La física es la ciencia que se encarga de los componentes que forman nuestro
Universo, de las fuerzas que estos ejercen entre sí y de los efectos que
provocan estas fuerzas. Esta ciencia está estrechamente
relacionada con el resto de las ciencias naturales.
Durante la antigüedad, los chinos, babilonios,
mayas y egipcios se dedicaron a observar los movimientos planetarios; sin embargo,
no fueron capaces de concluir por qué se producían. Más tarde, los filósofos
griegos sacaron a la luz dos ideas sobre los elementos que componen el
Universo, que se convertirían en algo trascendental. Una fue el atomismo
(postulado por el pensador griego Leucipo en el siglo IV a.C.) y otra,
opuesta a la anterior, la teoría de los elementos, formulada un siglo
antes.
La teoría del atomismo clásico postula que
el “todo” se compone exclusivamente de partículas indivisibles llamadas átomos,
los que poseen únicamente las propiedades de tamaño, forma, impenetrabilidad y
movimiento. Y lo más importante: no pueden atravesarse ni dividirse.
La teoría de los elementos, formulada por Empédocles
en el siglo V a.C., postulaba cuatro elementos o raíces del ser como principio
de la materia: fuego, aire, agua y tierra.
En el siglo III a.de C., en Alejandría, el centro
científico de la civilización occidental en esa época, el matemático, físico e
inventor griego Arquímedes enunció el llamado principio de Arquímedes
(este dice que un cuerpo sólido sumergido en un líquido es impulsado hacia
arriba con una fuerza equivalente al peso del líquido que desplaza) y diseñó
diversos aparatos.
Durante la Edad Media no se observaron grandes
adelantos científicos en el campo de la física; sin embargo, después del
Renacimiento, a fines del siglo XVI y comienzos del XVII, cuatro astrónomos
fueron los responsables de interpretar el movimiento de los cuerpos celestes,
convirtiéndose en los más famosos físicos de la historia:
• Nicolás Copérnico:
propuso el sistema heliocéntrico, en que todos los planetas, incluida la
Tierra, giraban alrededor del Sol. Antes de él imperaba el sistema
geocéntrico (que postulaba que todos los cuerpos celestes, incluido el Sol,
giraban en torno a la Tierra.
• Tycho Brahe:
concluyó que eran cinco los planetas que giraban en torno al Sol (Mercurio, Venus, Marte,
Júpiter y Saturno) y que, a su vez, este nuevo sistema solar giraba alrededor
de la Tierra.
• Galileo Galilei:
astrónomo, físico y matemático italiano. Sus investigaciones sobre las leyes de
la naturaleza constituyen los fundamentos de la ciencia experimental moderna. Entre
otras cosas, demostró que los objetos se demoran el mismo tiempo en caer,
independientemente de su masa, y que su velocidad aumenta uniformemente con el
tiempo de caída.
• Isaac Newton: fue
uno de los grandes físicos de la historia. Sus tres leyes del movimiento fueron
un aporte trascendental y la base de la física dinámica.
Materia
es todo lo que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio y tiene peso y masa. La
materia la podemos encontrar en el Universo en diferentes estados: sólido,
líquido o gaseoso. Si miramos a nuestro alrededor podemos ver edificios, nubes,
aire, agua; todo eso es materia.
Las propiedades físicas de la materia son el
conjunto de características que permiten su estudio usando los sentidos o algún
instrumento específico. Los científicos se han puesto de acuerdo en determinar
que la materia posee ciertas propiedades que son:
masa, peso, volumen y densidad.
En física, masa es la cantidad de materia que
constituye un cuerpo determinado. Esta propiedad física no varía jamás,
independiente del lugar donde se encuentre el cuerpo o de su volumen. Para
medir la masa se utiliza un instrumento llamado balanza. Su valor debe
ser expresado siempre en una de estas unidades: tonelada, kilogramo o gramo.
