EDITORIAL ESFINGE CIENCIAS II
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EDITORIAL ESFINGE CIENCIAS II

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EDITORIAL ESFINGE CIENCIAS II Presentation Transcript

  • 1. EDITORIAL ESFINGE, S. DE R. L. DE C. V.Esfuerzo 18-ACol. Industrial AtotoNaucalpan, Estado de MéxicoC.P. 53519Tel. 5359 1111, Fax 5576 1343www.esfinge.com.mxeditorial@esfinge.com.mx • José Antonio Chamizo
  • 2. Esfuerzo 18-ANaucalpan, México
  • 3. 2 Primera edición, 2007 Derechos reservados © Editorial Esfinge, S. de R.L. de C.V. Esfuerzo No. 18-A Col. Industrial Atoto Naucalpan de Juárez Edo. de México, C.P. 53519 Fotografía: Carlos Villar Raúl Pedraza NASA/GFSC (Estación Espacial Internacional) Ablestock Services Daniel Manrique, p. 270, tomada de www.wikipedia.org Archivo Esfinge La presentación, disposición y demás características de esta obra, son propiedad de Editorial Esfinge, S. de R.L. de C.V. Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial, mediante cualquier sistema o método electrónico o mecánico de recuperación y almacenamiento de información, sin la autorización escrita de la editorial. Chamizo Guerrero, José Antonio. Ciencias, 2 : física / José Antonio Chamizo Guerrero. — México : Esfinge, 2007. 296 p. ; 27 cm. ISBN 978-970-782-090-6 1. Física – Estudio y enseñanza (Secundaria). I. t. 530 CHAM.cf.2 Biblioteca Nacional de México Impreso en México
  • 4. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 3Presentación ué triste sería un átomo en un universo sin físicos, y los físicos están hechosQ de átomos. Un físico, pues, es el modo que tienen los átomos de conocerse así mismos. Keith R. Wald Te tocó vivir en el siglo XXI y heredar, por un lado, los grandes descubrimientose invenciones realizados durante el siglo XX, así como todos aquellos que han sidoresultado del desarrollo de las sociedades humanas; y por otro lado, también hasheredado sus grandes y complejos problemas. Pero, en realidad, ¿dónde estás? Supongamos que estás sola o solo en tu casa. El cielo es azul, aunque la con-taminación o unas pesadas, grises y lentas nubes no te dejen apreciarlo, oyes elladrido de un perro, lees este libro sentado en una silla que, sin que lo sepas, teempuja hacia arriba y sobre la cual ejerces presión. Desde que se aceptó que elcalentamiento global es responsabilidad de algunas sociedades humanas te dascuenta de que hace cada día más y más calor y eres uno de los privilegiados mexi-canos que puede prender un ventilador, que gira y gira y empuja ese aire que res-piras profundamente y… a pesar de que te mueves no lo sientes. La Tierra, y tú conella, está girando a varios miles de kilómetros por hora, moviéndose alrededor delSol, y el Sistema Solar lo está haciendo alrededor de la Vía Láctea, a más de mediomillón de kilómetros por hora. Todo esto ocurre mientras el Universo se expandecomo un globo que se infla rápidamente, desde el inicio del tiempo... ¿dónde estás? La respuesta es muy difícil, sin embargo no debe dejar de ser divertida. Por esoquiero compartir contigo el gusto por conocer, explicar e investigar por qué y cómofunciona lo que nos rodea. Espero que muchas de las preguntas que te has hechopuedan empezar a responderse en este libro. ¡Compruébalo! José Antonio Chamizo
  • 5. 4 La segunda se refiere a la manera de estudiar. Para el alumno Algunas veces, al leer tus materiales de estudio mien- tras descansas lo haces recostado y te quedas dormi- do. El estudio es algo activo y el tipo de lectura que exige es recomendable que se realice en el escritorio o l curso de física no es de los más apreciados entre E los estudiantes de secundaria. Salvo para una minoría, la física es aburrida e incomprensible. No mesa de trabajo y no en la cama. La lectura eficiente requiere una atención permanente que no es tan fácil mantener, por ello no es propio estudiar acostado. cabe duda de que los profesores somos parcialmente Para estudiar es conveniente: responsables porque muchas veces no permitimos tra- • Tener un lugar fijo. Es poco productivo estu- bajar en asuntos, ni contestar preguntas que a ti te diar en diferentes lugares, aunque a veces no interesan. Los programas de física han sido general- hay otra opción. mente rígidos y alejados de la vida cotidiana y/o de los • Dedicar un tiempo definido. Como puede ser intereses de los adolescentes como tú. Sin embargo, una hora después de comer, o media hora antes este nuevo curso te ofrecerá posibilidades de aprender de acostarse. Del tiempo y la regularidad que le que no tuvieron tus compañeros mayores. La principal dediques al estudio, dependerán los resultados razón de lo anterior es que tanto el curso como el libro del aprendizaje. están estructurados para que al final de cada uno de • Procurar estudiar sin interrupciones. los primeros cuatro bloques puedas realizar activida- Estudiar oyendo la radio o la televisión general- des diversas, con la profundidad que se requiera recu- mente confunde y distrae. perando muchos de los conceptos que aprendiste a lo Cuando la concentración disminuye, sin que te des largo del mismo. La sección Investigar: imaginar, dise- cuenta, debido a que estás leyendo, tus ojos recorren ñar y experimentar para explicar o innovar te permitirá la página sin entender lo que lees. Aun cuando tengas integrar equipos de trabajo para responder preguntas la intención de aprender, tu atención disminuirá de específicas y compartir sus resultados con el resto de tiempo en tiempo. En la primera lectura algunos los compañeros; y en el Bloque 5 Conocimiento, socie- aspectos pasan inadvertidos por el debilitamiento de dad y tecnología, investigar y proponer soluciones a la atención. Una sola lectura no será, como regla, sufi- diversos problemas. Así, al finalizar de estudiar este ciente para captar la totalidad del contenido de una libro habrás integrado no sólo tus conocimientos de lección, de modo que es aconsejable leer el material física, sino que lo habrás hecho con un propósito. de estudio más de una vez. Cuando lo hagas por Antes de empezar con el estudio es importante segunda ocasión asegúrate de reflexionar sobre el con- recordar o hacerte notar tres condiciones adecuadas tenido y hazlo intentando contestarte algunas pregun- para sacarle mejor provecho. tas que no comprendiste en la primera lectura. La primera tiene que ver con el lenguaje. La física, Durante el aprendizaje en el cerebro se procesa como las demás ciencias y muchas otras actividades, nueva información y es importante trabajar con estra- tiene un lenguaje especial. De la misma manera que tegias adecuadas. Algunas de ellas son: para entender un partido de futbol necesitas conocer • Manejo del material. Copiar, subrayar, repasar. lo que significan las palabras “gol”, penalty”, “fuera • Organización del material. Agrupar, identificar de lugar” o “saque de esquina”, para iniciarte en el títulos, cuadros. entendimiento de la física debes conocer el significa- • Integración del material. Resumir, construir do de sus conceptos más importantes. Por ello, cuan- tablas, hacer diagramas o cuadros. do te enfrentes a una palabra de la que no conozcas • Procesamiento de la información. Usar la ima- su significado, búscalo en diccionarios, enciclopedias ginación, crear analogías y modelos, relacionar o en el apéndice 7 de este libro. Pero si no los entien- la nueva información con la vieja. des sigue buscando hasta que puedas enunciarlo con Subrayar. Algunos estudiantes encuentran que tus propias palabras. El desconocimiento de un con- subrayar en el libro los puntos más importantes es una cepto “básico” de física puede resultar muy importan- ayuda efectiva. Trazar líneas con lápiz, identificando lo te para que puedas seguir aprendiendo. Como dijo que para el lector es valioso cuando lee, mantiene la Ernest Rutherford, uno de los grandes físicos del siglo atención alerta y facilita, para consultas posteriores, xx, “Nunca digas: lo intenté una vez y no resultó”. la localización del material significativo, aunque para
  • 6. PARA EL ALUMNO 5un estudio profundo este método puede resultar insu- mañana y luego la próxima semana. De esta mane-ficiente, si es lo único que se realiza. ra lo fijarás en tu memoria. Resumir. Resumir lo que se lee es de gran valor y 3. Lo que recuerda tu memoria es más, si en realidadademás sirve para incrementar el dominio del mate- entiendes qué significan las cosas. Si sólo repitesrial. Lo que se escribe acerca de la lectura se asimila las palabras como un perico, en general tu capaci-parcialmente; el resumen implica elaboración propia y dad de aprendizaje será menor. Cuando no tepersonal. quede más remedio que aprenderte cosas de Procesar. Se aprende mejor cuando se elabora la memoria, trata de exagerarlas o de imaginar situa-información. Procesar la información es relacionar lo ciones divertidas alrededor de ellas.nuevo con lo viejo y lo nuevo con otros conocimientos 4. Recuerda, lo más importante para mejorar la canti-a través de analogías. Una forma efectiva de aprender dad de cosas que debes recordar es la revisión fre-bien es variando los contextos de aprendizaje, acercar- cuente de lo que estudiaste en intervalosse a lo que hay que aprender desde diversos lugares adecuados, como se muestra en las gráficas infe-después de haber recopilado otro tipo de información. riores. En ocasiones hay que aprender de memoria. Aquí 5se sugiere una forma de estudiar y de aprender de 100 % Eficiencia en el aprendizajememoria, cuando es necesario. La gráfica inferior muestra la cantidad de informa- Eficienciación que tu memoria puede retener después de haberleído algo: 5 100 % tiempo Porcentaje de recuerdo 1h 2h 5 Con interrupciones planeadas 100 % tiempo Eficiencia 10 min 1 día 1 semana Sorprendentemente, en la gráfica hay un pequeño Sin interrupcionescrecimiento al principio, porque tu cerebro está aún enintensa actividad. Como puedes ver, después de un día 5 tiemporecuerdas únicamente una cuarta parte de lo que habí- 1h 2has aprendido. Hay varias maneras de mejorar lo que se recuerda: La tercera y que parece contradictoria a la anterior,1. Si revisas lo que aprendiste diez minutos después pero que si lo piensas detenidamente no lo es, tiene de haber terminado. que ver con que las ciencias naturales no se aprenden a base de repetir listas y fórmulas, se aprenden a base de visitas organizadas a sus mundos (ya que son una 100 % forma de ver el mundo). El mundo de la física tiene Porcentaje de recuerdo que ver con la construcción de edificios, el uso de las computadoras, los motores de todo tipo, los planetas y Revisado después de 10 min las estrellas, la electricidad, o las telecomunicaciones, por mencionar sólo algunos ejemplos. Sumérgete en Sin revisar ellos, con imaginación, enfrentando las dudas y disfru- tiempo 10 min 1 día 1 semana tando la experimentación será mucho mejor que con- templarlos a distancia. Bienvenidas y bienvenidos al2. Si revisas brevemente lo que aprendiste un día des- mundo de la física pués, y luego una semana más tarde. Esto quiere decir que lo que aprendiste hoy debes revisarlo El Autor
  • 7. 6 Para el profesor ace pocos años, en un estudio solicitado por la UNESCO sobre la educación en H América Latina, el chileno Joaquín Brunner indicaba: “...la educación latinoamericana enfrenta dos desafíos de enorme magnitud. Por un lado, debe cumplir las asignaturas pendientes del siglo XX, tales como universalizar la cobertura preescolar, básica y media; incorporar las poblacio- nes indígenas al sistema escolar; mejorar la calidad y resultados de la enseñan- za de competencias básicas, particularmente entre los sectores más pobres de la población infantil, juvenil y adulta; modernizar la educación técnica de nivel medio y superior; masificar la enseñanza de nivel terciario. Por otro lado, debe dar el salto hacia el siglo XXI y emprender las nuevas tareas de las cuales depen- den el crecimiento económico, la equidad social y la integración cultural, adap- tando para ello sus estructuras, procesos y resultados y las políticas educacionales, a las transformaciones que —por efecto de la globalización— experimentan los contextos de información, conocimiento, laboral, tecnológico y de significados culturales en que se desenvuelven los procesos de enseñan- za y aprendizaje. Ambas agendas —del siglo XX y del siglo XXI— son tremenda- mente exigentes y costosas. Aplicarlas al mismo tiempo es una faena que requerirá un formidable esfuerzo. Compatibilizar sus fines y ritmos de imple- mentación será, de aquí en adelante, la clave de las políticas educacionales. Los riesgos que surgen en estas circunstancias son conmensurables con la magnitud de los desafíos.” Las agendas enunciadas por Brunner son, como él mismo lo indica, tremendamen- te exigentes y costosas. Sin embargo si queremos participar de la construcción de nuestro futuro HAY que cumplirlas. Como nunca antes, particularmente la Secretaría de Educación Pública, ha impulsado la formación de maestros, pero aún falta mucho por hacer. Esto porque los profesores nos encontramos ante una crisis de identidad. Teníamos la exclusividad del saber y hoy la hemos perdido o la estamos perdiendo ante la explosión de más y mejor información que hay en libros, videos, museos, computa- doras e Internet... ante unas demandas que cambian y que requieren que nuestros esti- los también lo hagan, muchos profesores nos sentimos abrumados. Es responsabilidad de las instituciones el promover, o no, que la docencia de la las ciencias en general sea mejor de lo que es, que se encuentre a la altura de los tiem- pos que vivimos, de los retos que enfrentamos. Pero no sólo de ellas, ¿en qué medida están inconformes con su formación los profesores de física en México? ¿Lo están? ¿Lo está usted profesor? Esta pregunta tiene que ver con algunas de las particularidades de este libro, del curso y de las nuevas características del trabajo docente que consiste, más que en transmitir conocimientos, en facilitar las condiciones para aprender: Se empieza cada sección con una conversación ficticia entre alumnos de edad seme- jante a los suyos. A pesar de ser ficticias, dichas conversaciones recogen muchas de las ideas previas reportadas en documentos de investigación educativa sobre asuntos rela- cionados con la física. Evidentemente hay “errores conceptuales” y de lo que se trata al principio es de evidenciarlos y al final, cuando se pueda, corregirlos. Para ello se les
  • 8. PARA EL PROFESOR 7solicita leer de nuevo la conversación cuando sus alumnos tengan más y mejoresconocimientos sobre el asunto en particular y que reflexionen sobre la misma. Estasegunda revisión es conveniente llevarla a cabo en equipos de trabajo. Al inicio de las secciones hay una actividad experimental llamada Predigo-Observo-Explico que busca propiciar habilidades en esa dirección. Idealmente ustedsería el encargado de realizar dicha actividad una vez que es una manera de centrarla atención de los alumnos en el tema a tratar, sin embargo, si no puede hacerlo, serecomienda que lo presenten públicamente algunos alumnos. Idealmente, las pre-dicciones, observaciones y explicaciones deben hacerse de manera individual y ensu posterior revisión es conveniente llevarlas a cabo en equipos de trabajo. Al final de cada sección hay un apartado llamado Revisión para realizar con tuprofesor que por su naturaleza parecen ser las más interesantes de compartir consus alumnos. Aquí se pide la realización de experimentos y su diseño, la investiga-ción de asuntos relacionados con la vida cotidiana de los alumnos, discutir temasparticularmente complejos, sintetizar lo aprendido, etc. Se recomienda realizarlassin menoscabo de considerar las que se desarrollan a lo largo de cada subtema. Cada sección termina con una autoevaluación de los alumnos. Su cumplimientole permitirá a ellos, y a usted, reconocer lo aprendido y reflexionar sobre ello. Se pide al final de cada bloque y en el Bloque 5 que los alumnos realiceninvestigaciones y que compartan sus resultados públicamente. Será el profesorel que organice las investigaciones, los equipos de trabajo y la presentación deresultados.
  • 9. 8 Contenido Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Para el alumno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Para el profesor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 Conoce tu libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Bloque 1 El movimiento. La descripción de los cambios en la naturaleza . . . . . . . . . . . . . 14 Tema 1 La percepción del movimiento 1.1 ¿Cómo sabemos que algo se mueve? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2 ¿Cómo describimos el movimiento de los objetos? . . . . . . . . . . . . 27 1.3 Un tipo particular de movimiento: El movimiento ondulatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Tema 2 El trabajo de Galileo: una aportación importante para la ciencia 2.1 ¿Cómo es el movimiento de los cuerpos que caen? . . . . . . . . . . . . 49 2.2 ¿Cómo es el movimiento cuando la velocidad cambia? La aceleración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Proyectos. Investigar: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Bloque 2 Las fuerzas. La explicación de los cambios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Tema 1 El cambio como resultado de las interacciones entre objetos 1.1 ¿Cómo se pueden producir cambios? El cambio y las interacciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Tema 2 Una explicación del cambio: la idea de fuerza 2.1 La idea de fuerza: el resultado de las interacciones . . . . . . . . . . . 93 2.2 ¿Cuáles son las reglas del movimiento? Tres ideas fundamentales sobre las fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 2.3 Del movimiento de los objetos en la Tierra al movimiento de los planetas. La aportación de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Tema 3 La energía: una idea fructífera y alternativa a la fuerza 3.1 La energía y la descripción de las transformaciones . . . . . . . . . . 120 3.2 La energía y el movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Tema 4 Las interacciones eléctrica y magnética 4.1 ¿Como por arte de magia? Los efectos de las cargas eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.2 Los efectos de los imanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148 Proyectos. Investigar: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
  • 10. CONTENIDO 9Bloque 3 Las interacciones de la materia. Un modelo para describir lo que no percibimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Tema 1 La diversidad de objetos 1.1 Características de la materia. ¿Qué percibimos de las cosas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 1.2 ¿Para qué sirven los modelos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Tema 2 Lo que no percibimos de la materia 2.1 ¿Un modelo para describir la materia? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 2.2 La construcción de un modelo para explicar la materia . . . . . . . . 193 Tema 3 Cómo cambia el estado de la materia 3.1 Calor y temperatura. ¿Son lo mismo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 3.2 El modelo de partículas y la presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 3.3 ¿Qué sucede en los sólidos, los líquidos y los gases cuando varían su temperatura y la presión ejercida sobre ellos? . . . . . . . 219 Proyectos. Investigar: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228Bloque 4 Manifestaciones de la estructura interna de la materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Tema 1 Aproximación a fenómenos relacionados con la naturaleza de la materia 1.1 Manifestaciones de la estructura interna de la materia . . . . . . . . 238 Tema 2 Del modelo de partícula al modelo atómico 2.1 Orígenes de la teoría atómica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Tema 3 Los fenómenos electromagnéticos 3.1 La corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos . . . . . . . . . . . 254 3.2 ¿Cómo se genera el magnetismo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 3.3 ¡Y se hizo la luz! Las ondas electromagnéticas . . . . . . . . . . . . . . 273 Proyectos. Investigar: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280Bloque 5 Conocimiento, sociedad y tecnología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Proyectos: 1. La Física y el conocimiento del Universo. 2. La tecnología y la ciencia. 3. Física y medio ambiente. 4. Ciencia y tecnología en el desarrollo de la sociedad. Apéndices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 1. ¿Cómo medir? 2. ¿Cómo graficar? 3. ¿Cómo resolver problemas? 4. Formulario. 5. Ejemplos del Sistema Internacional de Unidades. 6. Glosario. Índice analítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
  • 11. 10 Conoce tu libro Con la finalidad de que conozcas muy bien tu libro de Ciencias 2, te presentamos las secciones y apartados que lo integran. • Todo lo que aprenderás está organizado en cinco bloques: Nombre de Bloque Número de BloqueTexto introductorio.Breve aproximación a los contenidosdesarrollados en el bloque En forma general conocerás lospropósitos de cada bloque • Y cada bloque está integrado por temas: Título del Tema Título del subtema Número de Tema Conversación Cuatro jóvenes, como tú, discuten a lo largo de todo el texto diferentes aspectos de Física. Muchas de las preguntas que ellos se hacen se Preguntas motivadoras contestan en el libro. Descripción introductoria del tema que estudiarás
  • 12. CONOCE TU LIBRO 11 Predigo-Observo-Explico. Aunque la mayoría de estas actividades experimentales podrás realizarlas tú solo, es conveniente que lo hagas con tus compañeros y tu profesor, de manera que entre todos compartan sus resultadosConexiones con tecnología y sociedadEstablecen la unión entre lo que seestá discutiendo en el programa y tuvida cotidiana. Contemplan informa-ción histórica,relativa al medio naturalo de productos caseros.• Para complementar tu aprendizaje, encontrarás actividades en el desarrollo de cada subtema yal final de éste: Preguntas Individuales Temas de reflexión y de discusión. Para que desarrolles trabajos de También se te proponen breves investigación, problemas y investigaciones trabajo con gráficas Rumbo al proyecto Para que realices ejercicios o resuelvas problemas relacionados con las propuestas de proyecto al final del bloque Equipo Se realizan en grupos de tres o cuatro estudiantes Revisión En las que se pide que conozcas el significado de las palabras utilizadas, y realices trabajo con tu profesor
  • 13. 12 Resumen esquemático establece relaciones entre los principales conceptos del tema Autoevaluación Donde podrás reconocer lo que aprendiste en la sección • Para complementar tu aprendizaje encontrarás al final de cada bloque: Número de página ProyectosPara imaginar, diseñar yexperimentar en los que Referencias integrarás lo aprendido Lista de a lo largo del bloque, publicaciones (libros observando fenómenos, y revistas reconociendo la principalmente) aplicación de la Física y vínculos de páginas en ellos y resolviendo de internet donde problemas puedes encontrar mayor información
  • 14. CONOCE TU LIBRO 13 • Y al final de tu libro: Pregunta generadora ProyectosSobre el conocimiento, la sociedad y la tecnología que te ayudarán a plantearte interrogantes y a buscar respuestas, con creatividad, contienen Tablas, Imágenes, además referencias Gráficas y fórmulas bibliográficas y Para facilitar direcciones de tu aprendizaje internet Pies de foto explicativos 332 ÍNDICE ANALÍTICO 293 Indice analítico Apéndices Apéndice 4 Abscisas (eje X), 277 Atracción, 78, 86, 132, 137, Celsius, Anders, 182 ley de, 109, 137, 214 Que te ayudarán a Academia de Ciencias de Francia, 161 Accidente automovilístico, 57 285 gravitacional del Sol, 139 gravitacional de la Luna, Centro, 161 de masa, 102 de la Tierra, 105, 134 Cresta, 36 Cristales, 175 líquidos, 170, 185 Formulario Acción, 93, 99 139 Cerebro, 13-15, 46, 68, 271, Cromo, 142 profundizar los temas VARIABLE ES: SE MIDE EN GENERAL EN: Aceleración, 47-50, 53, 55-57, 62, 72, 91, 94, 99 aceleración-tiempo, 62 gravitacional, 48-50, 292 Audición (centro de), 14 Australia, 64-66, 134 Azufre, 85 271 China, 27, 167, 224, 237 Choque, 57 Ciencia, 12, 13, 27, 50, 76, 83, Cronómetros, 67 Cubo, 46 Cuña, 113 Cuerda, instrumento de 35 que verás a lo largo d distancia metros Aceros, 142, 145, 146, 237 Babilonia, 67 101, 111, 159, 222, 291 Cuerpos ADN, 290 Bali, 140 Museo de, 50 luminosos, 245 r distancia entre las dos masas m o cm Afelio, 103, 104 Barómetro, 206 Científicos, 12, 23, 76, 101, opacos. 245 A área m2 África, 64, 65, 101 Barro, 133 105, 111 translúcidos, 245 Agua, 45-47, 65, 88, 94, 111, Baterías, 216, 228, 229, Cilindro, 113 transparentes, 245 de este libro. m t masa tiempo kilogramos s 116, 120, 125, 133, 139, 140, 154, 156, 167, 177, 183, 191, 200, 209, 214, 235 Bazo, 46 Beaufort Cinturón de seguridad, 57 Circuito cerrado, 133, 214 Dalton, John, 175 Declinación magnética, 134, v velocidad m/s 221, 228, 240, 251, 289, sir Francis, 20 eléctrico, 229, 235, 239 237 290 escala de, 20, 21 Clima, 204 Demócrito de Abdera, 168, a aceleración m/s2 Aire, 13, 37, 45-47, 85, 87, 88, Bednorz, J George, 224 Cobalto, 142 173 p presión pascales 125, 133, 156, 162, 167, Bergerac, Cyrano de, 78 Cobre, 142, 162, 175, 216 Densidad, 175, 177, 181, 169, 183, 184, 192, 197, Bobina, 238-240 Código binario, 255 195, 197, 208, 209, 245, f fuerza newtons 200, 205 Boltzmann, Ludwig, 175, Coloide, 291 291 Ec energía cinética joules en movimiento, 116 178 Color, 151, 152, 216, 219 Desaceleración, 56, 57, 91 instrumentos de, 35 Bomba de vacío, 162, 221 Combustible, 251 Desplazamiento, 24, 25, 56, Ep energía potencial joules Aislante, 133, 214, 228, 291, Boyle, fósil, 116, 129, 251 57, 113, 286 292 ley de, 169 nuclear, 251 Devitt, John, 66 W trabajo joules El estudio de los cinco I R corriente resistencia amperes ohms Ajedrez, 75 Alambre, 142 Aleación, 142 Alejandría, 17, 168 Robert, 169 Brahe, Tyro, 23 Brand, Henning, 169 Brasil, 64 Combustión, 46, 159 Comportamiento, 14 Comprender, 75 Compresión, 145 Día, 103 Diálogo de los grandes sistemas del universo (libro), 47 primeros apéndices es V q voltaje carga eléctrica volts coulombios Alejandro Magno, 46 Alquimia, 168, 169 Aluminio, 215, 228 Amalgama, 142 Brújula, 83, 131, 133, 134, 237, 238 Bruno, Giordano, 23 Byte, 255 Computadora, 67 Conclusión, 76 Concreto, 145 Condensación, 203 Díaz, Porfirio, 273 Diferencia de potencial, 216, 219, 221, 228, 238 Dilatación, 185, 203, 291 Índice analítico Q calor joules muy importante para CONSTANTE G ES: constante de gravitación VALE: 6.67 ϫ 10 -11 2 m /kg s 2 América, 64, 65 Amperímetro, 240 Amplitud de onda, 36, 37 Analizador de espectros, Cadenas montañosas, 64 Caída, 12, 49, 102 libre, 48, 53, 62, 76, 109 Conducción, 183, 189, 200, 291 Conductividad, 200, 228 Conductor, 291, 292 Dinámica, Ecuación Fundamental de la, 99 Dinamo, 239 Dinosaurios, 159, 288 Te será fácil 35 Calendario, 50 de electricidad, 133, 214, Dióxido de carbono, 205 una mejor g K atracción gravitatoria al nivel del mar factor de proporcionalidad de la Ley de Coulomb 9.8 m/s2 9 ϫ 109 N m2/C2 Analogías, 160, 161 Anaxágoras de Clazomene, 167, 168, 173 Calor, 85, 111, 115, 120, 125, 142, 175, 181-184, 189, 198, 200, 203, 229, 230, 221, 222, 227, 238 de un vehículo, 57 Conocimiento, 159, 291 Dirección, 77, 93, 103, 112 Disolución, 152, 209, 291 Disolvente, 152 encontrar las Ancho de banda, 257 235, 291, 292 científico, 76, 78, 83, 161, Distancia, 24, 25, 36, 48, 49, comprensión de tu Las variables anteriores (y en su caso las constantes) están relacionadas entre sí, de acuer- do con las siguientes fórmulas: Ángulo, 17 de inclinación, 50 Anión, 227, 228 calor-electricidad, 229 latente, 200 Campo, 291 165 empírico, 145 Contacto, 131 102, 109, 113-115, 176, 291, 292 distancia-tiempo, 25, 55, páginas donde d Ánodo, 221 eléctrico, 137, 170, 221, Conservación de la energía, 56, 292 curso de Física v ϭ t Vf – Vi Ep ϭ mgh Antártida, 64 Antigüedad, 109, 168 Apolo XI, 254 238 gravitacional, 12 magnético, 133, 137, 141, 142, 170, 221, 224, 237- principio de, 112, 121, 123 Consistencia, 78 Constante de gravitación, 285 Constelaciones, 101 Dolor, 14 Ebullición, 183, 199, 200 Eclipse, 78, 245 Eco, 16, 37 aparecen m1m2 a ϭ p ϭ f t f ϭG Q ϭ RI2t r2 XV, 12 Aprender, 271 Arco iris, 216, 217, 249 Arco magnético, 141 240, 243, 292 Canadá, 134 Cantidad (es), 27, 286 Carbón, 116, 251, 289 Contaminación, 116, 126 Continentes, 64 Contracción, 185 Convección, 183, 184, 189, 291 ultrasónico, 16 Ecuador, 103, 205 Edad Media, 168 Edison, Thomas Alva, 213 términos, A f ϭ ma f ϭ mg I ϭ V R Argón, 198, 205 Aristóteles, 46, 47, 53, 173 Aroma, 152 Arquímedes, 115, 154 Carbono, 142 Carga, 113-115 eléctrica, 109, 131-134, 137, 214-216, 219, 221, Copérnico, Nicolás, 13, 23, 47 Corazón, 46 Corriente de aire, 205 Eficiencia, 115, 125 Egeo, mar, 131 Egipto, 17, 46, 101, 167, 168 Einstein, Albert, 222 personajes, temas q1q2 Asia, 64, 65 222, 227, 235, 238, 243, de convección, 205 Eje (s), 103, 104, 115, 277, 278 peso ϭ mg W ϭ Fd f ϭ K( r2 ) Astronomía, 45, 109 Asuán, 17 Atmósfera, 197, 198, 205, 251, 246, 291 Catión, 227, 228 Cátodo, 221 eléctrica, 131, 133, 142, 214-216, 219, 221, 223, 227-230, 233, 235, 238- Ejercicio, 279 ejercicio-problema, 279 Electricidad, 111, 116, 126, y subtemas 290 Celda 240, 243, 291, 292 131, 137, 142, 213-216, Ec ϭ 1 2 mv2 Átomo, 70, 116, 159, 167, 169, 175, 178, 215-217, 221-223, 225, 227, 228, 238, 246, fotoeléctrica, 125, 126 solar, 125 Célula Corteza cerebral, 15 terrestre, 64 221, 229, 251, 254, 291 electricidad- magnetismo, 131, 137 contenidos en el 254, 291, del cuerpo, 70 Coulomb, Charles, A., 132, estática, 132 292 telefónica, 257 214, 227 Electrodo, 221 libro
  • 15. El movimiento La descripción de los cambios en la naturaleza El bloque está orientado a que continúes con el desarrollo de habilidades propias del pensamiento científico y el acercamiento a los procesos de construcción de conocimien- tos de la ciencia, que ya iniciaste en cursos anteriores. Particularmente interesa que inicies en los procesos de construcción y generalización de los conceptos físicos, a partir del estudio del movimiento. Propósitos:• Analizarás y comprenderás los conceptos básicos del movimiento y sus relaciones, lo describirás e interpretarás mediante algunas formas de representación simbólica y gráfica.• Valorarás las repercusiones de los trabajos de Galileo acerca de la caída libre en el desa- rrollo de la física, en especial en lo que respecta a la forma de analizar los fenómenos físicos.• Aplicarás e integrarás habilidades, actitudes y valores durante el desarrollo de proyectos, enfatizando el diseño y la realización de experimentos que te permitan relacionar los con- ceptos estudiados con fenómenos del entorno, así como elaborar explicaciones y predic- ciones.• Reflexionarás acerca de las implicaciones sociales de algunos desarrollos tecnológicos relacionados con la medición de velocidad con que ocurren algunos fenómenos. 14
  • 16. Bloque 1 15
  • 17. La percepción del movimientoTEMA1 1.1 ¿Cómo sabemos que algo se mueve? Espérense, me estoy mareando. Mejor me quedo quieta un rato para que se me pase. Sí, respira profundo y deja de moverte, ahorita se te pasa. ¡Claro! Nosotros vemos a Carmen quieta, pero imagínate un astronauta en la estación espacial internacional ISS. Él vería a Carmen moviéndose. Pero si está quieta. Se puede quedar quieta. Sin embargo, no Así es, y si hay un tren a la misma necesariamente No entiendo. velocidad que en el que tú vas, y se deja de que además va en el mismo mover. sentido, parece que está quieto. Así que no sirve de nada que Carmen se quede quieta, porque se está moviendo. Sí, pero desde el espacio se puede observar el movimiento de rotación de la Tierra. Con ello, Carmen se está moviendo. Sí, pero no lo siente. Así que siéntate, respira y olvídate de que te estás moviendo para que se te quite el mareo. Sí, es como el ejemplo que nos pusieron en la clase: si estoy en un tren y paso frente a unas personas, yo las veo moverse y ellos me ven moverme. ¿Qué otros movimientos Carmen no siente pero que sí existen? ¿Tú los sientes? ¿Crees que el astronauta se esté moviendo? Si pudieras ver al astronauta desde tu lugar, ¿observarías que se mueve?, ¿qué opinas? Seguramente has respondido algunas de las preguntas anteriores en forma correcta, tal vez has llegado a esas respuestas gracias a experiencias o a que alguien te ha compartido sus conocimientos. En esta sección realizarás algunas prácticas que te servirán para entender algunos fenómenos físicos. En esta sección estudiaremos: • Los sentidos y nuestra percepción del mundo. • Nuestra percepción de los fenómenos de la naturaleza por medio del cambio y el movimiento. • Papel de los sentidos en la percepción de movimientos rápidos o lentos.16
  • 18. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 17 Predigo-Observo-Explico ¿Frío o caliente? Predicción Con mis compañeros y mi profesor • ¿Cómo se percibirá la temperatu- ra del agua? • Justifica la predicción. Necesitas • 3 recipientes grandes Observación • agua con diferentes tempe- Realiza el experimento metiendo raturas ambas manos al recipiente que contiene el agua tibia. Procedimiento 1. Llena un recipiente con Explicación agua fría, otro con tibia y el Explica, con tus palabras, lo que suce- último con caliente. de y compáralo con tu predicción. 2. Mete una mano al recipiente Comparte tu resultado con el con agua fría y la otra al que resto de tus compañeros y con tu contiene agua caliente alre- profesor. dedor de un minuto. (Se obtienen los mismos resulta- Todos tenemos experiencias dos del fenómeno y se agili- acerca de lo que percibimos del za su realización.) mundo: movimiento, calor, viento, sonido, olores... Pero, ¿acaso esto se 3. Al transcurrir el tiempo me- aprende? ¿Cómo percibimos lo que terás ambas manos al recipien- ocurre a nuestro alrededor y cómo lo te que contiene el agua tibia. estudia la ciencia?Conexiones con tecnología y sociedadVer el movimiento ¡sin los ojos!Los sentidos y nuestra percepción del mundoEn 1910, los doctores Moreau y LePrince, ciru-janos franceses, operaron a un niño de ochoaños, ciego de nacimiento, que padecía de cata-ratas (enfermedad de los ojos, caracterizada porla opacidad de una de sus partes). Después de la operación, ansiaban averiguarcómo veía. Cuando pasó el tiempo requerido parala cicatrización interna, le quitaron las vendas.Agitando una mano frente a sus ojos, ya sin nin-gún problema físico, le preguntaron qué veía. Él murmuró: “No sé”. “¿No ves el movimien-to?”, le preguntaron los médicos. “No sé”, repitió elniño. Los ojos no seguían el lento movimiento de lamano, sólo veían un brillo variable. Cuando le per-mitieron tocar la mano, exclamó con voz triunfal:“¡Se mueve!”.
  • 19. 18 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Podía sentir el movimiento e incluso oírlo, pero todavía debía aprender a verlo. La luz y los ojos no bastaban para darle la visión. Al atravesar la pupila de sus ojos, esa primera luz no suscitaba el eco de una imagen interior. La luz del día lo llamaba, pero la de la mente no respondía desde el interior de sus ansiosos ojos abiertos. Las conclusiones que podemos obtener de este ejemplo son muy interesantes. El cirujano Moreau escribió: “Sería erróneo supo- ner que un paciente que ha recobrado la vista mediante una intervención quirúrgica está en con- diciones de ver el mundo externo. Los ojos, por cierto, adquieren la capacidad de ver, pero el uso de esta capacidad, la cual constituye el acto mismo de ver, aún se debe adquirir desde el comienzo mismo. La operación no cumple más función que la de preparar los ojos para ver; la educación es el factor más importante […] Devolver la vista a una persona ciega de nacimien- to es tarea de un maestro, no de un cirujano.” Reflexiona y contesta en tu cuaderno. En tu opinión, ¿qué veía el niño? ¿Qué sentido usó para percibir el movimiento? ¿Fue suficiente un solo sentido para percibir el movimiento? ¿Qué percibimos de nuestro mundo? experimento. Los experimentos sirven para obtener Las personas dedicadas a la ciencia ven al mundo como información o probar una idea. algo por conocer. Un científico se pregunta por qué las cosas están hechas de tal manera y no de otra, o por qué Formen un equipo de trabajo de dos integrantes. son así: el color azul del cielo, el sabor de la piña, la lava de los volcanes, las alas de las mariposas, los anillos de Necesitan: Saturno. Pero a diferencia del resto de las personas, que Dos tipos diferentes de papel como: papel periódico, por lo general sólo se hacen las preguntas, los científicos papel de baño, papel bond, papel de china, papel buscan cómo responderlas. Para ello, dividen el problema celofán, papel albanene, etcétera. en partes cada vez más pequeñas y las van contestando Una cinta métrica. poco a poco, una tras otra. Por eso existen los laboratorios, pues en ellos hay las Procedimiento condiciones para separar cuidadosamente los fenóme- a) Diseñen dos aviones, exactamente iguales, emple- nos y estudiarlos por separado. ando dos tipos de papel diferentes. b) Márquenlos con los números 1 y 2. c) Uno de ustedes colóquese siempre en el mismo Nuestra percepción de los fenómenos de la naturaleza lugar y arroje el avión lo más fuerte que pueda. por medio del cambio y el movimiento d) Otro mida con una cinta métrica la distancia a la El número de preguntas que la humanidad se ha hecho cual llegaron. a lo largo de su historia es tan grande que, para respon- e) Apunten la distancia en la tabla, que deberán derlas adecuadamente, las ha agrupado en las que son copiar en su cuaderno. semejantes. Por ejemplo, y entre muchas otras, las que f) Repitan los pasos anteriores dos veces más para tienen que ver con los planetas y las estrellas; las que cada avión. se relacionan con los seres vivos; aquellas que se vincu- g) Sumen las distancias para obtener la distancia lan con los objetos materiales y cómo se transforman, y total para cada avión y luego divídanla entre tres para otras más, con la razón del movimiento. calcular la distancia promedio. Una vez clasificadas y separadas las preguntas pode- h) Identifiquen cuál avión vuela más lejos, en rela- mos, como otros hace muchos años, darles nombre. La ción con el papel del que está hecho. física es la parte de la ciencia que se relaciona con la interacción entre la materia y la energía. A los físicos les ¿El tipo de papel del que está hecho el avión hace interesa saber, entre otros puntos, por qué el cielo es que vuele más o menos lejos? azul, por qué brillan las estrellas, por qué los objetos se mueven, por qué hay rayos, o por qué oímos los truenos. Es necesario que desarrolles algunas habilidades Al intencional estudio por separado de un problema para realizar exitosamente un experimento. A continua- mayor, realizado en condiciones controladas, se le llama ción aparecen algunas de las más importantes:
  • 20. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 19 I Entender qué se busca con el experimento, qué pregunta se intenta responder, qué asun- to se quiere demostrar. II Seguir las instrucciones correctamente. III IV Escoger los materiales adecuados. Realizar las observaciones cuidadosamente. La Luna V Recoger la información obtenida en tablas un enorme laboratorio y/o gráficas. VI Alcanzar una conclusión y comunicársela a “Si Galileo viviera probable- los demás. mente se tiraría de las barbas de placer por el experimento elemental de física realizado Para ejemplificar lo anterior, indica cuáles de los hoy por el astronauta delenunciados del procedimiento se relacionan con cada Apolo XV, David R. Scott, enuna de las seis habilidades. la Luna. Scott dejó caer un En un laboratorio se encuentran los materiales martillo y una pluma desde la altura de la cintura para ilus-para contestar preguntas determinadas, para realizar trar cómo ambos objetos eranciertos experimentos; por eso existen laboratorios con igualmente acelerados por la un martillo, dijo Scott, situándo-formas únicas o que se ubican en lugares especiales. gravedad de la Luna, cayendo se frente a la cámara montada Hay laboratorios de física en los que se investiga sobre la superficie al mismo sobre el Rover lunar. La razón decómo interactúan la luz y la materia; otros en los que tiempo a pesar de sus diferen- tener estos objetos aquí hoy se cias de peso. debe al razonamiento de Galileose mueven partículas muy pequeñas a grandes velo- El experimento, similar a los sobre la caída de los cuerpos encidades, y otros más en los que se observa lo muy que Galileo realizó hace 300 años campos gravitacionales. ¿Dóndegrande, empleando telescopios, o lo muy pequeño, desde lo alto de la torre inclinada podrían confirmarse mejor sususando microscopios. de Pisa en Italia, fue realizado hallazgos que en la Luna? A con- También hay laboratorios en las escuelas. En ellos cuando Scott y James B. Irwin tinuación dejó caer ambos objetos finalizaban su último paseo que, sin lugar a dudas, hicieronlos alumnos investigan para aprender ideas nuevas, lunar. En la mano izquierda impacto simultáneamente.” ¿Quéademás de que pueden realizar diversos experimentos. tengo una pluma. En la derecha, explica este experimento? Sin importar qué tantas cosas haya en el labo-ratorio de tu escuela, debes saber que en ese lugarse busca contestar algunas preguntas en particu-lar. Por ello, debes conocer los materiales y obje-tos que se encuentran ahí, para qué sirven, y sison peligrosos. Como en los laboratorios se inves-tiga la respuesta a algunas preguntas, es conve-niente acompañarse de un cuaderno donde seescriba lo que suceda durante el experimento. Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones: El astronauta David R. Scott camina sobre la superficie lunar, a la derecha vemos el Rover. • ¿Qué quiere decir que un dibujo esté hecho a escala? Noticia aparecida en los periódicos en julio de 1971. • Después de revisar la introducción “Para el alumno”, ¿cómo es más conveniente estudiar? Uno de los intereses de la ciencia consiste en esta-blecer relaciones o conexiones entre las cosas.Por ejemplo: “los coches rojos tienen másaccidentes que los coches azules”, o “si llue-ve el 15 de septiembre, el invierno será frío”.Investigando o realizando los experimentosadecuados, podemos descubrir qué tan ciertasson estas afirmaciones. Por tanto, es importantesaber qué estamos buscando, qué pregunta noshemos hecho. La palabra variable indica aquellacosa que cambia. En los ejemplos anteriores, lasvariables son: el número de accidentes, el color delcoche, la presencia de lluvia el 15 de septiembre o elfrío del invierno. Cada variable puede tener uno o variosvalores: dos o tres accidentes, coches color azul o rojo,o mucho frío en invierno, son algunos de los valores quepueden tomar las variables que usamos en el ejemplo. Páginas de los cuadernos de ilustres científicos.
  • 21. 20 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO En la gráfica de barras de abajo se presenta el tiem- Papel de los sentidos en la percepción de movimientos po en el que los depósitos de diferentes minerales se rápidos o lentos acabarán si se siguen explotando al mismo ritmo que Percibimos el mundo en el que nos encontramos por se ha venido haciendo hasta ahora. ¿Cuál de los medio de nuestros sentidos que, como bien sabes, son metales se acabará primero? ¿Cuál será el último? vista, oído, olfato, gusto y tacto. Toda la información pro- veniente de los sentidos se concentra en el cerebro y, de todos ellos, tres nos permiten identificar cuándo se mueve un objeto, ya que lo podemos ver, oír o sentir 250 (como ya se indicó en “Ver el movimiento, ¡sin los ojos!”). De esta manera, podemos ver cuando un avión se 200 mueve en el cielo, u oír una ambulancia que se acerca, o sentir una mosca que camina por nuestra espalda. Años 150 100 Discute con tus compañeros y obtengan conclusiones: • ¿Por qué con una lupa no puedes ver el aire? 180 220 100 50 20 35 • ¿Cómo sabes que un movimiento es rápido? • ¿Cómo sabes que un movimiento es lento? Hierro Oro Cobre Aluminio Cromo Observa las imágenes La población humana ha crecido rápidamente en los últimos años. Para estimar cuántas personas habita- rán nuestro planeta, la siguiente gráfica muestra tres proyecciones: una alta, en la que se asume que las familias tendrán más de tres hijos; una media, en la que se asume que tendrán dos, y una baja, en la que se asume que tendrán 27 25 Población mundial (miles de millones) uno. ¿Cuántas personas habitarán la 20 Tierra en el año 2050, según cada proyección? 15 Proyección ¿Cuál de las proyecciones alta asume un crecimiento 10 mayor? 10.8 Proyección 5 media Proyección 0 Presente baja 3.6 ¿Qué diferencias hay entre ambas fotografías? ¿Qué puedes decir acerca de las posiciones de los vehícu- 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 Años los respecto de los árboles? ¿Qué responderías si las imágenes sólo mostraran los vehículos negro y azul? Observa con cuidado las siguientes figuras y comple- ta la tabla que aparece a continuación. Para ello, Los sonidos se generan por la vibración de objetos mate- cópiala en tu cuaderno: riales. Cuando en un cuerpo ocurre un movimiento de un lado a otro en un tiempo determinado, se produce una vibración. Variables Valores Las vibraciones producen ondas. Como estudiaremos Color más adelante, la luz y el sonido son formas de energía que se propagan en el espacio en forma de ondas. Unas ondas necesitan un medio, como el aire, para propagarse (un ejemplo de ellas son las ondas sonoras), mientras que Triángulo otras pueden hacerlo a través del vacío, por ejemplo, la luz. Como ya te habrás dado cuenta, en general los cuerpos calientes emiten luz. El mejor ejemplo de un cuerpo caliente que emite luz es el Sol, cuyo aparente movimien- to en el cielo, percibido desde la Tierra, dura cerca de 24 horas. Otro movimiento más lento (dura aproximadamente 365 días) es el que hace la Tierra alrededor del Sol. Cuando ves estas letras y escuchas un sonido, aunque no lo creas, percibes movimientos ondulatorios que, como vibraciones, son percibidos y decodificados por tus ojos y tus oídos. El canto de los pájaros, un concierto de rock, el estruendo de un camión, el azul del cielo, el rojo de la san- día o el amarillo del oro, todos son, a fin de cuentas, ondas.
  • 22. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 21 Conexiones con tecnología y sociedadEcosUna de las propiedades de las ondas sonoras es quepueden, al igual que las luminosas, rebotar en algunosmateriales. Algunos animales pueden aprovecharse deeste fenómeno, conocido como eco, y se han diseñadoaparatos para permitirnos hacer lo mismo en distintasactividades. Actualmente, los barcos usan los ecospara descubrir lo profundo que es el océano y si deba-jo de ellos hay peces o submarinos. El aparato queusan los barcos para esto se denomina sonar, por sussiglas en inglés Sound Navigation And Ranging (navega-ción y medición de distancias mediante ondas sono-ras). El barco emite una onda sonora que es reflejada Ecos del lecho marinopor cualquier objeto debajo de él, y que regresa albarco. El tiempo transcurrido desde que se manda la Ecos de un pezonda hasta que regresa a la nave indica la profundidaddel objeto. Otro aparato diseñado por los humanos es el ultra-sonido que se usa, entre otras aplicaciones, en medi-cina para la exploración prenatal. Un explorador ultra-sónico envía impulsos de ondas ultrasónicas por elcuerpo de la paciente embarazada. Cada tejido del feto,ubicado dentro del vientre materno, refleja de manera El sonar permite reconocer la presenciadiferente las ondas, estos ecos se procesan en una de bancos de peces.computadora para crear una imagen en una pantallaque permite a los médicos vigilar el desarrollo del feto. Los murciélagos tienen la capacidad de emitir ondas y, de esta manera, detectar los objetos a sualrededor, y a sus presas. Así pueden evitar los obstáculos durante su vuelo y llegar con gran veloci-dad y precisión a donde desean. En la industria se usan ecos ultrasónicos para la limpieza y el con-trol de calidad, pues las vibraciones de alta frecuencia se utilizan para sacudir la suciedad de lassuperficies de los productos. Utilizando los mismos ecos ultrasónicos, también se detectan defectos ygrietas en piezas metálicas que a la vista pasarían inadvertidos. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: • ¿Has notado alguna vez la presencia del eco? • ¿Dónde y en qué circunstancias ha ocurrido? • Si tu respuesta a la primera pregunta es afirmativa, ¿qué opinas acerca de la posibilidad de impedir que ocurra el eco? ¿Cómo lo impedirías? Ecos del insecto Representación de chillidos emitidos por el murciélagoLos murciélagos, que son prácticamente ciegos, utilizan los ecos para determinar la presencia de objetos alrededor de ellos.
  • 23. 22 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Nuestros sentidos Movimientos de El sonido es la respuesta de nuestros oídos destreza y cerebro a estímulos que consisten en cam- bios rápidos de presión que el aire ejerce sobre la parte externa del oído: una fina membrana lla- mada tímpano, situada entre el conducto auditi- vo externo y el oído medio. Cuando el sonido Comportamiento llega al oído, el tímpano se mueve y vibra. Esas y emociones vibraciones se transmiten al oído medio, forma- do por tres pequeños huesos: martillo, yunque y estribo. Estos huesos, conectados en cadena, transmiten la vibración hacia el oído interno. Centro del habla Huesecillos del oído medio Martillo Canales semicirculares Yunque Nervio auditivo Centro de la audición Caracol Tímpano Canal auditivo externo Receptor Al cerebro El tacto, particularmente sensible en los Del cerebro dedos de las manos, es el sentido por el cual determinamos diversas características de los objetos: su tamaño, forma, textura y tam- bién, en ocasiones, su movimiento. Esto lo podemos hacer a través de receptores del tacto, que tenemos en la piel. Cuando uno de los receptores se activa, envía un mensaje al cere- bro a través de la médula espinal. Un ejemplo al respecto es la respuesta automática del cuer- Fibra muscular po cuando percibe el dolor.
  • 24. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 23 Movimientos El ojo humano se parece a una cámara básicos fotográfica. El iris es la parte coloreada del ojo y es la que regula la cantidad de luz que penetra. Percepción La pupila es una abertura de color negro y a la cual rodea el iris. La luz penetra a través de una cubierta transparente llamada córnea, pasa por la pupila y el cristalino y se enfoca sobre la retina. Ésta es el elemento sensible a la luz. La retina no Reconocimiento es uniforme, hay una pequeña región en su cen- visual tro que se llama fóvea, en la cual los receptores de luz están más concentrados y la visión es más clara. Centro Retina de la visión Córnea Cristalino Fóvea Equilibrio Punto y coordinación ciego muscular Iris Pupila Nervio óptico El mensaje es recibido en el tálamo y la corteza cerebralEl estímulo en la piel activa los neurorreceptores Cerebro medio Trayectoria descendente Mensaje de dolor enviado a la espina dorsal
  • 25. 24 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO • ¿Para realizar la actividad “Predigo-Observo-Explico” (POE) fue necesario realizar algún movimiento? • ¿Qué movimientos detectaste? • ¿Qué sentidos usaste para percibirlos? Conexiones con tecnología y sociedad ¿Cómo se descubrió que la Tierra era redonda? El filósofo griego Eratóstenes vivió en Alejandría, una gran ciudad de Egipto, hace más de 2 200 años. Un día leyó que en un pequeño pueblo, al sur de la ciudad que hoy cono- cemos como Asuán, a la mitad del verano, un palo clava- do de manera vertical sobre la tierra, al mediodía, no pro- ducía sombra, y que si alguien en ese pueblo se asomaba a un pozo, veía reflejarse el Sol en la superficie del agua. “¡Qué raro!”, pensaba, “eso no ocurre aquí en Alejandría”. (Lo cual sólo sucede dos días al año, pero él no lo sabía). Sin embargo, para asegurarse, a la mitad del verano del año siguiente clavó un palo en el suelo de Alejandría y observó si producía sombra a mediodía. Descubrió una pequeña sombra y midió el ángulo que se formaba entre ella y el palo: era de poco más de 7 grados (figura de la izquierda). Entonces se pre- guntó cómo era posible que se pro- dujera una sombra en Alejandría y nin- guna en Asuán. Río Nilo. 0 100 200 km Después de mucho pensar, Eratóstenes encontró que la única explicación posible era que la Tierra fuera redonda. No se contentó con eso, sino que calculó el diámetro, que en las uni- dades actuales equivale a 40 000 km, ¡prácticamente la respuesta correcta! Como puedes notar, esto demuestra que no sólo se ve con la luz, sino tam- bién con la sombra. Observa lo que se indica y contesta: • ¿Un palo vertical produce sombra a mediodía, en el verano, en el lugar donde vives? • ¿Cómo le demostrarías a alguien que la Tierra es redonda? Revisión 1 Sobre el significado de los conceptos 1.1 Con tus propias palabras, explica qué entiendes por los siguientes conceptos: ciencia, experimento, movimien- to, física, variable y predecir. 1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia, o Wikipedia en Internet, su significado. Si son diferentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta más adecua- do para tu curso.
