En todas las ramas de la ciencia, incluida por supuesto la física, empleamos modelos para representar nuestras ideas de cómo funciona una parte determinada del universo.
La representación puede ser conceptual (por ejemplo, una ecuación) o puede ser material (por ejemplo, una maqueta o un mapa). Este enlace los llevará a una presentación de Power Point sobre los modelos en la ciencia, con referencia específica al modelo cinético de la materia.

Modelo científico (enlace)

Como verán, desde la Antigüedad se han propuesto varios modelos para explicar cómo está constituida la materia.

El matemático suizo Daniel Bernoulli fue el primero en proponer la idea de que los gases están formados de partículas en movimiento incesante y al azar.

Explicó que las moléculas del gas están muy alejadas entre sí por lo que no ejercen fuerzas entre ellas, salvo cuando chocan. Cuando esto ocurre, además, no hay pérdida de energía cinética. Son colisiones elásticas. De ahí nació, a la larga y con algo de peleas, la teoría cinética de las partículas que se usa actualmente.

Seguramente cuando ustedes oyen la palabra imán se imaginan uno de ésos que hay en forma de herradura. En realidad, los imanes pueden tener muchas formas, no sólo la de herradura; en el laboratorio hemos usado imanes en forma de barra. Los imanes pueden ser naturales, como la magnetita, que es un óxido de hierro, o artificiales, que se obtienen por lo general imantando un trozo de hierro sometiéndolo a un campo magnético creado por otro imán o por una corriente eléctrica. Lo importante es que manifiestan de modo apreciable la propiedad o fenómeno que llamamos magnetismo.

¿Cómo definiríamos el magnetismo? En términos sencillos, podemos decir que es ese fenómeno por el cual los materiales atraen o repelen a otros materiales. Ciertos materiales —como el níquel, el hierro y sus aleaciones, etc.— son capaces de manifestar propiedades magnéticas fácilmente detectables, y por eso los imanes se fabrican con esos materiales. Pero en realidad todos los materiales son afectados en alguna medida por la presencia de un campo magnético.

¿Cómo se explica el magnetismo? Cada electrón que gira en un átomo es, de hecho, un imán en miniatura. Ordinariamente, los innumerables electrones de un material se orientan en todas direcciones, sin orden ni concierto. En un imán todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética. El magnetismo de la magnetita y otros materiales magnéticos de origen natural se debe a que han estado expuestos al campo magnético de la Tierra por un lapso muy prolongado y, siendo susceptibles por su estructura, se han magnetizado.

El magnetismo se conoce desde hace miles de años, pues existen en la naturaleza materiales que manifiestan magnetismo de por sí, como lo mencioné arriba. En algún momento, varias civilizaciones antiguas observaron los efectos del magnetismo terrestre, es decir, el hecho de que la Tierra se comporta como un enorme imán. Aunque el físico y filósofo natural inglés William Gilbert fue el primero que señaló explícitamente esa similitud en 1600, los efectos del magnetismo terrestre se habían utilizado ya mucho antes en las brújulas primitivas.

El estudio sistemático de los fenómenos magnéticos comenzó hace algunos siglos. El astrónomo, matemático y físico Carl Gauss figura entre los primeros investigadores que hicieron contribuciones de importancia. En 1820 el físico y químico danés Hans Christian Ørsted descubrió la relación entre la electricidad y el magnetismo con un experimento que hoy nos parece muy sencillo, y que llevó a cabo ante sus alumnos: demostró que una corriente eléctrica que pasa por un conductor puede mover la aguja imantada de una brújula. Ørsted publicó enseguida el resultado de sus experimentos, que fueron muy criticados. Sin embargo, el físico francés André-Marie Ampère se dio cuenta de inmediato de la enorme importancia del experimento del científico danés y elaboró la teoría que sería el punto de partida de la ciencia del electromagnetismo. El trabajo de Ampère hizo que se reconociera el gran valor de la observación de Ørsted.

Los imanes y sus polos

Una de las peculiaridades de los imanes es que presentan polos. En un imán de barra observamos fácilmente que los objetos de hierro son atraídos con mayor fuerza hacia los extremos. A un extremo se lo denomina polo norte y al otro polo sur. Ello proviene del comportamiento de un imán en presencia del campo magnético de la Tierra, en el cual se basa la construcción de brújulas sencillas.

Los polos de un imán ejercen atracción o repulsión unos sobre otros. Es fácil demostrar con dos imanes de barra que los polos iguales se repelen y los polos diferentes se atraen. Lo curioso es que si partimos en dos un imán (permanente), los dos trozos vuelven a manifestar la presencia de dos polos. No importa cuántas veces lo trocemos, cada fragmento tendrá siempre un polo norte y un polo sur. Algunos científicos postulan la posibilidad teórica de que haya en la naturaleza monopolos magnéticos, pero nadie los ha encontrado.

Otra característica de los imanes es que entre los dos polos se crean líneas de fuerza. Son éstas líneas cerradas, que por el interior del imán también van de un polo al otro. Claro que son invisibles. Para “verlas”, se esparcen limaduras de hierro sobre una cartulina colocada encima de una barra imantada. Luego se golpea suavemente la cartulina, con lo que las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza.

