La ciencia física incluye las disciplinas de química (el estudio de la materia) y física (el estudio de la energía y cómo la energía afecta a la materia). Las preguntas en la parte de la ciencia física del examen GED cubrirán los temas impartidos en química en la preparatoria y cursos de física. Esta lección revisa los conceptos básicos de la ciencía física—la estructura de los átomos, la estructura y las propiedades de la materia, las reacciones químicas, los movimientos y las fuerzas, la conservación de energía, el incremento en el desorden y las interacciones de energía y de materia.
La Estructura de los Átomos
Usted y todo a su alrededor está compuesto de partículas diminutas llamadas átomos. El libro que usted está leyendo, las neuronas en su cerebro y el aire que respira se pueden describir como una colección de varios átomos.
La Historia del Átomo
El término átomo, que significa indivisible, fue acuñado por el filósofo griego Democrito (460–370 a.C.). El discrepaba con Platón y Aristóteles—los cuales creían que la materia se podía dividir infinitamente en partes más y más pequeñas—y postuló que la materia estaba compuesta de diminutas partículas indivisibles. A pesar del pensamiento de Democrito, la creencia de que la materia se podía dividir infinitamente perduró hasta principios de 1800, cuando John Dalton formuló una teoría atómica significativa. Ésta declaraba:
- La materia está compuesta de átomos.
- Todos los átomos de un elemento dado son idénticos.
- Los átomos de elementos diferentes son diferentes y tienen propiedades diferentes.
- Los átomos no se crean ni se destruyen en una reacción química.
- Los compuestos se forman cuando se combinan átomos de más de un elemento.
- Un compuesto dado siempre tiene el mismo número relativo y clase de átomos.
Hoy en día estos postulados permanecen como centro de la ciencia física, y vamos a explorarlos con más detalle en las partes siguientes.
Protones, Neutrones y Electrones
Un átomo es la unidad más pequeña de materia que tiene una propiedad de un elemento químico. Éste consiste en un núcleo rodeado de electrones. El núcleo contiene partículas con cargas positivas llamadas protones y neutrones sin carga. Cada neutrón y cada protón tienen una masa aproximada de una unidad de masa atómica 1, abreviada uma. Una uma es equivalente a alrededor de 1.66 × 10–24 g. Al número de protones en un elemento se le llama número atómico. Los electrones están cargados negativamente y giran alrededor del núcleo en las llamadas capas de electrones.
A los electrones en la última capa se les llama electrones de valencia. Los electrones de valencia son más responsables por las propiedades y patrones de reacción de un elemento. La masa de un electrón es 1800 veces más pequeña que la masa de un protón o un neutrón. Al calcular una masa atómica, la masa de electrones se puede rechazar sin peligro. En un átomo neutro, el número de protones y de electrones es igual. Los electrones negativamente cargados son atraídos por los núcleos positivamente cargados. Esta fuerza atractiva mantiene un átomo junto. El núcleo se mantiene unido por fuerzas nucleares fuertes.
Una representación del átomo de Litio (Li). Éste tiene 3 protones (p) y 4 neutrones (n) en el núcleo, y 3 electrones (e) en las dos capas de electrón. Su número atómico es 3 (p). Su masa atómica es 7 uma (p + n). El átomo todavía no tiene carga porque el número de protones cargados positivamente es igual al número de electrones cargados negativamente.
Isótopos
El número de protones en un elemento siempre es el mismo. De hecho, el número de protones define a un elemento. Sin embargo, el número de neutrones en el núcleo atómico y el peso atómico pueden variar. Los átomos que contienen el mismo número de protones y electrones, pero un número diferente de neutrones, se llaman isótopos. Las masas atómicas de los elementos en la tabla periódica son promedios ponderados para isótopos diferentes. Esto explica porque la masa atómica (el número de protones más el número de neutrones) no es un número entero. Por ejemplo, la mayoría de los átomos de carbono tienen 6 protones y 6 neutrones, dándole una masa de 12 uma. A este isótopo del carbono se le llama "carbono doce" (carbono-12). Pero la masa atómica del carbono en la tabla periódica se enlista como 12.011. La masa no es simplemente 12 porque otros isótopos de carbono tienen 5, 7 u 8 neutrones y se consideran todos los isótopos y su abundancia cuando se reporta la masa atómica media.
