Profe Cossoli

¿Sabías que...?

Sobre Física - Parte II

"Cuanto más conozcas, mejor"

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La Teoría de la relatividad general, que Albert Einstein (Ver bibliografía) publicó en 1916, ha sido y es una de las teorías más influyentes de todos los tiempos. Esta teoría es bastante compleja y contiene un montón de implicaciones interesantes que han sido demostradas en diversas ocasiones:

• La Teoría de la relatividad general es la mejor teoría moderna de la gravitación: En esencia esta teoría indica que la materia hace que se curve el entramado del Universo, llamado espacio-tiempo. Para dar una idea de la teoría imaginemos un objeto pesado en una cama elástica. Este, deforma su entorno (la cama) de forma que si situamos una bola en la cama elástica esta se verá atraída por el objeto. De la misma forma, según esta teoría, un objeto deforma el espacio-tiempo de su alrededor y hace variar el movimiento de otros objetos. Esta teoría es una ampliación de la teoría de Newton, la cual sigue siendo útil para objetos con menor masa.

• Para la teoría de la relatividad la velocidad de la luz (señalada con la letra c) debe ser constante independientemente del punto de referencia del observador. Esto tiene implicaciones muy importantes: Los relojes en movimiento se mueven más despacio, es decir, cuando estamos el movimiento nuestro tiempo pasa más despacio. Imaginemos que dentro de un vagón de tren parado medimos el tiempo que tarda un pulso de luz en viajar desde el extremo trasero del vagón hasta el otro. Con esto podemos determinar la velocidad de la luz en parado. Si repetimos el experimento con el tren en marcha, obtenemos la misma velocidad para la luz, o sea, c es constante para todos los observadores. Sin embargo, en un tren en movimiento la luz tiene que recorrer un espacio mayor, ya que desde que se emite la luz hasta que se recibe en el otro extremo, el vagón se ha movido algo. Pero como la luz tarda el mismo tiempo la única alternativa es que cuando el tren se mueve el reloj va más despacio por lo que en el mismo intervalo de tiempo la luz recorre más espacio. Naturalmente, a velocidades tan pequeñas como las de nuestros medios de transporte, este efecto, aunque real, no tiene demasiadas implicaciones. Si pudiéramos viajar en una nave a la velocidad de la luz, el tiempo se pararía y los pasajeros de esa nave dejarían de envejecer mientras se continuase a esa velocidad.

• El tiempo pasa más lentamente cerca de un cuerpo de gran masa (como la Tierra): cuando la luz viaja alejándose de un campo gravitatorio (como el terrestre), pierde energía y, por lo tanto, su frecuencia disminuye o, en otras palabras, aumenta la longitud de onda (período de tiempo entre una cresta de la onda y la siguiente). Así, a alguien situado arriba le parecería que todo lo que pasa abajo transcurre más lentamente. Esta predicción fue comprobada en 1962, usándose un par de relojes muy precisos instalados en la parte superior e inferior de un depósito de agua. Se demostró que el reloj de abajo, que estaba más cerca de la Tierra, iba más lento. Así, la gente que vive en las montañas envejece más rápido que los que viven al nivel del mar. No obstante, en ese caso, la diferencia es casi despreciable. Donde esta teoría se aplica es en los sistemas de navegación de gran precisión, basados en señales provenientes de satélites. Si se ignoraran las predicciones de la relatividad general, la posición que uno calcularía tendría un error de varios kilómetros.

• En la Teoría de la relatividad general no existe un tiempo absoluto y único, sino que cada individuo posee su propia medida personal del tiempo, que depende de dónde está y de cómo se mueve dicho individuo.

• Otras predicciones de esta teoría son las que indican que los cuerpos en movimiento tienden a acortarse en la dirección del movimiento y que parecerán más pesados que si estuvieran inmóviles. Además, indica que la masa y la energía son equivalentes, siguiendo la célebre ecuación E=mc2.

