TÓPICOS DE CIENCIAS NATURALES


Tópicos de Ciencias Naturales

PÁGINA EN CONSTRUCCIÓN!

Última actualización: 25/10/2016

1. La materia y sus propiedades

Vivimos en un mundo constituído por materia y energía. La materia la podemos detectar con nuestros sentidos (ver con nuestros ojos, palpar mediante el tacto, olfatear con nuestra fosas nasales). Desde la antigüedad el hombre se ha planteado descifrar cómo está constituida la materia. En los siglos V y IV a.C. Leucipo y Demócrito postulan que la materia está conformada por partículas individuales que se diferencian entre sí por su forma, tamaño y disposición espacial, a las que llamaron átomos por significar indivisible. Sin embargo, fue en el siglo XIX que John Dalton propuso que cada elemento químico correspondía a un átomo de materia. Desde entonces se ha avanzado mucho sobre el conocimiento de sus componentes y propiedades. Hoy en día, la hipótesis más aceptada por la ciencia es que la materia está constituida por átomos y qué estos se asocian en moléculas; la agregación de átomos o moléculas individuales forma la materia de los objetos. Además, los átomos tienen componentes más elementales como los electrones, protones y neutrones. Aún más, algunas de estas partículas tienen estructura. En 1964 se encontró una sub partícula más elemental que las partículas anteriores y la denominaron quark. Son seis quarks con propiedades diferentes. Dos de estos (u y d) son los componentes constitutivos de los neutrones y protones que integran el átomo. El quark u (up) tiene carga negativa y su valor es un tercio de la carga del electrón (-1/3 e); el quark d (down) tiene carga positiva y su valor es de dos tercios de la carga del electrón (+2/3 e). 

    A continuación se esquematiza, a grosso modo, cómo tres quark (el color representa sus diferencias) conforman a las partículas elementales denominadas neutrón y protón. Entre otras propiedades, el protón tiene carga eléctrica positiva; el neutrón carece de carga eléctrica. Neutrones y protones estructuran el núcleo de los átomos. A su vez, alrededor del núcleo se encuentran girando los electrones los cuales tienen carga eléctrica negativa, contraria a la carga del protón pero de la misma magnitud (cantidad). En consecuencia, como todos los átomos tienen la misma cantidad de protones que de electrones, sus cargas eléctricas son cero, es decir, son eléctricamente neutros. Los átomos cuando se agrupan forman moléculas como por ejemplo la molécula de cloruro de sodio (sal común) y a la vez la agrupación de moléculas forman, en algunos casos, estructuras cristalinas (cristal de sal). 


Dos quarks d y un quark u, unidos a través del intercambio de gluones,
 forman el  neutrón.

Dos quarks u y un quark d, unidos a través del intercambio de gluones, 
el protón.


Secuencia de la estructura de la materia. Del Quark hasta la conglomeración de moléculas que forman los objetos materiales. 

     La materia tiene propiedades que la caracterizan y establecen diferencias entre los diversos materiales. Estas propiedades se dividen en intensivas y extensivas. Intensivas, sí son independiente de la cantidad de materia y del tamaño; extensivas, sí dependen de la cantidad de materia y del tamaño.

    Todos los objetos constituidos de materia ocupan un espacio en el lugar donde se encuentran. Este espacio se caracteriza mediante la magnitud denominada volumen y se mide en litros (L), onzas (onz), mililitros (ml), entre otras unidades. La cantidad de materia contenida dentro del volumen ocupado se conoce como masa; esta se mide en kilogramos (Kg), gramos (g), etc. La masa de un determinado objeto es la suma de las masas de todas las partículas elementales que constituyen sus átomos porque, cada una de ellas (electrón, el protón y el neutrón) contiene su masa particular. Volumen y masa son propiedades extensivas. Al cortar una naranja por la mitad, su volumen y masa se reducen en la misma proporción.

     En el Universo se conocen 94 átomo naturales, más unos cuantos artificiales creados en los laboratorios. Los elementos con número atómico del 95 al 118 fueron sintetizados en el laboratorio mediante reacciones nucleares de fusión entre elementos más ligeros; el 30 de diciembre de 2015 la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) confirmó la existencia de los elementos 113, 115, 117 y 118. Por ser inestables, todos los elementos creados artificialmente tienen un tiempo de vida muy pequeño, y se desintegran rápidamente en otros elementos estables.