Iones
Un átomo puede perder o ganar electrones y cargarse al mismo tiempo. A un átomo que ha perdido o ganado uno o más electrones se le llama ion. Si un átomo pierde un electrón, se hace un ion cargado positivamente. Si éste gana un electrón, se hace un ion cargado negativamente. Por ejemplo, el calcio (Ca), un elemento biológico importante, puede perder dos electrones para convertirse en un ion con carga positiva de +2 (Ca2+). El cloro (Cl) puede ganar un electrón para convertirse en ion con carga negativa –1 (Cl–).
La Tabla Periódica
La tabla periódica es una lista de todos los elementos conocidos, organizados en forma ascendente de acuerdo con sus números atómicos, tales como los elementos con el mismo número de electrones de valencia, y por lo tanto con propiedades químicas similares que se encuentran en la misma columna llamada grupo. Por ejemplo, la última columna de la tabla periódica enumera los gases inertes (nobles), como el helio y el neón—elementos con una reactividad química muy baja. A una hilera en la tabla periódica se le llama periodo. Todos los elementos que comparten la misma hilera tienen el mismo número de capas de electrones.
Elementos Comunes
Algunos elementos se encuentran con frecuencia en moléculas biológicamente importantes y en la vida diaria. Aquí, encontrará una lista de elementos comunes, sus símbolos y sus usos comunes.
H—Hidrógeno: involucrado en los procesos nucleares que producen energía en el Sol, encontrado en muchas moléculas orgánicas en nuestro cuerpo (como en grasas y carbohidratos) y en los gases (como el metano).
He—Helio: se usa para que vuelen los globos.
C—Carbono: se encuentra en todos los organismos vivientes; el carbono puro existe como grafito y diamantes.
N—Nitrógeno: se usa como refrigerante para enfriar comida rápidamente, y se encuentra en muchas moléculas biológicamente importantes como las proteínas.
O—Oxígeno: esencial para la respiración (inhalación y exhalación) y la combustion (quema de algo)
Si—Silicio: se usa para realizar transistores y células solares
Cl—Cloro: se usa como desinfectante en albercas, como agente limpiador en lejía; y fisiológicamente también es importante, por ejemplo, dentro del sistema nervioso.
Ca—Calcio: necesario para la formación de los huesos y la contracción del músculo
Fe—Hierro: se usa como material de construcción; lleva oxígeno a la sangre
Cu—Cobre: un centavo de E.U. está hecho de cobre; es un buen conductor de la electricidad
I—Iodo: su falta en la dieta diaria resulta en una glándula tiroidea agrandada o bocio.
Hg—Mercurio: se usa en los termómetros; su ingestión puede causar daño cerebral y envenenamiento
Pb—Plomo: se usa como escudo de rayos-X en el consultorio del dentisa
Na—Sodio: Se encuentra en la sal de mesa (NaCl); biológicamente también es importante dentro del sistema nervioso y es un factor clave en el proceso del transporte activo que ocurre a través de las membranas celulares.
Algunos elementos existen en forma diatómica (dos átomos de un elemento están vinculados) y técnicamente son moléculas. Estos elementos incluyen hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2), flúor, (F2), cloro (Cl2), bromo (Br2) y yoduro (I2).
Estructura y Propiedades de la Materia
La materia tiene masa y ocupa espacio. Las partes elementales de la materia son átomos y moléculas. La materia puede interactuar con otra materia y con energía. Estas interacciones forman la base de las reacciones químicas y físicas.
Las Moléculas
Las moléculas están compuestas de dos o más átomos. Los átomos se mantienen juntos en las moléculas mediante cadenas químicas. Los enlaces químicos pueden ser iónicos o covalentes. Los enlaces iónicos se forman cuando un átomo dona uno o más electrones a otro átomo. Los enlaces covalentes se forman cuando dos átomos enlazados comparten electrones. La masa de una molécula se calcula al sumar la masa de los átomos de los que está compuesta. El número de átomos de un elemento dado en una molécula se designa por medio del subíndice del símbolo de un elemento. Por ejemplo, la molécula de la glucosa (azúcar en la sangre) se representa como C6H12O6. Esta formula de la molécula de glucosa dice que contiene seis átomos de carbono (C), doce átomos de hidrógeno (H) y seis átomos de oxígeno (O).
