Service Training
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Programa autodidáctico Técnica 501
Programa autodidáctico Técnica 501
Sensórica del vehículo
Sensórica del vehículo
Fundamentos físicos
Fundamentos físicos
El Programa autodidáctico informa sobre
El Programa autodidáctico informa sobre Para las instrucciones de comprobación, ajustePara las instrucciones de comprobación, ajuste
Unas exigencias cada vez más altas, planteadas a la seguridad, al manejo y al confort, conducen a sistemas cada Unas exigencias cada vez más altas, planteadas a la seguridad, al manejo y al confort, conducen a sistemas cada vez más complejos en la
vez más complejos en la construcción de vehículos. Según la misión del caso concreto, estos sistemas requierenconstrucción de vehículos. Según la misión del caso concreto, estos sistemas requieren una gran cantidad de
una gran cantidad de información que se les suministra por medio de sinformación que se les suministra por medio de sensores. Por consecuencia resulta de ahíensores. Por consecuencia resulta de ahí una multiplicidad casi confusa de los diferentes tipos
una multiplicidad casi confusa de los diferentes tipos de sensores y designaciones de éstos.de sensores y designaciones de éstos. Todos estos sensores y su efecto, sin
Todos estos sensores y su efecto, sin embargo, se basan en una embargo, se basan en una limitada cantidad de fundamentos ylimitada cantidad de fundamentos y procedimientos de medición físicos.
procedimientos de medición físicos.
Los Programas autodidácticos relativos a la sensórica del vehículo persiguen el objetivo de d
Los Programas autodidácticos relativos a la sensórica del vehículo persiguen el objetivo de d ar a conocer estosar a conocer estos diferentes procedimientos de medición y sus fundamentos físicos de
diferentes procedimientos de medición y sus fundamentos físicos de un modo sencillo y plástico y asignarlos a un modo sencillo y plástico y asignarlos a loslos diferentes tipos de sensores. La metodología de estos cuadernos se
diferentes tipos de sensores. La metodología de estos cuadernos se propone facilitarle la labor de identificar lospropone facilitarle la labor de identificar los sensores que se implantan en los sistemas de los vehículos y de calificar la información que suministran al sistema sensores que se implantan en los sistemas de los vehículos y de calificar la información que suministran al sistema sobre la base de
sobre la base de las diferentes leyes de la física. Los las diferentes leyes de la física. Los Programas autodidácticos relativos a la sensórica delProgramas autodidácticos relativos a la sensórica del vehículo están pensados con ello como una obra
vehículo están pensados con ello como una obra de consulta central, que se de consulta central, que se propone respaldarle parapropone respaldarle para comprender los complejos sistemas del vehículo y para la
comprender los complejos sistemas del vehículo y para la localización de averías.localización de averías. Con este Programa autodidáctico sobre los fundamentos físicos de la
Con este Programa autodidáctico sobre los fundamentos físicos de la sensórica del vehículo resulta posiblesensórica del vehículo resulta posible "desempolvar" los conocimientos que habían sido adquiridos en los tiempos
"desempolvar" los conocimientos que habían sido adquiridos en los tiempos de la asistencia escolar. Entre otros,de la asistencia escolar. Entre otros, se repiten conceptos sobre teorías centrales de la física,
se repiten conceptos sobre teorías centrales de la física, tales como de la mecánica cuántica o de tales como de la mecánica cuántica o de la relatividad,la relatividad, que en la escuela o
que en la escuela o se habían contemplado solamente poco o no habían sse habían contemplado solamente poco o no habían sido tenidos en cuenta. Pero aquí no ido tenidos en cuenta. Pero aquí no sese trata de explicar estas teorías de
trata de explicar estas teorías de un modo matemáticamente exacto, porque ello excedería tanto la extensiónun modo matemáticamente exacto, porque ello excedería tanto la extensión como el sentido de este cuaderno.
como el sentido de este cuaderno. De lo que se trata es De lo que se trata es de dar a conocer que existen de dar a conocer que existen estas importantes teorías yestas importantes teorías y los significados centrales que suponen estas estructuras mentales f
los significados centrales que suponen estas estructuras mentales f recuentemente muy abstractas para la técnicarecuentemente muy abstractas para la técnica que nos rodea.
El Programa autodidáctico informa sobre El Programa autodidáctico informa sobre las bases del diseño y funcionamiento de las bases del diseño y funcionamiento de
Para las instrucciones de comprobación, ajuste Para las instrucciones de comprobación, ajuste y reparación de actualidad haga el favor de
y reparación de actualidad haga el favor de AtenciónAtención Unas exigencias cada vez más altas, planteadas a la seguridad, al manejo y al confort, conducen a sistemas cada Unas exigencias cada vez más altas, planteadas a la seguridad, al manejo y al confort, conducen a sistemas cada vez más complejos en la
vez más complejos en la construcción de vehículos. Según la misión del caso concreto, estos sistemas requierenconstrucción de vehículos. Según la misión del caso concreto, estos sistemas requieren una gran cantidad de
una gran cantidad de información que se les suministra por medio de sinformación que se les suministra por medio de sensores. Por consecuencia resulta de ahíensores. Por consecuencia resulta de ahí una multiplicidad casi confusa de los diferentes tipos
una multiplicidad casi confusa de los diferentes tipos de sensores y designaciones de éstos.de sensores y designaciones de éstos. Todos estos sensores y su efecto, sin
Todos estos sensores y su efecto, sin embargo, se basan en una embargo, se basan en una limitada cantidad de fundamentos ylimitada cantidad de fundamentos y procedimientos de medición físicos.
procedimientos de medición físicos.
Los Programas autodidácticos relativos a la sensórica del vehículo persiguen el objetivo de d
Los Programas autodidácticos relativos a la sensórica del vehículo persiguen el objetivo de d ar a conocer estosar a conocer estos diferentes procedimientos de medición y sus fundamentos físicos de
diferentes procedimientos de medición y sus fundamentos físicos de un modo sencillo y plástico y asignarlos a un modo sencillo y plástico y asignarlos a loslos diferentes tipos de sensores. La metodología de estos cuadernos se
diferentes tipos de sensores. La metodología de estos cuadernos se propone facilitarle la labor de identificar lospropone facilitarle la labor de identificar los sensores que se implantan en los sistemas de los vehículos y de calificar la información que suministran al sistema sensores que se implantan en los sistemas de los vehículos y de calificar la información que suministran al sistema sobre la base de
sobre la base de las diferentes leyes de la física. Los las diferentes leyes de la física. Los Programas autodidácticos relativos a la sensórica delProgramas autodidácticos relativos a la sensórica del vehículo están pensados con ello como una obra
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comprender los complejos sistemas del vehículo y para la localización de averías.localización de averías. Con este Programa autodidáctico sobre los fundamentos físicos de la
Con este Programa autodidáctico sobre los fundamentos físicos de la sensórica del vehículo resulta posiblesensórica del vehículo resulta posible "desempolvar" los conocimientos que habían sido adquiridos en los tiempos
"desempolvar" los conocimientos que habían sido adquiridos en los tiempos de la asistencia escolar. Entre otros,de la asistencia escolar. Entre otros, se repiten conceptos sobre teorías centrales de la física,
se repiten conceptos sobre teorías centrales de la física, tales como de la mecánica cuántica o de tales como de la mecánica cuántica o de la relatividad,la relatividad, que en la escuela o
que en la escuela o se habían contemplado solamente poco o no habían sse habían contemplado solamente poco o no habían sido tenidos en cuenta. Pero aquí no ido tenidos en cuenta. Pero aquí no sese trata de explicar estas teorías de
trata de explicar estas teorías de un modo matemáticamente exacto, porque ello excedería tanto la extensiónun modo matemáticamente exacto, porque ello excedería tanto la extensión como el sentido de este cuaderno.
como el sentido de este cuaderno. De lo que se trata es De lo que se trata es de dar a conocer que existen de dar a conocer que existen estas importantes teorías yestas importantes teorías y los significados centrales que suponen estas estructuras mentales f
los significados centrales que suponen estas estructuras mentales f recuentemente muy abstractas para la técnicarecuentemente muy abstractas para la técnica que nos rodea.
Índice
Índice
Introducción
Introducción . . .
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¿Qué son los movimientos?
¿Qué son los movimientos? . . .
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. . . .6
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¿Qué es la energía?