Tomado de: calidoscopio (Agregar www. al principio y .com al final)

Algunos tenemos la tentación de responder a esta pregunta ya clásica diciendo que pesa más la tonelada de hierro. Pero, si pensamos un poco, rápidamente razonamos que ambas pesarán igual, es decir, que sus masas son iguales. Pero, si pensamos aún un poco más podremos darnos cuenta de que no es tan rápida la respuesta, porque no es lo mismo el peso aparente que el peso teórico.

¿Quién pesa más en la realidad?

La culpa es del principio de Arquímedes, o mejor dicho, del aire. Todos los cuerpos experimentan una cierta pérdida de peso cuando se sumergen en cualquier fluido (por eso pesamos menos cuando nos zambullimos en la piscina). El aire, como fluido que es, también "empuja" hacia arriba a los cuerpos y este empuje depende del volumen del cuerpo en cuestión. Como una tonelada de madera ocupa mucho más volumen (15 veces más) que una tonelada de hierro, resulta que también pesa más el volumen de aire que desaloja. Para conocer el peso teórico de la tonelada de madera habría que añadirle el peso del volumen de aire que ocupa y lo mismo se haría para el caso del hierro. Pero, como para este último el peso de aire que añadiríamos es mucho menor, también resulta que su peso aparente es mayor: en concreto, la tonelada de hierro ocupa 1/8 de m3 mientras que la de madera ocupa cerca de 2 m3, por lo que tendremos que la diferencia entre el peso del aire que desalojan uno y otra se acerca a "2,5 Kg". Por lo tanto podemos decir que, en realidad, un dinamómetro (de tamaño apropiado) indicaría que una tonelada de madera pesa ¡"2,5 Kg" menos que una tonelada de hierro!

Es decir, si pudiéramos estar seguros de tener 1000 Kg de madera y 1000 Kg de hierro, entonces sus pesos en la Tierra serían diferentes: la madera pesaría menos al sufrir mayor empuje por parte del aire. ¡Tendríamos que irnos a la Luna, en la que no hay atmósfera) para que sus pesos fueran iguales!

Autor I. Alvarez  

Tomado de El rincón de la Ciencia, Nº 4, en Internet:  centros5.pntic.mec

(Agregar http:// y .es/ies.victoria.kent  al final)

Las dimensiones del mundo atómico y su relación con el macro mundo

La física que estudia y explica los fenómenos que ocurren en el dominio de los átomos, de sus núcleos y de las partículas elementales se denomina cuántica; y la teoría matemática básica que explica los movimientos y relaciones en este campo se denomina mecánica cuántica. No se debe sin embargo pensar que la física cuántica no corresponde al mundo macroscópico, en realidad toda la física es cuántica; y las leyes de ésta tal como las conocemos hoy, constituyen nuestras leyes MÁS GENERALES de la naturaleza.

En el mundo macroscópico las leyes de la naturaleza que se han descubierto son las denominadas leyes de la física clásica; en estas se tratan aquellos aspectos de la naturaleza para los que la cuestión de cuál es la constitución última de la materia no es algo que importe en forma inmediata. Cuando aplicamos las leyes de la física clásica a los sistemas macroscópicos tratamos de describir solamente ciertos rasgos globales del comportamiento del sistema. Los detalles más finos del comportamiento del sistema se ignoran. En este sentido las leyes de la física clásica son leyes aproximadas de la naturaleza y debemos considerarlas como formas límite de las leyes de la física cuántica, más fundamentales y que abarcan mucho más. Las teorías clásicas son teorías fenomenológicas. Una teoría fenomenológica intenta descubrir y resumir hechos experimentales dentro de un cierto dominio limitado de la física. No se persigue describirlo todo en el reino de la física, pero si es una buena teoría fenomenológica, describirá de manera muy precisa cualquier aspecto dentro de aquel dominio limitado. En realidad toda teoría física es fenomenológica (trata de los fenómenos o eventos o hechos que ocurren).

