusiones de la actividad?
b. ¿Qué relación puedes establecer entre las observaciones y las variables experimentales?
c. ¿Qué conclusión elaborarías, de acuerdo a las observaciones y las variables experimen tales de la actividad?
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Descripción del movimiento El movimiento es un fenómeno cotidiano del que nos damos cuenta haciendo uso de nuestros sentidos. Si te asomas por la ventana, podrás ver que todo está en movimiento: un automóvil que pasa por la calle, el viento que mueve las hojas de los árboles, una persona que camina apresurada para alcanzar el autobús que frena. Por lo tanto, todo cambia, pero intentar describirlo nos resulta algo más complejo, puesto que debemos saber cómo medir el movimiento, dónde se encuentra el cuerpo, respecto de qué se mueve en cada instante y cómo se diferencia de otros. Entonces, para poder describir el movimiento, es necesario tener claros algunos conceptos que nos ayudarán a hacerlo correctamente.
Magnitudes escalares y vectoriales Una magnitud es toda propiedad que puede ser medida, como la distancia, el tiempo, la masa, la densidad, etc. En el trabajo científico, se definen dos tipos de magnitudes: las magnitudes escalares y las magnitudes vectoriales. A continuación, te presentamos una descripción de cada una. La masa de un vaso de precipitado con aceite es de 22,5 g. Esta es una magnitud escalar.
• Magnitudes escalares: son aquellas que quedan definidas al dar su valor numérico con su correspondiente unidad; por ejemplo, 30 km de distancia, 5 horas de tiempo y 4 kilo gramos de masa. • Magnitudes vectoriales: son aquellas que quedan definidas por un valor numérico, una dirección y un sentido. Por ejemplo, la fuerza es una magnitud vectorial porque, cuando la medimos, no solo debemos indicar su intensidad, sino que también la direc ción en que se aplica y el sentido que tiene. Otro ejemplo sería el desplazamiento. Las magnitudes vectoriales se representan a través de un vector. Un vector es un segmento di rigido y representado graficamente por una flecha que señala el sentido, la inclinación de la rec ta que indica la dirección de la magnitud y cuyo largo indica su módulo. Veamos un ejemplo: Línea de acción Dirección
Cuerpo
10 N = intensidad
Sentido
La imagen anterior muestra un vector que indica el valor de una fuerza de intensidad 10 N. Todo vector cuenta con tres componentes: • Módulo: indica el valor numérico de la magnitud medida. En el ejemplo corresponde a 10 N.
Cada perro ejerce una fuerza distinta, ya que cada correa posee una magnitud, dirección y sentido diferente sobre la mano de la persona que pasea a los perros.
• Dirección: indica la línea de acción sobre la que se encuentra el vector y corresponde a la inclinación del vector sobre un eje horizontal imaginario, que se puede representar por el ángulo correspondiente. En el ejemplo, está representada por la línea punteada y la dirección del vector es horizontal o 0º. • Sentido: indica hacia qué lado de la línea de acción apunta el vector. Se representa por la punta de la flecha. En el ejemplo, el sentido es hacia la derecha.
Ayuda La dirección de un vector queda determinada respecto del eje horizontal imaginario. Por lo tanto, puede ser: horizontal, vertical o su ángulo correspondiente.
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Unidad 5 • Deformación y movimiento
Actividad propuesta 1. Para cada uno de los siguientes vectores, determina el módulo (valor en cm), la dirección (ya sea horizontal, vertical o el ángulo correspondiente) y el sentido (de acuerdo a los puntos cardinales: N, S, E u O). a. b. c. d.
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¿Qué es el movimiento? Generalmente, detectamos el movimiento de un objeto mediante nuestros sentidos y ca pacidad de observación por un cambio producido en el tiempo y en el espacio. El área de la física que se dedica a describir el movimiento de los cuerpos con suficiente precisión, pero sin preocuparse de su causa, para poder hacer predicciones sobre ellos es la cinemática. Ahora bien, si queremos describir el movimiento, es importante preguntarnos cómo hacerlo. Por ejemplo, si al salir de tu casa dejas un objeto encima de tu cama, cuando vuelves, ¿cómo sabes si alguien lo ha movido? Seguramente, has usado las palabras “cambió de posición”. De ser así, ¿qué relación percibes entre los conceptos de movimiento y de posición? El movimiento es un concepto que está muy relacionado con la posición. Nosotros sabe mos que si algo está quieto, no cambiará la posición en la que se encuentra. De igual forma, si algo se mueve, entonces irá cambiando su posición. En función de esto, definimos movi miento de la siguiente manera: El movimiento es un cambio de posición, es decir, algo está en movimiento cuando cam bia respecto de un marco de referencia a través del tiempo.
Las nubes parecen estar quietas cuando un avión pasa a su lado; sin embargo, al observarlas, nos damos cuenta de que estas se mueven muy lentamente respecto al avión.
La pregunta que surge ahora es: ¿respecto a qué cambia la posición de un cuerpo? Antes de responder esta pregunta, analicemos la siguiente situación:
Actividad propuesta 1. Observa la imagen y responde: a. ¿Cuál es la posición del joven?
b Tres amigos se encuentran discutiendo sobre cuál es la posición del joven de la imagen y hacen las siguientes afirmaciones: Amigo 1: -El joven está sobre la caja. Amigo 2: -El joven está bajo el paraguas. Amigo 3: -El joven está al lado del árbol. ¿Quién tiene la razón? Explica.
Como puedes haberte dado cuenta al realizar la actividad anterior, para indicar la po sición de un objeto es necesario hacer referencia a otro objeto (encima de, debajo de, al lado de); es más, la forma en que se indica la posición de un objeto depende de la referencia que se utilice. Por ejemplo, en la imagen anterior, se puede señalar la posición del niño desde tres objetos distintos: el árbol, la caja y el paraguas. Cada uno de estos objetos define un marco de referencia. Por lo tanto, las tres afirmaciones dadas por los tres amigos son correctas, pues cada uno de ellos está utilizando un marco de referencia distinto. Como ves, esto se puede convertir en un problema, ya que cada persona arbi trariamente puede usar un marco de referencia diferente. En consecuencia, así no se facilita la descripción del movimiento. Por ello, es necesario revisar más detenidamente este nuevo concepto.
Para grabar El movimiento depende del cambio de la posición de un cuerpo. La posición de un cuerpo es el lugar donde este se encuentra, y se determina a través de un marco de referencia. Un marco de referencia es otro objeto a partir del cual se describe el movimiento de un cuerpo.
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Ayuda El marco de referencia puede ser un lugar u objeto del Universo que permita describir lo que sucede con otros. Por lo general, el marco de referencia debe estar en la Tierra en reposo respecto del cuerpo que se encuentra en movimiento.
Marco de referencia El concepto de marco de referencia está relacionado con el lugar del Universo desde el que se estudia teórica y/o experimentalmente un fenómeno físico. La condición que debe cumplir el marco de referencia es que permita describir el comportamiento de los objetos en estudio. Para hacer este análisis, observa las siguientes imágenes que muestran distintos cuerpos en movimiento y revisa cada descripción. ¿Estás de acuerdo con ellas?