  • 26. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 252 Para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros la conversación de la página 16. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de traba- jo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas.2.2 Encuentra el código secreto. Un grupo de exploradores encontraron una piedra que tenía grabado un mensaje en escritura extraña. Una parte de lo que allí se podía leer era: y El rEy Muy Enojado DEsPuEs DE la DErrota Partio hacia tiErras Extra;as nunca jaMas rEgrEso a blivcaf Y el rey muy enojado después de la derrota partió hacia tierras extrañas. Nunca jamás regresó a Blivcaf Reconoce cuáles letras del español son las que corresponden a los símbolos de la escritura extraña completan- do la siguiente tabla: Realiza en tu cuaderno los siguientes ejercicios con la escritura extraña: Escribe tu nombre. Escribe “El movimiento es relativo”. Escribe un texto para un compañero de tu clase. Compara tus respuestas con las de tus compañeros. Español Escritura egipcia Español Escritura extraña Español Escritura extraña a j r b k K s c l t d m u e E n v f ñ ; w W g o x h p y i q Q z z2.3 Hace más de 200 años, el almirante inglés Sir Francis Beaufort diseñó una escala de números para medir los efec- tos del viento en el movimiento de los barcos de vela. Esta escala aún se utiliza para describir la rapidez del vien- to a alturas mayores a diez metros sobre el nivel del suelo. Identifica qué imágenes corresponden a qué números en la escala de Beaufort. Rapidez Número Descripción km / hora millas / hora Efectos 0 Calma menos de 2 menos de 1 El humo sube directamente. 1 Aire ligero 2-5 1-3 El humo es desplazado por el viento. 2 Brisa ligera 6-11 4-7 El viento se percibe en el rostro. 3 Brisa 12-19 8-12 Las banderas se extienden. 6 Brisa fuerte 39-50 25-31 No se puede utilizar paraguas. 10 Vendaval 87-102 55-63 Los árboles son arrancados. 12-17 Huracán más de 118 más de 74 Destrucción violenta.
  • 27. 26 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Número en la escala 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Escala de millas/hora 3 7 12 18 24 31 38 46 54 63 73 Beaufort 4.8 11 19 28 38 49 61 74 86 10 11 .26 .30 .96 .61 .87 .14 .01 .88 1.3 7.4 kilómetros/hora 27 00 30 80 20 60 90 20 40 60 67 57 0 0 0 0 0 0 0 0 00 00 2.4 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación respecto al Predigo-Observo-Explico (POE) con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Movimientos de los objetos materiales producen algunos pueden ser vibraciones rápidos lentos los percibimos que pueden ser a través de percibidos a través de tacto oído vista 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos: Sí No Reconocer y comparar distintos tipos de movimiento en el entorno, en términos de sus características perceptibles. Relacionar el sonido con una fuente vibratoria, y la luz con una fuente luminosa. Describir movimientos rápidos y lentos a partir de la información que se percibe con los sentidos, tomando en cuenta las limitaciones de éstos. Proponer formas de descripción de movimientos rápidos o lentos a partir de lo que se percibe. Que la ciencia empieza con las preguntas. En qué consiste un experimento.
  • 28. La percepción del movimiento TEMA1.2 ¿Cómo describimos el movimientode los objetos? ¿Y qué? Tú estás más cerca que yo. Roberto, pásame el refresco. No es cierto, pero quien seguro está más cerca es Carmen. Ve tú, Alicia. Les propongo un ¿No ves que estoy cansado? experimento: vamos corriendo los tres a la mesa Roberto, no seas tonto, Carmen, dice Roberto donde están los refrescos, así no se sabe quién está que tú eres la que está ¡Qué flojos! Eso de que yo más cerca, sino quién soy la que está más cerca y el que llegue al último es el más cerca de los que estaba más lejos. es más rápido. refrescos. Por favor, es relativo. pásame uno, que yo también estoy bien cansada. Bueno, para que no sigan discutiendo, a mí me gusta eso de los experimentos… ¡En sus marcas!¿Tiene razón Roberto o Alicia? Justifica tu respuesta.Tenemos la impresión de que todo ocurre a nuestro alrededor, quetodo tiene como centro a cada uno de nosotros. Decimos que algo “estácerca o lejos”, o que es “rápido o lento” con base en nuestra ubicación enel espacio. La siguiente actividad nos permitirá observar los puntosde referencia para un objeto en movimiento. En esta sección estudiaremos: • Experiencias alrededor del movimiento en fenómenos físicos cotidianos y de otras ciencias. • La descripción y medición del movimiento: marco de referencia y trayectoria; unidades y medidas de longitud y tiempo. • Relación desplazamiento-tiempo; conceptos de velocidad y rapidez. • Representación gráfica posición-tiempo. 27
  • 29. 28 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Predigo-Observo-Explico La velocidad es relativa Con mis compañeros y mi profesor Necesitan: • Automóvil de juguete con pilas (sugerencia: si no cuentan con él, usen una superficie lisa inclina- da para darle movimiento al automóvil). • Pliego de cartulina de un metro de largo. • Cinta métrica más larga que el pliego de cartulina. • Reloj con segundero. 4. Repitan el procedimiento, pero ahora tirando Procedimiento: hacia uno de ustedes uniformemente del plie- 1. Coloquen la cinta métrica y la cartulina en el go de cartulina. piso, de manera que coincidan en uno de sus extremos (o sobre una superficie lisa inclinada). Observación 2. Coloquen en ese extremo el automóvil de juguete Realicen el experimento. Pongan en movimiento el y pónganlo en movimiento. automóvil y tiren suavemente en sentido contrario al movimiento de la cartulina. Registren el tiempo que tarda en alcanzar el extremo de la cartulina y la dis- tancia que recorrió, de acuerdo con la cinta métrica. Explicación Expliquen, con sus propias palabras, lo que sucede y compárenlo con su predicción. Consideren que el movimiento puede describirse desde diferentes pun- tos de referencia. Compartan su resultado con el resto de sus com- pañeros y su profesor. 3. Registren el tiempo que tarda en alcanzar el otro extremo de la cartulina y la distancia que reco- ¿Qué objetos se mueven durante el experimento? rrió, medida por la cinta métrica. ¿Con respecto a qué realizan su movimiento? En esta actividad has registrado distancias y tiempos, que ¿Qué pasará si jalan la cartulina en sentido con- son las dimensiones fundamentales para describir el trario al movimiento del auto? movimiento de un cuerpo. Conexiones con tecnología y sociedad El movimiento es relativo Experiencias alrededor del movimiento en fenómenos físicos cotidianos y de otras ciencias El movimiento es relativo (por ejemplo, el de la Tierra con respecto al Sol) y es preciso establecer en relación con qué punto tiene un cuerpo determinada posición. En el Universo todo se mueve. Hasta los objetos que aparentemente están en reposo, como las montañas, se mueven en relación con el Sol y las estrellas. Cuando hablamos del movimiento de cualquier objeto, siempre lo hacemos tomando a otro como referencia. Las hojas de los árboles se mueven con respecto al suelo cuando el viento las agita, pero no necesariamente con respecto a la rama a la cual están directamente unidas. Cuando decimos que un trasbordador espacial se eleva a 8 kilómetros por segundo, damos por entendido que lo hace en relación con la Tierra. A no ser que se aclare en alguna situación específica, cuando tratemos la rapi-
  • 30. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 29dez o la velocidad de los objetos, lo haremos con res-pecto a la superficie de la Tierra; éste será nuestromarco de referencia general. Un sistema de referen-cia es precisamente un lugar establecido, en rela-ción con el cual se miden las posiciones de los obje-tos en determinada situación. Para que este sistemaesté completo, es necesario establecer también apartir de qué instante se mide el tiempo. Por ejemplo, los trabajos de Isaac Newton sobreel movimiento de los planetas, tomando la Tierracomo referencia, sirven cuando se quiere enviar unasonda de exploración planetaria (como la Galileo ola Pathfinder). En este caso, los científicos debenpredecir con exactitud la posición de los planetas,considerando que todos se mueven en por lo menosdos formas: traslación y rotación. El estudio de la traslación permite acercar lasonda al planeta deseado, y el estudio de la rotación, Desde la Tierra, los seres humanos vemos al Sol cambiando decolocarlo en su superficie. Por tanto, tratar de ati- posición en el horizonte, lo cual hizo que durante muchosnarle a un planeta desde la Tierra es como querer siglos se creyera que el Sol y los planetas giraban alrededor depegarle con una resortera a un mosquito que se la Tierra. A través del estudio del movimiento de los cuerposencuentra a 50 metros, porque un planeta es un celestes, personajes como Galileo Galilei, Tycho Brahe,blanco muy distante y en continuo movimiento. Para Giordano Bruno, Johannes Kepler, Isaac Newton y Nicolásplanear la trayectoria del cohete, con el propósito de Copérnico establecieron un nuevo marco de referencia: el delenviar la sonda exploratoria, los responsables de la Sol como centro del Sistema Solar.misión debena conocer la posición del planeta sobre su órbita el día en que se espera la llegada de lanave. Esto es posible gracias a las leyes que describen el movimiento de los planetas, que establecen susperiodos de rotación, y tomando como referencia nuestro propio periodo de traslación alrededor del Sol. Discute con tus compañeros y obtengan conclusiones: • Para describir el movimiento de la Luna desde el lugar donde vives, ¿qué punto de referencia utilizarías? ¿Por qué? • Si pudieras colocarte justo en el polo norte o en el polo sur terrestres, ¿utilizarías el mismo punto de referencia? ¿Por qué? • Describe el movimiento de una persona que camina en el interior de un autobús desde dos pun- tos de referencia distintos: el del chofer del autobús y el de una persona que desde la parada ve cómo se aleja el autobús. Comparte con tus compañeros tu descripción.La descripción y medición del movimiento: marco de referencia Con base en la tabla se puede construir la gráficay trayectoria; unidades y medidas de longitud y tiempo. correspondiente (“Apéndice 2”). Completa la gráfi-Representación gráfica posición-tiempo ca agregando los puntos faltantes y uniendo losVeamos el siguiente movimiento. Un ciclista avanza puntos. Gráfica de posición del ciclistapor una carretera recta. Varios observadores, que cono-cen un punto de referencia (la distancia al origen), 300miden el tiempo que emplea al pasar por la posición enla que ellos se encuentran, lo que genera la siguiente 250tabla de datos. posición (m) 200 Tiempo 0 5 10 15 20 25 30 150 (segundos) 100 Posición 50 0 50 100 150 200 250 300 (metros) 0 5 10 15 20 25 30 tiempo (s)
  • 31. 30 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO De acuerdo con la gráfica anterior, responde lo marca con 0.0 m. Marquen con cinta las distancias siguiente: en línea recta que corresponden a 0.5 m, 1.0 m, • ¿A qué distancia estará el ciclista a los 35 s de 1.5 m y 2.0 m. haber iniciado su recorrido? c) Coloquen la pelota en el extremo superior de la tabla y prueben varias veces cómo dejarla caer sin La gráfica permite predecir extrapolando (es decir, que se desvíe. Debe alcanzar todas las marcas, hasta obteniendo el valor aproximado mayor a los utilizados la de 2.0 m. Busquen la más adecuada posición de para construir la tabla y que sea consistente con ellos), partida de la bola, para que cubran el recorrido de deduciendo valores mayores que los utilizados para todas las marcas sin que se desplace demasiado rápi- construirla, que la posición del ciclista a los 50 segun- do. Si es necesario, busquen un libro más o menos dos será de 500 metros, si y sólo si su movimiento es el grueso hasta lograr su objetivo. mismo y, por ejemplo, no se tropieza. d) Mientras uno de ustedes suelta la bola, otro empie- za a tomar el tiempo a partir del punto 0.0 m. Midan Realiza en tu cuaderno esta actividad: el tiempo en que alcanza la marca de 0.5 m. Anoten • La posición del ciclista a los 50 s es de 500 m. Haz el dato en una tabla de distancia contra tiempo. una gráfica para comprobarlo. e) Repitan el paso anterior para todas las medidas. • Explica por qué la siguiente gráfica de posición Anoten los resultados. contra tiempo indica que el objeto está detenido. f) Elaboren una gráfica de distancia contra tiempo. Para ello, coloquen la distancia en metros en el eje Y, y el tiempo en segundos, en el eje X. Guarden esta gráfica, les servirá más adelante. posición (m) tiempo (s) • Grafica el movimiento Con este experimento aprenderán a construir una gráfica que relacione la distancia que se desplaza un objeto con el tiempo que le toma desplazarse. Trabaja en un lugar libre de obstáculos y Necesitan: sobre una superficie sin bultos ni agujeros. • 1 pelota pequeña • 1 tabla de madera delgada o cartón, de aproxima- damente 50 x 15 x 0.5 cm Piensen en los pasos que siguieron para llevar a cabo • 1 libro, no muy grueso el experimento: ¿hubo algún factor que pudiera haber • 1 reloj con segundero o cronómetro afectado la precisión o exactitud de las mediciones • 1 cinta métrica o flexómetro (por ejemplo, partir siempre del primer punto)? • 1 mesa o superficie lisa (puedes usar el piso) ¿Midieron la distancia y el tiempo correctamente? • Masking tape o cinta adhesiva de color ¿Eran la tabla y el piso o la superficie suficientemen- • Papel cuadriculado te lisos? Elaboren una lista de todos los factores que pudieron Procedimiento: inducir que sus datos tuvieran algún grado de error. a) Coloquen la tabla en la mesa o en el piso, recar- gando un extremo sobre el libro, de modo que se • ¿Qué dificultades enfrentaron durante el experi- construya una rampa no muy inclinada. Observen el mento? dibujo que muestra a la chica haciendo el experi- • ¿Cómo lo mejorarían? mento. • Anoten sus observaciones b) Usen el masking tape o la cinta adhesiva para marcar distancias, a partir del extremo de la tabla La siguiente figura muestra un esquema que indica los que toca el piso o la superficie. Este punto se desplazamientos parciales entre la casa de Benito y su
  • 32. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 31escuela. Todas las mañanas, Benito tarda diez minutos en mino “por” ya no indica multiplicación). La rapidez deir de su casa a la escuela. Como podrás observar, Benito Benito para ir de su casa a la escuela es de:camina una distancia de 400 metros (75 m ϩ 200 m ϩ distancia (en metros)75 ϩ 50 m). Sin embargo, para llegar a su escuela, Benito rapidez ϭno caminó los 400 m en línea recta, sino que primero viajó tiempo (segundos)hacia el este 75 m, luego al norte 200 m, posteriormenteal oeste otros 75 m, y al final hacia el sur los últimos 50 ϭ 400 mm. Pero Benito, como puedes medir en el mapa, sólo se 600 sencuentra a 150 m de su casa cuando está en la escuela. Completa el cálculoBenito ha caminado una trayectoria de 400 m, pero sólo seha desplazado 150 m en línea recta, en dirección norte. rapidez ϭ 75 m En la vida diaria, hablamos de velocidad y rapidez N como si fueran lo mismo. Para la física no son iguales: 50 m Escuela la velocidad es rapidez en una cierta dirección. Cuando decimos que un objeto se mueve rápidamente no indi- camos su dirección. Sin embargo, si decimos que va velozmente, debemos decir en qué dirección se mueve. Hay magnitudes que, como la distancia o la rapidez, sólo tienen tamaño mientras otras, como el desplazamien- to o la velocidad, tienen tamaño y dirección. A las prime- ras las llamamos escalares, y a las segundas, vectores. 200 m escalar: magnitud que tiene únicamente tamaño. Desplazamiento vector: magnitud que tiene tamaño y dirección. 150 m Algunas cantidades físicas, como ya vimos, requieren de magnitud (o tamaño) y dirección para describirlas Casa de Benito correctamente: se les llama cantidades vectoriales. Un vector se representa por una flecha cuya punta indica la dirección y cuya longitud representa la magnitud. 75 m Muchas cantidades en física, como la masa, el volumen y el tiempo, pueden describirse completamente mediante sus magnitudes. No tienen una dirección asociada. A estas Con base en la ilustración responde: cantidades se les llama escalares. Los factores o cantidades • ¿Cuál es la distancia desde la escuela hasta casa escalares obedecen las leyes ordinarias de adición, resta, de Benito? multiplicación y división. Las cantidades vectoriales tienen • ¿Qué distancia recorrió Benito? sus propias maneras de sumarse y restarse (pág. 97). • ¿Cuál es el punto de referencia en el trayecto de Benito? Así, la diferencia entre distancia y desplazamiento a) El camión está depende de identificar la dirección en la que el cuer- en reposo po se ha movido.Relación desplazamiento-tiempo; conceptos develocidad y rapidez b) El camión seUn cuerpo que se mueve recorre una determinada dis- dirige hacia titancia. Al cociente entre la distancia y el tiempo emple-ado en recorrerla se le conoce como rapidez: distancia (en metros) c) El camión se rapidez ϭ tiempo (segundos) aleja de ti La rapidez se mide normalmente en metros sobre La pelota se desplaza siempre a 60 km/h respecto al camión. a)segundo (m/s), pero también en kilómetros por hora Cuando tú y el camión están en reposo relativo la pelota viaja a(km/h), centímetros por año (cm/año) o millas/hora. Es 60 km/h cuando la atrapas. b) Cuando el camión avanza hacia tiimportante resaltar que, por ejemplo, cuando se dice a 40 km/h la pelota se desplaza a 100 km/h en el momento deque la rapidez de un coche es 60 kilómetros por hora, atraparla. c) Cuando el camión se aleja de ti con la mismaquiere decir que recorre 60 km en una hora (aquí, el tér- rapidez la pelota se mueve a 20 km/h al momento de atraparla.
  • 33. 32 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Analiza con cuidado antes de contestar: Un guepardo corre con una rapidez de 20 m/s duran- Un coche viaja hacia el este a 60 km/h, mientras que te 5 s. ¿Qué distancia recorrió? por el otro carril de la carretera pasa un coche a 60 km/h en dirección oeste. ¿Qué es igual en ambos coches: la rapidez o la velocidad? Al graficar en un eje la distancia y en el otro el tiem- po se puede obtener la rapidez. Así, de manera general, se grafica la rapidez para tres objetos cualesquiera, A, B y C, como se muestra en la siguiente figura. Gráfica de la rapidez 9 Usa la siguiente fórmula: 8 distancia (en metros) ϭ rapidez (en metros/s) ϫ tiempo (en segundos) 7 En pocas ocasiones un cuerpo se mueve con una A rapidez constante. Por ello, es conveniente introducir eldesplazamiento (m) 6 concepto de rapidez promedio como: 5 distancia total recorrida B rapidez ϭ (en metros) 4 promedio tiempo total transcurrido (en segundos) 3 2 y el de velocidad promedio como: C 1 desplazamiento total recorrido velocidad ϭ (en metros) promedio tiempo total transcurrido 0 1 2 3 4 5 6 7 (en segundos) tiempo (s) Uno de los movimientos más sencillos de describir Los espacios que recorren estos objetos varían uni- es el de un objeto que se mueve en línea recta, pues formemente con el tiempo, es decir, los tres se mueven siempre avanza en el mismo sentido y su rapidez es con rapidez constante, lo que no quiere decir que sea constante. En este caso, la magnitud del desplaza- la misma. Su rapidez se muestra en la tabla. miento coincide con la distancia recorrida y, por lo Complétala. tanto, la rapidez coincide con la velocidad. Este movi- miento recibe el nombre de movimiento rectilíneo uni- Para el objeto A Para el objeto B Para el objeto C forme. rapidez ϭ 9 m / 3 s rapidez ϭ 6 m / 5 s rapidez ϭ 3 m / 7 s Para el caso del ciclista que consideramos en la pági- rapidez ϭ 3 m / s rapidez ϭ rapidez ϭ 0.42 m / s na anterior, y que tiene un movimiento rectilíneo uni- forme, calculamos la rapidez al dividir posición con- tra tiempo. Completa la tabla. Con base en la figura anterior responde: ¿cuál de los cuerpos recorre una mayor distancia en menos tiem- po? ¿Cuál de los tres es el más rápido, toda vez que Tiempo Velocidad la distancia que recorre es mayor y lo hace en menos (segundos) (m/s) tiempo? 5 10 10 10 Un atleta corre 100 m en 9.8 s. Calcula su rapidez. Recuerda la fórmula de la rapidez y escríbela: 15 20 25 Haz el cálculo: rapidez = 30
  • 34. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 33 La gráfica que se puede construir es: Con base en la gráfica anterior, contesta las siguien- Gráfica de movimiento rectilíneo uniforme tes preguntas: a) ¿Cuál fue la distancia de la carrera? b) ¿Cuál fue la rapidez promedio del perro? 15 c) ¿Cuál fue la rapidez promedio del niño? d) ¿Después de cuántos segundos el perro rebasó velocidad (m / s ) al niño? 10 En este caso, la velocidad promedio coincide con la velocidad instantánea, que es la velocidad del móvil (en este caso el ciclista) en cualquier momento. Por ejemplo, 5 cuando el velocímetro de un auto marca 60 km/h, ésa es su velocidad instantánea, en ese preciso momento. Aquí es preciso hacer la misma distinción entre velocidad y rapidez de un cuerpo. Así se indica velocidad instantánea (si conocemos su dirección y sentido) y rapidez instantá- nea (si no la conocemos). 0 5 10 15 20 25 30 Un autobús tarda 60 minutos en completar sus 30 tiempo (s) km de recorrido a través de la ciudad. ¿Cuál es su rapi- dez? Recuerda la fórmula de la rapidez: Con base en la gráfica responde: • ¿Coinciden los datos de la gráfica con tus cálculos? • ¿Qué velocidad tiene el ciclista a los 8 s? distancia (en metros) rapidez ϭ • ¿Qué velocidad tendrá el ciclista a los 40 s? tiempo (segundos) Un niño corre al lado de un perro. A continuación se 30 000 mmuestra la gráfica que ejemplifica la carrera: rapidez ϭ 3 600 s 200 rapidez ϭ 8.33 m /s Compara la repidez del autobús con la del atleta del ejercicio anterior. Considera que el atleta va a ladistancia (m) misma rapidez prácticamente todo el tiempo, mientras 100 que el autobús en ocasiones va más rápido y en otras está detenido. Por ello se dice que tanto la rapidez del autobús como la del atleta corresponden a la rapidez promedio. 0 20 40 tiempo (s)
  • 35. 34 Conexiones con tecnología y sociedad Medir Algunas personas suponen, equivocadamente, que medir consiste en decir un número. Que tu masa sea 39, 53 o 48 000 no dice nada acerca de si eres ligero o pesado. Por tanto, siempre deben men- cionarse las unidades con las que se está midiendo. En el caso anterior, 39 pueden ser tomates; 53, televisores y 48 000, gramos, o sea, 48 kilogramos. En este ejemplo, 39, 53 y 48 000 son sólo núme- ros, mientras que 39 tomates, 53 televisores y 48 000 gramos son cantidades. Una cantidad es un número con una unidad. Para llegar a un acuerdo, tanto en la ciencia como en muchas actividades cotidianas, no se habla de números sino de cantidades. Como las unidades que se usaban en México eran diferentes de las empleadas en China, y éstas distintas de las utilizadas en Estados Unidos de América, cada vez que se intentaba comparar lo que producía una cultura distinta con respecto a otra, era un desastre. Nadie se entendía, por lo que, después de muchos años de errores y discusiones, los científicos del mundo establecieron el acuerdo de usar las mismas unidades, conocidas como Sistema Internacional de Unidades (véase “Apéndice 1”). • ¿Mides cotidianamente en tu casa? ¿Y en la escuela? • ¿Tus compañeros miden de la misma manera que tú? ¿Por qué? • ¿Qué mide el velocímetro, la velocidad instantánea del coche o la velocidad promedio? • Investiga cómo se medía el tiempo en las culturas prehispánicas de nuestro país. El volumen del salón de clases que aquí se representa es de 150 m3, lo que quiere decir que se puede llenar con 150 cubos de un metro por lado.
  • 36. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 35 Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus propias palabras, explica qué entiendes al leer o escuchar los siguientes conceptos: comparación, longi- tud, movimiento, patrón, posición, trayectoria, desplazamiento, rapidez, referencia, superficie, tiempo y velocidad.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferen- tes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta más adecuado para tu curso.2 Actividades para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros lo que se dice en la conversación de la página 27. Con lo que aprendieron constrúyanla de nuevo, en equi- pos de trabajo, e incorporen las modificaciones que consideren adecuadas.2.2 ¿Por qué es importante medir? Porque así se pueden conocer con certeza el tamaño, la distancia, la masa o el tiempo transcurrido, por citar sólo algunos ejemplos. Contesta las preguntas en relación con la figura, primero sin medir y luego midiendo: ¿Qué línea es más larga? ¿Cuál recipiente es más ancho en la base? ¿Son iguales tus respuestas a las de tus compañeros? ¿Por qué? Diseñen o busquen ilusiones ópticas como las que aquí se muestran. ¿Qué línea es más larga? ¿Cuál recipiente es más ancho en la base?2.3 Comparar la trayectoria y el desplazamiento entre Veracruz y Progreso. Un barco describe una trayectoria recta para desplazarse desde Veracruz al puerto de Progreso, en Yucatán. La distancia que recorre es más corta que la que recorre el coche, a pesar de que la posición en la que se encuentran al final del viaje es la misma. Observen el mapa y a continuación contesten: a) ¿Cuál es el punto de partida del barco y el coche? b) ¿Cuál es el punto de llegada del barco y el coche? c) ¿Qué distancia recorrió el coche? d) ¿Qué distancia recorrió el barco? e) ¿Cuál es el desplazamiento de ambos? f) La trayectoria del barco es descrita por… g) La trayectoria del automóvil es descrita por…2.4 Comparar dos viajes de vacaciones. 0 100 200 km
  • 37. 36 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Comparemos el viaje que dos de nuestras amigas hicieron con sus familias durante las vacaciones. Las fami- lias de Alicia y Carmen viven en el mismo edificio y rentaron juntas una cabaña situada a 120 km de su casa. Cada familia viajó en su coche, por separado; quedaron de verse en la cabaña a las 12:00 en punto para jugar un partido de futbol. La familia de Alicia partió a las 9:00 de la mañana. En la primera hora, Alicia y su familia viajaron 40 km. Durante la segunda hora, recorrieron otros 40 km para un total de 80 km. En tres horas cubrieron 120 km. Si recordamos que la rapidez se calcula por medio de una relación entre la distancia y el tiempo, la rapi- dez en los tres periodos es la misma: 40 km/h. Gráfica de rapidez de la familia de Alicia Construye la gráfica del viaje de Alicia. 120 distancia (km) 80 40 0 1 2 3 4 tiempo (h) Observemos ahora el viaje de la familia de Carmen: La familia de Carmen también quería llegar a la cabaña en tres horas. Sin embargo, el papá de Carmen había prometido a la familia que pararían a desayunar en el camino. También salieron a las 9 de la mañana de su casa. Durante la primera hora, el papá de Carmen manejó a una rapidez de 80 km/h. Carmen y su familia desayuna- ron en un restaurante a 80 km del punto de partida, durante una hora, por ello la distancia no varía durante la segunda hora. Finalmente, acabaron el viaje recorriendo 40 km en la tercera hora. Construye la gráfica del viaje de la familia de Carmen. Gráfica de rapidez de la familia de Carmen 160 120 distancia (km) 80 40 0 2 1 3 4 tiempo (h) Cuando dieron las 12:00 h, las dos familias habían viajado 120 kilómetros en la misma dirección, pero el viaje de ambas fue distinto. Su velocidad promedio fue la misma, pero el cambio de posición respecto al tiem- po de cada automóvil fue diferente. En este caso, podemos hablar de velocidad y no de rapidez, porque tanto Alicia como Carmen viajaron en la misma dirección. 2.5 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.
  • 38. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 373 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tuscompañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Gráficas posición – tiempo magnitudes que lo se caracterizan Movimiento representa por Gráficas velocidad – tiempo Para su descripción se necesita Sistema de referencia espacio – temporal constituido por sistema de trayectoria rapidez velocidad coordenadas que determina origen del tiempo determina la definen la definen la la posición que determina del móvil variación de variación el tiempo posición transcurrido del móvil la posición de la posición con relación con relación al al tiempo tiempo en determinada dirección4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Describir y comparar movimientos de personas u objetos utilizando diversos puntos de referencia y la representación de sus trayectorias. Interpretar el concepto de velocidad como la relación entre desplazamiento, dirección y tiempo. Identificar las diferencias entre los conceptos de velocidad y rapidez. Construir e interpretar tablas de datos y gráficas de posición-tiempo. Predecir las características de diferentes movimientos a partir de gráficas de posición-tiempo.
  • 39. La percepción del movimiento TEMA1 ¿Qué onda? 1.3 Un tipo particular de movimiento: El movimiento ondulatorio ¿Qué onda con qué? Ninguna onda. Hablo de las ondas sonoras. Cuando te digo “qué onda”, me escu- chas porque una onda sono- ra llega hasta tu oído. También cuando me dices otras cosas te escucho por las ondas sonoras. Por ejemplo, si me invitas al cine, tu invitación la oiré con placer, gracias a las ondas sonoras.Como dijo el maestro, suena medio incomprensible que las ondas… Con la cuerda podemos hacer distintas ondas. Lo ¿Y si vamos todos? mismo pasa con los sonidos: Entonces, ¿qué son distintas ondas. onda? ¿Me invitas Sale. al cine? A mí me quedó claro con el ¿Te parece claro el hecho de que sea la onda la ejemplo de la cuerda. que viaja y no el medio? ¿Qué características tienen las ondas? ¿Cómo se nos manifiestan estas características? ¿Podemos modificarlas? En esta sección estudiaremos: • Un tipo particular de movimiento: el movimiento ondulatorio. • La relación entre longitud de onda y frecuencia. • La velocidad de propagación de las ondas. 38
  • 40. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 39 Predigo-Observo-Explico Amplificando el sonido Con mis compañeros y mi profesor Necesitas: Predicción • 1 o 2 peines de plástico, si es posible con dien- • ¿Sobre qué otras superficies se ampliará más o tes de diferente tamaño. menos el sonido? • ¿De qué manera afecta al tono (relacionado con lo Procedimiento: agudo o grave del sonido e indica la frecuencia del 1. Rasga el peine con tus dedos e identifica el mismo) la longitud de los dientes del peine? sonido que produce al vibrar. • Justifica la predicción. 2. Para amplificar el sonido, coloca el peine sobre Observación una mesa y vuelve a rasgarlo. Realiza el experimento. Explicación Explica, con tus propias palabras, lo que sucede y compáralo con tu predicción. Comparte tu resultado con el resto de tus compa- ñeros y tu profesor. Los diferentes sonidos producidos por el peine en esta actividad, ¿qué sensaciones te causaron? ¿Qué piensas acerca de que esta manera de producir sonido tenga alguna relación con los instrumentos musicales?Conexiones con tecnología y sociedadInstrumentos musicalesTodos los instrumentos musicales producen ondas como resultado de la vibración dealguna de sus partes. Esas ondas nosotros las percibimos como música. Los instru-mentos se dividen en tres grandes grupos:a) De cuerda.b) De viento.c) De percusión.En los instrumentos de cuerda, el sonido se produce al vibrar las cuerdas con quecuentan. Cada una vibra de manera diferente. En los instrumentos de viento, el sonido se produce al vibrar y resonaruna columna de aire. El tamaño del tubo de los instrumentos de viento (afin de cuentas, todos son como un tubo, donde el intérprete sopla para pro-ducir las notas musicales que desea) define el sonido que se produce. En los instrumentos de percusión, una membrana, al vibrar, produce lasondas que escuchamos. En general, la membrana se coloca sobre un recipien-te que aumenta la intensidad del sonido producido. Las cajas de los instrumen-tos de cuerda sirven para lo mismo, amplifican la intensidad del sonido.
  • 41. 40 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Las ondas características de cada instrumento se reconocen fácilmente utilizando diversos dispo- sitivos, como el osciloscopio o el analizador de espectros, conectados a un micrófono. Cada ins- trumento es capaz de producir diferentes tipos de ondas y, de esta forma, obtener las diversas for- mas musicales que disfrutamos. • ¿A qué grupo pertenecen cada uno de estos cinco instrumentos? Osciloscopio. • Investiga cuántos instrumentos tiene una orquesta sinfónica. ¿De qué grupo hay mayor presencia? Violín Piano Violonchelo Bongó Pandero Un tipo particular de movimiento: Las ondas se caracterizan principalmente por: el movimiento ondulatorio Recuerda que los sonidos son generados por vibraciones • Su amplitud de objetos materiales. Cuando en un cuerpo ocurre un • Su longitud de onda movimiento de un lado a otro en un tiempo determinado, • Su frecuencia se dice que se tiene una vibración. Representación de una onda 5 Longitud Cresta de onda Amplitud 5 Longitud de onda Cuando agitas una cuerda se produce una perturbación que se 5 Valle desplaza a lo largo de la cuerda. Se desplaza la perturbación, no las partes de la cuerda. Los puntos más elevados se llaman crestas, y los más Las ondas pueden asumirse como una perturbación bajos, valles. Las ondas tienen amplitud (A) y longitud (es decir, una pequeña modificación externa). El tipo de (λ). La amplitud es la distancia desde la cresta, o desde movimiento que producen es ondulatorio. el valle, hasta el punto medio. La longitud de onda es la Las ondas se representan gráficamente, como se distancia entre la cima de una cresta y la cima de la indica en la gráfica de la derecha. cresta siguiente, o también entre dos partes equivalen-
  • 42. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 41tes de dos ondas sucesivas. La frecuencia nos indica qué a) La amplitud de la ondatan a menudo ocurre una vibración. b) La longitud de onda c) La frecuencia La siguiente gráfica representa una onda que se d) El periodo mueve hacia la derecha y que pasa cada dos segundos por el centro de coordenadas estableci- das. Determina: m 4 3 2 1 m 0 -1 -2 -3 -4 4 8 Escala: 1 cuadro = 1 metro m Necesitas: Une los palitos como se muestra en la figura, colo- • 50 palitos para paleta o abatelenguas ca la cinta de ambos lados y después sujeta los • Cinta adhesiva extremos de tal manera que la cinta quede lo más • 2 soportes estirada. Mueve cualquier palito y observa lo que pasa, anó- talo. Mueve otro palito, ¿Sucede lo mismo? ¿Por qué? La relación entre longitud de onda y frecuencia También vemos la frecuencia (υ) como el número de cres- tas que pasan por un punto en un segundo. El periodo es el tiempo que tarda en recorrerse una longitud de onda
  • 43. 42 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO completa. Si conocemos la frecuencia, podemos calcular y sustituyendo los valores correspondientes, tene- el periodo y viceversa, porque la frecuencia y el periodo mos como resultado: son cantidades inversas, es decir: 1 υ ϭ 60 m/s / 6 m ϭ 1/s o hertz frecuencia ϭ periodo La mayoría de los sonidos que percibimos se trans- miten por el aire, pero el sonido también puede 1 periodo ϭ viajar a través de un sólido o de un líquido. En frecuencia general, los sólidos y los líquidos son excelentes conductores del sonido, mucho mejores que el La unidad de frecuencia se llama hertz (Hz), en aire. La siguiente figura es una representación bien honor a Heinrich Hertz, descubridor de las ondas de conocida (por las películas relacionadas con el radio en 1886. Una frecuencia de 1 Hz corresponde a viejo oeste) de este hecho. una vibración por segundo. Dos vibraciones por segundo corresponden a 2 Hz o 2 (1/s). Las grandes frecuencias se miden en kilohertz y en megahertz. Las ondas de radio de amplitud modulada se transmiten Como aparece en muchas películas, los indios escuchaban en kilohertz, mientras que las de frecuencia modulada en el suelo las pisadas de los caballos antes de que pudieran se transmiten en megahertz. escucharlas en el aire. La velocidad de propagación de las ondas La velocidad con que las ondas se desplazan depende del Teléfono casero medio en que lo hacen. El sonido no puede propagarse Observarás la transmisión del sonido a través de la en el vacío, es indispensable que haya un medio. Si no vibración de una cuerda. hay una sustancia que se comprima y se expanda (gene- ralmente el aire) no puede haber sonido. Procedimiento: Una onda se propaga a velocidad constante (siempre a) Quita la tapa de las latas empleando el abrelatas. y cuando no cambie de medio) y avanza una distancia de b) Haz un hoyo en el centro del fondo de las latas una longitud de onda en un periodo. Por eso, la velocidad con el clavo y el martillo. de propagación se calcula con el producto de la frecuen- c) Pasa el cordón por el agujero y haz un nudo que cia (υ) por la longitud de onda (λ), de acuerdo con la quede dentro de la lata. siguiente ecuación: d) Estira bien el cordón y habla por una lata. Alguien debe estar sosteniendo la otra y oirá tu voz. velocidad = υλ Necesitas: ¿Se puede cambiar la longitud de onda de una onda • 1 martillo sin modificar simultáneamente su frecuencia? • 1 abrelatas ¿Cuál es la frecuencia de una onda que viaja a 60 • 1 clavo m/s y cuya longitud de onda es de 6 m? • 2 latas vacías • 1 cordón delgado Usa la siguiente fórmula: Preguntas: velocidad • Describe lo que sucede. Frecuencia = • ¿Cómo viaja el sonido de una lata a otra? longitud de onda λ
  • 44. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 43 • ¿Cómo afecta que el cordón esté estirado o no? • Dibuja un diagrama que explique lo que sucede en el experimento. Respuesta: Rapidez del sonido en distintos • ¿Qué se pregunta? A cuántos kilómetros cayó el medios de propagación rayo. • ¿En qué unidades? En kilómetros. • Datos que tenemos: la diferencia de tiempos entre la caída del rayo y el trueno es de 15 s. • Incógnita: la distancia entre el rayo y la persona. Medio Rapidez (m / s) • Datos que conocemos: de acuerdo con la tabla la rapidez del sonido en el aire es de 343 m/s a 20 ºC y disminuye 0.6 m/s por cada grado, lo que Aire (0 ºC) 331 quiere decir que a 15 ºC la rapidez del sonido en el aire es 343 m/s Ϫ 0.6 m/s(5) ϭ 340 m/s. Aire (20 ºC) 343 d • Fórmulas que sabemos: v ϭ t Agua (0 ºC) 1 402 d • Solución: v ϭ t Agua (20 ºC) 1 482 d ϭ vt Aluminio 6 420 ϭ (340 m/s) (15 s) Acero 5 941 ϭ 5 100 m ϭ km El sonido viaja con distinta rapidez en materialesdiferentes. La rapidez del sonido en aire seco a 0 °Ces de 331 m/s, casi 1 200 km/h. Si hay vapor de agua • ¿Cuál es la rapidez del sonido en un cálido día deen el aire, la rapidez de propagación es mayor. Cuando verano, en el desierto de Sonora, cuando la tempe-la temperatura es mayor, la rapidez aumenta. La rapi- ratura alcanza allí los 45 ºC?dez del sonido en el aire aumenta aproximadamente0.6 m/s por cada grado que aumenta sobre 0 °C. De En general, las ondas no se presentan solas; enesta forma, cuando la temperatura es igual a 20 °C, el nuestra vida cotidiana estamos inmersos en una mul-sonido se propaga a 343 m/s en el aire. titud de ellas. Cuando dos ondas se encuentran pue- den sufrir interferencia, es decir, la superposición En medio de una tormenta, un individuo ve caer un local de las ondas, lo que modifica su amplitud. Si rayo y 15 segundos después oye el trueno. ¿A ambas ondas coinciden en sus fases, la interferencia cuántos kilómetros de la persona cayó el rayo si la es constructiva, como se muestra en la siguiente temperatura ambiente es de 15 ºC? página:
  • 45. 44 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Las ondas también se pueden reflejar. La onda rebo- ta cuando llega a la frontera entre dos medios, como se ejemplifica a continuación, con la onda producida por la oscilación de una cuerda atada en una pared. La refle- Si dos ondas idénticas se superponen, se produce una onda de xión puede ser total o parcial. La reflexión de las ondas mayor amplitud. explica los ecos. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: ¿Todo lo que se mueve produce vibraciones? ¿Se puede producir eco dentro de una caja metáli- ca? ¿Y dentro de una de cartón? Si dos ondas idénticas, pero fuera de fase, se superponen, se destruyen mutuamente. Dos ondas con una frecuencia de 10 Hz tienen una Por otro lado, si sus fases son opuestas (por ejem- interferencia constructiva. Una onda tiene una plo, el valle de una y la cresta de otra) la interferencia amplitud de 2 m, y la otra, de 1 m. Grafica en tu es destructiva. En el sonido, la interferencia afecta la cuaderno ambas ondas y la onda resultante de la sonoridad. interferencia, identificando: a) frecuencia (10 Hz) b) amplitud (3 m) Repite en tu cuaderno la gráfica anterior, supo- niendo que la interferencia es destructiva, por lo que su frecuencia será 10 Hz, y su amplitud, 1 m. ¿Cuál es la rapidez de una onda cuya frecuencia es Las ondas se reflejan totalmente cuando encuentran una 5 Hz y su longitud de onda 20 m? ¿Qué ecuación frontera totalmente rígida. aplicarías? Resuelve el problema en tu cuaderno. Conexiones con tecnología y sociedad Los sonidos que no todos oímos Investigaciones realizadas con diversos animales indican que ciertas especies oyen sonidos diferentes. Los órganos auditivos son sensibles a sonidos con frecuencias diferentes, lo que hace que algunas especies oigamos sonidos que otras especies no. Por ejemplo, los perros son capaces de oír sonidos con frecuencias de 50 000 Hz, que los seres humanos somos incapaces de oír (en los casos en que la frecuencia del sonido es mayor a la que nos- otros podemos oír, los llamamos ultrasonidos; cuando es menor, infrasonidos). Por otro lado, los elefantes, con su trompa, emiten sonidos cuya frecuencia es de 10 Hz, infrasonido que tampoco nosotros oímos y que, sin embargo, a ellos les permite comunicarse entre sí. Es importante conocer estas diferencias para entender mejor los fenómenos sonoros que ocurren todo el tiempo a nuestro alrededor. Incluso es posible que, entre dos personas, sólo una sea capaz de per- cibir ciertos sonidos, de acuerdo con la condición de su oído. Una de las cualidades más importantes
  • 46. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 45para los estudiantes de música es su capacidad auditiva, que deben cultivar desde la niñez; por estarazón, se dice que los grandes músicos tienen un “oído extraordinario”. Como puedes observar en la gráfica, los animales y los seres vivos oímos frecuencias diferentes. Intervalos de audición (en color naranja) en algunos animales Hz 100 000 10 000 1 000 100 10 0 murciélagos gatos pavos delfines saltamontes humanos Observa la gráfica y contesta: • ¿Cómo funciona el oído? • ¿Cuál de los animales tiene un mayor rango de audición? • ¿Qué animales perciben ultrasonidos? • ¿Qué animales perciben infrasonidos?Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus propias palabras, explica lo que entiendes por los siguientes conceptos: onda, longitud de onda, fre- cuencia, periodo.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia, o en Wikipedia en Internet, su significado. Si son diferentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta el más adecua- do para tu curso.
  • 47. 46 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Necesitas: 2 Para realizar con tu profesor • 1 trozo de cordel de aproxi- madamente 50 cm de largo 2.1 Después de estudiar la sección, revisa el esquema con el que finaliza • 1 clip metálico y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la • 2 monedas de un peso o su página 38. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equivalente en tamaño y equipos de trabajo, e incorporen las modificaciones que consideren peso adecuadas. • 1 cinta adhesiva o masking tape 2.2 Los péndulos • 1 lápiz sin punta Un péndulo es un cuerpo rígido que cuelga de un hilo sujeto a un • 1 reloj con segundero soporte fijo, y que oscila libremente por la acción de su peso. Puedes • 1 regla o cinta métrica encontrar ejemplos de péndulos en un reloj cucú y también en el par- • 1 mesa de trabajo despeja- que cercano de tu casa, pues un columpio es un péndulo. Los péndu- da, sin inclinación ni los tienen un movimiento oscilatorio, por lo que también tienen una obstáculos que impidan el frecuencia de oscilación. Su movimiento no es igual al de las ondas, funcionamiento del péndulo. pero comparten con éstas el que se le caracterice a través de la fre- cuencia, que aquí significa lo mismo. Por ejemplo, si el péndulo de un reloj hace doce vibraciones o ciclos cada 4 segundos, su frecuen- cia será de 12 ciclos /4 s ϭ 3 Hz. Para que un péndulo funcione hay que desplazar la masa de su posición original (en este caso su posición de equilibrio) y llevarla a cierto ángulo de inclinación, soltarla y dejar que realice un ciclo, es Preguntas: decir, que llegue al otro extremo y regrese. • ¿Hubo cambios en el Comprender el siguiente experimento requiere que realices, de la número de ciclos descritos mejor forma posible, las medidas que se piden y que comprendas el por tu péndulo cuando concepto de variable. Una variable es cualquier factor físico que variaste el ángulo de incli- puedes cambiar para afectar el resultado de un experimento. En el nación de partida? caso de los péndulos, el movimiento de éstos se relaciona con tres • ¿Hubo cambios en el factores: longitud de la cuerda, masa del cuerpo que cuelga y ángu- número de ciclos descritos lo de inclinación. Éste lo forma la cuerda con la línea imaginaria por tu péndulo cuando vari- proyectada desde el punto de amarre al suelo cuando jalas el pén- aste la masa? dulo por el cuerpo rígido para lanzarlo (figura b). ¿Cuál de estas • ¿Hubo cambios en el variables puede afectar el funcionamiento del péndulo? Vamos a número de ciclos comprobarlo. descritos por tu péndulo cuando variaste la longi- Para realizar en equipos de trabajo tud de la cuerda? • Calcula las frecuencias en Procedimiento: los tres casos anteriores. a) Primero construyan el péndulo: aten el clip a uno de los extremos del • ¿Cuál de los factores físi- cordel. Midan 38 cm desde el clip y realicen un doblez. Con un poco cos implicados en este de cinta adhesiva, formen una argolla que pueda colgar libremente experimento es una vari- desde el lápiz, sin que roce o se atore. Sujeten la moneda con el clip y able que afecta el resulta- péguenla con un poco de cinta. do del experimento? ¿Por b) Predigan el número de ciclos completos que puede describir su pén- qué? dulo en 15 segundos. Anótenlo en su cuaderno. • Comenta con tus com- c) Coloquen el lápiz de manera que sobresalga unos 7 cm de la mesa y pañeros los resultados y fíjenlo con cinta. Comprueben sus resultados dejando oscilar el péndu- juntos establezcan con- lo durante un periodo considerable, el cual que medirán con el segun- clusiones.
  • 48. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 47 dero del reloj. Anoten el resultado en su cuaderno.d) Predigan y anoten el número de ciclos que dará su péndulo si cambian el ángulo de inclinación desde donde sueltan el péndulo. A continuación, com- prueben y anoten su resultado en su cuaderno.e) Predigan y anoten el número de ciclos que dará su péndulo si cambian la masa y la aumentan a dos monedas en lugar de una. A continuación, com- prueben y anoten su resultado en su cuaderno.f) Predigan y anoten el número de ciclos que dará su péndulo si cambian el largo de la cuerda y lo hacen más largo o más corto (definan una nueva longitud). Ángulo de inclinación A continuación, comprueben y anoten el resultado en su cuaderno.2.3 Diseña un experimento con el que se pueda medir la velocidad del sonido en el aire, en agua y en aluminio.2.4 Con lo que has aprendido, ¿en que cambiarían tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo- Explico con el que se inicia esta sección? Argu- b) En esta figura se observa el ángulo de inclinación que, menta tu respuesta. de acuerdo de donde sueltes el péndulo, es variable. c) El clip sujeta las monedas, pero evita que se caigan cona) Así queda el péndulo ya terminado. un poco de cinta adhesiva.
  • 49. 48 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus com- pañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Movimiento ondulatorio Magnitudes que lo describen Explica la propagación de las ondas Longitud de Frecuencia Velocidad de onda (λ) (υ) propagación ν=υλ 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Aplicar las formas de descripción y representación del movimiento analizadas anteriormente para describir el movimiento ondulatorio. Diferenciar las características de algunos movimientos ondulatorios. Utilizar el modelo de ondas para explicar algunas características del sonido.
  • 50. El trabajo de Galileo: una aportación importante para la ciencia 22.1 ¿Cómo es el movimiento de loscuerpos que caen? Afortunadamente, nada, bajé rápidamente y le pedí disculpas, porque Bueno, menos mal. fue un accidente. Como ¡Imagínate si tiene mucho pelo, hubiese sido un tampoco le hizo daño. libro! Ayer se me cayó unlápiz desde el salón delsegundo piso, ¡y que le cae en la cabeza al profesor de Química! Pues sí, ya que cuanto más pesado es un objeto, cae más rápido. ¡Híjole!…¿Y qué pasó? Pues no, porque como ya lo demostró Galileo hace muchos años, la velocidad de un objeto en caída Otra vez tú y tu libre no depende de su masa. física. ¡Tendrás que En el vacío, caen a la misma demostrárnoslo! velocidad una pluma y una bola de billar.¿Quién tendrá razón, Roberto osus amigos? ¿Qué es el vacío yen dónde se halla? Observa losglobos que venden en la calle:¿por qué al soltarlos algunoscaen y otros no? En esta sección estudiaremos: • Experiencias relacionadas con la caída libre de objetos. • La descripción del movimiento de caída libre según Aristóteles. La hipótesis de Galileo. • Los experimentos de Galileo y la representación gráfica posición-tiempo. • Las aportaciones de Galileo: una forma diferente de pensar. 49
  • 51. 50 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Predigo-Observo-Explico ¿Quién llega primero? Con mis compañeros y mi profesor Necesitas: • Dos hojas de papel iguales. • Dos cajas de cerillos iguales. • Monedas. Procedimiento A: Se toman dos hojas de papel del mismo tama- ño y la misma masa. Después se arruga una de ellas, para formar una "pelota" de papel. Predicción • ¿Cuál cae primero? • Justifica la predicción. Observación Realiza el experimento. Se recomienda hacerlo en equipo, así mientras uno suelta las hojas o cajas de cerillos, los demás pueden fijarse en el momento que toque el piso. Explicación Explica, con tus propias palabras, lo que sucede y compáralo con tus predicciones. Comparte tu resultado con el resto de tus compa- Predicción ñeros y tu profesor. • ¿Cuál cae primero? • Justifica la predicción. La caída libre de los cuerpos es un fenómeno coti- diano. Ya los antiguos griegos lo habían tratado de explicar, aunque sin realizar experimentos, sin Procedimiento B: embargo, sus ideas permanecieron casi 2 000 años. Se necesitan dos cajas de cerillos, iguales y vacías. Fue Galileo quien cambió esa manera de percibir A una de ellas se le colocan monedas, por lo que dicho movimiento. tendrá más masa que la caja vacía.
  • 52. BLOQUE 1. GALILEO 51Conexiones con tecnología y sociedadEl telescopioGalileo fue el primero en construir y utilizar sistemá-ticamente un telescopio para observar el cielo. Con este instrumento descubrió, hacia principios del siglo XVII, las montañas en la Luna, algunas de las estrellas de la Vía Láctea, las lunas de Jú- piter y las fases de Venus (como las que presenta la Luna). Estas observaciones fueron muy im- portantes en el desarrollo de la astronomía y para establecer evidencia observacional que Júpiter con la Gran Mancha Roja y dos de sus permitiera cuestionar la vi- lunas. sión geocéntrica del Universo (que indicaba que la Tierra era el centro de éste). Así, el telescopio se volvió un instrumento aceptado o criticado por los mayores especialistas de su época. Algunos no quisieron ni mirar por el telescopio; argumentaron que las afirmaciones de Galileo sobre, por ejemplo, las montañas de la Luna, sencillamente “no podía ser cierto”, ya que contradecía lo que dictaba la tradición. Galileo no pudo rebatir estas objeciones, ya que aún no había una explicación correcta sobre la naturaleza de la luz y de la óptica, pero puso a disposi- ción de muchos estudiosos este instrumento e inició el camino hacia la astronomía moderna. Consigue un telescopio pequeño o unos binoculares y observa el cielo nocturno. ¿Qué objetos del cielo puedes identificar? • ¿Qué puedes decir acerca del movimiento de esos cuerpos celestes respecto de la Tierra?Telescopio construido por Galileo Galilei.Experiencias relacionadas con la caída libre de objetos tarse con las respuestas inmediatas, empezaron a desarro-La palabra materia proviene de mater, madre en latín, y llar explicaciones sobre la constitución de la materia o lasse aplica a los humanos, los animales y las plantas. Así, razones del movimiento.materia indica los componentes específicos de los que Según los griegos, había cuatro elementos en todosestán hechos los objetos del mundo que nos rodea y del los objetos que se conocían: aire, agua, fuego y tierra.que somos parte. Es preciso entender que no eran como los elementos Las sociedades humanas, a lo largo de su historia, han que aceptamos en la actualidad, pero sí una forma deconstruido explicaciones del mundo. Para entender todo explicar el mundo y que permitían considerar de lalo que hay a nuestro alrededor se han planteado desde misma manera una gran cantidad de sucesos. Los cua-fantasmas hasta mitos. tro elementos griegos están relacionados con los pun- En la Grecia antigua, hace poco más de 2 000 años, tos cardinales, los cuerpos geométricos o los ciclos delos individuos, además de hacerse preguntas y no conten- la vida, como queda indicado en la tabla.
  • 53. 52 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Elemento Cuerpo geométrico Órgano Estación Ciclo de la vida Aire Octaedro Corazón Primavera Niñez Fuego Tetraedro Hígado Verano Juventud Tierra Cubo Bazo Otoño Edad adulta Agua Icosaedro Cerebro Invierno Vejez Cada uno de los cuatro elementos tenía su lugar en colaboraban con el fin de hacerlo caer a una velocidad el mundo e intentaban moverse hacia él. Una piedra, for- proporcional a su peso. De esta forma, un objeto diez mada sobre todo por el elemento tierra, caía de forma veces más pesado que otro caería diez veces más rápi- natural y con velocidad creciente hacia el centro de la do. Esto lo llevó a enunciar el siguiente principio: “La Tierra (que, como vimos en la página 24, ya sabían que velocidad de un objeto es directamente proporcional a era redonda). El fuego y el aire tendían a subir hacia su su peso e inversamente proporcional a la resistencia lugar correspondiente; como todos sabemos, las llamas del medio”. Este principio permitía entender también y los humos apuntan en dirección contraria al centro de la diferente velocidad de caída del mismo objeto en la Tierra. diferentes medios (por ejemplo: aire, agua o miel). Según Aristóteles, cualquier movimiento que no La descripción del movimiento de caída libre según fuera natural (es decir, que no fuera hacia arriba o hacia Aristóteles. La hipótesis de Galileo abajo) era violento y requería de la presencia de una Aristóteles (384-322 antes de nuestra era, a.n.e.) fue fuerza externa. Esa fuerza era la que, por ejemplo, hacía uno de los más importantes representantes de este tipo que una carreta se moviera cuando la arrastrara un caba- de pensamiento. Alejandro Magno fue su discípulo más llo, o dicho de otra manera: sin una fuerza impulsora no famoso y, mientras el viejo maestro escribía sobre el hay movimiento. Si deja de ejercerse dicha fuerza, el mundo, su joven alumno lo conquistaba por la fuerza en movimiento cesa. una de las hazañas militares más impresionantes de todos los tiempos. Esta afortunada coincidencia hizo que el pensamiento de Aristóteles se conociera práctica- mente en la mayoría del mundo antiguo, desde Grecia hasta la India, pasando por Egipto y Mesopotamia. Los términos arriba y abajo no poseían para Aristóteles el sentido relativo actual, sino que para él eran lugares únicos y absolutos. Por otra parte, el filóso- fo griego distinguió entre movimientos naturales (aque- llos en los cuales los objetos retornan a sus lugares natu- rales, es decir, arriba y abajo) y movimientos violentos (aquellos que transportan a los elementos fuera de sus lugares naturales). Partiendo de esta explicación del mundo, que como podrás apreciar se basa directamente en nuestra experiencia cotidiana, Aristóteles dedujo que la Tierra tenía que estar necesariamente en el centro del Universo y completamente inmóvil. El Sol y los otros pla- netas girarían alrededor de ella. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: • ¿Por qué el movimiento es un fenómeno relativo? • Si pudieras flotar libremente en el espacio exterior, ¿utilizarías los términos “arriba y abajo”? ¿Por qué? • El polo norte, ¿está arriba o abajo del polo sur? ¿Por qué? Aristóteles afirmaba que el peso de un objeto y la resistencia del medio a través del cual se desplaza Busto de Aristóteles.