¿Qué es la energía? . . .
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. . . .14
. . . .14
¿Qué es la materia? . . .
¿Qué es la materia? . . .
. . .
. . . .20
. . . .20
¿Qué es el magnetismo?
¿Qué es el magnetismo? . . .
. . .
. . .
. . . .26
. .26
¿Qué son las ondas electromagnéticas?
¿Qué son las ondas electromagnéticas? . . .
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. . . .30
. . . .30
¿Qué es el sonido?
¿Qué es el sonido? . . .
. . .
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. . . .34
. . . .34
¿Qué significan U, I, R y C?
¿Qué significan U, I, R y C? . . .
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. . . .35
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Glosario
Glosario . . .
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. . . .41
. .41
Introducción
Introducción
Estructura de la serie
Estructura de la serie dedicada a la sensórica del
dedicada a la sensórica del vehículo
vehículo
Los Programas autodidácticos dedicados a la sensórica del vehículo abarcarán previsiblemente tres cuadernos: Los Programas autodidácticos dedicados a la sensórica del vehículo abarcarán previsiblemente tres cuadernos: -- SenSensórsórica ica del del vehvehícuículo - lo - FunFundamdamententos fos físiísicoscos
-- SensóSensórica rica del del vehícvehículo ulo - M- Metodoetodologílogía de a de las las medicmedicionesiones -- SenSensórsórica ica del del vehvehícuículo - lo - TécTécnicnica de sa de sensensoreoress
Estos tres cuadernos forman una estructura acumulativa y constituyen, en su
Estos tres cuadernos forman una estructura acumulativa y constituyen, en su conjunto, una obra de consulta sobreconjunto, una obra de consulta sobre el tema de la
el tema de la sensórica del vehículo o bien de los sensores en sensórica del vehículo o bien de los sensores en la técnica de automoción.la técnica de automoción.
La división en tres cuadernos se llevó a cabo para limitar el número de páginas de cada uno a una cantidad La división en tres cuadernos se llevó a cabo para limitar el número de páginas de cada uno a una cantidad sensata.
sensata.
Contenidos de la serie dedicada a la sensórica del vehículo
Contenidos de la serie dedicada a la sensórica del vehículo
En este primer cuaderno de la serie dedicada a la En este primer cuaderno de la serie dedicada a la sensórica del vehículo se tratan los fundamentos sensórica del vehículo se tratan los fundamentos físicos que son imprescindibles para comprender el físicos que son imprescindibles para comprender el funcionamiento de los diferentes sensores. Se intenta funcionamiento de los diferentes sensores. Se intenta transferir estas bases del modo más plástico posible y transferir estas bases del modo más plástico posible y se ha renunciado a reproducir aquí las p
se ha renunciado a reproducir aquí las partesartes matemáticas en que se basa la física.
matemáticas en que se basa la física.
Las ideas modélicas aplicadas describen las Las ideas modélicas aplicadas describen las conclusiones actuales de la física, en gran
conclusiones actuales de la física, en gran parte enparte en una forma bastante simplificada y, por
una forma bastante simplificada y, por tanto,tanto, incompleta. Quienes ya disponen de extensos incompleta. Quienes ya disponen de extensos conocimientos físicos básicos podrán saltarse esta conocimientos físicos básicos podrán saltarse esta primera parte o bien la podrán utilizar para refrescar primera parte o bien la podrán utilizar para refrescar sus conocimientos.
sus conocimientos.
El cuaderno "Sensórica del vehículo -
El cuaderno "Sensórica del vehículo - MetodologíaMetodología de las mediciones" se dedica a
de las mediciones" se dedica a los diferenteslos diferentes procedimientos de medición que se aplican con los procedimientos de medición que se aplican con los sensores.
sensores.
Las descripciones que figuran en el
Las descripciones que figuran en el segundosegundo
cuaderno presuponen el conocimiento de las bases cuaderno presuponen el conocimiento de las bases proporcionadas en este cuaderno.
proporcionadas en este cuaderno.
El cuaderno "Sensórica del vehículo - Técnica de El cuaderno "Sensórica del vehículo - Técnica de loslos sensores", por último, proporciona una panorámica sensores", por último, proporciona una panorámica general de los diferentes tipos de sensores q
general de los diferentes tipos de sensores que seue se emplean actualmente en la construcción de vehículos emplean actualmente en la construcción de vehículos y los clasifica en función de los
y los clasifica en función de los métodos de mediciónmétodos de medición que se presentan en el segundo cuaderno. Para cada que se presentan en el segundo cuaderno. Para cada sensor se describe la aplicación de su señal, la sensor se describe la aplicación de su señal, la estructura del propio sensor y su forma de estructura del propio sensor y su forma de funcionamiento, tomando como referencia el funcionamiento, tomando como referencia el procedimiento de medición.
¿Qué significa la sensórica?
Desde el punto de vista técnico, la sensórica se dedica al conocimiento y la aplicación de sensores, para controlar y regular sistemas técnicos. Un sensor es un captador de medida, destinado a registrar determinadas
características físicas y transformarlas en una señal electrónicamente utilizable. El sensor constituye con ello la interfaz entre el mundo exterior y el interior del sistema destinado a una determinada magnitud de medida.
Los sentidos del automóvil
Para tener un concepto claro acerca de la sensórica técnica en la construcción de automóviles resulta aceptable establecer una comparación con el conjunto psicológico-sensorial de un sistema biológico como el del ser humano.
Decimos que tenemos seis sentidos y que para cada uno de ellos poseemos sensores específicos.
Para el sentido óptico (la vista) estamos dotados de dos ojos con sensores fotosensibles, que posibilitan la identificación de colores y contrastes claro-oscuro. Los diferentes sensores ya se encuentran
interconectados en el ojo de modo que resultan excelentemente adecuados para la identificación del muestreo. Una valoración de los datos ópticos, supeditada a la edad y a la experiencia, por parte del cerebro, nos permite estimar a grosso modo distancias, velocidades y movimientos de objetos en nuestro alrededor.
Nuestro sentido acústico (oído) registra ondas sonoras. El sentido del equilibrio nos permite, entre otras cosas, un andar erguido, y como producto accesorio nos permite sentir la aceleración.
Con los captadores sensibles a efectos de presión de nuestro tacto palpamos nuestro entorno en el sentido auténtico de la palabra. En nuestro interior y en nuestra piel poseemos sensores térmicos que
constituyen nuestro sentido de la temperatura y nos advierten de temperaturas demasiado altas o bajas, que pudieran dañar nuestro organismo.
No tenemos ningún sentido que nos permita captar ondas electromagnéticas fuera de la luz infrarroja o visible y tampoco para la electricidad, radiactividad o la presión atmosférica, por sólo mencionar unas cuantas magnitudes físicas para las cuales nos faltan los sensores necesarios.
Muchas impresiones sensoriales de nuestro entorno las recibimos de forma indirecta, como una
interpretación de nuestro cerebro, sin poderlas cuantificar de forma concreta. Podemos catalogar las sensaciones como intensas, menos intensas o débiles, pero no disponemos de datos de medición concretos y, por tanto, comparables. Es por ello que la
capacidad de expresión de la sensórica fisiológica de un sistema biológico tiene una manifestación muy individual y es difícilmente comparable.
Esto es muy diferente en el caso de la sensórica técnica.
Un automóvil de vanguardia, con sus múltiples sistemas de regulación y de asistencia para la conducción, dispone de muchos más sentidos de los que hemos sido dotados nosotros mismos. Por medio de sensores técnicos se captan temperaturas,
regímenes de revoluciones, distancias, velocidades, pares de giro, presiones, trayectos, cantidades de sustancias y muchos parámetros más, y se
transforman en resultados de medición concretos y comparables.
Hacen posible que los sistemas valoren magnitudes de medición y deriven de ahí operaciones de
¿Qué son los movimientos?
Aparte de la pregunta aparentemente simple de ¿qué es el movimiento? resulta sobre todo significante el motivo o la causa de un movimiento. Aquí intervienen los conceptos de la fuerza, aceleración y par de giro.
Movimientos absolutos y relativos
En el sentido físico ya no se habla hoy en día de un movimiento absoluto.
Se entiende por tal el movimiento de un objeto referido al espacio absoluto que le rodea (universo). Pero de acuerdo con los criterios actuales es éste un movimiento relativo: el de un objeto con relación al universo como sistema de referencia.