Moléculas Orgánicas e Inorgánicas
Las moléculas se clasifican como orgánicas e inorgánicas. La química orgánica técnicamente se define como el estudio de los compuestos del carbono. Tradicionalmente, sin embargo, algunos compuestos que contienen carbono se consideraban inorgánicos (como el CO, monóxido de carbono y el CO2, dióxido de carbono). De hecho, muchos químicos todavía consideran a estos compuestos como inorgánicos. Muchos químicos modernos consideran que las moléculas orgánicas contienen carbono y uno o más de otros elementos (como hidrógeno, nitrógeno y oxígeno). Algunos ejemplos de compuestos orgánicos son el metano (gas natural, CH4), la glicerina (un aminoácido, NH2CH2COOH) y el etanol (un alcohol, C2H5OH). Los compuestos inorgánicos incluyen el cloruro de sodio (sal de mesa, NaCl), amonio (NH3) y agua (H2O).
Estados de la Materia
La materia está unida mediante fuerzas intermoleculares—las fuerzas entre diferentes moléculas. Los tres estados comunes de la materia son sólido, líquido y gaseoso. La materia es un átomo, una molécula (compuesto) o una mezcla. Los ejemplos de la materia en su forma sólida son los diamantes (átomos de carbono), el hielo (moléculas de agua) y las aleaciones de metales (mezclas de diferentes metales). Un sólido tiene una forma y un volumen fijo. Las moléculas en estado sólido tienen una disposición regular y ordenada y vibran en su lugar, pero no pueden moverse lejos. Algunos ejemplos de la materia en su forma líquida son el mercurio (átomos de mercurio), el vinagre (moléculas de ácido acético) y el perfume (una mezcla de líquidos hecha de diferentes moléculas). Los líquidos tienen un volumen fijo, pero se adaptan a la forma del recipiente en el cual están. Los líquidos flotan y su densidad (masa por unidad de volumen) normalmente es más baja que la densidad de los sólidos. Las moléculas en un líquido no se encuentran ordenadas y se pueden mover de una región a otra, a través de un proceso llamado difusión.
Algunos ejemplos de la materia en su forma gaseosa incluyen el helio usado en los globos (átomos de helio), el vapor de agua (moléculas de agua) y el aire (mezcla de moléculas diferentes: nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua). Los gases toman la forma y el volumen del recipiente en el cual están. Pueden comprimirse cuando se aplica presión. Las moléculas de gases están totalmente desordenadas y se mueven muy rápido. La densidad del gas es mucho menor que la densidad de un líquido.
Los Cambios de Fase
Los cambios de fase implican la transición de un estado de materia a otro. La congelación del agua para hacer hielo y enfriar su bebida, la condensación del vapor de agua en el rocío de la mañana y la sublimación del hielo seco (CO2) son ejemplos de cambios de fases. Un cambio de fase es un proceso físico. No se forman ni se rompen los enlaces químicos. Sólo son afectadas las fuerzas (físicas) intermoleculares.
La congelación es el proceso de cambiar un líquido a un sólido mediante la eliminación del calor. El proceso opuesto a través del cual se agrega la energía del calor a un sólido hasta que cambie a un líquido se llama fundición. La ebullición es un cambio de fase de un líquido a un gas y sólo requiere una aportación de energía. La condensación es el cambio de un gas a un líquido. Algunas substancias se subliman—cambian directamente de una fase sólida a una fase de gas, sin formar un estado líquido al principio. El dióxido de carbono es una de esas substancias. El dióxido de carbono sólido, llamado hielo seco, se evapora hacia la fase de gas cuando se calienta. Cuando el gas cambia directamente a un sólido, se llama deposición.