Como decimos, las teorías clásicas no poseen validez universal, aunque son muy buenas teorías fenomenológicas, no lo dicen todo acerca de los cuerpos macroscópicos. Por ejemplo no podemos explicar por qué las densidades son lo que son, por qué las constantes elásticas de los materiales tienen los valores que tienen, por qué se rompe una barra cuando la sometemos a una tensión mas allá de cierto límite, por qué el cobre funde a 1083ºC, por qué el vapor de sodio emite luz amarilla, por qué brilla el sol, por qué el núcleo de uranio se desintegra espontáneamente, por qué la plata conduce la electricidad, por qué el azufre no conduce la electricidad; se podría seguir con muchos ejemplos de la vida cotidiana o que tienen cierto impacto en muchas de las cosas de esta vida cotidiana, acerca de los cuales la física clásica tiene poco o nada que decirnos.

El hombre siempre estuvo y sigue estando interesado en conocer o poder explicarse de donde salió y como funciona todo, y por eso investiga buscando saber si existe una teoría general de la materia. No tenemos hoy en día una teoría detallada para todo lo que ocurre en nuestro mundo, sin embargo y sobre todo en el siglo XX, es mucho lo que se avanzó, por ejemplo comprendiendo ahora muy bien los hechos de la química y las propiedades de la materia macroscópica; en estos dominios de la física se puede hoy responder a cuestiones que no podían resolverse dentro de la teoría clásica.

Podemos decir hoy que el modelo estándar de la física de las partículas, que se basa en las reglas de la mecánica cuántica, nos dice como está construido el mundo a partir de ciertos bloques fundamentales, que se mantienen unidos gracias al intercambio de energía en forma de partículas; pero no creamos que dicho modelo estándar es el definitivo ya que el ser humano a través de su inteligencia sigue en la búsqueda. Ahora yo me pregunto ¿Por qué sigue en la búsqueda? ¿Habrá algo innato, genético, incrustado en la naturaleza del hombre que lo lleva a esta búsqueda? ¿Será una llamada o un mensaje dejado por alguien? ¿Será la semejanza de un Dios creador que tenemos incorporada? Es muy probable que a nadie le interese esto como para dedicarle mas que una fracción de su tiempo; pero no podemos decir que sea cual fuere la duración de dicha fracción, si alcanzamos a percibir algo aunque sea a través del intellectus,  nos quedamos totalmente maravillados.

Cuando el físico Max Planck, estudió la radiación del cuerpo negro, que es un cuerpo incandescente, sacó su conclusión de que la energía era absorbida y emitida en cuantos de energía proporcionales a la frecuencia de la luz que se irradia. La constante de esta proporcionalidad es un numero, muy pero muy pequeño, del orden  de 10^-34 esto es 0,000000000000000000000000000000001. Es bueno ahora tratar de tener una cierta sensibilidad para darnos cuenta lo lejos que están nuestras experiencias diarias de lo que denominamos mundo cuántico. Si existiera un terrón de azúcar de dicha dimensión en cm, necesitaríamos varios billones (exactamente 1034) de dichos objetos para cubrir la distancia de 1 cm. Veamos que es esto en nuestra realidad. Si tomáramos la misma cantidad de terrones de azúcar (1034) y los pusiéramos uno al lado del otro, cubrirían una distancia de 1000 millones de años luz. El mundo cuántico opera en una escala mucho menor que la relación existente entre la dimensión de un terrón de azúcar y la de todo el universo observable.

Detengámonos un momento en la dimensión de un átomo. Si aceptamos como modelo el de un núcleo y una “nube” externa de electrones, la dimensión del núcleo es de 10^-13 cm y la de todo el átomo, o sea con la nube de electrones es 10^-8 cm; para percibir la relación, si el núcleo fuera de 1 cm, la nube de los electrones más externos, estaría a una distancia de 105 cm esto es 1 Km.

