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Hipótesis, modelo, teoría y ley

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hipotesis

En el uso común, las palabras hipótesis, modelo, teoría y ley tienen diferentes interpretaciones y en ocasiones se usan sin precisión, pero en ciencia tienen significados muy exactos.

Hipótesis

Quizás el paso más difícil e intrigante es el desarrollo de una hipótesis específica y comprobable. Una hipótesis útil permite realizar predicciones aplicando el razonamiento deductivo, a menudo en forma de análisis matemático. Es una declaración limitada sobre la causa y el efecto en una situación específica, que puede ser probada por experimentación y observación o por análisis estadístico de las probabilidades a partir de los datos obtenidos. El resultado de la hipótesis de prueba debe ser desconocido actualmente, de modo que los resultados puedan proporcionar datos útiles con respecto a la validez de la hipótesis.

A veces se desarrolla una hipótesis que debe esperar a que los nuevos conocimientos o tecnología sean comprobables. El concepto de átomos fue propuesto por los antiguos griegos, que no tenían forma de probarlo. Siglos más tarde, cuando se dispuso de más conocimientos, la hipótesis ganó apoyo y finalmente fue aceptada por la comunidad científica, aunque tuvo que ser modificada muchas veces durante el año. Los átomos no son indivisibles, como suponían los griegos.

Modelo

Un modelo se utiliza para situaciones en las que se sabe que la hipótesis tiene una limitación en su validez. El modelo de Bohr del átomo , por ejemplo, muestra electrones que rodean el núcleo atómico de una manera similar a los planetas del sistema solar. Este modelo es útil para determinar las energías de los estados cuánticos del electrón en el átomo de hidrógeno simple, pero de ninguna manera representa la verdadera naturaleza del átomo. Los científicos (y los estudiantes de ciencias) a menudo utilizan estos modelos idealizados  para obtener una comprensión inicial del análisis de situaciones complejas.

Teoría y Ley

Una teoría o ley científica representa una hipótesis (o un grupo de hipótesis relacionadas) que se ha confirmado mediante pruebas repetidas, casi siempre realizadas durante un período de muchos años. Generalmente, una teoría es una explicación de un conjunto de fenómenos relacionados, como la teoría de la evolución o la teoría del Big Bang. 

La palabra «ley» se invoca a menudo en referencia a una ecuación matemática específica que relaciona los diferentes elementos dentro de una teoría. La Ley de Pascal se refiere a una ecuación que describe las diferencias de presión según la altura. En la teoría general de la gravitación universal desarrollada por Sir Isaac Newton, la ecuación clave que describe la atracción gravitacional entre dos objetos se llama ley de la gravedad.

En estos días, los físicos rara vez aplican la palabra «ley» a sus ideas. Esto se debe a que se descubrió que muchas de las «leyes de la naturaleza» anteriores no eran tanto leyes como pautas, que funcionan bien dentro de ciertos parámetros pero no dentro de otros.

Paradigmas científicos

Una vez que se establece una teoría científica, es muy difícil lograr que la comunidad científica la descarte. En física, el concepto de éter como medio para la transmisión de ondas de luz encontró una seria oposición a fines del siglo XIX, pero no se descartó hasta principios del siglo XX, cuando Albert Einstein propuso explicaciones alternativas para la naturaleza ondulatoria de la luz que no dependían de un medio de transmisión.

El filósofo científico Thomas Kuhn desarrolló el término paradigma científico para explicar el conjunto funcional de teorías bajo las cuales opera la ciencia. Hizo un extenso trabajo sobre las revoluciones científicas que tienen lugar cuando un paradigma se vuelca a favor de un nuevo conjunto de teorías. 

Su trabajo sugiere que la naturaleza misma de la ciencia cambia cuando estos paradigmas son significativamente diferentes. La naturaleza de la física anterior a la relatividad y la mecánica cuántica es fundamentalmente diferente de la posterior a su descubrimiento, al igual que la biología anterior a la Teoría de la evolución de Darwin es fundamentalmente diferente de la biología que la siguió. La propia naturaleza de la investigación cambia.

Una consecuencia del método científico es tratar de mantener la coherencia en la investigación cuando ocurren estas revoluciones y evitar intentos de derrocar los paradigmas existentes sobre bases ideológicas.

La navaja de Occam

Un principio a destacar en lo que respecta al método científico es la navaja de Occam (deletreada alternativamente navaja de Ockham), que lleva el nombre del lógico inglés del siglo XIV y fraile franciscano William of Ockham. Occam no creó el concepto: la obra de Tomás de Aquino e incluso Aristóteles se refirió a alguna forma de él. El nombre se le atribuyó por primera vez (que sepamos) en el siglo XIX, lo que indica que debe haber abrazado la filosofía lo suficiente como para que su nombre se asocie con ella.