Cuanto más fuertes sean las fuerzas intermoleculares, tanto más sencillo es existir para una molécula en uno de estos estados condensados (líquido o gas) porque estas interacciones entre moléculas mantienen juntos el sólido o el líquido. Por ejemplo, las moléculas neutras tienen un extremo positivo y un extremo negativo aunque, en total, las moléculas no tienen carga neta. Las moléculas como éstas se consideran polares y son atraídas por cada una de las fuerzasdipolo-dipolo. Las moléculas en que las fuerzas intermoleculares son fuertes tienden a tener altos puntos de ebullición, ya que estas fuerzas tienen que ser superadas para cambiar las moléculas a un estado gaseoso. Esto requiere la aportación de más energía (calor).
Compuestos y Mezclas
Cuando dos o más elementos se combinan químicamente, el resultado es un compuesto. Algunos ejemplos de compuestos incluyen el dióxido de carbono (producto de la respiración), la sacarosa (azúcar de mesa), serotonina (un químico del cerebro humano) y el ácido acético (un componente del vinagre). En cada uno de estos compuestos, hay más de un tipo de átomo, unido químicamente a otros átomos en una proporción definitiva. Esta combinación de átomos resulta en una estructura fija y definitiva.
Cuando dos o más elementos se combinan físicamente, el resultado es una mezcla. En una mezcla homogénea, los componentes no se pueden separar visualmente. Las mezclas homogéneas tienen la misma composición (proporción de componentes) en todo su volumen. Un ejemplo es una mezcla de una pequeña cantidad de sal en el agua. Se le llama solución a una mezcla uniforme. En una solución, se disuelve una sustancia (soluble) en otra (solvente). En una mezcla heterogénea, con frecuencia se pueden identificar los componentes, y la composición varía de un punto de la mezcla a otro. Una colección de monedas de diez centavos y de un centavo es una mezcla heterogénea. Una mezcla de agua y harina es heterogénea. Mientras que ambos componentes (agua y harina) son blancos, los cristales de azúcar son más grandes e identificables.
La miscibilidad es el término usado para describir la propiedad de dos substancias para formar una mezcla heterogénea. El agua y el alcohol son miscibles. Se pueden mezclar de tal manera que la mezcla quede uniforme durante la muestra. En cada momento, se verán, olerán y sabrán de modo igual. El agua y el aceite no son miscibles. Una mezcla de estas dos substancias no es homogénea, ya que el aceite flota en el agua. Son claramente visibles en una mezcla de agua y aceite las dos capas que contienen ambos componentes. Cada capa se ve, huele, sabe y se comporta diferentemente.
Reacciones Químicas
Remover manchas de la ropa, digerir la comida y quemar madera en una chimenea son ejemplos de reacciones químicas. Las reacciones químicas implican cambios en la disposición de los átomos. En una reacción química, los átomos de los reactivos se combinan, recombinan y se disocian para formar productos. El número de átomos de un elemento particular permanece el mismo antes y después de la reacción química. También se preserva la masa total. De igual manera, la energía nunca se crea ni se destruye a causa de una reacción química. Si se rompen los enlaces químicos, se puede liberar la energía de estos enlaces en el área circundante como calor. Sin embargo, esta liberación de energía no constituye una creación, pues la energía sólo cambia de forma—de química a calor.
Escritura de Reacciones Químicas
Una reacción química se puede representar mediante una ecuación química, donde los reactivos se escriben en el lado izquierdo y los productos en el lado derecho con una flecha que indica la dirección hacia donde la reacción avanza. La ecuación química siguiente representa la reacción de la glucosa (C6H12O6) con el oxígeno (O2) para formar el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O). Su cuerpo realiza esta reacción todo el tiempo para obtener energía.
(C6H12O6) + 6 (O2) →6 (CO2) + 6 (H2O)
Los números frente a las fórmulas moleculares indican la proporción de la reacción de las moléculas. Si las moléculas no tienen número, significa que está reaccionando una molécula de esa sustancia. En la reacción anterior, una molécula de glucosa está reaccionando con seis moléculas de oxígeno para formar seis moléculas de dióxido de carbono y seis moléculas de agua. En realidad, hay varias moléculas de cada na de las sustancias y la reacción le dice en qué proporción reaccionan las moléculas. Entonces si usted tuviera diez moléculas de glucosa reaccionando con 60 moléculas de oxígeno, usted obtendría 60 moléculas de dióxido de carbono y 60 moléculas de agua. En muchas formas, las ecuaciones químicas son como recetas de cocina.
