Física - ipesad
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Física - ipesad
Física Bernardo Tarango Frutos Salvador Rivera Gallegos Ricardo Valdez González Preuniversitario Física UNAM cover grapa.indd 1 3/14/06 5:35:28 PM F ís ic a El libro Física es una obra colectiva, creada y diseñada en el Departamento de Investigaciones Educativas de Editorial Santillana, con la dirección de Clemente Merodio López. Bernardo Tarango Frutos Salvador Rivera Gallegos Ricardo Valdez González Preuniversitario F ís ic a El libro Física fue elaborado en Editorial Santillana por el siguiente equipo: Ed i ci ó n Catalina Pelayo Rojas Co ord ina ci ó n ed i torial Roxana Martín-Lunas Rodríguez Co re cción d e est il o Pablo Chávez Hernández D is e ñ o d e in teri ores Quinta del Agua Ediciones, S.A. de C.V. D is e ñ o d e p or tada Francisco Ibarra Meza Co ord ina ci ó n d e d is eño e i conog ra fí a Francisco Ibarra Meza I l ustrad ores Francisco Rivera Rodríguez, René Sedano Hernández, Ricardo, Ríos Delgado, Luis Ángel Sánchez Hernández, Apolinar Santillán Hernández Fo togra f í a Rocío Echávarri Rentería, Gustavo Guevara de León, Corel Stock Photo y Archivo Santillana D iagra ma ci ón Alma Laura Origel Romero, Héctor Ovando Jarquín, Fausto Urbán Brisuela, Javier Martínez Ramírez, Mabel Totolhua Hernández, Violeta Méndez Guadarrama. Ed i to ra e n Je fe d e Ba chillera to Roxana Martín-Lunas Rodríguez G e re n cia d e I nvest iga ci ón y Desa rroll o Armando Sánchez Martínez G e re n cia d e P roces os Ed i toriales Laura Milena Valencia Escobar G e re n cia d e Dis eño Mauricio Gómez Morin Fuentes Co ord ina ci ó n d e Ar te y Dis eño Francisco Ibarra Meza Co ord ina ci ó n d e Autoed i ci ón Óscar Tapia Márquez D igital i za ción d e i má genes José Perales Neria, Gerardo Hernández Ortiz y María Eugenia Guevara Sánchez Fo to m e c á n i ca elec t róni ca Gabriel Miranda Barrón, Manuel Zea Atenco y Benito Sayago Luna La presentación y disposición en conjunto de cada página de Física son propiedad del editor. Queda estrictamente prohibida la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier sistema o método electrónico, incluso el fotocopiado, sin autorización escrita del editor. D.R. © 2006 por EDITORIAL SANTILLANA, S. A. DE C. V. Av. Universidad 767 03100, México, D. F. ISBN: 970-29-0891-4 Primera edición: julio de 2006 Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 802 Impreso en México Presentación ¡Bienvenidos a esta apasionante aventura intelectual y práctica! L a f ísica es una ciencia maravillosa que ha desarrollado explicaciones para fenómenos del microcosmos y el macrocosmos. Esta ciencia se ha construido a lo largo de la historia de la humanidad, evolucionando a la par del pensamiento y concepción del mundo de los seres humanos. La f ísica ha facilitado nuestra existencia y transformado nuestra civilización. Por ello, más que pretender aprenderla, hay que aprehenderla. ¡Hazla parte de ti! La obra Física plantea los temas de un modo interesante que te permitirá entender la evolución de las ideas científicas. En este libro, encontrarás ejercicios de aplicación matemática para comprender mejor los fenómenos estudiados, apartados para aclarar o ampliar conceptos tratados en el texto, lecturas complementarias y actividades diversas. También te presentamos recursos de evaluación que te permitirán, no sólo darte cuenta de tu avance, sino adquirir y fomentar habilidades y capacidades para el manejo de la información. Consideramos que tú y tu profesor o profesora conforman un binomio inseparable e indispensable para esta experiencia de construcción del conocimiento. El docente es tu guía, orientador y facilitador; y tú eres protagonista activo y responsable de tu propia aventura llamada aprendizaje. Aprender es más que memorizar y aprobar exámenes, es fundamentalmente un cambio en la forma en que comprendes el mundo; es desarrollar habilidades para la convivencia, para la vida en sociedad, para la comunicación y para seguir aprendiendo. Pretendemos que desarrolles una perspectiva diferente de la acostumbrada: la perspectiva científica. ¿Estás listo para iniciar la aventura? Adelante, da vuelta a la página y comienza. Los autores Í ndi ce 9 Tabla de contenidos Presentación ■ 9 ■ Unidad I La física y su relación con el entorno social ■ 10 ■ La f ísica en la vida diaria 1 La f ísica como ciencia teórico experimental 1.1 Relación de la f ísica con la tecnología 2 La f ísica y el entorno sociocultural El artículo. La misión, Stardust Integración del aprendizaje Evaluación del aprendizaje Unidad II Interacciones mecánicas. Fuerza y movimiento La f ísica en la vida diaria 1 Interacciones. Tercera ley de Newton 2 Concepto de fuerza 