Sin embargo, el movimiento no sólo puede ser descrito a través de la referencia con respecto al espacio del entorno, sino que también con referencia al observador o con relación a otro objeto. Según cuál sea el sistema de referencia (sistema inercial) que se emplee, resultan de ahí diferentes
observaciones del movimiento.
Una taza de café situada en la mesa de un ferrocarril en movimiento se encuentra en reposo con referencia al pasajero del ferrocarril, pero para el observador que se encuentra en el andén de la estación, la taza se encuentra en movimiento. A ojos de otro
observador situado en el centro de la vía láctea, la taza, el pasajero y el primer observador se
encuentran en un movimiento bastante ágil; circulan (a unos 961.200 km/h) por nuestra galaxia. A la pregunta de ¿cuál es la velocidad de la taza? el primero respondería con 0 km/h, el segundo p. ej. con 250 km/h y el tercero con aprox. 961.200 km/h. Son tres afirmaciones diferentes, todas ellas
comprobables y ciertas a la vez.
Por eso es importante mencionar el sistema de referencia cuando se describe un movimiento.
Para el observador en el sistema de referencia denominado "ferrocarril" la taza se mantiene en reposo, en relación con el observador y con el sistema de referencia.
Para el observador que se encuentra en el andén, tanto la taza como el ferrocarril y sus pasajeros se encuentran en movimiento, contemplado en relación con él y un sistema de referencia diferente, llamada "estación".
s 5 0 1_ 0 0 1 s 5 0 1_ 0 0 2
Fuerza y par de giro
Como causas de un movimiento vienen al caso, entre otras, las fuerzas o los pares de giro. Una fuerza es una magnitud física orientada, capaz de deformar o acelerar un cuerpo. Si la fuerza actúa a través de un brazo de palanca, es decir, con referencia a un punto de giro, se obtiene el par de giro como magnitud física.
Si la dirección de la fuerza y el brazo de palanca forman un ángulo recto, el par de giro puede ser descrito, de forma simplificada, como el producto de la fuerza por la longitud del brazo de palanca. La aceleración causada por una fuerza o un par de giro hace variar el estado de movimiento, es decir, la velocidad o la dirección.
En términos matemáticos se describe una fuerza como el producto de la masa del cuerpo sobre el que actúa y la aceleración que experimenta éste a raíz de la fuerza (segunda ley de Newton).
El cuerpo se encuentra en reposo y no hay ninguna fuerza (F) actuando sobre él.
Con una fuerza lineal (F), que actúe sobre el cuerpo, se lo puede acelerar y/o deformar.
s501_003
s501_004
Si una fuerza (F) actúa a través de un brazo de palanca se produce un par de giro (M).
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Hay una serie de fuerzas que se emplean como conceptos definidos e intervienen en la descripción de los sensores.
A continuación queremos contemplar brevemente: - la fuerza de gravitación,
- la fuerza de inercia, - la fuerza centrífuga, - la fuerza centrípeta y - y la fuerza de Coriolis.
¿Qué son los movimientos?
Fuerza de gravitación
Para nosotros, en la tierra, la fuerza de la gravitación es causada predominantemente por la masa de nuestro planeta. La gravitación actúa en dirección al centro de la tierra. Cada objeto que se encuentra en el ámbito de influencia de la tierra se encuentra sometido a esa fuerza. Sin embargo, la gravitación disminuye con el cuadrado de la distancia hacia la tierra.
Según la segunda ley de Newton resulta posible derivar matemáticamente, de la fuerza de gravitación, la aceleración que experimenta un cuerpo que cae.
Esta aceleración equivale a 9,81 m/s2. Es decir, que en la caída libre hacia la tierra experimentamos a cada segundo una mayor celeridad de nuestra velocidad, en 9,81 m/s, si dejamos de considerar otras magnitudes condicionantes como la fricción o la fuerza ascensional.
Según Newton, sentimos la fuerza de gravitación, al estar parados en la tierra, porque hay una fuerza contraria, de la misma magnitud, que oprime de debajo contra nuestros pies. A esto le dio el nombre "actio = reactio" o bien "lex tertia" (tercera ley de Newton).
Con ayuda de la mecánica newtoniana resulta posible describir y derivar matemáticamente la gravitación con una exactitud suficiente, tal y como la experimentamos. Únicamente a la hora de describir el comportamiento de masas muy grandes, como las que intervienen en las estrellas de neutrones o en los agujeros negros, con los criterios de Newton ya no pueden describirse con la suficiente exactitud los fenómenos observados. Newton tampoco podía decir cómo tiene sus orígenes la gravitación y según qué reglas funciona. s 5 0 1_ 0 0 6 Según el concepto gravitacional de Newton, en la tierra actúa una fuerza de gravitación de 9,81 N sobre un cuerpo con 1 kg de masa.
Según la tercera ley de Newton, las fuerzas intervienen siempre por parejas opuestas. En virtud de que
(normalmente) no nos sumimos en el suelo ni nos ponemos a flotar sin motivo, debe haber una fuerza de la misma magnitud (flecha roja) que actúa en contra de la fuerza gravitacional (flecha verde).
s 5 0 1_ 0 0 8
Tomando como base la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, no se contempla la gravitación como una fuerza que actúa sobre un cuerpo en caída libre, sino como una propiedad geométrica del espacio cuadridimensional (espacio-tiempo).
Esta idea modélica de la estructura fundamental del universo es constituida por las tres direcciones
espaciales y el tiempo. Lo nuevo en esta
contemplación no consiste en que todos los objetos interactúan en un escenario estático invariable, es decir, en el espacio que los rodea, sino en que los objetos también influyen sobre el escenario, tal y como el escenario influye sobre los objetos. En términos muy simplificados, esto significa que todos los objetos que poseen una masa engendran en el sitio de su localización una perturbación o bien una curvatura en la estructura de este espacio-tiempo. Cuanto mayor es la masa, tanto más intensamente se "curva" la estructura del espacio-tiempo.
Si es muy grande la diferencia entre las masas de dos objetos, la influencia del más ligero apenas si se manifiesta de un modo mensurable en comparación con el objeto más pesado.
Esto significa que, en comparación con la influencia que ejerce la tierra sobre un avión, la influencia del avión sobre la tierra es despreciablemente pequeña. Si otro objeto en movimiento por el universo ingresa en una zona caracterizada por esa curvatura, la curvatura de la estructura espacio-tiempo lo desvía en dirección hacia el objeto que posee masa en abundancia.
Si la intensidad y orientación del propio movimiento del objeto son suficientes para recorrer la curvatura el objeto logra abandonar nuevamente la zona curvada. Si la intensidad y la orientación del movimiento propio no son suficientes, entonces el objeto más ligero se desploma hacia el de la masa mayor. A diferencia de la definición newtoniana, en este caso de la caída libre ya no actúan fuerzas sobre el objeto. Carece de gravedad.
La "curvatura" en la estructura espacio-tiempo causada por un objeto de gran masa hace que otro objeto ligero, en movimiento rectilíneo, se salga de su trayectoria.
s 5 0 1_ 0 0 7
¿Qué son los movimientos?
Fuerza de inercia
Las fuerzas de inercia también reciben el nombre de fuerzas aparentes. Las fuerzas centrífuga, centrípeta y de Coriolis también pertenecen a las fuerzas de inercia o aparentes. El término de la fuerza aparente se refiere a la particularidad de que la descripción del efecto de la fuerza depende de si el observador y el objeto observado se encuentran en el mismo sistema de referencia.
Supongamos el caso de una manzana que se encuentra al lado de usted sobre el asiento del acompañante en su automóvil. Usted circula a
velocidad constante y la manzana se encuentra, igual que usted, en reposo con referencia al automóvil. Usted puede ver que la manzana no se mueve en el asiento. Si ahora usted frena de forma repentina, la manzana sale disparada en dirección de marcha, mientras que usted es retenido por el cinturón de seguridad. Desde su punto de vista, es la manzana la que modifica su estado de movimiento, mientras que el de usted no varía.