Les quiero recomendar un libro. Se titula La física en la medicina y es obra de la doctora María Cristina Piña Barba.

La autora es hija de un distinguido arqueólogo mexicano, el doctor Román Piña Chan. El 1984, mientras inspeccionaba unos trabajos de reconstrucción arqueológica, el doctor Piña sufrió un serio accidente que lo envió al hospital por varios meses y lo dejó en silla de ruedas. Su hija pasó mucho tiempo con él, y su curiosidad científica la llevó a indagar las muchas aplicaciones que la física tiene en la medicina. De ahí salió el libro.

No es un volumen muy gordo. Y está escrito en forma amena, con gran claridad de estilo, a un nivel que cualquier estudiante de secundaria puede comprender. Cubre el funcionamiento de muchos órganos y sistemas de nuestro organismo desde el punto de vista de la física, y explica las técnicas más utilizadas para hacer diagnósticos y tratar padecimientos.

Aunque el libro se escribió hace ya más de veinte años, la autora lo ha repasado, al menos en parte, en dos ocasiones, la última en 2002, y por lo mismo está bastante al día. Así, incluye una interesante discusión sobre biomateriales y trae abundante información sobre instrumentos de diagnóstico como el ultrasonido.

La doctora Piña es investigadora de materiales en la UNAM e inventora de varios procedimientos para obtener implantes médicos hechos de biocerámicas.

El librito forma parte de la colección “La ciencia para todos”, publicada conjuntamente por el Fondo de Cultura Económica, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y la Secretaría de Educación Pública.

De veras se los recomiendo.

He recibido algunos mensajes de personas que me piden que les resuelva los problemas que les dejaron sus maestros de tarea. No le hago la tarea a nadie. Puedo responder preguntas sobre conceptos de la ciencia, aclarar puntos difíciles, orientar en la búsqueda de fuentes, pero nada más.

Hace poco, una persona de nombre Adriana, que no es alumna mía, me dejó un mensaje en el que pide ayuda sobre las reglas para utilizar vectores. La pregunta es muy general y la respuesta podría ser muy larga. Daré unas cuantas indicaciones.

Como sabemos, un vector es una cantidad física para la que es necesario especificar tanto su magnitud como su dirección. Un ejemplo muy común de cantidad vectorial es la fuerza. Si se nos dice que se va a ejercer una fuerza de 20 kilogramos sobre un objeto, eso no basta para saber qué va a ocurrir. ¿Se aplicará la fuerza de 20 kg en sentido vertical, hacia arriba, hacia abajo, o será en sentido horizontal?

Por eso, dos vectores son iguales sólo si tienen la misma magnitud y la misma dirección. Para sumar vectores, todos deben ser de la misma naturaleza (y por lo mismo poder expresarse en las mismas unidades). No tendría sentido sumar un vector de velocidad a uno de fuerza; se trata de cantidades físicas diferentes. (Es lo mismo con las cantidades escalares: no puedes sumar temperaturas y volúmenes, por ejemplo.)

Los vectores son susceptibles de representación gráfica. Normalmente se usa una flecha cuya longitud expresa la magnitud de la cantidad física y cuya dirección indica el sentido de la misma cantidad. La flecha parte del punto de aplicación.  Esto permite, entre otras cosas, sumar vectores gráficamente, por dos métodos: el del paralelogramo y el del polígono, los cuales ya expliqué aquí.

Las formas comunes de la energía calorífica son: la capacidad calorífica, el calor latente y la energía de combustión.

La capacidad calorífica es el calor necesario para elevar un grado centígrado la temperatura de una sustancia dada.

Llamamos calor latente a la energía que absorben las sustancias al cambiar de estado, es decir, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía. El calor latente se denomina también calor de cambio de estado.

El calor de combustión es la energía química liberada cuando una sustancia se quema o sus constituyentes reaccionan con el oxígeno para formar dióxido de carbono y agua a cierta temperatura y cierta presión estándar.

Estas formas de energía se miden en el laboratorio y se conocen para un buen número de sustancias dentro de un intervalo de condiciones. Así, por ejemplo, es común medir el calor de combustión de una sustancia como la cantidad de calor que se libera en la combustión completa de un gramo de la misma en su estado normal a 25°C y 1 atmósfera de presión, comenzando y terminando la combustión a la temperatura de 25°C.

¿Preguntas? Anótalas como comentario.

Para que entendamos mejor qué queremos decir cuando hablamos de energía, repasemos algunas definiciones (en términos sencillos).

Energía cinética es la que posee un cuerpo por su movimiento respecto a los demás objetos de su entorno.

Energía potencial es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo, dependiendo de la posición que tengan en un sistema de cuerpos que ejercen fuerzas entre sí. Es una magnitud escalar asociada al campo de fuerzas en que se halla situado el objeto. Por ejemplo, las pesas de un reloj tienen energía potencial por hallarse dentro del campo gravitacional de la Tierra.