2 Panes + 1 Queso + 2 Tomates → Sandwich
Con dos rebanadas de pan, una rebanada de queso y dos rebanadas de tomate, usted puede hacer un sandwich. Si usted tuviera seis rebanadas de pan, tres rebanadas de queso y seis rebanadas de tomate, usted podría hacer tres sandwiches. Los mismos principios de proporción se aplican a las reacciones químicas.
Tipos de Reacciones Químicas
Las reacciones similares se pueden clasificar y categorizar en diferentes tipos de reacciones. Por ejemplo, las reacciones químicas se pueden clasificar como reacciones de síntesis, reacciones de descomposición, reacciones de sustitución simple y reacciones de sustitución doble. Cada una de estas reacciones procede como usted lo esperaría de acuerdo con su nombre.
Reacción de Síntesis
A + B → B
Reacción de Descomposición
AB → A + B
Reacción de Sustitución Simple
C + AB → CB + A
Reacción de Sustitución Doble
AB + CD → AD + CB
Así como en la ecuación del emparedado anteriormente descrita, los reactivos siempre se combinarán en proporciones específicas para formar un producto. Si dos rebanadas de pan están en el lado izquierdo de la ecuación, entonces el emparedado formado en el lado derecho tendrá dos rebanadas, nunca una ni tres. Si hay cuatro rebanadas en el lado izquierdo, usted terminará con cuatro rebanadas en el lado derecho. Esta analogía muestra la conversión de la materia.
Observe la siguiente síntesis de reacción:
Hay dos átomos de nitrógeno en ambos lados de la ecuación. También, hay seis átomos de hidrógeno en cada lado de la ecuación. La materia se conserva.
Ahora vea esta reacción de síntesis involucrando a los iones:
2F– + Ca2+ → CaF2
Además de demostrar la conservación de la materia, este ejemplo demuestra la conservación de la carga. Los dos iones de fluoruro, cada uno con una carga de –1 combinada con un ión de calcio, tienen una carga de +2. El producto formado es neutro—las dos cargas –1 y la carga +2 se cancelan—y la carga se conserva.
De hecho todas las reacciones químicas deben conservar:
- la materia (masa)
- la energía
- la carga eléctrica
Calor de Reacción (Entalpía)
El rompimiento de los enlaces moleculares libera la energía almacenada en esos enlaces. La energía es liberada en forma de calor. De igual manera, la formación de nuevos enlaces requiere una gran aportación de energía. Por lo tanto, la reacción química absorberá o emitirá calor, dependiendo de cuántos y qué tipo de enlaces estén rotos y se produzcan como resultado de esa reacción. A una reacción que absorbe energía se le llama endotérmica. Un recipiente donde tiene lugar una reacción endotérmica se enfría, debido a que el calor del recipiente es absorbido por la reacción. A la reacción que emite energía se le llama exotérmica. Quemando gasolina es una reacción exotérmica-emite energía.
Incremento en el Desorden (Entropía)
Desorden, o entropía, es la falta de regularidad en un sistema. Cuanto más desordenado el sistema, tanto más grande es la entropía. Es más fácil lograr el desorden que el orden. Imagine que tiene 100 cuentas azules en una mano y 100 cuentas rojas en la otra. Ahora póngalas en una taza y agítelas. ¿Cuál es la posibilidad de haber escogido 100 cuentas en cada mano separadas por color, sin mirar? No es muy probable. La entropía y el caos ganan. Hay solamente un arreglo que lleva a la separación ordenada de cuentas (100 azules en una mano, 100 rojas en la otra), y muchos arreglos llevan a tener cuentas mezcladas (33 azules, 67 rojas en una mano, 33 rojas y 67 azules en la otra; 40 azules, 60 rojas en una mano, 60 azules, 40 rojas en la otra …). Lo mismo con los átomos. A veces se puede lograr el arreglo y el orden. Los átomos y las moléculas en los sólidos, tales como los copos de nieve, poseen arreglos muy regulares. Pero si se les da suficiente tiempo (y temperatura), la nieve se derrite, formando agua líquida menos ordenada. Aunque sí es posible que haya reacciones que lleven a un estado más ordenado, son más probables las reacciones que lleven a un desorden. El efecto global consiste en que el desorden en el universo se incrementa.