2.1 Carácter vectorial de la fuerza 3 Concepto de velocidad media 3.1 Movimiento rectilíneo uniforme 4 Movimiento con velocidad variable 4.1 Movimiento uniformemente acelerado (MUA) 5 Primera ley de Newton 6 Segunda ley de Newton 7 Peso de un cuerpo 4 Fí si ca 12 14 16 18 20 21 22 ■ 24 ■ 26 28 32 32 42 44 46 46 54 56 60 7.1 Caída libre de los cuerpos 8 Aplicación de fuerzas y fluidos 9 Concepto de presión 9.1 Presión atmosférica 10 Presión hidrostática 10.1 Principio de Arquímides 10.2 Principio de Pascal 11 Ley de Boyle. Modelo cinético molecular 12 Más allá de Newton 13 Relatividad especial El artículo. Entre la duda y el acierto: el experimento Michelson-Morley El artículo. El hallazgo y la experiencia de la f ísica de la relatividad Integración del aprendizaje Evaluación del aprendizaje 65 78 84 86 94 94 99 102 105 108 110 122 123 124 Unidad III Interacciones térmicas, procesos termodinámicos y máquinas térmicas ■ 126 ■ La f ísica en la vida diaria 1 Energía y trabajo mecánico 1.1 Trabajo mecánico 2 Energía mecánica 2.1 Interconversión 2.2 Transferencia 2.3 Teorema trabajo energía 2.4 Conservación 3 Otras formas de energía 3.1 Fuentes alternativas de energía El artículo. Aprovechamiento de la energía solar El artículo. Desarrollo sustentable y el Protocolo de Kyoto 4 La palanca 5 Procesos disipativos 5.1 Una historia acalorada 6 Transferencia de energía 128 132 133 138 138 138 139 142 146 147 149 150 152 154 157 159 Í ndi ce 5 6.1 El calor y sus leyes 7 Equilibrio térmico 7.1 La ley cero 7.2 La noción de temperatura 7.3 Un modelo para interpretar la temperatura 7.4 La medida de la temperatura 8 Relación del trabajo adiabático con el aumento de temperatura de una masa de agua 8.1 Primera ley de la termodinámica 9 Conductividad calorífica y capacidad térmica específica 9.1 La transmisión del calor 9.2 La máquina de movimiento perpetuo 10 Eficiencia de máquinas térmicas 10.1 Las máquinas térmicas 10.2 El refrigerador 10.3 El efecto invernadero 11 Ondas 11.1 La transferencia de energía 11.2 Propiedades de las ondas 11.3 Velocidad de propagación 11.4 Movimiento armónico simple 11.5 Tipos de ondas 11.6 Las ondas sonoras 11.7 Las ondas sísmicas Integración del aprendizaje Evaluación del aprendizaje 159 162 162 163 164 166 171 171 174 174 177 179 179 184 185 187 187 187 188 190 194 196 202 207 208 Unidad IV Interacciones eléctricas y magnéticas. Fenómenos luminosos ■ 210 ■ La f ísica en la vida diaria El artículo. Una historia electrizante 1. Campo eléctrico, ley de Coulomb 1.1 La carga eléctrica 1.2 El modelo del átomo y la carga eléctrica 1.3 Formas de cargar materiales eléctricamente 1.4 La ley de Coulomb 1.5 La acción a distancia 6 Fí si ca 212 215 216 218 218 220 223 226 2. Circuitos eléctricos resistivos 2.1 Energía potencial eléctrica 2.2 Corriente eléctrica y fuentes de voltaje 2.3 Resistencia eléctrica 2.4 Ley de Ohm 2.5 Circuitos eléctricos 2.6 Potencia eléctrica 3. Campo magnético 3.1 Los imanes 3.2 Imanes y estructura de la materia 3.3 El campo magnético 3.4 La fuerza magnética 4. Inducción electromagnética 5. Síntesis de Maxwell 6. Ondas electromagnéticas 6.1 La contribución de Hertz 6.2 El espectro electromagnético y la luz visible 7. La luz como onda electromagnética 7.1 La luz y la óptica 7.2 Fenómenos luminosos 7.3 Reflexión y refracción de la luz 7.4 La formación de imágenes 7.5 Espejos esféricos 7.6 El telescopio 7.7 Lentes delgadas 7.8 Óptica ondulatoria 7.9 Interferencia y difracción de la luz Integración del aprendizaje Evaluación del aprendizaje Unidad V Estructura de la materia 231 231 235 239 241 242 247 249 249 251 253 257 259 261 263 263 264 265 265 265 266 269 270 274 279 281 282 283 286 ■ 288 ■ La f ísica en la vida diaria 1 Estructura atómica de la sustancia en la profundidad de la materia 2 La evidencia química 290 294 296 Í ndi ce 7 2.1 Teoría atómica de Dalton y leyes de las proporciones definidas y múltiples 2.2 Ley de Gay Lussac 2.3 Hipótesis de Avogadro 2.4 Pesos moleculares 2.5 Mendeléiev y la tabla periódica 3 La evidencia f ísica 3.1 Movimiento browniano 3.2 Teoría cinética de los gases 3.3 Ley de electrólisis de Faraday 3.4 Estructura cristalina 3.5 Imágenes de microscopio electrónico 3.6 Dimensiones moleculares y atómicas 4 La teoría atómica de la electricidad 4.1 Tubos de descarga 4.2 Experimento de Thomson 4.3 Experimento de Millikan 5 La teoría atómica de la radiación 5.1 La radiación electromagnética y la luz 5.2 La hipótesis cuántica de Planck 5.3 El efecto fotoeléctrico 6 Modelos atómicos 6.1 El descubrimiento de la radiactividad 6.2 Experimento de Rutherford 6.3 Espectroscopia 6.4 El modelo atómico de Bohr 7 Física nuclear 7.1 Decaimiento radiactivo 7.2 Detectores de radiactividad 