Tomado de geocities (Agregar al principio www. y .com/newmodel2k al final)

En la época de Aristóteles, los científicos consideraban que los cuatro elementos constituyentes de la materia eran: agua, tierra, aire y fuego. Durante esa misma época, se decía también que todas las cosas estaban constituidas por unidades indivisibles denominadas átomos. Con el correr del tiempo y de las investigaciones, se llego a saber más acerca de los diferentes elementos, de los átomos y de cómo estos estaban compuestos. Hoy en día, la física tiene un modelo estándar de las partículas fundamentales y de la interacción entre ellas. Suponíamos que los electrones, protones y neutrones eran estos mínimos componentes, pero se ha avanzado un paso más. La situación actual es la siguiente:

1.     Existe materia y antimateria (Dirac-Anderson), es decir para cada partícula existe una equivalente con propiedades opuestas en la región de la antimateria. Si una partícula se encuentra con su antipartícula, se produce la desaparición de ambas, transformándose sus masas en reposo en energía según la ecuación de Einstein E = mc². Nuestro universo visible esta compuesto casi totalmente por materia, muy poca antimateria existe desde el inicio del universo allá por el big bang.

2.     Clasificamos a las partículas (todas tienen sus correspondientes antipartículas) en dos grandes grupos:

a) Fermiones:

 a su vez clasificados en:

       Quarks: son seis a saber: up(U), down (D), charm (C), strange (S), top (T), bottom (B). Tienen carga eléctrica fraccionaria. En 1964 Gell-Mann denomino a los tripletes que componían lo que hasta ese momento eran partículas elementales del núcleo atómico, como “quarks” palabra sacada de un pasaje de la obra Finnegan’s Wake de James Joyce:

“ Three quarks for Muster Mark!...”

     Leptones: son seis a saber: electrón (e), neutrino del electrón (n_e), muon (m), neutrino del muon(n_m), tauon (t), y neutrino de tau (n_t). Tienen carga eléctrica nula o dada por un número entero.

b) Bosones:

Que de acuerdo a nuestro sentido común, diríamos que no son una partícula (algo que tiene masa), sino que son entes, que ahora reconocemos que pueden comportarse como partículas y están asociados con la transmisión de las fuerzas de interacción entre los fermiones, son los portadores de las fuerzas. Existen bosones para cada una de las fuerzas existentes en la naturaleza, y ellos son:

Fotón: que transmite la fuerza electromagnética la cual es la interacción entre partículas cargadas (recordemos QED).

Gluon: que transmite la fuerza cromodinámica, la cual es la interacción entre partículas con carga de color (recordemos  QCD)

W y Z: que transmiten la fuerza débil que aun no hemos descripto pero que esta relacionada con la desintegración y emisión de partículas desde núcleos de átomos.

Gravitón: que transmite la fuerza de gravedad que tampoco se ha aislado u observado sino

a través de sus efectos. Es un concepto similar al de campo gravitacional.

¿Dónde están los protones y los neutrones?  La realidad es que estas partículas componentes del núcleo en los átomos y por muchos años consideradas como elementales, no son elementales ya que están compuestas por otras. Por eso hablamos acerca de los ladrillos de los ladrillos. Como vimos en la sección de la QCD, los quarks no pueden existir en forma aislada sino que se mantienen unidos según las reglas dadas por la QCD.

De los quarks surgen por combinación los Hadrones según la siguiente regla:

Mesón: esta formado por un par quark-antiquark (color+anti-color).

Barión: esta formado por tres quarks o tres anti-quarks. Los bariones más conocidos son los

protones y los neutrones

Todas las partículas estables de la naturaleza están compuestas por quarks up y down y por el electrón y el neutrino del electrón. Los otros quarks forman partículas que  tienen ciclos de vida mucho mas cortos que los del protón y el neutrón, a pesar de que dicho ciclo es lo suficientemente largo como para que puedan ser detectadas mediante equipos especiales. Lo que se denomina el gusto o sabor de los quarks (flavor) que es una manera de diferenciarlos, esta determinado por su carga, su masa y la presencia o ausencia de ciertas propiedades que si bien no están completamente entendidas, se las ha identificado con los siguientes nombres:

extrañeza, encanto, belleza, verdad y color (QCD).

