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Unidad 10: Los pilares de la Física. ¿QUÉ ES LA CIENCIA?. No existe una única idea de ciencia, sino varias. Existen cuatro acepciones de ciencia:
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Unidad 10: Los pilares de la Física ¿QUÉ ES LA CIENCIA? • No existe una única idea de ciencia, sino varias. Existen cuatro acepciones de ciencia: • Ciencia como “saber hacer”: Concepto de ciencia que se mantiene próximo a lo que se entiende por arte en su sentido técnico. Próxima al término sabiduría. • Ciencia como sistema ordenado de proposiciones derivadas de principios: Aparece en una sociedad en la que existe escritura, debate y que toma como modelo la geometría. Se generaliza con los escolásticos, donde los principios son geométricos, teológicos, filosóficos y jurídicos. • Ciencias actuales o positivas: Tratan de explicar de forma sistemática los fenómenos que nos rodean conforme a criterios de verificación. Revolución científica. Existencia de leyes y teorías científicas. • Las ciencias positivas observan, clasifican y explican los sistemas que estudian. Se estudian los procesos en un laboratorio, en vez de esperar a que se dé en la naturaleza.
Unidad 10: Los pilares de la Física • Una ley científica es una generalización de múltiples observaciones, y sobre todo es una aproximación empírica, que es valida dentro de determinados límites. • Una teoría científica es la expresión de una serie de fenómenos conocidos y relacionados entre sí, que se apoya en las observaciones y leyes, de modo que constituye un modelo que explica el conjunto y el comportamiento de los fenómenos que abarca la teoría. • Esto no se enuncia como una generalización de hechos, sino como una hipótesis. • Objetivo de la ciencia: construir teorías científicas, con la limitación de que las explicaciones producidas solo pueden afirmar que todo funciona como si la naturaleza fuera igual a nuestra explicación. Se hace mediante revistas científicas.
Unidad 10: Los pilares de la Física • La cuarta acepción es una extensión de la anterior al campo reservado a la cultural humanista: Requería una reformulación de los materiales tratados por estas disciplinas, a fin de transformarse en lo que hoy llamamos ciencias humanas.
Unidad 10: Los pilares de la Física LA REVOLUCIÓN COPERNICANA Y LA MECÁNICA NEWTONIANA • Una teoría científica es un conjunto de hipótesis que cumplen las dos siguientes condiciones: concordancia con las observaciones o los datos registrados y no ser contraria a los conceptos básicos. • Durante 2000 años, desde Aristóteles hasta después de los viajes de Colón, se creía que la Tierra es el centro del Universo (teoría geocentrista). La sustitución de Copérnico por la que el Sol es el centro y la Tierra gira alrededor del Sol es la revolución copernicana (teoría heliocentrista) • Copérnico elaboró los cálculos matemáticos necesarios para construir su modelo astronómico centrado en el Sol, que es la fuente de la luz y del movimiento de los astros como la Tierra, y con el cual da respuesta a su teoría. • Se tardó 150 años en aceptar esta teoría. A Copérnico le siguió los estudios de Galileo y Kepler, mientras que Newton configuró el árbol definitivo con su estudio sobre la gravedad, conformando la revolución científica.
Unidad 10: Los pilares de la Física • Newton admite que el Sistema Solar es un mecanismo que funciona de acuerdo con su ley de gravitación universal que dice: El valor de la Intensidad de la fuerza F, con que se atraen dos masas de valores m y M es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, d, que las separa, siendo G una constante llamada constante de gravitación universal. • Con su ley explica de un modo matemático- deductivo el movimiento de los distintos astros descritos por Kepler, al calcular las órbitas de cualquier objeto alrededor del Sol, incluyendo hasta los cometas. • Las ideas de Newton tardan en aceptarse, entrando en debate de que tiene haber un medio que sirviera de instrumento para poder transmitir la acción de la fuerza de la gravedad a distancia. Se resuelve con la hipótesis del llamado “éter cósmico”. • Newton postuló la existencia en el “éter cósmico” de unos referenciales de espacio y tiempo absolutos sobre los que se pueden conocer con absoluta precisión las posiciones, los instantes y el movimiento de los cuerpos.