  • 54. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 53Sin fuerza impulsora del caballo no hay movimiento de lacarreta. Prácticamente, lo anterior lo dedujo Aristóteles desus observaciones del mundo, las cuales nunca compro-bó con experimentos que le permitieran validarlas. Apesar de que Aristóteles no comprobó estos enunciados,su influencia fue muy importante durante los siguientes2 000 años, periodo en que prácticamente todas las per-sonas interesadas en la explicación del movimiento con-cordaban con sus explicaciones. Galileo Galilei nació en Pisa (Italia), el 15 de febrero de 1564. Fue el primero de siete En la época en que Aristóteles hacía sus observa- hijos y heredó de su padre (músico y mate- ciones, investiga qué descubrimientos realizaban mático) su temperamento artístico y su en India y en China. Haz comparaciones y escribe habilidad matemática. Estudió medicina y tus conclusiones en tu cuaderno. matemáticas y se dedicó durante muchosLos experimentos de Galileo y la representación gráfica años a realizar observaciones astronómicasposición-tiempo con su recién construido telescopio. EnDieciocho siglos después de Aristóteles, Galileo inició su 1610 publica El mensajero de los astros. Aataque contra la concepción aristotélica del movimiento. través de las observaciones que describe enAfirmó que todos los cuerpos se comportan de la misma este libro, y siguiendo las ideas propuestasforma respecto al movimiento. Es mentira que unos, el previamente por Copérnico, fundamentafuego y el aire, tiendan naturalmente a viajar hacia arri- que la Tierra y los planetas giran alrededorba (son ligeros), mientras que otros –el agua y la tierra– del Sol. Lo anterior le plantea un gran pro-viajen hacia abajo (se dice que son graves). Un mismo blema con la Iglesia Católica, que compar-objeto puede subir o bajar según el medio en el que se tía la explicación aristotélica del Universo, yencuentre, por lo que la ligereza o la gravedad no depen- por medio de la Inquisición lo obliga aden de la naturaleza de un objeto, sino de su posiciónrespecto de los demás cuerpos que le rodean. Según rechazar públicamente la idea de que laGalileo, sólo hay un movimiento: el que se dirige hacia Tierra no era el centro del Universo. No obs-el centro de la Tierra, pues todos los objetos tienen un tante, Galileo continuó trabajando y enpeso. 1632 publica en italiano (algo inusual, ya que la mayoría de los libros se publicabanLas aportaciones de Galileo: en latín) su Diálogo de los grandes sistemasuna forma diferente de pensar del Universo, en el que, a la manera de unEn la defensa de sus ideas, Galileo empleó un argumen- diálogo entre tres personajes (el Papato equivalente: Simplicio, que representa las ideas de Tómense tres objetos idénticos, por ejemplo, tres Aristóteles; Salvati, el propio Galileo, ybolas de arcilla o de plastilina. Júntense ahora dos de Sagrado, que encarna al humanista razo-ellas, de manera que se tenga una bola del doble demasa que la otra y déjeseles caer… y caerán juntas, nablemente inteligente y de espíritu prácti-recorriendo la misma distancia en el mismo tiempo. co), expone sus ideas y obtiene un granDespreciando las diferencias del rozamiento con el aire, éxito. Por ello, el Tribunal de la Inquisiciónmil bolas juntas caerán al mismo tiempo que una sola. lo juzga y lo obliga a retractarse de nuevo,¿Estás de acuerdo con esto? ¿Por qué? forzándolo a permanecer encerrado en su Una vez establecidos estos principios, y después de casa, en donde murió doce años después.minuciosos experimentos, Galileo caracterizó al movi-miento de caída libre como movimiento acelerado, alque definió como: “aquel que, partiendo del reposo,
  • 55. 54 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO adquiere, en tiempos iguales, iguales incrementos de cambio en la velocidad velocidad final Ϫ velocidad inicial velocidad”. De esta manera, se reconoció y precisó luego aceleración ϭ ϭ una nueva magnitud: la aceleración, que se define tiempo tiempo transcurrido transcurrido mediante la siguiente relación: P or cuanto –después de habérseme notificado judicialmente un requeri- miento por este Santo Oficio al efecto de que debo abandonar com- pletamente la falsa opinión de que el Sol está inmóvil y es el centro del mundo, y que la Tierra no es el centro del mundo y se mueve, y que no debo sostener, defender o enseñar de ninguna manera, ya sea verbalmente o por escrito, la dicha falsa doctrina, y después de habérseme notificado que dicha doctrina era contraría a las Sagradas Escrituras– escribí e imprimí un libro en el que trato esta nueva doctrina ya condenada y aduzco argumen- tos de gran consistencia a su favor sin presentar ninguna solución para ellos, he sido declarado por el Santo Oficio sospechoso vehemente de herejía, es decir, de haber sostenido y creído que el Sol es el centro del mundo y es inmóvil, y que la Tierra no es el centro y se mueve. Yo, el dicho Galileo Galilei, he abjurado, renegado, prometido… y los he leído en Roma palabra por palabra en el convento de la Minerva a veintidós días de junio de 1633. Fragmento de la Carta de abjuración de Galileo. Como la velocidad se mide usualmente en m/s y el tiempo en s, las unidades de aceleración serán m/s2. • ¿Cuándo un objeto se encuentra acelerado? • ¿Son unidades de aceleración km/h2? En la tabla siguiente se reportan los datos obtenidos de un experimento que consistió en dejar caer libremen- te un objeto. Como se puede ver, en cada segundo transcurrido durante la caída, la velocidad del objeto aumenta en 10 m/s (tercera columna), mientras que la distancia recorri- da en cada segundo aumenta cada vez más, como lo indica la cuarta columna. Fotografía estroboscópica de dos pelotas de diferente tamaño en caída libre.
  • 56. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 55 • Divide la rapidez entre el tiempo y completa la tabla. • ¿Qué observas en los resultados que acabas de obtener? Tiempo Distancia total Rapidez Distancia recorrida Rapidez entre tiempo transcurrido (s) recorrida (m) (m / s) en cada segundo (m) (m / s 2 ) 0 0 0 0 0 1 5 10 5 2 20 20 15 3 45 30 25 4 80 40 35 5 125 50 45 6 180 60 55 La quinta columna indica un resultado muy Segundos Velocidadinteresante: la aceleración a todo lo largo de lacaída libre es la misma, es decir, es una cons-tante igual a 10 m/s2. Con mediciones experi- 0 0 m/ smentales más exactas, se ha determinado queel valor de la constante de aceleración gravita-cional (que se representa con la letra g) sobrela Tierra al nivel del mar, y para todos los cuer-pos, es igual a 9.8 m/s2. A pesar de lo anterior,se puede utilizar el valor de 10 m/s2 para reali-zar cálculos aproximados de manera aceptable. 1 9.8 m / s 2 19.6 m / s 3 29.4 m / sDe acuerdo con muchos de los movimientos acelerados que conoce-mos, la aceleración gravitacional es grande. Sólo para establecer unacomparación, la aceleración que puede alcanzar un auto deportivocomo el de la foto, que pasa de 0 a 100 km/h en menos de 10 s, es3 m/s2, es decir, menos de la tercera parte del valor de g.
  • 57. 56 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Gráfica que representa la caída libre de la piedra que suponer que cuando el ángulo de inclinación fuera de dejó caer Carmen. 90º y el plano inclinado estuviera en posición perpendi- cular con el piso se tenía la aceleración gravitacional. • Completa la gráfica con los datos que utilizaste en la tabla. Investiga más sobre las explicaciones del movi- miento de caída libre que propusieron Aristóteles y Gráfica de velocidad contra tiempo Galileo y contrástalas entre sí. Si un objeto se desliza por un plano inclinado, ¿en 40 qué caso será mayor su velocidad final, con 30° o con 60° de inclinación? velocidad de caída (m / s) 30 20 10 0 0 1 2 3 4 tiempo (s) Puedes extender los ejes hasta registrar todos los valores Modelo del plano inclinado de Galileo, que se encuentra en el Museo de Ciencias de Florencia, en Italia. Empleando la tabla y la gráfica anteriores indica: a) Si el objeto cayera durante 7 segundos, ¿qué velocidad tendría? b) Si el objeto cayera durante 9 segundos, ¿qué velocidad tendría, en promedio, entre el segundo 7 y el 8? c) ¿Cómo se incrementa la velocidad recorrida en cada segundo? finales de octubre de 1992, año Los instrumentos con que trabajaba Galileo eran muy toscos. Medía el tiempo utilizando un reloj de agua cons- A en el que se cumplía el 350 ani- truido por él mismo o su propio pulso. Con estos instru- versario de la muerte de Galileo, el mentos era imposible determinar adecuadamente la papa Juan Pablo II admitía pública- velocidad, por lo que construyó un aparato que disminu- ía la aceleración para así estudiar de mejor manera la mente, después de conocer las con- caída de los cuerpos. clusiones de la Pontificia Academia El aparato que Galileo construyó para estudiar la caída de los cuerpos fue el plano inclinado. de Ciencias, los errores de la Iglesia Galileo encontró que (expresado en términos actua- al condenar al gran sabio italiano del les) para un valor de la inclinación del plano inclinado, la aceleración que experimentaba un objeto, sin impor- siglo XVII. tar si era ligero o pesado, siempre era la misma cuando se lograba eliminar al máximo toda oposición a su movi- miento. Cuando la inclinación aumentaba, también lo hacía la aceleración del objeto, por lo que era razonable
  • 58. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 57Conexiones con tecnología y sociedadEl tiempoCuando se inició el registro de los años, los meses, las semanas,los días, las horas y los minutos, las sociedades humanas ini-ciaron un camino de entendimiento de los ciclos de la natu-raleza (que hoy podemos reconocer como científicos) y losfueron adecuando poco a poco a los propios. Durante milesde años, los calendarios solares y lunares coexistieronencadenados a diversas visiones religiosas, como la astro-logía babilónica, la pascua cristiana, el ramadán islámico,el año nuevo chino o el calendario azteca. Durante uncorto periodo, la Revolución Francesa, con su racionali-dad, decidió cambiar el calendario cristiano de 365 días por otro de carácter decimal. El día se dividió en 10 horas, cada una en 100 minutos de 100 segundos; la semana pasó de siete a diez días, intervalo que se llamó década, y tres décadas constituyeron un mes. Los revolucionarios franceses intentaban debilitar así la influencia de la Iglesia Católica, hasta que Napoleón, con el respaldo del Papa, abolió este sistema. La medición del tiempo alimentó la generación de técnicas y procedimientos con los que se construirían las máquinas. Las comunidades humanas que se dedicaron a ello seguramente fue- ron las que iniciaron en todas partes el camino de la ciencia. • Inventa un artefacto que te sirva para medir el tiempo.Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus propias palabras, explica lo que entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: velocidad ini- cial, aceleración, caída libre.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia, o Wikipedia en Internet, su sig- nificado. Si son diferentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta más adecuado para tu curso.
  • 59. 58 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 2 Para realizar con tu profesor Necesitas: • 1 tabla o 2 perfiles 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que anchos de aluminio de finaliza y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la al menos 2 m de largo página 49. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de con los cuales puedas trabajo, e incorporen las modificaciones que consideren adecuadas. construir una rampa • Aceite y algodón 2.2 Este experimento es muy parecido al que realizaste en la actividad de la pági- • 2 pelotas pequeñas, o, na 30. Sin embargo, requiere realizarse con más cuidado. Con los compañeros de preferencia, 2 que realices el experimento trata de analizar el movimiento en un plano incli- canicas de tamaño nado, después de realizar la siguiente actividad en equipo. diferente • Cinta adhesiva Procedimiento: • Reloj con segundero o Construyan el siguiente dispositivo. Cuiden que la inclinación de la rampa un cronómetro sea de 50º. Con la cinta adhesiva, marquen la línea de partida a unos 10 cm • Una regla y un del borde superior de la rampa. A partir de esta línea, marquen con la cinta transportador adhesiva las distancias de 10, 40, 90 y 160 cm. Engrasen la superficie de la rampa con el algodón impregnado de aceite. Coloquen la pelota en la línea de partida (distancia cero) y déjenla caer, midiendo con cuidado el tiempo empleado para recorrer cada una de las distancias marcadas. Repitan la medición del tiempo al menos tres veces y calculen el promedio de cada caída. Con los resultados obtenidos, copien en su cuaderno la siguiente tabla, y complétenla: Distancia total Tiempo Velocidad Velocidad entre recorrida (cm) transcurrido (s) (cm / s) tiempo (cm / s 2 ) 10 40 90 160 Con los datos conseguidos escriban los valores de la tabla y calculen la tercera columna, construyan las gráficas de distancia y velocidad contra tiempo y descri- ban, con sus palabras, lo que observan en ellas. Ya has hecho el experimento utilizando como variable la masa y/o el tamaño de los objetos que caen. Repítelo ahora, cambiando la inclinación del plano inclinado ¿Qué conclusión obtienes? 2.3 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu res- puesta. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque.
  • 60. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 59 Movimientos tienen trayectorias que pueden ser curvas rectas y pueden ser que a su vez pueden ser circulares, elípticas, variables, con uniformes con parabólicas, etc. velocidad también velocidad constante variable como uniformemente de aceleración caída libre por ejemplo variables con aceleración variable constante4 AutoevaluaciónEn esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí NoIdentificar por medio de experimentos y de gráficas las características del movimiento de caídalibre.Aplicar las formas de descripción y representación del movimiento, analizadas anteriormente, paradescribir el movimiento de caída libre.Contrastar las explicaciones del movimiento de caída libre propuestas por Aristóteles contra las deGalileo.Valorar la aportación de Galileo como uno de los factores que originaron una nueva forma de cons-truir y validar parcialmente el conocimiento científico, basado en la experimentación y la reflexiónde los resultados.Analizar la importancia de la sistematización de datos, como herramienta para la descripción y pre-dicción del movimiento.
  • 61. El trabajo de Galileo: una aportación importante para la cienciaTEMA2 2.2 ¿Cómo es el movimiento cuando la velocidad cambia? No. Acelerar no es ir muy rápido, Ya Roberto dijo que iba La aceleración la aceleración es el cambio de velocidad con respecto al tiempo. muy rápido, eso significa que estaba acelerando mucho. ¿Y aceleró mucho? Ayer, el hermano mayor de Benito me ¡Qué miedo! dio unas vueltas en el Seguro iba coche nuevo de su Sí. muy rápido. papá. Ahora sí no entiendo nada. Para mí no existía Perdón por cambiarte los la aceleración negativa, esquemas, pero estaban y la aceleración era bastante mal. simplemente ir más rápido. Claro. Aceleración negativa. No entendiste. Aceleración es el cambio de velocidad respecto Entonces ahora resulta del tiempo; cuando frenas, la que, cuando frenas, velocidad disminuye respecto estás acelerando. del tiempo, por tanto, sí se está acelerando. Bueno, si tienes razón con estos nuevos esquemas aprenderé más física, y así me irá mejor, ¿no? Eso no existe, Roberto. El frenar no tiene nada que ver con la aceleración. ¿Quién tenía razón: Carmen o Roberto? Un cuerpo que es arrojado hacia arriba libremente, ¿está acelerado? Y si se le golpea para que se mueva horizontalmente, ¿también? En esta sección estudiaremos: • Experiencias relacionadas con movimientos en los que la velocidad cambia. • La aceleración como razón de cambio de la velocidad en el tiempo. • La aceleración en gráficas velocidad-tiempo.60
  • 62. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 61 Predigo-Observo-Explico Movimiento horizontal y vertical Con mis compañeros y mi profesor Necesitas: ticalmente, mientras que la otra se desplaza • Una regla horizontalmente. • Dos monedas iguales Procedimiento: 1. Coloca la regla en el extremo de una mesa, como se muestra en la figura. Predicción • ¿Cuál moneda cae antes? Lo puedes determinar oyéndolas. • Justifica la predicción. Observación 2. Coloca las monedas. Realiza el experimento. Explicación Explica con tus palabras lo que sucede y compáralo con tu predicción. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. Cuando percibimos que un cuerpo cambia de veloci- dad, de inmediato afirmamos que “ha acelerado”. Pero 3. Sostén la regla con una mano y muévela con ¿Acaso un cuerpo podrá moverse con velocidad cons- la otra, de manera que una moneda caiga ver- tante? ¿En qué circunstancias podría suceder esto?Experiencias relacionadas con movimientos en los que la montaña rusa ¿en qué momento aceleras?, ¿y enla velocidad cambia cuáles desaceleras? Como ya vimos, a la aceleración laUna de las maneras más simples de estudiar el movi- define la siguiente ecuación:miento es asumir que los cuerpos se mueven con veloci-dad constante, ¿conoces algún ejemplo? En realidad, cambio enésta es una situación poco común. Muchos cuerpos la velocidad velocidad final Ϫ velocidad inicialestán en reposo, incrementan su velocidad, llegan a una aceleración ϭ ϭ tiempo tiempo transcurridodeterminada velocidad que mantienen constante y luego transcurridodisminuyen esa velocidad hasta detenerse. Eso es lo quesucede cuando te levantas de una silla en un salón declases y pasas al pizarrón, o cuando te subes en una Imagina dos autos que van a una velocidad de 60bicicleta para ir a algún lado. km/h; en la siguiente hora cambian su velocidad, uno la cambia a 80 km/h, y el otro, a 40 km/h.La aceleración como razón de cambio de la velocidaden el tiempo Usando la ecuación anterior puedes calcular la ace-Cuando un cuerpo aumenta o disminuye su velocidad, leración, ¿te parece interesante el problema cono-se dice que acelera o desacelera, respectivamente. En ciendo los resultados de la aceleración? ¿Por qué?
  • 63. 62 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Cuando, de acuerdo con el marco de referencia, la cambio en la velocidad velocidad final Ϫ velocidad inicial aceleración es positiva el cuerpo está incrementando su aceleración ϭ ϭ tiempo tiempo transcurrido velocidad. Por otro lado, cuando la aceleración es nega- transcurrido tiva el objeto está disminuyendo su velocidad. Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones: Al sustituir los valores de la gráfica para el automóvil ¿Qué pasa cuando la aceleración es cero, conoces rojo: algún ejemplo? (4 – 0) m / s ϭ 4 m / s2 aϭ 1s La aceleración en gráficas velocidad-tiempo En la siguiente figura se grafica (véase “Apéndice 2”) Como en este caso la aceleración es constante, no la velocidad de dos automóviles de carreras contra el importa cuál par de valores de velocidad pongamos en tiempo. la ecuación, el resultado siempre es el mismo: Gráfica de velocidad contra tiempo (8 Ϫ 4) m / s aϭ ϭ 4 m / s2 1s (8 Ϫ 0) m / s 40 aϭ ϭ 4 m / s2 2s 30 (24 Ϫ 12) m / svelocidad (m / s ) aϭ ϭ 4 m / s2 3s 20 Reflexiona y contesta en tu cuaderno: • ¿La caída libre es un movimiento uniformemente 10 acelerado? • Cuando lanzas un objeto hacia arriba, ¿se acele- ra o se desacelera? • ¿Son unidades de aceleración mm/año2? • En una gráfica de aceleración (eje y) contra tiem- 0 1 2 3 4 5 6 po (eje x), ¿qué significa que la línea obtenida sea paralela al eje x? tiempo (s) La siguiente figura es una aproximación de una grá- Como podrás observar: fica de velocidad de un automóvil de carreras contra el • Al tiempo cero (t ϭ 0 s), es decir, en este caso al tiempo. Como podrás observar, ahora la situación es arrancar la velocidad de ambos automóviles, el rojo y diferente: el azul, es igual a cero metros sobre segundo (v ϭ 0 5 Gráfica de velocidad contra tiempo m/s). • Transcurrido el primer segundo (t ϭ 1 s), la velocidad 12 del automóvil rojo es de 4 m/s, y la del azul, entre 6 11 y 7 m/s. velocidad (m / s ) 10 • A los dos segundos (t ϭ 2 s), la velocidad del auto- 9 móvil rojo es de 8 m/s, y la del azul, poco más de 13 m/s. 8 • A los tres segundos (t ϭ 3 s), la velocidad del auto- 7 móvil rojo es de 12 m/s, y la del azul, 20 m/s. 6 • A los seis segundos (t ϭ 6 s), la velocidad del auto- 5 móvil rojo es de 24 m/s, y la del azul, 40 m/s. 4 En la gráfica, la línea recta indica que al incremen- 3 tarse el tiempo la velocidad aumenta en proporción 2 directa. Al graficar velocidad contra tiempo, la pendien- 1 te de la línea recta resultante indica la magnitud de la 4 aceleración. El valor de dicha aceleración se determina utilizando 0 1 2 3 4 5 6 7 8 la ecuación que ya conocemos: tiempo (s)
  • 64. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 63 • Escribe en tu cuaderno las velocidades con la 2. El automóvil anterior frena de repente y tarda 2 s ayuda de la gráfica. en detenerse. ¿Cuál es su desaceleración? • Al tiempo cero (t ϭ 0 s), es decir, en este caso al Alicia va de su casa (C) a su escuela (E) en bicicle- arrancar, la velocidad del automóvil es igual a cero ta. Al llegar a su escuela, descansa un rato y regre- metros sobre segundo (v ϭ 0 m/s). sa a su casa por el mismo camino. Si la velocidad • Transcurrido el primer segundo (t ϭ 1 s), la velo- de Alicia fue igual y constante en la ida y la vuel- cidad del automóvil es de _________________. ta, ¿cuál de las siguientes gráficas describe su • A los dos segundos (t ϭ 2 s), la velocidad del movimiento? ¿El movimiento es uniforme o acele- automóvil es de _________________. rado? • A los tres segundos (t ϭ 3 s), la velocidad del automóvil es de _________________. a) • A los cuatro segundos (t ϭ 4 s), la velocidad del automóvil es de _________________. desplazamiento • ¿Qué aceleración tiene el automóvil? ¿Como es su E velocidad? • A los cinco segundos (t ϭ 5 s), la velocidad del automóvil es de _________________. • A los seis segundos (t ϭ 6 s), la velocidad del automóvil es de _________________. • ¿Qué pasó con el automóvil para obtener esta C velocidad? tiempo • A los ocho segundos (t ϭ 8 s), la velocidad del b) automóvil es cero. • ¿Qué puedes decir acerca del movimiento del auto? desplazamiento E • Al calcular la aceleración después de transcurri- dos seis segundos, tenemos: (8 Ϫ 12) m / s aϭ ϭ Ϫ4 m / s2 1s C tiempo El signo negativo de la aceleración nos indica acele-ración negativa (desaceleración o frenado). En la gráfica,la desaceleración es constante, lo cual significa que, c)partiendo del t ϭ 6 s, después de los siguientes 2 s elautomóvil estará detenido. desplazamiento 1. Los automóviles apasionan a Roberto y a Benito, y E siempre consultan las ventajas de los nuevos modelos que salen cada año. En un anuncio, los fabricantes de un automóvil anuncian que éste acelera de 0 a 50 m/s en 10 s. ¿Cuál es su aceleración? Sabemos que la velocidad inicial del automóvil es igual a 0 m/s, pues está en reposo. Su velocidad final es de 50 m/s y el tiempo que tarda en alcan- C zar dicha velocidad es de 10 s. tiempo aceleración ϭ En este caso, la velocidad inicial del automóvil es Explica el resultado. de 50 m/s y la velocidad final es de 0 m/s. El tiem-
  • 65. 64 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO po en alcanzar dicha velocidad, es decir, el tiempo que tarda en detenerse, es de 2 s. aceleración ϭ Explica el resultado. Un elevador es un aparato que acelera y desacele- ra constantemente en las subidas y bajadas que realiza; el propósito es que los pasajeros lleguen rápidamente al piso de su elección. Los elevadores alcanzan velocidades considerables en tiempos muy cortos y frenan también en intervalos muy bre- ves, por lo que la aceleración es un fenómeno constante durante su funcionamiento. A medida que un coche da la vuelta en la curva, está acele- Carmen vive en un edificio de departamentos con rando, aun si viaja a rapidez constante. elevador. Como vive en el séptimo piso, el día que se interrumpe la corriente eléctrica se acuerda mucho de sus clases de física. Para practicar sus O en símbolos: conocimientos, el otro día Carmen se fijó en que vf Ϫ vi aϭ para desplazarse de la planta baja al primer piso, t el elevador lleva a cabo los siguientes cambios de velocidad respecto al tiempo: Multiplicando los extremos de la ecuación anterior por el tiempo transcurrido se obtiene: Tiempo (s) Velocidad (m / s) at ϭ vf Ϫ vi 0 0 Ahora, si sumamos la velocidad inicial a ambos lados de 3 10 la ecuación vf ϭ vi ϩ at 6 15 9 10 O en símbolos: 12 0 vf ϭ vi ϩ at Retomando de la sección anterior el concepto de veloci- ¿Cuál es su aceleración en cada uno de los tiem- dad promedio, tenemos: pos registrados en el cuadro del viaje? ¿En qué parte del viaje la aceleración es positiva? ¿En qué parte del recorrido la aceleración es negativa? desplazamiento total recorrido velocidad (en metros) promedio ϭ tiempo total transcurrido La aceleración mide cambios en la velocidad, por tanto, un objeto que cambia su dirección también está (en segundos) acelerando. Un objeto puede estar acelerando aun cuan- do su rapidez sea constante. Esto ocurre cuando, por Donde la velocidad promedio (ésta es otra definición que ejemplo, un coche de carreras toma una curva a 200 no se contrapone con la anterior) es: kilómetros por hora. A medida que el automóvil gira, la dirección del coche está cambiando. Al cambiar la direc- ción, hay un cambio en la velocidad. El coche está ace- velocidad ϭ velocidad inicial ϩ velocidad final lerando. promedio 2 Según lo estudiado, podemos reunir las siguientes ecuaciones que nos permitirán calcular velocidades, aceleraciones o tiempos cuando el movimiento de los De las ecuaciones anteriores se puede igualar la veloci- cuerpos es uniformemente acelerado o desacelerado. dad promedio y se obtiene cambio en desplazamiento total la velocidad velocidad final Ϫ velocidad inicial velocidad inicial ϩ velocidad final recorrido (en metros) aceleración ϭ ϭ ϭ tiempo tiempo transcurrido 2 tiempo total transcurrido transcurrido (en segundos)
  • 66. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 65O en símbolos: 5 180 vf ϩ vi d ϭ 160 2 t distancia total recorrida (m) 140 (5,125)Así, multiplicando por el tiempo ambos lados de la ecua- 120ción obtenemos 100 (vf ϩ vi ) 80 dϭ t 2 60 (3,45) 40 En esta ecuación se puede sustituir la velocidad final 20 (1,5)del movimiento uniformemente acelerado vf ϭ vi + at, 4donde resulta en símbolos: 1 2 3 4 5 6 t(s) (vi ϩ at ) ϩ vi dϭ t 2 60 vi t ϩ at2 ϩ vi t 50 dϭ 2 40 velocidad (m / s ) 2vi t ϩ at2 30 dϭ 2 20 d ϭ Vi t ϩ 1 (at2) 10 2 Es decir, la distancia que recorre un cuerpo duran- 1 2 3 4 5 6 t(s)te un movimiento uniformemente acelerado es igual alproducto de su velocidad inicial por el tiempo que durala aceleración, o la desaceleración, más la mitad delproducto de la aceleración por el tiempo elevado al 60cuadrado. 50 Comenta con tus compañeros y obtengan conclu- siones: 40 velocidad (m/s) Se ha insistido en la diferencia que hay entre velo- cidad y rapidez, indicando que la velocidad es una 30 magnitud vectorial, mientras que la rapidez es una magnitud escalar. ¿La aceleración es vectorial o 20 escalar? A continuación, tres gráficas identifican el movi- 10 miento de un automóvil verde que tiene una acele- ración positiva y constante, y de otro amarillo que tiene un movimiento rectilíneo uniforme. ¿Cuál conjunto de gráficas corresponde a cada automó- 1 2 3 4 5 6 t(s) vil? Explica tu respuesta.
  • 67. 66 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO Conexiones con tecnología y sociedad ¿Por qué es necesario el cinturón de seguridad? En general, las personas tardamos 0.2 segundos, 0.08 s 0.03 s 0.04 s un lapso muy corto, en reaccionar ante un evento 0.02 s 0.10 s (un golpe o una caída). Sin embargo, para los con- ductores y pasajeros de los vehículos implicados en un accidente automovilístico, los acontecimien- tos suceden a una velocidad que supera dicha capacidad de reacción, lo cual hace prácticamente imposible reaccionar a tiempo para evitar golpear el parabrisas cuando ocurre un choque. Investigaciones realizadas por compañías de seguros y fabricantes de automóviles, empleando autos acelerados que chocan contra paredes y que llevan en su interior maniquíes (del tamaño y peso de un conductor adulto), nos indican que, una vez que la defensa de un automóvil es golpeada, pasan 0.04 s para que la cabeza del conductor golpee el volante y 0.075 s para que salga proyectado con- tra el parabrisas. Estos resultados sugieren que, dependiendo de la magnitud del choque (que a su vez depende de la rapidez del automóvil justo antes de la colisión), un segundo después del impacto, el conductor puede estar muerto, y que, si hay pasajeros en la parte trasera, a los 0.15 s éstos golpearán el parabrisas (si todavía queda algo). Por ello, usar el cinturón de seguridad cuan- do uno está sujeto a movimiento acelerado es muy importante. Observa la foto de la derecha y contesta: • Los autos también están equipados con aditamentos para proteger a sus ocupantes en caso de que se aplique una gran aceleración y el cuerpo sea empujado hacia atrás del vehículo. ¿Cuáles son esos aditamentos? • En el caso de la pregunta anterior, ¿el cinturón de seguridad qué función desempeña? ¿Por qué? Cuadros seleccionados de una película de alta velocidad en la que se filma un choque. Choque preparado con maniquíes, para medir tiempos y deformaciones en un vehículo.
  • 68. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 67Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras explica lo que entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: velocidad final, veloci- dad inicial, velocidad constante, velocidad promedio, movimiento uniformemente acelerado.1.2 Si no los conoces revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. También pue- des consultar Wikipedia en Internet. Si son diferentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta más adecuado para tu curso.2 Para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros lo que se dice en la conversación de la página 60. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, e incorporen las modificaciones que consideren adecuadas.2.2 Nuevamente, la gran afición al automovilismo de Roberto y Benito nos da motivo para resolver el siguiente ejem- plo: ¿cuál será la velocidad del automóvil de carreras rojo de la página 62 después de 10 s. Hay dos maneras de resolver este problema: a partir de la gráfica de la página 62 podemos extender el eje del tiempo y la línea recta que indica la magnitud de la aceleración, la cual es constante, y para t = 10 s, tenemos que la velocidad del auto rojo es de 40 m/s. La segunda forma de resolverlo es aplicando la ecuación de aceleración, donde conocemos el valor de la velocidad y el tiempo transcurrido, por tanto, despejando la velocidad tenemos: Cambio en la velocidad ϭ aceleración ϫ tiempo empleado Cambio en la velocidad ϭ Como el cambio en la velocidad es igual a: Cambio en la velocidad ϭ velocidad final – velocidad inicial La velocidad inicial del automóvil era 0 m/s, el cambio en la velocidad corresponde a la velocidad final, es decir, .2.3 A Carmen le pareció chistoso que, en un día de campo, en lugar de la famosa manzana de Newton, le cayera en la cabeza una bellota seca. Le dolió bastante, por lo que en cuanto conoció la expresión para la caída libre, se puso a calcular el siguiente problema: Una bellota cae de un pino y toca el suelo en dos segundos. ¿Cuál es la velocidad de la bellota cuando toca el suelo? ¿Cuál es la velocidad promedio a lo largo de los dos segundos? ¿A qué distancia del suelo estaba la bellota antes de caer? • ¿Qué se pregunta? Velocidad final de la bellota. Velocidad promedio de la bellota durante la caída. Distancia que recorrió la bellota (qué tan lejos estaba del suelo). • Incógnitas: vf (velocidad justo antes de tocar el suelo). vp (velocidad promedio). d (distancia de la bellota al soltarse del árbol).
  • 69. 68 BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO vi Ϫ vf • Fórmulas que sabemos: aϭ t y como sabemos que vi ϭ 0, se despeja vf, con lo que nos queda: • Solución: velocidad final ϭ 2.4 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Movimiento magnitudes que lo caracterizan trayectoria velocidad aceleración indica define define determina determina determina posición variación de la variación de del móvil posición en determi- la velocidad nada dirección movimientos movimientos movimientos curvilíneos como movimientos rectilíneos movimientos de aceleración el circular uniformemente uniformes variable acelerados como movimientos variados movimiento rectilíneo uniformemente como acelerado, como la caída libre
  • 70. BLOQUE 1. EL MOVIMIENTO 694 AutoevaluaciónEn esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí NoAplicar las formas de descripción y representación del movimiento analizadas antes para describirel movimiento acelerado.Identificar la proporcionalidad en la relación velocidad-tiempo.Establecer la diferencia entre velocidad y aceleración.Interpretar las diferencias en la información que proporcionan las gráficas de velocidad-tiempo ylas de aceleración-tiempo provenientes de la experimentación o del uso de recursos informáticos ytecnológicos.
  • 71. 70 Observa: ¿Cómo se propagan y previenen los terremotos? El 19 de septiembre de 1985 un terremoto, cuyo epicentro se localizó en las costas de Oaxaca, destruyó una gran cantidad de casas y Los chinos inventaron el edificios causando la muerte primer detector de de más de 10 000 personas terremotos (sismógrafo). en la Ciudad de México. Hoy Cuando un terremoto ocurría, hay detectores de sismos en los dragones que tenían una diversos lugares de la costa bola de bronce en su boca la que, en caso de detectar un escupían sobre la rana que terremoto, mandan una señal se encontraba debajo. a la capital del país con una antelación de un minuto al arribo de la onda sísmica. Con este tiempo es posible desalojar muchos edificios. La siguiente gráfica (sismograma) muestra la señal correspondiente a un terremoto medido a través de dos diferentes sismógrafos. La línea inferior indica el tiempo en el que se produjo. La señal indica la amplitud de la onda sísmica. Los sismógrafos modernos pueden medir movimientos verticales y horizontales del suelo con una sensibilidad de hasta 0.000 000 000 1 (1 ϫ 10Ϫ10) “Apéndice 1”.
  • 72. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 71Reconoce la física y también la geologíaEstructura de la Tierra. La Tierra la cons-tituyen tres capas que se superponen:núcleo, manto y corteza (la más delgada ysobre la que vivimos).La tectónica de placas. En 1915, el científicoalemán A. Wegener publicó un libro que expli-caba cómo se formaron los continentes, el ori-gen de los terremotos y la razón de ser de losvolcanes. Después de cuidadosas medicionesen las costas de Brasil y occidental de África(encontró que encajaban una en la otra) propu-so su tesis de la tectónica de placas. Según suhipótesis, hace 250 millones de años los pre-cursores de nuestros actuales continentes for-maban uno solo, de nombre Pangea, el cualaños después se rompió de nuevo y dio lugarlentamente a los continentes que conocemos.Actualmente hay diferentes placas y en las másgrandes se sitúan los actuales continentes.Los terremotos. Éstos los causa el movimientode la corteza terrestre, que está dividida en variasplacas que flotan sobre el manto líquido. En lamedida que las placas se mueven y chocan unascon otras, producen no sólo los terremotos sinotambién las cadenas montañosas y los volcanes. • Investiga cómo funciona un sismógrafo y diseña uno que, aunque sea poco sensible, permita registrar el movimiento.
  • 73. 72 Practica De acuerdo con el siguiente mapa, que representa de manera aproximada las distancias (pues es la representación plana de un esferoide): 1) ¿Dónde hay más volcanes activos, en medio de Asia, en Europa o en la costa oeste de América? ¿Cuál es la distancia más corta entre América y África, expresada en km? ¿Dónde ha habido más terremotos, en México, Japón o Inglaterra? ¿Cuál es el “ancho” (es decir, la distancia entre sus extremos este y oeste) de Australia? 0 1000 2000 3000 4000 5000 km 2) Las placas tectónicas en que se ubican de todas las cosas vivas y no vivas. Con base América del Norte y del Sur se están sepa- en su observación cuidadosa de las olas gol- rando de las que contienen a Europa, Asia y peando la costa, propuso que los terremotos África a una velocidad de 2 cm por año. los originaba la agitación intensa que produ- Investiga cómo se puede medir esta lentísi- cía ese golpeteo. ¿Cómo demostrarías que ma velocidad y exprésala, empleando nota- Tales estaba equivocado? ción científica, al menos en cinco unidades 4) De acuerdo con tu profesor, comunica los diferentes. resultados que obtuviste a tus demás 3) Hace más de 2 500 años, el filósofo Tales de compañeros por medios escritos, orales o Mileto consideraba que el agua era el origen gráficos.
  • 74. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 73Observa: ¿Cómo se mide la velocidad en los deportes? En los Juegos Olímpicos de 1960 en Roma, los nadadores de 100 m estilo libre John Devitt, de Australia, y Lance Larson, de Estados Unidos, terminaron prácticamente empatados en la carrera por la medalla de oro. De los seis jueces, dos le dieron la ventaja a un nadador, dos al otro y otros dos declararon empate. Por otro lado, tres de las personas encargadas de medir el tiempo (con cronómetros) le dieron a Devitt 55.2 s, mientras que otras tres le dieron a Larson 55.0, 55.1 y 55.1 s, lo que indica que este último fue más rápido. Como todas las medidas estaban dentro de un rango menor a dos décimas entre ellas fueron de poca utilidad para decidir al ganador, por lo que se recurrió a la jerarquía de los jueces y a su posición para elegirlo. John Devitt obtuvo medalla de oro, pero el tiempo para la carrera fue establecido en 55.2 s y reconocido para ambos nadadores.
  • 75. 74 Reconoce la física Las unidades de longitud. Hace muchos años se límite absoluto de exactitud es de 0.2 segun- establecieron unidades de longitud relacionadas dos, lo que significa en una carrera de 100 m con dimensiones de algunas partes del cuerpo de un error de dos metros. En 1964, por prime- las personas directamente, como el codo, distan- ra ocasión se usaron en competiciones inter- cia entre el codo y la mano estirada; el pie, que nacionales relojes de cuarzo que tenían una corresponde a la longitud de la planta del pie, o exactitud de 0.01 s, y que mejorados y aco- la pulgada, el ancho de la base del dedo pulgar. plados a computadoras tienen hoy una exac- Durante la revolución francesa, en 1791, se deci- titud de 0.001 segundos. dió elaborar un patrón de unidades de longitud cuyo valor fuera la diezmillonésima parte del Las fotografías en la meta. Decidir al ganador cuadrante del meridiano terrestre, al que se de una carrera fue un problema hasta que se denominó metro. incorporaron las fotografías en la meta (durante mucho tiempo y cuando los resulta- Las unidades de tiempo. La medición del tiem- dos eran muy apretados, los espectadores po es más antigua que la de la longitud. Los debían esperar a que las fotografías fueran babilonios dividieron el día en doce partes reveladas para conocer el resultado). Hoy, al iguales, ya que tenían un sistema numérico disparar la pistola que indica el inicio de la sexagesimal, basado en 60 y no en 10 como el carrera se envía al mismo tiempo una señal a que utilizamos actualmente. Sesenta entre una computadora que empieza a contar el cinco da doce, y doce eran las horas del día y tiempo. Esta computadora está también doce las de la noche (que en aquel entonces conectada a una cámara de video localizada duraban cada una un tiempo diferente por las en la meta y que emite una fotografía sobre diferencias entre el invierno, con largas noches una escala de tiempo que puede tener más de y el verano, con noches cortas, pero ambos 2 000 líneas por segundo, es decir, indicar duraban 12 horas). Muchos años después se más de 1/2 000 s de exactitud. empezó a medir el tiempo con relojes de sol, de agua y de arena, hasta llegar a los mecánicos (que utilizaron el péndulo), que ya en el siglo XVII tenían errores de menos de 15 segundos por día. En 1928 se introdujeron los relojes de cuarzo (en los que se detecta la vibración de un cristal hecho de este material), cuya versión comercial es más exacta que los relojes mecá- nicos. En la actualidad, hay relojes capaces de medir el tiempo con un error de 1 segundo en 15 millones de años. Los cronómetros. Los cronómetros actuales son más exactos que los relojes, pero depen- den de la decisión del observador y de la rapi- dez de sus reflejos para detenerlo. Así, el Imagen de una competencia con final de photo finish (fotografía de alta velocidad en la meta).
  • 76. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 75 Practica1) La longitud y el tiempo se midieron de forma diferente en distintas culturas (por ejemplo, aún hoy en Estados Unidos se emplean viejas unidades de longitud como el pie, la pulgada y la milla). Investiga cómo se medían estas magnitudes en diversos países.2) Inventa una unidad de longitud y utilízala para medir tu estatura. Medir consiste en comparar una distancia desconocida contra una unidad de longitud aceptada. 4) Construye un reloj de arena utilizando un vasoVamos a elaborar tres reglas diferentes. de papel en forma de cono y sal refinada. • Corta una hoja de papel en tres tiras. Gradúa el reloj, de manera que el tiempo que • Divide una de las tiras en cinco partes tarda en vaciarse corresponda a 1, 3 y 5 iguales y márcalas con una pluma. Cada minutos. parte es una unidad de longitud. Invén- tales un nombre. • Divide la segunda tira de papel en 10 par- tes iguales y márcalas con una pluma. Cada parte es una unidad de longitud. Invéntales un nombre. • Divide la tercera tira de papel en 20 partes iguales y márcalas con una pluma. Cada parte es una unidad de longitud. Invén- tales un nombre. Galileo utilizó el latido de su corazón como • Mide con tus tres unidades diferentes un un reloj. Construye una gráfica del número lápiz. de latidos que tienes en cada minuto y com- • ¿Qué conclusiones obtienes de esta activi- párala con otro alumno. dad? En la Edad Media, algunos de los relojes uti- • ¿Cuál es la ventaja de tener unidades más lizados, sobre todo los empleados en la noche, pequeñas? correspondían al tiempo que tarda una vela en • ¿Cómo se convierten entre sí tus unida- consumirse. Construye un reloj con una vela des? Conviértelas a metros. pequeña (por ejemplo, de las utilizadas en los • Compara tus respuestas con las de tus cumpleaños) y grafica el tiempo que tarda en compañeros y establezcan conclusiones consumirse contra la longitud de la vela. con todo el grupo. 5) Con tus unidades de longitud y uno de tus3) El tiempo de respuesta es el que transcurre relojes, organiza una carrera entre tus com- entre el momento del estímulo, su detección pañeros de salón, de manera que puedas por el cerebro y el inicio de la carrera. identificar la velocidad del más veloz en tus Toma una regla de 30 cm y sujétala como propias unidades. se muestra en la figura. Suéltala y vuélvela a tomar lo más rápido que puedas. En el 6) Expresa, utilizando la notación científica, la número que queden tus dedos te indicará la velocidad de 100 m/s de cinco maneras distancia que la regla se desplazó y también diferentes. el tiempo. Si la distancia es mayor tu tiempo de reacción también lo es. Construye una 7) De acuerdo con tu profesor, comunica los gráfica de barras del tiempo de reacción para resultados que obtuviste a tus demás compa- varios alumnos de tu salón. ñeros por medios escritos, orales o gráficos.
  • 77. 76Observa: ¿Cómo potenciamos nuestros sentidos para conocer más? Rosalba está muy contenta porque va a tener su primer hijo. Sin embargo, está deseosa por saber si su hijo sera niño o niña, y sobre todo que no traiga el cordón umbilical atado al cuello, lo que resultaría en un parto muy peligroso. Acude al médico para “ver” a su “bebé” a través de la técnica de ultrasonido. Ernesto se ha lastimado una pierna jugando futbol. Para reconocer con certeza si se ha roto uno de los huesos, el médico le toma una radiografía de rayos X, con la cual se pueden “ver” los huesos del cuerpo. Juan ha estado fumando mucho últimamente y le cuesta trabajo respirar. Por ello acude con el médico que le recomienda hacerse un estudio con rayos gama. Para ello debe respirar un gas (xenón) que emite rayos gama y estos son detectados a través de una película sensible (como si fuera una fotografía). Juan le pregunta al médico si esto es peligroso, a lo que le responde que, efectivamente, los rayos gama son dañinos pero, como la presencia del xenón en su cuerpo será por poco tiempo, el riesgo que corre es muy pequeño.
  • 78. Investigar: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar 77 Reconoce la físicaLos rayos X. Éstos se producen en un tubo Ultrasonido. Las ondas de sonido pueden utili-cuando una superficie metálica cargada eléc- zarse para “ver” al interior del cuerpo. Comotricamente detiene electrones (página 249) muy rebotan, al igual que todas las ondas, se puederápidos. Los rayos X emitidos pueden pasar medir el tiempo que transcurre entre la emi-fácilmente a través de los tejidos suaves, como sión del sonido y la llegada de su eco. Losla piel, los músculos o las grasas, pero no los ultrasonidos son ondas de muy pequeña longi-huesos. Por esta razón, se usan para tomar tud de onda e inaudibles para nosotros. Unafotografías de las sombras de los huesos. vez emitidas, un detector recoge su eco y gene- ra una imagen. Los ultrasonidos no causanRadiación. Es una de las formas de transmi- ionización, por lo que su uso es más segurosión de energía (página 249). La radiación que el de los rayos X.siempre proviene de una fuente y su intensidaddisminuye conforme aumenta su distancia con Tiempo de vida media (t1/2). Las sustanciasésta. radiactivas emiten radiaciones cada determi- nado tiempo. El tiempo que transcurre para RadiaciónFuente de radiación Detector que el número promedio de emisiones de radia- ción sea la mitad de su valor original se cono- ce como tiempo de vida media de la sustancia.Hay varios tipos de radiación. Entre ellas se Cada sustancia radiactiva tiene su propio valorencuentran los rayos X, las ondas de radio y la de t1/2.luz visible (el detector es el ojo).Las sustancias radiactivas. Éstas emiten untipo de radiación invisible que detecta un apa-rato llamado contador Geiger-Müller. Hay trestipos de radiación proveniente de sustanciasradiactivas. Pequeñas cantidades de sustancias radiacti- radiación αvas pueden ser inyectadas en nuestro cuerpo demanera que los médicos puedan “ver”, emplean-do el detector adecuado, el trayecto que siguen radiación βen nuestro interior y el lugar donde son absor-bidas.Ionización. Los rayos X y las sustancias radiación γradiactivas son radiaciones ionizantes. Estoquiere decir que, según pasan a través de losmateriales, convierten los átomos (página 250) hoja de hoja de bloque dede éstos en iones (página 256). Esto sucede papel aluminio de plomo 2 mm de de 2 cm decuando te tomas una radiografía, lo que puede espesor espesordañar las células de tu cuerpo. Por ello, es pre-ciso tomar precauciones al tomarse radiografí-as y no exponerse frecuentemente a ellas, salvocon la protección adecuada (como utilizar ropa El contador Geiger-Müller es particularmente eficiente en lacon plomo, material que absorbe la radiación). detección de la radiación ␣ y ␤, pero no tanto con la ␥.
  • 79. 78 Practica: radiación 1) Explica cómo podrías ver utilizando sonido sariamente los que empleaste para construir o radiaciones invisibles. la gráfica, por ejemplo 0.5, o 1.2 h). Utilízala para identificar el número de cuentas que 2) Una tía de Alicia trabaja en un laboratorio en corresponden al tiempo que escogiste. el que se utilizan sustancias radiactivas y c) Ahora identifica el punto de la gráfica donde realizó el siguiente experimento. Midió la el número de cuentas por minuto es exacta- cantidad de emisiones radiactivas (llamadas mente la mitad del valor y márcalo. en el contador Geiger-Müller como cuentas) d) ¿Cuál es el intervalo de tiempo entre los dos de una sustancia por un minuto cada hora. puntos que marcaste? Anota qué aparato utilizó y los resultados. e) Repite los pasos (b) a (d). Empieza por otro punto de la gráfica y responde la misma pre- 3) De acuerdo con tu profesor, comunica los gunta que en (d). resultados que obtuviste a tus demás compa- ñeros por medios escritos, orales o gráficos. Tiempo (h) Cuentas en un minuto 0 260 1 170 2 112 3 74 4 48 5 5 a) Grafica el número de cuentas (en el eje y) contra el tiempo (eje x). f) Repite los pasos (b) a (d). Empieza por otro b) Escoge cualquier punto de la gráfica entre punto de la gráfica y con este resultado, y los los que corresponden a las tres primeras obtenidos en (d) y (e), estima el valor del tiem- horas (puede ser en cualquier lugar, no nece- po de vida media de la sustancia radiactiva. Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Elaborar explicaciones y predicciones, acerca del movimiento de objetos o personas, en térmi- nos de velocidad y aceleración. Representar e interpretar en tablas de datos y gráficas los datos acerca del movimiento analizado. Expresar las unidades de medición y notación adecuadas para informar velocidades pequeñas y grandes. Diseñar y realizar una actividad experimental que permita analizar el movimiento. Comunicar los resultados obtenidos en los proyectos por medios escritos, orales y gráficos. Describir la forma en la que la ciencia y la tecnología satisfacen necesidades y han cambiado tanto los estilos de vida como las formas de obtención de información a lo largo de la historia de la ciencia. Manifestar actitudes de responsabilidad y respeto hacia el trabajo individual y en equipo. Analizar y debatir acerca de diversos instrumentos empleados por distintas culturas para medir el tiempo y la longitud, así como explicar en qué y cómo se empleaban.
  • 80. Investigar: Imaginar, diseñar y experimentar para explicar o innovar 79 Para seguir aprendiendo1. Con los cuadros del final de cada sección de este bloque construye uno solo que los integre todos.2. Escribe, con tus propias palabras, un resumen de no más de tres cuartillas sobre lo que aprendiste al estudiar el bloque. Considera la relación que tiene con los problemas ambienta- les que enfrenta nuestro país.3. Puedes consultar los siguientes libros: • Gamow G., Biografía de la física, Alianza Editorial, México, 1990. • Lozano J.M., Cómo acercarse a la física, Conaculta, México, 1996. • Martín P., Mensajeros al cerebro. Nuestros fantásticos sentidos, SEP-NG de Los Libros del Rincón, México, 1995. • Noreña F., Física de emergencia, Pangea, México, 1995. • Van Dulken S., Inventos de un siglo que cambiaron al mundo, Océano, Barcelona, Los Libros del Rincón, 2003.4. Puedes consultar las siguientes páginas en Internet: Movimiento http://www.phy.ntnu.edu.tw/oldjava/Reaction/reactionTime_s.htm Ondas http://www.colossrv.fcu.um.es/ondas/Cap1_Concepto.html Sonido http://www.fortunecity.com/tinpan/lennon/193/elsonido.htm General http://iestiemposmodernos.com/diverciencia/ General http://tianguisdefisica.com5. Recuerda que en las revistas de divulgación de la ciencia aparecen frecuentemente artículos relacionados con la física. Su lectura puede ser muy valiosa. En revistas como Muy interesan- te, o Conozca más, con frecuencia se hace referencia a los artículos originales o a páginas de universidades, mientras que ¿Cómo ves? es la única escrita y editada en nuestro país (UNAM). Hay otros espacios para seguir aprendiendo, los museos de ciencias, y algunos programas de TV, radio y video. La dirección electrónica de la Asociación Mexicana de Museos y Centros de Ciencia donde podrás encontrar información interesante es: http://www.ammccyt.org.mx/ Referencias específicas para el profesor • Driver R. et al., Dando sentido a la ciencia en secundaria, Visor-SEP, Biblioteca para la actualización del maestro, 2000. • Mece J., Desarrollo del niño y del adolescente, McGraw-Hill-SEP, Biblioteca para la actualización del maestro, 2000. • Hewitt P., Conceptos de física, Limusa, México, 1993. • Viniegra F., Mecánica sin talachas, La ciencia desde México 6, FCE, México, 1992. Ideas previas http://ideasprevias.cinstrum.unam.mx:2048 Aula tecnológica siglo XXI http://www.aula21.net/ Tianguis de física http://tianguisdefisica.com Red escolar http://redescolar.ILCE.edu.mx Revistas de divulgación técnicas como Ciencias (UNAM) o Ciencia y Desarrollo (CONACYT), o Investigación y Ciencia (Scientific American).