Los niños están en reposo sobre la patineta, la que se encuentra en movimiento respecto del suelo.
Si observamos uno de los vehículos desde el interior de otro que lleve el mismo movimiento, diríamos que está en reposo.
Los veleros son impulsados por el viento y podrían llevar el mismo movimiento, pero en la práctica no es así. Entonces, ¿de qué depende el movimiento de los veleros?
El jinete está en reposo respecto del caballo; el caballo se mueve respecto del suelo, y para un observador externo, el jinete se mueve junto al caballo.
Para decir que un objeto se encuentra en movimiento, se requiere establecer un punto que se considere fijo, el que será nuestra referencia para saber si el objeto cambia de posición. Podemos escoger cualquier objeto en reposo con respecto a nosotros como marco de referencia para describir el movimiento. Así, se puede percibir por el cambio de posición que experimenta un cuerpo en relación a un marco de referencia. Sin embargo, conviene establecer dentro del marco de referencia un sistema que permita describir el movimiento. Este es el sistema de coordenadas, que es utilizado para describir un movimiento a partir de las sucesivas posiciones del cuerpo, como veremos en la página siguiente.
Actividad propuesta 1. ¿Cómo describirías el movimiento que llevan los jóvenes por la playa? 2. ¿Cuáles son sus posiciones? 3. ¿Cuál sería el marco de referencia que usarías para describir el movimiento? ¿Qué representan las marcas dejadas en la arena?
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4. Finalmente, describe el movimiento con ayuda de los conceptos aprendidos hasta ahora.
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Sistemas de coordenadas Como hemos revisado hasta ahora, describir un movimiento requiere de una precisión con ceptual que considere un marco de referencia y las distintas posiciones del objeto en estu dio. Por otra parte, un marco de referencia puede ser cualquier objeto, persona o lugar que nos permita describir el movimiento, lo que es arbitrario de una persona a otra. Por lo tanto, es necesario hacer algunas consideraciones al respecto. Entre ellas están: • Un sistema que sea universal. Para ello, se utiliza el sistema de coordenadas como refe rencia. • Un sistema de coordenadas tiene un origen, el punto cero. Este puede o no coincidir con el inicio del movimiento. Sin embargo, es necesario elegir un punto, a partir de cual se registran las demás posiciones. • Un sistema de coordenadas queda definido a través de la recta numérica cuando el mo vimiento es unidimensional. A continuación, revisemos algunos ejemplos para relacionarlos con el sistema de coorde nadas.
Ampliando memoria Un sistema de coordenadas se puede describir utilizando los ejes del plano cartesiano, ya sea una, dos o tres dimensiones. Por lo tanto, de acuerdo a la dimensión en que se describa el movimiento, este será: unidimensional, bidimensional o tridimensional. Normalmente, el sistema de coordenadas se representa por dos ejes que se cruzan en el punto de origen, como muestra la imagen.
3 2 1 –3
–2
–1
El movimiento de un avión puede ser descrito a partir de un sistema de coordenadas.
El movimiento que lleva la bicicleta puede ser descrito a través del sistema de coordenadas.
Cuando se realizan mediciones de la posición de un cuerpo, el valor depende del punto con respecto al cual se indicó. El punto desde el que se realizaron las mediciones es el origen del marco de referencia, y el sistema de coordenadas es el sistema métrico y de unidades que se utilizó para hacer las mediciones. Así, para un movimiento unidimensional, el sistema de coordenadas se representa como muestra la imagen.
Origen
Para grabar Para los movimientos unidimensionales, el sistema de coordenadas queda descrito a través de la recta numérica asociada a la unidad de medida que corresponda.
Graduación de acuerdo a la unidad de medida utilizada
Actividad propuesta 1. Utiliza la imagen de referencia para analizar el movimiento de un hombre que sale de tierra firme a navegar por el río en línea recta. a. ¿Cómo describirías el movimiento del bote? b. ¿Cuál es el marco de referencia que utilizaste para describir el movimiento? c. ¿Dónde ubicarías el origen del sistema de coordenadas? d. ¿Cómo representarías en el sistema de coordenadas las distintas posiciones del bote?
La fuerza aplicada a los remos favorece el movimiento del bote.
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Ampliando memoria Los vectores son una herramienta geométrica utilizada para representar una magnitud física que depende del valor o módulo, de la dirección y del sentido.
Vector posición Para poder describir con precisión matemática el movimiento de un cuerpo, es necesario indicar el concepto de posición, que se simboliza con una X. En el contexto de la física, la posición de un cuerpo se representa a través de un vector que va desde el origen del marco de referencia hasta el punto donde se encuentra el objeto.
X1
X3
X2
Ayuda El signo + o – indica el sentido, y el valor numérico corresponde al módulo del vector. Si un vector tiene valor 0, significa que no tiene dirección ni sentido.
El trabajo con vectores puede ser muy complicado, pues no hay una forma cómoda de representarlos, más que dibujándolos. Sin embargo, cuando se trata de un movimiento unidimensional (un movimiento en una sola línea), este problema se ve altamente sim plificado, porque todos los vectores tienen la misma dirección y solo pueden tener dos sentidos posibles.
Para grabar La posición de un cuerpo es una magnitud vectorial, porque para que esté definida se debe considerar dónde se encuentra el cuerpo respecto del sistema de coordenadas, en qué dirección y en qué sentido.
–5m
–4m
En el ajedrez, el movimiento de cada una de sus piezas se registra en función de la ubicación del tablero.
En la imagen, se representan 3 puntos de distintos colores. Los vectores del mismo color indican la posición de cada uno de los puntos.
–3m
Cuando este es el caso, se le asigna el signo positivo a un sentido y el signo negativo al otro. Por ejemplo, en la imagen siguiente, podemos decir que el vector rojo tiene módulo 4 m, el vector azul tiene módulo 2 m y el vector verde tiene módulo 2 m, pero con sentido hacia la izquierda. En estos valores, el signo negativo indica que el vector apunta hacia la izquierda y el signo positivo indica que el vector apunta a la derecha; por lo tanto, es equi valente dibujar el vector o simplemente indicar su largo con un signo positivo o negativo. En este caso, todos los vectores tienen dirección horizontal. –2m
–1m
0m
1m
2m
3m
4m
5m
¿Qué interpretación se podría realizar, si cada uno de los vectores representa tres posiciones sucesivas de un cuerpo a través del tiempo? Se podría decir que el cuerpo cambió de posi ción y se alejó del sistema de coordenadas 2 m, luego continuó alejándose del origen 4 m y, finalmente, regresa para pasar por el origen y alejarse en sentido contrario 2 m.