Tomado de geocities (Agregar al principio www. y .com/newmodel2k al final) 

Se denominan rayos a todas aquellas líneas eléctricas, por lo general líneas rectas, que parten de un lugar en el que de manera natural se produce una forma de energía determinada.

Estas líneas siguen la dirección a la que se dirige dicha forma energética transmitida por el movimiento vibratorio del éter, del vacío aparente.

En la Atmósfera se produce el fenómeno conocido como ionización, o lo que es lo mismo, que los átomos, las moléculas o los grupos de moléculas adquieran carga eléctrica. En el cielo, cuando se producen intensas corrientes de aire, los pequeños trozos de hielo o las gotas de agua chocan entre sí, provocando el surgimiento de partes cargadas positiva y negativamente, esto es, contrapuestas.

Al rayo también se le denomina “exhalación” o “centella”. Cuando la descarga se produce entre dos nubes o entre dos lugares distantes, pero dentro de la misma nube, también recibe el nombre de relámpago. La palabra relámpago proviene del idioma griego y su traducción exacta o literal es “brillo”. Habitualmente, se conoce como “relámpago de calor” al fenómeno que se produce cuando las descargas se producen en el interior de una nube o en el espacio que queda entre dos nubes que se encuentran próximas, generalmente esto ocurre en épocas estivales. Lo que ocurre es que en ciertas ocasiones no se trata de relámpagos en el estricto sentido de la palabra, si no que se trata de una especie de reflejo que se produce en las nubes a consecuencia de una descarga producida en un lugar distante.

Existen fenómenos catalogados y perfectamente reconocibles, quizá por la asiduidad con la que se contemplan. Es un ejemplo de este hecho la llamada “luz de los Andes”; descarga sin sonido que se puede observar en las altas montañas. La causa que conduce al fenómeno silencioso es la baja densidad que se puede registrar en el aire. Lo que lleva a los electrones (las partículas elementales más ligeras que forman parte de los átomos) a alcanzar una gran aceleración y llenar el paisaje del camino que recorren con una gran luminosidad blanca. Luz que puede llegar a alcanzar fácilmente los dos o tres kilómetros de altura.
 
Un rayo o un relámpago no es otra cosa que electricidad, es decir, un agente constitutivo de la materia que se presenta en forma de electrones y protones, los primeros negativos y los segundos positivos. La corriente por la que circulan dichos electrones y protones es lo que se conoce como corriente eléctrica.
Un rayo representa un resplandor muy vivo, de gran intensidad e instantáneo que se produce, como todos los fenómenos meteorológicos, en la Atmósfera, entre dos nubes o por debajo de ellas.

Lo que nos parece una descarga cuando contemplamos fijamente o de reojo la luminosidad de un rayo, en realidad son, o pueden ser, dos, tres y hasta cuatro descargas. La ausencia de discriminación ante este hecho ocurre porque su velocidad es tan elevada que parece una sola proyección cuando lo que ante nuestros ojos se percibe es una sucesión única e instantánea, así es para el ojo humano.

De forma común y comúnmente admitido, se utiliza tanto la palabra relámpago como la palabra rayo para designar lo que sin duda es una descarga eléctrica de enorme intensidad.

El hombre es capaz de producir, de forma artificial, la generación de rayos, entendidos como producto meteorológico. Estos rayos creados por el hombre pueden alcanzar sin demasiada dificultad los quince millones de voltios (la unidad de potencial eléctrico, basada en el sistema en que se basa el metro o el kilogramo, por ejemplo).

Lo que hace que veamos la luminosidad que antes quedaba mencionada es la exposición o el choque de las sucesivas descargas eléctricas contra los gases que se encuentran en la Atmósfera.