  • 81. Las fuerzas La explicación de los cambios En este bloque se propone que avances en el desarrollo de tus habilidades del pensam- iento científico vinculadas con el análisis y la explicación causal de los cambios físicos, particularmente de aquellos estudiados en el bloque anterior. Para ello aplicarás la idea de fuerza, de distinta naturaleza, para analizar las interacciones entre objetos y la asociarás con las causas que producen cambios; después se introduce la idea de energía. Este último es uno de los conceptos que contribuirán a darte una visión integral de la física, desde el punto de vista de la configuración de los sistemas físicos. Propósitos:• Relacionarás la idea de fuerza con los cambios ocurridos al interactuar diversos objetos, asociados con el movimiento, la electricidad y el magnetismo.• Analizarás, considerando el desarrollo histórico de la física, cómo han surgido conceptos nuevos que explican cada vez un mayor número de fenómenos, y la forma en que se han ido superando las dificultades para la solución de problemas relacionados con la expli- cación del movimiento de los objetos en la Tierra y el movimiento de los planetas.• Elaborarás explicaciones sencillas de fenómenos cotidianos o comunes, utilizando el con- cepto de fuerza y las relaciones que se derivan de las leyes de Newton.• Analizarás las interacciones de algunos fenómenos físicos por medio del concepto de energía y relacionarás las interacciones de algunos fenómenos físicos con las manifesta- ciones de la energía.• Valorarás el papel de la experimentación, de la medición y del uso de unidades específicas, así como del razonamiento analítico en la solución de problemas y en la explicación de fenómenos relacionados con el movimiento, la electricidad y el magnetismo.• Integrarás lo aprendido con algunos aspectos básicos de la tecnología, mediante la apli- cación de las habilidades, actitudes y valores en el desarrollo de proyectos, enfatizando la experimentación y la construcción de algún dispositivo, así como el análisis de las interacciones entre la ciencia, la tecnología y sus implicaciones sociales. 80
  • 82. Bloque 2 81
  • 83. El cambio como resultado de las interacciones entre objetosTEMA1 1.1 ¿Cómo se pueden producir cambios? El cambio y las interacciones Carmen, siempre tengo que empujarte para que te No hace falta que me muevas. ¡Apúrate, que vamos empujes. En mi clase de a llegar tarde! física, aprendí que mi estado natural es el movimiento, así que ya me estoy moviendo. No es así la cosa. El estado natural de las cosas es el movimiento, pero muchas están detenidas por la fricción. Cuando se les aplica una Tienes razón. Las cosas no fuerza que supera a la fricción, son como parecían antes se mueven. Pues yo no siento Eso no quiere decir que no ninguna fricción. existe. Acuérdate de que pasan de empezar este curso… muchas cosas que no percibimos. La física nos ayuda a entenderlas. ¿Quién tiene razón: Carmen o Alicia? ¿Qué pasaría si no existiera la fricción? ¿Es Carmen o Alicia quien percibe una fuerza? Y si Carmen estuviera sobre patines, ¿quien percibiría una fuerza mayor? En esta sección estudiaremos: • ¿Cómo se pueden producir cambios? El cambio y las interacciones. • Experiencias relacionadas con fenómenos de interacción por contacto y a distancia (mecánica, eléctrica y magnética). • La idea de fuerza en la vida cotidiana.82
  • 84. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 83 Predigo-Observo-Explico Un cohete en miniatura. El efecto que producen las fuerzas Con mis compañeros y mi profesor Necesitas 5. Deja caer las dos tabletas efervescentes en el agua • botella de plástico de un litro (o el bicarbonato primero y el vinagre después, lo • tapón de hule o corcho, que ajuste correctamen- más rápido que puedas). te en la boca de la botella • 10 popotes 6. Rápidamente, coloca el tapón en la boca de la bote- • agua lla y ponla horizontalmente sobre los popotes, como • vaselina (petrolato) se ve en la figura. (Precaución: apunta el fondo de la • toallas de papel botella hacia la pared, no te pongas enfrente por nin- • tabletas efervescentes (o una cucharada de gún motivo ni dejes que otro compañero lo haga.) bicarbonato de sodio y tres cucharadas de vi- nagre) Predicción • ¿Cómo podría desplazarse la botella sin tocarla? Procedimiento • Justifica la predicción. 1. Busca una pared y ubícate a un metro de ella; despeja el área para trabajar libremente. Explicación Explica con tus palabras lo que sucede y compáralo 2. Vierte 100 ml de agua dentro de la botella de con tu predicción. plástico. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- 3. Unta los lados del tapón con un poco de vaseli- ros y tu profesor. na (o de aceite). En esta actividad habrás observado reacciones y 4. Coloca sobre el suelo, paralelos a la pared, los movimientos en los objetos.¿También esperas compren- popotes separados unos 5 cm. der algo más? ¿Qué es? hacer observaciones cientificas.Experiencias relacionadas con fenómenos principio del libro, de entre ellas la científica es una dede interacción por contacto y a distancia las más exitosas en la historia de la humanidad, éxito(mecánica, eléctrica y magnética) medido, entre otros parámetros, por la cantidad crecien-Hay muchas formas de adquirir el conocimiento, y tú te de seres humanos que habitamos nuestro planeta, asíseguramente has empleado varias. Como ya vimos al como por el mayor tiempo promedio que vivimos.
  • 85. 84 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Conexiones con tecnología y sociedad ¿Qué queremos decir con “comprender algo”? Los antiguos alumnos de Richard Feynman, premio Nóbel de física en 1965, cuentan que sus clases eran amenas y se hicieron famosas pues trataba de muchas maneras de acercar la física a la vida cotidiana. En su primer día de clases, solía hacer una analogía entre la física y el juego de ajedrez: ¿Qué queremos decir con “comprender algo”? Podemos imaginar que el conjunto complicado de cosas en movi- miento que constituyen [el mundo] es algo como un enorme juego de ajedrez jugado por los dioses y no- sotros somos observadores del juego. Si observamos por un tiempo suficiente, podemos darnos cuenta de algunas de sus reglas. Aunque se llega a un punto en que es fácil aprender todas las reglas, es a veces muy difícil seleccionar la mejor jugada o comprender por qué un jugador mueve de una manera determinada. Así es la naturaleza, sólo que en mayor grado. Al final de cuentas, hasta se podrían encontrar todas las reglas, cosas que en realidad todavía no se ha hecho. Aún más, lo que se puede explicar con las que sí conocemos es muy poco, porque en el universo que nos rodea casi todas las situaciones son tan enormemente complica- das que las jugadas se vuelven muy difíciles de seguir. Por lo tanto, debemos limitarnos al problema más bási- co, que es el de conocer las reglas del juego: cuando lle- Feynman tocando los bongós. guemos a ese punto podremos decir que “comprende- mos” el mundo, es decir, que sabemos física. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: • La aseveración de que un eclipse de Sol puede provocar desgracias, ¿es producto del conoci- miento razonado? Es decir, ¿siempre que ocu- rre un eclipse de Sol está comprobado que hay más catástrofes? • ¿Obtener la vacuna contra el sarampión es producto del conocimiento razonado y lógico? ¿De qué manera se sabe que una vacuna fun- ciona? ¿El hecho de que una persona lo diga es suficiente? Compara tus respuestas con las de tus compa- ñeros y coméntenlas con su profesor. Obtengan conclusiones. Observar nos ayuda a comprender las reglas del juego.
  • 86. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 85Investigar se refiere a lo que es necesario hacer para • ¿Se sigue creyendo en el calórico?descubrir algo. Hay formas diferentes de investigar, una • ¿Con qué explicación se sustituyó la teoría delde ellas, la científica, es la que comentaremos en este calórico?libro y tiene tres características particulares: • ¿La teoría del calórico era producto del conoci- miento científico?• La ciencia es objetiva. Significa que los científicos reúnen y examinan hechos. Al investigarlos obtienen Con el conocimiento científico buscamos regularida- conclusiones, es decir, la respuesta a una pregunta des; una de sus características es la búsqueda de las que se han propuesto contestar con su investigación. semejanzas, de los ciclos, de las regularidades, es decir, Por ello, no importa quién repita una investigación ni de aquello que se repite siguiendo un patrón determina- en dónde lo haga, si tiene los mismos instrumentos y do. Ejemplos de estas regularidades son el día y la materiales, el resultado es el mismo. noche, las estaciones del año, el ciclo menstrual, las fases de la Luna, la forma de los panales que constru- Dos astrólogos (aquellos que supuestamente saben el yen las abejas (que prácticamente siempre se comportan destino de las personas por su signo zodiacal), ¿siem- de la misma manera), la atracción del hierro por los ima- pre predicen lo mismo respecto a una persona? nes, la marea alta y la baja, la acidez en el jugo de limón Puedes verificarlo leyendo las predicciones zodiaca- o la caída de los objetos. les para el mismo signo en dos publicaciones dife- rentes de la misma fecha. • Entonces, ¿la astrología es una ciencia? • Los astrónomos pueden llegar a conclusiones simi- lares, pues, a diferencia de los astrólogos, realizan sus observaciones de manera metódica y con base en cálculos matemáticos. Si un astrónomo dice haber descubierto un cometa, ¿qué piensas que harían otros astrónomos interesados en el tema? • ¿Cuál es, entonces, la diferencia entre calcular y predecir?• La ciencia es causal. Es decir, cada cosa, cada fenó- meno, cada respuesta a una pregunta es el resultado de causas que pueden descubrirse. En ocasiones las preguntas son muy difíciles, como la que se relacio- Las mareas se presentan con regularidad. nan con el tiempo, la vida o la muerte. Por ello, la ciencia generalmente divide, en otros más pequeños, • Menciona otros tres ejemplos diferentes de sucesos los problemas complicados y las preguntas difíciles. que ocurran con cierta periodicidad. Al hacerlo, resuelve lo último de manera más fácil y, • ¿Por qué cada persona tiene huellas digitales únicas? al unir las partes, resuelve la pregunta original. Buscando regularidades al clasificar objetos. Identifica las causas de los fenómenos que se indi- 1. Observa atentamente los siguientes dibujos de can. Muchos de ellos se estudiarán con detalle en los martillos: siguientes capítulos del texto. • ¿Qué provoca que los cuerpos caigan? • ¿Por qué se producen el arco iris, la noche y el sudor? • ¿Por qué al prender una lámpara es posible obser- var objetos? • ¿A qué se deben los vientos? • ¿Por qué flotan los barcos?• La ciencia, o mejor dicho, el conocimiento científico, es tentativo. Es decir, que a pesar de todo lo descubier- to y realizado en el campo de la ciencia, hoy tenemos más preguntas que respuestas. Por tanto, los cientí- ficos modifican sus ideas sobre el mundo si descu- bren nuevas evidencias de que es diferente a como Todos son martillos. originalmente pensaban que era. 2. Habrás notado que los dibujos están a escala, • Investiga qué era lo que se conocía con el término pues en realidad los martillos son de mayor tamaño. “calórico”. Cita las fuentes que consultes, ya sean ¿Por qué todos parecen semejantes? Anota la res- páginas de Internet, libros o revistas. puesta en tu cuaderno.
  • 87. 86 BLOQUE 2. LAS FUERZAS 3. Menciona al menos cuatro características que los acuerdo en ella. Los hechos de la ciencia son aquellos hacen diferentes y anótalas en tu cuaderno. en los que está de acuerdo la comunidad científica en un momento y lugar determinados. 4. Usa una de estas características para formar dos grupos: Grupo 1: Todos ellos tienen Integrado por Grupo 2: Todos ellos tienen Integrado por 5. Ahora divide los martillos en otros dos grupos usando otra característica. Grupo 3: Todos ellos tienen Otros ejemplos de regularidades en la naturaleza. Los hechos constituyen datos que pueden expli- carse tentativamente y se conocen como hipótesis. En Integrado por el bloque anterior estudiamos que las observaciones de Eratóstenes sobre la sombra de los palos lo llevó a plantear la hipótesis de que la Tierra era redonda, lo cual predice que se puede navegar alrededor de ella, Grupo 4: Todos ellos tienen hecho que se verificó siglos después. Una hipótesis es una suposición para explicar ciertos fenómenos observados. Es preciso destacar que la ciencia asume que el Integrado por mundo puede describirse con leyes que siempre fun- cionan de la misma manera, es decir, leyes consisten- tes. Las regularidades son la demostración de dicha consistencia, y la medición es una manera de recono- 6. Considerando ambas características, divide los cerla. Además, la consistencia permite hacer predic- martillos en cuatro grupos: ciones, como en el caso de los eclipses o de la atrac- ción de los imanes. La comprobación sistemática de Característica 1 estas predicciones nos da confianza en el conoci- Grupo 1, todos tienen Grupo 2, todos tienen miento científico. • Busca información acerca de cuándo va a suceder el siguiente eclipse de Sol visible en México. ¿Por qué Característica 2 se sabe lo anterior? Cita las fuentes de donde obtuvis- Grupo 3, todos tienen Grupo 4, todos tienen te la información, ya sean libros, revistas o Internet. • ¿Cuál es la diferencia entre una idea y una hipó- tesis? • ¿De qué manera sabía tu mamá, tu papá o algún 7. Escribe en tu cuaderno tus conclusiones al respec- familiar que ibas creciendo cuando eras niño? to y compáralas con las de tus compañeros de grupo. • ¿Cuál es la diferencia entre predecir y medir? Las regularidades se encuentran o distinguen por Sobre algunas hipótesis del tamaño de nuestros pies. medio de la comparación y constituyen un hecho cuan- Los científicos usan la palabra hipótesis cuando se do todos los observadores de la regularidad están de refieren a algo que debe ser probado. Que la Tierra es
  • 88. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 87redonda fue una hipótesis que demostró ser cierta Para probar si es cierta la hipótesis 3, que dice quecuando la expedición de Fernando de Magallanes las personas con mayor masa tienen pies más gran-completó su viaje, que le dio la vuelta a nuestro pla- des, hagamos lo siguiente:neta (en realidad puede decirse que este viaje fue unexperimento). 1. Dibuja una gráfica (plano cartesiano) de la lon- gitud del pie (eje y) contra la masa (eje x). (VéaseA continuación se presentan tres hipótesis sobre la “Apéndice 2”). Describe cómo quedan los puntoslongitud de los pies: en la gráfica. Si todos los puntos caen alrededor de una línea, la hipótesis es verdadera para ese grupo. Es decir, la tendencia que describe la hipó-1. Las personas altas tienen pies grandes. tesis se comprueba. Si los puntos están distribui- dos alrededor de toda la gráfica, la hipótesis no2. Los hombres tienen pies más grandes que las es verdadera.mujeres.3. Las personas con mayor masa tienen pies más Masa Longitud del piegrandes. Yolanda 44 22 Clara 47 23Las hipótesis se prueban mediante experimentos(como el viaje de Magallanes) o reuniendo datos. La David 48 23siguiente tabla contiene datos de la altura, la masa y Alfredo 49 23el tamaño de los pies de 20 alumnos de tercero de Ernesto 58 24secundaria, todos de quince años de edad. Patricia 59 25 Ana 61 25 Altura Masa Tamaño Alumno(a) (m) (kg) de pies (cm) Raúl 61 26 1 Carmen 1.78 73 28 Julia 62 24 2 Luisa 1.76 67 26 Silvia 64 24 3 Ana 1.68 61 25 4 Rocío 1.80 69 27 Masa Longitud del pie 5 Patricia 1.65 59 25 Rodrigo 64 25 6 Silvia 1.53 64 24 Marcos 66 26 7 Yolanda 1.50 44 22 Pilar 66 27 8 Julia 1.70 62 24 Luisa 67 26 9 Pilar 1.77 66 27 Rocío 69 2710 Clara 1.55 47 23 Juan 70 26 Miguel 77 27 Altura Masa Tamaño Carmen 73 28 Alumno(a) (m) (kg) de pies (cm) Andrés 73 2911 Andrés 1.78 73 29 Jorge 75 2712 Raúl 1.60 61 2613 Marcos 1.75 66 26 Como se observa en la gráfica, salvo algunas excep-14 David 1.47 48 23 ciones, según aumenta la masa de las personas, ya sean hombres o mujeres, el tamaño de sus pies tam-15 Rodrigo 1.64 64 25 bién aumenta. Así que, al menos para esta pobla-16 Alfredo 1.50 49 23 ción, la hipótesis es básicamente correcta.17 Juan 1.65 70 26 Una vez que aprendiste cómo verificar una hipóte-18 Jorge 1.66 75 27 sis, construye dos tablas semejantes a las anterio-19 Ernesto 1.51 58 54 res, ahora utilizando los datos de tus compañeros20 Miguel 1.80 72 27 de clase, y comprueba si se cumplen las hipótesis 1 y 2.
  • 89. 88 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Relación entre la longitud de los pies y la masa corporal de adolescentes y 30 5 29 28 27 26 25 24 Longitud del pie 23 22 21 20 15 10 5 0 4x 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Masa corporal de los alumnos Al comparar lo hacemos con una idea previa establecida, con una manera de ver que hemos aprendido. Comparar datos, experimentos o procesos nos permite encontrar relaciones entre ellos, ya sea por semejanza o diferencia. Podemos darnos cuenta del cambio cuando hacemos estas compa- raciones. Un cambio que vimos en el bloque anterior tiene que ver con el movimiento. Cuando un objeto se des- plaza de un lugar a otro, hay un cambio en su posi- ción respecto de un sistema de referencia. El cam- bio de posición puede deberse a que dejamos caer el objeto en una caída libre o a que (cuando el objeto es de hierro) lo atraemos con un imán. En otro cambio físico el mismo tipo de mate- ria asume formas diferentes. Doblar una barra de plastilina, cortar un pedazo de papel, fundir un sólido o evaporar un líquido son ejemplos de cambios físicos. Tomemos, por ejemplo, un cubo de hielo y calentémoslo hasta obtener líquido y continue- mos calentándolo hasta obtener vapor; en todos los casos se trata de agua, la misma materia, pero en formas diferentes, como sólido en el hielo, como líquido en lo que comúnmente cono- cemos como agua y en forma gaseosa en el vapor.
  • 90. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 89La idea de fuerza en la vida cotidiana te de velocidad? ¿En qué caso te imaginas que unaUna regularidad cercana a tu vida cotidiana y que es fuerza puede provocar que un objeto disminuya defuente de muchas confusiones se la relaciona con el velocidad?concepto de fuerza. c) la dirección del movimiento de un objeto. ¿En qué caso un cuerpo cambia de dirección cuando se le Reflexiona y contesta en tu cuaderno: aplica una fuerza? Proporciona ejemplos relaciona- ¿Cuáles y cuántos significados conoces de la palabra dos con el deporte. fuerza? Un objeto está en reposo cuando su posición no cam- Empujar y jalar son ejemplos de fuerza. Sea lo que bia respecto al origen de un sistema de referencia en unfuere que empujemos o jalemos, doblemos o forcemos, instante preciso. Las condiciones para el reposo o elrasguemos o levantemos, estamos ejerciendo una fuerza. movimiento son: a) Un objeto está en reposo, es decir, no se mueve, siLos efectos de las fuerzas todas las fuerzas que actúan sobre él se equilibran o se neutralizan. En el típico juego de dos equipos que jalan una cuerda desde ambos extremos, ¿qué suce- de con la pañoleta que se coloca a la mitad si las fuerzas de ambos equipos son idénticas? b) Un objeto se mueve si las fuerzas que actúan sobre él no están equilibradas o neutralizadas. Y si uno de los equipos del caso anterior jala con mayor fuerza que el otro, ¿qué le sucede a la pañoleta? c) Un objeto está en movimiento cuando la suma de las fuerzas que actúan sobre él están en equilibrio. Reacción de la mesa Atracción del cordón eléctricoHay muchas clases diferentesde fuerza: empuje, tracción, flexión, torsión… En la mayoría de las ocasiones es necesario estar encontacto con un objeto para aplicarle una fuerza; sinembargo, fuerzas como la gravitatoria, la electrostática yla magnética pueden actuar a distancia. En general,cuanto mayor es la distancia, la fuerza disminuye. Peso de la caja Peso de la lámpara A pesar de lo que el sentido común pudiera sugerir (que no siempre es confiable), no se necesita una fuer- za para mantener un objeto en movimiento a velocidad Menor fuerza de atracción constante, sino para detenerlo o hacer que aumente su velocidad, es decir, para acelerarlo. Amarra un zapato a la mitad de un hilo de medio metro de longitud. Sostenlo de los extremos, en dos puntos fijos, para que el hilo forme una “V”. • ¿Cómo son las fuerzas que actúan sobre el zapato? Mayor fuerza de atracción • Si rompes uno de los extremos de los hilos, ¿cómo son las fuerzas que actúan ahora en el zapato? Las fuerzas pueden cambiar: Cuando un objeto está en reposo, todas las fuerzasa) la forma de un objeto. ¿En qué caso de la vida cotidia- que actúan sobre él están equilibradas. Al aplicarle una na al aplicar una fuerza es posible deformar un cuerpo? fuerza adicional el objeto se mueve en dirección deb) la velocidad de un objeto. ¿En qué caso te imaginas dicha fuerza. Si la masa del objeto es grande, las fuer- que una fuerza puede provocar que un objeto aumen- zas que actúan sobre él son grandes, y la fuerza necesa-
  • 91. 90 BLOQUE 2. LAS FUERZAS ria para moverlo también debe ser grande. Si la masa de • ¿Cuál de los dos cuerpos, la hormiga o el automóvil un objeto es pequeña, las fuerzas que actúan sobre él tiene mayor inercia? son pequeñas y la fuerza necesaria para moverlo también debe ser pequeña. De la misma manera, cuando un objeto se mueve se Se dice que la inercia de un objeto es su oposición a necesita una fuerza para detenerlo. Sin embargo, su moverse. A mayor masa de un objeto, mayor inercia. inercia lo mantiene en movimiento. Los pasajeros de un automóvil que avanza tienen inercia, por ello necesitan Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones: tener puestos los cinturones de seguridad para detener • ¿Qué sucede si intentas empujar un automóvil sus cuerpos cuando el automóvil frena abruptamente. (claro, sin frenos)? ¿Es fácil? Si una vez que es lanzada una pelota de golf, tarde o • ¿Qué sucede si intentas empujar una hormiga con temprano se detiene, ¿quién le aplica la fuerza para un solo dedo? ¿Te cuesta trabajo? lograr esto? Conexiones con tecnología y sociedad Un viaje fantástico de la Tierra a la Luna A mediados del siglo XVII el francés Cyrano de Bergérac escribió su libro de fantasía Historia Cómica de los Estados e Imperios de la Luna. En esta obra, Cyrano se burla de algunas ideas producto de especulacio- nes cintíficas. Es un magnífico ejemplo de cómo, desde hace muchos años, se pensaba en diversas expe- riencias de interacción a distancia. He aquí lo que dijo: Mandé hacer un carrito ligero de hierro, me monté en él cómo- damente y empecé a echar hacia arriba un imán esférico. El carro de hierro, atraído por el imán, empezó a subir. Cada vez que me acercaba al sitio donde me atraía la esfera, volvía a tirarla hacia arriba […] después de echar por alto el imán muchas veces y subir otras tantas al carro, llegué al sitio donde comenzó mi caída en la Luna […] para no matarme al caer, lanzaba la esfera de forma que su acción frenaba la caída del carro, hasta que llegó muy cerca de la superficie de la Luna. Entonces salté de él y descendí suavemente hasta la arena. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: • En el caso del personaje de la historia, ¿qué fuerza(s) se opondría(n) al movimiento del carrito?
  • 92. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 91 Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras, explica qué entiendes al leer o escuchar los siguientes conceptos: hipótesis, causal, regula- ridad, investigación, objetividad, hecho, fuerza, peso, inercia, masa.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta el más adecuado para tu curso.2 Para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección revisa el resumen esquemático del final y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 82. Con lo que ya aprendieron constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas.2.2 Analicen las siguientes figuras y establezcan qué son, es decir, identifiquen hechos.2.3 Plantea hipótesis para explicar los siguientes cambios: a) El funcionamiento de la brújula. b) La caída de las manzanas, los higos o las peras de sus respectivos árboles. c) La capacidad de volar de los pájaros y las moscas. d) Las mareas. e) Los “toques” eléctricos.2.4 Las conexiones de esta sección plantean situaciones que es pertinente analizar. En la primera, si el uso de la analogía es adecuado, y en la segunda, si es posible lo que se dice (si no, hay que identificar los errores).2.5 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.
  • 93. 92 BLOQUE 2. LAS FUERZAS 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus com- pañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. regularidades la hacen los científicos que La ciencia con sus especulaciones buscan y prejucios hechos algunas características datos el conoci- es causal miento es objetiva científico es tentativo con los cuales construye hipótesis 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Analizar algunos efectos de la interacción entre objetos, como el movimiento, la deformación, la atracción o repulsión eléctrica y magnética. Identificar los agentes y acciones necesarios para cambiar el estado de movimiento o de repo- so de diversos objetos. Plantear hipótesis para explicar la causa de los cambios observados. Comparar cualitativamente la magnitud de la interacción a partir de sus efectos en los objetos. Reconocer que, en el uso cotidiano, el concepto de fuerza tiene distintos significados.
  • 94. Una explicación del cambio: la idea de fuerza TEMA 22.1 La idea de fuerza:el resultado de las interacciones No te confundas, si aplico mi fuerza puedo ¿Supones que porque ¡Caramba qué Ni tanto, más bien estás gordo tienes más fuerte estoy! estás un poco gordo. mover cosas muy pesadas. fuerza? En la vida diaria, usamos la palabra fuerza Claro, todos tenemos para muchas cosas, pero en la física su algo de fuerza, ¿verdad sentido es más estricto. Roberto? Además, asociamos la fuerza sólo con los seres vivos, cuando en realidad cualquier Bueno, el caso de Benito objeto puede ejercer una fuerza. demuestra que se puede ejercer una fuerza ¡…Sin pensar!¿Tiene razón Roberto? ¿Para qué usas la palabra fuerza? ¿Qué fuerzas noprovenientes de los seres vivos conoces?¿Estamos rodeados de fuerzas? ¿Que opinas de la afirmación de que hayfuerzas que ayudan en ciertas circunstancias pero que también pueden serno deseables en otras? En esta sección estudiaremos: • El concepto de fuerza como descriptor de las interacciones. • La dirección de la fuerza y la dirección del movimiento. • La suma de fuerzas. • El reposo. 93
  • 95. 94 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Predigo-Observo-Explico Fricción Con mis compañeros y mi profesor Necesitas Predicción • 2 cajas idénticas (pueden ser la tapa y la base • ¿Cuántos objetos crees que deben ponerse en la de un estuche, por ejemplo) caja de abajo para que la de arriba empiece a • 1 trozo de hilo de cáñamo de 60 cm moverse? • 1 pieza de papel de lija gruesa (25 ϫ 25 cm) • ¿Qué superficie presenta mayor fricción? • 1 hoja de papel encerado (25 ϫ 25 cm) • Justifica las predicciones. • 1/4 de cartulina • Pieza de tela que se tenga a la mano Observación (25 ϫ 25 cm) 1. Mete uno por uno los objetos en la caja de abajo • Tijeras hasta que observes que la caja de arriba se desplaza • Crayones, gises o canicas (20 piezas de cual- los 25 cm que la separan del extremo. quiera de ellos, deben ser del mismo tamaño) • Cinta adhesiva 2. Anota tus resultados en la tabla. Procedimiento 3. Repite la operación anterior cuatro veces, pero cada 1. Con cuidado, perfora una de las paredes de ocasión coloca una superficie distinta debajo de la cada caja (con la punta de una tijera o un pun- caja de arriba. Fija con cinta adhesiva las distintas zón). Toma una de las cajas e introduce un superficies, de manera que la caja de arriba se des- extremo del hilo por el agujero y sujétalo hacien- place sobre ellas y no sobre la mesa. Anota en la do un nudo que lo atore. Realiza lo mismo en la tabla la cantidad de objetos que tuviste que meter en otra caja. Así, ambas cajas quedarán unidas por la caja de abajo para que se moviera la de arriba en el hilo. cada ocasión. 2. Coloca una de las cajas sobre la mesa (a 25 cm del extremo); deja que la otra cuelgue libremen- te, como se ve en la figura. Mete tres objetos iguales dentro de la primera. Explicación Explica con tus propias palabras lo que sucede y com- páralo con tu predicción Comparte tu resultado con el resto de tus compañeros y tu profesor. ¿Qué utilidad práctica tiene lo que aquí aprendiste? Comenta con tus compañeros de qué manera afecta a este experimento el hecho de aumentar el número de cajas y los cambios de superficies sobre las que se des- lizan las cajas.
  • 96. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 95Conexiones con tecnología y sociedadLa fricción también ayudaLa vida cotidiana está llena de ejemplos de cómo la fuerza de fricción nos permite realizar todo lo quehacemos. Sin este fenómeno de rozamiento entre las superficies de los materiales no podrías cami-nar, correr, escribir con lápiz sobre un papel, dar vuelta a esta página... Ni siquiera podrías comer.Los automóviles y las bicicletas usan la fricción para detenerse. Los clavos en paredes y maderas sedetienen debido a la fricción. Muchas de las formidables invenciones de la humanidad (incluidos loszapatos tenis y los “tacos” de futbol) han sido concebidas para incrementar deliberadamente la fuer-za de fricción, de manera que al usarla se obtengan notables beneficios. Los paracaídas trabajan por medio de la resistencia que oponen al aire. Un paracaídas como elde la foto “atrapa” aire, lo que aumenta la resistencia de éste respecto a la que tendría el cuerpo deuna persona cayendo, sin incrementar mucho su masa. Por otro lado, el princi-pal subproducto de la fric- a) b) c)ción es la liberación decalor. En ocasiones esto esdeseable, sobre todo si hacefrío y te frotas las manosuna contra otra, o cuandoenciendes un cerillo. Eneste último caso, la friccióngenera el calor necesariopara que se prenda unamezcla de compuestos deazufre y fósforo, contenidaen la cabeza del cerillo. La fricción también tieneun enorme costo económi- Ejemplos de la fuerza de fricción. a) El espagueti se mantiene en el tenedor. b) Los clavos seco. Para vencerla emplea- detienen al ser introducidos en la madera. c) El paracaídas se mantiene en el aire por lamos gran cantidad de la resistencia que ofrece el viento.energía que hay en la Tierra.Muchas máquinas lo hacen empleando aceites y lubricantes. Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones: • Menciona tres fenómenos de la vida cotidiana que no ocu- rrirían debido a la ausencia de fricción. • Si no hubiera fricción entre los pies y el piso, ¿qué crees que sucedería al intentar ponernos de pie? • ¿De qué se valen las aves para tomar impulso al volar? Entonces, ¿la atmósfera ejerce fricción? • Al hacer rodar una pelota por el piso, ¿por qué se detiene si nadie, aparentemente, ejerce fuerza sobre ella? • ¿Por qué crees que enciende un fósforo al pasarlo por una El aceite lubricante es un antifriccionante. lija? A una bolsa de plástico grande córtale un círculo de 60 o 70 cm de diámetro. Amarra en las orillas del perímetro del círculo seis hilos de 40 cm de largo cada uno; en los extremos libres amarra un pequeño muñeco, como un luchador. ¡Has hecho un pequeño paracaídas! Lanza varias veces tu paracaídas y observa con mucho cuidado lo que sucede.
  • 97. 96 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Anota tus observaciones y coméntalas en voz • Hacer que un objeto se mueva más lentamente. alta con el resto del grupo. Intenta modificar las dimensiones del círculo y de los hilos, así como la altura desde la cual desciende el paracaídas. ¿Hay cambios res- pecto del paracaídas original? ¿Qué ocurre si tratas de arrojar hacia arriba el muñeco? El concepto de fuerza como descriptor de las interacciones Ejercemos una fuerza cuando empujamos o jalamos un objeto, también cuando lo doblamos, lo rasgamos o lo levantamos. Hay que destacar que la fuerza es una idea • Hacer que cambie la dirección en la que se que describe la interacción entre objetos, pero no es una mueve un objeto. propiedad de los mismos. Entre otras razones, se necesita una fuerza para: • Detener un objeto que está en movimiento. Si un objeto está en reposo, todas las fuerzas que actúan sobre él están balanceadas. La suma de fuerzas es igual a cero. Las fuerzas son cantidades vectoriales (página 97). • Hacer que un objeto en reposo se mueva. Si sueltas un objeto, éste cae al suelo. Pensemos en • Hacer que un objeto se mueva más rápidamente. una manzana. Ésta cae al suelo porque hay una fuerza que la atrae hacia él: la fuerza de gravedad, la cual trataremos más adelante. La Tierra atrae los objetos y esa fuerza de atracción es lo que llamamos peso. Ahora bien, si coloca- mos la manzana en una mesa, no se cae. Sin embargo, sigue teniendo el mismo peso. Lo que sucede es que no se mueve hacia el piso porque la mesa ejerce sobre ella una fuerza igual a la de su peso. Las fuerzas están equilibradas y por eso la manzana se encuentra en reposo. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: En el caso de un coche estacionado, ¿qué fuerzas se encuentran en equilibrio para que no se mueva?
  • 98. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 97 Comenta con tus compañeros y obtengan conclusio- niones: • ¿Cuál es la diferencia entre masa y peso? • ¿Qué peso tiene cada uno de los miembros de tu familia? Nota: se te ha pedido el peso, no la masa. • Explica qué pasaría si alguien jala un cuerpo con 4 N de fuerza y otro más con 6 N de fuerza, ¿cuál es la fuerza total sobre el cuerpo? ¿Habrá que saber infor- mación extra para conocer la respuesta correcta?Aunque sea difícil de identificar, la mesa ejerce una fuerza. ¿Por qué?Piensa en lo que sucedería si, en lugar de colocar la manzanasobre la mesa, la colocaras sobre una esponja puesta a su vez La dirección de la fuerza y la dirección del movimientosobre la mesa. La manzana comprimiría la esponja hasta que Las fuerzas son cantidades vectoriales y éstas tienen susésta ejerciera una fuerza igual al peso de la manzana. propias maneras de sumarse y restarse. La resultante de un sistema formado por dos vecto- res de la misma dirección y el mismo sentido es un El peso es una fuerza muy común. El peso es la vector con la misma dirección y sentido que sus com-fuerza de gravedad que se ejerce sobre cualquier obje- ponentes, pero de diferente magnitud.to en la Tierra. El peso te jala hacia el centro de ella. 2NEl peso de este libro en la Luna es menor que en laTierra, ya que la Luna tiene menor masa que nuestroplaneta, mientras que el peso del mismo libro enJúpiter, que tiene una masa mucho mayor que laTierra, es mayor. En los tres casos la masa del libro es 2Nla misma, lo que varía es supeso. La masa de un obje- R es la resultante de sumar ambas fuerzas. Aquíto indica la cantidad de 2N ϩ 2N da 4Nmateria que tiene. Lamasa se mide en kilo- Cuando los vectores tienen la misma dirección perogramos en el Sistema sentido contrario, la resultante es un vector con laInternacional de Uni- misma dirección, el sentido coincide con el del vectordades (“Apéndice 1”). mayor y su magnitud es la diferencia entre ambos.La masa de este libro 2N 2Nes aproximadamentede 350 gramos. Lafuerza se mide ennewtons (N). Cuando deci- Tierramos, por ejemplo, quealguien pesa 60 kg, 2N 5Ncometemos un error. Alo que nos referimoses a su masa, no a supeso, que en estecaso sería aproxima- Suma de dos fuerzas de la misma dirección y senti-damente de 600 N. do contrario. Aquí 2N ϩ 2N da 0N y 2N ϩ 5N da 3N Si se aplicaran únicamente estas dos fuerzas sobre el objeto, éste se desplazaría hacia la derecha. Júpiter La suma de fuerzas La resultante de un sistema formado por dos vectores de direcciones 3N distintas se ob- tiene trazando la te ltan diagonal del pa- resu ralelogramo que determinan 60° ambos vectores. Luna 5N Escala 1 cm ϭ 1 N
  • 99. 98 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Aplica el método del paralelogramo para resolver: 1. Roberto y Benito están jalando una cuerda. Roberto jala hacia el norte con una fuerza de 45 N, m ϭ 5 kg y Benito jala hacia el sur con una fuerza de 60 N. ¿Cuál es la fuerza resultante? ¿En qué dirección? 2. Roberto y Benito están jalando una llanta de bici- cleta. Roberto jala hacia el norte con una fuerza de 45 N, y Benito jala hacia el este con una fuerza de 60 N. 50 N a) ¿Cuál es la fuerza resultante? b) Si Carmen jala también la llanta de bicicleta y ésta no se mueve, ¿con qué fuerza está jalando Carmen? m ϭ 1 kg 50 N 3. Utilizando lo que aprendiste de la suma de vecto- res (e ignorando la fricción), representa la fuerza resultante que se obtiene cuando dos personas • Fuerza de la caja sobre él (hacia abajo), igual a empujan en sentidos opuestos un carro sobre un riel 50 N. y sus fuerzas son: • Fuerza que el suelo hace para sostenerlo (de la misma magnitud y dirección contraria que la fuer- Persona A Persona B za de atracción de la Tierra), por eso, una vez que 100 N 100 N está en reposo es igual a 50 N ϩ 10 N ϭ 60 N. 100 N 50 N 100 N 200 N 50 N Cada persona empuja la mesa con una 100 N fuerza de 100 N, pero la resultante es cero. 100 N 100 N 100 N Si las fuerzas son en Si las fuerzas no se aplican en la misma dirección se 100 N la misma dirección hay que suman y la resultante sumarlas como se indicó es una fuerza de 200 anteriormente N. 100 N 100 N 10 N 14 1 N 100 N 60 N El reposo En el aire que nos rodea, generalmente los objetos Para entender mejor las fuerzas que actúan sobre un más densos caen con mayor rapidez que los menos den- determinado objeto, observa la figura de la caja de sos. ¿Te acuerdas de que al soltar desde la misma altu- madera sobre el resorte de metal. Ambos están en repo- ra una moneda y un pedazo de papel un poco arrugado, so, lo que indica que la suma de fuerzas que actúa sobre la primera llega antes al suelo? ellos es igual a cero. Las fuerzas que actúan sobre los Sin embargo, vimos en el bloque anterior que, en el dos objetos se representan por vectores e indican lo vacío, los cuerpos caen a la misma aceleración. La dife- siguiente: rencia entre una y otra condición está en que el aire ejer- ce una resistencia al movimiento de ambos (la moneda a) Sobre la caja actúan: y el papel), pero en el caso del segundo es mayor que en • Fuerza de atracción de la Tierra (hacia abajo), que el primero. es igual a su peso, es decir 50 N. • Fuerza del resorte de dirección contraria y misma Reflexiona y contesta en tu cuaderno: magnitud que la anterior (hacia arriba), es decir, • Si la aceleración de un objeto que cae no depende de 50 N. de su masa, ¿por qué una pluma cae más lentamen- b) Sobre el resorte actúan: te que un ladrillo? • Fuerza de atracción de la Tierra (hacia abajo), que • ¿Qué efectos producen las fuerzas sobre los es igual a su peso, o sea, 10 N. objetos?
  • 100. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 99La resistencia al movimiento de los objetos se llama 4. Separando con aire la superficie de la mesa defricción y ésta es una fuerza que siempre se opone a la juego y el disco que se golpea.dirección del movimientoUn objeto casi siempre se mueve sobre otro (por ejem-plo un automóvil sobre una carretera, pero no cuandose mueve una nave espacial en el vacío) o dentro deotro (cuando nadas en el agua). En ambos casos, lafricción está presente. La fricción se puede reducir de las siguientes cincomaneras: 1. Cambiando la forma de los objetos de manera que ofrezcan menos resistencia al aire o al agua (en los delfines ya lo hizo la selección natural, como 5. Rodando los objetos, cuando se pueda, en lugar aprendiste en biología). de arrastrarlos. Éste es el principio del funciona- miento de uno de los grandes inventos de la humanidad: la rueda. 2. Puliendo las superficies que se mueven entre sí, es decir, haciéndolas más lisas. Por ejemplo, las calles. Responde las preguntas siguientes, y si consultaste en algún libro, revista o página de Internet, cítalo. • ¿Por qué no es fácil andar en patines las primeras veces que lo intentas? ¿Sobre hielo es más fácil? • Sobre una superficie plana es fácil mover una rueda. ¿Cómo deberá ser la superficie para hacer rodar fácilmente un cuerpo en forma de cuadrado? • ¿En las culturas mesoamericanas conocieron la rueda? Si tu respuesta es afirmativa, menciona en cuáles. • ¿Qué le sucede a la mayoría de los meteoritos cuan- 3. Agregando un lubricante entre ambas superficies, do ingresan a la atmósfera terrestre? ¿Por qué? pues, aunque se pulan, siempre presentan irregu- laridades. El lubricante, generalmente aceite, La siguiente tabla indica la resistencia del aire sobre separa ambas superficies, por lo que una se des- un ciclista que se mueve a diferentes velocidades. liza más fácilmente sobre la otra. Velocidad (m/s) Fricción (N) 0 0 6 10 12 30 18 70 24 130 30 200
  • 101. 100 BLOQUE 2. LAS FUERZAS • Dibuja una gráfica con estos datos. • Si la bicicleta tuviera ruedas con una anchura dos • ¿Qué tan rápido puede viajar un ciclista, si la fuer- veces mayor, ¿viajaría con mayor rapidez si el ciclis- za máxima que ejerce es de 180 N? ta ejerce la misma fuerza? ¿Por qué? • Cuando el ciclista se agacha viaja más rápido, ¿por qué? Revisión 1 Sobre el significado de los conceptos 1.1 Con tus palabras, explica qué entiendes al leer o escuchar los siguientes conceptos: fuerza, peso, fricción, repo- so, vector. 1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son dife- rentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta es el más adecuado para tu curso. 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros lo que se dice en la conversación de la página 93. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 Independientemente de la unidad de la magnitud de la fuerza, puedes interpretar el diagrama de fuerzas de abajo. Figura 1 Figura 2 Figura 3 En la figura 1, la flecha representa la fuerza que debe aplicarse a la silla para moverla sobre el piso. En la figura 2, se representa una segunda fuerza que se aplica para ayudar a mover la silla. Como ya viste en el caso de la velocidad, si las dos fuerzas que se aplican llevan la misma dirección, la suma de ambas es simplemente la adición algebraica o escalar. En la figura 3, una fuerza de dirección contraria se opone a la fuerza original para mover la silla. ¿Cómo es la fuerza resultante en este caso: menor, mayor o igual que en la figura 2? ¿Por qué? 2.2 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.
  • 102. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 1013 Resumen esquemáticoEl siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus com-pañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Fuerzas representan efectos interacciones entre los cuerpos variaciones deformaciones de velocidad como produce interacción interacción eléctrica y/o gravitacional aceleración frenado magnética4 AutoevaluaciónEn esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Relacionar el cambio en el estado de movimiento de un objeto con la fuerza que actúa sobre él. Inferir la dirección del movimiento con base en la dirección de la fuerza e identificar que en algu- nos casos no tienen el mismo sentido. Reconocer que la fuerza es una idea que describe la interacción entre objetos, pero no es una pro- piedad de éstos. Analizar y explicar situaciones cotidianas utilizando correctamente la noción de fuerza. Utilizar métodos gráficos para la obtención de la fuerza resultante que actúa sobre un objeto. Identificar que el movimiento o reposo de un objeto es el efecto de la suma (resta) de todas las fuerzas que actúan sobre él. Obtener la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo y describe el movimiento asociado a dicha fuerza. Relacionar el estado de reposo de un objeto con el equilibrio de fuerzas actuantes sobre él y repre- sentarlo en diagramas.
  • 103. Una explicación del cambio: la idea de fuerza TEMA2 2.2 ¿Cuáles son las reglas del movimiento? Tres ideas fundamentales sobre las fuerzas ¿Viste el problema que ¿Qué decía Se discutió en clase que nos nos dejó el maestro? Creo que ya sé cómo se hace. el problema? movemos porque nuestro pie Supongamos que estás en el Está muy difícil. ejerce una fuerza hacia espacio y tienes un martillo. Si atrás sobre el suelo, y el suelo quieres moverte a la derecha, responde con una fuerza de lanzas el martillo a la izquierda, reacción que nos hace ir hacia y como a toda acción adelante. El problema es cómo corresponde una reacción de te puedes mover en un igual magnitud y sentido ambiente en el que no existan opuesto, saldrás flotando hacia la fuerzas de fricción, como el derecha. espacio. No. Cuando le das Si le pegas quedito, no te un puñetazo a la duele, porque la fuerza de Pero se supone pared en tus reacción es chica, pero si que las fuerzas ataques de enojo, la le pegas fuerte te rompes nada más las pared parece que te los nudillos, porque la ejercen los seres golpea con la fuerza de reacción es vivos. misma fuerza. grande. ¿Será cierto lo que dice Alicia? Un astronauta que se halla en el espacio exterior ¿está sujeto a algún tipo de fuerza? ¿Cuál o cuáles? ¿Podrá moverse arrojando objetos como dice Roberto? Si es así, ¿cómo deberá ser ese objeto? En esta sección estudiaremos: • La medición de la fuerza. • La descripción y la predicción del movimiento • La idea de inercia. mediante las leyes de Newton. • La relación de la masa con la fuerza. • La aportación de Newton y su importancia en el de- • La acción y la reacción. sarrollo de la física y en la cultura de su tiempo.102
  • 104. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 103 Predigo-Observo-ExplicoEl cinturón de seguridadCon mis compañeros y mi profesorNecesitas 4. Observa qué le sucede a la muñeca cuando el carro• Una mesa cuyos cantos sean redondeados o lo impacta con el tope y anótalo en tu cuaderno. más lisos posible (se puede pegar un tubo de papel higiénico forrado con papel encerado al Predicción canto, para reducir la fricción). • ¿Qué le pasará al carro si dejas que el extremo con• 1 carrito de juguete (tipo patineta) o patín de la herramienta se deslice hacia abajo? dos rieles que ruede bien • ¿Qué le pasará a la muñeca?• Una muñeca pequeña • ¿Qué le pasará a la muñeca si la amarras al carro?• 1 tramo de hilo de cáñamo de 1 metro • Justifica la predicción.• Libro pesado o un ladrillo• Una herramienta pesada (martillo, llave de tuer- Observación cas) o una pesa (por lo menos de 300 g) Coloca el carro a 90 cm del tope. Luego, toma la herra-• Una liga o listón delgado para amarrar la muñeca mienta y suéltala, cuidando que el hilo se deslice en el canto de la mesa.Procedimiento1. Ata uno de los extremos del hilo al carrito o Repite la operación, pero amarra la muñeca al carrito patín. Amarra el otro extremo a la herramienta o con una liga o listón. pesa. Mantén el extremo con la pesa sobre la mesa hasta el momento de realizar el experi- Explicación mento. Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción.2. Coloca el ladrillo o libro pesado justo en el extre- mo de la mesa, como tope para que choque el Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- carrito. Coloca la muñeca sobre el carrito sin ros y tu profesor. amarrarla. Trata de que no se caiga, moviéndole brazos o cuerpo hasta que se mantenga en equi- librio sobre el carro. ¿Ha cambiado tu percepción del movimiento de los objetos después de esta actividad? ¿Por qué?3. Monta el dispositivo como se ve en la figura. Ésta es otra forma de montar el dispositivo, si cuentas con los materiales necesarios.
  • 105. 104 BLOQUE 2. LAS FUERZAS La medición de la fuerza. La aportación de Newton puede cancelar la fuerza sobre el balón con una fuerza que y su importancia en el desarrollo de la física y actúa sobre el pie. en la cultura de su tiempo Existe un caso en el cual sí se anulan cuando dos per- El científico inglés Isaac Newton estudió, con mucho sonas patean el balón al mismo tiempo. Pero atención, cuidado y siguiendo las ideas y descubrimientos de aquí ya no se tiene una situación de fuerzas de acción- Galileo Galilei (Newton nació el mismo año en que éste reacción, sino dos acciones iguales sobre el balón. murió), el movimiento y resumió en tres leyes, conocidas como las leyes de Newton, las condiciones generales para que el movimiento se presente. Todas están rela- cionadas con fuerzas, y por ello a la unidad empleada para medirlas, como ya se dijo en la sección anterior, se le denomina –en su honor– newton (que se abrevia como En este caso sí puede N). A pesar de que generalmente se presenta en primer ocurrir la cancelación lugar la primera ley, luego la segunda y finalmente la ter- de fuerzas, si ambas cera, aquí es pertinente usar otro orden. son de la misma magnitud pero no La acción y la reacción corresponden al par acción-reacción. Las fuerzas siempre se presentan en parejas. No hay una fuerza aislada, al menos siempre se presentan dos. A una de estas fuerzas Newton la llamó “acción”, y a la otra, “reacción”. Éstos viejos nombres en honor al científico inglés todavía se respetan, aunque en realidad no tienen un significado físico, más allá de identificar fuerzas diferentes. La tercera ley de Newton indica que a toda acción corresponde una reacción igual en magnitud, pero en sentido contrario y aplicadas a diferentes objetos. Las características de estas fuerzas (acción y reac- ción) son: • Son iguales en magnitud. • Son opuestas en dirección. • Actúan en cuerpos diferentes. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: Al empujar una pared se ejerce una acción sobre ella y • Cuando un boxeador golpea una “pera”, ésta siente una reacción sobre la persona que empuja una fuerza y se mueve, ¿la mano también siente una fuerza? Cuando las primeras personas interesadas en viajar al • Al empujar una pared con los brazos, ¿qué le espacio imaginaban los vehículos que utilizarían, no sucede a tu cuerpo? ¿Por qué? tenían mucha idea de cómo iban a funcionar. • ¿Qué avienta hacia abajo un cohete al elevarse para En la Tierra, los aviones usan hélices o motores de poder conseguirlo? turbina para impulsarse hacia adelante en el aire. Pero en el espacio no hay atmósfera. Sin aire, ¿contra qué va Infla un globo sin amarrar la boquilla, ¿por qué al a empujarse un vehículo que vuela? soltarlo se mueve en una dirección? ¿Existirá algo Por fortuna, hallaron la respuesta en la tercera ley que se mueva en dirección contraria? de Newton. Dentro de un cohete, el combustible que se quema libera grandes cantidades de gases calientes En cualquier interacción, un objeto ejerce una acción que salen empujados por una tobera. con otro. Por ejemplo, al patear un balón sabes que éste se Los gases ejercen una fuerza de igual magnitud acelera y sale disparado. La pero de dirección contraria, aplicada sobre el cohete, patada actúa sobre el balón y que logra elevarlo y acelerarlo. Éste, a su vez, ejerce no hay ninguna otra fuerza una fuerza de reacción (retropropulsión). Para cambiar sobre él que se oponga a la la dirección del cohete una vez en el espacio, se cuen- que ejerce el pie. La fuerza ta con toberas rotatorias que redirigen el chorro de de reacción no actúa sobre el gases y cambian la dirección del cohete. balón, sino sobre el pie, y lo Otro ejemplo lo tenemos en el remo. En este deporte desacelera al patear. No se los atletas aprovechan la tercera ley para impulsarse hacia delante, a medida que introducen los remos en el En este caso no hay cancela- agua y los empujan sincronizadamente hacia atrás. El ción de fuerzas. agua produce una fuerza igual en dirección contraria,
  • 106. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 105que se ve favorecida mediante el uso de una máquina Reflexiona y contesta en tu cuaderno:muy útil: la palanca. • ¿El lanzamiento de una pelota de beisbol es acele- rado? • Y el de una canica que empujamos con suavidad para que ruede libremente sobre un vidrio horizontal, ¿cómo es? La relación de la masa con la fuerza • Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, hace que el cuerpo se acelere. • La aceleración de un objeto depende de la magnitud de la fuerza que actúa sobre él, además de su propia masa. • La aceleración de un objeto es directamente propor- cional a la magnitud de la fuerza que actúa sobre él. • La aceleración de un objeto es inversamente propor- cional a la masa del cuerpo. Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones: • Un caballo y un perro corren a la misma velocidad, ¿cuál se detiene más fácilmente? • ¿Por qué es necesario pedalear una bicicleta más fuerte para empezar a moverla que para mantenerla con movimiento constante? El cohete se impulsa hacia arriba y la canoa hacia delante, gracias a las fuerzas de igual magnitud y sentido contrario • Sal al patio de la escuela con todo el grupo. Corre involucradas y aplicadas sobre diferentes cuerpos. un pequeño tramo, partiendo desde el reposo hasta que alcances la máxima velocidad que seas capaz. Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones: Ahora, colócate en la espalda la mayor cantidad de • ¿Por qué es posible caminar hacia adelante? ¿Qué mochilas que tus compañeros te presten. Corre nue- empujamos hacia atrás para conseguirlo? vamente lo más rápido que puedas. ¿Qué pasa? • Cuando tomas impulso y brincas hacia arriba, ¿Por qué? ¿En cuál de los dos casos aplicaste más ¿existe algo que sea empujado hacia abajo? ¿qué fuerza? ¿Cómo es la aceleración de tu cuerpo en sucedería si el piso fuera una capa de hielo delgada? cada caso?La idea de inercia • Investiguemos la inercia:Newton tomó la idea de Galileo sobre el movimiento recti-líneo uniforme y el movimiento acelerado, utilizando el Necesitasconcepto de inercia, y con ello enunció su primera ley. Se 1 Reglallama inercia a la propiedad de los cuerpos por la cual si 2 cajasNO se les aplica ninguna fuerza, no cambian su movimien- 1 cuerdato. La masa de un cuerpo es una medida de su inercia. Objetos de diferente masa Procedimiento 1. Copia la tabla en tu cuaderno y complétala con los datos obtenidos de tu investigación. Masa y peso de los objetos Distancia Prueba Masa (kg) Altura (cm) desplazada por Los objetos pesan menos en la la caja (cm) Luna que en la Tierra, pero su inercia es la misma, ya que tiene 1 la misma masa. Obviamente el 2 grito que se representa en la caricatura no podríamos oírlo, una 3 vez que en la Luna no hay una 4 atmósfera que permita la transmisión de los sonidos. 5
  • 107. 106 BLOQUE 2. LAS FUERZAS 2. Adapta un péndu- • Incógnita: “a” lo de modo que osci- • Fórmulas que sabemos: le cerca de la super- ficie de una mesa, De la expresión F = ma, se despeja la aceleración, como se muestra en con lo que tenemos: la figura. 3. Haz un nudo al F aϭ final de la cuerda, m para que los objetos de diferente masa • Solución puedan colgarse sin dificultad. F 90 kgm/s2 aϭ ϭ ϭ 180 m/s2 4. Coloca la figura de tal manera que los objetos de m 0.5 kg diferente masa colgados la toquen libremente, como se muestra en la figura. 5. Cuelga los objetos de diferente peso y oscílalos a Verificación de las unidades. La aceleración se obtu- diferentes alturas, para determinar la distancia que vo en m/s2, lo cual es congruente con lo que se pedía ori- mueven la caja. ginalmente. 6. Con la información anterior, haz una gráfica y pre- dice la distancia que se desplazarán los objetos • Comentarios al resultado: (interpolando los valores) y luego verifica si tu predic- ción es correcta. Otra forma de resolver el problema es aplicando la 7. ¿Qué conclusiones puedes obtener de este experi- definición de la unidad “newton” para fuerza: un objeto mento? con masa de 1 kilogramo se acelera 1 metro por segun- do al cuadrado cuando se aplica una fuerza de un new- La descripción y la predicción del movimiento ton. Entonces, un objeto con una masa de 0.5 kg debe mediante las leyes de Newton tener el doble de aceleración por cada newton (unidad La segunda ley de Newton indica la relación que hay de fuerza) aplicado. Como se aplican 900 newtons, la entre la fuerza y la masa de un cuerpo con la aceleración aceleración es de 1 800 m/s2. del mismo, y se expresa en la siguiente ecuación: • ¿Qué fuerza se debe aplicar sobre un carrito de fuerza ϭ masa ϫ aceleración 50 kg para que éste alcance una aceleración de 20 m/s2? o en símbolos: • ¿Cuál es la masa de un objeto que viaja con una aceleración de 30 m/s2 cuando se le aplica una fuer- F ϭ ma za de 5 N? Otra forma de expresar la segunda ley de Newton consiste en sustituir en la ecuación F = ma, la expresión de aceleración que vimos en la sección 2.1 (lo cuál sólo es válido si la fuerza y la masa son constantes), con lo que resulta fuerza ϫ tiempo ϭ masa ϫ cambio en la velocidad Ft ϭ mvf – mvi Un newton es la fuerza necesaria para que un objeto de 1 kg de masa adquiera una aceleración de 1 m/s2. De lo anterior obtenemos que: Para que un objeto de masa fija se detenga en un Veamos el siguiente caso: tiempo muy corto se requiere de una fuerza muy grande. Benito patea un balón de futbol con una fuerza de Para que un objeto de masa fija se detenga en un 90 N. La pelota tiene una masa de 0.5 kg. ¿Con qué tiempo mayor, la fuerza que se requiere es pequeña. aceleración sale disparada la pelota? El peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae hacia sí con una aceleración equivalente a 10 m/s2. • ¿Qué se pregunta? La aceleración de la pelota al ser Por ello el peso se mide en newtons y la masa en kg. pateada. Finalmente, como ya vimos, las fuerzas cambian el • ¿En qué unidades? m/s2 movimiento. Considerando lo anterior, Newton enunció • Datos que tenemos: su primera ley como sigue: si la fuerza total que actúa Fuerza = 90 N sobre un cuerpo es nula, entonces se encuentra en reposo Masa = 0.5 kg o en movimiento rectilíneo uniforme.