   Cada átomo particular se caracteriza por tener un número especifico de electrones, protones y neutrones. Así por ejemplo, el oxígeno tiene 8 neutrones, 8 protones y 8 electrones; el oro tiene 118 neutrones, 79 electrones y 79 protones. Por lo tanto, la cantidad total de partículas elementales determina la masa de cada átomo.

    En conclusión, los constituyentes más elementales de la materia son los quarks y los electrones. Aún más, la comunidad científica acepta abiertamente que toda la materia ordinaria, la materia másica de nuestro Universo está constituida por electrones, quarks y neutrinos (otra partícula); y que existe otro tipo de materia conocida como materia oscura, constituida por una partícula hipotética (aún no descubierta) denominada WIM (weakly interacting massive particles; partícula masiva de interacción débil) sin carga eléctrica, con masa que podría estar entre 10 y 100 veces la masa del protón y que interacciona con el resto de partículas mediante la fuerza débil. Una de las diferencia entre estos tipos de materia, es que la ordinaria emite luz y la oscura no. Se considera que el 20% del Universo esta constituido por materia ordinaria y el 80%  es de materia oscura.

     La materia tiene otra serie de propiedades (intensivas) que la caracterizan como son temperatura, dureza, elasticidad, porosidad, olor, sabor, color, entre otras, que se mantienen iguales aunque varíe la forma, el volumen y la masa del objeto material que estemos manipulando. Estas propiedades establecen características muy particulares entre los materiales y permite diferenciarlos entre sí. Entre otras tenemos la densidad que determina la masa M contenida en la unidad de volumen V y que se mide en unidades de kilogramos (Kg) por metros cúbicos (m3) o gramos (g) por centímetros cúbicos (cm3) , por ejemplo. Es decir, 


    En la siguiente tabla se tiene algunos valores de las densidades de  los materiales más cotidianos. 

Densidad de algunos materiales


     Una lectura rápida de la tabla anterior permite concluir que un centímetro cúbico (cm3) de agua contiene una cantidad mayor de materia que un centímetro cúbico de anime; un centímetro cúbico de acero tiene una masa mayor que un centímetro cúbico de aluminio. Por igual, un litro (lit) de agua tiene una masa menor que un litro de plomo. De todos los elementos de la lista, es el oro el que tiene mayor densidad y por lo tanto un litro de oro tiene la masa mayor. De esta manera podemos comparar las densidades de los cuerpos.

      La diferencia existente entre las densidades de los materiales tiene importantes consecuencias en la naturaleza. Por ejemplo:

a) Los globos de aire caliente que lanzan en Navidad y Fin de Año, ascienden porque al calentarse el aire en su interior disminuye su densidad. Como la densidad del aire caliente es menor que la densidad del aire frío que rodea al globo, sobre éste aparece una fuerza vertical de empuje de mayor magnitud que su propio peso, que lo obliga a subir.  

b) Cuando una porción de aire húmedo (con vapor de agua) se caliente por efecto de la luz solar, su densidad disminuye; por ser menos denso que el resto de aire que le rodea, la porción asciende y se eleva hasta cierta altura en la tropósfera (capa más baja de la atmósfera). A medida que esa porción de aire se eleva se va enfriando. Cuando se enfría, el vapor de agua condensa, se convierte en goticas minúsculas de agua y se forman las nubes. Las goticas se van juntando y creciendo hasta que sus pesos son tan grande que caen en forma de lluvia. 

c) Flotamos en una piscina porque la densidad de nuestro cuerpo es parecida a la densidad del agua.

d) El hielo flota en el agua. Ya sabemos por qué! Esto permite que durante los inviernos, en las regiones de cuatros estaciones, los lagos no se congelen hasta el fondo y sólo se forme una capa delgada de hielo. Esta propiedad del agua permite que la vida continúe en las profundidades de los lagos a pesar de los fríos inviernos.  
  
  
A. Identificación de materiales

    Se propone la siguiente actividades para introducir a los alumnos en la aplicación del método científico. Esta permite incorporar el conocimiento previo del estudiante en la construcción de su propio aprendizaje y aplicar el método científico. Se requiere de 10 botellas de refresco (gaseosas) de plástico de un litro de capacidad, arena, cemento, agua, azúcar, harina, aceite, entre otros; una balanza o un dinamómetro (peso de pesar), un cilindro graduado en mililitros con capacidad de 200 ml o más, un pote de pintura negra en spray. 