Unidad 10: Los pilares de la Física ENERGÍA, ENTROPÍA Y PROBABILIDAD • La naturaleza se halla en una situación de equilibrio o tiende a él de modo natural. • Este modo de ser de la naturaleza lleva a intuir la existencia de ciertas interacciones que hacen tender a todo sistema hacia el equilibrio y son responsables de que luego permanezca en él. Las interacciones son: gravitacionales, eléctricas, magnéticas y nucleares. • La física newtoniana no da respuesta adecuada a la pregunta de qué es lo que impulsa a los objetos a interactuar entre sí. La Física afirma que el Universo se mantiene en funcionamiento gracias a la energía. • La energía se puede comparar al dinero. El dinero es el medio de intercambio entre personas. Los objetos, en el Universo, al interactuar, intercambian energía. Hay una cantidad de energía disponible, que se expresa en el principio de conservación de la energía, que dice: “La energía ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma de una forma en otra en las distintas interacciones”.
Unidad 10: Los pilares de la Física • Aunque la energía se conserva, en la transformación de una en otra, se producen pérdidas, pero no es que se destruya, sino que esa energía se desaprovecha o degrada, pero nunca desaparece. • Hay procesos en la naturaleza que se dan de forma espontánea, y otros que no. Por ejemplo, el agua de un pantano. • La espontaneidad de una transformación de un sistema material se caracteriza por la magnitud entropía, que mide el desorden de un sistema, de forma que los sistemas materiales evolucionan en la naturaleza de forma más ordenadas a otras más desordenadas, en virtud de la tendencia de las partículas constituyentes de dicho sistema a adquirir una distribución al azar. • Los sistemas y procesos de la naturaleza evolucionan aumentando su entropía. Dicho aumento está regido por las mismas reglas que gobiernan la tirada de un dado en una partida honesta, es decir, las leyes de la estadística o de la probabilidad.
Unidad 10: Los pilares de la Física TEORÍA DE LA RELATIVIDAD • En la 2ª mitad del siglo XIX la explicación de Maxwell de que la luz es una radiación electromagnética, que se propaga a 300 000 km/s, hizo que se tuviera que revisar la hipótesis de la existencia del éter cósmico como sistema de referencia absoluto para la propagación de la luz en el mismo. • En 1905 Einstein publicó su artículo de la relatividad como consecuencia del periodo de reflexión sobre la aplicación de la teoría electromagnética de Maxwell y como resultado del experimento fallido de Michelson, asentó su Teoría Especial de la Relatividad, sobre la base de que la velocidad de la luz es constante e igual a 300 000 km/s en el vacío y rechazó la hipótesis de la existencia del éter cósmico. • Esta teoría descarta la existencia de un marco universal espacial geométrico absoluto de referencia a priori. Igualmente, no existe una medida del tiempo única y cada observador tiene su propia medida del tiempo, por lo que tanto el espacio como el tiempo son magnitudes relativas. En cambio hay magnitudes que son invariantes, es decir, que no dependen del sistema de referencia del observador, como es la velocidad de la luz.
Unidad 10: Los pilares de la Física • Principales consecuencias de la teoría especial de la relatividad: • La dilatación del tiempo para la medida temporal de dos observadores que se muevan entre sí con una velocidad cercana a la velocidad de la luz. • La contracción de la longitud para la medida de una longitud por dos observadores que se mueven entre sí con una velocidad próxima a la de la luz. • La equivalencia entre masa y energía, que tiene un gran alcance en Física Nuclear, pues la disminución de masa de un sistema material ocasiona una gran cantidad de energía, E, que se relaciona entre sí mediante la ecuación:
Unidad 10: Los pilares de la Física • Einstein en 1916 publicó la Teoría General de la Relatividad para sistemas que aceleran o deceleran y llegó a la conclusión de que la aceleración de un sistema y su gravedad debe estar relacionado entre sí.
