10 cosas sobre física general que hasta Belén Esteban debería saber

Publicado en Amazings por Eugenio Manuel Fernández.

Por Eugenio Manuel | 28/12/2011 @ 09:30 | Divulgación, Física | 72 Comentarios

Recreación fotográfica: Los dos personajes no están juntos mirando la pizarra

1. El Universo viene de un solo punto en el que hubo una Gran Explosión

Todo lo que puedes ver hoy a tu alrededor, edificios, montañas, nubes, estrellas y planetas proviene de una gran “explosión” ocurrida hace unos 13 700 millones de años. Por qué se produjo ese evento no se sabe con certeza aún, pero la comunidad científica tiene pruebas suficientes para afirmar que todo viene de un mismo punto a partir del cual hubo una gran expansión.

Esta idea se conoce como Teoría del Big Bang y fue presentada por Georges Lemaître en la 100ª Reunión Anual de la British Association for the Advancement of Science en septiembre de 1931. Por tanto, este año la teoría del Big Bang cumple 80 años. A partir del Big Bang se crearon las partículas fundamentales, que se fueron uniendo para formar átomos (al principio los más simples, como el hidrógeno y el helio), luego se unieron estos para formar estrellas mediante la combustión termonuclear. Las estrellas hoy en día se asocian en galaxias. Todos los elementos que conocemos hoy (carbono, hierro, etc.) en día provienen de estrellas moribundas, es decir, hay estrellas que pueden llamarse fábricas de elementos.

2. La materia está constituida por átomos

La escuela de los atomistas de la antigua Grecia (Demócrito y Leucipo, entre otros) pensaba que la materia no podría ser dividida infinitamente. Si tomamos un cuerpo y lo partimos y seguimos partiéndolo, llega un momento en que no se pueden realizar más divisiones. Encontramos unas partículas que componen toda la materia. Estas partículas son los átomos. “Átomo” significa indivisible en griego. Hoy sin embargo, sabemos que los átomos existen, pero sí pueden dividirse. Un átomo es la parte mínima que define un elemento. Los átomos están constituidos de un núcleo muy pequeño con protones (partículas de carga positiva) y neutrones (partículas sin carga neta); alrededor se encuentra la denominada nube electrónica, en la que están los electrones, (partículas de carga negativa). El número de protones de un átomo es lo que caracteriza un elemento, es decir, átomos de un mismo elemento tienen igual número de protones, sin importar el número de neutrones y electrones.

Desde Demócrito hasta nuestros días la historia del conocimiento del átomo ha constituido un ejemplo de saber trabajar en ciencias. Entre los nombres que han aportado gran conocimiento en este plano están: Demócrito, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Somerfeld, Shrödinger, etc.).

3. La Tierra es esférica (casi) y orbita en torno al Sol

En la antigüedad se pensaba que la Tierra era plana y que podíamos llegar a un punto en que se terminara y nos cayéramos a un vacío extraño y desconocido. Lo máximo que podían aceptar los antiguos es que la Tierra fuera redonda a modo de disco, pues esa era la sombra que arrojaba en los eclipses de Luna. El estudio de los modelos cosmológicos a lo largo de la historia es una muestra sin igual de la imaginación del ser humano.

El geocentrismo es el modelo cosmológico que afirma que la Tierra es el centro del Universo y que todos los planetas y estrellas giran en torno a él. Fue puesto de moda e integrado en el saber culto por Aristóteles y tuvo un cuerpo matemático debido al astrónomo Claudio Ptolomeo, desde el siglo II d.C. Tuvo su sentido durante siglos hasta que los experimentos, medidas y pruebas evidenciaron que el modelo tenía fallos.