Actividad propuesta 1. Escribe, para cada vector, el módulo y sentido, según muestra el sistema de coordenadas. –5m
–4m
–3m
–2m
–1 m
0m
1m
2m
3m
4m
5m
2. Si el sistema de coordenadas representa las sucesivas posiciones de un cuerpo a través del tiempo, ¿cómo describirías el movimiento del cuerpo realizado en el punto 1? Para hacerlo, considera que primero se mueve hacia la izquierda y luego hacia la derecha. 3. Una persona ha perdido su perro en la playa, pero encontró algunas de las huellas que quedaron registradas en la arena: una a 3 m, otra a 7 m y la última a 10 m. ¿Cómo representarías esta situación en un sistema de coordenadas?
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Trayectoria Para explicar la trayectoria, imagina las huellas que quedan en la arena al caminar por ella. Esta línea imaginaria que describe el movimiento de un cuerpo y que permite clasificarlo es la trayectoria. Por lo tanto, la trayectoria se define como el conjunto de todas las posiciones por las cuales pasa un cuerpo. En palabras simples, la trayectoria es el camino que sigue un cuerpo al moverse. Hay trayectorias rectas y curvas. Todos los movimientos llevan asociados distintas trayectorias, que se diferencian según el movimiento. Por ejemplo, si un estudiante quiere dirigirse en dirección a la Biblioteca Nacio nal de Chile y se encuentra en la intersección de la calle Tarapacá con Serrano, ¿cuáles serían las posibilidades de su trayectoria? La respuesta es que existen muchos posibles caminos y, por lo tanto, múltiples trayectorias.
Actividad modelada
Ampliando memoria El estudio de la trayectoria es importante en el ámbito de la investigación policial, puesto que para descubrir muchos enigmas relacionados con la trayectoria balística es necesario realizar un detallado estudio y seguir cuidadosamente todo el recorrido de la bala: se parte desde donde se disparó, para determinar las sucesivas posiciones por donde pasa y con qué obstáculos se tropieza en su camino.
¿Qué trayectorias seguiría un estudiante que se encuentra en la intersección de la calle Tarapacá con Serrano para llegar a la Biblioteca Nacional? Utiliza el mapa de referencia. N O
E
Actividad propuesta S
1. ¿Qué entiendes por trayectoria? Señala dos ejemplos. 2. En los distintos movimientos que pueden tener los cuerpos, ¿qué tipos de trayectorias podrías distinguir? 3. Obtén del mapa el valor de una trayectoria corta y una trayectoria larga para llegar desde la calle Serrano con Tarapacá hasta la Biblioteca Nacional.
Las posibilidades que tiene de llegar un estudiante a la Biblioteca Nacional son muchas. Algunas serían: caminar por la calle Serrano hacia la Avenida Bernardo O’Higgins y de ahí en sentido al este hasta llegar a la Biblioteca Nacional. Así realizaría dos trayectorias en línea recta. Otra posibilidad sería seguir por la calle Tarapacá hasta llegar a la Avenida Santa Rosa y de ahí seguir con una trayectoria rectilínea hasta llegar a la Biblioteca Nacional.
Para grabar
Como puedes darte cuenta, existen varias posibilidades de trayectorias. Así, unas pueden ser más cortas o más largas que otras. Por lo tanto, al obtener el valor de su medida, estamos hablando de la distancia recorrida. La distancia recorrida por un cuerpo es el largo de la trayectoria. Es una magnitud esca lar que indica el valor que tiene la línea imaginaria de las sucesivas posiciones por las que pasa un cuerpo en movimiento. La distancia recorrida se simboliza como s y se mide en metro en el Sistema Internacional.
La trayectoria es una línea imaginaria que une todas las posiciones por donde pasa el cuerpo en movimiento. Los movimientos se pueden diferenciar por sus trayectorias, que pueden ser rectas o curvas. La medida de la trayectoria es la distancia recorrida medida en metro en el SI.
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Vector desplazamiento De muchos de los movimientos que ocurren en la naturaleza solo se conocen sus despla zamientos y no sus trayectorias. Ejemplo de esto es el desplazamiento que realizan algunas aves cuando viajan desde Canadá hasta Brasil para no sufrir el efecto de las bajas temperatu ras, pues en el hemisferio norte es invierno y en el sur es verano. ¿Cómo se sabe que son las mismas aves las que llegan a Brasil? Los biólogos ponen anillos de metal ligero en las patas con la fecha y el lugar. Pero con esto solo se sabe desde dónde se inicia el viaje y dónde termina, no así su trayectoria. El desplazamiento es una magnitud vectorial y se representa por un vector que va desde un punto de la trayectoria a otro punto de la trayectoria. Es decir, el desplazamiento de un cuerpo es independiente de la trayectoria. Veamos una representación gráfica de ello:
Las aves migratorias son aquellas que recorren grandes distancias en busca de alimentos y condiciones ambientales. De esto, solo se conoce el desplazamiento, pero no su trayectoria.
Ampliando memoria La importancia de los vectores es que simplifican el estudio de la realidad a través de herramientas matemáticas que permiten encontrar el valor de las magnitudes.
En la imagen, cada una de las líneas de colores muestra una posible trayectoria (y, por lo tanto, una distancia recorrida) diferente para un cuerpo que se mueve entre el mismo par de puntos; en cambio, las tres trayectorias comparten un mismo desplazamiento, represen tado por la flecha negra. Entonces, el desplazamiento de cualquier objeto que se mueve está determinado solamen te por los puntos de partida y de llegada. Se simboliza como d y se mide en metro en el SI. La trayectoria, en cambio, es el camino completo que ha sido recorrido. Por lo tanto, no siempre coincide la trayectoria con el desplazamiento. Como sabemos, la distancia más corta entre dos puntos es una recta; por lo tanto, para un cuerpo que se mueve entre dos puntos, siempre la distancia menor que puede recorrer es el módulo del desplazamiento. Entonces, la distancia recorrida nunca puede ser menor a este, es decir, la distancia recorrida es siempre mayor o igual al módulo del vector desplazamiento.
Actividad propuesta 1. Un auto da dos vueltas a una pista de carreras de un largo de 20 km. Si vuelve al mismo punto desde el cual partió, ¿cuál fue su distancia recorrida? ¿Cuál fue su desplazamiento? ¿Cómo sería la representación gráfica? 2. Explica si es posible realizar un desplazamiento nulo. De ser posible, ¿en qué situaciones puede ocurrir? 3. Al comenzar el día despiertas en tu cama y al finalizar el día vuelves a dormir a tu cama. Con esto en mente, ¿cuál es tu desplazamiento a lo largo de un día?, ¿es igual a tu distancia recorrida?
Para grabar El desplazamiento es una magnitud vectorial que representa el cambio de posición de un cuerpo, pero se desconoce su trayectoria.
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Unidad 5 • Deformación y movimiento
4. Dos estudiantes están discutiendo sobre las siguientes afirmaciones. ¿Cuáles de ellas son correctas? a. En un movimiento de trayectoria recta, la distancia recorrida es siempre igual al desplazamiento. b. En un movimiento de trayectoria recta, la distancia es igual al desplazamiento solo si el cuerpo nunca cambia su sentido de movimiento. c. En un movimiento de trayectoria recta, el desplazamiento nunca puede ser nulo.
