Conceptos Fundamentales de la Física y la Ciencia
I. Máquinas Simples y Principios Mecánicos
La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo, llamado fulcro, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. Se cumple la conservación de la energía y, por lo tanto, la fuerza aplicada por su espacio recorrido ha de ser igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido.
Torno
Es un dispositivo mecánico generalmente utilizado para mover verticalmente grandes pesos. Está formado por una cuerda de la que se fija uno de los extremos a la carga a desplazar y el otro extremo a un cilindro que es a su vez fijado de tal manera que solo puede rotar en torno a su eje principal. Actuando el cilindro con una manivela, la cuerda se enrolla sobre él, consiguiendo subir la carga.
Polea
Es un aparato mecánico de tracción constituido por una rueda acanalada o roldana por donde pasa una cuerda, lo que permite transmitir una fuerza en una dirección diferente a la aplicada. Además, formando aparejos o polipastos de dos o más poleas es posible también aumentar la magnitud de la fuerza transmitida para mover objetos pesados, a cambio de la reducción del desplazamiento producido.
Plano Inclinado
En el plano inclinado se aplica una fuerza para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar. Dado el principio de conservación de la energía, cuanto más pequeño sea el ángulo del plano inclinado, más peso se podrá elevar con la misma fuerza aplicada, pero a cambio, la distancia a recorrer será mayor.
Cuña
La cuña transforma una fuerza aplicada a su extremo romo en dos fuerzas perpendiculares a la primera y de sentido contrario entre ellas. El ángulo de la cuña determina la proporción entre la fuerza aplicada y las resultantes, de un modo parecido al plano inclinado. Es el caso de hachas o cuchillos.
Tornillo
El mecanismo transforma un movimiento giratorio aplicado a un volante o manivela, en otro rectilíneo en el husillo, mediante un mecanismo de tornillo y tuerca. La fuerza aplicada por la longitud de la circunferencia del volante ha de ser igual a la fuerza resultante por el avance del husillo. Dado el gran desarrollo de la circunferencia y el normalmente pequeño avance del husillo, la relación entre las fuerzas es muy grande.
Herramientas como el gato del coche o el sacacorchos derivan del funcionamiento del tornillo.
II. Elementos del Universo y Fenómenos Ópticos
Cuerpos Celestes
- Estrellas: El Sol, que es la estrella central de nuestro sistema solar, se compone de diversas sustancias gaseosas, gira sobre su eje y genera gran cantidad de energía.
- Cometas: Son cuerpos celestes compuestos por hielo, polvo y rocas que giran alrededor del Sol siguiendo diversas trayectorias (elípticas, parabólicas, etc.). Alrededor de su núcleo generan una cola, que es muy característica de estos cuerpos.
- Meteoritos: Son fragmentos de cometas y asteroides, aunque también pueden ser rocas de satélites o planetas.
- Satélites: No tienen luz propia y giran alrededor de un planeta; pueden ser naturales o artificiales. La Tierra tiene un satélite natural: la Luna.
- Planetas: Son cuerpos celestes que no poseen luz propia, se mueven sobre su propio eje y alrededor del Sol o de otra estrella, describiendo trayectorias fijas llamadas órbitas. Son de composición variable y de forma prácticamente esférica.
- Galaxias: Nuestro sistema solar se encuentra en el Brazo de Orión de la Vía Láctea, una galaxia en espiral que tiene 200.000 millones de estrellas (entre ellas el Sol).
- Agujero Negro: Es una región del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa tan elevada que la fuerza gravitacional generada impide que cualquier partícula, incluso la luz, pueda escapar. Estos hoyos negros se forman en la etapa final de la muerte de una estrella gigante (con al menos 10 veces más masa que el Sol) o bien existen en los centros de algunas galaxias. Estos cuerpos no pueden ser observables a simple vista.