Esta propiedad física es la fuerza de
atracción que ejerce la gravedad sobre la masa de un cuerpo. A diferencia
de la masa, esta propiedad varía dependiendo en el lugar donde se encuentre el
cuerpo. Por ejemplo, cualquier objeto pesará más si está situado a nivel del
mar que si se encuentra en lo alto de una montaña, pero su masa seguirá siendo
la misma. Más sorprendente aún es la variación del peso en la Tierra v/s la
Luna, ya que en el satélite el peso disminuye considerablemente.
El peso se mide con un instrumento llamado dinamómetro
y su unidad se expresa en Newton (N). El dinamómetro está formado por un
resorte con un extremo libre y posee una escala graduada en unidades de peso. Para
saber el peso de un objeto solo se debe colgar del extremo libre del resorte,
el que se estirará; mientras más se estire, más pesado es el objeto.
El
volumen es otra propiedad física de la materia. Es el lugar que ocupa un cuerpo
en el espacio. Se simboliza con la letra V y normalmente se asocia con el
tamaño del cuerpo. Para medir el volumen se pueden utilizar distintos
instrumentos, y las unidades en que se expresa pueden variar, dependiendo del
estado en que se encuentre la materia. Veamos entonces.
Un
cuerpo sólido regular es aquel que posee dimensiones muy bien definidas, como,
por ejemplo, un cuadro, un cubo, o un libro. Para medir este sólido no
necesitamos más que una regla o un metro.
• 1 libro
• Una regla
1. Para saber el volumen de este libro solo debes
medir su largo, ancho y alto. Al obtener estas tres dimensiones, calcula el
volumen de la siguiente manera:
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Volumen de cuerpo
regular= largo x ancho x por alto. |
Una
piedra es un cuerpo sólido irregular, lo que no permite que podamos
medir su volumen simplemente con una regla, porque tiene lados muy distintos. Entonces,
para calcular el volumen de una o más piedras (de un sólido irregular, en
general) se debe sumergir esta en un volumen conocido de agua: el volumen del
cuerpo es equivalente al del volumen de agua que desplaza.
Calcular
el volumen de un gas es bastante más complicado que hacerlo con un líquido o un
sólido, ya que tiende a ocupar el mayor espacio posible. Además, hay que
considerar la presión y la temperatura, que hacen variar su volumen.
• Una jeringa graduada
1. Esto es muy simple. Solo debes tomar la
jeringa y tapar el orificio con tu dedo pulgar, que es el más fuerte. Luego,
comienza a presionar como si estuvieras inyectando algo, sin destapar el
orificio de escape.
Te darás cuenta de que llega un minuto en el que
no puedes seguir presionando; es decir, el gas está ocupando el mínimo de
espacio. La jeringa marcará una medida, precisamente la medida del volumen del
gas que quedó atrapado.
Es la
cuarta propiedad física de la materia y se relaciona directamente con la masa y
el volumen de un cuerpo. Incluso, dos cuerpos pueden tener el mismo volumen
pero distinta masa. Por ejemplo, si se toma 1 ml. de agua y se mide su masa,
esta es de 1 kg. Basándonos en la relación de masa y volumen, podríamos decir
que la densidad es la masa de un cuerpo contenida en una unidad de volumen.
La densidad de un líquido se mide con un densímetro.
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Isaac
Newton nació en Inglaterra el 25 de diciembre de 1642 y es considerado uno de
los más grandes e importantes científicos de la historia. Aportó a varios
campos de la ciencia, sirviendo de base a la mayor parte de avances científicos
de la época.
Físico y matemático, recibió el título de
profesor en 1668, dedicándose al estudio e investigación de los últimos avances
matemáticos; en 1966 desarrolló lo que hoy conocemos como cálculo, un
método matemático muy novedoso.
Sin embargo, hay algo que dejó una profunda huella en la historia de la física:
los llamados principios o leyes de Newton, que profundizaremos a continuación.