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Vector velocidad media Conocer solamente la trayectoria y el desplazamiento de un cuerpo no nos sirve para saber qué tan rápido se mueve; para ello, necesitamos tener en cuenta el tiempo en que se realiza el movimiento. Un intervalo de tiempo puede ser medido en segundo, minuto u hora. A partir de los datos del desplazamiento y del intervalo de tiempo, se puede conocer la ve locidad de un cuerpo en movimiento. Empezaremos con un caso sencillo para describirla.
5s
0s
12 m
A
12 m
0s
B
0
10 s
5s
24 m
4
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12
16
20
24
m
Ampliando memoria
Se representan los movimientos de dos perros que tienen el mismo desplazamiento, que es 24 m, y ambos parten al mismo tiempo. Uno de ellos tarda 10 s y el otro 5 s. ¿Cuál se ha movido más rápidamente? A simple vista, se puede decir que el perro B es más rápido que el perro A, ya que este último emplea el doble del tiempo para desplazarse y llegar a la posición final. La relación de las variables que cumple con estas características es la siguiente:
Al hablar de la velocidad, hay que tener presente que la que se puede obtener a través del uso de vectores es la velocidad media. También existe la velocidad instantánea, que corresponde a aquella que se obtiene en cada instante de tiempo.
• La velocidad media es la razón entre el desplazamiento y el intervalo de tiempo. • La velocidad se mide en el Sistema Internacional de unidades en m/s. • La velocidad se representa con la letra v porque es una magnitud vectorial. En el ejemplo, ambos se desplazan en la misma dirección y sentido. El módulo es: m d 24 m d 24 m m = = 4, 8 = = 2, 4 Perro A, v= y para el perro B, v= m m t 5s s t 10 s s Con esto, se ha comprobado que la velocidad es menor para el perro A que para el perro B.
Ayuda La velocidad media indica el desplazamiento realizado en cada intervalo de tiempo. Se mide en el Sistema Internacional en m/s. Su fórmula es: d v= m t
Actividad propuesta 1. Calcula la velocidad media de un cuerpo cuyo desplazamiento en un tiempo de 10 s tiene un módulo de 30 m hacia el norte. Recuerda que debes indicar la dirección y sentido del vector velocidad media. 2. Un auto da dos vueltas a una pista de carreras de largo 200 km, y vuelve al mismo punto desde el cual partió. Si demora 4 h en hacer el recorrido, ¿cuál es la velocidad media? 3. Un automóvil va por una carretera, con sentido al sur, que pasa por el kilómetro 20 a las 9 de la mañana. A las 11 de la mañana, pasa por el kilómetro 180. ¿Cuál es la magnitud del desplazamiento?, ¿cuál es el intervalo de tiempo?, ¿cuál es la velocidad media expresada en km/h?, ¿cuál es su sentido?
Para grabar La velocidad media es una magnitud vectorial que se relaciona con el desplazamiento de un cuerpo en un intervalo de tiempo. Se mide en el Sistema Internacional de unidades en m/s.
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Ayuda En el lenguaje cotidiano, habitualmente se habla de rapidez y velocidad sin establecer diferenciación entre un concepto y otro. Debes tener presente que son distintos en lo siguiente: La velocidad depende del desplazamiento del cuerpo y del intervalo de tiempo; en cambio, la rapidez se obtiene a partir de la distancia recorrida en el tiempo. La velocidad es una magnitud vectorial; en cambio, la rapidez es escalar.
Ampliando memoria ¿Sabías que está mal empleado el término “velocímetro” porque en realidad mide la rapidez instantánea? Por lo tanto, debiera llamarse “rapidímetro”, pues no indica dirección ni sentido.
Rapidez media Cuando observamos un movimiento efec tuado por un cuerpo, es fácil percibir cómo este se desplaza y cuál es su trayectoria. Esto podemos comprobarlo al ver transitar un automóvil sobre la autopista o al con templar que un avión, a medida que se mueve, va dejando una estela de humo en el aire o cuando una persona camina por la arena y sus huellas quedan marcadas. Pero, ¿qué ocurre con la rapidez de varios cuerpos en movimiento cuando queremos Si observamos una carrera de caballos, decimos que el ganador será compararla con la de otro, si no se desarro el caballo que se mueva con mayor rapidez. ¿Cómo sabemos esto? llan simultáneamente? En este caso, nues tros sentidos no nos permiten conocer exactamente cuál es más rápido. Para determinar con precisión esta magnitud, sería necesario calcularla. La rapidez media de un cuerpo en movimiento se obtiene a partir de la distancia recorrida por unidad de tiempo empleado. Entonces, todas las unidades de longitud y de tiempo adecuadas pueden emplearse para medir la rapidez. Esta es una magnitud escalar, es decir, solo basta conocer su valor para que quede completamente definida. Los cuerpos se mueven de muchas maneras, a veces pueden moverse más rápido que otros, o con una rapidez constante o variable. Además de la rapidez media, podemos hablar de rapidez instantánea. Ambas se miden en el Sistema Internacional en m/s. La rapidez instantánea se refiere al valor de esta en un instante preciso; por ejemplo, cuando un conductor mira los instrumentos del tablero de su automóvil y lee que en ese instante se mueve a 80 km/h. Habitualmente, se obtiene la rapidez media cuando nos referimos a la distancia que recorre un cuerpo en movimiento en un intervalo de tiempo. Este valor se calcula dividiendo la dis tancia recorrida por el tiempo empleado. Por ejemplo, si en un viaje se recorren 800 km en 10 horas, pero se han realizado algunas paradas para descansar, la rapidez no ha sido la misma en todo el trayecto. En este caso, se obtiene la rapidez media de 80 km/h.
Actividad modelada Un cuerpo recorre 150 m en 15 s, entonces, ¿cuál fue su rapidez media?, ¿es correcto decir que su rapidez durante todo el movimiento fue igual a 10 m/s? Explica. v= m
distancia recorrida s 150 m m = = = 10 tiempo empleado t 15 s s
La rapidez del cuerpo es 10 m/s, pero esto no significa que durante todo el movimiento mantuvo tal rapidez.
Actividad propuesta Para grabar La rapidez es una magnitud escalar que relaciona la distancia recorrida y el tiempo empleado. Puede ser rapidez instantánea o rapidez media. Se mide en el Sistema Internacional de unidades en m/s.
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Unidad 5 • Deformación y movimiento
1. Completa la tabla con la rapidez que corresponde para cada distancia y tiempo indicados. Distancia recorrida (m)
Tiempo empleado (s)
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5
10
5
20
10
Rapidez media (m/s)
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¿Qué parámetros permiten describir un movimiento? Para que cualquier movimiento quede completamente definido, se debe considerar conceptos como: marco de referencia, sistema de coordenadas, posición, trayectoria, distancia recorrida, desplazamiento, velocidad y rapidez. Revisemos, a continuación, un ejemplo modelado.