  • 108. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 107 • Calcula mentalmente: ¿cuál es tu peso actual en 2. Al despejar el balón en el saque de meta, newtons? Roberto aplicó toda la fuerza posible. El balón • Para cada uno de los casos siguientes, indica dentro de alcanzó una velocidad muy alta ( ), mucha altura y los paréntesis qué ley de Newton explica lo que sucede. después bajó formando una parábola en el aire. 1.Al despertar, el hermano de Benito se apoyó con sus Golpeó el piso con mucha fuerza ( ) y rebotó como brazos de la cama para levantarse ( ). Se puso de pie unos 3 m de altura. El defensa contrario cabeceó y caminó ( ) hasta la cocina para prepararse un café. para alejar la pelota de su portería ( ), pero no le Tomó un baño como de costumbre, se vistió y montó pegó bien, lo hizo con la nariz ( ), lo que le causó en el automóvil. Aceleró poco a poco ( ) para que el una pequeña hemorragia. Los paramédicos entraron vehículo se calentara perfectamente y viró a la derecha de inmediato al campo siguiendo un camino recto ( ) en la primera esquina. Avanzó unas 20 cuadras en desde la banca hasta donde el jugador se retorcía línea recta sin acelerarse ( ), hasta que un semáforo en de dolor, a la mayor velocidad posible, mantenien- rojo le indicó que tenía que detenerse ( ). do el mismo trote ( ).Conexiones con tecnología y sociedadLa inercia: desacelerar un cuerpo en movimientoAsí como los objetos en reposo se resisten al movimiento, losobjetos que se mueven se resisten a detenerse o a incrementarsu velocidad. Desacelerar un objeto de masa grande es mucho más difícilque desacelerar uno de masa pequeña. Si una persona viaja enun coche que choca contra una pared, él o ella también choca-rán con la misma velocidad a la que se movía el coche, es decir,con la misma rapidez y dirección –que apunta directamente alparabrisas–, a no ser que estén bien resguardados por el cintu- Es fácil parar una mosca.rón de seguridad o una bolsa de aire. También la inercia tieneque ver con la forma en que los perros se secan cuando se handado un chapuzón: si no hay una fuerza que mantenga lasgotas de agua en la piel del animal, éstas volarán hacia fuera amedida que se sacude. De forma similar, la inercia explica porqué duele la punta del pie al patear una pelota de futbol quellega muy rápido. Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones: • La resistencia del aire, ¿aumenta o disminuye la acelera- Es mucho más difícil parar un toro. ción de un objeto que cae? • Un jugador de futbol que recibe con el pecho un pase elevado que viene cayendo de una gran altura, ¿cómo debería mover el cuerpo para sentir con menor intensidad el impacto del balón? ¿Y si lo recibe con el muslo, haría lo mismo? ¿Por qué? Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras, explica qué entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: aceleración, fricción, pre- sión, área, desaceleración, estática, dinámica.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferen- tes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta el más adecuado para tu curso.
  • 109. 108 BLOQUE 2. LAS FUERZAS 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros lo que se dice en la conversación de la página 102. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 ¿Qué fuerza se debe ejercer en la tobera para que se eleve un cohete de 30 000 kg y alcance una aceleración de 1.5 m/s2? • ¿Qué se pregunta? La fuerza en la tobera • ¿En qué unidades? En newtons 2.3 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Fuerzas se fundamentan en las leyes de Newton que son Principio de proporcionalidad entre las fuerzas y las aceleraciones Principio Principio de la acción de inercia y la reacción Ecuación fundamental de la dinámica F ϭ ma 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Describir y realizar mediciones de la fuerza que actúa sobre un cuerpo informando el resultado con unidades de medida de la fuerza (Newton). Identificar que en el movimiento se tiene una fuerza únicamente cuando hay una aceleración. Establecer la relación entre la masa y la aceleración cuando una fuerza es aplicada. Reconocer que las fuerzas siempre se presentan en pares y que actúan en objetos diferentes. Relacionar las leyes de Newton e identificarlas como un conjunto de reglas formuladas para interpretar y predecir los efectos de las fuerzas. Aplicar las leyes de Newton en situaciones diversas con el fin de describir los cambios de movi- miento en función de la acción de las fuerzas. Valorar la importancia de la aportación de Newton para el desarrollo de la ciencia.
  • 110. Una explicación del cambio: la idea de fuerza TEMA 22.3 Del movimiento de los objetos en laTierra al movimiento de los planetas.La aportación de Newton Sí, eso dijo el Sí, pero como está Me gusta ver la Luna llena… maestro de física… muy lejos su fuerza ¡es tan romántico! pero no le entiendo, de atracción ¿a poco la Luna de gravitacional es veras nos atrae? Yo muy, pero muy, no siento nada. pero muy pequeña. Pues sí, y también físico. ¿Te acuerdas de que la Luna también nos atrae? Efectivamente, como Y por eso no la sentimos. tampoco sentimos la Entonces, como la Tierra es atracción de Júpiter o más grande que la Luna y Saturno, que aunque estamos más cerca de ella,mucho más grandes que sentimos su atracción, perola Tierra están lejísimos. no la de la Luna, que es más pequeña y está más lejos. ¿Te digo algo ¿Qué? sobre la atracción?Así es, pero los océanos sí la Pues que cada día me estásperciben y de allí las mareas. atrayendo más y más. ¿Tiene razón Roberto cuando dice que sí hay fuerzas entre los planetas? ¿Cómo lo sabes? ¿Marte es más grande que la Tierra? ¿Los planetas también ejercen fuerza de atracción sobre el aire? ¿Por qué si este último es más ligero que el agua no sale disparado al espacio exterior con el movimiento de rotación de la Tierra? En esta sección estudiaremos: • El estudio de los astros en distintas culturas. La evolución de las ideas sobre el Sistema Solar a lo largo de la historia. • La gravitación como fuerza; la ley de Newton. • La relación de la gravitación con la caída libre y el peso de los objetos. 109
  • 111. 110 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Predigo-Observo-Explico Sobre la fuerza centrípeta Con mis compañeros y mi profesor Necesitas 4. Coloca las cuatro copas con agua o con alguna • 4 copas bebida coloreada hasta 3/4 partes de su volu- • Una charola de plástico (o de cartón rígido) cua- men total. drada • Cuerda 5. Empieza a girar la charola. Procedimiento Predicción 1. Haz un hoyo en cada esquina de la charola. • Al incrementar el giro de la charola, ¿se caerá el líquido de las copas? 2. Amarra, según se ve en la figura, cuatro pedazos • Justifica la predicción. de cuerda en la charola. Observación 3. Amarra las cuatro cuerdas a una sola, cuidando Realiza el experimento girando la charola; ten cuida- que su longitud sea de al menos un metro. do de mantener siempre la tensión adecuada en la cuerda. Explicación Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción. Comparte tu resultado con el resto de tus compañeros y tu profesor. También comenten acerca de lo que perciben en la mano que sostiene la cuerda a medida que incrementan el giro en la charola. ¿Es necesario cambiar de posición la mano al desarrollar este experimento? ¿Por qué? Conexiones con tecnología y sociedad Los movimientos de los planetas Los planetas giran alrededor del Sol en trayectorias denominadas órbitas. Todos los planetas giran sobre su eje en sentido contrario a las agujas del reloj, si se observan por sobre el polo norte de la Tierra, excepto Venus y Urano, que lo hacen en sentido opuesto. La mayoría tiene uno o más saté- lites girando a su alrededor. Las órbitas de los planetas son elípticas, con el Sol en uno de los focos. En el movimiento de los planetas alrededor del Sol distinguimos dos posiciones extremas, llamadas perihelio, cuando está más cerca de éste, y afelio, cuando está más lejos. Investiga en libros, revistas o páginas de Internet, lo siguiente. No olvides citar qué fue lo que consultaste. • ¿A qué distancia se encuentra el perihelio de la Tierra?
  • 112. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 111 • ¿A qué distancia se encuentra el afelio de la Tierra? • ¿Cómo nos enteramos de la existencia de los planetas más lejanos como Urano y Neptuno? • ¿Cuántos satélites posee la Tierra? ¿Y Marte? ¿Y Saturno y Júpiter? • ¿Cuándo una elipse se convierte en círculo? El astrónomo polaco Johannes Kepler estudió con mucho cuidado el movimiento de los planetasy enunció tres leyes, que llevan su nombre y que luego fueron el fundamento sobre el cual IsaacNewton construyó su ley de gravitación universal. Nuestro planeta, aparentemente tan tranquilo, tiene varios movi-mientos a velocidades inimaginables comparados con velocidades denuestra vida cotidiana. Rota alrededor de su eje, en el Ecuador a unavelocidad de 1 600 km/h. Gracias a este movimiento existen el día yla noche. La Tierra también gira con la Luna alrededor del Sol a unavelocidad promedio de 106 000 km/h. Junto con el Sistema Solar, semueven a 72 360 km/h hacia la constelación de Hércules. El movimiento que realiza la Tierra alrededor del Sol se conocecomo movimiento de traslación, que tarda 365 días, 5 horas, 48minutos y 46 segundos, o lo que comúnmente llamamos año. Unefecto de la traslación terrestre es el cambio del aspecto del cielonocturno, pues las estrellas que observamos durante el mes deabril son distintas a las que vemos en octubre. Así, las constelacio-nes que se observan son un reflejo de la época del año en la que nosencontramos. Por otro lado, debido a la inclinación, se da la suce-sión de las estaciones del año. Los ejes de rotación de los planetastienen distintas inclinaciones con respecto al plano de su órbita, Johannes Keplerentre más inclinados están los ejes, las estaciones serán más nota-bles. La inclinación también explica por qué cuando en el hemisfe-rio norte es invierno, en el sur es verano y viceversa. En la figura, en la posición 1, el hemisferio norte está ligeramente más alejado del Sol; hay invier-no en el norte y verano en el sur. Por otro lado, en la posición 3, el hemisferio norte está inclinadohacia el Sol y se manifiesta el verano, mientras que en el sur es invierno. En Urano, donde las esta-ciones son muy extremas, hay épocas en que el polo norte está apuntando directamente al Sol, demanera que los rayos solares inciden directamente sobre él, mientras al polo sur no le llega luz.Cuando Urano está en la posición opuesta a su órbita, toda la luz llega al polo sur y el polo nortepermanece en oscuridad total. N Equinoccio 21 de marzo Primavera en Norte, 2 Otoño en el Sur N Solsticio 21 de diciembre N Invierno en Norte, 3 Sol Verano en el Sur 1 Solsticio 21 de junio Verano en Norte, Perihelio Invierno en el Sur Afelio Equinoccio 21 de septiembre Otoño en Norte, N Primavera en el SurRepresentación “exagerada” del movimiento de rotación 4de la Tierra alrededor del Sol.
  • 113. 112 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Investiga las respuestas. Discute con tus compañeros y no olvides citar las referencias que consultaste. • ¿A qué velocidad gira la Luna alrededor del Sol? • ¿Cuál de todos los planetas gira a mayor velocidad alrededor del Sol? • Si en México es verano, ¿en Argentina es...? • Si en España es otoño, ¿en Panamá es...? • Si en Chile es primavera, ¿en Egipto es...? • ¿Por qué el día se divide en 24 horas? La siguiente tabla contiene información relevante sobre los planetas que integran el Sistema Solar (aunque recientemente se han descubierto otros objetos, hay una intensa discusión entre los astrónomos sobre si son o no planetas). Haz dos gráficas para todos los planetas: una de la dis- tancia contra la temperatura (en grados Kelvin, véase página 205) y la otra de diámetro contra gravedad. ¿Qué conclusiones puedes obtener de ambas gráficas? Distancia Gravedad al Sol Temperatura en la Periodo de Número Planetas (millones Diámetro Densidad promedio Masa superficie traslación de satélites de km) (Tierra = 1) (kg/m3) °C K (Tierra = 1) (N/kg) (en años) conocidos Mercurio 58 0,4 5500 ϩ430 793 0,1 4 0,2 0 Venus 108 0,95 5200 ϩ470 743 0,8 9 0,6 0 Tierra 150 1,0 5500 ϩ15 255 1,0 10 1,0 1 Marte 228 0,5 4000 Ϫ30 243 0,1 4 1,9 2 Júpiter 778 11 1300 Ϫ150 123 320 26 12 16 Saturno 1 427 9 700 Ϫ180 93 95 11 30 20 Urano 2 870 4 1300 Ϫ210 83 15 11 84 15 Neptuno 4 497 4 1700 Ϫ220 53 17 12 165 8 Nota: el 24 de agosto de 2006, la Unión Astronómica Internacional decidió que Plutón no sería considerado como planeta. El estudio de los astros en distintas culturas. La los cuales aparecieron hace aproximadamente 120 000 evolución de las ideas sobre el Sistema Solar a lo años. Mucho tiempo después, hace 40 000 años, estos largo de la historia individuos construyeron herramientas e inventaron Hace unos seis millones de años en África, lugar en que cuerdas y con ellas redes, con lo que su capacidad de los científicos han encontrado los restos humanos más capturar animales se incrementó. Luego, y gracias a la antiguos del planeta, se inicia la historia de las socieda- recolección de plantas que realizaban las mujeres, des- des humanas. Con el vello más corto que sus parientes cubrieron o inventaron la agricultura. Con ello, hace primates y con la posibilidad de caminar erguidos, nues- aproximadamente 10 000 años se pasó de sociedades tros ancestros vivían en cuevas, construían herramientas nómadas a sociedades sedentarias, aparecieron los pue- rudimentarias y armas para cazar pequeños animales blos y las ciudades. Allí, mirando el cielo, identificaron con los cuales alimentarse, y miraban el inmenso y oscu- la secuencia de las fases de la Luna y algunas estrellas, ro cielo nocturno, lleno de pequeños puntos blancos. en lo que hoy reconocemos como las constelaciones del Permanecieron en África por más de un millón de años zodiaco. Los restos de ropa y joyas encontrados junto a y después empezaron a caminar y a recorrer práctica- esqueletos cuidadosamente enterrados, indican una mente todo el planeta. nueva preocupación social que no compartían, hasta Los arqueólogos señalan que los seres humanos donde sabemos, las otras sociedades animales: la con- actuales descendemos de los primeros Homo sapiens ciencia de la muerte. Representaron el mundo median- –expresión que significa “hombre capaz de aprender”–, te pinturas, construyeron instrumentos musicales y
  • 114. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 113desarrollaron un lenguaje para comunicarse. De esta Responde en tu cuaderno las siguientes preguntasmanera, la cultura, que no es otra cosa sino la forma en consultando libros, revistas o páginas de Internet.la que viven y se relacionan entre sí los integrantes de Cita las fuentes donde encontraste tus respuestas.una determinada sociedad, se construyó con el inter- • ¿Qué entiendes por cultura?cambio de objetos y de personas, con el lenguaje y con • ¿Qué significado le daban los mayas al planetalos mitos, muchos de éstos sobre los dioses que, según Venus?muchas y diversas culturas, habitaban en los cielos. Las • Según los aztecas, ¿por qué sucedían los eclipsesformas adjudicadas a los conjuntos de estrellas fueron de Sol?interpretadas de forma diferente en el antiguo mundo • ¿Dónde nacieron el Sol y la Luna según la mitolo-(Mesopotamia, Egipto y Grecia) y en el nuevo gía azteca? ¿Qué nos dice la historia de esa leyenda?(Mesoamérica). Para los primeros, las constelaciones • ¿Quiénes inventaron los signos del zodiaco?relatan la vida de los dioses y sirven para transmitir su • ¿Cuál era el astro más importante para los egipcios?mitología a los habitantes. Para los segundos, son un • ¿Qué forma tenía la Tierra para los egipcios?medio de comunicación entre los dioses y las socieda- • El calendario chino antiguo, ¿en qué astro estabades humanas. Los observatorios y las tumbas de los basado?reyes principales fueron orientados de acuerdo con las • ¿Quién fue la primera persona (de la cultura griegaconstelaciones. antigua) en suponer que la Tierra era redonda? • ¿Quién propuso por primera vez que era la Tierra la que giraba alrededor del Sol y no al revés? ¿En qué época lo hizo? La gravitación como fuerza; la ley de Newton. La relación de la gravitación con la caída libre y el peso de los objetos Casi todos los objetos caen. Tenemos evidencias, día tras día, de que eso sucede. A pesar de que eso se sabe desde los albores de la humanidad, no fue sino hasta que Isaac Newton lo estudió, hace más de 300 años, cuando entendimos la razón. Como ya sabes, la cienciaPalenque, Chiapas. es causal, es decir, que busca las causas por las cuales suceden las cosas. Aquí veremos las causas de que se caigan los objetos, pero también de por qué la Luna gira alrededor de la Tierra, y esta alrededor del Sol. Para efectos de su estabilidad ante una caída, todos los cuerpos rígidos se comportan como si la totalidad de su masa estuviera concentrada en un solo punto llama- do centro de masa, o centro de gravedad. Un objeto es estable si su centro de masa es bajo o si tiene una base ancha, como es el caso de este libro cuando lo colocas cerrado, con la portada sobre la mesa.La pirámide del Sol, en Teotihuacan.Jaipur, en India.Tumbas y observatorios a lo largo de todo el planeta indican laenorme preocupación que en todas las culturas se le dio alentendimiento del cielo. Newton explicó correctamente la caída de los cuerpos.
  • 115. 114 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Todos los cuerpos, por el hecho de tener masa, ejer- • ¿Por qué todas las estrellas y demás cuerpos de cen sobre los otros cuerpos una fuerza de atracción, lla- nuestra galaxia, llamada Vía Láctea, permanecen mada fuerza gravitacional. Cuanto mayor es la masa de juntas? los objetos, mayor es la fuerza de atracción gravitacional • ¿Qué le sucede a muchos meteoritos que pasan que se manifiesta entre ellos. Cuanto mayor es la distan- cerca de la Tierra? cia que separa a los objetos, menor es la fuerza de atrac- • Si se me cae una moneda de la mano, ¿qué le ción gravitacional que se manifiesta entre ellos. Sin pasa? embargo, por muy grande que sea la distancia entre dos • ¿Quién (o qué) provoca que todos los cuerpos objetos, siempre se manifestará entre ellos una fuerza de pesen? atracción. A esto se le conoce como la ley de la gravita- ción universal. La ecuación de la ley de la gravitación universal es: Fuerza de atracción ϭ constante gravitacional por el producto de las masas entre la distancia que las separa, elevada al cuadrado m1m2 o en símbolos: F ϭ G r2 G es un valor constante determinado experimental- mente y equivale a 6.67 ϫ 10–11 Nm2/kg2; m1 y m2 son las masas de los objetos que se atraen y r es la distan- cia que separa sus centros de masa. El centro de masa o de gravedad de un cuerpo rígido es el punto Gráfica de fuerza de gravedad contra la distancia en que se puede equilibrar al cuerpo con una sola fuerza. Nota que si el tenedor se intenta sostener por otro lugar, irremediable- mente se caerá. a) b) La gráfica simplificada de fuerza contra distancia nos indica cómo varía una con respecto a la otra de acuerdo con la Ley de Gravitación Universal. Supongamos una manzana que pesa 1 N y se encuentra en la superficie de la Tierra (eso es lo que se indi- ca con la letra d en el eje x, es decir una distancia equivalente al radio de la Tierra). Cuando la distancia es 2d, la fuerza dismi- nuye a 0.25 N (1/4 N) y a 3d 0.11 N (1/9 N). Como podrás observar, la fuerza cambia mucho con pequeños incrementos a) Equilibrio estable. b) Equilibrio inestable. de la distancia, porque en la ecuación esta última está elevada al cuadrado. Contesta en tu cuaderno las siguientes preguntas; indica qué libro, revista o página de Internet consul- Realiza una gráfica donde vayas aumentando la dis- taste para investigar las respuestas. tancia entre dos cuerpos que permanezcan con la • ¿Por qué crees que todos los planetas, planetas misma masa; por ejemplo, la Luna y la Tierra para menores, asteroides y demás cuerpos del Sistema saber cómo cambia la fuerza entre ellos. Es decir, Solar permanecen “compactados”? haz una gráfica de distancia contra fuerza. • ¿Por qué no se “escapa” la Luna de la Tierra? ¿Qué forma tiene esta gráfica?
  • 116. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 115 El peso de un objeto es la magnitud de la fuerza de Ejemplo: Alicia y Roberto decidieron calcular la fuer-atracción gravitacional que se ejerce sobre él. El peso, za de la atracción entre ellos. De acuerdo con la leycomo es una fuerza, se mide en newtons (N), y depende de la gravitación universal, estas personas se atraende dónde se encuentre el objeto. El peso de un objeto con cierta fuerza (F), que depende de sus masas yvaría en diferentes lugares de la Tierra y, desde luego, es del cuadrado de la distancia que separa sus centrosdiferente en la Luna. En la superficie de la Tierra, la de masa. ¿Cuál es esta fuerza de atracción entrefuerza de atracción gravitacional es aproximadamente Alicia y Roberto, si suponemos que sus centros de10 N para una masa de 1 kg. En la Luna, la fuerza de masa se encuentran a 10 metros de distancia y suatracción gravitacional es aproximadamente 1.6 N, por masa es, respectivamente, de 50 y 56 kg?lo que una masa de un kilogramo pesa allí sólo 1.6 N. Adiferencia del peso, la masa de un objeto no cambia en Respuestaningún lugar. • ¿Qué se pregunta? La fuerza con que se atraen Alicia y Roberto a cierta distancia. • ¿En qué unidades? En newtons. Masa = 80 kg Masa = 80 kg Masa = 80 kg • Datos que tenemos: Distancia entre los dos: 10 metros Masa de Alicia: 50 kg Masa de Roberto: 56 kg • Incógnita: F de atracción • Fórmulas que conocemos: m1m2 FϭG r2 Peso ≈ 0 N Peso = 800 N Peso = 133 N (microgravidez) G = 6.67 ϫ 10Ϫ11 Nm2/kg2 Tierra Luna Espacio • Solución:Gravedad en la Tierra, en la Luna y en el espacio exterior. Las fuerzas de atracción gravitacional son universa- FϭGles, están presentes en todos los cuerpos del Universo,pues todos tienen masa. Otra característica es queestas fuerzas no se aprecien en la vida cotidiana, dado 50(56) kg2 ϭ 6.67 ϫ 10Ϫ11 Nm2/kg2el valor tan pequeño de la constante G. Por tanto, para 100 m2que las fuerzas gravitacionales se puedan apreciar, serequiere de cuerpos de masas enormes, como las de losplanetas. ϭ 187 ϫ 10Ϫ11 N Responde en tu cuaderno las siguientes preguntas respecto al párrafo que acabas de leer. • Verificación de unidades: esperábamos un resul- • ¿Cómo se sabía, antes de viajar allí, que la fuerza tado en newtons, por lo que es congruente con lo de la gravedad en la Luna era menor que la de la obtenido en el procedimiento. Tierra? • Si Alicia quisiera establecer una relación directa • ¿Qué masa tiene un cuerpo en la Tierra si en la entre la magnitud de esta fuerza y la simpatía Luna tiene una masa de 14 kg? entre ella y Benito, ¿qué podría concluir? • ¿Cuánto pesa este cuerpo en la Tierra? • ¿Por qué no se empleó el peso de Alicia y Roberto • ¿Y en la Luna? en lugar de sus masas? • ¿Qué masa tendrá este mismo cuerpo cerca de la superficie de Júpiter? El estudio de la fuerza de gravedad se inició porque • Un cuerpo pesa en la Tierra 100 N. ¿Cuánto pesa- se intentaba explicar la causa del movimiento de los rá en la Luna? astros o el de la Luna alrededor de la Tierra. Para enten- • ¿Cuánto pesará a mitad del espacio exterior, lejos der este tipo de movimiento es preciso incorporar un de cualquier cuerpo? nuevo concepto.
  • 117. 116 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Si en un extremo de una cuerda se ata un objeto fuerza, el objeto saldría volando en línea recta en la mientras que el otro se sostiene para hacerlo girar, el dirección en que viajaba cuando la fuerza dejó de objeto se puede mover circularmente sólo si hay una actuar sobre él. A esta fuerza se le conoce como fuer- fuerza que lo jale hacia el centro del círculo. Sin esa za centrípeta. a) b) T a) La tensión T en la cuerda provoca que la piedra siga una circunferencia. b) Si la cuerda se rompe, la piedra sale disparada en un movimiento tangente a la circunferencia. Conexiones con tecnología y sociedad El origen del Universo y de nuestro sistema solar Los científicos han logrado acumular suficiente cantidad de evi- dencias para suponer que el Universo, tal como hoy lo conocemos, se formó, de una gran explosión, hace aproximadamente 13 700 millones de años. En ese momento, toda materia increíblemente caliente ocupaba un volumen extraordinariamente pequeño. Con la Gran Explosión, el Universo comenzó a expandirse y a enfriarse. Al hacerlo, la materia empezó a reunirse en nubes de gases y polvo que se condensaron y rotaron, formando los ancestros de las gala- xias. Las galaxias, como la Vía Láctea –donde se localiza nuestro Sol, una de las cien millones de estrellas que la integran–, se for- maron 5 000 millones de años después de la Gran Explosión, y la nuestra es una de las miles de galaxias que existen en el Universo. Imagen que representa al Sol con un Como ya vimos, debido a que poseen masa, los cuerpos tienen la remolino de polvo, hace 5 000 millones propiedad de atraerse mutuamente. Las estrellas nacen cuando de años.
  • 118. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 117una nube de gases se compacta por efecto de la gravedad. Enalgunas nubes había suficiente materia para que la fuerza degravedad hiciera que la nube se colapsara. Cuando eso sucedía,se iniciaba una serie de reacciones nucleares y ¡nacía una estre-lla! Hace unos 4 500 millones de años, alrededor de nuestro Solse agregó, poco a poco, polvo que se colapsó en ocho grandescuerpos celestes (Plutón, por votación, ha dejado de ser planeta,porque muy probablemente no tuvo el mismo origen que losdemás). Los pequeños planetas rocosos quedaron cercanos alSol, incluyendo la Tierra, y los enormes planetas gaseosos, aleja-dos de él. Agregación de polvo. Formación de la Tierra. La Tierra, con diferentes capas y con Corte que muesta la Tierra hace 4 900 millones atmósfera, hace 3 500 millones de años. de años. El hierro se funde y cae al centro. Actividades1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras explica qué entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: masa, peso, fuerza, universo, planeta, gravitación, eclipse, ley.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál es el más adecua- do para tu curso.
  • 119. 118 BLOQUE 2. LAS FUERZAS 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros lo que se dice en la conversación de la página 109. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, e incorporen las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 Modelo a escala del Sistema Solar. Procedimiento 1 Coloca tu Tierra a una distancia de 12 m del Sol. De la tabla de la página anterior calcula cuál será la dis- tancia, en metros, entre cada uno de los planetas y el Sol (por ejemplo, Júpiter se encontrará a 60 m, por lo que para esta actividad necesitarás acceder a un terreno muy grande, por el cual no circule ninguna clase de vehículos y mayor que una cancha de futbol). Necesitas • Para el Sol, utiliza una toronja o un disco de cartón de 11 cm de diámetro. • Para la Tierra, una bolita de plastilina de 1 mm de diámetro. • Emplea los datos de la tabla de la página anterior para construir a escala los otros planetas (por ejemplo, Júpiter es 11 veces el diámetro de la Tierra, es decir, una bolita de 11 mm). • ¿A qué distancia quedó Neptuno? • ¿Cuáles son los límites del modelo, es decir, qué es aquello que no representa? • ¿Qué otros objetos celestes hay en el Sistema Solar que no están representados en el modelo? Fracción del Sol Composición fotográfica que muestra un fragmento del Sol y los planetas a escala. 2.3 En el resumen esquemático que aparece al final de esta sección se relacionan las fuerzas eléctricas con las gra- vitacionales. Investiga en qué consiste esa relación. 2.4 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.
  • 120. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 1193 Resumen esquemáticoEl siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus com-pañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Fuerzas representan interacciones entre los cuerpos como la interacción la interacción eléctrica, que gravitacional, depende de las que depende cargas eléctricas de las masas representada por representada por la ley de la Gravitación la ley de Coulomb Universal de Newton q1q2 m1m2 F=K F=G r2 r24 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Valorar la importancia de la astronomía para algunos pueblos, desde la antigüedad hasta nuestros días, e identificar el cambio en las ideas acerca del movimiento de los astros. Analizar la relación entre la acción de la gravitación con el movimiento de los cuerpos del Sistema Solar. Identificar la similitud de las leyes que rigen el movimiento de los astros y de los objetos en la Tierra. Describir la relación entre distancia y fuerza de atracción gravitacional y a representarla por medio de una gráfica fuerza-distancia. Establecer las relaciones de la gravitación con la caída libre y con el peso de los objetos.
  • 121. La energía: una idea fructífera y alternativa a la fuerzaTEMA3 3.1 La energía y la descripción de las transformaciones Desde luego, ya ves Energético, lleno de Benito, ayúdame a ¿Muy qué? energía, fuerza e que soy muy cargar esta silla. inteligencia. energético. ¡Aquí está! ¿Dónde? Pues no sé de dónde, lo que acabas de decir ¿A poco? Dime está lleno de cuáles. errores. La fuerza no tiene que ver con la energía; la energía no llena nada y, bueno, respecto a la inteligencia… ¡No sé dónde está! ¿La fuerza de una persona está relacionada con la energía? ¿Una persona que se halla en reposo absoluto, ¿tiene energía? ¿Y un objeto que está enterrado a 1 m de profundidad? ¿Por qué? En esta sección estudiaremos: • Experiencias relacionadas con diversas formas de la energía. • La idea de “energía” en la vida cotidiana.120
  • 122. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 121 Predigo-Observo-Explico Equivalente mecánico del calor Con mis compañeros y mi profesor Necesitas 2. Estima la temperatura de la arena dentro de la • Una botella con tapa botella. • Arena • Reloj con segundero Predicción • ¿La temperatura de la botella y de la arena cambia- Procedimiento rá si se las agita? 1. Llena la botella con dos terceras partes de arena • Justifica la predicción. y tápala. Observación 1. Agita la botella durante 10 minutos, aproximada- mente. 2. Toca la botella y la arena. Explicación Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. De acuerdo con tu percepción, para agitar el frasco ¿empleaste energía? ¿Por qué?Experiencias relacionadas con diversasformas de la energíaEl impacto de una piedra rompe el vidrio de una venta-na y causa un ruido estruendoso. La luz del Sol hace quelas plantas verdes crezcan y produzcan alimentos, y quetu piel se oscurezca y se caliente. El calor cocina lacomida, evapora el agua o prende el papel y la madera.Un rayo puede cortar un árbol, matar una vaca o quemarun aparato eléctrico. Algunas manifestaciones de la energía. En el párrafo anterior se mencionan ejemplos de manifestaciones de la energía. La energía, como el amor, es fácil de reconocer y difícil de caracterizar y definir. Por lo pronto, sólo diremos que la energía es aquello que transforma la materia de alguna u otra manera. Es la causa del cambio y, como vimos al principio del bloque,
  • 123. 122 BLOQUE 2. LAS FUERZAS la ciencia es causal. Es decir, cada cosa, cada fenóme- se produce electricidad, indispensable para prender los no, cada respuesta a una pregunta es el resultado de focos de tu casa. causas que pueden descubriese. La energía es parte de las respuestas. Responde las siguientes preguntas respecto a los tipos de energía que existen. Cita las fuentes como en los casos anteriores. • ¿Qué nombre recibe la energía que proviene del Sol? • ¿Qué es la energía eólica? • ¿Cómo se le llama a la energía que se obtiene de los átomos? • ¿Cómo se llama el tipo de energía más utilizado en tu hogar? • ¿El sonido es una forma de energía? • ¿Los temblores son un tipo de energía? ¿De qué tipo? Transformación de la energía. Indica qué cambios de energía hay en los siguientes objetos: Ejemplo: En una fogata la energía química se con- vierte en calor, luz y sonido, es decir, en fuego, que es energía térmica, energía luminosa y energía acús- tica. Contesta en tu cuaderno lo siguiente: 1. Una bomba nuclear convierte energía a energía 2. Un cuerpo humano convierte energía a energía 3. Un micrófono convierte energía a energía 4. Un juego convierte energía a energía 5. Una resortera convierte energía a energía 6. Un foco convierte energía a energía 7. Una estufa eléctrica convierte energía a energía 8. La caída de una cubeta convierte energía a energía 9. Un televisor convierte energía a ener- gía Algunas manifestaciones de la energía. 10. Un motor de auto convierte energía Es posible convertir una forma de energía en otra: el a energía petróleo se puede quemar para producir calor; con éste se puede hervir agua, que así se convierte en vapor. Con 11. Una campana convierte energía a este último se puede mover una turbina mediante la que energía
  • 124. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 123La idea de “energía” en la vida cotidiana Lo primero que debe resaltarse es que muchas má-A pesar de que la energía puede convertirse de una a quinas complicadas son sólo la suma de unas pocasotra, nunca puede crearse ni destruirse. Este hecho es máquinas simples, y ésas son las que aquí estudiare-una ley, resultado de la prueba de una hipótesis, realiza- mos. Sin embargo aquí, como en otros temas de la físi-da durante muchos años en innumerables ocasiones por ca, lo evidente resulta engañoso.científicos de diversos países. Esta ley, conocida como Acerca de las máquinas hay dos ideas principalesla ley de la conservación de la energía, es muy importan- que deben entenderse bien:te y se enuncia de esta manera: 1. Las máquinas cambian energía de un tipo en otro.• La energía no puede crearse ni destruirse, sólo se Por tanto, son un ejemplo del principio de conserva- transforma. ción de la energía.• La unidad para medir la energía en el Sistema 2. Una máquina cambia la magnitud o la dirección de Internacional de Unidades es el joule (J). la fuerza que se le aplica. Así, una máquina pue- de cambiar una fuerza pequeña en otra grande o viceversa. Estas dos ideas indican la diferencia entre fuerza y energía. Como ya vimos antes, ejercemos una fuerza cuando empujamos o jalamos un objeto, también cuan- do lo doblamos o lo rasgamos y, desde luego, cuando lo levantamos. De igual forma, sabemos que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. La energía intercambiada es el trabajo y éste a su El derretimiento de 1 gramo de hielo vez es el producto de la fuerza por la distancia (Fd), el requiere de 335 joules de energía. cual es fundamental para entender las máquinas. A un portapuros o un tubo de ensayo ponle agua hasta la mitad. Utilizarás como tapa un pedazo de zanahoria, la propia tapa que traiga el portapuros o una de hule del número 1. A esta tapa le deberás hacer un pequeño orificio en el centro. Coloca el por- tapuros o tubo de ensayo de forma horizontal sobre 100 g un par de soportes metálicos, que a su vez estarán sobre un pedazo de madera. Has hecho un barquito. Para que tu barquito se mueva en el agua, coloca debajo del portapuros o tubo una vela encendida, que calentará el agua y el vapor escapará por el pequeño orificio de la tapa. • ¿Qué tipos de energías observas en todo el procesoUn foco de 60 watts encendido por del movimiento del barquito?5 minutos consume 18 000 joules • ¿Qué energías se transforman? de energía. La palabra trabajo es bien conocida por todos. Sin 1m embargo, en física ésa, al igual que otras palabras que ya has aprendido a emplear correctamente (por ejemplo fuerza), tiene un significado bien definido y diferente del que aceptamos comúnmente. Un joule es aproximadamente la cantidad de energía perdida por Se hace un trabajo cuando como efecto de una fuer- la caída de 100 gramos de masa za se mueve un objeto. desde 1 metro. La cantidad de trabajo se calcula empleando la siguiente ecuación:Cantidad de energía involucrada en actividades comunes. Trabajo ϭ fuerza ϫ distancia Todos conocemos diferentes máquinas: desde hace T ϭ Fdmiles de años estamos rodeados de ellas. Las máquinashan sido uno de los inventos que más problemas han Es importante resaltar que la distancia debe medirseresuelto a la humanidad. en la misma dirección en la que se aplica la fuerza.
  • 125. 124 BLOQUE 2. LAS FUERZAS La unidad del trabajo es Nm y recibe el nombre de Procedimiento joule (J). Un joule es la cantidad de trabajo hecho por la 1. El dispositivo se monta atando el hilo al libro y fuerza de un newton para mover un objeto un metro de uniendo el dinamómetro al hilo, como se ve en la distancia. figura. La unidad de trabajo es igual a la unidad de energía. 2. El libro se levanta, procurando hacerlo con veloci- Esto implica que pueden ser intercambiables. Otra defi- dad constante, a las distancias de 20, 40 y 60 cm nición de trabajo es la que nos indica la cantidad de sobre la mesa (0.2, 0.4 y 0.6 m, respectivamente). energía intercambiada de una forma a otra, o sea, que Esto se hace con ayuda de la regla o cinta métrica. energía es la capacidad de hacer un trabajo. Trabajo realizado = energía intercambiada Por todo lo anterior: En una máquina NO SE CREA ENERGÍA, SE CAMBIA UNA FUERZA, conservando la energía y el trabajo. Responde en tu cuaderno las siguientes preguntas respecto al texto anterior: • Si empujo un refrigerador con toda “la fuerza” que me es posible, pero éste no se mueve, ¿qué tanto tra- bajo realicé? • Si cargo una cubeta con agua y la dejo inmóvil sos- El dinamómetro se usa para medir fuerza. tenida sobre mi brazo un buen rato, ¿qué tanto traba- jo estoy realizando? Necesitas • En qué caso hago más trabajo: cuando ejerzo una • 1 trozo de hilo cáñamo de 70 cm fuerza de 100 N a un cuerpo que desplazo 5 m, o • 1 dinamómetro cuando ejerzo una fuerza de 50 N a un cuerpo que • 1 libro mediano de pasta dura desplazo 200 m. • 1 regla o cinta métrica • ¿Cuál es la relación, si la hay, entre la energía y la fuerza? Resultados • ¿Qué diferencia hay entre el concepto de energía en Los datos que se obtuvieron en este experimento fue- física y el que se usa en la vida cotidiana? ron los siguientes: • ¿Qué le dirías (como alumno de física) a una caje- ra de tienda (que generalmente no se mueve de su Fuerza (N) Distancia (m) Trabajo (J) lugar a lo largo de su jornada) si te dijera: “¡Hoy tra- bajé mucho!”? 5 0.2 • Menciona tres casos en donde el término trabajo se 10 0.4 emplee de manera distinta que en física. 15 0.6 En el laboratorio, el instrumento que se utiliza para medir fuerza se llama dinamómetro. Consiste en una Preguntas escala calibrada unida a un resorte, que se engan- • Calcula el trabajo que se realizó en cada caso. cha al objeto que se va a mover, y mide la fuerza • Elabora una gráfica de distancia (m) en el eje x aplicada de acuerdo con la deformación del resorte. contra fuerza (N) en el eje y. Como no es tan probable que cuentes con este dis- • Usa tu gráfica para determinar si la fuerza fue positivo, te planteamos un experimento, pero te constante para cada una de las distancias. damos también los resultados para que los interpre- • Usa tu gráfica para estimar el trabajo que se haría tes y resuelvas las preguntas. (Si cuentas con un al mover el libro una distancia igual a 1 metro. dinamómetro en el laboratorio de tu escuela, reali- za el experimento desplazando el libro diferentes Hay varias máquinas simples que presentaremos a distancias.) continuación: el plano inclinado, la palanca y las poleas.
  • 126. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 125 Un plano inclinado es una máquina que reduce la La fuerza que debe hacerse para desplazar un objetofuerza necesaria para hacer un trabajo (es decir, conser- sobre un plano inclinado se calcula con el cociente entrevando parte de la energía) aumentando la distancia. el peso del objeto (que representa una fuerza) y la ven- taja mecánica. Este cociente da como resultado una fuerza menor a la que habría que emplear si no se utili- zara el plano inclinado. Ejemplo: En el siguiente caso se quiere saber la fuerza que se necesita para empujar el coche descompuesto a la cima de la colina. Observa la figura. 10 000 N 2 000 m 40 m Se necesita menos fuerza para subir una pelota conel plano inclinado, lo que no es posible si la subiéramos Para subir el coche por la rampa empujando se requieresin él. Decimos que el esfuerzo es menor, sin embargo, cierta fuerza.el total de energía para ambos casos es el mismo. Elesfuerzo es una fuerza. Un plano inclinado hace que el esfuerzo se reduzca Respuestaincrementando el tamaño de la fuerza que se aplica al • ¿Qué se pregunta? La fuerza con que se tiene queprincipio. Observa la figura del hombre empujando el empujar el coche para subirlo a la cima.barril hacia arriba sobre el plano inclinado. Está • ¿En qué unidades? En newtonsmoviendo un barril de 300 N usando sólo un esfuerzo • Datos que tenemos:de 100 N. La rampa ha multiplicado el esfuerzo por un Largo de la rampa = 2 000 mfactor de 3. La ventaja mecánica de la rampa en este Altura de la rampa = 40 mcaso es de 3. Lo anterior viene del siguiente cálculo: Peso del coche = 10 000 N • Incógnitas: largo de la rampa Ventaja mecánica = VM Ventaja Mecánica ϭ Fuerza = F altura • Fórmulas que sabemos: VM = largo de la rampa/altura 3m Fuerza = peso del coche/VM ϭ ϭ3 • Solución 1m Otra forma de calcular la Ventaja Mecánica (VM) de En primer lugar, calculamos la ventaja mecánicaun plano inclinado es: (VM) del plano inclinado que representa la colina: fuerza de carga Ventaja Mecánica ϭ VM = 5 50 esfuerzo en la rampa Por lo tanto, la fuerza que debe aplicarse para elevar el coche es: 3m ϭ ϭ3 1m F = 2 000 N • Verificación de unidades: La ventaja mecánica es adimensional, y la fuerza se mide en newtons. Otras aplicaciones menos evidentes del plano incli- nado son las de las cuñas y los tornillos. 100 N Una cuña es un plano inclinado que se mueve. En los cuchillos y las tijeras las cuñas se aprovechan como 300 N herramientas para cortar. El filo del cuchillo (sostenido por un mango, que se mantiene fijo) es un plano incli- 3m 1m nado que se empuja dentro del material que se quiere cortar. Las puntas (dos planos inclinados que coinciden) de los clavos facilitan la entrada de éstos en la madera.
  • 127. 126 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Reflexiona y contesta las preguntas en tu cuaderno: • Menciona cinco ejemplos donde sepas que se uti- lizan los planos inclinados. • El cuchillo es el caso más conocido de las cuñas. Menciona otros tres casos donde se utilice esta forma de plano inclinado. • ¿Qué es la ventaja mecánica? ¿Puede calcularse para todas las máquinas simples? ¿Qué instrumento es indispensable para saber si hubo ventaja mecáni- ca al realizar un experimento? Por último, veremos el caso de los tornillos, donde el principio de operación es una combinación de un plano inclinado y un cilindro. Un tornillo es una rampa larga que rodea un cilindro en forma espiral. Se puede mover mate- rial desde la parte superior hasta la inferior del tornillo por medio de este principio. La distancia que un tornillo se mueve, hacia arriba o hacia abajo en una vuelta, depende de qué tan cerca estén las vueltas de la rampa. Cuantas más vueltas se le den a un tornillo, menos esfuerzo se debe aplicar, pues se aumenta la distancia de desplazamiento. Ejemplos de aplicación de palancas. Los tornillos tienen también numerosas aplicaciones. El clavo es un ejemplo de cuña. El tornillo es una combinación de plano inclinado y cilindro. La palanca es una máquina en la que se cambia una fuerza pequeña sobre una distancia grande, y una fuer- za grande sobre una distancia pequeña, con lo que se conserva el trabajo y la energía. La palanca se utiliza en muchos utensilios caseros y herramientas. Consiste en una barra, placa o hasta un círculo que pivotea alrededor de un punto fijo, llamado fulcro o pivote; un punto donde se aplica el esfuerzo, y un punto donde se coloca la carga que se quiere mover. Como puede verse en la figura, la localización del punto de esfuerzo, la carga y el pivote pueden arreglarse de tres formas distintas. Esos arreglos definen el tipo o la clase de una palanca. Clases de palancas.
  • 128. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 127• Palanca de primer grado. El abrelatas es un ejemplo Funciona al atar un objeto pesado a una cuerda resis- de una palanca de primera clase. En ésta, el pivote tente y hacer pasar ésta por una rueda acanalada, o rol- (P) se encuentra entre el punto de esfuerzo (E) y la dana, fija en un punto superior. Al tirar de la cuerda, la carga (C). Cuando se usa un desarmador para abrir la carga se eleva. Las ruedas de las poleas se hacen aca- tapa de un bote de pintura también se está usando naladas para disminuir la fricción entre la cuerda y el una palanca de primer grado. material. Si se utiliza una polea móvil, la dirección de la fuerza que se aplica se conserva, de manera que se• Palanca de segundo grado. En este caso, el punto puede jalar la cuerda y la carga se eleva. Observa los de carga se encuentra entre el pivote y el punto de ejemplos de la figura. esfuerzo. La carretilla es un ejemplo de este tipo de palanca.• Palanca de tercer grado. No todas las palancas se utilizan para incrementar la fuerza que se aplica en el punto de esfuerzo. En la palanca de tercer gra- do el punto de esfuerzo está entre el pivote y el punto de carga. El uso de una pala o un tenedor son ejemplos de este tipo de palanca. En este caso, la ventaja no se encuentra en una fuerza mayor en el punto de carga, sino en una distancia mayor a la que la carga se desplaza. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: Contesta las siguientes preguntas. Si necesitas de una fuente de consulta, cítala. La polea cambia el sentido • Una puerta con la manija, ¿qué tipo de palanca es? de la fuerza. • Un exprimidor de limones, ¿qué tipo de palanca es? • Las palancas utilizadas para sacar un automóvil atascado en el lodo, ¿de qué tipo son? • ¿Qué científico griego estudió el principio de fun- cionamiento de las palancas? ¿Qué famosa frase dijo al respecto? La ventaja mecánica de una palanca se calcula divi-diendo el largo del brazo de esfuerzo (el que va entre elpivote y el punto de esfuerzo) entre el largo o distanciadel brazo de carga o resistencia (que va desde el pivotehasta el punto de carga). Lo anterior se representa porVM = distancia del brazo de esfuerzo/ distancia del brazode carga. Finalmente, en las palancas se cumple la siguienterelación (enunciada por Arquímedes en el siglo III a. den. e.): Aquí el esfuerzo es la mitad de la carga. Fada ϭ Fbdb Cuantas más poleas incluya un sistema, más ligera parecerá la carga, aunque deberás tirardonde Fa y Fb representan las fuerzas (generalmente los mucho de la cuerda. En este caso, la ventaja radicapesos) de dos objetos colocados a la distancia da o db del en que hay que aplicar poca fuerza a lo largo de unafulcro o pivote. distancia de cuerda muy larga para que la carga muy La polea es una máquina en la que se cambia la pesada se levante un poco, como ocurre con losdirección en la que se aplica una fuerza. Si se combinan motores que se levantan con frecuencia en los talle-varias poleas, el resultado es que también se aplica una res mecánicos.fuerza todavía menor. De forma equivalente a una rueda con eje, una • Investiga cuántas poleas poseen las grúas quepolea es una palanca que rota alrededor de un punto levantan los automóviles descompuestos.fijo. Su ventaja radica en que es más fácil tirar hacia • Si un automóvil tiene una masa de 1 200 kg, ¿quéabajo que jalar una cuerda para elevar un objeto. esfuerzo debe hacer la grúa para levantarlo?
  • 129. 128 BLOQUE 2. LAS FUERZAS De la figura anterior se desprende que la ventaja La eficiencia de una máquina nos dice qué tanta de mecánica de la polea se obtiene usando la relación la energía que se le dio se transforma en energía útil. En siguiente: toda máquina hay movimiento que produce fricción. Como resultado de ésta se calientan los objetos. Por ello la eficiencia de cualquier máquina es menor a 100%, distancia de esfuerzo Ventaja mecánica ϭ pues en su funcionamiento parte de la energía que se le distancia de carga dio se pierde en forma de calor. Comenta con tus compañeros: Donde la distancia de esfuerzo en este caso es el • Menciona tres ejemplos de la vida cotidiana (uno tramo de cuerda que se jala, y la distancia de carga es para cada tipo de polea) donde se utilice esta la altura que se eleva la carga. máquina. En la figura siguiente se muestran ejemplos de polea • Investiga qué eficiencia posee un automóvil nuevo. simple o fija (a), polea móvil (b) y sistema de poleas o • Investiga qué eficiencia posee una planta hidroe- polipasto (c). léctrica. • Investiga la eficiencia de un foco normal de 100 W y compárala con la de un foco fluorescente compac- to de 20 o 25 W, ahorrador de energía eléctrica. • Cita las fuentes de donde obtuviste las respuestas. A nuestros amigos el estudio de las máquinas sim- ples les está resultando muy llamativo, ya que nunca se habían percatado de la enorme cantidad de apara- tos y herramientas comunes que funcionan con ellas. Como en clase se realizan cálculos constantemente, Carmen y Benito descubrieron que en los juegos de los parques también hay principios de física que explorar. Supongamos que Carmen y Benito van al parque y quieren jugar en el subibaja. Generalmente, en los a) b) subibajas el punto de apoyo está en el centro y, al subirse dos personas del mismo peso, el subibaja quedará en equilibrio. Pero resulta que Benito es un poco gordito (60 kg) y que Carmen es la más ligera El mecánico tiene que jalar sin mucho esfuerzo 10 metros del grupo (43 kg). Si en este caso la fuerza de a y b de cuerda para que, del otro extremo el pesado bote se eleve equivale al peso de Benito y de Carmen, respectiva- 1 metro. mente, ¿a qué distancia del pivote debería colocarse Benito para equilibrar el subibaja, si Carmen ya se colocó en un extremo, a 1.5 m de distancia? c) El subibaja es un tipo de palanca muy divertido.
  • 130. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 129Conexiones con tecnología y sociedadRecursos energéticosCombustibles fósiles. La energía almacenada en plantas y árbo-les durante millones de años puede convertirse en combustiblesfósiles tales como carbón, petróleo o gas. La mayoría de la energía que usamos procede de quemar estoscombustibles. Al hacerlo, se convierte agua líquida en vapor apresión que mueve las turbinas que producen electricidad.Ventajas: bajo costo.Desventajas: produce contaminación que origina el efecto inver-nadero y el calentamiento global. No es renovable.Energía hidroeléctrica. El agua se almacena en presas situadasen terrenos altos. Después se libera por canales o tuberías y suenergía cinética se usa para accionar generadores y producirelectricidad.Ventajas: fuente renovable. No contamina.Desventajas: no se pueden construir en cualquier lugar. Costoinicial, generalmente alto. Inundaciones de valles y efectos en lavida silvestre.Energía nuclear (fusión atómica). Cuando el uranio tratado sehace inestable se divide y libera gran cantidad de energía, la cualse utiliza para convertir agua en vapor que mueve las turbinas yproduce electricidad.Ventajas: pequeñas cantidades de combustible producen gran-des cantidades de energía.Desventaja: por emisión de radiactividad se aplican muchas medi-das de seguridad, cuyo costo resulta muy alto. Además, los posi-bles accidentes son especialmente nocivos (como el de Chernobyl)y los desechos que producen son peligrosos en extremo y tardanmiles de años en perder su efecto nocivo en el plano ambiental.Energía eólica. La energía cinética del viento (aire en movimien-to) se utiliza para mover las aspas de las turbinas y generar elec-tricidad.Ventajas: fuente renovable. Excelente opción para comunidadesaisladas.Desventajas: Esencial un emplazamiento con vientos. El rendi-miento todavía es bajo, aunque se están desarrollando turbinasmás eficientes. Contesta en tu cuaderno y comenta con tus compañeros: • Investiga cuáles eran los recursos energéticos que se utilizaban en lo que hoy es México antes de la llegada de los españoles. • Menciona otra fuente de energía no contaminante.