Los sonidos que se pueden escuchar y que producen los relámpagos pueden mostrar distintas características; pueden ser graves o agudos. Por regla general, los sonidos más agudos suelen ser absorbidos por el aire, mientras los graves no. Es por ello que si el observador se encuentra en un punto próximo al lugar en que se produce el fenómeno lo que perciba será una especie de crujido o chirrido que prosigue al fogonazo de luz. A mayor alejamiento, el sonido que llega gana en gravedad, hasta poder producir una sensación de retumbe o estallido profundo y distante.

Quedó demostrado por el físico francés A. H. Louis Fizeau que la luz se propaga a casi trescientos mil kilómetros por segundo. El sonido, lejos de eso, se puede propagar a distinta velocidad en función de la temperatura que en ese momento tenga el aire. Así, a 0º C el sonido se traslada a unos trescientos treinta y un metros por segundo. Si se incrementa la temperatura también se puede incrementar la velocidad que alcanza el sonido. Si la temperatura del aire se eleva en veinte grados centígrados, la velocidad puede aumentar en trece o catorce metros por segundo por encima de la medida a 0º C.

Es por estas diferencias que aún produciéndose al unísono el golpe de luz y el golpe de sonido, para la percepción de un observador, se contemplará con antelación el fenómeno luminoso. Si el observador quiere conocer la distancia a la que se encuentra respecto de la tormenta que provocan los relámpagos, no tiene otra cosa que realizar el cálculo en función de las medidas a las que se propaga –luminosas y sonoras– el fenómeno. El sonido tarda unos tres segundos en recorrer un kilómetro de distancia, mientras que la luz se propaga, a nuestra percepción, de forma casi instantánea.

Tomado de mundometeorologia (Agregar al principio http:// y .portalmundos.com al final)

¿Por qué si nos bañamos en agua a 25º C tenemos sensación de frío, mientras que el aire a la misma temperatura nos da sensación de calor?

La sensación de frío tiene que ver directamente con la velocidad a la que perdemos el calor de nuestro cuerpo. El agua conduce el calor mucho mejor que el aire y hace que lo perdamos mucho más rápidamente.

¿Por qué nos encogemos cuando tenemos frío?

Al encogernos se reduce el área de nuestro cuerpo en contacto con el exterior, lo que hace que disminuya la pérdida de calor.

El aire es peor conductor que los tejidos de los que normalmente está hecha nuestra ropa. ¿Por qué abriga entonces la ropa?

Entre los tejidos que forman nuestra ropa quedan pequeñas cámaras ocupadas por aire en reposo. Se evitan de esta manera las corrientes de aire que robarían el calor de nuestra piel. Si no nos pusiésemos ropa perderíamos calor por un mecanismo denominado convección. Sobre nuestra piel se producirían pequeñas corrientes de aire que nos enfriarían. El aire caliente en contacto con la superficie de la piel, ascendería debido a su menor densidad, dejando sitio a aire a más baja temperatura, que al calentarse repetiría el proceso. Si estas corrientes naturales se refuerzan, por ejemplo con un ventilador, la perdida de calor es mucho más acusada. El mecanismo se denomina convección forzada y es el responsable, por ejemplo, de que tengamos la misma sensación de frío a -20º C sin viento que a 0º C si sopla una fuerte ventisca.
 

¿Cómo es posible que soplando sobre las manos podamos en unos casos calentarlas y en otros enfriarlas?

Si soplamos suavemente y con las manos cerca de la boca, el aire caliente que sale de nuestros pulmones se pone en contacto con las manos, que están a menor temperatura, calentándolas.

Si soplamos con mas fuerza, y normalmente a mayor distancia, el aire de la habitación, a temperatura mas baja, se mezcla con el que sale de los pulmones y al llegar a las manos las enfría.

En este último caso hay que tener en cuenta, que cuanto mayor sea la velocidad del aire, mayor será la evaporación que se produce en la capa de vapor de agua cubre la piel. Esto ayudará a provocar un mayor enfriamiento.

Autor: Antonio Varela

Tomado de: geocities (Agregar www. al principio y .com/capecanaveral/lab al final)

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