Ayuda
Actividad modelada Un cuerpo se mueve 6 m hacia la derecha y luego retrocede 3 m hacia la izquierda, y se demora 3 s en todo el recorrido. ¿Cuál es su distancia recorrida, su desplazamiento, su rapidez media y su velocidad media? Para resolverlo, siempre es útil hacer un dibujo del problema: Dividamos el dibujo en dos partes. Primero, cuando el cuerpo se mueve hacia la derecha: 1.
6m
Los símbolos empleados para cada uno de los conceptos son: Posición (x) Camino recorrido (s) Desplazamiento (d) Velocidad media (v m) Rapidez media (Vm)
Y luego, cuando se mueve hacia la izquierda: 2. 3m
Como el cuerpo se mueve 6 m a la derecha, pero luego retrocede 3 m, entonces termina 3 m a la derecha de su posición inicial. Dibujamos, entonces, la posición inicial y final del objeto: 3.
3m
Una vez que hemos hecho esto, podemos obtener la distancia recorrida: El cuerpo se mueve 6 m hacia la derecha y luego 3 m hacia la izquierda, entonces su distancia recorrida (s) es: s = s1 + s2 = 6 m + 3 m = 9 m; por lo tanto, la distancia recorrida es 9 m. Su desplazamiento es un vector. Para este movimiento unidimensional, lo primero que debemos hacer es definir un signo para cada sentido. En este caso, diremos que el signo positivo corresponde al sentido hacia la derecha y el signo negativo corresponde al sentido hacia la izquierda. Para calcular el desplazamiento total del cuerpo, tenemos que sumar los desplazamientos del primer y segundo dibujo: d = 6 m + (–3 m) = 3 m; por lo tanto, el vector desplazamiento corresponde al del tercer dibujo. Para calcular la rapidez media, recurrimos a la fórmula: s 9m m v= = =3 m t 3s s Para calcular la velocidad media, recurrimos a la fórmula: d 3m m v= = =1 m t 3s s Por lo tanto, tenemos las respuestas a todas las preguntas. Es decir, la distancia recorrida es de 9 m, el desplazamiento es de 3 m hacia la derecha, la velocidad media del movimiento es de 1 m/s hacia la derecha y la rapidez media es 3 m/s. Como puedes darte cuenta, la distancia recorrida es distinta al desplazamiento y la rapidez es diferente a la velocidad.
Para grabar Un movimiento queda determinado cuando se usan los conceptos de marco de referencia, sistema de coordenadas, posición, trayectoria, distancia recorrida, desplazamiento, velocidad y rapidez.
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Ampliando memoria Un movimiento es simultáneo cuando se superponen al mismo tiempo varios movimientos sucesivos. De tal forma que para poder estudiarlos es necesario fijar un marco de referencia, a partir del cual podemos observar el movimiento de un cuerpo con respecto al movimiento de otros.
Relatividad del movimiento Ya habrás notado que describir el movimiento de los cuerpos no es tarea fácil. Al menos, no lo es cuando desconocemos las palabras adecuadas para hacerlo. Por esto, es importante apren der los términos, conceptos y procedimientos que nos permitan organizar la información que obtenemos al observar el movimiento de los cuerpos. Hasta ahora, hemos descrito el movimiento con palabras como posición, trayectoria, despla zamiento, velocidad, rapidez; para los casos de movimientos sencillos. ¿Qué pasaría si intenta mos describir movimientos simultáneos, como la situación que veremos a continuación?
Situación inicial
Situación final
A continuación, se muestra en la tabla, la posición inicial de cada cuerpo con el marco de referencia de los demás cuerpos: Marco de referencia
Posición del velero
Posición del teléfono
Posición de la pelota
Velero
Origen
2 cuadros arriba
3 cuadros arriba
Teléfono
2 cuadros abajo
Origen
1 cuadro arriba
Pelota
3 cuadros abajo
1 cuadro abajo
Origen
Ayuda El marco de referencia se considera en reposo respecto del cuerpo en movimiento que se está estudiando.
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Actividad propuesta 1. Utiliza el ejemplo mostrado en la página anterior y explica: ¿cuáles de los cuerpos se movieron? 2. Completa la siguiente tabla de igual forma que la anterior para el caso de las posiciones finales. Marco de referencia
Posición del velero
Posición del teléfono
Posición de la pelota
Velero Teléfono Pelota 3. Completa la siguiente tabla e indica si la posición de cada uno de los cuerpos cambió según la situación inicial y la final, respecto de cada marco de referencia. Marco de referencia
Posición del velero
Posición del teléfono
Posición de la pelota
Velero Teléfono Pelota 4. De acuerdo a la definición de movimiento como “cambio de posición” y los datos de la tabla de la pregunta 3, indica cuáles de los cuerpos se movieron. Explica en detalle. 5. ¿Coinciden tus respuestas de las preguntas 1 y 4?, ¿por qué?
¿Por qué el movimiento es relativo? Al realizar la actividad anterior, debes haberte dado cuenta de que la descripción del mo vimiento (e incluso el hecho de si hay o no movimiento) depende del marco de referencia. Hablar de si algo se movió o no se movió es relativo, puesto que puede haberse movido res pecto de algunos marcos de referencia, pero haberse quedado quieto respecto de otros. Por lo tanto, decimos que el movimiento es relativo, ya que su descripción depende del marco de referencia desde el cual se describa. Seguramente, en más de una ocasión tus sentidos se han equivocado al observar un tren o un bus en movimiento, cuando te encuentras dentro de otro tren o bus y miras por la ventana para ver si se mueven los otros pasajeros. ¿Cómo saber cuál de los dos transportes se mueve? Este caso, debemos realizar el análisis desde tres puntos de vistas: • Cuando ambos cuerpos están en reposo relativo: en este caso, se observa que ningu no de los transportes se mueve, porque el marco de referencia a partir del cual se estudia el movimiento de ambos cuerpos se encuentra en reposo. • Cuando uno de los cuerpos está en movimiento y el otro está en reposo relativo: en este caso, existen dos posibilidades para el marco de referencia que permite interpre tar el movimiento. Primero, si fijamos la vista en el cuerpo en movimiento o marco de referencia, veremos que se mueve el cuerpo que está en reposo y, por otra parte, si el marco de referencia es el cuerpo que está en reposo, veremos que se mueve el cuerpo que está en movimiento, lo que sí es correcto. • Cuando ambos cuerpos están en movimiento relativo: si dos cuerpos se mueven en el mismo sentido y a la misma velocidad se ven en reposo cuando el marco de referencia está en uno de ellos. Todo este estudio sobre el movimiento relativo introduce cambios importantes sobre los conceptos de velocidad relativa, que revisaremos a continuación.
El movimiento de los trenes depende del marco de referencia desde donde se realice la observación.