  • 131. 130 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Revisión 1 Sobre el significado de los conceptos 1.1 Con tus palabras, explica lo que entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: energía, máquina, fuer- za, cuña, palanca, polea, conservación, trabajo, dinamómetro. 1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferen- tes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta el más adecuado para tu curso. 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros lo que se dice en la conversación de la página 120. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta. 2.3 Después de investigar los niveles de consumo de combustible en México y en su entidad federativa, realicen un análisis colectivo con la intención de proponer soluciones que estén a su alcance. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. ENERGÍA características se manifiesta de se transfiere de un se conserva diferentes formas cuerpo a otro como mediante principio de energía conservación mecánica de la energía trabajo que se conserva energía eléctrica en las máquinas energía simples química que son energía nuclear el plano la las inclinado palanca poleas energía luminosa
  • 132. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 1314 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Identificar las formas en que se manifiesta la energía en distintos procesos y fenómenos físicos cotidianos. Describir las diferencias entre el uso del término energía en el lenguaje cotidiano y su uso en el científico. Identificar la diferencia entre fuerza y energía.
  • 133. La energía: una idea fructífera y alternativa a la fuerzaTEMA3 3.2. La energía y el movimiento Te confundiste. La energía potencial No entiendo esto de la energía. ¿Por qué, se basa principalmente en la altura si se supone que la energía potencial y la a la que está el objeto, mientras cinética son iguales, en las fórmulas no que la cinética tiene que ver con la parece? Digo, cada fórmula tiene velocidad que lleva el objeto. diferentes factores. ¿Pero no dijo el maestro algo de la conservación Sí. Supón que tienes un libro en el de la energía? escritorio. El escritorio mide un metro Pero la del principio y la masa es de medio kilo. Tiene una es únicamente energía potencial simplemente por potencial, y la del estar a un metro de distancia del final sólo es suelo. Si lo dejas caer, la energía cinética. Así es. Eso es potencial va a disminuir, porque la básicamente la distancia respecto al suelo disminuye. ley de la Sin embargo, va a comenzar a tener conservación una energía cinética, porque su de la energía. velocidad está cambiando. Así, mientras una disminuye, la otra aumenta. Claro, lo de la conservación significa que la energía que tenía el libro antes de caer, es igual a al que tiene al final. Si pudieras detener la caída del libro a la mitad del trayecto: ¿serán iguales la energía cinética y la potencial? ¿Por qué? ¿Cómo serían estos valores para una bola de papel que se deja caer desde lo alto de una casa de dos pisos? ¿Y para una esfera que cae libremente por un plano inclinado? En esta sección estudiaremos: • La energía cinética y potencial. Formulaciones algebraicas. • Transformaciones de la energía mecánica.132
  • 134. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 133 Predigo-Observo-Explico Energía cinética y energía potencial Con mis compañeros y mi profesor Necesitas Procedimiento • 1 libro grande, como el directorio telefónico 1. Coloca los objetos de acuerdo con el dibujo. • Una regla de madera de un metro o equivalen- te Predicción • 1 lápiz • ¿Qué pasará con el borrador cuando se deje caer • 1 borrador el directorio? • 1 banco • Justifica la predicción. Observación Realiza el experimento. Deja caer el directorio. Explicación Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción. Utiliza, de ser posible, los conceptos de energía cinética y potencial. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. Repite el experimento con objetos de diferente masa soltándolos desde diferentes alturas. ¿Qué ocurre cuando sueltas un borrador igual al que se colocó en la regla?Conexiones con tecnología y sociedadEnergía solarEl concepto de energía solar, como su nombre lo indica, se relaciona conla energía que proviene del Sol, y se refiere a un gran número de formas deenergía, denominadas indirectas; afecta profundamente las corrientesde aire y al agua, y es esencial para el crecimiento de las plantas. Las for-mas de convertir este tipo de energía son varias: las celdas solares, que con-vierten la luz solar en energía eléctrica, o la radiación solar en calor, quepuede emplearse para calentar y enfriar edificios, y para proveer de aguacaliente a los hogares y la industria. También puede utilizarse para producirvapor, que se usa para generar electricidad por medio de una turbina. Algunos científicos han sugerido construir satélites con celdas fotoeléctri-cas (llamados SSPS, por sus siglas en inglés: Solar Space Power Satellites) quegiren en órbitas alrededor de la Tierra, y que podrían captar mucha energía para
  • 135. 134 BLOQUE 2. LAS FUERZAS después mandarla al planeta en forma de microondas. La energía solar, como medio para generar otro tipo de energía, tiene algunas ventajas: no produce contaminación y es una fuente renovable. Algunas de sus des- ventajas son que las celdas fotoeléctricas no se pueden usar en zonas en donde la luz solar es escasa, y que el costo inicial de estos aparatos es elevado. Contesta en tu cuaderno y cita tus fuentes. • Investiga cuáles son las principales fuentes de energía en nuestro país y en tu entidad federativa. • ¿En qué países se utiliza más la ener- gía solar para producir electricidad? • ¿Cómo funciona una celda solar? La energía cinética y potencial. Formulaciones alge- 1 Energía cinética ϭ masa ϫ velocidad2 braicas 2 La energía cinética es la energía que tiene un objeto cuando está en movimiento. Un automóvil, un avión o un niño en patines, todos –debido a que se mueven– pose- o en símbolos: 1 en energía cinética (Ec). Desde el lento movimiento de un Ec ϭ mv2 caracol hasta el del cohete más veloz, tienen energía 2 cinética, mayor en el cohete porque tiene una masa mucho mayor y se mueve más rápido. La unidad de la energía cinética es kg (m/s)2, es decir, kg m2/s2 o, lo que es lo mismo, joule (J). Ejemplos de energía cinética. La energía cinética de un objeto depende de su masa y de la velocidad a la que se mueve. Se calcula de acuer- do con la siguiente ecuación:
  • 136. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 135 Construye una gráfica de la manera en que la energía Después del juego, en el que Roberto ha salido victo- cinética de un cuerpo va cambiando mientras su rioso, él mismo se hace la siguiente pregunta: velocidad aumenta. Esto es, para un cuerpo, por —¿Cuál fue la máxima energía potencial de la pelota decir, de 10 kg, realiza una gráfica de energía ciné- de tenis, que tiene una masa de 100 g y que lancé tica contra velocidad. ¿Qué forma tiene la gráfica? hacia arriba, se detuvo y comenzó a caer desde una altura de 10 metros? La energía potencial es aquella que puede transfor-marse en movimiento de un objeto. Una cuerda de gui- Respuestatarra muy estirada, la cuerda a tope de un juguete y un • ¿Qué se pregunta? El valor de la energía potencialclavadista que va a lanzarse desde una roca o un tram- de la pelotapolín tienen energía potencial. Cuanto más alto esté el ¿En qué unidades? En joulesclavadista, mayor energía potencial gravitatoria tiene. A • Datos que tenemos:medida que desciende y aumenta su velocidad, se está Masa de la pelota = 100 gacelerando hacia la Tierra, su energía cinética aumenta, Altura ϭ 10 mdisminuyendo la potencial, lo cual confirma el principio • Incógnita: Energía potencial (Ep)de conservación de la energía. • Datos, fórmulas y factores de conversión que sabe- Cuando levantas un objeto incrementas su energía mos:potencial gravitatoria (EP). La energía potencial de un Aceleración de la gravedad = 10 m/s2objeto depende de la masa del objeto, de la altura a la Ep ϭ mghcual se levanta y de la aceleración de la gravedad terres- 1 kg ϭ 1000 g (equivalencia o factor de conversióntre, y se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación: entre kilogramos y gramos) • Solución: constante Energía potencial ( ϭ masa ϫ de aceleración de ϫ altura la gravedad ) Ec ϭ 20 t 1000 kg 1t 2 (2000 m/s)2 o en símbolos m2 80 000 000 000 kg Ep ϭ mgh s2 ϭ 2 8 ϫ 1010 ϭ J ϭ 4 ϫ 1010J 2 • Verificación de unidades: Esperábamos el resultado en joules, por lo que el análisis dimensional o de uni- dades es congruente con el resultado.El resorte comprimido tiene energía potencial elástica. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: Las siguientes preguntas respecto a las energías La unidad de la energía potencial es kg m/s2 m, es potencial o cinética.decir, joules (J). Como te podrás dar cuenta, indepen- • ¿Qué tipo de energía tiene un ave que vuela?dientemente de que se hable de energía cinética o • Una roca en lo alto de una montaña, sin moverse,potencial, sus unidades son iguales, joules, lo cual quie- ¿posee energía?re decir, en última instancia, que son la misma cosa. • Al disparar hacia arriba una bala, ¿en qué se va convirtiendo la energía cinética inicial? Ejemplo: • Qué factores físicos están involucrados en el cálcu- Benito juega con una pelota de tenis a la hora del lo de la energía cinética? ¿Cuáles son sus unidades? recreo, y reta a sus amigos con lo siguiente: • ¿Qué factores físicos están involucrados en el cálcu- —A ver, ¿quién lanza la pelota más alto? lo de la energía potencial? ¿Cuáles son sus unidades?
  • 137. 136 BLOQUE 2. LAS FUERZAS • ¿Será inmediato saber qué posee más energía ciné- • ¿Cuál será la distancia total de frenado si la veloci- tica: un automóvil pequeño que lleva una velocidad dad del automóvil es de 50 km/h? alta o un tráiler que lleva una velocidad baja? • Expresa los dos resultados en términos de la longi- • Si subes hasta la parte más alta de un edificio de tud de un automóvil promedio (3 m). 50 m, ¿cuál es la mínima energía que necesitas para estar en esa posición? Transformaciones de la energía mecánica La energía mecánica de un cuerpo o de un sistema de varios cuerpos es la suma de la energía cinética y potencial. E ϭ Ec ϩ Ep Cuando un objeto cae por una pendiente pierde ener- gía potencial y gana energía cinética. Suponiendo que no hubiera fricción, la cual se reduce mucho si el objeto es redondo, la cantidad de energía cinética que gana el obje- to en su caída es igual a la energía potencial que pierde. Esto quiere decir que la velocidad final de una pelo- ta que cae de una pendiente no depende de la forma de la pendiente, sino de su altura. Lo mismo es cierto en dirección contraria. Si un obje- to se empuja colina arriba pierde energía cinética y gana energía potencial. Al asumir que no hay fricción, la can- tidad de energía potencial que se gana es equivalente a la cantidad de energía cinética que se pierde. Es decir, como ya lo vimos antes, la energía no se crea ni se des- truye, sólo se transforma. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: La energía potencial de una piedra que se suelta desde lo alto de un puente, ¿qué valor posee a la mitad de su caída? ¿Qué valor de la energía cinética tiene en ese punto respecto a la energía potencial ini- cial? Cuando llega a la parte más baja, ¿qué valor tiene de la energía potencial? Poco antes de tocar el piso, ¿cuánto vale la energía cinética? A la cuarta parte del recorrido de la piedra, ¿cuánto vale la suma de la energía potencial y la cinética? • Ejemplifica con al menos tres aspectos, relaciona- dos con tu vida cotidiana, la transformación de ener- gía cinética en potencial. • ¿Cuál es la relación, si la hay, entre la energía y el trabajo? • ¿Cuál es la relación, si la hay, entre la energía y la fuerza? 1. Con los datos de la tabla de la siguiente página sobre la velocidad de un automóvil: • Dibuja una gráfica en la que sobre el eje de la “X” coloques los valores de la velocidad del automóvil, y en el de la “Y” las distancias, tanto la de reacción del conductor como la del frenado del automóvil y la dis- tancia total. A medida que la persona en peligro salta, nota que la suma de • ¿Cuál será la distancia total de frenado si la veloci- energía cinética y potencial es constante a lo largo de todo el dad del automóvil es de 35 m/s? recorrido.
  • 138. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 137 Distancia de frenado Distancia de reacción del automóvil, asumiendo de un conductor que tiene buenos frenos Velocidad del automóvil experimentado y atento y llantas y el camino Distancia total de frenado (m/s) (m) está seco (m) (m) 10 6 6 12 20 12 24 36 30 18 54 72 40 24 96 120 • ¿Por qué la distancia de reacción del conductor al que se subieron tiene una masa total, inclu- crece más lento que la del frenado del automóvil? yendo a todos los ocupantes, de 1 000 kg, e ini- • ¿A qué velocidad se producirá más calor al momen- cia su recorrido desde un punto situado a 45 m to de frenar? de altura respecto al suelo. Si el carro se mueve impulsado únicamente por la gravedad y supo- 2. Benito, Alicia, Carmen y Roberto fueron a la niendo que no hay fricción, ¿cuál será la veloci- feria. Querían subirse a la nueva Montaña Rusa y dad con la que pasa cuando llega al ras del experimentar en “carne propia” las transforma- suelo? (Hay que recordar que usamos como valor ciones de energía cinética en potencial. El carro de g 10 m/s 2.)Conexiones con tecnología y sociedadEficienciaRendimiento o eficienciaCuando las transformaciones energéticas tienen lugar, a menudo se pierde algo de energía. La fina-lidad de un foco es proporcionar energía luminosa. El rendimiento o eficiencia de cualquier transformación energética se puede calcular utilizando: energía útil producida Rendimiento ϭ ϫ 100 % energía consumida Un foco que solamente emitiera luz se describiría con un rendimiento de 100 %.100 J 100 J de 100 J 30 J de energíade energía energía de energía luminosaeléctrica luminosa eléctrica 70 J de energía caloríficaSin embargo, en la práctica, los focos emiten Por cada 100 J de energía eléctrica que entran en eltambién energía calorífica. foco, sólo se producen 30 J de energía útil (luz). El rendimiento de un foco es, por lo tanto: 30 J Rendimiento ϭ ϫ 100 ϭ 30 % 100 J
  • 139. 138 BLOQUE 2. LAS FUERZAS motor eléctrico 82 J motor del coche 100 J de energía 200 J 30 J de de energía cinética de energía energía cinética eléctrica 18 J química de energía 170 J de energía calorífica calorífica y sonora 82 J Rendimiento del motor eléctrico ϭ ϫ 100 ϭ 82 % 100 J 30 J Rendimiento del motor del coche ϭ ϫ 100 ϭ 15 % 200 J juguete de cuerda 50 J de 26 J de energía energía de cinética deformación Contesta en tu cuaderno y comenta con tus 24 J de energía calorífica y compañeros. sonora • Investiga la eficiencia de un refrigerador casero. 26 J • Cita las fuentes de donde obtuviste las res- Rendimiento del juguete de cuerda ϭ ϫ 100 ϭ 52 % 50 J puestas. Revisión 1 Sobre el significado de los conceptos 1.1 Con tus palabras explica lo que entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: energía mecánica, con- servación, energía cinética, energía potencial, joules. 1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son dife- rentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta el más adecuado para tu curso. 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 132. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equi- pos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 A Carmen y Roberto todo lo relacionado con los viajes espaciales, los transbordadores y los cohetes que se lan- zan para explorar el cosmos les resulta un tema apasionante. En algunas revistas, ellos han visto que, para salir de la atmósfera terrestre, estas impresionantes naves tienen que alcanzar velocidades muy altas. Con datos que encontraron, se plantearon la siguiente pregunta relacionada con la clase de física: ¿Cuál es la energía cinética de un cohete que se eleva a 2 000 m/s y cuya masa es de 20 toneladas? Recuerda que la forma de resolver problemas no es sólo una. Si llegas al mismo resultado a través de otro procedimiento que involucre una manipulación distinta de los datos y de la incógnita, consulta con tu maestra o maestro y determinen juntos la validez de tu propuesta. 2.3 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.
  • 140. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 1393 Resumen esquemático3.1 El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. permite la proporcionan los Energía producir transformación característica recursos energéticos se manifiesta de pueden ser diferente forma como renovables no renovables energía mecánica puede ser como energía energía cinética potencial energía solar combustibles fósi- energía eólica debido a les energía energía nuclear hidráulica la velocidad la posición4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Establecer relaciones entre distintos conceptos relacionados con la energía mecánica (el movimien- to, la posición, la velocidad y la fuerza). Analizar las transformaciones de energía potencial y cinética en situaciones del entorno. Interpretar esquemas sobre la transformación de la energía cinética y potencial. Utilizar las expresiones algebraicas de la energía potencial y cinética para describir algunos movi- mientos. Resolver ejercicios de aplicación relativos al movimiento empleando las relaciones de transforma- ción de energía mecánica. Identificar la diferencia entre fuerza y energía mecánica.
  • 141. Las interacciones eléctrica y magnéticaTEMA4 4.1 ¿Como por arte de magia? Los efectos de las cargas eléctricas ¿Qué te pasa Alicia? ¿Por qué estás tan enojada? ¡Es que no entiendo a los hombres! No aceptan que sepas más que ellos. Roberto no sabe la razón por la que se producen los relámpagos, y no quiere que yo se la diga. ¿Qué quieres decir? Para repulsión la que hay entre ustedes dos, que aunque no son iguales…¡Sacan chispas! ¿A poco no le debemos los En serio, yo digo que los relámpagos a la ira de Zeus, el relámpagos se deben a la dios griego? repulsión de cargas iguales. Las chispas que saltan de un circuito cuando se pone en corto, ¿tienen un origen similar a los relámpagos? Cuando caminas sobre una alfombra y tocas la perilla metálica de una puerta, o en la oscuridad, cuando te quitas la ropa o sacudes las sábanas de la cama a veces saltan chispas, ¿A qué se deben? En esta sección estudiaremos: • Experiencias relacionadas con fenómenos electrostáticos. El relámpago. • Formas de cargar eléctricamente los objetos. • La interacción entre cargas eléctricas. La fuerza eléctrica. • Energía eléctrica.140
  • 142. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 141 Predigo-Observo-Explico Construir un aparato para saber qué materiales conducen la electricidad Con mis compañeros y mi profesor Necesitas 4. Pon en contacto las dos terminales para verificar • 1 pila de 1.5 V que el aparato funciona. Lo sabrás una vez que el • 1 cinta adhesiva foco se prenda. • 1 foco de 1.2 V • 1 clavija para el foco Predicción • 3 pedazos de alambre de cobre • Escribe en tu cuaderno una lista en la que estén • Los siguientes materiales: papel aluminio, ordenados los materiales según su conductividad papel, madera, lana, vidrio, cobre, una goma, eléctrica. un lápiz de grafito, una moneda • Justifica la predicción. Procedimiento: Observación 1. Conecta un polo de la clavija, con un alambre, al Realiza el experimento. polo negativo de la pila. Usa la cinta adhesiva. 2. Conecta un alambre al otro polo de la clavija y Explicación al otro polo de la pila. Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción. 3. El circuito debe quedarte como el de la figura. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. • ¿Todas las veces que llueve hay relámpagos? • ¿Qué le sucede a los árboles cuando “les cae” un relámpago? Las preguntas anteriores encontrarán sus respuestas a lo largo del tema siguiente.El relámpago nuestro entorno. Las aplicaciones tecnológicas de la electricidad son evidentes para cualquiera, pero esto noLa electricidad interviene en casi todo lo que sucede en ha sido siempre así.Conexiones con tecnología y sociedadRayos, relámpagos y truenosComo se ha demostrado utilizando cámaras fotográficas especiales, los rayos que vemos son enrealidad una sucesión de hasta 40 rayos principales. Estos rayos duran 0.0002 s y se producen cada0.02 s, por lo que los percibimos como uno solo. La electricidad que consumes en tu casa se mide en kilowatts/hora (ver página 261), y según datosrecientes, la correspondiente a un rayo puede ser un poco más de 1 400 kw/hora, es decir, la queconsume un hogar promedio en México en un año.
  • 143. 142 BLOQUE 2. LAS FUERZAS La energía acústica del trueno representa únicamente 1% de la energía total del rayo. El trueno lo provoca el relámpago, que llega a calentar el aire por donde pasa hasta unos 20 000 o 30 000 °C. Esto produce una súbita y brutal sobrepresión, cuyo efecto sonoro es el trueno. La luz y el sonido viajan a velocidades diferentes en el aire y, como ya habrás observado, la veloci- dad de la primera es mucho mayor que la del segundo. Vemos antes el rayo y oímos después el true- no. Numéricamente, la distancia en kilómetros a la que cae un relámpago viene dada por el tiempo en segundos que tardamos en percibirlo, dividido entre la velocidad de propagación del sonido, aproxi- madamente 340 m/s. Hasta el momento, los rayos causan más muertos en todo el mundo que los huracanes, asunto que puede cambiar por el calentamiento global, ya que seguramente se incrementará su número. A pesar de que es poco probable que a una persona le caiga un rayo, si estás en campo abierto cuando se inicia una tormenta eléctrica debes hacer esto: no te recuestes en el suelo, pues si te cae un rayo pasa a través tuyo y te electrocuta. Si sientes que tu piel se eriza y tu pelo se estira es una señal de que el ambiente se está cargando de electricidad. Adopta la posición que se ilustra en la figura. Esta posición es difícil de mantener, así que hay que practicarla antes. Las razo- nes de su posible utilidad son: • No se le ofrece una punta al rayo. • En caso de caer en el suelo, el rayo pasa por un pie al otro a través de los talones, sin pasar por el corazón. • Al taparte los oídos, los proteges del ruido del trueno. De todas maneras, ante una tormenta eléctrica, siempre hay la opción de correr y refugiarse en un lugar seguro. El hacerlo o adoptar la posición que aquí se indi- ca depende de las circunstancias en particular. Piensa sobre ello antes de tomar tus decisiones. Investiga lo siguiente, comenta con tus compañeros y cita las fuentes de donde obtuviste la información. • ¿Qué temperatura se alcanza en un rayo? • ¿Quién inventó los pararrayos? • ¿De qué material está constituido un pararrayos? • ¿Qué sucedería si “vuelas un papalote” durante una tormenta Postura que debes adoptar para mini- eléctrica? mizar las consecuencias de un rayo. Experiencias relacionadas con a) b) fenómenos electrostáticos A principios del siglo XX se cenaba a la luz de las velas porque no existía aún la posibilidad de utilizar la elec- tricidad. Ya desde hace muchos años se descubrió que algu- nos objetos al frotarlos con otros presentan la propie- dad de atraer hacia sí cuerpos ligeros como el papel. Por ejemplo, al frotar un trozo de ámbar (y en la actua- c) lidad también de plástico) con un trapo de lana o de piel (y también con el pelo) se observa el fenómeno de atracción antes mencionado. Seguramente, ya habrás realizado un experimento semejante. Este fenómeno es una interacción eléctrica y de los cuerpos frotados que lo presentan se dice que están electrizados. Para entender este tipo de interacción es conve- niente relatar el experimento que se muestra en la 1. La barra electrizada atrae a la esferita a). Cuando la siguiente figura: barra toca a la esferita b) Ésta es repelida c).
  • 144. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 143 Una esfera de un material ligero se suspende de un Formas de cargar eléctricamente los objetoshilo (lo que constituye un péndulo eléctrico). A la esfe- Los objetos se cargan por:ra se le acerca una barra de plástico, previamente fro- • Contacto físicotada con un pedazo de lana, y se observa que es atraí- • Inducciónda y, después de ponerse en contacto con la barra, es Un objeto cargado transferirá carga a un objeto neu-repelida. tro con tan sólo tocarlo. Así se carga el objeto por con- Si ahora se repite el experimento empleando una tacto físico.barra de otro material, como vidrio (también frotado), laesfera es de nuevo atraída, y lo mismo habría sucedidosi acercamos la parte del pedazo de lana con la que sefrotó originalmente la barra de plástico. Consigue un pedazo de lana y realiza el experimento anterior. Cuando el experimento se repite con barras de otrosmateriales frotadas por parejas, se comportan una comoel vidrio y la otra como el plástico. La conclusión de este experimento es que cuando sefrotan con lana materiales diferentes, éstos atraen orepelen la esfera del péndulo eléctrico, y la explicaciónque se dio es que existen dos tipos de electricidad:• La que adquiere el plástico frotado con la lana, de- nominada electricidad o carga eléctrica negativa. Descarga por contacto físico. Alicia y Roberto se tocan la punta• La que adquiere el vidrio al ser frotado con la lana, de la nariz. denominada electricidad o carga eléctrica positiva. Cuando un objeto cargado se acerca a una superficie El estadounidense Benjamín Franklin (1706- conductora, se induce el movimiento de cargas en el1790) estableció las denominaciones negativa y po- material, aun cuando no haya contacto. En estos casos,sitiva, que fueron y son absolutamente arbitrarias los objetos se cargan por inducción.y convencionales, pero su uso es tan extendido que secontinúan empleando. Hay otras dos conclusionesmuy importantes:• Los cuerpos con cargas del mismo signo (positivas o negativas) se repelen entre sí y las que tienen signos contrarios se atraen. Además, en la medida en que están más cerca, la fuerza de atracción o de repul- sión es mayor. Carga por inducción.• Los objetos materiales contienen generalmente el mismo número de cargas eléctricas, tanto positivas como negativas, por lo que no manifiestan pro- Cuando un material cargado se acerca a otro que no piedades eléctricas. Cuando los frotamos y decimos lo está, se induce una carga superficial, opuesta en el que están cargados, se afirma que en realidad tie- material sin carga. Como las cargas opuestas se atraen, nen una mayor cantidad de cargas de un signo que el efecto neto es la atracción. Esto es lo que ocurre con del otro. un globo que frotas contra el cabello y después lo pegas a la pared. • Reflexiona y contesta en tu cuaderno: Infla dos globos. Frota los globos contra tu pelo o Al frotar una barra de plástico con un pedazo de lana, camisa. Luego, pégalos en el pizarrón o en la pared. ¿cuál de los dos objetos queda más electrizado, la Describe qué sucede en el experimento. barra o el pedazo de lana? • ¿Qué le hace al globo la fricción con el pelo? • ¿Qué pasaría si frotas el globo con algodón, made- • ¿Por qué los cuerpos se electrizan al frotarlos? ra, etcétera? • Si al frotar un objeto se carga negativamente, ¿su • ¿Los globos se quedarán pegados por tiempo inde- masa es la misma que antes de frotarlo? finido? Explica.
  • 145. 144 BLOQUE 2. LAS FUERZAS • Dibuja un diagrama que muestre lo que sucede. a) q1 = q2 = 0.001 C Es importante señalar que, en este momento, habla- b) q1 = q2 = 0.1 C mos de la carga eléctrica acumulada en un material. Por esta razón se llama electricidad estática. c) q1 = q2 = 10 C La interacción entre cargas eléctricas. Calculadas todas ellas en el intervalo de 0 a 100 cm. La fuerza eléctrica El investigador francés Charles A. Coulomb (1736- A diferencia de la fuerza de atracción gravitacional, 1806) midió la fuerza que había entre pares de cuer- que siempre es atractiva como su nombre lo indica, pos cargados eléctricamente. Encontró que, para los las fuerzas eléctricas pueden ser repulsivas si las car- objetos cargados mucho más pequeños que la distan- gas tienen el mismo signo y atractivas si tienen signo cia que los separa, la fuerza electrostática entre dos contrario. cargas varía directamente con el producto de las car- Como las cargas iguales se repelen si se sitúa una gas e inversamente con el cuadrado de la distancia que carga (digamos positiva, pero puede ser también nega- las separa. tiva) en contacto con otra carga positiva, la segunda se La fuerza es proporcional al producto de las dos car- moverá para alejarse de la primera. La segunda carga, gas q1 y q2 y se miden en coulombios, C. La ley de por el hecho de moverse, como vimos en la sección Coulomb puede expresarse como: anterior, ha adquirido energía cinética a costa de la pérdida de otra clase de energía, la energía potencial eléctrica. q1 q2 Fϭk d2 Relámpagos Nube de tormenta (cumulonimbo) El factor de proporcionalidad (k) es 9 ϫ 109 Nm2/C2 en el Sistema Internacional de Unidades. Para que se cumpla la ley de Coulomb, las cargas tienen que estar en el vacío. La presencia de materia entre las cargas, como aire o vidrio, reduce en forma significativa el efecto de la fuerza electrostática. Ley de Coulomb. Carga positiva inducida por Contesta en tu cuaderno y comenta con tus compa- la parte baja Los electrones de ñeros: la superficie de la nube cargada • ¿Qué se entiende por fuerza eléctrica? son repelidos a negativamente • ¿En qué se parecen las ecuaciones de fuerza de la tierra. atracción gravitacional y eléctrica? Analiza la fórmula de la ley de Coulomb. Contesta. • ¿Qué sucedería con la fuerza si la carga de uno de Cuando se agrupan las nubes que producen una tormenta, se separan sus cargas eléctricas. Como los dos cuerpos aumenta al doble? la cantidad y el tamaño de las nubes es grande, • ¿Qué sucedería con la fuerza entre dos cuerpos si la interrepulsión entre cargas negativas, que en la carga del primer cuerpo aumenta al doble pero la principio el aire aísla, se manifiesta apareciendo del segundo disminuye a la mitad? un relámpago. Las cargas escapan así a la • ¿Qué sucedería con la fuerza entre dos cuerpos? superficie de la Tierra en donde se distribuyen, disminuyendo la distancia entre ellas y también Construye una gráfica de la ley de Coulomb (F vs d2) su repulsión. Un rayo contiene, en promedio, una para tres interacciones. carga de 10 C.
  • 146. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 145 • ¿Los globos se repelen después de ser frotados? • ¿Qué sucede después de mojarlos? • ¿De qué otra manera podemos hacer que los globos se junten de nuevo? • De acuerdo con lo que acabas de hacer, ¿en qué época del año será mejor hacer experimentos de elec- trostática? • Dibuja un diagrama que muestre las fuerzas eléc- tricas entre los globos cuando están secos y cuando están mojados. Conductor de cobre De acuerdo con la facilidad con la que una carga eléctrica se mueve en un material, éste puede ser con- ductor, si las cargas se mueven fácilmente, o aislante, si no lo hacen. Los materiales que poseen ambas propiedades, es decir, que difícilmente conducen las cargas eléctricas Placa metálica pero que sin embargo lo hacen, se llaman semiconduc- en la tierra tores. Energía eléctrica1. Amarra un par de globos bien inflados, por medio Un flujo de cargas eléctricas, es decir, cargas en movi-de dos hilos delgados de 2 m de longitud cada uno, miento a través de un conductor, se denomina corrientea un mismo punto en el techo del laboratorio. Frota eléctrica.cada uno de los globos, tomándolos de una pequeña Como estudiaremos posteriormente (en el tema 3 delparte cerca de la boquilla, en el cabello (que debe Bloque 4), una corriente eléctrica únicamente fluye aestar seco y de preferencia largo). Cuando sueltes los través de un circuito cerrado.globos se deben repeler. Si no sucede lo anterior, El origen del movimiento es una fuente de corrientevuelve a cargar los globos al frotarlos en tu cabello, eléctrica, como una pila, un generador o un enchufe enhasta que suceda lo anterior. una casa. La corriente eléctrica que “sale” por los¿Por la distancia de separación de los globos pue- enchufes ha sido producida, seguramente, a cientos odes estimar la cantidad de carga eléctrica que tiene miles de kilómetros de distancia, y que llegue a tu casacada uno? Supón que ambos globos poseen la es uno de los privilegios de vivir en el siglo XXI.misma cantidad de carga. Resolver este problema La corriente eléctrica está directamente relaciona-no es muy sencillo. Consulta algún libro o páginas da con la energía eléctrica y sus transformaciones ende Internet para ayudarte, y pídele a tu profesor que los diferentes aparatos que hay en tu casa explican sute asesore. funcionamiento (por ejemplo, los focos, el refrigera-2. En tu casa o en el salón de clases o laboratorio, dor, los ventiladores, el televisor, etcétera), siempreinfla los dos globos y átalos independientemente con de acuerdo con el principio de conservación de launa cuerda. Sostenlos como se muestra en la figura energía.y frótalos con la prenda de lana. En seguida, rocíaloscon agua. Contesta las siguientes preguntas. • ¿Cuál es la diferencia entre fuerza y energía eléc- trica? En qué tipo de energía se convierte la energía eléc- trica: • …en un ventilador. • …en una plancha. • …en un televisor. • …en un radio. • …en un foco. Elabora una lista de los aparatos que tienes en tu casa, separada en dos columnas: una para los que dependen de la electricidad y otra para el resto (por ejemplo, y si es el caso, el calentador de gas, la estu- fa, etcétera). Calcula el cociente entre el número de
  • 147. 146 BLOQUE 2. LAS FUERZAS aparatos que requieren electricidad y el total de aparatos que hay en tu casa. Investiga de qué tipo de planta generadora proviene la electricidad que utilizas en tu casa, así como la distancia a la que se halla dicha planta. Los focos de luz tienen un número impreso. Como el voltaje en nuestro país es de 125 V (voltios, lo que quiere decir que, por cada coulomb de carga que pasa por el foco se convierten 125 joules de energía eléctrica en 125 joules de energía luminosa y calorífica). El número impreso corresponde al valor nominal de potencia eléctrica y nos dice qué tan rápido se da esta conversión. En un foco de 60 W, se están transformando 60 joules de energía eléctrica en 60 joules de energía calorífica y luminosa en cada segundo. El segundo foco es más brillante, porque está convirtiendo 100 joules de energía por segundo. Revisión 1 Sobre el significado de los conceptos 1.1 Con tus palabras, explica qué entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: carga, electricidad, fuerza, energía, campo eléctrico, campo gravitacional, Coulomb, relámpago, pararrayos. 1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferen- tes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta el más adecuado para tu curso. 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático con el que finaliza y analiza con tus compa- ñeros lo que se dice en la conversación de la página 140, particularmente si es apropiado respecto de la diver- sidad de sexos. Recuerda que no siempre se pueden extrapolar conceptos de la física a situaciones cotidianas o que se usen para validar prejuicios. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 Construcción y uso de un electroscopio. Procedimiento (el experimento funciona mejor en días secos) 1 Construye el siguiente dispositivo. 2 Asegúrate de que las tiras de aluminio cuelguen libremente del alambre de cobre, cuyo extremo has aislado con la cinta. 3 Se frota la varilla de vidrio con la seda y se acerca al extremo superior del cable del electroscopio, sin tocarlo. 4 Se frota la barra de plástico con la lana y se procede de la misma manera. Preguntas 1 ¿Qué sucede al acercar la barra de vidrio al electroscopio? 2 ¿Qué sucede al acercar la barra de plástico al electroscopio? 3 ¿Es el mismo fenómeno? 4 ¿Cómo podrías saber que las cargas en ambos casos son diferentes?
  • 148. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 1473 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tuscompañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Electricidad estudia los fenómenos eléctricos origen carga eléctrica puede ser positivo negativo características • Ser una propiedad fundamental de la materia • Atracción de cargas de signo contrario • Repulsión de cargas del mismo signo • Cumplen la ley de Coulomb4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Identificar las interacciones entre cargas eléctricas y la relación con la idea de fuerza a partir de experimentos. Relacionar el relámpago con la acumulación de carga eléctrica y la aplicación de este fenóme- no en el funcionamiento de los pararrayos. Comparar y explicar formas distintas de cargar eléctricamente objetos. Relacionar las fuerzas de repulsión de cargas eléctricas con los dos tipos de carga existentes. Aplicar las leyes de Newton para describir el resultado de la interacción de cargas eléctricas. Diseñar y construir un instrumento sencillo para detectar la carga eléctrica y explicar su funcio- namiento. Analizar las transformaciones de energía eléctrica en un dispositivo sencillo y utilizarlas para explicar su funcionamiento. Identificar las diferencias entre fuerza y energía eléctrica.
  • 149. Las interacciones eléctrica y magnéticaTEMA4 4.2 Los efectos de los imanes Pues cómo vas a Hoy sí que no entender, si la entendí nada en la Carmen te traía clase. magnetizado: no hacías nada más que verla. ¿Te diste cuenta? ¡Claro! Ya estás en esa onda de atracción por el sexo opuesto. ¡Pues la verdad que sí! Como los imanes en que se atraen los polos norte al sur, Esa sí que es una cosa fácil o las cargas eléctricas, que de aprenderse: los opuestos se atraen las positivas a las se atraen y los iguales se negativas. ¡Ay! repelen. Ahora sí sé algo de física, al menos de magnetismo. ¿Es suficiente lo que sabe Benito acerca de magnetismo? El magnetismo es una propiedad de ciertos cuerpos metálicos, no de todos y no en cualquier condición. Como se dice en la conversación, los polos magnéticos se atraen o se repelen, siguiendo una regla parecida con las cargas: del mismo signo se repelen, signos opuestos se atraen. Esto se verá con detalle en el siguiente tema, al igual que aplicaciones del magnetismo, en particular, con la brújula. En esta sección estudiaremos: • Experiencias relacionadas con los imanes. El magnetismo terrestre. • El comportamiento de los imanes. Fuerzas magnéticas.148
  • 150. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 149 Predigo-Observo-Explico El campo magnético Con mis compañeros y mi profesor Necesitas 2. El experimento consiste en poner una barra, luego • 1 clavo de hierro grande las dos, el imán en forma de U y después con el • Limadura de hierro clavo pegado. • 2 imanes de barra • 1 imán en forma de U • Cartulina blanca Predicción • Dibuja la forma que adoptará la limadura de hie- rro cuando la coloques sobre los diferentes ima- Procedimiento nes. 1. Dobla la cartulina, de manera que quede como • Justifica la predicción. una pequeña mesa. La idea es que puedas colo- car debajo de ella los imanes y encima la lima- dura de hierro. Observación Realiza el experimento. Explicación Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. Compara los resultados de este experimento con lo que obtendrías al colocar las limaduras de hierro dentro del cono de una bocina de un radio de baterías, mientras escuchas música o un programa.Conexiones con tecnología y sociedad NLa Tierra, un enorme imánLa Tierra es un imán porque su centro lo formanátomos de hierro y níquel Los polos magnéticos de la Tierra no coinci-den con los polos geográficos. El polo magnéti-co en el hemisferio sur se encuentra al sur de La Tierra se com-Australia. Mientras el norte se localiza aproxi- porta como unmadamente a 1 800 kilómetros del polo norte imán. Esquemageográfico, en la Bahía de Hudson, en Canadá. que representa unPor eso las brújulas en realidad no apuntan corte de nuestro planeta indicandohacia el norte geográfico de la Tierra. A la diferen- que en elcia entre la orientación de una brújula y el norte centro hay hierro ygeográfico se le llama declinación magnética. níquel fundido. S
  • 151. 150 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Deja pegada, para que se magnetice, una aguja en la concentrados en los extremos. Los extremos de los ima- cinta magnética de tu refrigerador durante toda la nes se llaman polos. Tienen también otra zona llamada noche. Al otro día, coloca la aguja sobre un pedacito línea neutra, que no manifiesta acción magnética algu- de cartón, del mismo largo que la aguja, de tal mane- na. Las brújulas, que no son más que pequeños imanes ra que flote cuando la coloques en un pequeño balde que pueden moverse libremente, funcionan porque se con agua. alinean de acuerdo con el campo magnético de la Tierra. • ¿Qué le sucede a la aguja? Además de la fuerza eléctrica, hay una fuerza mag- • ¿Por qué? nética. Ésta es atractiva cuando los polos son diferentes • ¿Cómo se llama lo que acabas de construir? y repulsiva cuando son iguales. Pregúntales a tus amigos si a sus agujas les sucedía lo mismo. Si no, da una explicación de por qué. Experiencias relacionadas con los imanes. El magnetismo terrestre El término magnetismo proviene de la región de Magnesia, una isla en el mar Egeo, donde los griegos encontraron pedazos de una piedra, hace más de 2 000 años, que tenía la particularidad de atraer trozos de hierro. Esta pie- dra se llama magnetita. En el siglo XII la utilizaron los chi- nos para construir brújulas. En el siglo XVI, al frotar trozos de hierro con magneti- ta, se hicieron los primeros imanes artificiales. Esto lo descubrió el médico William Gilbert. Los imanes artificia- les de este tipo también se llaman barras magnetizadas. La electricidad y el magnetismo se desarrollaron por separado, hasta que en 1820 el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que una corriente eléctrica Zonas de un imán. puede afectar la brújula. Con esto demostró que la elec- tricidad está relacionada con el magnetismo. Todos los imanes tienen un polo norte y un polo sur. El primero apunta siempre hacia el norte, mientras que el otro lo hace hacia el sur del planeta cuando los ima- nes se mueven libremente. Ésta es la propiedad en la que se basa el funcionamiento de la brújula. S N Sur geográfico Norte geográfico Un imán tiene dos polos, el norte y el sur. Cualquier imán que pueda girar libremente, se orienta en Hay pocos materiales magnéticos, y muchos que no lo dirección Norte-Sur. son. Entre los primeros están la magnetita (que está for- mada, en parte, por hierro) y el hierro; entre los segundos Un polo norte siempre se acompaña de un polo sur. el aire, el agua o el barro. Objetos de hierro débilmente No puede estar uno de los polos sin que esté el otro. magnetizados pueden magnetizarse más intensamente cuando se unen a un imán. A través del contacto se le Reflexiona y contesta en tu cuaderno: induce un comportamiento magnético mayor. • ¿Por qué las brújulas fueron, y son, uno de los ins- La región del espacio alrededor de un imán, donde se trumentos marítimos más importantes? percibe su efecto, se llama campo magnético. Un imán • ¿Por qué un clavo es atraído a cualquiera de los o una barra magnetizada tiene los efectos magnéticos polos de un imán?
  • 152. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 151 Creación y destrucción de un imán Un imán suspendido señala hacia el norte. Esta propiedad es la que se utiliza en las brújulas. Como Necesitas los polos diferentes se atraen, el polo de la brújula que • 1 imán apunta hacia el norte geográfico es en realidad el polo • 1 clavo sur de la brújula. El sur magnético corresponde al • 1 alfiler norte geográfico y viceversa. • 1 martillo De manera semejante a lo que sucede con las car- gas eléctricas en reposo (que originan un campo eléc- Procedimiento trico y pueden identificarse aplicando la ley de 1. Si acercas un clavo al imán se vuelve otro imán. Coulomb sobre otra carga) o con las masas (que origi- Para demostrarlo, sepáralo del primero y úsalo para nan un campo gravitacional y que puede identificarse levantar un alfiler. aplicando la ley de gravitación universal de Newton 2. Para destruir el imán, golpea el clavo con el mar- sobre otra masa), un imán perturba el espacio que lo tillo, hasta que ya no pueda levantar el alfiler. rodea y da origen a un campo magnético. Éste se 3. ¿Será posible magnetizar el martillo? ¿por qué? puede identificar por la presencia de fuerzas actuantes sobre agentes de prueba, tales como limaduras de hie- rro o agujas imantadas.El comportamiento de los imanes. Fuerzas magnéticas Reflexiona y contesta en tu cuaderno:El polo norte de un imán atraerá al polo sur de otro Investiga lo que se te pregunta. No olvides indicar lasimán. Cuando el polo norte de un imán se acerca al polo fuentes de donde obtuviste la información.norte del otro, hay una repulsión. Lo mismo ocurre si se • ¿El Sol y la Luna poseen campo magnético?acercan dos imanes por el polo sur. Esto quiere decir • ¿Los animales poseen campo magnético?que los polos semejantes se repelen y los opuestos se • ¿Cómo funcionan los trenes de levitación magnética?atraen, de manera similar a lo que ocurre con las cargas • ¿Cómo funciona una bocina?eléctricas, ya que las cargas iguales se repelen, pero las • ¿Cómo funciona un micrófono?cargas distintas se atraen. Menciona seis aplicaciones de los imanes diferentes a las que se han mencionado hasta ahora. La corrosión de los objetos fabricados con hierro es un problema que afecta de manera muy importante la economía de las sociedades humanas. Para evi- tarla, estos objetos (automóviles, barcos, etcétera) se recubren con pintura de un espesor homogéneo. El espesor adecuado se averigua empleando un dinamómetro y un imán. Necesitas • Un dinamómetro (como el utilizado en la sección 2 del “Bloque 2”, página 124. • 1 imán de barra • Cinta adhesiva • 1 regla • Muchas hojas de papel (que funcionarán como la pintura) • Una superficie metálica (de hierro)Interacciones entre los imanes.
  • 153. 152 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Procedimiento 4 Construye una gráfica para la fuerza necesaria para 1 Pega la barra al dinamómetro empleando la cinta despegar el imán (en newtons) contra el grueso o la adhesiva. cantidad de hojas de papel. 2 Mide la fuerza necesaria (en newtons) para separar la barra de la superficie metálica. Con tus compañeros de equipo diseñen un dispositi- 3 Repite el experimento y coloca hojas de papel entre vo en el que se pueda demostrar que los campos el imán y la superficie. magnéticos se manifiestan sin la presencia de aire. Conexiones con tecnología y sociedad Máquinas de movimiento perpetuo Durante muchos años, inventores fracasados usaron los imanes para construir una máquina que se moviera eter- namente. A continuación se muestra una de dichas máquinas, descrita en Inglaterra el siglo XVII. “Un potente imán A se coloca sobre una columna, en la que se apoyan dos planos inclinados M y N, situados uno debajo del otro. El plano inclinado de arriba M tiene un pequeño agujero C en su parte superior y el de deba- jo N no es recto, sino ligeramente curvo. De acuerdo con su inventor, si en el plano inclinado superior se coloca una pequeña bola de hierro, la atracción del imán A hará que esta bola ruede hacia arriba; pero al llegar al agujero se colará por él y caerá en el plano inclinado inferior N, por lo que rodará hacia abajo hasta llegar a la parte inferior D, volviendo al plano M y siendo de nuevo atraída por el imán A hacia arriba. De acuerdo con su inventor, el ciclo se repetirá permanentemente”.
  • 154. BLOQUE 2. LAS FUERZAS 153 • Revisa la conexión con tecnolo- gía y sociedad del subtema 1.1 de este bloque. ¿Qué piensas ahora de lo que dice el autor del relato? • ¿Cómo se podría saber si en un determinado lugar hay un campo magnético? • Hay cargas eléctricas positivas y negativas aisladas. ¿Por qué no hay polos norte o sur aislados? • La ciencia se basa en las rela- ciones causa-efecto. La Luna no tiene campo magnético. ¿Qué quiere decir esto respecto de su estructura interna? Campo magnético de una estrella en formación. Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras explica qué entiendes cuando escuchas o lees los siguientes conceptos: brújula, polo, magne- tismo, fuerza, campo magnético.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferen- tes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta más adecuado para tu curso.2 Para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático final y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 148, particularmente si es apropiado respecto de la diversidad de gustos. Recuerda que no siempre se pueden extrapolar conceptos de la física a situaciones cotidianas o que se usen para validar prejuicios. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas.2.2 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque.
  • 155. 154 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Magnetismo estudia los fenómenos magnéticos que presentan los imanes que tienen polo norte polo sur características • No pueden separarse. • Repelen los polos del mismo nombre. • Atraen polos de distinto nombre. 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Analizar las interacciones en imanes y relacionar la atracción y repulsión de sus polos con la fuer- za magnética. Describir el magnetismo terrestre y la aplicación de este fenómeno en el funcionamiento de la brú- jula. Relacionar el comportamiento de los imanes y la interacción con objetos circundantes. Aplicar las leyes de Newton para describir el resultado de la interacción entre imanes.
  • 156. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 155 Observa: ¿Cómo se producen las mareas?Desde el siglo VII, en un pequeñopromontorio en Normandía, se construyó loque con los años se conocería como elmonte San Miguel. El lugar es una isladurante la marea alta y se encuentra unidoa tierra durante la marea baja. Este montees un lugar de peregrinaciones desde hacesiglos y los que hacían tales viajes teníanque saber muy bien cuándo iba a subir lamarea, pues a una velocidad de un metropor segundo alcanza altura hasta de 14 m.Correr rápido era y es lo más adecuado.
  • 157. 156 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Reconoce la Física La atracción gravitacional de la Luna. La Luna ejerce una atracción gravitacional sobre nues- tro planeta, que se manifiesta claramente en las Tierra Luna mareas. La siguiente figura es un modelo sim- plificado de la Tierra, en la cual está completa- Sol mente cubierta de agua. Un mismo lugar, como el monte San Miguel pasa a través de ambos abultamientos cada vez La fuerza gravitacional del Las mareas son mayores que la Tierra rota sobre su propio eje, produ- Sol refuerza a la de la en este momento del ciéndose en el mismo dos mareas altas por día. Luna, ocasionando un periodo lunar y se conocen Sin embargo, como la Luna se mueve alrededor gran abultamiento. como mareas vivas. de la Tierra, la posición de los abultamientos cambia ligeramente y pasan 13 horas para que cada uno se repita. Luna La atracción gravitacional del Sol. Como el Sol Tierra se encuentra mucho más lejos que la Luna, a pesar de tener una masa mayor que ésta, su influencia es finalmente menor. Se manifiesta Sol más cuando los campos gravitacionales del Sol y la Luna se refuerzan, aunque en ocasiones pueden casi anularse La fuerza gravitacional del Sol actúa perpendicularmente a la de la Luna. Las mareas son menores en este Aunque este modelo permite explicar de momento del periodo lunar y se conocen como mareas muertas. manera general la razón de las mareas, la situación real es mucho más complicada, ya que la superficie de la Tierra es muy irregular, de los océanos, las mareas son muy pequeñas, como lo son también las costas. En el mar mientras que en la bahía de Fundy en Canadá, Mediterráneo, aislado prácticamente del resto son de 18 m. Sol Sol Sol Sol Luna nueva e Cuarto cient me cre ng rt o ua Cua nte Luna llena Marea alta Marea alta Marea baja Marea baja
  • 158. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 157Practica1) Cuando la diferencia de altura de las mareas es de más de 5 m, éstas se pueden utilizar para generar energía eléctrica. Las estaciones utilizan un equipo a través del cual el agua sube por un túnel (cuando la marea sube) y es depositada en un gran tanque del que posteriormente se deja caer, pero haciéndola pasar por una turbina (como en las presas) que al girar convier- te la energía mecánica en eléctrica. Tanque Nivel del mar Entrada de agua Giro de la turbina Salida de agua Estas estaciones son muy convenientes para islas pequeñas, donde los requerimientos de energía eléctrica son escasos. La primera de ellas se construyó en Bali, con ingeniería desarro- llada en Noruega. Con las siguientes ecuaciones relacionadas con la energía eléctrica, calcula lo que se te pide. Recuerda que la energía potencial (parte o toda si despreciamos la fricción) de un objeto que se levanta se convierte en energía cinética cuando cae. Energía potencial (Ep en joules) Ep = mgh Potencia (P en watts) P = E (en joules) / t (en segundos) a) Si el tanque se encuentra a 20 m sobre el nivel del mar, calcula la energía potencial gana- da por 1 kg de agua que sube por el túnel. b) Calcula el número de kg de agua que necesitan depositarse en el tanque cada segundo para producir una potencia de salida de 1 MW, es decir 1 ϫ 106 W (la Potencia P en watts se cal- cula de acuerdo con la siguiente ecuación P (en watts) ϭ E ( en joules) / t (en segundos). c) ¿Dónde está Bali? d) ¿Cuáles son las ventajas y las desventajas de estas estaciones de energía?
  • 159. 158 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Observa: ¿Qué materiales se pueden magnetizar y qué aplicaciones tiene esta propiedad? Todos los pasajeros que toman un avión y/o las personas que ingresan en algunos edificios públicos, pasan bajo un arco magnético que registra los cambios en el campo magnético del aparato, producido por la presencia de metales (magnetizables) con los que se fabrican llaves, monedas y armas que pudieran portar las personas. Más del 50% de la producción mundial de acero utilizado, entre otras cosas, en la fabricación de barcos, trenes, puentes, viviendas o latas, proviene de la chatarra que se recupera gracias a las propiedades magnéticas, principalmente del hierro.
  • 160. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 159Reconoce la Física Campo magnético. Es la región donde se pue- cuando ambos están en estado líquido (lo cual den detectar los efectos del magnetismo. Se también significa altas temperaturas). Las tiene un campo magnético alrededor de un aleaciones tienen propiedades diferentes de los alambre que transporta una corriente eléctrica. metales originales. Por ejemplo, el oro puro (de- Este campo magnético incrementa su fuerza nominado de 24 quilates) es demasiado blando cuando se enrolla alrededor de una barra de para usarlo en joyería. Para hacerlo más fuerte hierro, obteniéndose un electroimán. se alea con plata y cobre, lo que da lugar a una aleación conocida como de 18 quilates. Las alea- ciones con mercurio se llaman amalgamas. Acero. La aleación más importante es el acero, que está compuesta principalmente por hierro y pequeñas cantidades de carbono. Al aumentar la cantidad de carbono, el acero se vuelve más duro. Con 0.2% se tienen aceros blandos (para clavos y/o cadenas), con 0.6% se obtienen aceros medios (los de rieles o vigas) y con 1% aceros de alta calidad (cuchillos, resortes, he- rramientas). Además de aquéllas en las que se utiliza carbono, se pueden formar aleaciones con otros elementos, como cromo o níquel, con los que se produce acero inoxidable. Material. Todo aquello que ocupa un lugar en el espacio. Pueden clasificarse como sólidos, líqui- dos y gases pero también en homogéneos y hete- rogéneos. Hoy hay una enorme diversidad de materiales con diferentes propiedades. Por ejem- plo, los audífonos de música portátiles emplean un imán permanente de cobalto y samario. Metal. Los metales tienen propiedades muy particulares: conducen la electricidad y el calor, son maleables, dúctiles y generalmente poseen puntos de ebullición y fusión altos. Aleación. Muchos de los metales que conoce- mos no son puros, sino aleaciones. Una alea- ción es una disolución sólida y se prepara disolviendo un metal en otro, generalmente
  • 161. 160 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Practica 1 Investiga la producción mundial de acero en los últimos 20 años. Construye con ella una grá- fica de barras, en la que se identifique la proporción que proviene de chatarra. ¿Qué lugar ocupa México entre todos los países? ¿Cuánto acero proveniente de chatarra se usa en México? 2. Investiga dónde se produce el acero en México y la manera en la que se hace. 3 Materiales magnetizables. Construye el siguiente dispositivo. Procedimiento Necesitas a) Amarra el hilo al clip y pégalo sobre una mesa. • 1 imán b) Pega un imán a un lápiz y sosténlo como se muestra en la figura • 1 clip (sobre un vaso o varios libros). • Hilo c) Asegúrate de que el clip no toque el imán. • Cinta adhesiva d) Pasa entre el clip y el imán diversos objetos: papel, plástico, tela, • 1 lápiz y “corta” el campo magnético con un cuchillo metálico. Prueba con otros materiales. Preguntas Piensa detenidamente y responde: ¿Qué materiales no impiden que el clip quede suspendido? ¿Qué materiales impiden que el clip quede suspendido? 4. La reproducción de sonido requiere de la presencia de muchos materiales magnéticos. ¿Cuáles son y en qué dispositivos se utilizan? 5. Construye una tabla en la que se muestren los puntos de fusión de 10 metales (entre ellos hierro y tungsteno).