Esto significa que debe haber actuado una fuerza que provocó el movimiento de la manzana en el automóvil como sistema de referencia. Esa es la fuerza de inercia. A esto también se le llama
simplemente inercia o se define como la tendencia de un cuerpo a conservar su estado de movimiento. Desde el punto de vista de un espectador situado en la calle, ante el que usted pasa frenando, ese
fenómeno es diferente: usted experimenta una aceleración negativa provocada por una fuerza, la fuerza de frenado, en virtud de que se encuentra ligado a través de los cinturones de seguridad al automóvil en fase de frenada. Durante esa operación, la manzana sigue adelante a esa
velocidad constante, por no actuar ninguna fuerza de frenado contra ella. Desde ese punto de vista, es usted quien experimenta un cambio en su estado de movimiento, mientras que la manzana conserva el suyo. El observador no necesita ninguna fuerza de inercia para explicar el comportamiento de la manzana.
Desde el punto de vista del conductor, al frenar el vehículo la manzana experimenta una aceleración debida a su fuerza de inercia. s 5 0 1_ 0 0 9
Para un observador externo, el conductor y el coche son retenidos por la fuerza de frenado (aceleración negativa), mientras que la manzana conserva su estado de
movimiento casi exento de la intervención de alguna fuerza. s 5 0 1_ 0 1 0
Fuerza centrífuga
Si se contempla un sistema de referencia en rotación, desde una posición interna de éste, parece haber una fuerza que tira de un objeto situado conjuntamente con el observador en el sistema de referencia, hacia fuera del sistema.
Seguimos con el ejemplo de la manzana en el asiento del conductor de su automóvil. En cuanto usted entra en una curva, la manzana se desplaza sobre el asiento, alejándose del centro de la curva, mientras que usted actúa en contra de esa fuga, al ser
retenido por los cinturones de seguridad y por su postura corporal. Desde su punto de vista, la manzana es acelerada hacia fuera por la fuerza centrífuga.
Desde el punto de vista del conductor, que se encuentra con la manzana en el mismo sistema de referencia, debe haber una fuerza, al recorrer la curva, que se encarga de acelerar a la manzana hacia fuera.
s 5 0 1_ 0 1 1
Fuerza centrípeta
Un principio de la mecánica newtoniana consiste en que un cuerpo se halla en reposo cuando la suma de todas las fuerzas que actúan sobre éste es igual a cero. En este caso significa que para cada fuerza que actúa debe haber una fuerza contraria.
Si un cuerpo se encuentra en un sistema de referencia en rotación, una fuerza centrífuga actúa sobre éste y lo acelera hacia fuera, de modo que describa un movimiento relativo con respecto al sistema de referencia. Esta fuerza actúa todo el tiempo que el sistema de referencia ejecute la rotación. Pero si el cuerpo se mantiene en un reposo relativo con respecto al observador, debe haber una fuerza de igual magnitud, pero contraria a la fuerza centrífuga. Esta es la fuerza centrípeta.
Para que, desde el punto de vista de un observador en reposo, la manzana pueda permanecer en reposo al recorrer una curva, debe haber una fuerza centrípeta (roja) de igual magnitud, pero opuesta a la fuerza centrífuga (verde) que tira hacia fuera.
s 5 0 1_ 0 1 2
¿Qué son los movimientos?
Fuerza de Coriolis
También la fuerza de Coriolis pertenece a las fuerzas de inercia o aparentes. En la descripción de los movimientos interviene de forma relativa con respecto a un sistema de referencia en rotación. Actúa por igual en los movimientos verticales como horizontales de un cuerpo dentro de ese sistema de referencia y depende, entre otros factores, del sentido de la rotación que describe el sistema de referencia. Si se toma a la tierra como sistema de referencia, la fuerza de Coriolis actúa sobre todos los objetos que se mueven en la tierra y es causada por la rotación terrestre.
A ello se debe que la fuerza de Coriolis desempeñe un papel importante en la gestación de las
condiciones meteorológicas.
Para el observador en la tierra debe haber una fuerza que desvía hacia un lado a la manzana que es lanzada en una dirección recta: es la fuerza de Coriolis.
s 5 0 1_ 0 1 3
Con un péndulo oscilante (péndulo de Foucault) puede demostrarse de forma plástica el efecto de la fuerza de Coriolis. En el hemisferio norte, la fuerza de Coriolis desvía los movimientos del péndulo hacia la derecha. El plano de oscilación del péndulo se desplaza así en sentido horario, produciendo el dibujo del movimiento que registra el péndulo de Foucault.
En la técnica de los sensores interviene la fuerza de Coriolis p. ej. para la medición de magnitudes de giro o de flujos másicos.
Con el péndulo de Foucault es posible demostrar el efecto de la fuerza de Coriolis. El plano dentro del cual oscila el péndulo gira una vez por 360° en un lapso de 24 horas. Esto hace que el péndulo produzca un dibujo de elipses concatenadas. s 5 0 1_ 0 1 4
Movimientos uniformes y disformes
Se habla de un movimiento uniforme cuando un cuerpo se mueve a velocidad constante. Si interviene una
aceleración adicional, haciendo que varíe la velocidad del cuerpo en cuestión, viene dado con ello un movimiento disforme. Si la aceleración es constante, el movimiento resultante recibe el nombre de movimiento disforme con aceleración uniforme.
El cohete sigue siendo acelerado todo el tiempo que funciona su propulsor. Su velocidad aumenta. Se trata de un movimiento disforme.
s 5 0 1_ 0 1 5
Después de apagarse el propulsor, el cohete sigue adelante por el espacio sin experimentar ninguna aceleración más.
Vuela entonces a velocidad constante con un movimiento uniforme, si se ignoran otros efectos, tales como las influencias gravitacionales. s 5 0 1_ 0 1 6
Para la descripción de todos estos fenómenos en la tierra, tal y como acontecen al nivel de nuestra vida cotidiana, suele resultar adecuada la mecánica newtoniana para obtener resultados
suficientemente exactos. Sólo al tratarse de masas muy grandes y muy pequeñas (agujeros negros, partículas elementales) y muy altas velocidades (cercanas a la velocidad de la luz) ya deja de ser suficiente la contemplación newtoniana para obtener resultados que coincidan con los fenómenos observados.
Para las grandes masas y altas velocidades se recurre entonces a las teorías general y especial de la relatividad de Einstein, y para las masas muy pequeñas y altas velocidades se recurre a una
¿Qué es energía?
Como muy tarde, con la primera prueba de armas atómicas se puso de manifiesto la descomunal cantidad de energía que se encuentra ligada en la materia.
Y con la ecuación mundialmente famosa de Einstein E = mc2 se establece visiblemente la equivalencia entre la masa y la energía.
En la mecánica clásica se entiende por energía una magnitud física que está en condiciones de rendir un trabajo. Según la rama de las ciencias naturales que se contemple se emplean diferentes definiciones de la energía o bien de formas de la energía.
Formas de la energía
Los diferentes conceptos de la energía pueden deberse a que son diferentes los fenómenos que se analizan. La energía cinética, que posee un cuerpo a raíz de una aceleración, requerirá una definición o derivación física diferente que una descripción de la energía que debe aportarse para poder establecer una combinación química o para disociarla. Pero indistintamente de la definición que pueda tener una forma de la energía, en última instancia es posible hacer confluir (al menos desde puntos de vista matemáticos) todas las energías en un consenso específico. Son, por lo tanto, equivalentes como lo son la masa y la energía en la fórmula de Einstein. Sin embargo, el uso práctico de esta equivalencia halla sus límites en virtud de que generalmente intervienen efectos colaterales o interacciones que producen una desvalorización de la energía (pérdidas aparentes de energía) o bien por no ser técnicamente posible o por ser demasiado compleja su transformación en otra forma energética.
Ejemplos de diferentes formas de la energía: 1. Energía química ligada en el gas del mechero 2. Energía térmica de la llama del mechero 3. Energía cinética y energía de enlace nuclear
derivada de la reacción química de ambos reactivos 4. Energía cinética de las moléculas de vapor
s 5 0 1_ 0 1 7
La energía potencial y sus hermanas
Aquí se pretende mencionar sólo brevemente algunos conceptos de la energía, que hallan aplicación en la descripción de técnicas de medición o de conceptos básicos de la física en esta serie de cuadernos. Son: - energía potencial
- energía cinética - energía térmica - energía química
Energía potencial
Si se procede a elevar con un estibador de horquilla un cuerpo que se encuentra en reposo sobre el suelo y se lo coloca en un estante, donde vuelve a quedar en reposo, su cantidad de energía potencial ha aumentado a razón del trabajo que fue realizado por el estibador para elevarlo.