Catalizadores
Con frecuencia una reacción necesita ayuda para comenzar. Tal ayuda puede provenir de un catalizador. Un catalizador es una substancia o forma de energía que ayuda a provocar una reacción, sin que ésta misma sea cambiada o acabada en la reacción. Un catalizador actúa para bajar lo que se llama la energía de activación de una reacción. La energía de activación con frecuencia se ilustra como una colina en medio de dos valles que necesita cruzarse para poder llegar de un valle a otro: un valle representa los reactantes, y el otro los productos. El catalizador actúa para hacer la colina más pequeña.
Un catalizador actúa para reducir la barrera de activación de energía (Ea) a fin de producir formación. En el diagrama, la colina negra representa una energía de activación alta. El catalizador actúa para hacer la colina más pequeña, así que la colina gris representa la energía de activación en presencia de un catalizador.
La luz es un catalizador para la reacción fotosintética. En los sistemas vivientes las reacciones son catalizadas por moléculas de proteína especiales llamadas enzimas.
Reacciones Reversibles e Irreversibles
Algunas reacciones pueden avanzar en ambas direcciones—los reactantes pueden formar productos, los cuales cambian de vuelta a reactantes. Éstas son reacciones reversibles. Otras reacciones son irreversibles, ya que los reactantes pueden formar productos; pero una vez formados, no pueden volver a ser reactantes otra vez. Mientras que la madera se puede quemar (reaccionar con oxígeno) para producir calor, agua y dióxido de carbono, estos productos no pueden reaccionar para formar madera. Usted podrá entender mejor la reversibilidad si mira el diagrama de activación de energía en la parte anterior. La colina que necesita ser cruzada por los reactantes para formar productos es mas baja que la colina que necesita ser cruzada por los productos para formar reactantes. Lo más seguro es que tal reacción sea irreversible. Ahora mire el diagrama siguiente. La colina que necesita cruzarse es casi la misma para los reactantes y los productos; entonces el cruzamiento tendría lugar de ambos lados—la reacción sería reversible.
Las energías de activación (Ea) para la reacción hacia adelante (reactantes que forman productos) y para la reacción reversa (productos que forman reactantes) son casi las mismas. Tal reacción es reversible.
Movimientos, Fuerzas y Conservación de la Energía
Una fuerza es un jalón o un empuje. Los objetos se mueven como respuesta a las fuerzas actuantes ellos. Cuando usted patea una pelota, ésta rueda; y también se requiere una fuerza para detener el movimiento. La pelota deja de rodar debido a la fuerza de fricción. ¿Qué ocurre aquí? Primero su cuerpo rompe los enlaces químicos de la comida ingerida. Esto le da a su cuerpo un suministro de energía. Usted gasta una parte de esta energía al patear una pelota. Usted aplica una fuerza; y como resultado la pelota se mueve, transportando la energía suministrada por su pie. Pero parte de la energía se transfiere de la pelota al suelo en forma de calor, debido a la fuerza de fricción que encuentra en la superficie del suelo. Mientras que la energía se pierde de esta manera, la pelota se detiene poco a poco. Cuando se ha gastado toda la energía a través de la fricción, la pelota deja de mover. Este ejemplo ilustra el concepto de la conservación de la energía, así como la primera ley de Newton—la Ley de la inercia.
¿Cuál es la diferencia entre la rapidez y la velocidad? La rapidez, tal como "30 millas por hora" tiene magnitud. La velocidad tiene magnitud y dirección (30 millas por hora, norte). Una distinción parecida se hace considerando la diferencia entre los términos distancia y desplazamiento. Si usted camina 20 pies hasta su buzón de correo y 20 pies de regreso, la distancia que se desplaza es de 40 pies. Su desplazamiento es cero, porque el desplazamiento compara su punto de llegada con su punto de partida.