En 1665, cuando Newton tenía 23 años, comenzó a
desarrollar los principios de la mecánica, que terminaron siendo la base
teórica de todo el desarrollo de la física dinámica (fuerza y movimiento) desde
el siglo XVIII.
Si pensamos en todo lo que hacemos diariamente,
no es difícil entender que para mover un cuerpo debemos aplicar una fuerza, y
para detenerlo, también. La inercia es la resistencia de un cuerpo en
reposo al movimiento, o de un cuerpo en movimiento a la aceleración, al retardo
en su desplazamiento o a un cambio de dirección del mismo. Para vencer la
inercia debe aplicarse una fuerza.
Un ejemplo de inercia es cuando vamos en el auto
y frenamos bruscamente; entonces nuestro cuerpo tiende a irse hacia adelante. Por
el contrario, cuando el vehículo parte nos vamos hacia atrás. Esto demuestra
que todos los cuerpos que están en movimiento tienden a seguir en movimiento;
los cuerpos que están en reposo, tienden a seguir en reposo. Esta es la primera
Ley de Newton, que se enuncia así: “Todo cuerpo permanece en reposo o se
desplaza con movimiento rectilíneo uniforme, siempre que no actúe sobre él una
fuerza exterior que cambie su estado”.
En un comienzo, Newton definió la masa como
la cantidad de materia de un cuerpo. Sin embargo, con el tiempo, esto quedó
mejor explicado como la medida de la inercia de un cuerpo; es decir, la
resistencia del cuerpo a cambiar su estado. Es importante tener claro que a
mayor masa, mayor inercia. Esto no tiene nada que ver con el peso, ya que la
masa es la medida de la inercia de un cuerpo; por el contrario, el peso se
refiere a la fuerza de gravedad sobre un cuerpo y es igual al producto de su
masa y la aceleración de gravedad. El peso variará dependiendo del lugar donde
se encuentre, mientras que la masa será siempre constante.
Por ejemplo, si tenemos dos automóviles iguales,
y uno es tirado por un hombre y el otro por un caballo (dos fuerzas distintas),
el segundo va a adquirir mayor aceleración, comprobando que la aceleración es
directamente proporcional a la fuerza: a mayor fuerza, mayor aceleración.
Por el contrario, si tenemos dos caballos iguales
(igual fuerza), el primero tira de un auto más pequeño que el segundo
(distintas masas), el primero adquirirá mayor aceleración, concluyendo que la
aceleración es inversamente proporcional a la masa: a menor masa, mayor
aceleración.
Esta es la segunda Ley de Newton, que
formalmente se enuncia así: “Cualquier variación del movimiento es proporcional
a la fuerza que la produce y tiene lugar en la dirección en que dicha fuerza
actúa, siendo el aumento o la disminución de la velocidad proporcional a la
misma”.
La tercera Ley del
Movimiento de Newton es el principio de acción y reacción. Este
postula que a cada acción corresponde una reacción igual y contraria. Es decir,
si un cuerpo A ejerce una acción sobre un cuerpo B, el cuerpo B reacciona y
ejerce una fuerza igual y contraria sobre el cuerpo A.
Los cohetes funcionan en base al mismo principio,
ya que se aceleran al ejercer una gran fuerza sobre los gases que expulsan. Estos
gases ejercen una fuerza igual y opuesta sobre el cohete, lo que finalmente lo
hace avanzar.
Cada material, sin importar cuán duro sea, es
elástico. Esto hace que al ejercer una fuerza sobre él, este también lo haga. Por
ejemplo, si empujamos una mesa estamos ejerciendo una fuerza sobre ella; si
miramos nuestras manos, podremos ver qué están deformadas por la fuerza y
sentimos dolor. Eso quiere decir que la mesa también ejerció una fuerza sobre
nuestras manos.