Esta forma de la energía también recibe el nombre de energía estática y se la describe como la cantidad de energía que se agrega a un cuerpo en virtud de su posición con respecto a un campo de fuerza que le rodea (generalmente campo gravitacional /
gravitación terrestre).
Si se modifica la posición de ese cuerpo en el sentido de acción de la gravitación, el cuerpo cae y con ello disminuye su energía potencial. Si cobra altura en contra de la fuerza de gravedad, aumenta esa energía. Si se modifica la posición del cuerpo perpendicularmente a la gravitación, es decir, "a la misma altura" sobre la superficie terrestre, se
mantiene constante su energía potencial. Si el cuerpo en cuestión cae del estante, su energía potencial se transforma gradualmente durante la caída libre en energía cinética.
La energía potencial (EPOT) del cuerpo es pequeña.
Por el trabajo que realiza el estibador al elevar el cuerpo aumenta la energía potencial de este último, a razón de una magnitud equivalente a la del trabajo.
s 5 0 1_ 0 1 8 Energía potencial POT E POT E POT s 5 0 1_ 0 1 9 E POT E
¿Qué es energía?
Energía cinética
Es la energía "inherente" a un estado de movimiento. Cuanto más intensamente se acelera un cuerpo, tanto mayor es con ello su velocidad y su energía cinética. Si no actúa ninguna fuerza más sobre el cuerpo y no intervienen pérdidas de energía, p. ej. por fricción, se mantiene constante su energía cinética.
En este caso sigue en movimiento sin alterar su velocidad.
Pero si pierde velocidad a raíz de p. ej. fricción, se transforma una parte de su energía cinética en energía térmica.
En la medida en que aumenta la energía cinética (EKIN) en la caída libre a raíz de la aceleración gravitacional
terrestre, se reduce la energía potencial (EPOT) del cuerpo. s501_020 POT E POT E EKIN KIN E
Debido a las fuerzas de deformación que intervienen en una colisión se transforma una parte de la energía cinética (EKIN) en energía térmica (ETHERM).
s501_021 ETHERM KIN E KIN E THERM E
Energía térmica
La energía térmica o energía del calor se basa, por expresarlo de un modo muy simplificado, en el movimiento de los átomos y/o las moléculas de un cuerpo.
Cuanto mayor es la cantidad de energía térmica que se transmite hacia el cuerpo, tanto mayor es la cantidad de átomos (moléculas) que empiezan a oscilar en su posición dentro de la estructura reticular del cuerpo en cuestión. Cada cuerpo calentado tiende a volver a "ceder" la energía térmica que le fue aportada, para regresar a un estado energético más pobre y, por tanto, termodinámicamente más estable. Esto sucede, entre otras cosas, a base de que los átomos emitan la energía superflua en forma de radiación electromagnética hacia el entorno.
Según las propiedades específicas de la materia en cuestión, ésta puede sentirse como radiación de calor
y en caso dado apreciarse visualmente como una incandescencia.
Si la energía aportada sobrepasa un valor específico para el material de que consta el cuerpo en cuestión, los átomos (las moléculas) se sueltan de su
microestructura. El material se funde o evapora. Si a una combinación de átomos (o moléculas), aparte de otras condiciones, se le agrega una cantidad
suficientemente elevada de energía térmica, son capaces de combinarse formando moléculas nuevas. La energía térmica es transformada durante esa operación en energía química de enlace.
El cuerpo tiene la
temperatura del entorno cuando no se le agrega energía. Los módulos microestructurales
(moléculas/átomos) oscilan sólo levemente en los sitios que ocupan en la
microestructura reticular. Sólo cuando la temperatura es de 0 K (–273,15 °C) deja de s 5 0 1_ 0 2 3 El cuerpo es calentado y su temperatura aumenta. Los movimientos de los módulos microestructurales aumentan.
El cuerpo empieza a emitir radiación electromagnética en forma de radiación infrarroja (calor) y en caso dado en forma de luz (incandescencia). s 5 0 1_ 0 2 4
A medida que aumentan la energía aportada y el movimiento de los módulos microestructurales también se intensifica la emisión de radiaciones electromagnéticas. s 5 0 1_ 0 2 5 Después de interrumpirse la aportación de energía, el cuerpo sigue emitiendo radiaciones
electromagnéticas hasta que alcanza nuevamente la temperatura del entorno.
s 5 0 1_ 0 2 6
¿Qué es energía?
Energía química
La energía química o energía de los enlaces nucleares equivale a la cantidad energética que debe aportarse para ligar las materias participantes (átomos o moléculas). Si p. ej. se interrumpen estos enlaces al quemar moléculas de combustible, esta energía de los enlaces vuelve a ser liberada en forma de energía térmica y puede utilizarse para rendir trabajo (p. ej. en un motor de combustión).
Con la combustión (oxidación) de una sustancia
combustible se libera una parte de la energía química de los enlaces contenida en esa sustancia, que se transforma en calor. Materia combustible, p. ej. butano Oxígeno Productos de la combustión Temperatura de ignición, energía de ignición Energía de radiación (p. ej. calor y luz)
s 5 0 1_ 0 2 7
Transformación de energías
y energía interna
Tal y como se ha descrito, las energías pueden ser transformadas más o menos completamente de una de sus formas a otra.
A este respecto es importante saber que no puede perderse ninguna energía con motivo de esas transformaciones. Si se contempla el caso de un modo superficial, la transformación de la energía química contenida en el combustible, en energía cinética dentro del motor de combustión, no sucede al 100%. Aparentemente se pierde energía. Pero esto sólo es aparente, porque de la energía química liberada también hay partes que se transforman en energía térmica y en otras formas energéticas. La suma de todas estas energías, sin embargo, tiene que equivaler nuevamente a la cantidad de la energía química.
Básicamente se entiende que en un sistema cerrado, es decir, en un sistema del que no puede escapar energía a causa de interacciones, la suma de todas las energías contenidas es constante.
No se pierde energía. Pero tampoco se puede ganar energía (ley de la conservación de la energía).
Ejemplo del impulso de giro
La conservación de la energía también puede conducir a que varíe el comportamiento o el movimiento de un cuerpo, aparentemente sin
ninguna influencia externa. Como un ejemplo de ello puede contemplarse al patinador sobre hielo que gira una pirueta. El impulso de giro en este ejemplo es considerado como una forma de la energía cinética.
Si el patinador inicia la pirueta con los brazos abiertos y luego los retrae hacia el cuerpo aumenta su velocidad de rotación, sin que intervengan otras fuerzas externas con efectos de aceleración.
El patinador sobre hielo genera un determinado impulso de giro al iniciar su pirueta.
Este impulso de giro depende de la masa del
patinador, la velocidad de giro y la distancia que hay entre la masa en rotación y el eje de giro. Si el
patinador reduce el valor de la distancia con respecto al eje de giro, por ejemplo al retraer los brazos, para que esté cumplida la ley de la
conservación de la energía o bien la conservación del impulso de giro total, tienen que variar según ello los otros dos parámetros. El peso del patinador se mantiene invariable, por lo cual tiene que aumentar su velocidad de rotación (régimen), para compensar con ello la reducción de la distancia.
Energía, impulso de giro
Distancia de la masa en rotación con respecto al eje de giro Régimen s 5 0 1_ 0 2 8
Para que esté cumplida la ley de la conservación de la energía tiene que aumentar el régimen de revoluciones de
Energía, impulso de giro Régimen Distancia de la masa en rotación con respecto al eje de giro s 5 0 1_ 0 2 9
¿Qué es la materia?
Según la ecuación de Einstein E = mc2, la materia puede ser interpretada como energía "solidificada", palpable. Esto, sin embargo, no explica lo que es propiamente la materia.
Los filósofos de la antigüedad ya suponían que todos los objetos que nos rodean constan de determinadas sustancias básicas de igual índole. Las dudas y disensiones, por su parte, residían en la definición de esas sustancias fundamentales. Heráclito opinaba que todo había tenido sus orígenes en el fuego, Thales se decidió por el agua como la sustancia fundamental o primitiva, Anaxímenes asoció todo ello con el gas (aire).