Para grabar El movimiento es relativo porque depende del marco de referencia respecto del cual se estudia o se observa el cuerpo.
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Velocidad media relativa unidimensional En lo cotidiano, hay situaciones en que es posible representar el movi miento simultáneo de un cuerpo o de varios cuerpos en movimiento. Para obtener su velocidad media relativa es necesario escoger un marco de referencia. Esto permite explicar por qué un bote es ayudado por la corriente, si esta se produce en el mismo sentido del movimiento, o bien, por qué un nadador avanza menos, si lo hace en contra de la corriente del agua.
¿Cómo explicarías que una persona, al caminar por una escala mecánica en movimiento, se desplace más que si va quieta sobre ella?
Cuando hay dos cuerpos en movimiento simultáneo, la velocidad con la que uno de ellos percibe que se mueve el otro se conoce como velocidad media relativa. Por lo tanto, tenemos dos velocidades me dias relativas. La velocidad media relativa de A con respecto a B ( AB) y la velocidad media relativa de B con respecto a A ( BA ). Si las velocidades medias de A y B medidas en otro marco de referencia son AB y BA , res pectivamente, las velocidades medias relativas se pueden calcular como: v = v– vB AB A v = v– vA BA B
Ampliando memoria Para obtener la velocidad relativa existen dos principios que ayudan en la interpretación de movimientos simultáneos. Estos son: Principio de superposición: si un objeto está sometido a dos o más movimientos, su posición y velocidad se obtienen sumando las magnitudes de ambos movimientos. Principio de independencia: si un cuerpo está sujeto a dos o más movimientos simultáneos, su posición o velocidad es independiente de este hecho.
Para el caso de los movimientos unidimensionales, se cumple que: • Si el marco de referencia está en la Tierra (en reposo) y desde donde el observador estu dia el movimiento, el movimiento de dos o más cuerpos está determinado por la velocidad media relativa, que depende de la dirección y del sentido. Si los movimientos se producen en la misma dirección, se simplifica bastante, si los hacemos coincidir con la trayectoria, los sumamos; si los movimientos se realizan en sentido contrario, los restamos. • Si el marco de referencia está en uno de los cuerpos en movimiento, y estos se mue ven en sentido contrario, el módulo de la velocidad media relativa entre ellos es: vrel = vA + v B Y si se mueven en el mismo sentido, el módulo de la velocidad media relativa entre ellos es: v = v– vB rel A
Actividad modelada Una mosca vuela a 2 m/s en el interior de un vagón de tren que avanza a 30 m/s en la misma dirección y sentido. ¿Qué velocidad media llevará la mosca para un observador situado en el vagón, y para otro situado en el andén? Para el observador del vagón, la velocidad media de la mosca es 2 m/s, ya que es la velocidad con la que vuela por su interior. Para el observador del andén, la velocidad media de la mosca será la que esta tiene dentro del vagón más la que lleva el tren con respecto al andén: m v =v + v= 2 + 30 = 32 , en el mismo m m tren s sentido del movimiento del tren.
214
Unidad 5 • Deformación y movimiento
Mosca
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1 1
2 2
3 3
5 5
4 4
Actividad propuesta 1. Dos pelotas se acercan con velocidades medias de 6 m/s y 4 m/s, medidas con respecto a la Tierra (un marco de referencia en reposo), como muestra la figura:
A
6 m/s
4 m/s
B
a. ¿Con qué velocidad media percibe la pelota A que se mueve la pelota B? b. ¿Con qué velocidad media percibe la pelota B que se mueve la pelota A? 2. Dos ruedas se alejan con velocidades medias de 6 m/s y 4 m/s, medidas con respecto a la Tierra (un marco de referencia en reposo), como muestra la figura:
A
B 4 m/s
6 m/s
Para grabar La velocidad media relativa de dos o más movimientos simultáneos depende del marco de referencia.
a. ¿Con qué velocidad media percibe la rueda A que se mueve la rueda B? b. ¿Con qué velocidad media percibe la rueda B que se mueve la rueda A? 3. La siguiente imagen muestra tres vehículos que se desplazan en una calle, con velocidades medias medidas respecto a la Tierra, como marco de referencia, e indicadas por sus vectores. 2 m/s 8 m/s
4 m/s
A
B
C
a. Indica las velocidades medias de cada vehículo con respecto del marco de referencia del vehículo A.
A
B
C
b. Indica las velocidades medias de cada vehículo con respecto del marco de referencia del vehículo B.
A
B
C
c. Indica las velocidades de cada vehículo con respecto del marco de referencia del vehículo C.
A
B
C
Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
215
Historial Utiliza este resumen de los contenidos para elaborar tu propio organizador conceptual.
Deformación de los materiales Los materiales se deforman ante una fuerza exterior o cambian su estado de movi miento. Así, las fuerzas a que son sometidos pueden ser de tracción, compresión o torsión. Los materiales se comportan con respecto a las fuerzas aplicadas como: • Plásticos: cuando sufren deformaciones permanentes. • Elásticos: cuando se deforman y recuperan su estado inicial. • Rígidos: cuando se rompen por la alta intensidad de una fuerza. Págs. 190 a 193
Ley de Hooke y medida de las fuerzas Las deformaciones que se producen en los cuerpos elásticos son proporcionales a las fuerzas aplicadas. Muchas cumplen con la ley de Hooke, F = K • ΔL, y se puede deter minar la constante de recuperación del material. La ley de Hooke se aplica en la determinación de la intensidad de las fuerzas, que se miden en newton (N) con un dinamómetro. El dinamómetro es un instrumento elaborado con un resorte que se comporta según la ley de Hooke. Por lo tanto, el resorte se puede calibrar. Es decir, se establece una equiva lencia entre la fuerza aplicada y la deformación producida en el resorte. Págs. 194 a 195
Parámetros que describen el movimiento • Marco de referencia: está relacionado con el lugar del Universo desde el que se estudia teórica y/o experimentalmente un movimiento. • Sistema de coordenadas: se emplea como marco de referencia universal. • Posición: es el lugar donde se encuentra un cuerpo en movimiento. • Trayectoria: es una línea imaginaria por donde pasa el cuerpo. • Distancia recorrida: es la medida de la trayectoria que recorre un cuerpo. • Desplazamiento: se obtiene a partir del cambio de posición. • Velocidad: es la razón entre el desplazamiento y el intervalo de tiempo. • Rapidez: es la razón entre la distancia recorrida y el tiempo empleado. La explicación del movimiento de varios cuerpos simultáneos se realiza a partir de un marco de referencia y se utilizan los principios del movimiento relativo. Págs. 202 a 215
216
Unidad 5 • Deformación y movimiento
Modelamiento de pregunta PSU
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2 2
3 3
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4 4
Cargando disco Te invitamos a resolver el siguiente ejemplo de pregunta. 1 Una persona (A) está parada frente a la línea férrea, desde donde observa pasar los vagones de una locomotora. Desde allí se ve al maquinista (B) y una luz encendida en su exterior. C B A
¿Cuál de las siguientes alternativas representa la descripción correcta del movimiento? A. B. C. D. E.