El calor, que es estudiado por una una rama de la física llamada
Termodinámica, se puede definir como energía producto del movimiento
de las moléculas. El calor es energía pura en tránsito, ya que siempre está
fluyendo de una parte a otra. Siempre fluye de una zona de mayor temperatura a
una más fría, aumentando la temperatura en esta última y disminuyendo la
temperatura de la primera zona, siempre y cuando el volumen de los cuerpos se
mantenga constante.
Temperatura es la medida del calor o del frío
relativo de un cuerpo (y no la cantidad de calor que este contiene o puede
rendir).
Cuando tocamos algo, lo sentimos frío o caliente.
Esto depende directamente de la temperatura del objeto y de su capacidad de
conducir el calor. Al variar las temperaturas, las sustancias pueden dilatarse
o contraerse, cambiar su resistencia eléctrica y si es un gas, variar su
presión.
Para medir la temperatura se utilizan distintas
escalas, entre las que contamos la Celsius o escala centígrada, la
escala Fahrenheit y la escala Kelvin.
En la escala Celsius, el punto de congelación del
agua equivale a 0°C, y su punto de ebullición a 100°C. Esta escala se utiliza
en casi todo el mundo.
La escala Fahrenheit se utiliza en los países
anglosajones. El punto de congelación del agua es de 32°F, y su punto de
ebullición, 212°F.
Finalmente, en la escala Kelvin, el cero se
define como el cero absoluto de temperatura; es decir, -273,15 °C. La
magnitud de su unidad (Kelvin), simbolizada por K, se define como igual a un
grado Celsius.
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Una de
las contribuciones más específicas de Isaac Newton fue esta teoría. Pero,
¿sabes cómo llegó a ella? Un día del año 1665, Newton estaba muy concentrado
tratando de entender el movimiento de los planetas en el jardín de la casa de
su madre, cuando vio que desde un árbol caía una manzana. Al observar esto, la
teoría vino a él como una luz: si el efecto de gravedad actúa en la copa de los
árboles o en lugares de altura, tal vez sucedía los
mismo con la Luna.
Luego de esto, llegó a la conclusión de que la
fuerza de gravedad sobre un objeto no solo depende de la distancia, sino
también de su masa. Entonces, la teoría dice: “cada partícula del Universo
atrae a todas las demás con una fuerza proporcional al producto de su masa, e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, fuerza que
actúa a lo largo de la línea que une las dos partículas”.
La
electricidad y el electromagnetismo son dos ramas de la física, las últimas que
estudiaremos en este fascículo. Los fenómenos eléctricos y magnéticos
comenzaron a estudiarse a finales del siglo XVIII, cuando en 1785 el físico
francés Charles de Coulomb confirmó que la fuerza de atracción o de
repulsión eléctrica es directamente proporcional al producto de las masas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esto fue
conocido como la Ley de Coulomb. Sin embargo, fueron los matemáticos
Simeón Denis Poisson y Carl Friedrich Gauss quienes llegaron a la conclusión de
que dos partículas con cargas opuestas se atraen, acelerándose una hacia la
otra.
De aquí nace la teoría clásica de un circuito
simple (trayecto o ruta de una corriente eléctrica), que postula que los dos
polos de una pila tienen cargas opuestas (positiva y negativa). Cuando estos
polos se conectan mediante un conductor, las partículas negativas son atraídas
por el polo positivo, calentando el conductor, lo que sucede porque pone
resistencia al movimiento. Cuando las partículas llegan al polo positivo, se
ven obligadas a desplazarse dentro de la pila hasta el polo negativo, en contra
de las fuerzas que se oponen a esto (Ley de Coulomb).
Los conceptos básicos del magnetismo aparecieron
en el siglo XVII, desarrollados ampliamente por Coulomb. Pero la relación entre
magnetismo y electricidad se estableció solo con los experimentos realizados
por el físico y químico danés Hans Christian Oersted, que en 1819 descubrió que
un cable conductor por el que fluye una corriente eléctrica es capaz de desviar
una aguja magnética situada en sus proximidades.