Empédocles representaba la teoría conciliante de que todas las cosas constaban de fuego, agua, tierra y aire. La concepción de Empédocles se mantuvo hasta muy entrada la Edad Media y condujo en la alquimia, entre otras cosas, al ensayo de querer obtener oro o la piedra filosofal con ayuda de estas sustancias básicas. De acuerdo con nuestro estado de conocimientos actual, fue Demócrito, también filósofo de la antigüedad, el que más cerca estuvo de la solución. Conjuntamente con su maestro Leucipo, opinaba que todo estaba estructurado de átomos de la misma índole, siendo éstos las unidades de materia ya no divisibles. Hasta cierto punto esto coincide con nuestras ideas actuales de la materia.
No obstante, los átomos de Demócrito sí que resultaron ser divisibles, por lo cual las teorías actuales acerca de la estructura de la materia
penetran muy profundamente en el átomo y definen nuevas partículas elementales ínfimas.
Sin embargo, no se trata de un solo "tipo de átomo" (elemento) del cual está estructurada la materia con ayuda de partículas elementales, sino que son mientras tanto 118 elementos, de los cuales cabe indicar que solamente los primeros 83 son estables. Los demás 35 elementos son radiactivos, lo que significa que se disgregan cediendo radiación y/o partículas elementales subatómicas, para formar otros tipos de átomos.
Muchos de estos elementos radiactivos sólo pueden ser generados artificialmente en el laboratorio
(acelerador de partículas) por lapsos de tiempos muy breves.
Los diferentes filósofos naturalistas de la antigüedad remitían los módulos integrantes de la materia a diversas sustancias básicas, tales como el fuego, el agua o el aire. s 5 0 1_ 0 5 9
Estructura básica de los elementos
Cada átomo consta de los componentes elementales denominados electrones, protones y neutrones, los cuales están compuestos a su vez por partículas elementales aún más pequeñas (quarks, bosones, muones, etc.), que, sin embargo, aquí tienen que omitirse.
Los protones y neutrones constituyen el núcleo y, con éste, el diminuto centro de la masa del átomo, si se compara con el diámetro del átomo completo. Los electrones, mucho más pequeños y ligeros, forman la capa o envoltura del átomo. Representa la mayor parte del volumen atómico. Un átomo es, por tanto, un núcleo expresamente diminuto y pesado, con una gran cantidad de "nada" en su alrededor.
Los protones poseen una carga elemental positiva y los electrones una negativa. Los neutrones no tienen carga eléctrica. Para que un átomo pueda ser neutro debe tener la misma cantidad de protones y
electrones.
Los átomos de un elemento que poseen la misma cantidad de protones, pero diferente cantidad de neutrones, reciben el nombre de isótopos, por encontrarse en el mismo sitio del sistema periódico que los elementos en cuestión (iso = igual, topos = lugar). El sistema periódico de los elementos ordena todos los tipos de átomos por la cantidad de protones que llevan en el núcleo (número atómico) y por su comportamiento a los enlaces, el cual viene definido por los electrones periféricos (electrones de valencia) del átomo. Los elementos no pueden ser divididos aún más mediante reacciones químicas, por lo que corresponden en gran parte con la idea de
Demócrito, según la cual los átomos constituyen los componentes más pequeños de la materia.
Estructura del átomo, tomando como ejemplo el del helio
Extracto del sistema periódico de los elementos Están representados los elementos de los ocho grupos principales hasta el período 5.
Según la versión del sistema periódico se indican en cada casilla, entre otros datos, la abreviatura internacional (p. ej. Be por berilio), el número atómico (aquí en el rincón superior izquierdo de la casilla) y el peso atómico (aquí en la parte inferior central).
Neutrones y protones de carga positiva en el núcleo Electrones con carga negativa en la capa s 5 0 1_ 0 3 2 s501_031
¿Qué es la materia?
Ha habido y sigue habiendo diversos modelos y teorías acerca de la estructura subatómica de los elementos. Muy expresivo es un modelo de capas o planetas, basado en los trabajos de Ernest Rutherford y Niels Bohr. Según ello, se imagina uno los protones y neutrones situados conjuntamente en un núcleo comparable con el sol, circunscrito por los electrones, que recorren órbitas fijas comparables con las de los planetas. No obstante, esta idea no es capaz de explicar un efecto muy específico, o más bien dicho, la ausencia de tal efecto:
Según la electrodinámica clásica, un portador de carga que recorre una trayectoria circular emite una radiación electromagnética, lo que significa que pierde energía. Esto, según la ley de la conservación del impulso, tendría que conducir a que el electrón cayera hacia el núcleo, lo que, sin embargo, no sucede, porque en tal caso nada existiría.
De ahí que Niels Bohr desarrolló el concepto de que debía haber especiales niveles energéticos o capas orbitales de los electrones, en los que éstos no emiten radiación. Este aspecto no lineal acerca de la
estructura de la materia fue confirmado y
desarrollado experimentalmente más a fondo por Max Planck, el fundador de la teoría de los cuantos.
La teoría de los cuantos describe las partículas elementales, tales como los electrones, ya no como partículas concretas supeditadas a un lugar y a una velocidad definidos, sino que en forma de funciones de probabilidad muy complejas, en virtud de que el lugar y la velocidad no son determinables al mismo tiempo dentro de esa escala de dimensiones (relación de indeterminación de Heisenberg). El enunciado ya no reza por ello: "Aquí hay un eletrón y tiene tal velocidad", sino que: "Aquí hay quizás un electrón y, si éste es el sitio en que se localiza, no puedo definir la velocidad que tiene allí".
Incluso las claras relaciones de nuestros conceptos, tales como las de causa y efecto, pierden su
inequivocabilidad a nivel cuántico. Es por ello que esta teoría se sustrae de la comprensión de casi todas las personas. El cofundador de la teoría cuántica Niels Bohr opinaba de ésta: "Quien no sienta sobresalto acerca de la teoría cuántica, tampoco la habrá entendido". E incluso Albert Einstein, quien con su trabajo de investigación sobre el efecto
fotoeléctrico hiciera una aportación esencial para el surgimiento de la teoría cuántica, opinaba sobre ciertos aspectos de la mecánica cuántica que: "Dios no juega a los dados".
Según el modelo de capas o planetas, los electrones de un átomo orbitan en torno al núcleo como los planetas lo hacen en torno a su estrella central.
A manera de ejemplo se ilustra aquí el modelo del átomo de carbono, con 6 protones y 6 neutrones en el núcleo, así como 6 electrones en la capa atómica. Respectivamente una cantidad específica de electrones des criben una trayectoria "estable" (capa orbital de los electrones) en los que los electrones pueden circunvalar el núcleo sin emitir radiación. La capa más cercana al núcleo es la capa K con un máximo de 2 electrones; le sigue la capa L con 8 electrones como máximo (en el caso del carbono posee 4 de 8 posibles electrones). En elementos de períodos superiores (p. ej. el sodio) se agregan otras capas
Y a pesar de ello: una gran cantidad de equipos eléctricos y electrónicos (ordenadores, sensores, tarjetas con chip, etc.) que hoy en día son para nosotros lo más natural y hallan aplicación en
automoción, funcionan a nivel subatómico, siguiendo reglas que pueden ser descritas en mejor forma por medio de la teoría cuántica que mediante las teorías clásicas. Por ese motivo, por lo menos habría que saber que existe esa teoría y que es particularmente adecuada para la descripción de procesos del orden subatómico.
Desde la época anterior a Einstein, las tendencias en la investigación de los principios físicos apuntaban a querer concentrar todas las magnitudes elementales en una teoría de campo o "teoría del todo" unitaria. Esta tendencia quizá se corresponde con los antiguos sueños de los alquimistas, que buscaban la piedra filosofal, que explicase todo y proporcionase una vida perpetua.
Un prometedor punto de partida para una teoría de campos unitaria es, desde el punto de vista actual, la teoría de cuerdas o bien de supercuerdas (teoría M). Con ella quizás de logre integrar la gravitación en una nueva teoría y poner así la mecánica cuántica y la teoría relativista sobre una base matemática en común.
Seguirá siendo muy emocionante todo lo relacionado con los conocimientos acerca de la estructura exacta de la materia y sus orígenes.