La navaja de Occam indica que la explicación más simple que se ajusta a los datos disponibles es la que es preferible. Suponiendo que dos hipótesis presentadas tienen el mismo poder predictivo, prevalece la que hace menos suposiciones y entidades hipotéticas. Esta apelación a la simplicidad ha sido adoptada por la mayor parte de la ciencia y se invoca en esta cita popular de Albert Einstein:

Todo debe hacerse lo más simple posible, pero no más simple.

Es importante señalar que la navaja de Occam no prueba que la hipótesis más simple sea, de hecho, la verdadera explicación de cómo se comporta la naturaleza. Los principios científicos deberían ser lo más simples posible, pero eso no prueba que la naturaleza en sí sea simple.

Sin embargo, generalmente ocurre que cuando un sistema más complejo está en funcionamiento, hay algún elemento de la evidencia que no se ajusta a la hipótesis más simple, por lo que la navaja de Occam rara vez se equivoca, ya que solo se ocupa de hipótesis de poder predictivo puramente igual. El poder predictivo es más importante que la simplicidad.

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La física de una colisión automovilística

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Durante un accidente automovilístico, la energía se transfiere del vehículo a todo lo que golpea, ya sea otro vehículo o un objeto estacionario. Esta transferencia de energía, dependiendo de las variables que alteran los estados de movimiento, puede causar lesiones y daños a los automóviles y la propiedad. El objeto que fue golpeado absorberá la energía que se le aplica o posiblemente transferirá esa energía de regreso al vehículo que lo golpeó. Centrarse en la distinción entre  fuerza  y  energía  puede ayudar a explicar la física involucrada.

Fuerza: Chocando con una pared

Los accidentes automovilísticos son claros ejemplos de cómo funcionan las leyes del movimiento de Newton. Su primera ley del movimiento, también conocida como la ley de la inercia, afirma que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Por el contrario, si un objeto está en reposo, permanecerá en reposo hasta que una fuerza desequilibrada actúe sobre él. 

Considere una situación en la que el automóvil A choca con una pared estática e irrompible. La situación comienza con el automóvil A viajando a una velocidad (v ) y, al chocar con la pared, termina con una velocidad de 0. La fuerza de esta situación está definida por la segunda ley de movimiento de Newton, que usa la ecuación de fuerza igual a masa veces la aceleración. En este caso, la aceleración es (v – 0) / t, donde t es el tiempo que tarda el automóvil A en detenerse.

El automóvil ejerce esta fuerza en la dirección de la pared, pero la pared, que es estática e irrompible, ejerce una fuerza igual sobre el automóvil, según la tercera ley de movimiento de Newton. Esta fuerza igual es lo que hace que los autos se eleven en acordeón durante las colisiones.

Es importante señalar que este es un modelo idealizado . En el caso del automóvil A, si choca contra la pared y se detiene inmediatamente, sería una colisión perfectamente inelástica. Dado que la pared no se rompe ni se mueve en absoluto, toda la fuerza del automóvil contra la pared tiene que ir a alguna parte. 

O el muro es tan masivo que se acelera, o se mueve imperceptiblemente, o no se mueve en absoluto, en cuyo caso la fuerza de la colisión actúa sobre el coche y sobre todo el planeta, el último de los cuales es, obviamente, tan masivo que los efectos son insignificantes.

Fuerza: Chocar con un coche

En una situación en la que el automóvil B choca con el automóvil C, tenemos diferentes consideraciones de fuerza. Suponiendo que el automóvil B y el automóvil C son espejos completos el uno del otro (nuevamente, esta es una situación altamente idealizada), chocarían entre sí yendo exactamente a la misma velocidad pero en direcciones opuestas. 

Por la conservación del impulso, sabemos que ambos deben descansar. La masa es la misma, por lo tanto, la fuerza experimentada por el automóvil B y el automóvil C es idéntica, y también idéntica a la que actúa sobre el automóvil en el caso A en el ejemplo anterior.

Esto explica la fuerza de la colisión, pero hay una segunda parte de la pregunta: la energía dentro de la colisión.

Energía

La fuerza es una cantidad vectorial mientras que la energía cinética es una cantidad escalar , calculada con la fórmula K = 0.5mv 2 . En la segunda situación anterior, cada automóvil tiene energía cinética K directamente antes de la colisión. Al final de la colisión, ambos autos están en reposo y la energía cinética total del sistema es 0.