7.3 Aplicaciones de la radiactividad y la energía nuclear 7.4 Fisión y fusión nucleares 8 Partículas elementales y cosmología 8.1 Partículas elementales 8.2 Interacciones fundamentales 8.3 Origen y evolución del Universo El artículo. La gran explosión o el Big Bang 8.4 Relatividad general Integración del aprendizaje Evaluación del aprendizaje 8 Fí si ca 296 301 302 303 304 306 306 307 308 309 310 311 312 312 313 314 315 315 316 318 320 320 327 328 330 333 336 337 338 345 349 349 349 353 355 356 357 359 Unidad I La física y su relación con el entorno social La posibilidad de estudiar con detalle el movimiento de los planetas y la necesidad de frenar un automóvil son tan sólo dos aplicaciones de una misma propiedad general de la materia: la inercia. Propósito El contenido de esta unidad te llevará a reconocer la f ísica como una ciencia que guarda una amplia relación con tu entorno y tu vida cotidiana. 11 L a f í s i ca en l a vid a d iar ia ¿ Por qué est udiar Físic a? ¡Buenos Pie de figura 12 Fí si ca días! Despiertas al escuchar (ondas sonoras) la música de tu radio– despertador (ondas electromagnéticas) y enciendes la luz (electricidad) para poder ver (ondas elec–tromagnéticas) los objetos que hay en tu recámara. Te diriges al baño, abres las llaves de la regadera (vasos comunicantes) y templas el agua (calorimetría) para bañarte sin problemas. Te arreglas frente al espejo (reflexión regular de la luz) y vas a la cocina para calentar (transferencia de calor) el desayuno en el horno de microondas (ondas electromagnéticas). Te pones la chamarra para aislarte del frío matutino (transmisión del calor), consultas el reloj (mecánica o electrónica) y sales presuroso para abordar el vehículo (mecánica) que te transportará a la prepa: comenzará un nuevo día de clases. ¿Quién lo dijo? El párrafo anterior describe las actividades que realizas todos los días de clases y entre paréntesis se menciona el principio f ísico que ocurre en cada caso. Como puedes notar, la f ísica forma parte de la vida cotidiana. Lo anterior no es una descripción completa de los principios que generan los fenómenos descritos. Cierto, por ejemplo, en el radio–despertador intervienen la electricidad, la electrónica, las ondas electromagnéticas y las ondas sonoras; además, en varios fenómenos participan las ondas electromagnéticas. Pero, ¿qué hace que un radio no pueda calentar el desayuno o no nos permita ver los objetos? Esta pregunta puede contestarse mediante el estudio de las ondas electromagnéticas, con respecto a dos de sus propiedades: la longitud de onda y la frecuencia, dentro de una rama de la f ísica denominada electromagnetismo. Si debiera responderse la pregunta “¿cómo interviene la f ísica en la vida diaria?”, sería mucho más fácil responderla invirtiendo su planteamiento: “¿En qué fenómenos de la vida cotidiana NO interviene la f ísica?” Al preguntar a ciertos estudiantes de preparatoria qué carrera van a estudiar, suelen responder “cualquiera que no tenga que ver con la f ísica, por ejemplo, medicina”; pero no reconocen que algunos de los fenómenos comunes a todos los seres humanos, como inhalar aire al respirar, es un fenómeno estudiado por la neumática, una rama de la f ísica, y que lo origina la diferencia de presión entre el interior de los pulmones y la atmósfera. (Más aún, expeler aire también es un fenómeno estudiado por la f ísica.) Con base en lo anterior puede comprenderse por qué se define a la f ísica, del latín physis y éste del griego fusike, de fusis, naturaleza, como la ciencia de la naturaleza, en el sentido más amplio. D efin ic ion es d e físic a “Ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, considerando tan solo los atributos capaces de medida.” Diccionario de la lengua española, Real Academia Española. “Ciencia que tiene por objeto el estudio de los cuerpos y sus leyes y propiedades mientras no cambia su composición, así como el de los agentes naturales, con los fenómenos que en los cuerpos produce su influencia.” Diccionario enciclopédico U.T.E.H.A. “Ciencia que estudia la materia, sus propiedades, sus fenómenos y las leyes que los rigen.” Diccionario enciclopédico Santillana. “La f ísica es la más fundamental de las ciencias. Se ocupa del comportamiento y la estructura de la materia”. D. C. Giancoli. “La f ísica es más que una parte de las ciencias f ísicas (geología, astronomía, química y f ísica). Es la ciencia básica.” P. G. Hewitt. Unidad I La f ísica y su rela ció n co n el en to r n o s ocial 13 1 La física como ciencia teórico experimental L a curiosidad es un gran motor del cerebro humano. Este gusto por saber que caracteriza a nuestra especie nos ha llevado a preguntarnos el porqué de las cosas. Para cada