La velocidad se define como el desplazamiento dividido entre el tiempo transcurrido. Cuando usted ve el cambio en la velocidad dividida entre el tiempo transcurrido, está viendo la aceleración. A la aceleración negativa (causada por la terminación de la velocidad que es menor que la velocidad de inicio) se le llama desaceleración. Para que la velocidad del movimiento cambie, ya sea la rapidez y/o la dirección deben cambiar y debe ser aplicada una fuerza neta o no balanceada. Para resumir, un objeto en estado de reposo (cuya velocidad es cero) se mantiene en reposo a menos que una fuerza actúe sobre éste—una persona lo empuja, el viento lo hace volar, la gravedad lo jala hacia abajo … Un objeto en movimiento continúa moviéndose a la misma velocidad en la misma dirección a menos que una fuerza se aplique para que vaya más lento, más rápido o para que cambie de dirección. El aumento de aceleración o desaceleración es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Cuanto más fuerte patee una pelota, tanto más rápido se moverá. La masa de una pelota también determinará cuánto se acelerará. Patee una pelota de fútbol. Ahora patee una pelota gigante de plomo con la misma fuerza (¡cuidado con su pie!). ¿Cuál pelota se moverá más rápidamente como resultado de la misma patada? Estas observaciones constituyen la segunda ley de Newton—la Ley de la aceleración.
Una buena manera de aprender acerca de las leyes de movimiento es jugar al billar. ¿Qué ocurre cuando falla al jugar y no le da a ninguna bola? Nada. Se mantienen en reposo. ¿Qué ocurre cuando le da a la bola con el taco? Se mueve hacia donde le dio. Cuanto más fuerte le dé, tanto más rápido se mueve. Ahora, ¿qué ocurre cuando la bola a la cual pegó choca contra otra bola? La otra bola se empieza a mover. La bola a la cual le dio se hace más lenta. La energía se transfiere de la bola inicial a la cual le dio con el taco a la bola con la cual chocó. Cuando un objeto ejerce una fuerza en un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza equivalente en la dirección opuesta del primer objeto. Esta es la tercera ley de Newton—la Ley de la interacción.
Tipos de Fuerzas
La ley de Newton no depende del tipo de fuerza que se le aplique. Algunos tipos de fuerzas son la gravitacional, la electromagnética, la fuerza de contacto y la fuerza nuclear.
Fuerza Gravitacional
La fuerza gravitacional constituye una fuerza de atracción que cualquier objeto con masa ejerce sobre otro objeto con masa. La magnitud de la fuerza gravitacional depende de las masas de los objetos y de la distancia entre ellos. Cuando pensamos en la gravedad, generalmente pensamos en la gravedad de la Tierra, la cual nos impide saltar a lo infinitamente alto, mantiene nuestras casas en el suelo y provoca que las cosas que están arriba caigan hacia abajo. Nosotros ejercemos fuerza gravitacional en la Tierra, y ejercemos fuerzas sobre los demás; pero no resulta tan perceptible porque nuestras masas son muy pequeñas en comparación con la masa de nuestro planeta. Cuanto más grandes sean las masas involucradas, tanto más grande es la fuerza gravitacional entre ellas. El Sol ejerce fuerza en la Tierra y la Tierra ejerce fuerza en el Sol. La Luna ejerce fuerza en la Tierra, y la Tierra en la Luna. La fuerza gravitacional de la Luna es la razón por la cual existen las mareas. La gravedad de la Luna atrae el agua a la Tierra. El Sol ejerce una fuerza en nuestra agua, pero esto no es tan evidente porque el Sol, aunque más grande que la Luna, se encuentra más lejos. A medida que la distancia entre dos objetos se duplica, la fuerza gravitacional entre ellos disminuye cuatro veces.
¿Cuál es la diferencia entre el peso y la masa?
En la Tierra, la aceleración debido a la gravedad, g, es –9.8 m/s2. Su peso (w) es realmente una fuerza. La fórmula F = ma se vuelve w = mg. Donde la aceleración, g, es –9.8 m/s2, la fuerza total (w) es negativa, significando que su caída va hacia abajo: la Tierra lo está jalando hacia su centro. Es probable que usted haya escuchado a alguien decir: "¡Eres más ligero que la luna!" Esto es verdad debido a que la fuerza gravitacional en la Luna es menor que la fuerza gravitacional en la Tierra. Su masa, sin embargo, sería la misma, porque la masa no es más que una medida de cómo denso es usted y del volumen que ocupa.