En relación con A, B y C están en reposo. En relación con A, B está en movimiento y C está en reposo. En relación con B, A está en reposo y C está en movimiento. En relación con C, B está en reposo y A está en movimiento. En relación con B, A y C están en movimiento.
A continuación, analicemos las respuestas. está en la locomotora, entonces estaría en reposo y no en movimiento, como declara la alternativa.
A. Incorrecta. Si la persona parada (A) observa el movimiento de los vagones, del conductor (B) y de la luz de la loco motora (C), verá que B y C están en movimiento y no en reposo.
D. Correcta. Si el marco de referencia está situado en el exterior de la locomotora (C) y desde ahí se observa el movimiento, se verá que el conductor de la locomotora (B) está en reposo y que la persona parada (A) frente a la línea férrea está en movimiento.
B. Incorrecta. Si la persona parada (A) observa el movimiento de los vagones, del conductor (B) y de la luz de la locomo tora (C), verá que B y C están en movimiento. Y por lo tanto, asumirá que B y C tendrán el mismo movimiento, ya que ambos están en la locomotora.
E. Incorrecta. Si el marco de referencia está situado en la locomotora (B) y desde allí se observa el movimiento, se verá que la persona parada (A) frente a la línea férrea está en movimiento y la luz encendida de la locomotora (C) está en reposo, y no se encuentra en movimiento como dice la alternativa.
C. Incorrecta. Si el marco de referencia está situado en la lo comotora (B), entonces desde ahí se observa el movimien to. Por lo tanto, se verá que la persona parada (A) frente a la línea férrea está en movimiento. Y como la luz encendida
Entonces, la alternativa correcta es la D. A
B
C
D
E
1
Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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uac eval ión
en co n t i do
habilidad
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c c
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I.
Evaluación final
Verificando disco
Marca la alternativa que consideres correcta. 1 ¿En qué casos los resortes cumplen la ley de Hooke? I. Cuando se deforman según la fuerza aplicada. II. Cuando cesa la fuerza, vuelven a su posición inicial. III. La compresión y el estiramiento, depende de la fuerza aplicada. A. Solo I B. Solo I y II
C. Solo I y III D. Solo II y III
E. Solo I, II y III.
I. Para ser usado en un dinamómetro. II. Para conocer su constante elástica. III. Para obtener el valor de la masa de un cuerpo. C. Solo II y III D. Solo I y III
E. Solo I, II y III.
3 ¿Cuál de los siguientes materiales cumple con la ley de Hooke? I.
III.
II.
IV.
A. Solo I B. Solo II
C. Solo III D. Solo IV
Es el lugar desde donde se describe el movi miento. II. Un objeto en reposo puede ser un marco de referencia. III. Es un punto fijo que se usa para describir el movimiento.
218
Unidad 5 • Deformación y movimiento
C. Solo I y III D. Solo II y III
E. Solo I, II y III.
A. B. C. D. E.
Es la medida de la trayectoria. Corresponde al desplazamiento. Es donde se encuentra un cuerpo. Es una línea imaginaria por donde pasa el cuerpo. Es la razón entre el desplazamiento y el intervalo de tiempo.
Utiliza la imagen para responder las preguntas 7 y 8.
7 ¿Qué parámetro del movimiento muestra la imagen?
I.
C. Solo I y III D. Solo II y III
A. Solo I B. Solo I y II
E. Solo II y III.
4 En relación al marco de referencia. ¿Cuál(es) es(son) correctas(s)?
A. Solo II B. Solo I y II
I. Es un marco de referencia universal. II. Tiene un origen dado por el punto cero. III. Queda definido a través de la recta numérica, cuando es un movimiento unidimensional.
6 ¿Cuál de las siguientes definiciones corresponde a la de posición?
2 ¿Para qué se calibra un resorte?
A. Solo III B. Solo I y II
5 ¿Qué característica(s) define(n) al sistema de coordenadas para describir el movimiento?
E. Solo I, II y III.
A. B. C. D. E.
La rapidez. La posición. La trayectoria. El desplazamiento. El camino recorrido.
8 ¿A qué corresponde la medida de su valor? A. B. C. D. E.
A la rapidez. A la posición. A la trayectoria. Al desplazamiento. Al camino recorrido.
0 0
9 ¿Qué parámetro marcado con una flecha negra se muestra en la imagen?
1 1
2 2
3 3
5 5
4 4
12 ¿Cuál de las siguientes alternativas es correcta según lo que muestra la imagen, si ambos ciclistas llevan la misma velocidad?
1
2
3 A. B. C. D. E.
La rapidez. La posición. La trayectoria. El desplazamiento. El camino recorrido.
10 Un competidor olímpico recorre 90 metros en una superficie horizontal hacia el norte en un intervalo de 9 segundos. ¿Cuál es su velocidad media? A. B. C. D. E.
10 m/s 0,9 m/s 10 m/s en sentido sur y dirección vertical. 10 m en sentido norte y dirección horizontal. 90 m/s en sentido norte y dirección horizontal.
11 ¿Cuál(es) de los animalitos es(son) más rápido(s), según las imágenes? I. Recorre 5 m en 25 s.
II. Recorre 50 m en 10 s.
III. Recorre 5 m en 1 s.
A. B. C. D. E.
Solo II Solo I y II Solo I y III Solo II y III Solo I, II y III
A. En relación con la persona 1, los ciclistas 2 y 3 están en reposo. B. En relación con el ciclista 2, la persona 1 y el ciclista 3 están en reposo. C. En relación con el ciclista 3, el ciclista 2 está en reposo y la persona 1 está en movimiento. D. En relación con la persona 1, el ciclista 2 está en movimiento y el ciclista 3 está en reposo. E. En relación con el ciclista 2, la persona 1 está en reposo y el ciclista 3 está en movimiento. 13 Si dentro de un camión que se mueve a 10 m/s hacia el norte rueda una pelota en dirección horizontal a una velocidad media de 2 m/s en el mismo sentido que el camión, ¿cuál será el módulo de la velocidad media relativa de la pelota para un observador en tierra firme? A. B. C. D. E.
2 m/s 8 m/s 10 m/s 12 m/s 10 m/s hacia el norte.
14 Un velero navega por la costa. Se aleja de la playa hacia el norte a una velocidad media de 4 m/s. De pronto, un fuerte viento sopla hacia el sur, con una velocidad media de 10 m/s. ¿Cuál será la nueva velocidad? A. B. C. D. E.
4 m/s 6 m/s 10 m/s 14 m/s 6 m/s hacia el sur. Física 1º medio • Nuevo Explor@ndo
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uac eval ión
en co n t i do
habilidad
e e
c c
h h
II. Analiza la siguiente situación experimental y luego responde.
Evaluación final - Pensamiento científico
X (m) 6
El paso final de todo trabajo científico es la elaboración de las conclusiones, con el fin de explicar un fenómeno en función de los resultados y de las variables experimentales.