porqué, se piensa, debe existir un cómo. La búsqueda del cómo estimuló el nacimiento y el desarrollo del conocimiento científico; su alto grado de especialización es históricamente reciente, ya que en la antigüedad los científicos disertaban sobre temas muy diversos y se valían de métodos de investigación muy generales. Por ejemplo, el filósofo griego Demócrito de Abdera (año 450 a. de C.), para fundamentar su teoría de que la materia es discontinua, acuñó el término átomo (indivisible), que en el siglo XIX retomó el químico, f ísico y naturalista inglés John Dalton (1766-1844) para explicar las reacciones químicas. Luego, después del estallido de las bombas de fusión y de fisión, la manipulación de aquella partícula dio nombre a toda una época, llamada la “era atómica”. Fueron varios los científicos que contribuyeron en la conformación del conocimiento sobre la estructura del átomo. Las fronteras entre las llamadas ciencias f ísicas son muy tenues. A menudo, las definiciones de la f ísica y la química comienzan así: “Es la ciencia que estudia la materia y la energía y sus interacciones...” Sin embargo, la f ísica, como ciencia con un método particular de generar y validar conocimiento, tuvo su origen con Isaac Newton (1642-1727), tras la publicación de su libro Principia Matemática Philosophiae Naturalis, escrito en latín, siendo profesor de matemá14 Fí si ca ticas en Cambridge. Esa obra salió de la imprenta en 1687. Con los avances en el estudio de la materia y su relación con la energía, la f ísica general fue fraccionándose para producir un conocimiento más profundo de algunos fenómenos particulares. Así surgieron las distintas ramas de la f ísica que conocemos en nuestros días: mecánica, neumática, acústica, termodinámica, calorimetría, electricidad, electromagnetismo, óptica. Esta división permitió comprender mejor los fenómenos f ísicos. En la vida ordinaria es imposible encontrar fenómenos aislados que correspondan a una sola rama de la f ísica. Los fenómenos naturales son integrales, por ejemplo: el ciclo del agua. ¿Qué ciencia debe estudiarlo: la meteorología, la f ísica, la química, la biología? En realidad, cada una tiene un campo de estudio en el ciclo del agua. Isaac Newton es considerado el fundador de la física moderna, acepción que con el tiempo se ha ido modificando. La contribución de Newton se basa en el trabajo de otros grandes pensadores como Galileo. Existen muchos fenómenos, como el ciclo del agua, cuya explicación requiere la perspectiva de diversas ciencias. Actividad Señala qué parte del proceso del ciclo del agua estudia cada una de las siguientes ciencias. ■ Meteorología: __________________________________________________________________________ ■ Física:_______________________________________________________________________________________ ■ Química: __________________________________________________________________________________ ■ Biología: ___________________________________________________________________________________ Unidad I La f ísica y su rela ció n co n el en to r n o s ocial 15 Relación de la física con la tecnología El automóvil ha permitido un movimiento más ágil para la población del planeta; sin embargo, es importante considerar los riesgos que este beneficio acarrea. Ve más allá Compara las fechas de nacimiento y muerte de Galileo y Newton. Explica por qué en ocasiones se considera a Newton “el relevo de Galileo”. 16 Fí si ca Se considera que una de las contribuciones más importantes de la f ísica a la sociedad contemporánea consiste en las aplicaciones del conocimiento científico y su relación con la tecnología para hacernos más cómoda la vida, mediante una serie de instrumentos, máquinas o aparatos. Si en este momento un investigador nos ofreciera un instrumento capaz de proporcionarnos mayor comodidad y más facilidades para transportarnos, que mejorara nuestro estatus social y nos brindara diversión, lo aceptaríamos gustosos. Pero cambiaríamos nuestra percepción si el investigador nos dijera que el precio de tal instrumento es de 200 000 vidas humanas anuales, así como un millón de seres humanos heridos o mutilados en el mismo tiempo, y que el daño ecológico ocasionado a nuestro planeta fuera, tal vez, irreversible. Este instrumento es el automóvil. Un automóvil depende del funcionamiento correcto de sus sistemas: el motriz, el eléctrico, el hidráulico, el de suspensión y, actualmente, el electrónico. Si desconocemos las funciones elementales de cada sistema (en otras palabras, para qué sirven), corremos el riesgo de que el mecánico nos engañe cuando falle alguno de ellos, reportando un daño más grave que el auténtico. En cambio, si nuestro conocimiento del vehículo es