Dado que se trata de colisiones inelásticas , la energía cinética no se conserva, pero la energía total siempre se conserva, por lo que la energía cinética «perdida» en la colisión tiene que convertirse en alguna otra forma, como calor, sonido, etc.

En el primer ejemplo, donde solo se mueve un automóvil, la energía liberada durante la colisión es K. En el segundo ejemplo, sin embargo, dos son autos en movimiento, por lo que la energía total liberada durante la colisión es 2K. Entonces, el choque en el caso B es claramente más enérgico que el choque del caso A.

De los coches a las partículas

Considere las principales diferencias entre las dos situaciones. A nivel cuántico de partículas, la energía y la materia básicamente pueden intercambiar estados. La física de una colisión automovilística nunca, por enérgica que sea, emitirá un coche completamente nuevo.

El automóvil experimentaría exactamente la misma fuerza en ambos casos. La única fuerza que actúa sobre el automóvil es la desaceleración repentina de la velocidad v a 0 en un breve período de tiempo, debido a la colisión con otro objeto.

Sin embargo, al ver el sistema total, la colisión en la situación con dos coches libera el doble de energía que la colisión con una pared. Es más ruidoso, más caliente y probablemente más desordenado. Con toda probabilidad, los autos se han fusionado entre sí, piezas volando en direcciones aleatorias.

Esta es la razón por la que los físicos aceleran las partículas en un colisionador para estudiar la física de altas energías. El acto de colisionar dos haces de partículas es útil porque en las colisiones de partículas a uno realmente no le importa la fuerza de las partículas (que nunca se mide realmente); en cambio, te preocupas por la energía de las partículas.

Un acelerador de partículas acelera las partículas, pero lo hace con una limitación de velocidad muy real dictada por la velocidad de la barrera de luz de la teoría de la relatividad de Einstein . Para extraer un poco de energía extra de las colisiones, en lugar de colisionar un haz de partículas de velocidad cercana a la luz con un objeto estacionario, es mejor colisionarlo con otro haz de partículas de velocidad cercana a la luz que van en la dirección opuesta.

Desde el punto de vista de la partícula, no se «rompen más», pero cuando las dos partículas chocan, se libera más energía. En las colisiones de partículas, esta energía puede tomar la forma de otras partículas, y cuanta más energía extraigas de la colisión, más exóticas serán las partículas.

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Termodinámica: proceso adiabático

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En física, un proceso adiabático es un proceso termodinámico en el que no hay transferencia de calor  dentro o fuera de un sistema y generalmente se obtiene rodeando todo el sistema con un material fuertemente aislante o llevando a cabo el proceso tan rápido que no hay tiempo. para que tenga lugar una transferencia de calor significativa.

Aplicando la primera ley de la termodinámica a un proceso adiabático, obtenemos:

delta-Dado que delta- U es el cambio en la energía interna y W es el trabajo realizado por el sistema, lo que vemos son los siguientes resultados posibles. Un sistema que se expande en condiciones adiabáticas realiza un trabajo positivo, por lo que la energía interna disminuye, y un sistema que se contrae en condiciones adiabáticas realiza un trabajo negativo, por lo que la energía interna aumenta.

Las carreras de compresión y expansión en un motor de combustión interna son ambos procesos aproximadamente adiabáticos: la poca transferencia de calor fuera del sistema es insignificante y prácticamente todo el cambio de energía se destina al movimiento del pistón.

Fluctuaciones adiabáticas y de temperatura del gas

Cuando el gas se comprime mediante procesos adiabáticos, hace que la temperatura del gas aumente mediante un proceso conocido como calentamiento adiabático; sin embargo, la expansión a través de procesos adiabáticos contra un resorte o presión provoca una caída de temperatura a través de un proceso llamado enfriamiento adiabático.

El calentamiento adiabático ocurre cuando el gas es presurizado por el trabajo realizado en él por su entorno, como la compresión del pistón en el cilindro de combustible de un motor diesel. Esto también puede ocurrir naturalmente, como cuando las masas de aire en la atmósfera de la Tierra presionan hacia abajo sobre una superficie como una pendiente en una cadena montañosa, lo que hace que las temperaturas aumenten debido al trabajo realizado en la masa de aire para disminuir su volumen contra la masa terrestre.

El enfriamiento adiabático, por otro lado, ocurre cuando la expansión ocurre en sistemas aislados, lo que los obliga a trabajar en sus áreas circundantes. En el ejemplo del flujo de aire, cuando esa masa de aire es despresurizada por una elevación en una corriente de viento, se permite que su volumen se extienda hacia afuera, reduciendo la temperatura.