  • 162. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 161Observa: ¿Cómo intervienen las fuerzas en la construcción de un puente colgante? La construcción de puentes ha sido una de las tecnologías mejor desarrolladas a lo largo de la historia. Hay muchos tipos de puentes y de otras construcciones que se basan en los mismos principios físicos. ¿Puedes reconocerlas?
  • 163. 162 BLOQUE 2. LAS FUERZAS Reconoce la Física. Fuerzas de tensión y compresión Materiales. La siguiente tabla muestra las Muchos se cayeron, pero los que resistieron le fuerzas de tensión y compresión (que como dieron a sus constructores una gran cantidad están expresadas por unidad de área, en reali- de conocimiento empírico, que posteriormente dad son mal llamadas fuerzas, ya que como fue explicado a través del entendimiento de las vimos anteriormente son en realidad presiones) fuerzas que intervienen en su construcción. para diferentes materiales. Como puedes obser- Las siguientes tres figuras ejemplifican los var, el acero es el mejor de todos, pero tiene el diseños más utilizados: inconveniente de ser muy caro. Por ello se uti- En el puente de arco sólo hay fuerzas de com- liza concreto y para aumentar su fuerza de ten- presión. Puede construirse con mucha seguri- sión (que al ser tan pequeña provocaría que el dad, con concreto, ladrillos o piedras (aún puente se rompiera por debajo) se refuerza con sobreviven algunos después de siglos de haber- acero. se construido). Seguramente conoces, no sólo puentes, sino también techos de edificios y Fuerza de casas con este diseño. Material Fuerza de compresión tensión en N/mm2 en N/mm2 (Estiramiento) (Apretamiento) Acero 800 500 Hueso humano 100 150 Concreto 4 20 Fuerzas de compresión Conc reto Se rompe bajo tensión Puente de suspensión. Aquí se presentan las dos fuerzas. De compresión en las torres (por lo Barras de acero que se pueden hacer de concreto) y de tensión en los cables (por lo que se hacen de acero). Al Viga de concreto reforzado igual que en el caso anterior, este diseño no sólo se utiliza para puentes, sino también para edificios, como por ejemplo la alberca olímpica, donde se desarrollaron carreras de nado y las Diseño. Desde hace miles de años, las diversas competencias de clavados en los Juegos Olím- sociedades humanas han construido puentes. picos de México 1968. Compresión en las torres Tensión en los cables
  • 164. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 163Puente de vigas. Es un puente colgante al que se agreganvigas para reforzarlo. Las vigas son de acero y se colocanen forma de triángulos. Compresión Tensión Practica1 ¿Cuál es la mejor manera de colocar las vigas? Empleando popotes y alfileres (o también made- ra balsa), a manera de las vigas utilizadas en los puentes verdaderos, construye las siguien- tes figuras. a) ¿Cuál de ellas es la más rígida? b) ¿Por qué? c) ¿En dónde agregarías más vigas para hacerlas más rígidas?2 Un modelo de un puente de vigas. Como ya sabes, los modelos son muy útiles, no sólo para hacer las preguntas adecuadas sobre el mundo, sino también para probar algunas de ellas. Utilizando hasta 10 popotes, construye un modelo de un puente de vigas. Como en la realidad cada viga cuesta $ 5 000 debes procurar el diseño más barato y resistente. Para comprobar la resistencia, cuelga un vaso de papel de la parte media del modelo y agrégale canicas hasta que se caiga, el puente con el diseño que más resista (y requieren menos vigas) será el mejor.
  • 165. 164 BLOQUE 2. LAS FUERZAS 3 En un experimento se colocan objetos de pesos diferentes en el centro de un puente. Se mide el tamaño de la deformación (en mm) y los resultados se muestran en la siguiente tabla. Puente sin peso Puente deprimido por el peso Peso Peso Depresión (en newtons) (causada por el peso, en mm) 200 10 400 20 600 30 a) ¿Qué conclusión se obtiene de este experimento? b) ¿Cuál será la depresión cuando Carmen (que tiene una masa de 50 kg) se coloque en el centro del puente? c) ¿Cuál será la depresión si Carmen lleva a su perro, que pesa 100 N? Autoevaluación En esta sección aprendiste muchas cosas, entre ellas a: Sí No Utilizar la idea de fuerza y de energía para explicar situaciones relacionadas con la interacción de los objetos en la Tierra y el Universo. Buscar y seleccionar información que apoye tu proyecto de investigación. Emplear gráficas y diagramas de fuerza para explicar los fenómenos estudiados. Analizar y evaluar de manera crítica los procesos del diseño elaborado (actividad experimental o dispositivo) y las formas de mejorarlo. Comunicar los resultados obtenidos en los proyectos por medios escritos, orales y gráficos. Valorar el papel de la ciencia y la tecnología en el conocimiento del entorno y la satisfacción de necesidades. Analizar y valorar las implicaciones sociales de los desarrollos de la ciencia y la tecnología. Diseñar y construir modelos que ayuden a ejemplificar los fenómenos estudiados.
  • 166. INVESTIGAR: IMAGINAR, DISEÑAR Y EXPERIMENTAR PARA EXPLICAR O INNOVAR 165 Para seguir aprendiendo1. Con los cuadros que hay al final de cada sección de este bloque, construye uno solo que inte- gre todos ellos.2. Escribe, con tus propias palabras, un resumen de no más de 3 cuartillas sobre lo que apren- diste al revisar el bloque. Considera la relación que esto tiene con los problemas ambientales que tiene nuestro país.3. Puedes consultar los siguientes libros: • De Swaan B. El inglés de la manzana. Isaac Newton. Pangea CONACULTA, México, 1986. • Gamow G., Biografía de la Física, Alianza Editorial, México, 1990. • Lozano J.M. Cómo acercarse a la física, CONACULTA, México, 1996. • Parisi A. El hilo conductor, Oniro, Barcelona, 2006. • Tola J., Atlas básico de astronomía, Páramon, Barcelona, 2005.4. Puedes consultar las siguientes páginas en internet:Fuerzas http://www.walter-fendt.de/ph11s/resultant_s.htm http://www.walter-fendt.de/ph11s/equilibrium_s.htm http://www.xtec.es/~rmolins1/univers/es/formov.htmEnergía http://www.geocities.com/atanaelvarela/energia/tipos.html http://www.inspectores.energia.gob.mx/ http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=46&l=s&c35. Recuerda que en las revistas de divulgación de la ciencia aparecen frecuentemente artículos relacionados con la física. Su lectura puede ser muy valiosa. En revistas como Muy interesante, o Conozca más, con frecuencia se hace referencia a los artículos originales o a páginas de uni- versidades, mientras que ¿cómoves? es la única escrita y editada en nuestro país (UNAM). Hay otros espacios para seguir aprendiendo, los museos de ciencias, y algunos programas de TV, radio y video. La dirección electrónica de la Asociación Mexicana de Museos y Centros de Ciencia donde podrás encontrar información interesante es: http://www.ammccyt.org.mx/ Referencias específicas para el profesor • Driver R. et al, Dando sentido a la ciencia en secundaria, Visor-SEP, Biblioteca para la actualización del maestro, 2000. • Mece J. Desarrollo del niño y del adolescente, McGraw-Hill-SEP, Biblioteca para la actualización del maestro, 2000. • Hewitt P. Conceptos de física, Limusa, México, 1993. • Fierro J., Herrera M.A., La familia del Sol. La ciencia desde México 62, FCE, México, 1988. http://ideasprevias.cinstrum.unam.mx:2048 http://www.educared.net/ http://tianguisdefisica.com http://redescolar.ILCE.edu.mx http://www.cnice.mec.es/ Revistas de divulgación técnicas como Ciencias (UNAM) o Ciencia y Desarrollo (CONACYT), o Investigación y Ciencia (Scientific American).
  • 167. Las interacciones de la materia Un modelo para describir lo que no percibimos En este bloque avanzarás en el estudio de las interacciones de la materia y se potenciarán tus habilidades para representar fenómenos que no son perceptibles a través de los senti- dos. Lo anterior está directamente relacionado con la generación de imágenes y represen- taciones mediante el análisis del modelo cinético molecular de la materia, a partir del estudio de fenómenos que sirven también como puente entre dos niveles de abstracción: el macroscópico y el microscópico. Con el estudio de ellos podrás elaborar, en un segundo momento, otro tipo de interpretaciones de fenómenos no mecánicos, como los asociados con el calor. Propósitos:• Construirás explicaciones sencillas de procesos o fenómenos macroscópicos como los asociados con el calor, la presión o los cambios de estado, utilizando el modelo cinético corpuscular.• Comprenderás el papel de los modelos en las explicaciones de los fenómenos físicos, así como sus ventajas y limitaciones.• Reconocerás las dificultades que se encontraron en el desarrollo histórico del modelo cinético.• Aplicarás e integrarás habilidades, actitudes y valores durante el desarrollo de proyectos, enfatizando el diseño y la elaboración de dispositivos y experimentos que te permitan explicar y predecir algunos fenómenos del entorno relacionados con los conceptos de calor, temperatura y presión.• Reflexionarás acerca de los desarrollos tecnológicos y sus implicaciones ambientales y sociales. 166
  • 168. Bloque 3 167
  • 169. La diversidad de objetos TEMA1 1.1 Características de la materia. ¿Qué percibimos de las cosas? Esta cajeta está muy dulce, debe tener mucha azúcar. ¿La cajeta tiene azúcar? No lo sabía. Este pan está muy grande, y la cajeta está tan viscosa que se tarda mucho en caer. Mi pan no tiene el mismo volumen que el tuyo. Debes Y entonces, dependiendo de la tener un poco de paciencia cantidad de azúcar que tenga con la cajeta: ya caerá. la cajeta, es más oscura o más Sí, aunque no la veas, la cajeta clara, ¿no? Cuanta más tiene mucha azúcar. azúcar blanca tenga, debe ser más clara. No sé. Mejor le preguntamos al maestro. Con base en lo que Alicia y Carmen platican contesta: ¿Dos frascos con cajeta serán completamente idénticos? Sí o no, ¿por qué? Si compras dos frascos de cajeta de marca diferente, y sirves dos cucharadas de cada uno de ellos en un plato, menciona tres características que creas por lo que serían diferentes. Al tomar dos cucharadas de cajeta del mismo bote, ¿por qué pueden ser diferentes una de la otra? Si el olor, el color, el sabor y el tamaño de dos cuerpos son idénticos, ¿en qué otras características pueden ser diferentes? Menciona tres. Cada cuerpo posee propiedades únicas, y por muy parecidos que dos cuerpos sean algo los hará diferentes: el volumen, el sabor, el color, la temperatura, la textura, etcétera. En esta sección estudiaremos: • Experiencias relacionadas con algunas características de la materia: sus estados de agregación. • Noción de materia. • Propiedades generales de la materia y su medición.168
  • 170. BLOQUE 3. LA MATERIA 169 Predigo-Observo-Explico El espacio que hay entre la materia Con mis compañeros y mi profesor Necesitas Predicción • Un recipiente transparente grande, puede ser • Si el recipiente está lleno con las canicas, ¿le cabe una jarra o una botella de refresco cortada arena? • Canicas • Justifica la predicción. • Arena • Agua Observación Realiza el experimento y agrega la arena. Procedimiento 1. Mete las canicas hasta el borde del recipiente, Predicción es decir, éste debe quedar lleno. • Si el recipiente está lleno con las canicas y la arena, ¿le cabe agua? • Justifica la predicción. Explicación Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción. Considera el tamaño de las partículas que agregaste y la distancia que las separa. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. En esta actividad, ¿qué sucede con el aire? ¿Debemos considerarlo como ocupante de espacio en el recipiente? ¿Por qué?Noción de materia. Experiencias relacionadascon algunas características de la materia:sus estados de agregaciónTodas las sustancias que nos rodean están constituidaspor materia, que tiene masa y ocupa volumen. Una propiedad de la materia es alguna de sus carac-terísticas observables. El tamaño o el peso nos ofrecenun primer indicio de la materia por medio del cual pode-mos describirla. Estas propiedades dependen de la can-tidad de materia, por tanto las llamamos propiedadesextensivas.
  • 171. 170 BLOQUE 3. LA MATERIA Un alambre de cobre de un centímetro ocupa un volumen menor que uno de cinco centímetros, y ambos, a su vez, ocupan un volumen menor que un alambre de diez centímetros. Además, el pequeño pesa menos que el mayor. El color, por ejemplo, es otra propiedad. A partir de ella podemos clasificar la materia como roja, verde, azul o incolora. Sin embargo, en principio, el color de la materia no depende de la cantidad que tengamos; los tres pedazos de alambre de tamaño y peso diferentes tie- nen el mismo color. Por el color se puede saber si la materia que hay en Aquellas propiedades que no dependen del tamaño la punta de un cerillo es la misma antes y después de de la muestra de materia se conocen como propiedades encenderlo. Como bien sabes, su color cambia una vez intensivas. Otra propiedad intensiva importante es el que la consumió el fuego. estado de agregación, es decir, si la materia es sólida, Un pedazo de materia es una sustancia y dos sustan- líquida o gaseosa. cias son de igual composición si sus propiedades inten- sivas son iguales. Propiedades extensivas. Dependen de la cantidad de La materia se presenta en tres estados de agregación: materia (volumen, masa, etcétera). sólido, líquido y gas. Casi toda la materia se presenta en forma de mez- Propiedades intensivas. No dependen de la cantidad de clas. Una mezcla se constituye de más de una sustan- materia (color, punto de fusión, etcétera). cia; posee una composición variable y sus propiedades son las de las sustancias que la componen. En tu cuaderno: • Menciona cinco ejemplos de propiedades extensivas. • Menciona cinco ejemplos de propiedades intensivas. Otra propiedad intensiva es el punto de fusión, que es como denomina la temperatura a la cual un sólido cambia a líquido. Un cubo de hielo o un iceberg se fun- den a los 0 °C al nivel del mar. Gas Punto de ebullición Estados de Agregación de la Materia Líquido Punto de fusión Sólido
  • 172. BLOQUE 3. LA MATERIA 171 ¿Cómo son las palomitas? Las suspensiones. Son mezclas heterogéneas o no Lee con atención y contesta lo siguiente en tu cua- uniformes. Se reconocen porque son opacas, es decir, no derno: se puede ver a través de ellas. • Describe las propiedades de una mazorca de maíz. • Describe las propiedades del olote. • Describe las diferencias entre una semilla de maíz y una palomita. • Dibuja en diferentes cuadros cómo se transforma una semilla de maíz en una palomita. • Escribe qué le pasa a la semilla de maíz para trans- formarse en palomita. • ¿Las palomitas son sólidos? • Compara tus respuestas con las de tus compañeros de grupo y establezcan conclusiones al respecto. Anótalas. Hay dos tipos de mezclas: Las disoluciones. Son mezclas homogéneas y uni-formes. Se reconocen porque se puede ver a través deellas. Las forman el disolvente, el componente másabundante en la disolución y que normalmente es un La leche de magnesia (medicamento empleado contralíquido, y el soluto, el componente menos abundante la acidez estomacal) es una suspensión (por eso hayen la disolución y que puede ser un sólido, otro líqui- que agitarla antes de tomarla).do o un gas. Reflexiona y contesta en tu cuaderno: ¿Es una mezcla... • el agua de mar? • el aceite? • el mercurio? • el café? • una barra de chocolate? Barriles de petróleo La riqueza de muchos países depende de la can- tidad de recursos naturales que tengan. México es rico en recursos naturales, y uno de los más importantes es el petróleo. Éste es, fundamental- mente, una mezcla homogénea de muchas molé- culas diferentes llamadas hidrocarburos. La mayoría son líquidas. La unidad de medida para el volumen de petróleo, empleada en todo el mundo, es el barril, que equivale a 159 litros. En 1910, la producción mexicana fue de 12 millones de barriles de petróleo, y ocupó el tercer lugar mundial, mientras que en 1921, con 193 millo- nes, fuimos el primer lugar. La producción recien- te se ha incrementado mucho; en el año 2000 fue de 1 468.7 millones de barriles, y en el 2004 de 1 611 millones. Con estos datos, dibuja una grá- fica y con ella contesta las siguientes preguntas (si requieres más información, búscala. Tu maes- tro puede ayudarte). • ¿Cuál fue la producción de petróleo en 1950? • ¿Cuántos litros de hidrocarburos se produjeron en 1968? El agua potable es una disolución, en la que hay sales y gases • ¿Cuántos millones de pesos obtuvo el país de su disueltos en el agua pura. exportación de petróleo en el año 2004?
  • 173. 172 BLOQUE 3. LA MATERIA Propiedades generales de la materia y su medición Una de las maneras de diferenciar entre un tipo de materia y otro consiste en reconocer las propiedades de cada una. Muchas de ellas, como el color o el aroma, pueden determinarse mediante nuestros sentidos, mien- tras que otras no son tan fáciles de detectar. Por ello tenemos que medir. Medir es comparar y los científicos comparan contra el Sistema Internacional de Medidas (página 34 y Apéndice 1). Hay ocasiones en que la comparación directa con una unidad es imposible. Por ejemplo, el diámetro, la superficie, el volumen y la masa de la Tierra no se pue- den medir con una regla y una balanza, por lo que tene- mos que medirlas de manera indirecta. Las siguientes ilustraciones indican cómo medir distintas superficies y volúmenes de manera indirecta. • Para medir la longitud de la pared del salón de clases se puede contar el número de ladrillos y multiplicar- lo por la longitud –en centímetros– de cada ladrillo. Ahora mide una hoja de árbol. • Para medir la superficie de la hoja de árbol, colócala sobre una hoja cuadriculada, delinea su perfil y cuenta cuántos cuadros enteros hay. Después suma los que queden cortados. Desde luego no tienes que sumar totalmente estos últimos, sino sólo la mitad. Ésta es una buena aproximación.
  • 174. BLOQUE 3. LA MATERIA 173• Para medir el volumen de esta piedra, introdúcela en Contesta en tu cuaderno: una probeta u otro recipiente que tenga indicada su • Menciona al menos cinco unidades fundamentales capacidad (se puede usar una taza graduada de coci- del Sistema Internacional de Unidades. na). El nivel del agua aumenta de acuerdo con el vol- • ¿Cuál es la diferencia entre medir y predecir? umen de la piedra, mídelo y réstalo del que tenía • ¿Cuál es la diferencia entre precisión y exactitud? antes de agregarla. Ése es el volumen de la piedra. (véase “Apéndice 1”) • ¿Cuál es la diferencia entre volumen y capacidad? 1. Medidas cotidianas Ya sabes cómo se miden la masa y el volumen de un sólido y de un líquido, pero: • ¿Cómo se miden la masa y el volumen de un gas? • ¿En qué unidades se mide el gas que utilizas en tu casa y cuánto cuesta? 2. Medidas no cotidianas La unidad año luz es la distancia que recorre en un año la luz, la cual viaja a 300 000 km/s. De entre todo lo que conocemos, la luz es lo que viaja más rápido y su velocidad es constante en el vacío. Por lo tanto, cuando una estrella se encuentra a diez años luz de distancia de la Tierra, está más cerca que aquella situada a 200 años luz de distancia. • ¿Cómo se mide la distancia de la Tierra a la Luna? Era necesario conocerla bien antes de mandar astro- nautas a la Luna. • ¿Cuál es la distancia de la Tierra al Sol? ¿Qué opinas acerca de que cuando estamos más cerca del Sol es cuando más calor hace? ¿Cuándo ocurre esto y por qué? • ¿Cuál es la distancia de la Tierra al centro de nues- tra galaxia, la Vía Láctea? • ¿Cómo se conoce la masa de la Tierra? ¿Y la de Júpiter? • ¿Cómo sabemos que la temperatura en la superfi- cie del Sol es de poco más de 6 000 ºC? La Tierra y la Luna vistas desde la sonda Galileo 2.
  • 175. 174 BLOQUE 3. LA MATERIA Conexiones con tecnología y sociedad La corona del rey Hierón Según una leyenda, el rey Hierón de Siracusa quiso dedicar una coro- na de oro puro a los dioses inmortales. Encargó la obra por un precio estipulado y pesó la cantidad de oro para el contratista. Una vez que terminó la corona, éste –sutilmente– añadió una parte igual de plata. Hierón, indignado por la ofensa, y sin encontrar manera de reprender el hurto, rogó a Arquímedes, su primo y consejero, que se dedicara a pensarlo. Mientras se ocupaba de esto, Arquímedes fue por azar al baño público y, al introducirse en la bañera, se dio cuenta de que salía tanta agua de ésta como parte de su cuerpo entraba. Movido por la ale- gría, saltó fuera de la tina y corrió desnudo hacia su casa, al mismo tiempo que gritaba, para expresar que había encontrado lo que quería: “¡Eureka, eureka!”. Se dice que entonces, siguiendo su descubrimiento, hizo dos masas de peso igual al que tenía la corona, una de oro y la otra de plata. Después, llenó de agua hasta el borde un vaso amplio. En él puso la masa de plata, y la misma cantidad que introdujo en el agua fue la que extrajo. Llenó el vaso hasta nivelarlo al borde, midiendo el agua con sextario (una antigua medida de capacidad). De este modo, encontró cuánta agua correspondía a cierto peso de plata. Una vez sabido esto, puso igualmente la masa de oro en el vaso y, después de quitarla, añadió por el mismo motivo el agua que faltaba, encon- trando que no era la misma de antes, sino menos, y la cantidad de menos era el exceso de una masa de plata, con el mismo peso, sobre una masa de oro. Después de llenar de nuevo el vaso, puso en el agua la corona misma, y encontró que correspondía más agua a la corona que a la masa. Así, halló que había mezcla de plata en el oro, y puso en claro el hurto del contratista. Investiga lo siguiente y discute con tus compañeros: • No sabemos con seguridad si Arquímedes salió corriendo desnudo o no, lo que sí sabemos es que en otras culturas la desnudez tenía y tiene sentidos diferentes a lo que significa en la nuestra. ¿Cuál es la diferencia entre una leyenda y un mito? • ¿En dónde existió o existe Siracusa? • ¿Qué otra actividad muy relacionada con la física se atribu- ye a Arquímedes? Formarán seis equipos entre todos los compañeros del salón. Cada equipo comprará dos barras de plastilina roja y unos 50 balines pequeños. Cada equipo meterá en una bolita de plasti- lina la cantidad de balines que quiera; por ejemplo, el equipo 1 meterá 23 (pero sólo ellos lo sabrán); el equipo 2, 42 balines; el equipo 3, 15; etcétera. Deberán hacer bien la bolita de plastili- na con sus balines dentro, de tal forma que no queden burbu- Retrato de Arquímedes, pintado por jas de aire ni se vean los balines. El equipo 1 le dará su bolita Domenico Fetti en 1620. de plastilina al segundo equipo (recuerden, el equipo 1 sabe cuántos balines se encuentran, pero no el equipo 2). Utilizando el principio de Arquímedes, el equi- po 2 deberá calcular la cantidad de balines que existen, desde luego, sin “abrir” la plastilina. Todos los equipos deberán calcular la cantidad de balines dentro de las plastilinas de los demás equipos. • ¿Qué equipo obtuvo los mejores resultados?
  • 176. BLOQUE 3. LA MATERIA 175 Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras explica qué entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: medir, comparar, unidad, sólido, líquido, gas, extensivo, intensivo, suspensión, disolución, sustancia, materia, volumen.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son dife- rentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál es el más adecuado para tu curso.2 Para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático al final y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 168. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas.2.2 A continuación, se presentan ejemplos de disoluciones y suspensiones comunes en la vida cotidiana. Investiga más sobre ellas, busca otros ejemplos, reconoce sus diferencias. Ejemplos de disoluciones importantes• Aire Es una mezcla de gases. El nitrógeno (78%) es el disolvente. El oxígeno (21%), los gases nobles y el dióxido de carbono son algunos de los solutos. Los puntos de ebullición de estas sustancias están muy próximos, por lo que el aire se separa por destilación fraccionada: El nitrógeno hierve a –196 ºC. El oxígeno hierve a –183 ºC. El nitrógeno hierve primero y sale por la parte superior de la columna. El oxígeno se queda en el fondo.• Petróleo crudo Es una mezcla de hidrocarburos saturados. Su composición varía y todos los puntos de ebullición están muy pró- ximos entre sí. Por tanto, se separa en fracciones, que son grupos de hidrocarburos con puntos de ebullición similares.• Agua de mar Cuando el agua de mar se evapora se obtiene sal común (cloruro de sodio) y otros solutos disueltos en ella. En las partes secas del mundo se utiliza para obtener agua potable y de riego. El agua de mar se destila. Ejemplos de suspensiones importantes• Pintura Las partículas del pigmento coloreado están suspendidas en agua o aceite. Si la pintura no se ha agitado duran- te un tiempo largo, las partículas se depositan en el fondo.• Mezcla de agua y barro Las partículas de barro están suspendidas si el agua se agita, pero el barro se deposita en el fondo del recipien- te si no se perturba el agua.• Aderezo para ensalada Las partículas de aceite están suspendidas en vinagre cuando se agita el aderezo. El aceite y el vinagre se sepa- ran en dos fases cuando se dejan reposar.2.3 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.
  • 177. 176 BLOQUE 3. LA MATERIA 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus com- pañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Materia es muestra todo lo que cualidades ocupa un lugar que pueden puede presentar en el espacio ser medidas tres estados físicos y tiene masa de agregación pueden ser sólido líquido gas intensivas extensivas forma y volumen fijo adoptan la forma y el volumen fijo adoptan la forma del volumen del recipiente recipiente en el que en el que se encuentran se encuentran 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Experimentar para identificar algunas características y comportamientos de la materia. Realizar mediciones de algunas propiedades generales de la materia en diferentes estados. Utilizar las unidades de medición del Sistema Internacional (SI).
  • 178. La diversidad de objetos1.2 ¿Para qué sirven los modelos? TEMA Alicia, qué chula estás, pareces una modelo. Lo mismo pienso de Roberto. Déjense de cursiladas. Aunque lo que dicen de los modelos es cierto, a que no saben qué es un modelo en la ciencia. Pues sí, ya que no estudian suficiente. ¿Quién me dice la respuesta correcta? Otra vez tú aclarándonos todo. 1 Mi tío me dijo que los modelos que construyen los científicos nos ayudan a comprender más fácilmente los objetos. Seguro, pero siempre hay que acordarse de que los modelos representan a la realidad, no son la realidad. Roberto… pero tú sí que eres bien real. Eso es, por ejemplo los Sí, pero no sólo de eso, sino modelos que se hacen de los también se hacen modelos de aviones o los coches de ciudades o países, como los que carreras y se ponen en los se encuentran en los mapas.túneles de viento para mejorar su desempeño. ¿Qué modelos conoces? ¿Sabías que los mapas son modelos? ¿Qué piensas de lo último que dijo Roberto? ¿Un árbol puede representarse fielmente? ¿Una hormiga? ¿Una galaxia? ¿Un átomo? ¿Por qué existen cosas imposibles de representar fielmente? ¿De qué depende? ¿Qué se utiliza entonces para representar y estudiar las cosas que no se pueden representar fielmente? En esta sección estudiaremos: • Los modelos y las ideas que representan. • El papel de los modelos en la ciencia. 177
  • 179. 178 BLOQUE 3. LA MATERIA Predigo-Observo-Explico ¿Águila o sol? Con mis compañeros y mi profesor Necesitas Antes de proceder a la predicción, identifica: • Una moneda • ¿Las corridas largas son más frecuentes que las cortas? Procedimiento • ¿Cuántas veces más te salieron corridas de un águi- 1. Tira la moneda. En la siguiente tabla, que harás la, comparada con la de dos águilas? en tu cuaderno, escribe una A si cae águila, y • ¿Son semejantes? una S si cae sol. Para que adviertas si hay un patrón, deberás lanzar muchas veces la moneda; 50 en este experimento. Predicción • ¿Qué cara de la moneda va a caer en el próximo Volado número Águila Sol volado? 1 • Justifica la predicción. 2 3 4 5 6 7 ... 50 Una corrida es el número de águilas o soles que salieron seguidos. Por ejemplo: • ASSA es una corrida de dos soles. • ASSSA es una corrida de tres soles. • ASA es una corrida de un sol. La frecuencia de corridas es el número de veces que una misma corrida salió en los 50 volados. Revisa los datos que obtuviste en la tabla y cuenta la frecuencia de las corridas de un águi- la y un sol, la frecuencia de dos águilas y dos soles, etcétera, reproduce la siguiente tabla en tu cuaderno y complétala (Una corrida de soles, a pesar de que sea muy larga, cuenta como una corrida de no águilas): Observación Realiza el experimento. Cor rida de Frecuencia 0 águilas ___________ 1 águila ___________ Explicación 2 águilas ___________ Explica con tus propias palabras lo que sucede y com- 3 águilas ___________ páralo con tu predicción. 4 águilas ___________ Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- 5 águilas ___________ ros y tu profesor. 6 águilas ___________ 7 águilas ___________ Esta actividad, ¿puede representar algún fenómeno ... real? ¿Por qué? 50 águilas
  • 180. BLOQUE 3. LA MATERIA 179Los modelos y las ideas que representan Mapa del Sistema de Transporte ColectivoLos modelos son fundamentales para explicar el mundoen el que vivimos, y a lo largo de la historia han permi-tido avanzar en su conocimiento. Tienen varias caracte-rísticas que se explicarán y ejemplificarán a continua-ción: a) Son representaciones. b) Son instrumentos. c) Pueden ser de dos tipos: icónicos y conceptuales. d) Son diferentes de la realidad. e) Se construyen a lo largo de la historia. Reciben el nombre de modelos científicos cunado los acepta la comunidad científica.a) Son representaciones: Un modelo siempre está rela-cionado con un objeto, un sistema o un proceso al querepresenta. Obviamente, los modelos son de “algo”. El mundoreal es tan extraordinariamente complejo (en cada obje-to –un automóvil, un tren, un barco, etcétera–, sistema La ciencia no empieza en los hechos, sino en las–el mapa del Metro– o proceso –la combustión de un preguntas. Los hechos no son independientes de loscerillo– influyen muchas y diversas variables) que, para observadores y de sus maneras de ver el mundo. Porintentar entenderlo, relacionamos un objeto, sistema o ello, en un momento y una cultura determinados, esproceso con un modelo. posible que todos los observadores coincidan en un cierto hecho. Hay hechos a los que no puede acceder-b) Son instrumentos: Un modelo es un instrumento se directamente, ya sea por su tamaño (un átomo o elempleado para responder las preguntas de la ciencia; Universo), su lejanía (temporal, como los dinosaurios,con el se obtiene información que no puede conseguirse o material, como los hoyos negros) o complejidaddirectamente. (algunas ratas que usualmente se utilizan en investiga- ciones biomédicas relacionadas con ciertas enfermeda- des). Esta imposibilidad ha suscitado a lo largo de la historia diversas preocupaciones entre destacados científicos, quienes incluso han querido desterrar las palabras que relacionan los modelos con la realidad. Modelo de un átomoModelo de locomotora.
  • 181. 180 BLOQUE 3. LA MATERIA Representación de un animal lejano en el tiempo. Maqueta: modelo icónico. Rata de laboratorio. Auto en túnel de viento: modelo icónico. c) Pueden ser de dos tipos: icónicos y conceptuales. • ¿Un mapa político de la República Mexicana es un Entre el primer tipo de modelos tenemos, sobre todo, modelo? ¿Por qué? imágenes u objetos de tamaño diferente a lo que repre- • Que las líneas del Metro de la Ciudad de México sentan: maquetas, mapas, o los aviones y automóviles estén identificadas por colores diferentes, ¿es un a escala, que se prueban en los túneles de viento para modelo de los trenes? mejorar el desempeño de los aviones y automóviles rea- • Un dibujo (o una fotografía) es un modelo icónico les. de algo. Coloca en orden de similitud tres iconos de un árbol. Responde las preguntas siguientes y comenta tus • Si un modelo de la Tierra muestra que es una esfe- respuestas con tus compañeros. ra, ¿qué predicción se puede hacer alrededor de este • Enumera todas las diferencias y analogías (o simi- modelo, diferente del que se hacía del modelo plano litudes) que hay entre una casa de muñecas y tu pro- de la Tierra? pia casa. • ¿De qué son modelos un hombre o una mujer her- Realiza una maqueta, con material barato o recicla- mosos? do, de una representación de cualquier parte de la • Cuando decimos que alguien tiene un comporta- localidad donde vivas. Por decir, un parque, una miento modelo, ¿a qué nos referimos? plaza, una edificio o la escuela.
  • 182. BLOQUE 3. LA MATERIA 181 Observa las maquetas de los demás equipos, ¿hay Aquí es fundamental el “grado de similitud”, ya que maquetas más fieles a la realidad que otras? nos remite de manera muy clara a que la analogía no es Si alguien que no conoce los lugares que están repre- la realidad. De hecho, la analogía se separa de la reali- sentados en las maquetas (o por lo menos uno solo), dad que intenta representar una vez que ante la prueba ¿crees que viendo la maqueta sabe perfectamente experimental se encuentra información que no puede cómo es ese lugar? “acomodar”. Las analogías –y los modelos que se cons- • ¿Tu maqueta es un modelo? ¿Por qué? truyen sobre ellas– son reemplazables por otros que sí • ¿Qué tan fiel es tu modelo respecto a la realidad? pueden incorporar la nueva evidencia. En la figura que aparece en esta página se muestra Los segundos son los relacionados con el lenguaje, lo anterior. Por un lado, se tienen los conceptos o los ico-ya sea a través de fórmulas matemáticas o de símbolos nos; por el otro, la realidad que el modelo, situado entre(fórmulas que ya has visto en este libro, como F ϭ ma, los dos, representa. Observa que la realidad es muchov ϭ d / t, o el lenguaje químico en el que se represen- más compleja que el modelo.ta al agua con H2O). La construcción de modelos es un compromiso entre las analogías y las diferencias que éstos tienen con losd) Son diferentes de la realidad: Los modelos se dife- objetos, sistemas o procesos que representan. Unarencian de los objetos, sistemas o procesos que repre- muñeca es un modelo de una niña: no es una niña, aun-sentan. En general, son más sencillos y lo eliminado no que se le parezca. Cuando el modelo ideal no encajatiene interés explícito para lo que fundamentalmente con los datos empíricos obtenidos puede ampliarse yrepresentan. A pesar de ser diferentes, los modelos corregirse.guardan ciertas analogías con el objeto, sistema, fenó-meno o proceso que representan. Son semejantes aun- e) Se construyen a lo largo de la historia y para recibir elque no por completo, aunque de ellos se pueden deri- nombre de modelos científicos, deben ser aceptados por lavar hipótesis o predicciones, y someterlas a prueba. comunidad científica.Los resultados de estas pruebas proporcionan nuevainformación sobre el modelo. El papel de los modelos en la ciencia La ciencia es conocimiento público sujeto a comproba- ción por otras personas (generalmente científicos). La posibilidad de repetir una y otra vez los experimentos y las observaciones en diferentes condiciones de tiempo Modelo y espacio, y validarlos comúnmente, hace que el conoci- miento científico sea objetivo y confiable. De esta mane- ra, los modelos se desarrollan por medio de un proceso iterativo (que se repite), en el cual la evidencia empíri- ca permite revisar y modificar sus presupuestos básicos. e fin Un modelo es generalmente uno, en una secuencia explic de histórica en un área particular del saber científico. Uno de los ejemplos más famosos al respecto provie- a ne de la astronomía. Cuando, en 1687, Newton publicó su Principia, describió el mundo físico a partir de mode- Iconos los que no hacían referencia explícita a objetos del Conceptos mundo real (por ejemplo, la masa de cada uno de los planetas se concentraba en su centro, algo que sabemos que no es cierto). Unos años más tarde, en 1695, Edmond Halley, astrónomo y amigo de Newton, aplicó dichos modelos para explicar el movimiento de los cometas. Así pudo predecir que a finales del entonces lejano 1758 regresaría un cometa que se había observa- do en 1530-1531, 1607-1608 y 1682. El asunto no era tan sencillo, toda vez que, junto con estas observa- ciones “confiables” de cometas, había al menos otras 24 en otras tantas fechas. Halley publicó su trabajo en 1705, que fue recibido con entusiasmo en Inglaterra y, como era de esperarse, con escepticismo en Francia. Pasaron los años, Halley murió 15 años antes de 1758, Mundo pero para ese entonces la evidencia experimental sobre los modelos de Newton era tan amplia que en 1756 la Real misma Academia de Ciencias de Francia ofreció un pre- mio a la predicción más exacta del retorno del cometa,
  • 183. 182 BLOQUE 3. LA MATERIA el cual apareció ya bautizado como “cometa Halley”, Discute con tus compañeros y obtengan una conclusión. antes de la Navidad del esperado 1758. La siguiente • ¿Esto es conocimiento científico? ¿Por qué? ¿Qué figura muestra el cometa Halley durante su más recien- harías para demostrar si es conocimiento científico o te aparición, en 1986. no? Los datos de la siguiente tabla corresponden a expe- rimentos llevados a cabo con diversos gases, hace muchos años, por el inglés Robert Boyle. Presión Volumen del gas (en pascales) (en cm3) 110 000 50 137 000 40 188 333 30 275 000 20 550 000 10 Haz un gráfica de presión contra volumen. Con estos datos y la gráfica se construyó la ley de Boyle, que dice: “el volumen de una masa fija de gas a temperatura constante (es decir, que no se cambie Cometa Halley como se vio en 1986. mientras se realiza el experimento) es inversamente proporcional a su presión”. Imagina que una persona que afirma poseer habilida- des extraordinarias nos dice que es posible mantener • ¿Esto es un modelo? levitando una alfombra con la condición de que más • Si se aumenta la presión, digamos, a un millón de de 10 personas piensen en eso a la vez. pascales, ¿cuál será el volumen del gas? Conexiones con tecnología y sociedad La demostración de la existencia del vacío El 8 de mayo de 1654 se llevó a cabo el hoy conocido experimento de los hemisferios de Magdeburgo. Frente al emperador de Alemania, y muchos de los principales nobles del país, Otto von Guericke llevó a cabo un espectáculo extraordinario: 16 caballos, divi- didos en dos grupos, tirando con todas sus fuerzas en direcciones opuestas, intentaron inútilmente separar dos semiesferas de cobre unidas entre sí por simple contacto. A la esfera (conformada por los dos hemis- ferios), Von Guericke, con su nueva bomba de vacío, le había sacado prácticamente todo el aire que conte- nía originalmente en su interior. De esta manera, Von Guericke demostró públicamente que el aire es algo que tiene peso y que presiona con suficiente fuerza a todos los objetos que hay en la Tierra.
  • 184. BLOQUE 3. LA MATERIA 183 El descubrimiento de este científico alemán permitió eldesarrollo de la tecnología de vacío, que actualmente esfundamental en industrias muy importantes como la de ali-mentos y la de transportes, entre muchas otras.He aquí cómo el mismo Von Guericke relata una parte desu experimento: “Encargué dos hemisferios de cobre de Magdeburgo detres cuartos de codo de diámetro. Pero en realidad sus diá-metros midieron en lugar de 75/100 solamente 67/100 decodo, ya que los artesanos, como siempre, no pudieronhacer exactamente lo que era necesario. Uno de los hemis-ferios tenía una llave que permitía extraer el aire interior yevitaba la entrada de aire exterior. Los hemisferios teníanademás cuatro argollas, por las cuales pasaban los corde- Hemisferios en bronce.les que se sujetaban a los caballos. También hice que cosie-ran un anillo de cuero; este anillo, impregnado en una mez-cla de cera y aguarrás, y colocado entre los dos hemisferios,no dejaba que el aire entrase en ellos.” Responde las preguntas y comenta con tus compañeros: • ¿Alguno de ustedes ha sentido el peso del aire? • ¿De qué manera será posible sentir la presión que ejerce el peso del aire? • Si extraes poco a poco el aire de una botella de plástico por la boquilla, ¿por qué se va compri- miendo? ¿Qué sucede si la sumerges en agua caliente? • ¿Por qué al tapar con el dedo el orificio de una jeringa (sin aguja) cuesta mucho esfuerzo sacar el émbolo? • A veces se utilizan chuponcitos de plástico para pegar anuncios pequeños o muñequitos a los vidrios. ¿Acaso estos chuponcitos tienen pegamento? ¿Cómo funcionan?Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus propias palabras, explica lo que entiendes por los siguientes conceptos: instrumento, sistemas, proce- so, objeto, variable, empírico, real, modelo, icónico, concepto, analogía, representación.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son dife- rentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál resulta ser el más adecuado para tu curso.2 Para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático del final y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 177. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas.
  • 185. 184 BLOQUE 3. LA MATERIA 2.2 Con lo que has aprendido, ¿en que cambiarían tu predicción y explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. representaciones Modelos son de la realidad se clasifican en instrumentos para contestar preguntas icónicos conceptuales por ejemplo por ejemplo mapas, d maquetas H2O, v ϭ t 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Identificar y caracterizar los modelos como una parte fundamental del conocimiento científico. Reconocer que un modelo es una representación imaginaria y arbitraria de objetos y procesos, que incluye reglas de funcionamiento y no la realidad misma. Interpretar y analizar la información que contienen distintos modelos de fenómenos y procesos.
  • 186. Lo que no percibimos de la materia TEMA 22.1 ¿Un modelo para describirla materia? Pues allá tú. Como no veo los ¿A poco sólo crees ¡Claro que hayátomos, no creo que en lo que ves? cosas que no ves existan. Aunque lo y en las que crees! digan en la clase El olor de Benito de Física. cuando no se baña. A ver, dame un ejemplo. ¡Ya basta! Ahora sí Y el amor... entendí que hay cosas que no ¿se ve? vemos y en las que creemos.La fuerza de gravedad La capa de ozono que nos es la que hace que protege en la Tierra de la tenga que agarrarlo radiación ultravioleta, que para no caer. tampoco vemos. Los virus que me producen catarro.¿Los olores son materia? ¿El ozono es materia? ¿Los virus son materia?¿Qué otras cosas que no ves, existen?En el espacio exterior prácticamente hay un vacío, y es transparente.Entonces, si el aire también es transparente, ¿contiene materia? En esta sección estudiaremos: • Experiencias relacionadas con la estructura de la materia. • Las ideas de Aristóteles y Newton sobre la estructura de la materia. 185
  • 187. 186 BLOQUE 3. LA MATERIA Predigo-Observo-Explico ¿Existe el vacío? Con mis compañeros y mi profesor Necesitas • 1 dardo con punto de ventosa • 1 vaso con agua • 3 objetos lisos de diferentes tamaños respecto a la punta del dardo (por ejemplo, pedazos de plástico) • 3 objetos corrugados de diferentes tamaños res- pecto a la punta del dardo Procedimiento 1. Pegar el dardo a los objetos lisos, a los corruga- dos, primero secos y luego ligeramente hume- decidos. Predicción • ¿A cuáles objetos se pegará la punta del dardo? • ¿Cuáles objetos podrán levantarse con el dardo? • Justifica la predicción. Observación Realiza el experimento. Explicación Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con tu predicción. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. Entre el dardo y las superficies, ¿hay algún material? ¿Has visto aplicado este fenómeno en algún tipo de herramienta? Experiencias alrededor de la estructura de la materia A lo largo de la historia, en prácticamente todas las Somos materia y todo lo que nos rodea es materia: inani- sociedades humanas, se han construido explicaciones mada como el Sol y la Tierra, el mar y las montañas, o del mundo. Muchas han sido modelos sobre la materia. viva como los árboles, las bacterias que descomponen la Para entender lo que hay a nuestro alrededor se han comida o las moscas que revolotean alrededor. inventado duendes, fantasmas y hasta dioses. Desde Como ya viste, mater es una palabra latina que Egipto hasta China, desde la India hasta el México pre- significa madre y que se aplica tanto a los humanos hispánico, la magia, los ritos y las plegarias han sido for- como a los animales y las plantas. Cuando se habla mas de refugiarse ante la inmensidad de lo desconocido, de árboles, llamamos mater al tronco principal del y una forma de explicar el mundo. que brotan las ramas, y la palabra materia designa la sustancia de que está hecho el tronco. De esta forma, Investiga en páginas de Internet la leyenda escandi- materia indica los componentes específicos de que nava del dios Thor referente a los días de lluvia. En están hechas las cosas: nos remite al origen del particular contesta: ¿Qué explicaciones le daban los mundo que nos rodea. pueblos del norte de Europa a los relámpagos?
  • 188. BLOQUE 3. LA MATERIA 187 Fue en la Grecia antigua, hace más de dos mil que en el aire o en el fuego pueden saltar grandes dis- años, que se desarrollaron tres modelos importantes tancias. sobre la constitución de la materia. El modelo de Anaxágoras de Clazomene, según el cual la materia, divisible sin límites, está compuesta por una especie de semillas (que él llamó spermata) que corresponden a las cualidades de las cosas. Anaxágoras supuso que en cada objeto que nos rodea hay todo tipo de spermata. Las predominantes, es decir, de las que más hay en el objeto específico, son las que determinan sus características. El segundo modelo es el de Empédocles de Agrigento (hoy en la isla de Sicilia), que considera la materia compuesta por cuatro raíces, principios o elementos: tierra, agua, aire y fuego, cuya unión y separación las determinan dos fuerzas divinas, una atractiva y otra repulsiva, que se presentan a la humanidad como amor y odio. AIRE Reflexiona y contesta en tu cuaderno: • ¿Qué piensas de lo que Leucipo escribió hace más de 2 000 años: “Nada sucede por casualidad, sino al contrario, todo tiene necesariamente una causa”? • ¿Cómo podemos saber de la existencia de los áto- calor humedad mos? 1. Investiga con qué órganos del cuerpo humano y con qué “humores” se relacionaban cada uno de losFUEGO AGUA cuatro elementos y cómo se podía explicar así, hace más de 2000 años, la salud y la enfermedad. 2. En el Oriente también se desarrollaron modelos para explicar la materia. Por ejemplo, para los hindúes hay cinco formas de materia que existen en cada sequedad frío objeto del mundo, como resultado de su interrelación mutua. Estos elementos son el aire, la tierra, el agua, el fuego y el sonido. Para los jainistas todos los átomos eran idénticos, y sus diferencias en combinación daban lugar a dife- TIERRA rencias en las propiedades de los elementos. Cada átomo tenía cualidades de sabor, olor color y tacto. Modelo de los cuatro elementos En una tabla, compara estos dos modelos con los desarrollados en la antigua Grecia. Finalmente, el modelo atomista corresponde a Las ideas de Aristóteles y Newton sobre Leucipo de Mileto (ciudad situada hoy en Turquía), la estructura de la materia contemporáneo de Empédocles y Anáxagoras, y al Los modelos sobre la materia se desarrollaron sin los mejor conocido Demócrito de Abdera, discípulo de experimentos que hubieran permitido ponerlos a prueba. Leucipo. Según el modelo atomista, la materia está Sin embargo, el modelo de los cuatro elementos permi- compuesta sólo por átomos y vacío. Los átomos son tió no sólo explicar cómo están hechas las sustancias y cualitativamente iguales entre sí (sólo difieren en cómo son los procesos naturales, sino también, por forma y tamaño), están en continuo movimiento y medio de un lenguaje simbólico (lo que comúnmente se unen los unos a los otros por una especie de gan- conocemos como mito), permitió construir una explica- chos. ción de la salud y la enfermedad. Este modelo lo adap- Demócrito aceptaba la idea de un ser dividido en tó Aristóteles, uno de los más importantes filósofos grie- pequeñas partículas independientes e indivisibles (de gos, y predominó en el pensamiento occidental por dos allí el nombre de átomo, que significa indivisible). Dio milenios. ejemplos precisos de lo que entendía por el movimien- La cultura griega privilegiaba las ideas sobre la to de los átomos; explicó que en una piedra o en un práctica. Sin embargo, muy cerca de allí, en Egipto, se pedazo de hierro los átomos pueden vibrar, mientras venía dando desde hacía años una forma de actuar
  • 189. 188 BLOQUE 3. LA MATERIA que ponía el acento en la práctica y, en este caso, en Los alquimistas creían en la transmutación de la la transformación de la materia. Los egipcios aislaron materia, de allí su mala fama de querer transformar el metales, inventaron perfumes, hicieron las primeras plomo en oro, lo que hizo que muchos charlatanes se botellas de vidrio y descubrieron la manera de conser- dijeran alquimistas y engañaran a cuanta persona var los cadáveres sin que se descompusieran (técnica pudieron. Uno de los más importantes e influyentes que hoy conocemos como momificación). El baño científicos de su época (la segunda parte del siglo XVII) maría y la destilación son algunas de las técnicas fue el químico Robert Boyle. A mitad de camino entre experimentales desarrolladas en la ciudad egipcia de Galileo y Newton, escribió El químico escéptico, libro Alejandría, donde Eratóstenes calculó la circunferen- en el que rechazó muchas de las místicas ideas anti- cia de la Tierra y donde estuvo la mayor biblioteca de guas y los abstractos modelos griegos de la materia y la Antigüedad. La alquimia se extendió por todo el definió, a partir de resultados experimentales, el con- Medio Oriente y con la conquista árabe de la penínsu- cepto moderno de elemento como una sustancia mate- la Ibérica llegó a Europa durante la Edad Media. La rial homogénea, que no puede simplificarse más o alquimia permitió el desarrollo de diversas técnicas descomponerse en otras sustancias por ningún proce- experimentales y con ello el descubrimiento de nuevos so físico o químico. Por otro lado, cuando estos áto- elementos. mos se unen, forman agregados mayores conocidos como moléculas. El famoso experimento de Von Guericke, generar el vacío al interior de las esferas, y los desarrollados por Torricelli, alumno de Galileo, llevaron a Boyle a expe- rimentar con gases y descubrir en ellos propiedades elásticas (véase ley de Boyle en la sección anterior) lo condujeron a aceptar el modelo atomista como posible explicación de sus resultados. a) b) c) En 1669 llegó a la ciudad de Hamburgo el ilustrísimo alquimista Henning Brand, quien sorprendió a todos los miembros de la corte con las extraordinarias propiedades nunca antes vistas del Boyle tomó un tubo largo de vidrio y lo dobló en forma elemento llamado fósforo. de J, cerrándolo por el extremo más corto a). Agregó Cuenta Brand, que al experimentar con todo lo mercurio por el extremo abierto, hasta que alcanzó una que caía en sus manos, en busca del sublime elíxir altura de 76 cm (y que corresponde a la presión de la vida, no se le escapaban las más diversas atmosférica) b). A partir de ese momento, en la medida sustancias. Así, un día decidió estudiar la orina que aumentaba la cantidad de mercurio (y con ello la humana. Para ello la evaporó hasta que destiló y presión sobre el aire que quedó atrapado), el volumen obtuvo un líquido rojo, el cual volvió a destilar hasta del gas en el lado cerrado disminuía c). conseguir en el fondo de la retorta un sólido negro. Después calentó este sólido hasta su transformación A lo largo de su intensa vida, Newton le dedicó más en una sustancia blanca, cerosa, que al disolverla en agua, ioh, lo más maravilloso!, brillaba en la tiempo a la química que a la física. En ambas disciplinas oscuridad, ardía espontáneamente al contacto con adoptó el modelo atomista, ya que permitía explicar el aire y producía una densa humareda blanca. desde el hecho de que los cristales de sal se disuelvan en Brand había descubierto un elemento que fue agua (por lo tanto, los líquidos no son continuos, sino que bautizado con el nombre de fósforo, por las poseen espacios vacíos) hasta que el olor de los perfu- palabras griegas phos, luz y phoros, portador. mes, el incienso o la comida caliente puedan llenar una
  • 190. BLOQUE 3. LA MATERIA 189habitación y una casa en pocos minutos (lo que indica 1. La siguiente es una gráfica de la ley de Charles,que los gases también poseen espacios vacíos, segura- en la que se indican cuatro puntos que relacionan elmente mayores que los de los líquidos, a través de los volumen con la temperatura de un gas (el experimen-cuales pueden viajar los átomos responsables del olor). to fue realizado alrededor de 1787). Newton aplicó estas ideas a la luz, a la que conside- • ¿Qué conclusiones puedes obtener de la misma?raba constituida por partículas extraordinariamente • ¿Cuál es el volumen de un gas a –273 ºC?pequeñas (átomos) que se movían en línea recta en el • ¿Cuál modelo de los estudiados en esta secciónaire y/o en el vacío. Como veremos más adelante, el explica mejor estos resultados?modelo atomista no explica la naturaleza de la luz, sinembargo, tiene algo de verdadero. 2. ¿Existe el vacío? Este experimento seguramente ya lo has hecho, lo Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones. que ahora importa es que lo expliques. • ¿Por qué el experimento de Boyle se puede expli- car con el modelo atomista y no con el de los cuatro Procedimiento elementos? a) Bebe agua de un vaso con un popote. • ¿Por qué con los mismos átomos hay agua sólida, b) ¿Por qué cuando aspiras sube el agua a través del líquida y gaseosa? popote? Dibuja en tu cuaderno qué sucede. • Una buena explicación “equivocada” es que el oro Con base en lo aquí analizado, explica cómo funcio- es dorado porque los átomos de oro son dorados. ¿El nan los destapacaños. Luego, comenta tus respues- color de un objeto, por ejemplo verde, se debe a que tas con tus compañeros y obtengan conclusiones. sus átomos son verdes? Anótalas en tu cuaderno. volumen, ml Temperatura, °C
  • 191. 190 BLOQUE 3. LA MATERIA Conexiones con tecnología y sociedad Cristales líquidos Se conocen como cristales líquidos ciertas sustancias cuyas propiedades se encuentran entre las de los sólidos y las de los líquidos. Pueden fluir y, sin embargo, sus moléculas están ordenadas siguiendo una orientación específica en el espacio. Orden creciente Desorden: estado líquido Todas las moléculas Todas las moléculas Moléculas alineadas o gaseoso alineadas, pero no en alineadas uniformemente, en filas y columnas filas y columnas pero no dentro de cada fila Sólido cristalino Cristales líquidos Modelo de los cristales líquidos. El efecto de la temperatura sobre un cristal líquido es el de desorientar sus moléculas, así que termina transformarlo en un líquido común. No obstante, antes pueden sufrir transformaciones en la forma como están ordenadas internamente. Por ejemplo, vienen acompañadas de cambios de color y de otras propiedades ópticas. Esta caracte- rística de los cristales líquidos se ha utilizado en la fabricación de termómetros caseros para tomar la temperatura (como una cinta que se coloca en la cabeza de las personas y en la que aparecen números que indican su temperatura). Otra de las características de los cristales líqui- dos es su sensibilidad a los campos eléctricos (los cuales estudiarás con más detalle en el Bloque 4) La pantalla de esta o magnéticos. Esta propiedad se ha aprovechado calculadora es una para fabricar carátulas de relojes, calculadoras y aplicación de los pantallas de televisión y computadoras. cristales líquidos.