integral, podremos llevarlo al taller apropiado, de acuerdo con la verdadera causa de la falla. Así está planteado este curso de Física. Es necesario tener una visión amplia de la asignatura, aunque para estudiarla debamos dividirla en distintas ramas. Con todo, al terminar las jornadas tendrás un panorama general de esta ciencia que es imprescindible para comprender nuestros entornos. Como cualquier ciencia, la f ísica emplea un lenguaje especializado; en este caso, el de las matemáticas: las utiliza como un medio para expresar sus leyes y principios de forma comprensible. Éste es un curso de Física, no de Matemáticas. Incluso así, los conocimientos de álgebra son necesarios. Quizás lo más importante no son las matemáticas como disciplina especializada, sino aquello que representan en las fórmulas de la física. Dichas fórmulas son modelos matemáticos que nos acercan a la explicación satisfactoria de un fenómeno determinado, mas no son el objeto mismo. Sin embargo, sólo se ocupan de una parte de la Por cierto realidad. Un modelo nos aproxima al fenómeno, pero Galileo Galilei estaba en la Catedral de Pisa cuando observó las osla mayoría de las veces omicilaciones de una lámpara suspendida en una cúpula; a partir te una serie de factores que de ello midió el tiempo de cada vaivén, valiéndose de los latidos de intervienen en él. Esto lo su corazón como patrón de medida del tiempo. Este hecho lo llevó comprenderás mejor dua encontrar el principio de las oscilaciones asíncronas (mismo rante la discusión de los tiempo) del péndulo. Si bien Galileo postuló las características ejercicios que integran el del movimiento pendular, no utilizó esos principios para construir curso. un reloj, aparato que necesitaba para medir el tiempo en sus Algunos científicos han experimentos. llamado a la f ísica “la cienEl holandés Christian Huygens (1629-1695) utilizó las leyes del cia de la medición”. Galileo péndulo para construir el primer reloj. Por su parte, el físico Jean B. Galilei (1564-1642), mateFoucault (1819-1869) empleó un péndulo gigantesco, en 1851, para mático, f ísico, astrónomo demostrar el movimiento de rotación de la Tierra. Cuando los descuy pensador italiano, introbrimientos de un científico se difunden pueden contribuir a aplicadujo la medición en el esciones posteriores o a nuevos descubrimientos. Los conocimientos tudio de los fenómenos científicos ocultos no sirven a la sociedad. f ísicos; así logró desarrollar leyes y principios que cambiaron la “ciencia de la observación” por la “ciencia de la comprobación”. Al medir los fenómenos fue posible reproducirlos en las mismas condiciones. La difusión del conocimiento científico permite que las leyes y teorías consideradas verdaderas puedan verse rebatidas y modificadas. Glosario Así sucede cuando ciertos experimentos se repiten y diseñan varias veces; entonces es posible que ocurran sucesos que no puedan ser desLa f ísica es la ciencia que critos o explicados con los principios de la ley que los sustenta. estudia los fenómenos de Lo anterior ha resultado en un avance exponencial de la la Tierra mediante mediciencia, en tanto su relación con la tecnología se estreciones y modelos. cha con el paso del tiempo. U Unniiddaadd II La La Ff ísica y su rela ció n co n el en to r n o social s ocial 17 2 L El propio Einstein advirtió sobre la posibilidad de la aplicación destructiva de la teoría de la relatividad. 18 Fí si ca La física y el entorno sociocultural a difusión de los descubrimientos científicos es históricamente reciente. Por ejemplo, durante la Edad Media, los alquimistas guardaron sus hallazgos con celo, escribiendo los métodos utilizados en forma vaga y con símbolos confusos. El inicio de la divulgación de la ciencia fue formalizado con la fundación, en 1645, de la Royal Society of London for Improving Natural Knowledge (Real Sociedad de Londres para el Desarrollo del Conocimiento Natural), mejor conocida como Royal Society. El proceso divulgativo comenzó con reuniones informales de científicos interesados en los métodos introducidos por Galileo. La formación de esas comunidades científicas dio cauce a una discusión ética: si la ciencia y sus aplicaciones deberían avanzar con el único fin de obtener conocimientos más profundos del mundo; o si, junto a ello, deberían considerarse posibles consecuencias, quizá no benéficas, que la aplicación de esos conocimientos podría tener para la humanidad o para el planeta. Para algunos, Albert Einstein (1879-1955) es el “padre de la bomba atómica”; una de las razones para considerarlo de ese modo es que su teoría restringida de la relatividad (1905) derivó, entre otras cuestiones, en la fabricación de esa clase de armas. Aquella teoría formuló