Mecánica clásica
(Representante: p. ej. Newton) Descripción de fuerzas y sus principios de acción
Magnetismo
(Representante: p. ej. Lenz) Descripción de campos magnéticos y sus principios de acción
Electricidad
(Representante: p. ej. Coulomb)
Descripción de campos eléctricos y sus principios de acción Termodinámica (Representante: p. ej. Helmholtz) Descripción de energías y sus interacciones Electrodinámica (Representante: p. ej. Maxwell) Interacciones de campos eléctricos y magnéticos Teoría de la relatividad (Representante: p. ej. Einstein) Ampliación radical de la imagen del mundo newtoniano. Descripción de las interacciones de espacio, tiempo y gravitación a grandes escalas (astrofísica)
Mecánica cuántica
(Representante: p. ej. Bohr) Descripción de la estructura subatómica de la materia con ayuda de partículas elementales y las interacciones de estas partículas
Teoría de campo cuántica
(Representante: p. ej. Feynman) Combina la mecánica cuántica y la electrodinámica para describir el electromagnetismo, las fuerzas nucleares fuertes y débiles
Teoría de campo unitaria / teoría del todo
(Representante: p. ej. Susskind) Unificación todavía pendiente de la mecánica cuántica, electrodinámica y teoría de la relatividad para describir el electromagnetismo, fuerzas nucleares fuertes o débiles y la gravitación s 5 0 1_ 0 3 4
¿Qué es la materia?
Parámetros subatómicos para la técnica de los sensores
Algunos de los procedimientos de medición descritos en esta serie de cuadernos están basados en las
propiedades de los módulos subatómicos de la materia, los electrones, protones, quarks, etc. A este respecto también se habla de las propiedades mecanocuánticas de la materia, como sucede por ejemplo con el spin de los electrones. El tratar de plantear y explicar aquí estas propiedades con todas sus facetas excedería el marco previsto para esta serie. Cabe presentar aquí solamente un planteamiento muy simplificado.
En condiciones normales, todos los sistemas físicos (p. ej. los átomos y sus integrantes) intentan adoptar un estado pobre de energía, por ser éste más estable desde puntos de vista termodinámicos, en comparación con un estado energético superior. Este comportamiento se utiliza en algunos métodos de medición, p. ej. en la tomografía, agregando artificialmente energía a las partículas para hacerlas pasar a un estado excitado, en condiciones energéticas superiores. Para volver al estado más estable, esas partículas tratan de volver a deshacerse de la energía "superflua" emitiendo p. ej. radiación o modificando sus propiedades cuánticas.
Esto puede medirse entonces con ayuda de sensores adecuados.
Ejemplo del electrón:
Si seguimos con el esquema de la estructura atómica de capas, los electrones de un átomo se distribuyen sobre determinados niveles energéticos o capas "estables". A esto se refieren los niveles energéticos también llamados "permitidos", en los que, según Bohr, los electrones son capaces de circular sin desplomarse hacia el núcleo. Mediante una
alimentación adecuada de energía es posible excitar los electrones de modo que salten a un nivel
energético superior, "permitido". En virtud de que este fenómeno, llamado salto cuántico, ha puesto al electrón en un estado más rico en energía y con ello termodinámicamente menos favorable, el electrón excitado intenta "deshacerse" lo antes posible de la energía, emitiendo para ello radiación
electromagnética y volver al nivel energético más bajo y, por tanto, más estable. La radiación emitida puede registrarse cualitativa y cuantitativamente por medio de sensores adecuados y los datos obtenidos permiten sacar conclusiones acerca del objeto a medir.
Mediante un aporte de energía, el electrón es elevado a un nivel energético superior (salto cuántico).
El electrón cede energía para volver al nivel energético Energía
Electrón N i v e l e n e r g é t i c o Núcleo atómico Corteza nuclear s501_036 Energía Electrón N i v e l e n e r g é t i c o Núcleo atómico Corteza nuclear s501_037
Mezcla de sustancias, combinaciones, elementos y iones
Átomos o elementos pueden estar ligados de diversa manera en la materia. Un trozo de la materia puede ser homogéneo y constar de un solo tipo de átomos, que en condiciones estándar (20 °C, 1 bar), en su condición de sólidos, constituyen una estructura reticular (p. ej. el carbono) o un gas (p. ej. el helio) o un líquido (p. ej. el bromo). Los átomos pueden también participar en combinaciones químicas con otros átomos. Estas combinaciones reciben el nombre de moléculas. Hay moléculas que constan de sólo pocos átomos, como sucede en el caso del agua (H2O) o pueden estar compuestas de un gran
número de átomos (p. ej. las moléculas de proteína). Y, finalmente, un trozo de materia también puede ser heterogéneo, es decir, estar compuesto de una mezcla de elementos, una mezcla de elementos y moléculas o una mezcla de diversas moléculas. Si se quiere describir la materia y su comportamiento es importante que no se confundan estos tres conceptos de elemento, combinación y mezcla.
Si un átomo o una molécula pierde uno o varios electrones o si acepta éstos de otros átomos, las partículas con carga eléctrica que se engendran por ese motivo reciben el nombre de iones. Si se agregan electrones se produce un ión con carga negativa, llamado anión. Si el átomo o la molécula pierde electrones se produce una partícula con carga positiva, llamada catión. Muchas sales metálicas (electrólitos) pueden disgregarse p. ej. por disolución en agua, en cationes y aniones.
Diversas formas de manifestación de la materia Moléculas de agua en
un cristal de hielo Átomos en unaestructura reticular cristalina homogénea
Mezcla de átomos de metal (aleación)
Mezcla de gases
Cristal de sal
(electrólito con aniones y cationes ligados en la estructura atómica) Electrólito s 5 0 1_ 0 3 8
¿Qué es el magnetismo?
El magnetismo es una rama de la electrodinámica. Describe un efecto de fuerza que puede observarse en cargas eléctricas en movimiento, conductores recorridos por la corriente y entre objetos magnetizados o con efecto magnetizante. El magnetismo se basa en las propiedades magnéticas de las partículas elementales y/o en el movimiento de las cargas eléctricas. La presencia del magnetismo se manifiesta en un campo de fuerza, denominado campo magnético. Según la orientación e intensidad, los campos magnéticos son capaces de intensificarse, debilitarse o anularse por completo mutuamente.
Ferromagnetismo y demás
En los sólidos intervienen cinco diversos tipos de magnetismo: - el diamagnetismo
- el paramagnetismo - el ferromagnetismo - el ferrimagnetismo - el antiferromagnetismo
Aquí queremos explicar sólo brevemente los primeros tres de ellos, porque las interacciones magnéticas
desempeñan un cierto papel en algunos procedimientos de medición con sensores (p. ej. sensor inductivo, sensor Hall).
Diamagnetismo
Una materia (elemento, molécula) se califica de diamagnética cuando debilita a un campo magnético que la traspasa. Este efecto se debe a que el campo magnético en las órbitas de los electrones de los átomos de esa materia induce una corriente que engendra a su vez un campo magnético. En virtud de la ley de Lenz, este campo magnético "interior" tiene dirección opuesta al campo magnético exterior. A ello se debe que en el interior de esa materia disminuya la intensidad del campo magnético
exterior. El diamagnetismo se manifiesta en todas las materias (átomos, moléculas, iones) que no poseen electrones individuales (no aparejados).
Las materias diamagnéticas (1) debilitan en su interior un campo magnético exterior.
s501_039 Intensidad del campo magnético exterior Intensidad de campo en el interior
Paramagnetismo
Una materia se califica de paramagnética, cuando se intensifica en su interior un campo magnético que la penetra.
Este efecto se basa en la particularidad de que los integrantes de la materia (átomos, moléculas, ...) poseen ellos mismos un par magnético. Sin embargo, no se pone de manifiesto ningún campo magnético interior propio de esa materia, porque los pares magnéticos de los constitutivos se encuentran desordenados y se contrarrestan estadísticamente cuando no actúa un campo magnético exterior. Sólo en virtud del campo magnético exterior es cuando los integrantes se orientan paralelamente al campo magnético exterior. Esto intensifica en el interior de la materia el campo magnético exterior. Si se elimina el campo magnético exterior, el campo interior de la materia paramagnética se vuelve a neutralizar en virtud de que se disuelve la orientación de los integrantes.
Debido a que esta orientación pasajera de los
integrantes de la materia depende de la temperatura, el paramagnetismo disminuye a medida que
aumenta la temperatura. Esto es así, a raíz de que los constitutivos (átomos, moléculas, iones) empiezan a oscilar más intensamente en sus sitios de la estructura reticaular a medida que aumenta la temperatura, y debido a ello no se dejan orientar tan fácilmente por un campo magnético.