  • 192. BLOQUE 3. LA MATERIA 191 Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras explica qué entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: átomo, partícula, experimen- to, luz, presión, elemento.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferen- tes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál es el más adecuado para tu curso.2 Para realizar con tu profesor2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático del final y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 185. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas.2.2 ¿Átomos? Cuando rompes un cubo de azúcar se desmenuza en miles de pequeños cristales. Estos cristales son como los ladrillos que forman una pared, es decir, los bloques que permiten construirla (esto es un modelo). Cuando los cristales de azúcar se disuelven en un vaso con agua, se rompen otra vez las moléculas de azúcar. Las moléculas de azúcar son los bloques que permiten construir un cristal de azúcar y se pueden romper en átomos, por lo que éstos son los bloques que permiten construir todo lo que nos rodea. Los átomos se unen para formar moléculas. Piensa en una pared de ladrillos. Las moléculas se unen para formar cristales, los cuales forman los ladrillos de la pared. Los ladrillos forman la pared.• Si una pared de ladrillos es de 23 m de longitud y tiene 100 ladrillos en cada fila, calcula la longitud de cada ladrillo.• Si hay 200 cristales a lo largo de cada ladrillo, calcula la longitud de cada cristal.• Si hay un millón de moléculas a lo largo de cada cristal, calcula la longitud de cada molécula.• Si hay cinco átomos pegados a lo largo de cada molécula, calcula la longitud de cada átomo.• ¿Qué conclusión obtienes sobre el tamaño de los átomos?• ¿Cuáles son las similitudes y las limitaciones del modelo que se ha utilizado?Si los ladrillos de una pared son como los cristales, ¿cómo serán las moléculas que los forman?
  • 193. 192 BLOQUE 3. LA MATERIA 2.3 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Modelos de la materia la materia es la materia es discontinua continua y el modelo más y algunos utilizado es el de modelos son de Leucipo y Demócrito Anaxágoras Empédocles y Aristóteles 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Construir modelos de la estructura de la materia y probar la capacidad de explicar y predecir las propiedades generales de la materia. Analizar algunas de las ideas relacionadas con la composición de la materia que se han pro- puesto en la historia de la humanidad y compararlas con las ideas propias.
  • 194. Lo que no percibimos de la materia TEMA 2.2 La construcción de un modelo 2 para explicar la materia Eso quiere decir que otra vez vamos Lo de sólido lo Los gases y los líquidos a estudiar los estados de agregación Y que el gas entiendo bien, pero son fluidos. Se llaman así de la materia. ¿Para qué, si ya ocupa todo el lo de fluido no me porque fluyen, es decir, se sabemos las diferencias entre el volumen del queda muy claro. mueven. estado sólido, el líquido y el gaseoso? recipiente. Otra vez nos van a repetir que el estado líquido adopta la forma del recipiente que lo contiene. Pero una piedra se hunde, y nosotros, si no nadamos, también Quizá es porque hay nos hundimos en el agua. Por eso sólidos que son se ahogó el héroe del Titanic. más sólidos que otros.Y que siempre los Además, los hielos,sólidos se hunden que son sólidos, en los líquidos. flotan en el agua. Eso no es cierto. La madera flota en el agua de mar. Por eso se pudo salvar la heroína del Titanic. ¿Qué crees que quiere decir “sólidos más sólidos que otros”? Una piedra puede hundirse en el agua, ¿pero en mercurio? Si colocas en un recipiente agua y aceite, ¿qué sucede tarde o temprano? ¿Por qué? ¿Qué diferencia existirá en la constitución del agua y en la constitución del aceite para que suceda lo anterior? Tú, ¿si no nadas te hundes? ¿La materia sólo ocupa un espacio determinado, o puede expandirse? En esta sección estudiaremos: • El desarrollo histórico del modelo cinético de partículas de la materia: de Newton a Boltzmann. • Aspectos básicos del modelo cinético de partículas. • Volumen, masa, densidad y estados físicos interpretados con el modelo cinético de partículas. 193
  • 195. 194 BLOQUE 3. LA MATERIA Predigo-Observo-Explico Cómo inflar un globo... Sin soplar Con mis compañeros y mi profesor Necesitas • 1 globo pequeño • 1 botella larga con un cuello angosto • 1 recipiente para agua caliente Procedimiento 1. Coloca el globo en el cuello de la botella. 2. Llena el recipiente con agua caliente. Predicción • ¿Cómo cambiará el volumen del globo? • Justifica la predicción. Observación Pon dentro del recipiente la botella con el globo, como se muestra en la figura. Explicación Explica con tus propias palabras lo que sucede y compáralo con tu predicción. Utiliza de ser posible el modelo cinético de partículas. En este experimento ¿qué piensas que ocurre con el Comparte tu resultado con el resto de tus com- peso del aire contenido en la botella? ¿Aumenta o dis- pañeros y tu profesor. minuye? ¿Y con el peso del agua? El desarrollo histórico del modelo cinético de partículas Aspectos básicos del modelo cinético de partículas de la materia: de Newton a Boltzmann El modelo cinético de partículas asume que toda la Con Newton, y luego Dalton, el modelo atómico de la materia: materia fue ampliamente utilizado para explicar muchas de las reacciones químicas y algunos de los procesos • La forman partículas discretas, es decir, que son dis- físicos. En 1808, John Dalton reconoció que había áto- continuas y se pueden numerar. mos diferentes que correspondían a los diversos tipos de • Las partículas tienen energía cinética y están en materia, que componían todo lo que existe y que cada constante movimiento. átomo tenía un peso distinto. De esta manera, el átomo • Las partículas de los sólidos vibran alrededor de posi- de hidrógeno, la sustancia más ligera de todas las cono- ciones fijas y están muy cerca unas de otras. cidas, era diferente al del oxígeno o del cobre. A estas • Las partículas en los líquidos se mueven libremente explicaciones, fundamentalmente estáticas, se agregó y están relativamente cerca unas de otras. después el trabajo del austriaco Boltzmann, quien iden- • Las partículas en los gases están muy separadas las tificó que las partículas, al estar en movimiento, tendrí- unas de las otras. an una energía cinética, la cual estaría relacionada con • Cuando se le transfiere energía cinética a un sólido o su temperatura. a un líquido en forma de calor, las partículas de éstos Muchos insectos se comunican por medio de sustan- vibran más rápido y se separan entre sí. cias llamadas feromonas, las cuales sólo ellos pueden • El tamaño de las partículas no cambia cuando una detectar y mezclar en el aire sólo. Investiga los mecanis- sustancia se calienta. mos de comunicación de las polillas o las hormigas • En los sólidos y los líquidos hay fuerzas que mantie- mediante sus feromonas. nen unidas a las partículas.
  • 196. BLOQUE 3. LA MATERIA 195 Según el modelo cinético de la materia contesta en Ahora llena la jeringa con agua e intenta comprimir- tu cuaderno: la con el émbolo. ¿Pudiste? ¿Por qué? • ¿Qué les sucede a las moléculas de un sólido que 2. Cuando hierves agua y quedan en la superficie al calentarlas se convierten en líquido? pequeñas impurezas, ¿qué les sucede mientras el • ¿Qué les sucede a las moléculas de un líquido que agua va aumentando la temperatura? Lo anterior se al calentarlas se convierten en gas? conoce como efecto browniano. Investiga con más • ¿Por qué, en ciertas circunstancias, al presionar un detalle en Internet y cita las páginas de donde obtu- gas se puede convertir en un líquido? ¿Qué sucede viste información. con las moléculas? Volumen, masa, densidad y estados físicos interpretados 1. Llena una jeringa con aire (sin aguja). Tapa el con el modelo cinético de partículas orificio de la jeringa y presiona el émbolo para Muchas de las propiedades de la materia se pueden inter- intentar comprimir el aire. ¿Pudiste? ¿Por qué? pretar con este modelo, como se muestra a continuación: Hechos Modelo Sólidos• Tienen forma definida. Las partículas que lo forman se encuentran muy cerca-• Muchos de ellos se presentan en forma de cristales. nas y están ordenadas en forma de una red tridimensio-• Su densidad es, en general, mayor que la de los líqui- nal. La interacción entre ellas es fuerte y, por tanto, no se dos y la de los gases, por lo que muchos de ellos flo- pueden mover a gran velocidad hacia otros sitios. Las tan en agua. partículas tienen poca energía cinética. Líquidos• Toman la forma del La interacción entre las partículas es menor, por lo que recipiente que los su movilidad es mayor, lo que le permite tomar la forma contiene. del recipiente que los contiene. Se puede decir que• Tienen volumen fijo. ruedan unas sobre otras.• Su densidad es, en general, mayor que la de los gases y menor que la de los sólidos.
  • 197. 196 BLOQUE 3. LA MATERIA Hechos Modelo Gases • Su forma y volumen son variables, ocupan todo el La distancia entre las partículas es aún mayor que en recipiente en el que se encuentran. los líquidos. Se puede decir que las partículas en un gas • Si el volumen del recipiente se reduce, el volumen tienen muy poca interacción entre ellas, sin embargo de la materia en estado gaseoso también disminuye. colisionan constantemente. Debido a eso se mueven • Tienen baja densidad. por todas partes. Por esta razón, son capaces de llenar todo el recipiente que las contiene. Sólidos • No se deforman, ni fluyen, ni se mezclan entre sí. Las partículas tienen poca energía cinética. Los sólidos no fluyen porque la interacción entre las partículas que los forman es muy grande. Líquidos • Se pueden deformar. La energía cinética de las partículas es mayor que cuan- • Se pueden mezclar. do están en estado sólido. Sin embargo, no es suficien- te como para superar las fuerzas de atracción que hay entre ellas.
  • 198. BLOQUE 3. LA MATERIA 197 Hechos Modelo Gases • Se pueden deformar. Las partículas tienen mayor energía cinética que en • Se mezclan fácilmente. los otros dos estados de agregación. Se mueven con- tinuamente a altas velocidades. Reflexiona y contesta en tu cuaderno. Debido a su diferencia de densidad, por lo general se • ¿Por qué el aire caliente es menos denso que el aire puede pensar que los sólidos se hunden en los líquidos frío? y en los gases, pero esto no siempre es así. • ¿En qué se diferencian la densidad y la viscosidad? • Si la sal es sólida, ¿por qué se comporta como un líquido y adquiere la forma del recipiente que lo con- tiene? Diseñen un experimento para colocar en orden de viscosidad y densidad (de menos a más) los siguien- tes líquidos: agua, aceite, miel, alcohol. En los líquidos, la diferencia de densidad provocaque un líquido se hunda en otro. Aquel que se queda enel fondo del recipiente es el que tiene mayor densidad. El agua es una de las pocas sustancias conocidas en las que, en su forma sólida, es menos densa que en su forma líquida (por eso flotan los cubos de hielo en agua). En la mayoría de las sustancias es al revés, en su forma sólida, al tener más partículas en el mismo volumen, son más densas y se hunden en su propio líquido. El estado gaseoso es el menos denso de los estados de la materia. Por esta razón, la materia sólida o líquida no flota en el aire, siempre queda hundida en el estado gaseoso. En los líquidos, las partículas individuales se pueden mover unas con respecto de otras. La facilidad o dificul- tad con la que lo hagan depende de las fuerzas de atrac- ción entre ellas. A la resistencia de los líquidos a fluir se le llama viscosidad. Mientras más grande sea ésta,El aceite es un líquido menos denso que el agua, por eso flota enella, mientras que el mercurio es más denso y se hunde. mayor será la resistencia del líquido al movimiento.
  • 199. 198 BLOQUE 3. LA MATERIA Comenta con tus compañeros y obtengan conclusiones. Cuando a la materia se le transmite calor se aumen- • Algunos científicos dicen que los vidrios son líqui- ta la energía cinética de las partículas que la forman. Al dos sobreenfriados, ¿qué harías para saber si son tener mayor energía cinética, las partículas se mueven sólidos o líquidos? más, hasta que las fuerzas de atracción ya no son capa- • ¿Por qué se calienta un líquido para que se eva- ces de mantenerlas juntas y se separan. Al hacerlo, ocu- pore? rren los cambios de estado físico. A pesar de que el modelo cinético explica muchos de En un embudo vierte un litro de agua. Toma el tiem- los hechos y fenómenos de la materia, no es el que po en que toda el agua fluye. mejor lo hace. Sin embargo, para los requisitos de este Entre todo el grupo consigan un litro de miel de abeja curso de física es el más adecuado. (después del experimento pueden ocuparla como ali- mento). Dejen fluir el litro de miel por el mismo embu- do donde dejaron fluir el agua. Tomen el tiempo. Ahora, dejen fluir un litro de champú (de igual mane- ra, lo reparten entre todos y lo utilizan, no se tiene que desperdiciar). También tomen el tiempo en que fluye. • ¿Cuál de las tres sustancias es más viscosa? • ¿Qué sucede a nivel molecular para que esta sus- tancia sea más viscosa? Investiga en Internet citando tus fuentes: • ¿Qué sucede en las paredes del recipiente donde fluye un líquido muy viscoso? ¿Por qué? • El vidrio es un fluido o un sólido. ¿Es viscoso el vidrio? Es importante recordar que la densidad no es lo mismo que la viscosidad. La densidad es el cociente entre la masa y el volumen. La viscosidad es la resisten- cia al movimiento. A los gases y a los líquidos, dado que Modelo del modelo. Si tres personas tomadas de las manos tienen muchas propiedades parecidas entre sí y distin- comienzan a saltar y a dar vueltas rápidamente al mismo tas de las de los sólidos, se les conoce también con un tiempo, cada vez será más difícil que se mantengan unidas. nombre común: fluidos, ya que fluyen, son viscosos. Así se explica que, al incrementar la energía cinética de las partículas (aquí son representadas por las personas) pasen del estado sólido, al líquido y finalmente al gaseoso. 1. Investiga la densidad de diferentes sustancias en los tres estados de agregación (por ejemplo: agua, mercurio, aceite, hierro y oxígeno). Construye una gráfica en la que unas con una línea continua los estados gaseoso, líquido y sólido. Indica qué conclu- yes de ella. 2. ¿Y si las moléculas fueran del tamaño de guantes de box? En el momento de leer estas líneas estás siendo golpeado, sólo en tu nariz, más de 103 billones de veces. Esto se debe a que el aire está formado por millones de millones de pequeñísimas partículas llamadas moléculas. Éstas son como los pequeños puntos que aparecen en el nombre de esta sección, pero a diferencia de ellos son muchísimo más pequeños, invisibles para los microscopios más poderosos. Por ser tan pequeñas, no te duele cuan- do te golpean la nariz. ¿Qué pasaría si fueran 10 Cuando los mezclas, el aceite se queda en la parte de arriba veces mayores? ¿Y 100 veces? ¿Qué dimensiones del recipiente con agua. Sin embargo el aceite es más viscoso necesitarían tener para poder observarlas con un que el agua. microscopio compuesto?
  • 200. BLOQUE 3. LA MATERIA 199 Conexiones con tecnología y sociedadLudwig BoltzmannNació en la ciudad de Viena, capital delimperio austro-húngaro, el 20 de febre-ro de 1844. Este físico destacado des-arrolló el modelo cinético molecular, elcual suponía la existencia de átomos ymoléculas. Muchos de sus colegas noaceptaron el modelo de Boltzmann; porlo que constantemente cambió de lugarde trabajo. Impartió clases en Graz,Leipzig y Viena, hasta que se suicidó en1906. Se piensa que el antagonismo asu trabajo, por algunos de los físicosmás destacados de la época, le causólos trastornos psíquicos que posterior-mente lo llevaron a acabar con su vida.En su tumba, en Viena, está escrita sufamosa fórmula para la entropía (iden-tificada con la letra S), y que es la mag-nitud de un sistema a través de la cualse puede reconocer qué tan ordenado odesordenado se encuentra; a mayorentropía, mayor desorden) y tambiénaparece la hoy conocida como constan-te de Boltzmann (k). Unos años des-pués de su muerte, las investigacionesdel físico francés J. Perrin confirmaronlas ideas de Boltzmann, lo que conven-ció a la comunidad científica mundialde la existencia de los átomos. Investiga acerca de los trabajos de J. Perrin. Menciona tus fuentes consultadas.Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras explica qué entiendes al escuchar y leer los siguientes conceptos: modelo, energía cinética, densidad, fluir, volumen, materia, viscosidad.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son dife- rentes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál es el más adecuado para tu curso.
  • 201. 200 BLOQUE 3. LA MATERIA 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático del final y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 193. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 Explica la diferencia de viscosidad entre el agua y el aceite, a partir del modelo cinético. 2.3 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y tu explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta. 3 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tus compañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Modelo cinético de todas las partículas partículas toda la materia tienen está formada por energía partículas la que es cinética discretas mayor menor en los gases en los sólidos 4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Identificar los cambios a lo largo de la historia del modelo cinético de partículas y asociarlos con el carácter inacabado de la ciencia. Valorar la contribución desde Newton a Boltzman para llegar a la construcción del modelo ciné- tico. Describir los aspectos que conforman el modelo cinético de partículas y explicar el papel que des- empeña la velocidad de las partículas en el modelo cinético. Comparar y explicar el comportamiento y propiedades de la materia en sus distintos estados de agregación a partir de los aspectos del modelo de partículas.
  • 202. Cómo cambia el estado de la materia TEMA 33.1 Calor y temperatura, ¿son lo mismo? Voy a hacerlo, pero acuérdate de que el frío no entra. Alicia, cierra ¿Cómo voy a la ventana, que acordarme, si está entrando Pues por eso los van a reprobar. No sólo pienso en frío. hacen más que mirarse durante todas Benito? las clases. No hay quién los aguante. La maestra nos explicó clarito que el frío no entra a ningún lado, lo que pasa es que el calor sale. ¿Y por eso nos da frío? ¿Y te acuerdas Nunca lo hubiera de lo de la Claro, pero que eso es un error: todos pensado, así que es el temperatura? los cuerpos tienen temperatura, calor el que sale. Bueno, algunos más y otros menos, pero ¿Aquello de que los ya aprendí algo. todos la tienen. ¡Andas en otro planeta! cuerpos que están fríos no tienen temperatura?¿De qué depende que sintamos frío o caliente un cuerpo al tocarlo? Si tenemos unataza de café a 80 grados celsius (°C) y le agregamos leche a 5 °C, ¿qué le pasa alcafé y qué le pasa a la leche? ¿Cómo será el volumen de la mezcla respecto delvolumen del café a 80°C? Si tienes sobre la mesa una taza de metal y otra de barro,y ya llevan mucho tiempo ahí, ¿cuál se encuentra más fría? ¿Por qué? En esta sección estudiaremos: • Experiencias cotidianas relacionadas con el calor y la temperatura. • La explicación de la temperatura en términos del modelo cinético. La medición de la temperatura. • La explicación del calor en términos del modelo cinético. La energía térmica • Las diferencias entre calor y temperatura. • Las transformaciones entre calor y otras formas de energía. • El principio de conservación de la energía. 201
  • 203. 202 BLOQUE 3. LA MATERIA Predigo-Observo-Explico Dilatación Con mis compañeros y mi profesor Necesitas 6. El montaje te debe quedar igual al de la figura. • 1 barra de metal delgada, de aproximadamente 50 cm de largo Predicción • 2 pedazos de vidrio • ¿Qué va a pasar con el popote cuando se prendan • 1 popote las velas? • 1 alfiler • Justifica la predicción. • Cuatro o cinco velas • Varios libros Observación Realiza el experimento. Procedimiento 1. Coloca dos pilas de libros de la misma altura. Explicación Explica con tus palabras qué sucede y compáralo con 2. Coloca la barra de metal, como se muestra en la tu predicción. Considera la función de los pedazos de figura, sobre los pedazos de vidrio y luego sobre vidrio y de qué manera el número de velas es una varia- los libros. ble en el experimento. 3. En un extremo de la barra, coloca un libro para Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- que impida el movimiento en ese lado. ros y tu profesor. 4. Clava el alfiler al popote y ponlo, como se mues- ¿Lo que sucede a la tira metálica en el experimento tra en la figura, para que pueda girar libremente. se presenta en objetos que observas en tu vida cotidia- na? ¿En cuál(es)? 5. Pon debajo de la barra cuatro o cinco velas.
  • 204. BLOQUE 3. LA MATERIA 203Experiencias cotidianas relacionadas con el calor y la El calor es una propiedad extensiva, es decir, dependetemperatura. La energía térmica de la cantidad de materia. El calor es una forma de energíaEl calor afecta el tamaño de los objetos. en transmisión y, como tal, se mide en joules, pero hay Cuando la mayoría de los objetos se calientan, se una antigua tradición y uso generalizado de medirlo tam-dilatan; es decir, su tamaño se incrementa. bién en calorías. Una caloría es igual a 4.184 J y es el Cuando la mayoría de los objetos se enfrían, se con- calor necesario para elevar un kelvin la temperatura detraen; es decir, su tamaño disminuye. un gramo de agua. Por raro que parezca, los cuerpos no Los líquidos se dilatan más que los sólidos. Los gases tienen calor acumulado y éste solamente existe cuandose dilatan más que los líquidos, por tanto, se dilatan hay un intercambio de energía.mucho más que los sólidos. El calor, o energía térmica, es una propiedad exten- siva. Por ejemplo, cuando una persona está a dieta, ajusta la cantidad de comida que ingiere. Menos comi- da significan menos calorías. De esta forma se reduce la cantidad de calor que se produce por efecto de la comi- da y el individuo usa sus reservas y adelgaza. La temperatura es la magnitud que permite medir qué tan caliente o frío está un objeto, y es uno de los parámetros que describen el estado de un sistema. Es una propiedad macroscópica que expresa el estado de agitación o movimiento desordenado de las partículas del cuerpo (desde un gas, los océanos o un puente, hasta el Sol) y está relacionada con la energía cinética de las partículas. La explicación de la temperatura en términos del modelo cinético. La medición de la temperatura El modelo cinético indica que, a mayor temperatura, es mayor la velocidad de las partículas. Lo anterior se representa de manera cualitativa en la siguiente figu- ra, en la que se grafica la velocidad de las partículas (en el eje de las “X”) contra el número de ellas. En el eje de las “Y” se indica el número de partículas para una determinada temperatura. Allí puede observarse que a 298 K, la velocidad máxima de las partículas es menor que a 1 500 K, y lo que es más importante: que a la temperatura más baja hay mucho más partículas con menor velocidad que a mayor temperatura, donde el punto máximo de la curva corresponde a una mayor velocidad. Algunos globos funcionan calentando el aire que hay en su interior, el cual al dilatarse aumenta su volumen, con 5 lo que disminuye su densidad (una vez que el volumen es constante dentro del globo), y por lo tanto, pueden volar. 298 K La dilatación de los cuerpos por el calor puede ser un problema grave en varios tipos de construcciones; por número de partículas ejemplo, en los puentes, en las estructuras de los edi- ficios o en las vías de los ferrocarriles. Investiga en páginas de Internet, qué tanto se dilatan los siguien- tes materiales. Recuerda que debes indicar entre qué temperatura y qué temperatura se proporcionan los datos y la longitud inicial y final del alambre del metal. 1500 K • Oro • Plata • Cobre • Plomo • Aluminio 5 • Zinc • Bronce velocidad
  • 205. 204 BLOQUE 3. LA MATERIA Reflexiona y contesta en tu cuaderno: ¿Cómo explica el modelo cinético la dilatación de un gas al aumentar la temperatura? La explicación del calor en términos del modelo cinético El calor es la transferencia de energía de un objeto a otro, debido a una diferencia de temperatura entre ambos. Un cuerpo tiene la capacidad de transferir ener- gía a otro que está a menor temperatura. Sin embargo, la materia en sí misma no contiene calor. Según el modelo cinético, las partículas que la forman tienen energía cinética, pero no contienen calor. El calor siem- pre es energía en tránsito. El flujo de calor siempre se Representación a partir del modelo cinético molecular realiza en una dirección: la temperatura indica la direc- de un cuerpo frío cuyas partículas están moviéndose a ción en la que se va a transferir el calor, el cual es una menor velocidad forma de energía, como tal, se mide en joules. Cuando dos objetos están a distinta temperatura y se El modelo cinético indica que a mayor temperatura, mayor ponen en contacto, después de cierto tiempo alcanzan velocidad de las partículas, y a menor temperatura, menor una misma temperatura, que llamamos de equilibrio tér- velocidad. La velocidad de las partículas es semejante mico. El caliente se enfría y el frío se calienta, hasta que cuando se alcanza el equilibrio térmico. ambos quedan a la misma temperatura. Esto ocurre siempre y es el principio que se utiliza para construir 1. Existen muchos tipos de termómetros, unos muy los termómetros. simples. Pero la mayoría funciona con el mismo principio: la dilatación de un cuerpo. Busca en Internet la manera en que puedas construir un termómetro sencillo. Te pue- des basar en el termómetro que utiliza alcohol coloreado, objeto caliente objeto frío un frasco, plastilina y un popo- te. Aunque puedes realizar tibio (por equipos de cinco inte- grantes) cualquier otro. Con ayuda de un termómetro tradicional (de fábrica), coloca marcas sobre el tuyo para indi- car varias temperaturas, digamos El calor se transfiere de los objetos que están a mayor temperatura a los que están a menor temperatura. unas 10. Muestra tu trabajo a todo el grupo. 2. Investiga en Internet, obteniendo imágenes, qué es y cómo funciona un “termómetro de Galileo”. Explica con detalle su funcionamiento. ¿De qué manera podrías construir uno para tu clase? ¿Con qué materiales? La temperatura es una propiedad intensiva, es decir, no depende de la cantidad de materia. La unidad de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades es el kelvin, pero casi en todo el mundo se acostumbra usar los grados Celsius. La temperatura es una propiedad intensiva. Un termó- metro, el instrumento más usual para medir esta propie- dad de la materia, indicará la misma temperatura en un vaso de agua hirviendo que en una olla de agua hirvien- do. De igual manera, puede haber hielo a –4 grados cen- Representación a partir del modelo cinético tígrados y un iceberg a –20 grados centígrados. Como es molecular de un cuerpo caliente cuyas partículas una propiedad intensiva, la temperatura no nos indica la están moviéndose a gran velocidad cantidad de materia presente durante la medición.
  • 206. BLOQUE 3. LA MATERIA 205Las diferencias entre calor y temperatura están relacionados con los grados centígrados como loEl calor y la temperatura son diferentes. Por ejemplo, muestran las siguientes fórmulas:dos quemadores de la misma estufa producen la mismacantidad de calor. Los termómetros pueden medir la temperatura por Tc + 273.15 = Tk Tk – 273.15 = Tcmedio de la expansión y la contracción de un líquido(comúnmente mercurio o alcohol coloreado), a partir delequilibrio térmico. Para medir la temperatura hay dife- Estados Unidos es uno de los pocos países donderentes escalas. La más usual es la Celsius (de Anders aún se utiliza la escala Fahrenheit. La escala FahrenheitCelsius) o centígrada. (llamada así en honor de Gabriel Daniel Fahrenheit, su creador) asigna el número 32 a la temperatura a la que el hielo se funde, y el número 212 a la temperatura de ebullición del agua. Celsius Kelvin Fahrenheit 200 ºC 473 K 392 ºF El punto de fusión del hielo 100 ºC 373 K 212 ºF se determina colocando el bulbo del termómetro en un recipiente que contenga hielo en estado de fusión 0 ºC 273 K 32 ºF –17.8 ºC 255.4 K 0 ºF –100 ºC 173 K –148 ºF –273 ºC 0K –459.4 ºF Escalas de temperatura. El punto de ebullición del agua se determina introduciendo el bulbo del 1. ¿Cuál es la temperatura de ebullición del agua termómetro en un recipiente en K? que contenga agua 2. El helio ebulle a 4.22 K, ¿cuál es esta temperatu- hirviendo ra en grados Celsius? Las transformaciones entre calor y otras formas de energía Al medir la temperatura de dos objetos diferentes pode- mos saber la dirección en la que se transfiere calor, que La escala de temperatura que prefieren los científi- siempre es del objeto más caliente al más frío. Algunoscos y aceptada en el Sistema Internacional de Unidades ejemplos son:es la escala Kelvin (nombrada así en honor de LordKelvin, su creador). Esta escala se construye con base • El Sol está más caliente que la Tierra y por eso leen la energía y no toma como referencia la ebullición o transfiere calor.congelación del agua. El número cero se asocia con la • Una chimenea está más caliente que el aire y por esotemperatura más baja posible y con el estado en el que la utilizamos para calentar una habitación.una sustancia no tiene absolutamente nada de energía • Un recipiente de metal con agua hirviendo en sucinética. Como la energía no puede ser negativa, esta interior está más caliente que nuestra mano (cuyaescala no tiene números negativos. temperatura generalmente es de 37 ºC), y por eso nos Las unidades en la escala Kelvin son del mismo quemamos cuando la tocamos sin guantes.tamaño que las unidades en la escala centígrada. Latemperatura de fusión del hielo es 273.15 K, de tal En estos ejemplos, el calor se transfiere desde elforma que 0 K corresponden a –273.15 °C. Los kelvin objeto que tiene mayor temperatura al de menor tempe-
  • 207. 206 BLOQUE 3. LA MATERIA ratura. La dirección del flujo del calor es la misma, sin transmite a su superficie, para después disiparse embargo, la forma de hacerlo es diferente. hacia el espacio, incluyendo a nuestro planeta. Investiga en páginas de Internet, citando de dónde El calor se propaga de tres maneras: obtuviste las respuestas, y contesta lo siguiente poco a poco. Conducción, por ejemplo, a través de los metales. • ¿De dónde proviene el calor que se genera en el Convección, por ejemplo, a través de agua y el aire. interior del planeta? Radiación, por ejemplo, en el vacío. • ¿Cómo está constituido el interior del planeta? • Explica con detalle cómo se transfiere el calor del interior del planeta a su superficie. En esta explica- ción debe quedar claro lo siguiente: a) ¿Qué es la convección terrestre? b) ¿Qué son las celdas de convección? c) ¿Qué son las placas tectónicas? (Revisa el Blo- que 1.) d) ¿Por qué se producen los temblores y las erupcio- nes volcánicas? (Revisa el Bloque 1.) 2. La materia tiene diferente capacidad para absor- ber el calor. Esto se mide con la capacidad calorí- fica. La capacidad calorífica es una propiedad que se define como la energía que debe transferirse a un gramo de una sustancia específica para que su temperatura se eleve un grado centígrado. Si la capacidad calorífica es pequeña, significa que se necesita menos calor para elevar su temperatura. Transmisión del calor por convección. A continuación se muestran las capacidades ca- loríficas de diversos materiales. Grafícalos en orden ascendente. Comenta con tus compañeros y obtengan cnclusio- nes. • ¿Por qué no te quemas cuando agarras una Capacidad Capacidad cuchara de madera que dejaste en una olla Material calorífica Material calorífica específica específica caliente, y no te pasa lo mismo con una cuchara (J/kg K) (J/kg K) de metal? • Un día Benito puso en su congelador dos mol- Aire 1 000 Plomo 130 des para hacer hielos, uno con agua fría y otro Alcohol etílico 2 400 Mercurio 14 con agua caliente. Para su sorpresa, después de un rato el molde que había llenado con agua Aluminio 920 Plata 230 caliente ya estaba congelado, mientras que el que Bronce 390 Suelo seco 840 contenía el agua fría seguía en estado líquido. ¿Por qué pasó esto? Cobre 385 Vapor 2 000 • Alicia fue al congelador de su casa y agarró una Vidrio 880 Agua 4 190 charola metálica que estaba adentro. Para su Oro 130 Madera 1 800 dolorosa sorpresa, su mano se quedó pegada a la charola. Roberto, que estaba con ella, le indicó Hielo 2 100 Zinc 390 que inmediatamente metiera la mano con la cha- Hierro 480 rola en agua corriente en el fregadero, donde finalmente pudo separarla. ¿Por qué se pegó su mano a la charola? • ¿Qué concluyes de la naturaleza de los materia- les y su capacidad calorífica? 1. La manera en que el calor del interior de la Tierra se propaga a la superficie del planeta (y por • ¿Puedes explicar con esta información por qué eso en ocasiones hay erupciones volcánicas) es es más peligrosa una quemadura con vapor de muy similar a como el calor del interior del Sol se agua que con agua caliente?
  • 208. BLOQUE 3. LA MATERIA 207 Corriente caliente Corriente fría Tierra (caliente) Tierra (fría) Mar (frío) Mar (caliente) El Sol le transmite calor a la Tierra y a los demás planetas, por radiación. A la energía que se transmite de esta forma se le llama energía radiante. Cualquier cuerpo al que le llegue calor de esta manera tiene la capacidad de absorberla, reflejarla o transmitirla. Cuando la absorbe, aumenta la energía cinética de sus partículas, y con eso aumenta su temperatura. Por esta razón, cuando tu piel absorbe la energía radiante del Sol, sientes que se te quita el frío. La energía radiante del Sol es absorbida y transmitida por una superficie negra a). Si la superficie es blanca b), dicha energía es reflejada: se transmite una parte pequeña. Cuando la energía incide en una superficie plateada, prácticamente es reflejada c). a) b) c) Para finalizar esta sección, hay que insistir en que elcalor y la temperatura no son lo mismo. Por ejemplo, sien uno de los quemadores de una estufa se coloca unrecipiente con cierta cantidad de agua, y en el otro unrecipiente idéntico pero con el doble de agua, y ambosse calientan por un par de minutos (ahora ya sabes quees por convección), se les habrá aplicado la misma can-tidad de calor, pero la temperatura entre uno y otro noserá la misma, pues la cantidad de agua en cada reci-piente es diferente. Se necesita transferir más calor para elevar la temperatura de un litro de agua, que el necesario para elevar la temperatura de medio litro. ¿Cuál tendrá mayor temperatura?
  • 209. 208 BLOQUE 3. LA MATERIA El principio de conservación de la energía Necesitas De todo lo anterior y de muchos más experimentos se • 1 pequeña olla alcanzó una de las mayores generalizaciones de la físi- • 1 embudo ca: la ley de la conservación de la energía, que estable- • 1 tapa de corcho ce que: “La energía no se crea ni se destruye. Se puede • 3 alambres delgados, uno más grande que los dos transformar de una forma en otra, pero la cantidad total restantes de energía no cambia jamás”. • 4 alfileres • 4 pedazos de papel (2 a 3 cm) 1. Vapor para generar movimiento. Con este experimento aprenderás el principio de las 2. Mucha energía eléctrica se desperdicia en calor máquinas de vapor. que no se ocupa para nada. Por ejemplo, los focos que utilizamos para iluminarnos, es decir, “gene- Procedimiento rar luz”, desperdician mucha energía en calor. 1. Llena la olla con agua y ponla a hervir. Cuando conocemos la eficiencia de los aparatos 2. Atraviesa el corcho con el alambre largo. (como los focos) sabemos qué tanta energía que 3. Forma, con los pedazos de papel, pequeñas velas (como utilizan se aprovecha. Así, un foco, por decir, tiene las de un barco) e insértalas en el alambre del corcho. una eficiencia de 60%, quiere decir que 40% de 4. Usa los alambres pequeños para sujetar el monta- esa energía se desperdicia en calor y no se aprove- je del experimento. cha. Investiga en libros, revistas o Internet, citan- 5. Cuando el agua esté evaporándose, tapa la olla do tus fuentes, la eficiencia de los siguientes apa- con el embudo y dirige el vapor al corcho. ratos. Preguntas • Foco de filamento de 100 W. • ¿Cuál es la fuente original de energía que hace que • Televisión de cinescopio. el corcho se mueva? • Automóvil nuevo (aunque la energía que se sumi- • ¿Qué tipos de energía encontramos en este experimento? nistra aquí es de combustión). • ¿Qué variables afectan la velocidad de rotación del • Computadora común con cinescopio (CRT). corcho? • Computadora laptop.
  • 210. BLOQUE 3. LA MATERIA 209 Conexiones con tecnología y sociedadTermómetrosUn termómetro mide la temperatura a la que se encuentra un objeto en contacto con él. En los termómetros se utiliza la contracción y dilatación de los líquidos, como el mercurio. Cuandoel mercurio del bulbo se calienta, se expande hacia arriba del estrecho tubo capilar e indica la tem-peratura del objeto deseado. El mercurio se utiliza en termómetros porque: • Es claramente visible, incluso en el tubo capilar estrecho. • Se expande con mucha regularidad con los cambios de temperatura. • Se puede utilizar en un amplio rango de temperaturas, es decir, 240 a 350 °C. El mercurio es venenoso, por lo que a veces se Escala restringida para mayorusa alcohol como alternativa. El alcohol es un exactitud en las lecturaslíquido incoloro, así que, para hacerlo visible, se bulbole añade un tinte (generalmente azul o rojo).Además, el alcohol es más barato y puede uti-lizarse para marcar temperaturas mucho 43ºCmás bajas que el termómetro de mercurio, 35ºC termómetro clínicopero no puede utilizarse para medir tempe-raturas más altas. Actualmente hay termómetros que funcionan con cristales líquidos, que dependiendo de latemperatura a la que se encuentren se ordenan (véase página 190) y permiten “leer” la temperatura ala que se encuentra el objeto con el que están en contacto. Termómetros digitales.
  • 211. 210 BLOQUE 3. LA MATERIA Revisión 1 Sobre el significado de los conceptos 1.1 Con tus palabras explica qué entiendes al escuchar o leer los siguientes conceptos: calor, temperatura, dilata- ción, convección, conducción, radiación, energía cinética, ebullición, fusión. 1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un diccionario y/o enciclopedia su significado. Si son diferen- tes, busca en otros documentos y pregúntale a tu profesor cuál es el más adecuado para tu curso. 2 Para realizar con tu profesor 2.1 Después de estudiar esta sección, revisa el resumen esquemático del final y analiza con tus compañeros lo que se dice en la conversación de la página 201. Con lo que ya aprendieron, constrúyanla de nuevo, en equipos de trabajo, incorporando las modificaciones que consideren adecuadas. 2.2 Las tres maneras de conducir el calor. Procedimiento Necesitas 1. Conducción. Un alumno debe tomar el alambre de cobre y poner uno de los dos • 1 caja de cerillos extremos en contacto con la llama del cerillo. ¿Qué observan? • 1 pedazo de alambre de 2. Convección. Otro alumno colocará su mano sobre un cerillo prendido y luego cobre de la misma debajo de él. Describe lo que sucede. longitud que un cerillo Pueden extender los resultados de este sencillo experimento a diversos fenóme- nos de la vida cotidiana. • 1 termo 3. Su maestro mostrará el termo y ustedes deben describirlo por escrito. Luego, hará preguntas acerca de la constitución del termo (la razón del plateado, el ais- lamiento, entre otros) para analizar posteriormente la transmisión de calor por radiación. 2.3 La energía se conserva, de manera que en toda transferencia de calor esta ley de conservación se cumple. Investiga cuál es su forma algebraica y utilízala en la descripción de la transferencia de calor del Predigo- Observo-Explico del inicio de esta sección. 2.4 Con lo que has aprendido, ¿en qué cambiaría tu predicción y explicación en el Predigo-Observo-Explico con el que se inicia esta sección? Argumenta tu respuesta.
  • 212. BLOQUE 3. LA MATERIA 2113 Resumen esquemático El siguiente esquema muestra los principales conceptos de la sección. Revísalo, comparte tus dudas con tuscompañeros y expónganlas a su profesor, ya que lo utilizarás al final del bloque. Calor es una energía en forma de tránsito se transmite uno de sus por efectos es variación de temperatura conducción radiación convección que mide la energía cinética de las partículas4 Autoevaluación En esta sección adquiriste muchos conocimientos, entre ellos a: Sí No Realizar experimentos de medición de temperatura en diferentes materiales. Explicar el concepto de temperatura como manifestación de la energía cinética y de los cho- ques entre las partículas del modelo cinético. Explicar el concepto de calor como transferencia de energía térmica entre dos cuerpos, debida a su diferencia de temperatura, utilizando el modelo cinético corpuscular de la materia. Explicar algunos fenómenos de transferencia de calor, con base en el modelo de partículas y los resultados obtenidos a través de la experimentación. Establecer las diferencias entre los conceptos de calor y temperatura. Describir y analizar cadenas de transformación de la energía en las que interviene la energía calorífica. Identificar las relaciones que implican la conservación de la energía en su forma algebraica, y utilizarlas en la descripción de la transferencia de calor.
  • 213. Cómo cambia el estado de la materia TEMA3 3.2 El modelo de partículas y la presión Qué mal. Lo que pasa es que los gases cuando se calientan ejercen ¿Y por qué cuando se mucha presión y seguramente por destapa parece que se sale eso le estalló. Cuando el gas del el gas? ¿No sería que la refresco está frío no tiene presión. botella de refresco está cerrada a presión? ¿Te enteraste de lo que le pasó a Benito? No, ¿qué le pasó? ¿Y al congelarse estallan? Quería tomarse un refresco y al tratar de abrirlo le estalló la botella en las manos. Tuvo mucha suerte, porque no se cortó. Parece que lo había dejado al Sol. Yo creo que sí, pero no es el gas el que ejerce la presión, sólo cuando calientas el Sí, porque el agua gas tiene presión. Bueno, también tiene sólida ocupa más presión cuando lo agitas. Por eso dicen que volumen que el no zarandees los refrescos cuando están agua líquida. Por eso cerrados, porque pueden explotar. los hielos flotan en el agua, porque el ¡Uy!, ya veo que volumen es mayor y ¿Y por qué te aprendiste con eso la densidad explotan los lo de la clase es menor. Como refrescos de física. ocupa más volumen, Bueno, ahí no es cuando los el refresco congelado por los gases. dejas en el no cabe en la botella Es porque se congelador? y la rompe. congelan. ¿Cómo sabes que el hielo ocupa un volumen mayor que la misma cantidad de agua líquida? ¿Tendrá razón Alicia cuando dice que los gases fríos no tienen presión? ¿Qué quiere decir que algo ejerza presión? ¿Por qué un témpano de hielo flota en el agua? ¿Cómo es la densidad del hielo respecto al agua líquida? ¿Qué ocupará más volumen: 1 kg de hielo o 1 kg de agua líquida? Entonces, ¿por qué explota un refresco que se ha dejado en el congelador? En esta sección estudiaremos: • Experiencias alrededor de la presión. • Relación de la presión con las colisiones de partículas. • Presión y fuerza, dos conceptos diferentes. • Presión en líquidos y gases. • Principio de Pascal.212
  • 214. BLOQUE 3. LA MATERIA 213 Predigo-Observo-Explico La presión que ejerce la atmósfera Con mis compañeros y mi profesor Necesitas 2. Golpea hacia abajo la parte que sobresale. ¿Qué • Papel periódico, cuanto más grande mejor pasa? • 1 regla • 1 martillo 3. Coloca nuevamente la regla y cúbrela ahora con el papel periódico. Procedimiento 1. Coloca la regla sobre una mesa, dejando que 4. Aplana el papel sobre la regla. sobresalga una cuarta parte de ella. Predicción • ¿Qué pasará ahora al golpear la regla? • Justifica la predicción. Observación Realiza el experimento. Explicación Explica con tus propias palabras lo que sucede y com- páralo con tu predicción. Utiliza de ser posible el mode- lo cinético molecular. Comparte tu resultado con el resto de tus compañe- ros y tu profesor. Recuerda el concepto de fuerza y menciona qué se percibe en el mango del martillo cuando golpeaste la regla.Experiencias relacionadas con la presiónCuando una fuerza actúa sobre una superficie, ejercesobre ella una presión. El tamaño de ésta depende de la magnitud de la fuer-za y del área sobre la que actúa. Esto se expresa en lasiguiente ecuación: fuerza presión ϭ o en símbolos: Área f pϭ A Por lo anterior, las unidades de presión son: N/m2. Estaunidad tiene nombre propio y es el pascal (Pa), en honordel teólogo y científico del siglo XVII, Blaise Pascal. Cuando se aplica una determinada fuerza sobre unasuperficie grande, la presión sobre ésta es pequeña.Cuando se aplica la misma determinada fuerza sobre unasuperficie menor, la presión sobre ésta es mayor. La fuerza no es lo mismo que la presión. En la figura, los tres En relación con la fórmula de la presión, contesta: ladrillos pesan lo mismo, por lo tanto ejercen la misma fuerza • ¿Qué sucede con al presión si el área aumenta? sobre la superficie, pero no la misma presión.
  • 215. 214 BLOQUE 3. LA MATERIA • ¿Qué sucede con la presión si la fuerza aumenta? Preguntas • ¿Por qué un cuchillo afilado corta más fácilmente 1. ¿Qué hace que el líquido suba cuando tomamos? que uno sin filo? 2. ¿Por qué es más difícil beber con un popote con • ¿Por qué no podemos cortar con el filo de una hoyos? cuchara? 3. ¿Qué creamos cuando succionamos en un popote? 4. Dibuja un diagrama que muestre lo que sucede. 5. ¿Un astronauta en la Luna o en el espacio podrá Construye una gráfica donde indiques la manera en beber con un popote? Explica por qué. que la presión va cambiando conforme cambia el 6. ¿Qué conclusiones puedes obtener de este experi- área en que se aplica la fuerza. Deja este último valor mento? fijo, y ve variando el área para obtener valores de la presión. Dibuja la gráfica. ¿Qué forma tiene esta gráfica? Presión en gases y líquidos Todos los gases ejercen presión porque las partículas del gas chocan contra las paredes del recipiente. Relación de la presión con las colisiones de partículas. Como son muchas partículas y muy pequeñas, ese gol- Presión y fuerza, dos conceptos diferentes peteo contra las paredes se percibe como una fuerza Los gases se pueden comprimir más fácilmente que los continua. líquidos y sólidos. Esto lo explica el modelo cinético, ya Como lo indica el modelo cinético, cuando se aumen- que en los gases las partículas están más separadas y ta la temperatura de un gas, las partículas tienen mayor hay más espacio vacío entre ellas. energía cinética, por lo que chocan más frecuentemente Cuando se le aplica presión a un gas, las partículas con las paredes del recipiente. Esto hace que la presión que lo forman se pueden acercar más unas con otras. del gas aumente. Por tanto, el volumen del gas disminuye. La disminución en el volumen y la cercanía hacen que aumente la interacción entre las partículas. Al hacerlo, la materia puede cambiar de estado. En un gas, las partículas están separadas: si son obligadas a juntarse al aplicar una fuerza, el gas se comprime y la materia puede pasar al estado líquido. Los cambios de presión no tienen prácticamente nin- gún efecto en los sólidos. Contesta con tus compañeros y obtengan sus con- clusiones: En ocasiones, decimos que una botella de refresco está vacía porque hemos tomado todo el líquido que tenía adentro. ¿Será cierto? ¿Por qué? Con este experimento podrás observar algunas conse- cuencias del vacío. Procedimiento 1. Llena los dos vasos con el agua hasta la mitad de su capacidad. 2. Pon un popote en cada vaso. 3. Intenta beber el agua con cada popote. Necesitas • 2 popotes idénticos (uno con pequeños orificios a Si se reduce el volumen del recipiente, la superficie lo largo de él) contra la que chocan se reduce, y por lo mismo la presión • 2 vasos aumenta. La figura representa a las partículas del aire (que • Agua como bien sabes no son rojas).
  • 216. BLOQUE 3. LA MATERIA 215 Los líquidos también ejercen una presión sobre los 1. Un fluido que ejerce presión sobre nosotros es laobjetos inmersos en ellos. La presión de un líquido atmósfera. Ésta es como una gran columna de gasesdepende de la profundidad del líquido presente. que presiona sobre nuestro cuerpo y sobre lo que hay en la superficie terrestre. Por ejemplo, cuando viaja- mos de una ciudad que está a mayor altura que el nivel del mar a otra que está en la playa, sentimos que los oídos se tapan. La columna de gases de la atmósfera es mayor a nivel del mar, por lo que la pre- sión aumenta. Lo mismo ocurre cuando nos sumergi- mos en el fondo de una alberca. Construye una grá- fica en la que se muestre el cambio de presión atmosférica (en Pa) contra la altura. Explica tus resul- tados empleando el modelo cinético. 2. Vas llenar un gotero de vidrio, hasta cerca de 3/4 de su capacidad con agua, de tal manera que al colo- carlo sobre un frasco largo de vidrio (de por lo menos 20 cm), lleno con agua, “apenas” flote. Esto signifi- ca que con un pequeño golpe, el gotero se hunde fácilmente (aunque poco a poco vuelva a emerger). Si al colocar el gotero en la superficie se hunde, Mientras más profundo esté un objeto o persona (por recupera el gotero y quítale un poco de agua para queejemplo, un buzo) mayor será el volumen de agua sobre consigas que flote. Tapa el frasco de agua con unél, y la presión aumentará. globo al que le quitarás la boquilla. Coloca suave- Por ejemplo, cuando nadas bajo el agua y te sumer- mente tu mano en el globo hasta que ejerzas presiónges hasta el fondo de la alberca, puedes sentir que el suficiente para que el gotero se hunda.agua ejerce una presión porque se te tapan los oídos. Lapresión será mayor entre más profundo nades. Esto es • ¿Por qué se sumerge el globo?porque las moléculas de agua golpean tu tímpano. • ¿Qué sucede dentro de él cuando ejerces presión? • Si el gotero al llegar al fondo del recipiente “ya no regresa” al dejar de ejercer presión, ¿cómo puedes hacer que suba nuevamente? • ¿Qué sucede dentro del gotero mientras va ascen- diendo? ¿Por qué? 3. Investiga en Internet o en libros la manera en que los submarinos consiguen sumergirse y emerger “a placer”. ¿Qué sucede dentro de ellos para que consi- gan lo anterior? Cita las fuentes de donde obtuviste la información Principio de Pascal Cuando se aplica una presión en una parte de un líquido, esa presión se transmite sin disminuir a todos los puntos del fluido. A este hecho se le conoce como principio de Pascal.El caso de las columnas de líquido es similar al de losdos bloques. Éstos ejercen dos veces más presión sobre lamesa que un bloque. Igual que el líquido del primerrecipiente ejerce el doble de presión que el segundo sobreel fondo, porque tiene el doble de profundidad. Blaise Pascal
  • 217. 216 BLOQUE 3. LA MATERIA Conexiones con tecnología y sociedad Autos y Pascal El principio de Pascal se utiliza en las rampas que elevan los coches cuando se les quiere revisar el motor. El aire se comprime y ejerce una presión sobre el aceite que está en el depósito subterráneo. El aceite le transmite la presión a un cilindro, el cual finalmente levanta el automóvil. Se ejerce la presión en el aceite y esa presión se transmite sin disminuir. No se presiona el cilindro que finalmen- te levanta al automóvil, se presiona el aceite. En este caso, la presión que se necesita no es muy grande: es aproximadamente la misma presión del aire en las llantas. La fuerza que resulta es grande, porque una pequeña presión sobre un área grande produce una fuerza considerable y capaz de subir al automóvil. Lo importante es que la presión del gas se transmite al aceite y éste se la transmite al cilindro. pistón compresora de aire área mayor área menor depósito • Menciona otras tres aplicaciones del principio de Pascal en dispositivos de automóviles, talleres o de la industria. Compara tus ejemplos con los de tus compañeros y obtengan conclusiones. • Explica el principio de Pascal empleando el modelo cinético. Investiga cuál es la presión a la que trabaja el elevador de una rampa con la que se elevan los autos en los talleres y compárala con aquella a la cual se inflan las llantas de un automóvil y las de un vehículo tipo microbús, y en qué unidades se mide. ¿Cuál es la diferencia? El principio de Pascal considera la incomprensibilidad de los líquidos. Investiguen en qué consis- te eso y diseñen un experimento que lo demuestre.
  • 218. BLOQUE 3. LA MATERIA 217Revisión1 Sobre el significado de los conceptos1.1 Con tus palabras explica qué entiendes al escuchar o leer los siguientes concep- tos: presión, fuerza, atmósfera, modelo, vacío, superficie, viscosidad.1.2 Si no los conoces, revisa en el “Apéndice 6” y en un dic