El heliocentrismo es el modelo que afirma que el Sol está en el centro (en principio se pensó que del Universo, hoy sabemos que simplemente del sistema solar y que no es realmente el centro) y la Tierra orbita alrededor de él. Este modelo fue defendido por Aristarco de Samos, aunque por la falta de lógica que presentaba para la gente de su época (siglo III a.C.) fue olvidado. Nicolás Copérnico lo recupera a finales del siglo XVII y le da respaldo matemático en su obra Revolutionibus, aunque no resolvía demasiado los impedimentos matemáticos (al contrario de lo que se suele afirmar). No será hasta la llegada de los experimentos de Galileo y sus observaciones de la Luna y las fases de Venus (publicadas en el libro Siderius nuncius) cuando el heliocientrismo es tomado en serio y como una realidad a ser tenida en cuenta. La Iglesia apartó a Galileo de la actividad científica al final de su vida en un arresto domiciliario hasta el final de sus días. Hasta 1982 no reconocieron su error.

4. En la naturaleza sólo existen cuatro tipos de fuerzas

En el Universo existen solo cuatro tipos de fuerzas conocidas: interacción gravitatoria, interacción electromagnética, interacción nuclear débil e interacción nuclear fuerte. Estas interacciones forman parte del modelo estándar de la física que procura explicar el funcionamiento del Universo mediante un conjunto de partículas y fuerzas que existen entre ellas.

Hay tres tipos de partículas fundamentales: leptones (electrón, muón, tau y sus respectivos neutrinos), quarks (son seis y forman los protones y neutrones en asociaciones de tres) y las partículas portadoras de fuerzas. El gravitón (partícula hipotética) sería la responsable de la gravitatoria, el fotón de la electromagnética, los bosones W y Z de la débil y el gluón de la fuerte. Uno de los campos de investigación más interesantes de la física es la búsqueda del hipotético bosón de Higgs, el cual explicaría la existencia de masa en las partículas con dicha propiedad.

Hablamos de algunas fuerzas en los siguientes puntos: gravitatoria en el 5, electromagnética en 6 y 7 y nuclear

5. Los planetas y estrellas se atraen entre sí debido a sus masas

Todos los astros del Universo se atraen entre sí debido al hecho de tener masa. Esta evidencia fue recogida por Isaac Newton en 1687 en su libro Principios Naturales de Filosofía Natural: los cuerpos con masa se atraen entre sí con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separan.

En la misma obra Newton habla de tres leyes fundamentales que hoy se conocen como las tres leyes de Newton y que en nuestro lenguaje moderno pueden formularse como:

- 1ª ley: ley de inercia. Si la suma de todas las fuerzas sobre un cuerpo es cero, el cuerpo continuará con su movimiento constante o en reposo).

- 2ª ley: definición de fuerza. La fuerza que sufre un cuerpo al ser sometido a una aceleración es directamente proporcional al producto de su masa por la aceleración.

- 3ª ley: ley de acción y reacción. Si un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, el segundo ejercerá una fuerza igual sobre el primero pero de sentido contrario.

Actualmente la Gravitación Universal ha sido absorbida por la Teoría General de la Relatividad de Eisntein, en la cual se afirma que los cuerpos con masa crean una curvatura en el espacio-tiempo que es la responsable de la gravitación.

Una curiosidad es que la fuerza gravitatoria es mucho más débil que la fuerza electromagnética. Cuando levantas un bolígrafo, por ejemplo, estás ganando a toda la Tierra con tu movimiento, y éste es de origen electromagnético.

6. La corriente eléctrica se puede generar gracias a un imán en movimiento

La electricidad que llega a tu casa la genera el ser humano gracias a un hecho científico comprobado y utilizado constantemente: si introducimos un imán y lo sacamos repetidas veces por el hueco creado por un cable en forma circular (espira), en dicho cable se genera una corriente eléctrica. Este fenómeno se conoce como ley de Faraday (también ocurre si es el cable el que se mueve y el imán está fuera). Es decir, un campo magnético puede crear una corriente eléctrica. Pero al revés también ocurre: se puede generar un campo magnético con una corriente eléctrica, lo cual se conoce como ley de Biot-Savart. Estas dos leyes fueron la primera evidencia de que el campo eléctrico y el campo magnético son caras de una misma fuerza: la interacción electromagnética. Maxwell pasaría a la historia por su riguroso estudio de esta interacción, dejando a la comunidad científica y tecnológica el legado de las ecuaciones de Maxwell.