Fuerza Electromagnética
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos de una sola fuerza electromagnética. Las cargas eléctricas en movimiento producen fuerzas magnéticas y los magnetos en movimiento producen fuerzas eléctricas. La fuerza electromagnética existe entre dos objetos magnéticos cargados: por ejemplo, un protón y un electrón o dos electrones. Las cargas opuestas se atraen (un electrón y un protón) mientras que las cargas iguales se repelen (dos protones o dos electrones). La magnitud de la fuerza depende de las cargas y de la distancia entre ellas. Cuanto mayor sean las cargas, tanto mayor es la fuerza. Cuanto más cerca estén las cargas entre sí, tanto mayor es la fuerza entre ellas.
Fuerza de Contacto
Las fuerzas de contacto son fuerzas que existen como resultado de la interacción entre los objetos, físicamente en contacto entre sí. Éstos incluyen las fuerzas de fricción, las fuerzas de tensión y las fuerzas normales.
La fuerza de fricción se opone al movimiento de un objeto de un extremo al otro de la superficie. Por ejemplo, si un vaso se mueve sobre la superficie de una mesa para cenar, existe una fuerza de fricción en la dirección opuesta al movimiento del vaso. La fricción resulta de la atracción de las fuerzas intermoleculares entre las moléculas de la superficie del vaso y la superficie de la mesa. La fricción depende de la naturaleza de las dos superficies. Por ejemplo, habría menor fricción entre la mesa y el vaso si la mesa se humedeciera o se lubricara con agua. El vaso se deslizaría más fácilmente sobre la mesa. La fricción también depende del grado en que el vaso y la mesa se encuentren presionados entre sí. La resistencia del aire es un tipo de fuerza de fricción.
La tensión es la fuerza transmitida a través de una cuerda o de un alambre jalados muy apretadamente por fuerzas de acción en el otro extremo. La fuerza de tensión se dirige a lo largo de la cuerda o del alambre y jala los objetos en cualquier extremo del alambre.
La fuerza normal se ejerce sobre un objeto en contacto con otro objeto estable. Por ejemplo, la mesa de la cena ejerce una fuerza ascendente sobre el vaso que está en reposo sobre la superficie de la mesa.
cas diferenciadas. Cuando un átomo gana energía, la luz de la longitud de onda asociada con esa energía se absorbe. Cuando un átomo pierde energía, la luz de la longitud de onda asociada con esa energía se emite. Se pueden usar esas longitudes de onda para identificar elementos.
Reacciones Nucleares
En una reacción nuclear, la energía se puede convertir en materia y la materia se puede convertir en energía. En tales procesos, la energía y la materia se conservan, de acuerdo con la formula de Einstein E = mc2, donde E es la energía, m es la masa y c es la velocidad de la luz. Una reacción nuclear se diferencia de una reacción química porque en una reacción nuclear las partículas del núcleo (protones y neutrones) interactúan, mientras que en una reacción química, los electrones son perdidos o ganados por un átomo. Dos tipos de reacciones nucleares son la fusión y la fisión.
La fusión es un proceso nuclear por medio del cual dos núcleos se combinan para formar un núcleo más pesado. Una reacción de fusión libera una cantidad de energía más de un millón de veces mayor que la energía liberada en una reacción química típica. Esta ganancia de energía está acompañada de una pérdida de masa. La suma de las masas de dos núcleos ligeros es inferior a la masa que produjo el núcleo más pesado. Este defecto de masa (la diferencia entre la masa esperada y la masa actual) es la m en la fórmula de Einstein y dependiendo de lo grande que sea m, se liberará una cantidad proporcional de energía. Las reacciones de fusión nuclear son responsables de la producción de energía del Sol.
La fisión es un proceso nuclear donde un núcleo pesado se divide en dos núcleos más ligeros. La fisión se usó en la primera bomba atómica y todavía se usa en plantas nucleares de poder. La fisión, como la fusión, libera una gran cantidad de energía. El precio pagado por esta energía es una pérdida de masa. Un núcleo pesado que se divide es más pesado que la suma de las masas de los núcleos resultantes más ligeros.
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