la famosa ecuación E = mc2, que establece la equivalencia entre la energía (E) de una cierta cantidad de materia y su masa (m), donde la velocidad de la luz es una constante (c). En 1945 se hizo una aplicación destructiva de esas proposiciones teóricas, fuera del control del propio Einstein. Él había hecho advertencias sobre el poder catastrófico de sus hallazgos: en 1939, alentado por los f ísicos Leo Szilard y Paul Wigner, escribió una carta al presidente estadounidense Franklin D. Roosevelt. En ella, el científico manifestó su convicción de que los alemanes podrían construir una bomba muy destructiva con base en el tipo de estudios que él realizaba; recomendó emprender un programa de investigación sobre energía atómica. En 1942 fue creado el “Proyecto Manhattan”, a cargo del general Laslie Groves. Robert Oppenheimer encabezó el desarrollo científico y el trabajo de varios científicos y técnicos para Más impresionante aún fue la irreversibilidad de los daños que generó la bomba atómica. instrumentar la construcción de las bombas atómicas que se lanzarían, en agosto de 1945, en las ciudades de Hiroshima y Nagasaki, Japón. Después de las explosiones de Hiroshima y Nagasaki, Einstein se unió a los científicos que buscaban la manera de impedir el uso de la bomba; entre sus propuestas estuvo la formación de un gobierno mundial. En una entrevista, Einstein comentó que cuando le preguntaron sobre algún arma capaz de contrarrestar el poder de la bomba atómica, él sugirió la mejor de todas: la paz. En este sentido, en cada avance científico prevalece la discusión ética sobre la ciencia y sus aplicaciones como fuente de conocimientos profundos sobre el mundo o como fuente de posibles consecuencias no benéficas para la humanidad. Lo cierto es que el alcance de las consecuencias, benéficas o no, es cada vez más amplio. Por otro lado, el trabajo en equipo (teamwork) es indispensable en la producción del conocimiento científico. Si hace relativamente pocos años un solo hombre podía diseñar, construir y disparar cohetes impulsados con pólvora, hoy hacen falta cientos de personas especializadas en diferentes áreas de la ciencia y la tecnología para llevar seres humanos o satélites artificiales fuera de la atmósfera terrestre; o bien, para explorar cuerpos celestes muy distantes. Con ello siguen recolectándose evidencias de lo que existe a millones de kilómetros de nuestro hogar. Unidad I La f ísica y su rela ció n co n el en to r n o s ocial 19 El artículo L a m is ión St ardust Por Pablo Chávez Hernández L os cometas han llamado la atención desde la antigüedad, primero como móvil de la fantasía y de la imaginación, luego como objeto de estudio científico. De acuerdo con los resultados de las investigaciones más recientes en astronomía, los cometas pueden ser vestigios de la formación planetaria y podrían incluso contener indicios del origen de la galaxia. La primera misión encaminada hacia esos objetos fue en 1978. Desde entonces, proyectos europeos y estadounidenses han enviado sondas a diversos cometas. Por ejemplo, en 1986, tras ocho años de viaje, la nave ISEE/ICE, de la NASA, llegó a 32 millones de kilómetros del cometa Halley. La misión europea Giotto lanzó al espacio una nave en 1985, que logró reunir muestras del mismo astro desde unos 500 kilómetros de su núcleo, aunque fue dañada por la cola del cometa. La sonda del proyecto Deep Impact, también de la NASA, chocó deliberadamente contra el Ve más allá La curiosidad es el motor del avance en el conocimiento. Investiga sobre los esfuerzos para conocer a fondo la estructura y composición de los cometas. Consulta al menos dos de las siguientes fuentes: • Revista de divulgación científica de la UNAM ¿Cómo ves? • Internet: www.astrocu.unam.mx, www.astrosmo.unam.mx, www.dgdc.unam.mx/ muegano_divulgador/, www.planetario.ipn.mx 20 Fí si ca cometa Tempel I, en 2005, obteniendo muestras de su materia. Desde luego, no todas las misiones espaciales han logrado su cometido. Es el caso de la sonda Génesis; en 2004 se destruyó durante el aterrizaje, después de haber recolectado iones solares. La misión Stardust forma parte de esa serie de esfuerzos investigativos. En 1999, la sonda del proyecto fue enviada por la NASA hacia el cometa Wild 2, así nombrado en memoria del astrónomo suizo Paul Wild; se trata de una sonda de cinco por diez kilómetros. Antes de alcanzar el cometa, la nave giró dos veces alrededor del Sol; el 2 de enero de 2004 se alineó con su objetivo. Las 72 fotografías que obtuvo del cuerpo celeste muestran grandes rocas, cráteres y géiseres de polvo y gas. A 240 kilómetros de Wild 2, la sonda desplegó un escudo para protegerse de los gases y del polvo espacial contenidos en el halo