1. Llene una botella con aproximadamente 1 litro de agua con el cilindro graduado y mida su masa con la balanza. Quítele o agréguele agua hasta que mida 1 Kg. Haga una marca en el nivel del agua. Pinte, con la pintura negra, toda la botella, hasta este nivel. Este será su patrón para determinar densidades. Identifíquela con el Nro. 1.

2. Llene las demás botellas con los materiales de la lista u otros que considere conveniente hasta el nivel de la botella de agua. Es conveniente incorporar al experimento dos botellas que representen situaciones extremas de la masa contenida; una se llena de aire y la otra se llena de concreto preparado con cemento y arena. Píntelas por completo de negro y enumérelas. Por supuesto, la pintura impide conocer el material del interior de cada botella.

3. Mida la masa y calcule la densidad del material en cada botella. No estamos incluyendo la masa de la botella, pero en una primera aproximación no la consideramos. ¿Por qué? Elabore una tabla de densidades con cuatro columnas como la que se muestra abajo y escriba en la primera casilla del agua su densidad cuyo valor es de 1 Kg/litro. Este será nuestro patrón de comparación. Escriba en la segunda columna los demás valores calculados por usted, pero manténgalos tapados con una cinta vertical.   

                          Densidad del material seleccionado



4. Pídale a un estudiante que identifique cada sustancia mediante la comparación con la botella patrón. Que sostenga con una mano la botella patrón y con la otra la botella incógnita. Cuando la haya identificado, pídale que escriba este número en la casilla correspondiente de la tercera columna de la tabla. Continúe así con las demás. 

5. Pídale al estudiante que mida la masa de cada botella, calcule su densidad y que escriba su valor en la cuarta columna. Pregúntele sobre cómo mejorar el método de medida para calcular con más precisión la densidad de cada botella.

6. Quite la cinta y compare con los resultados de la segunda columna.

7. Compare la aplicación del método científico con el "método" basado en el conocimiento previo del estudiante. 

B. Show de la densidad

Consiste en determinar la densidad promedio del cuerpo humano mediante  la medida del volumen de agua desplazada. Para tal fin se requiere de un recipiente de gran volumen (pipa, tonel, barril) donde se pueda introducir por completo una persona (profesor), una balanza para medir su peso y suficiente agua. Se llena el recipiente por completo de agua, se sumerge completamente la persona y se recoge el agua desplazada. Se mide el volumen de agua desplazada y junto con la masa de la persona, se calcula su densidad. Dentro del error experimental, este debe estar cercano a 1 Kg/litro (1 g/ml). 

C. La balanza 

El interés de este proyecto se sustenta en que con él se introduce al escolar en la aplicación del método científico. Así, al estudiante se le da la oportunidad de construir su propia herramienta de aprendizaje. Se espera que de esta manera conozca el concepto básico de un sistema mecánico como es su equilibrio y lo aplique en el diseño de un método de medida de masa por comparación. Dos principios rigen la condición del equilibrio mecánico de un sistema: a) la suma de las fuerzas que actúan sobre él es cero, y b) la suma de los torques (peso por brazo, en Nw x m) aplicados sobre él debe ser cero. Por otra parte, el estudiante tiene la oportunidad de explorar y observar, comparar y relacionar, inferir y argumentar, es decir aplicar en el estudio de este aspecto de la cotidianidad, el método científico.

La balanza es un instrumento para medir masa de los cuerpos mediante la comparación con un conjunto de patrones establecidos. Existen otros procedimientos, pero de esta manera se mide directamente. Balancear significa equilibrar. En consecuencia, este instrumento basa su método de medida en la búsqueda del equilibrio mecánico de un brazo horizontal montado sobre un soporte vertical. El brazo sustenta en sus extremos dos platillos colgantes idénticos y equidistantes de su centro. A continuación se describe una balanza construida para un proyecto escolar. Este brazo en particular, fue fabricado con un listón de madera de 60 cm de longitud y 1,5 cm de ancho, y por su centro geométrico se atravesó perpendicularmente con un clavo de remache de aluminio. Este clavo tiene un buje que gira libremente sobre él. Por el centro del brazo se perforó un orificio con un taladro cuya mecha era del mismo diámetro que el buje; se colocó el remache en este orificio asegurando que quedara bien ajustado. Posteriormente, un fiel o aguja, hecho de cartón grueso, se pegó en el centro del brazo. Por último, el brazo se fijó con el clavo del remache sobre el soporte vertical, el cual se sustenta de una base también de madera, como se indica en la figura de abajo.  