5
4
Se ha encontrado el siguiente gráfico, que corresponde a la descripción de un cuerpo en movimiento unidimensional sobre un plano horizontal, en donde se han obtenido las sucesivas posiciones a través del tiempo. Analiza la información disponible y responde las preguntas planteadas a continuación.
3
2
1
2
4
6
8
10
12
14
–1
–2
1 ¿Cuáles son los resultados relevantes del gráfico que te permiten describir el movimiento del cuerpo?
2 ¿Qué distancia ha recorrido al cabo de 4 s?
3 ¿Qué sucede entre los intervalos 2 a 4 s y entre 12 a 14 s?
4 A partir del gráfico, ¿qué datos permiten obtener la velocidad promedio?
5 ¿Qué correspondencia puedes establecer entre los datos y las variables experimentales?
6 ¿Cuál es tu descripción del movimiento de este cuerpo?
220
Unidad 5 • Deformación y movimiento
16
t (s)
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5 5
4 4
Cerrar sesión I. Revisa tus respuestas de alternativas. Pregunta
Contenido evaluado
1 2
Habilidad
Deformación de materiales y efectos de las fuerzas.
Comprender Comprender
4
Recordar
5
Recordar
6
Recordar
8
Parámetros que describen el movimiento.
Logro alcanzado
Remediales
10
Aplicar
11
Aplicar
12
Aplicar
14
3
Revisa las páginas 202 a 211 de tu texto.
8
Aplicar Aplicar
Relatividad del movimiento.
Revisa las páginas 190 a 197 de tu texto.
Aplicar
9
13
Mi revisión
Comprender
3
7
Clave
Aplicar
Revisa las páginas 212 a 215 de tu texto.
3
Aplicar
II. Revisa tus respuestas de la actividad procedimental. Etapa del método
Elaboración de conclusiones
Criterios
Respuesta
En la elaboración de las conclusiones no se identifican los resultados ni las variables experimentales; por lo tanto, no se explica ni en relación con la correspondencia de los resultados ni con las variables experimentales.
Incorrecta
En la elaboración de las conclusiones se identifican los resultados relevantes, pero no la relación con la manipulación de las variables experimentales, de manera que se explica en relación con los resultados, pero no con las variables experimentales.
Parcialmente correcta
En la elaboración de las conclusiones se identifican los resultados relevantes y la relación con la manipulación de las variables experimentales, de manera que se explica de forma clara y sencilla la correspondencia entre los resultados y las variables experimentales.
Correcta
Mi estado Anota el nivel de logro de tus aprendizajes dentro de la unidad usando la simbología dada después de la tabla. Evaluación sección
Inicializando
Analizando disco
Verificando disco
Mi estado final 1. Por lograr; 2. Medianamente logrado; 3. Bien logrado
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uac eval ión
en co n t i d o
habilidad
e e
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h r
Habilidad
Evaluación integradora
Recopilando disco
Evaluar
En esta doble página te presentaremos preguntas abiertas que podrás responder haciendo énfasis en la habilidad de evaluar. Para ello, sigue una secuencia de pasos, como son: analizar, identificar, verificar y explicitar, descritos al margen.
Consiste en emitir un juicio sobre algo (un texto, un procedimiento o un resultado), de acuerdo a un criterio conocido y válido.
Responde de acuerdo a las siguientes situaciones que se presentan a continuación.
Pasos para evaluar Paso 1: analiza el objeto o la situación que se evaluará, en este caso, el esquema y las preguntas, detectando sus partes más importantes. Paso 2: identifica el o los criterios de evaluación. Es decir, considera qué componentes del esquema entregan información que te ayuda a responder las preguntas. Paso 3: verifica si las respuestas satisfacen la situación que se evalúa. Chequea, a su vez, que estas correspondan a la situación que se evalúa. Paso 4: explicita de manera coherente tus argumentos sobre tu evaluación del esquema y las respuestas a las respectivas preguntas.
1. Un sismógrafo es un instrumento muy sensible que consta de una masa suspendida, que oscila debido al movimiento provocado por las ondas sísmicas. Estas son registradas a través de un dibujo que permite determinar la intensidad, la duración y la magnitud de un sismo mediante gráficas llamadas sismogramas.
Bisagra Tambor giratorio
Masa inmóvil
Ondas S
Amplitud Tiempo
Lápiz
Ondas P
Ondas superficiales
Vibración del terreno
A partir de estos antecedentes, evalúa qué materiales te permiten construir un sismógrafo y cuál será el procedimiento. Además, indica si el sismograma tiene alguna relación con un gráfico de movimiento. Para ello, desarrolla tus respuestas según los siguientes pasos: a. Analiza la imagen del sismógrafo y señala sus partes más importantes. ¿Cuáles serían?
b. Identifica qué materiales usarás y cuál será el procedimiento para construir un sismógrafo.
c. Verifica si existe relación entre el sismograma y los gráficos de movimiento.
d. Explicita qué requisitos debe cumplir el montaje elaborado, la secuencia de pasos para hacerlo y la relación del sismograma con los gráficos de movimiento.
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Evaluación integradora
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2. El movimiento de las placas tectónicas lleva asociado un cambio de posición, forma o volumen debido a la deformación que experimentan los materiales al ser sometidos a esfuerzos. Esto ocasiona la formación de cordilleras, pliegues y fallas que son causadas por deformaciones que pueden ser: elásticas, plásticas o por rotura. Al respecto, evalúa qué tipo de deformación se produce, de acuerdo a los materiales que constituyen las placas y con ayuda de los pasos propuestos a continuación, en cada una de las imágenes que se muestran.
a. Analiza las imágenes que se presentan, considerando el contexto entregado, e indica tus observaciones.
Ayuda
b. Identifica los criterios que empleas para realizar la evaluación del tipo de deforma ción que se produce en el pliegue y en la falla.
Compara tus respuestas del punto 1 con la información que aparece en las páginas 172, 173, 202 a 207; para el punto 2, revisa las páginas 163, 188, 189, 196 y 197, y para el punto 3, las páginas 174, 175, 202 a 215.
c. Verifica si existe relación entre los materiales de las placas y el tipo de deformación.
d. Explicita tu evaluación con argumentos que la avalen de acuerdo a lo pedido.
Discontinuidad de Mohorovicic
Velocidad (km/s)
3. El siguiente gráfico, muestra las variaciones de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas según la profundidad en el interior de la Tierra. Evalúa el comportamiento de las ondas considerando los conceptos aprendidos de marco de referencia, sistema de coordenadas, posición, trayectoria, desplazamiento, rapidez y velocidad relativa. Para ello, resuelve de acuerdo a los pasos sugeridos en el margen de la página anterior.
14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Discontinuidad de Gutenberg
Discontinuidad de Lehmann
Ondas P Ondas S
Manto 670
Núcleo 2 000
2 900
4 000
5 150
6 000
Profundidad (km)
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