La energía mecánica es la suma de las energías cinética y potencial de un cuerpo en un sistema de referencia dado. La energía mecánica de un cuerpo depende tanto de su posición (pues la energía potencial depende de ella) como de su velocidad (de la que depende la energía cinética).

La energía de expansión es propia de los fluidos que realizan trabajo al mover pistones con su presión.

La energía química es la que produce una sustancia química formando productos de degradación.

La energía nuclear es la que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por fisión nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o por fusión nuclear (unión de núcleos atómicos livianos, como el deuterio y el tritio).

La energía calorífica es la que fluye en forma de calor entre cuerpos que se encuentran a distinta temperatura y que se ponen en contacto. Se dice que se alcanza el equilibrio térmico cuando la temperatura de los cuerpos en contacto se iguala.

Energía eléctrica es la que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos (lo que provoca el flujo de una corriente eléctrica).

Cualquier forma de energía es capaz de producir trabajo. Con ello, una forma de energía se transforma en otra. Por ejemplo, un motor eléctrico, provisto de un mecanismo de trasmisión adecuado, es capaz de alzar un peso, con lo que aumenta la energía potencial de éste.

En la práctica no toda la energía eléctrica de nuestro ejemplo se convierte en potencial, pues hay fricción en los cojinetes, se genera calor en el devanado del motor, etc. Por eso decimos que hay ineficiencias. Cuando en física o en ingeniería se habla de eficiencia, nos referimos a la fracción de una forma de energía transformada en otra. Así, es común decir que la eficiencia de un motor eléctrico es la medida de la capacidad del motor para convertir la energía eléctrica en energía mecánica.

Para encontrar la resultante con el método del polígono cuando tenemos más de dos vectores angulares, debes recordar que vas a dibujar los vectores, a escala, uno después de otro.

Es decir, dibujas el primero usando todas sus características. Donde termina el primero trazas una línea horizontal tenue, que te servirá como referencia para dibujar tu segundo vector. Trazas el segundo vector.

OJO: acuérdate que los ángulos se miden a partir de la línea horizontal tenue que dibujaste.

Después del segundo vector, se dibuja el tercero y así sucesivamente.

La resultante se obtiene al trazar la línea desde el origen del primero hasta la punta de flecha del último vector del sistema. Su origen está en el origen del primer vector y su punta de flecha, que te indica el sentido, está en la punta de flecha del último vector…

Luego lo mides en centímetros, lo conviertes a las unidades de la magnitud vectorial que estás usando (sea m/s, N, etc), mides su ángulo con la horizontal y das su sentido con las coordenadas N, S, E y O.

¡Suerte!

Las cantidades vectoriales no se suman como las escalares. Una velocidad de 2 Km/h sumada con otra velocidad de 3 Km/h, no necesariamente da como resultado 5 Km/h.

Para encontrar la resultante de dos vectores en un sistema convergente o angular con el método del paralelogramo, primero debes asegurarte de dibujar los vectores con el mismo punto de origen. Acuérdate de dibujarlos a escala.

Luego, con tus escuadras, trazas paralelas a los vectores. ¿Ves lo que construiste? Eso, que quizá te parece un rectángulo “chueco”, es un paralelogramo (que se define como un polígono de cuatro lados, paralelos dos a dos).

Como el cuadrado y el rectángulo son casos particulares del paralelogramo, habrá ocasiones, de vez en cuando, en que al trazar tus vectores y sus líneas paralelas obtengas alguna de estas dos figuras. Pero, por lo general, lo que construirás será un romboide o un rombo. Si necesitas refrescar estos conceptos geométricos, te recomiendo que leas el artículo “Paralelogramo” en Wikipedia.

La resultante será la diagonal del paralelogramo que salga del punto de origen de los vectores y cuya punta de flecha (acuérdate que es un vector y por lo tanto se representa con una flecha) quede ubicada donde se cruzan las paralelas que dibujaste.

¿Ves? No es tan complicado.

Para saber la magnitud de tu resultante, mides los centímetros que tiene y luego los conviertes a tus unidades usando tu escala… Anota también el ángulo que forma con la línea horizontal donde se encuentra el origen de los vectores y anota el sentido usando las coordenadas (N, S, E, NE, SO, SE, etc.)

El 11 de diciembre de 1998 la NASA lanzó al espacio el Mars Climate Orbiter, que iba a ser un satélite meterológico de Marte y a servir de estación de comunicaciones para el Mars Polar Lander. El satélite llevaba importantes aparatos científicos.

Pero al llegar a Marte, el 23 de septiembre de 1999, el Mars Climate Orbiter se estrelló contra ese planeta. La causa primaria del desastre, según se ha informado, fue una tabla de calibración del propulsor, en la que se usaron unidades del sistema británico en lugar de unidades métricas.

El programa de navegación del Laboratorio de Propulsión del Chorro esperaba que los datos de impulso del propulsor estuvieran expresados en Newton segundo, pero Lockheed Martin Astronautics, que construyó el Orbiter, dio los valores en libras de fuerza segundo, y el impulso fue interpretado más o menos a la cuarta parte de su valor real.