Las materias paramagnéticas (2) intensifican en su i nterior un campo magnético exterior.
El campo magnético exterior hace que se orienten los pares magnéticos de los integrantes de la materia
paramagnética. s501_040 Intensidad del campo magnético exterior Intensidad de campo en el interior s501_041 Par magnético
¿Qué es el magnetismo?
Ferromagnetismo
Una materia recibe el calificativo de ferromagnética cuando la orientación magnética de sus integrantes se conserva después de retirar un campo magnético exterior que se había aplicado. Esto significa que la materia queda magnetizada y presenta las
propiedades de un imán permanente. Tal y como sucede en el caso del paramagnetismo, las diferentes partículas de la materia poseen un par magnético propio.
En las materias ferromagnéticas estas partículas y sus pares magnéticos, sin embargo, ya se han orientado de forma paralela en pequeñas zonas de la materia, llamadas dominios magnéticos de Pierre Weiss.
En suma, los pares magnéticos de estos dominios, sin embargo, se contrarrestan de modo que la materia primeramente no parezca ser magnética. Si ahora se aplica un campo magnético exterior, los dominios magnéticos de Weiss se orientan paralelamente al campo exterior, de modo que la materia posee ahora, por su parte, también un campo magnético. Este campo persiste incluso después de eliminar el campo magnético exterior. La materia puede ser desmagnetizada nuevamente si se la calienta o somete a golpes mecánicos.
Antes de la magnetización, los pares de los dominios magnéticos se encuentran desordenados y se contrarrestan mutuamente.
El campo magnético exterior hace que se orienten los pares magnéticos de los dominios magnéticos de Weiss.
La orientación se conserva después de eliminarse el campo magnético exterior. La materia
ferromagnética es ahora ella misma in imán. La magnetización puede anularse por
calentamiento. s 5 0 1_ 0 4 2
Campos e intensidades de campo
Un campo magnético puede ser engendrado por medio de materiales magnéticos o magnetizados, mediante corrientes eléctricas en conductores o mediante un cambio temporal de un campo eléctrico. Los campos
magnéticos pueden visualizarse sobre una superficie con ayuda de l imaduras de hierro. Los puntos de entrada y salida de un campo magnético en una materia magnetizada reciben el nombre de polos y se encuentran en disposición opuesta. Se les designa con polo norte y polo sur, según cuál sea su orientación con respecto al campo magnético terrestre. Esto significa, que los polos con la misma orientación (norte con norte, sur con sur) se repelen y los polos con orientación distinta (norte con sur) se atraen.
Concepto de campo e inducción
El campo magnético de un objeto es la zona en la que actúa la fuerza magnética. A media que crece la distancia del objeto que engendra el campo
magnético disminuye su intensidad o bien su efecto. La intensidad del campo magnético se describe por medio de dos magnitudes físicas: la intensidad del campo magnético y la densidad del flujo magnético. En virtud de que las cargas en movimiento
engendran un campo magnético propio, se produce una interacción con un campo magnético exterior, a raíz de lo cual la carga en movimiento se somete al efecto de una fuerza.
Esta fuerza, ejercida por un campo magnético sobre cargas eléctricas en movimiento, recibe el nombre de fuerza de Lorentz.
Actúa perpendicularmente a la orientación de las líneas del campo magnético y perpendicularmente al sentido de movimiento de las cargas eléctricas. Si la fuerza de Lorentz actúa sobre las cargas
eléctricas en un conductor, ello genera una corriente en éste. Este fenómeno recibe el nombre de inducción y constituye el principio según el cual funcionan los generadores de corriente.
La inducción también se emplea en diversas técnicas de sensores.
Si se mueve un conductor eléctrico en un campo magnético, la fuerza de Lorentz que actúa sobre los electrones libres del conductor induce una corriente, originando así una tensión eléctrica mensurable.
s 5 0 1_ 0 4 3
¿Qué son las ondas electromagnéticas?
Estamos rodeados de ondas o campos
electromagnéticos, y ello no sólo desde que se inventaron los teléfonos móviles.
Sólo son ahora unas cuantas ondas más.
La electrodinámica es la especialidad de la física que se dedica a las ondas e interacciones
electromagnéticas. Se basa extensamente en las investigaciones de James Clerk Maxwell del siglo XIX y a mediados del siglo XX se unificó con la mecánica cuántica en la electrodinámica cuántica.
En la electrodinámica se analiza y describe la
interacción de campos eléctricos y magnéticos. Tanto los campos eléctricos (p. ej. en condensadores o bobinas) como también los campos magnéticos (p. ej. en conductores y bobinas recorridos por la corriente) son estacionarios, lo que significa, que solamente se pueden constatar en el objeto y sólo actúan en el lugar en que se engendran, pero no con
independencia de éste. Si los campos eléctricos y magnéticos interactúan se produce en el espacio un fenómeno que se propaga a una velocidad de aprox. 300.000 km por segundo (velocidad de la luz), independiente del objeto que lo engendra.
Es la radiación electromagnética, que se propaga por ondulación.
Una onda se define por su altura (amplitud) y por la secuencia de las crestas y concavidades (longitud de onda). Si se contempla la secuencia en que se repite la longitud de onda en un intervalo de tiempo, p. ej. en un segundo, se obtiene la frecuencia de una onda.
Las ondas se definen por su longitud (1) y amplitud (2).
s 5 0 1_ 0 4 4
La frecuencia es la cantidad de longitudes de onda que se recorren en un segundo y se expresa en hertzios.
La onda representada en la figura tiene una frecuencia de 2 hertzios, es decir, de 2 longitudes de onda (oscilaciones) recorridas por segundo.
s 5 0 1_ 0 4 6
Las ondas electromagnéticas se presentan dentro de una gigantesca gama de longitudes.
Abarca desde ondas muy cortas, con una longitud de 10-15 m (0,000000000000001 m) hasta ondas muy largas, con una longitud de 107 m (10.000.000 m). Cuanto más corta es la longitud de la onda y, con ello, más alta su frecuencia, tanto mayor es la energía de la onda. Cuanto más larga es la longitud de la onda y, con ello, más baja su frecuencia, tanto menor es la energía de la onda. Todo aquello que se manifiesta con una longitud de onda inferior a 200 nm (0,0000002 m) es nocivo para los organismos biológicos.
Diferentes y, sin embargo, iguales: calor, luz y radar
El calor y la luz los podemos percibir directamente a través de nuestros sentidos. El radar es un sistema de localización electrónico, que mide la velocidad y la distancia de un objeto con respecto a la fuente de radar y que podemos visualizar con los
correspondientes medios auxiliares técnicos (sistema de radar con monitor).
A pesar de que el calor y la luz constituyen para nosotros unas percepciones completamente diferentes, ambos están basados en las ondas electromagnéticas como su medio de transmisión. También el radar utiliza ondas electromagnéticas, pero dentro de una gama de longitudes de onda tan largas, que no resultan captables por nuestros
sentidos "natos".
El calor o la radiación infrarroja se halla dentro de una gama de longitudes de onda desde 2,5μm hasta
1 mm.
A esta gama de longitudes de onda le sigue, en el extremo de las ondas cortas, la gama de la luz visible, que abarca desde 380 nm hasta 780 nm. El radar se encuentra más allá de la gama de las ondas largas de radiación infrarroja, dentro de una gama de longitudes de onda comprendidas entre 1 mm y 10 m. Todo aquello que se encuentra por debajo de una longitud de onda de 380 nm ya no lo podemos captar con nuestros sentidos. Son
radiaciones de rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma, que, sin embargo, son tan energéticas que pueden dañar, entre otras cosas, a los sistemas biológicos.
Y tampoco somos capaces de percibir directamente todo aquello que se encuentra por encima de una longitud de onda de 1 mm, dentro de las gamas de frecuencias de terahertzios, microondas, radioondas y baja frecuencia.
Gamas de longitudes de onda en el espectro electromagnético (no representadas de acuerdo con su participación real en la gama completa):
Baja frecuencia (1), radioondas (2), microondas (3), terahertzios (4), infrarrojos (5), luz visible (6), ultravioleta (7), rayos X (8), rayos gamma (9), radiación cósmica espacial (10)