del cometa; después atrapó partículas del polvo con ayuda de un dispositivo en forma de raqueta de tenis. Las partículas tendrían una anchura aproximada a un décimo del espesor del cabello humano. La herramienta fue fabricada con “aerogel”, un cuerpo poroso y azul, parecido al humo, compuesto casi en su totalidad de aire. Tras recorrer 4 600 millones de kilómetros durante siete años, la sonda de Stardust volvió con éxito a la Tierra; es el proyecto de menor duración en su género. El análisis de las muestras obtenidas podría tardar hasta diez años para su interpretación y obtención de conclusiones. Un grupo muy numeroso de voluntarios contribuirá a examinar el material valiéndose de un microscopio virtual, en Internet. La tarea es gigantesca. Deberán analizarse cerca de un millón y medio de fotografías; cada imagen muestra una superficie más o menos equivalente al tamaño de un grano de sal. Los voluntarios buscarán allí las partículas de Wild 2. Algunos comentarios de los científicos ilustran la magnitud de tan minuciosa labor: “Es como si tuviéra- mos que encontrar 45 hormigas en un campo de futbol examinando 1.6 millones de cuadraditos de tierra, de cinco centímetros cuadrados cada uno”. En correspondencia con esta clase de misiones, se piensa que los análisis físicos y químicos de las muestras recogidas en la misión Stardust contribuirán a esclarecer el origen de la Vía Láctea y de nuestro Sistema Solar, el desarrollo de los océanos y de la atmósfera terrestre. El domingo 15 de enero de 2006, hacia las dos de la mañana, alrededor de las 4:00 horas en México, la cápsula (la sonda estaba formada por una nave nodriza y una cápsula) de la misión Stardust entró a nuestra atmósfera cruzando la oscuridad del cielo boreal a más de 46 000 kilómetros por hora; era un objeto envuelto en llamas que atraía la atención de científicos y técnicos expectantes. Los paracaídas amortiguaron la caída de la sonda de 43 kilogramos de peso sobre las arenas del desierto de Utah, en un campo de entrenamiento de la fuerza aérea estadounidense. Cuarenta y cinco minutos después del aterrizaje, los radares, las maniobras de los helicópteros y el uso de rayos infrarrojos permitieron localizar el pequeño objeto en una superficie de 3 100 kilómetros cuadrados; partículas con una antigüedad de 4 500 millones de años estaban, por fin, al alcance de la mano. Stardust es la primera misión que logra traer polvo de un cometa a la Tierra. Una inversión de 168 millones de dólares instrumentó, en parte, esta inquietante aspiración del deseo humano: conocer el pasado del cosmos. Quizá algún día ese conocimiento nos permita comprender mejor nuestro formidable origen, apreciar con plenitud el presente y construir un destino favorable para la vida del planeta. PABLO CHÁVEZ HERNÁNDEZ ES ESCRITOR Y ACTUALMENTE REALIZADOR DE AUDIOVISUALES. TRABAJA EN PROYECTOS DE COMUNICACIÓN PARA EL DESARROLLO SUSTENTABLE EN MÉXICO. Actividad Contesta las siguientes preguntas. ■ ¿Qué parte de la nota te llamó más la atención? ■ ¿Crees que los motores del cohete estuvieron funcionando durante todo el recorrido? ■ ¿Cuál será la razón por la que la sonda dió dos vueltas alrededor del Sol? ■ ¿Por qué se han hecho tantos esfuerzos para conocer a fondo la estructura y composición de los cometas? Integración del aprendizaje I. ■ ■ ■ ■ ■ Define los siguientes conceptos. Regresa al texto de la unidad tantas veces sea necesario. Física Ciencia teórico-experimental Ciencias f ísicas Relación entre la f ísica y el entorno social y cultural Relación entre la f ísica y la tecnología II. Utiliza el siguiente espacio para realizar un mapa conceptual con los principales temas tratados en esta unidad. Unidad I Pasos para elaborar un mapa conceptual El mapa conceptual es una representación visual de la estructura de la información. 1. Identifica el tema general y escríbelo en la parte superior o central del mapa. Las ideas o conceptos se encierran en un óvalo o en un rectángulo. 2. Identifica las ideas principales o palabras clave del texto, y su relación con el tema principal; es decir, si se trata de subtemas que conforman el tema principal o a otro subtema. 3. Escribe los subtemas en un óvalo de modo que su conexión con el tema principal represente la relación entre ellos. 4. Las relaciones o uniones entre tema y subtemas se representan con líneas inclinadas, verticales u horizontales (conectores); también puedes usar flechas. Y a un lado de los conectores puedes anotar palabras que describan la relación entre las ideas. 