7. El espectro electromagnético es una representación gráfica de ondas electromagnéticas por energía

El espectro electromagnético es la representación gráfica de las ondas electromagnéticas según un orden energético, creciente o decreciente según se mire en un sentido u otro. Las ondas electromagnéticas son la forma de propagación de un campo magnético y un campo eléctrico oscilante y perpendiculares entre sí. Todas las ondas que figuran en el espectro son de la misma naturaleza (viajan a la velocidad de la luz constante de 300 000 km/s) y sólo se diferencian por la energía que portan.

Si las ponemos en fila y las ordenamos de menor a mayor en sentido energético nos saldría la siguiente lista: ondas TV, ondas de Radio, Microondas, Infrarrojo, Luz visible, Ultravioleta, Rayos X y Rayos Gamma.

Una curiosidad: las microondas son menos energéticas que la luz visible. En realidad, los físicos suelen poner en estos diagramas longitudes de onda y frecuencias, magnitudes características de las ondas, en vez de energía, aunque están relacionadas unas con la otra.

8. La fusión nuclear y la fisión nuclear no son el mismo fenómeno

La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos se unen (fusionan) para formar un tercer núcleo de un elemento distinto, generando una gran cantidad de energía y algunas partículas.

La fisión nuclear ocurre cuando un núcleo atómico se rompe (fisiona) para formar dos núcleos atómicos más ligeros, convirtiéndose en elementos más ligeros y liberando energía.

En ambos casos entra en juego la interacción nuclear fuerte. Las aplicaciones de uno y otro fenómeno son múltiples y puedes investigarlas por ti mismo.

9. La velocidad de caída de un cuerpo en un campo gravitatorio no depende de su masa si…

Dos cuerpos con distinta masa soltados en un campo gravitatorio tardan el mismo tiempo en tocar el suelo, si hay ausencia de aire, atmósfera o cualquier agente que interactúe con ellos. Es una consecuencia de las leyes de Newton y de la gravitación universal, aunque fue antes Galileo quien lo demostró con su famosas ecuaciones de la cinemática. Galileo dedicó gran parte de su vida a trabajar con la caída de los cuerpos en distintos líquidos (hidrodinámica) basándose en los trabajos de Arquímedes (hidrostática) para concluir que dos cuerpos con masas distintas caían a un ritmo más parecido a medida que el fluido ofrecía menos resistencia. Por tanto dedujo que si no existiera atmósfera, la caída sería idéntica.

Es ya mítico el vídeo en que David Scott (misión Apolo XV) dejó caer un martillo de geólogo y una pluma de halcón en la Luna. Ambos objetos tocaron el suelo a la par.

10. Conservación de la energía-masa

Hasta el momento todo parece indicar que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma en otras formas de energía.

Este enunciado que todos aprenden en la escuela se vio modificado con la famosa fórmula de Eisntein, pasando a ser en lenguaje cotidiano, no científico, de esta otra forma: la suma de la masa y la energía de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. Esta realidad se pone de manifiesto en los fenómenos nucleares, en los cuales se puede liberar una gran cantidad de energía a partir de pequeñas masas.

En realidad son muchos más los conceptos y palabras que, al menos, deberían sonar sobre física y astronomía. Aquí una nube:

Átomos, Tierra esférica, heliocentrismo, big bang, dualidad onda-corpúsculo, conservación de la energía, velocidad de la luz constante, ondas, partículas, ecuación de continuidad, ecuación de onda, radiación, radiactividad, ecuaciones de Lorentz, constante de estructura fina, condensado de Bose-Einstein, principio de complementariedad, superconductores, superfluidez, cuántica, efecto Coriolis, efecto Coanda, efecto Venturi, ley de Snell, etc.

Este artículo se puede convertir en una serie: 10 cosas sobre Física Cuántica, 10 cosas sobre Cosmología, 10 cosas sobre Cinemática, etc. Puedes dejar tus propuestas para futuros post.