Unidad 10: Los pilares de la Física Video de la relatividad
Unidad 10: Los pilares de la Física RADIACTIVIDAD • Becquerel, mientras estudiaba la fluorescencia que presentan algunas sustancias cuando reciben la luz, le llegó la noticia del descubrimiento de los rayos X por Roentgen. • Los Rayos X emiten fluorescencia y se preguntó si las sustancias fluorescentes pueden emitir rayos X. • En 1896, envolvió una placa fotográfica en papel negro y la expuso al Sol con un cristal de un compuesto fluorescente. Cuando la desenvolvió, la encontró velada, con lo que demostró que el papel negro había sido atravesada por radiaciones debidas al compuesto químico utilizado: una sal de uranio. • Becquerel dejó la placa guardada con la sal de uranio. Vio más tarde como la placa se había velado, con lo que llegó a que la radiación no dependía de la fuente solar, con lo que no emitía fluorescencia. Con esto llego a que los rayos emitidos eran muy similares a los X, que se irradiaban en todas las direcciones.
Unidad 10: Los pilares de la Física • La fuente de la radiactividad son los núcleos de los átomos de uranio que experimentan un proceso de desintegración en otros núcleos de otros elementos químicos, liberando una gran cantidad de energía en forma de rayos radiactivos. • En 1898, el matrimonio Curie encontraron dos nuevos elementos químicos, el Ra y el Po, mucho más activos que el U. • Frente a las emisiones radiactivas naturales, como los rayos α, β, γ, también puede darse el fenómeno de la radiactividad artificial. • En 1919, Rutherford publicó la primera reacción nuclear artificial. • En 1934, Joliot e Irene Curie (hija de los Curie), manipulando partículas α de Po, pasándolas a través de Al, observaron que el Al sufría una reacción nuclear y emitía radiactividad. • Mientras la radiactividad natural es un proceso espontáneo, la radiactividad artificial es la emisión radiactiva que tiene lugar como consecuencia de una reacción nuclear provocada previamente. • Después de esto se han descubierto los fenómenos de la fisión y fusión nuclear con diversas aplicaciones tanto militares como medicinales.
Unidad 10: Los pilares de la Física FÍSICA CUÁNTICA Y LA BÚSQUEDA DE LA ELEMENTALIDAD Y DE LA UNIDAD • A finales del XIX surgieron problemas en la explicación del fenómeno de la emisión radiación electromagnética por un cuerpo negro y en la justificación del efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz, y que consiste en la producción de energía eléctrica mediante la luz que incide en unos tipos de materiales concretos. La explicación de estos fenómenos requería romper con los planteamientos clásicos de la Física y aparece la Física cuántica. • Max Planck en 1900 explicó la emisión de radiación por un cuerpo negro, al admitir que la energía de la radiación es un múltiplo entero de la cantidad de un valor elemental, llamado cuanto de energía, de forma que la energía es proporcional a la frecuencia de la radiación electromagnética
Unidad 10: Los pilares de la Física • En 1905, Einstein afirmó que la radiación electromagnética en su interacción con los electrones de la materia se comporta en la forma propuesta por Planck, a través de los fotones. http://www.educaplus.org/play-112-Efecto-fotoel%C3%A9ctrico.html • Modelo atómico de Rutherford: Un núcleo donde se condensa la carga positiva y los electrones girando alrededor del núcleo (1911) • En 1913, Bohr introduce la idea de la cuantización de Planck e indica que no todas las órbitas son posibles, sino unas pocas, que están cuantizadas. • La Física Cuántica se sustenta en dos principios: • Principio de incertidumbre de Heisenberg: Dice que no se puede conocer con exactitud la posición y la velocidad. • Concepto de probabilidad de Born: Las cantidades se miden mediante probabilidades.
Unidad 10: Los pilares de la Física • A partir de 1950 se empieza a investigar en construir proyectiles capaces de destruir núcleos. Se produjo la carrera de buscar la partícula elemental. Para ello se crearon los aceleradores de partículas. • En 1964 Mann consideró que junto a los electrones existen solo un número reducido de entidades elementales llamadas quarks. • La búsqueda de las partículas elementales lleva asociada otra carrera, la de encontrar si hay o no una interacción única. Esto llevó al descubrimiento de dos interacciones más: fuerte y débil. • Recientemente, la Física ha encontrado la unificación de la interacción débil con la eléctrica, la electrodébil.