5. Si hay ideas o aspectos específicos en cada subtema, escríbelos dentro de un óvalo también, y colócalos debajo del subtema o idea correspondiente. No olvides representar su relación con los subtemas. Cuando un mapa conceptual se utiliza a manera de resumen, lo importante es que su organización tenga significado para quien lo realiza y le resulte útil para entender el texto analizado. Por tanto, puede tener formas diferentes de acuerdo con la organización de cada persona. Éstos son dos ejemplos de mapas conceptuales: La f ísica y su rela ció n co n el en to r n o s ocial 21 Evaluación del aprendizaje 22 I. Que el alumno realice un ensayo relativo a alguna de las aportaciones que la exploración del espacio ha hecho a la vida cotidiana, por ejemplo: las celdas solares, las telecomunicaciones, la miniaturización de los componentes electrónicos, los aislantes térmicos, el futuro, etcétera. 4. Bibliograf ía: • ¿Las fichas bibliográficas se ajustan a las reglas de su presentación? • ¿Qué tipos de obras consultó? • ¿Aparecen las direcciones electrónicas (páginas) de Internet? ■ Para la evaluación del ensayo deben tomarse en cuenta cuatro aspectos: 1. Presentación: • ¿Está realizado en el tipo y tamaño de papel que se solicitó? • ¿Presenta borrones, enmendaduras o tachones? • ¿El número de páginas está entre los límites mínimo y máximo señalados? • ¿Se elaboró en procesador de palabras, máquina de escribir o a mano, según se solicitó? 2. Contenido: • ¿La carátula tiene todos los datos requeridos? • ¿El tema elegido corresponde a los temas señalados en clase? • ¿El texto desarrolla en forma congruente el tema elegido? • ¿Es copia textual de alguna revista de divulgación, libro de texto o enciclopedia? Si es así, ¿se anota la ficha bibliográfica? • ¿Es sólo “recorte y pegado” de alguna(s) página(s) de Internet? 3. Redacción y ortograf ía: • ¿La redacción corresponde al nivel educativo del alumno? • ¿Expresa las ideas de manera congruente? • ¿Sigue una línea de pensamiento que explica el tema del ensayo? • ¿La ortograf ía es correcta? Por último, debe recordarse que el ensayo es un escrito breve que no pretende estudiar a fondo una materia. Fí si ca II. Anota tu propia definición de física. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ III. Regresa a la página de inicio de la unidad y lee el objetivo propuesto. En dos líneas explica de qué manera alcanzaste el objetivo señalado. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ IV. Razona bien las siguientes preguntas y contesta brevemente. 1. ¿Por qué consideras necesario estudiar Física? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2. ¿Qué otras aplicaciones de la f ísica reconoces en tu vida cotidiana, en tu casa, en tu escuela y en tu comunidad? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Actividades A. Desarrollo científico y modo de crecimiento de las ciencias Si C representa una magnitud que determina el conjunto de conocimientos científicos de una época, en un campo de la f ísica, representa cualitativamente la variación de C en función del tiempo. Es decir, plasma en una gráfica la forma de evolución de los conocimientos f ísicos. Para ello, revisa la información de esta unidad y busca apoyo en los siguientes sitios de Internet: • http://www.aip.org/history/ • http://www.physlink.com/Education/ History.cfm • http://nti.educa.rcanaria.es/fundoro/ enlaces_hisci.htm • http://www.fisicarecreativa.com/index. htm Y Conocimiento físico acumulado Tiempo (cientos de años) X Explica algunos de los cambios profundos o discontinuidades producidas en el desarrollo de las ciencias. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ B. Panel de discusión Con ayuda del profesor o la profesora, conformen dos equipos de trabajo. Uno de ellos representará a científicos y políticos que trabajaban para Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial. El otro equipo representará a científicos y políticos que trabajaban para Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. Cada equipo deberá investigar, desde su propia perspectiva: • momento histórico de su país • postura política de su país frente al mundo y hacia el interior del país • situación y papel desempeñado durante la guerra • lugar y alcance de las propias investigaciones científicas sobre armas de guerra • consecuencias que la investigación científica del otro país podía acarrear para el propio país • posibilidades de negociación para impedir el uso de bombas atómicas Una vez terminada la investigación y con ayuda de su profesor o profesora, realicen varias sesiones de discusión retomando el problema ético que se plantea en el tema La f ísica y el entorno socio cultural. Unidad I La f ísica y su rela ció n co n el en to r n o s ocial 23 Física Bernardo Tarango Frutos Salvador Rivera Gallegos Ricardo Valdez González Preuniversitario Física UNAM cover grapa.indd 1 3/14/06 5:35:28 PM