      Para realizar las medidas se requiere de un conjunto de pesas con diferentes masas previamente calibradas. Una manera de hacerlo es con un trozo de alambre esmaltado de cobre del que usan los electricistas para reparar motores eléctricos; sgrosor (diámetro) varía dependiendo del calibre del alambre (8, 10, 15, 20, entre otros), así que mientras mayor es el número del calibre, menor es su diámetro. Se elige un metro, dos o tres dependiendo del caso, y se mide su masa en una balanza comercial. Luego, con una simple "regla de tres" se calcula la longitud del trozo de alambre que tendría una masa de 1,0 g; la longitud para la masa de 2,0 g, y así sucesivamente. De la misma forma se pueden hacer la pesas con fracciones de 1,0 g. Luego se enrolla cada alambre y se identifica su masa. Esta colección de pesas es la que se usará para equilibrar la balanza y poder medir las masas de cuerpos pequeños con este instrumento.
     
      En http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/propiedades/masa.htm se puede activar este applet sobre la Balanza Analítica. El método consiste en medir la masa de un objeto, equilibrando el brazo de la balanza con el conjunto de pesas que se suministran. También se describe cómo medir volúmenes de cuerpos sólidos (geométricos o con forma irregular) por desplazamiento del nivel del agua en un cilindro graduado, así como determinar la densidad de los materiales.

 
2. Origen de la masa

La masa entra en juego en diferentes procesos físicos donde interviene la materia. La materia en un campo gravitatorio es sometida a la acción de una fuerza atractiva (por ejemplo, el peso) por efecto de su masa; cuando se le aplica una fuerza externa, manifiesta su inercia (oposición al cambio de su estado dinámico) expresada mediante la masa (inercial), como lo demuestra la Segunda Ley de Newton; y en procesos más complicados se transforma en energía, como nos enseñó Einstein (E = m c2).

    El origen de la masa siempre estuvo rondando las mentes de científicos y filósofos desde tiempos inmemoriales. El 8 de octubre del 2013 les dieron el Premio Nobel al físico británico Peter Higgs y al físico belga Francois Englert, por haber resuelto esta incógnita. Hoy en día se ha acumulado suficiente evidencia experimental que permite confirmar la existencia del Bosón de Higgs, mal denominada "la partícula de Dios". Esta es una partícula elemental, cuya existencia fue postulada en 1964 por Higgs y sus colaborares como único recurso para terminar de construir una de las más grandes  teorías físicas del siglo XX conocido como "Modelo Estándar". Según esta teoría, todo el espacio está impregnado de un campo (de Higgs) y cuando las partículas elementales como el electrón, el protón y el neutrón interactúan con él, adquieren masa, mientras que aquellas como el fotón (luz) que no interactúa con él, no adquiere masa. Si la interacción es intensa, la partícula adquiere una masa grande, sí es débil su masa será pequeña. ¡He ahí tan ansiada solución!.



 Francois Englert (izquierda) y Peter Higgs (derecha).


A continuación se muestra un video sobre lo anterior.


En los siguientes videos se puede disfrutar de entrevistas a expertos y de una conferencia dictada sobre el tema. Activar YouTube para verlos.


    




3. Las interacciones

Echemos una ojeada al espacio que nos rodea a ver que observamos. Hay objetos de múltiples formas y colores, y luz que baña sus superficies. Todos los objetos están constituidos de materia (masa) y alrededor hay luz visible (energía), ondas de radio (energía), microondas (energía), entre otras. Dos categorías fundamentales podemos diferenciar: materia y energía. Nuestro sentido de la visión sólo puede percibir luz visible (ondas) en un rango muy estrecho del espectro electromagnético. El sentido de la audición está especializado en percibir ondas que se forman por las vibraciones mecánicas de los objetos. El sentido del tacto permite apreciar las sensaciones que nos produce los objetos que tocamos y la luz (solar) al incidir en la piel. El olfato opera mediante las sensaciones generadas por quimiorreceptores contenidos en los cilios de la membrana pituitaria que se activan mediante reacciones químicas; en semejanza funciona el gusto. Esta es la manera de interactuar nuestro cuerpo con el medio que le rodea y mediante el cual acumula la experiencia para comprenderlo e interpretarlo, a través de nuestros sentidos. Por su parte, también los objetos materiales influyen unos a los otros,  intercambian "acciones", interactúan recíprocamente; bien a través del contacto directo entre sus superficies o mediante la acción de los campos que producen.