Fenómenos de la Luz
- Refracción: Ocurre cuando la luz se dobla al pasar de una sustancia transparente a otra, al igual que otras ondas como el agua y el sonido. Es el proceso por el que la dirección de propagación de la luz se modifica como consecuencia de las variaciones de su velocidad de propagación al atravesar un medio.
- Reflexión: De la luz consiste en el cambio de dirección de un haz luminoso en cuanto llega a una superficie y de ahí rebota, es decir, se refleja.
- Transmitancia: Es una medida que indica la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en un determinado periodo de tiempo.
III. Modelos Científicos y Teorías Atómicas
Modelos Cosmológicos
Un modelo sirve para describir una idea o un conjunto de ideas que nos permite imaginar un fenómeno o un funcionamiento de un artefacto de cualquier tipo.
- El modelo de Ptolomeo: Suponía que los planetas se movían en círculos y giraban alrededor de la Tierra; es decir, la Tierra era el centro del universo.
- El modelo de Copérnico: Este modelo consiste en que el Sol está en reposo y los planetas, incluyendo la Tierra, giran alrededor de él en órbitas circulares.
Evolución de la Teoría Atómica
Primeras Ideas sobre la Materia
- Demócrito: Formuló la teoría de la discontinuidad de la materia. Él consideraba que la materia estaba constituida por muy pequeñas partículas compactas, las cuales no podrían ser separadas y divididas en partes más pequeñas.
- Aristóteles: Presentó la teoría llamada teoría de la continuidad de la materia, donde consideraba que la materia sí tenía más partículas dentro de esas partículas, que resultan de la división de las mayores; es decir, la materia se puede seguir dividiendo indefinidamente.
Desarrollo de la Teoría Atómica Moderna
- John Dalton: Desarrolló la primera teoría moderna acerca del átomo. El científico inglés sostuvo que los átomos eran las partículas más pequeñas de los elementos y las moléculas las partículas más pequeñas de los compuestos.
- Esposos Curie: Ellos pensaron que el átomo era divisible debido al descubrimiento catódico y los rayos X, quienes comprobaron que el uranio y el radio se desintegran espontáneamente, emitiendo rayos no visibles a simple vista, pero sí capaces de impresionar las placas fotográficas. Ellos descubrieron los rayos alfa, beta y gamma.
Contribuciones al Electromagnetismo y el Electrón
- Benjamin Franklin: Observó que las cargas eléctricas opuestas se atraen, neutralizando sus efectos.
- Faraday: Realizó experimentos sobre fenómenos de inducción electromagnética. Como resultado de sus experimentos sobre conducción de electricidad en medios líquidos, propone que las cargas eléctricas deben ser disueltas.
- Maxwell: Declaró que no es necesaria la presencia de un conductor sólido para la existencia de ondas electromagnéticas, sino que dichas pulsaciones pueden viajar en el vacío con una velocidad semejante a la luz.
- William Crookes: Creó los tubos de rayos catódicos.
- Stoney: Sugirió dar el nombre de electrones a los rayos catódicos.
- Thomson: Anunció el descubrimiento de electrones o corpúsculos de electricidad, como él lo llamó. Propuso un nuevo modelo atómico en el cual las cargas positivas se parecían a un budín con pasas que contenía las cargas negativas distribuidas.
- Perrin: Modificó el modelo atómico de Thomson, sugiriendo que las cargas negativas son externas al budín positivo.
Descubrimientos Nucleares y Cuánticos
- Rutherford: Descubrió el núcleo.
- Chadwick: Descubrió el neutrón.
- Niels Bohr: Descubrió los niveles de energía (K, L, M, N, O, P, Q).
- Sommerfield: Descubrió los subniveles de energía (s, p, d, f).
- Heisenberg: Propuso el principio de incertidumbre de Heisenberg, en el cual dice que es imposible conocer con precisión la posición y velocidad del electrón.
- Schrödinger: Presentó un modelo matemático del átomo al que se llama orbital.