      Sin embargo, a pesar de la inmensa cantidad de procesos presentes en las interacciones entre los objetos materiales, éstas se reducen a tres categorías singulares: La interacción gravitatoria entre las masas de los cuerpos, linteracción electrodébil entre las cargas de partículas elementales y linteracción nuclear entre partículas elementales alojadas en núcleos atómicos.

a) La interacción gravitatoria 

Se da entre cuerpos con masa. Es sólo atractiva; no se dan fuerzas repulsivas entre masas. La masa es la fuente del campo gravitacional que se forma a su alrededor según el postulado de Newton; y es la masa la que introduce la modificación del espacio-tiempo como sentenció Einstein en su Teoría Gravitacional. Así que, desde esta última visión, la interacción gravitatoria no es mas que la manifestación de la deformación que experimenta el espacio-tiempo  por efecto de la existencia de la masa. Comparada con las demás interacciones, es la más débil, pero de largo alcance; es decir, su acción se extiende a grandes distancias de su fuente.


Momento en que Newton analiza la Gravedad a partir de la caída de la manzana.

Modificación del espacio-tiempo alrededor de la masa terrestre.


    Se manifiesta cotidianamente por la atracción de la Tierra sobre nuestro cuerpo y sobre aquellos objetos que nos rodean; la caída de los cuerpos se manifiesta por la atracción gravitacional que ejerce la Tierra sobre ellos; la presión sentida sobre las plantas de los pies, el peso de los cuerpos, es producto de tal interacción. Por igual se manifiesta a gran escala en la interacción del Sol con los planetas, de los planetas con sus propias lunas, de las estrellas entre sí, y entre las galaxias mismas. Tiene lugar entre partículas elementales con masa a escala microscópica, aunque también entre grandes cuerpos masivos que conforman inmensas estructuras en todo el Universo. 

El velo de agua del Salto Kerepakupai-merú (Salto Ángel, Venezuela), es decir "salto del lugar más profundo" en idioma pemón, cae por efecto de la atracción gravitacional de la Tierra.

La atracción gravitacional entre el Sol y los planetas y el movimiento de éstos, permite mantener estable la estructura del Sistema Solar.  


Interacción gravitacional entre la galaxia de Andrómeda y sus galaxia hermanas.

b) La interacción electrodébil 



El Electromagnetismo. Antes de 1864, la electricidad y el magnetismo se consideraban ramas independientes de la Física. Estudios previos de Faraday, Oersted, Ampere, Coulomb y Gauss entre otros, más el aporte definitivo de Maxwell, logran integrar en una sola teoría ambas categorías. Nace así el Electromagnetismo, sintetizado en cuatro leyes fundamentales:

1) Ley de Gauss del campo eléctrico, 
2) Ley de Gauss del campo magnético, 
3) Ley de inducción de Faraday, y 
4) Ley de Ampere-Maxwell. 

Todos los fenómenos electromagnéticos relacionados con partículas cargadas (electrón, protón, entre otras) y el campo electromagnético se estudian bajo el rigor de esta teoría. En consecuencia, la materia por estar conformada por partículas elementales, y al estar sometida a la acción del campo electromagnético, manifiesta propiedades muy particulares que son competencia de esta especial rama de la Física. Este caso es uno de los primeros logros de conjugación de saberes independientes de la Ciencia, síntesis de todo el conocimiento sobre fenómenos eléctricos y magnéticos acumulados desde la antigüedad con el preludio de Tales de Mileto (600 a. C.) con la atracción del ámbar frotado, hasta el análisis taxativo de Maxwell basado en la inclusión de la corriente de desplazamiento. 



No hay comentarios.:

Publicar un comentario