Escalas de tiempo y proceso adiabático

Aunque la teoría del proceso adiabático se sostiene cuando se observa durante largos períodos de tiempo, escalas de tiempo más pequeñas hacen que el adiabático sea imposible en los procesos mecánicos, dado que no existen aislantes perfectos para sistemas aislados, el calor siempre se pierde cuando se realiza el trabajo.

En general, se supone que los procesos adiabáticos son aquellos en los que el resultado neto de la temperatura no se ve afectado, aunque eso no significa necesariamente que el calor no se transfiera durante todo el proceso. Las escalas de tiempo más pequeñas pueden revelar la diminuta transferencia de calor a través de los límites del sistema, que en última instancia se equilibran en el transcurso del trabajo.

Factores como el proceso de interés, la tasa de disipación de calor, la cantidad de trabajo que se reduce y la cantidad de calor perdido a través del aislamiento imperfecto pueden afectar el resultado de la transferencia de calor en el proceso general y, por esta razón, la suposición de que un El proceso es adiabático se basa en la observación del proceso de transferencia de calor como un todo en lugar de sus partes más pequeñas.

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Definición de temperatura en la ciencia

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Temeperatura

La temperatura es una medida objetiva de qué tan caliente o frío está un objeto. Se puede medir con un termómetro o un calorímetro. Es un medio para determinar la energía interna contenida dentro de un sistema dado.

Debido a que los humanos perciben fácilmente la cantidad de calor y frío dentro de un área, es comprensible que la temperatura sea una característica de la realidad que tenemos una comprensión bastante intuitiva. Considere que muchos de nosotros tenemos nuestra primera interacción con un termómetro en el contexto de la medicina, cuando un médico (o nuestro padre) lo usa para discernir nuestra temperatura, como parte del diagnóstico de una enfermedad. De hecho, la temperatura es un concepto crítico en una amplia variedad de disciplinas científicas, no solo en la medicina.

Calor versus temperatura

La temperatura es diferente del calor, aunque los dos conceptos están relacionados. La temperatura es una medida de la energía interna de un sistema, mientras que el calor es una medida de cómo se transfiere la energía de un sistema (o cuerpo) a otro, o cómo las temperaturas en un sistema aumentan o disminuyen por interacción con otro. Esto se describe a grandes rasgos por la teoría cinética, al menos para gases y fluidos. 

La teoría cinética explica que cuanto mayor es la cantidad de calor que absorbe un material, más rápidamente comienzan a moverse los átomos dentro de ese material y, cuanto más rápido se mueven los átomos, más aumenta la temperatura. A medida que los átomos comienzan a ralentizar su movimiento, el material se enfría. Las cosas se complican un poco más para los sólidos, por supuesto, pero esa es la idea básica.

Escalas de temperatura

Existen varias escalas de temperatura. En los Estados Unidos, la temperatura Fahrenheit se usa con mayor frecuencia, aunque el Sistema Internacional de Unidades ( unidad SI ) Centígrados (o Celsius) se usa en la mayor parte del resto del mundo. La escala Kelvin se usa a menudo en física y se ajusta para que 0 grados Kelvin sea igual al cero absoluto, que es, en teoría, la temperatura más fría posible y en ese punto cesa todo movimiento cinético.

Medición de temperatura

Un termómetro tradicional mide la temperatura al contener un fluido que se expande a una velocidad conocida a medida que se calienta y se contrae a medida que se enfría. A medida que cambia la temperatura, el líquido dentro de un tubo contenido se mueve a lo largo de una escala en el dispositivo. Como ocurre con gran parte de la ciencia moderna, podemos mirar hacia los antiguos para conocer los orígenes de las ideas sobre cómo medir la temperatura desde los antiguos.

En el siglo I EC, el filósofo y matemático griego Hero (o Heron) de Alejandría (10-70 EC) escribió en su obra «Neumática» sobre la relación entre la temperatura y la expansión del aire. Después de la invención de Gutenberg Press , el libro de Hero se publicó en Europa en 1575, y su mayor disponibilidad inspiró la creación de los primeros termómetros a lo largo del siglo siguiente.

Inventar el termómetro

El astrónomo italiano Galileo  (1564-1642) fue uno de los primeros científicos registrados en haber utilizado un dispositivo que midiera la temperatura, aunque no está claro si lo construyó él mismo o adquirió la idea de otra persona. Usó un dispositivo llamado termoscopio para medir la cantidad de calor y frío, al menos ya en 1603.

A lo largo de la década de 1600, varios científicos intentaron crear termómetros que midieran la temperatura mediante un cambio de presión dentro de un dispositivo de medición contenido. El médico inglés Robert Fludd (1574-1637) construyó un termoscopio en 1638 que tenía una escala de temperatura incorporada en la estructura física del dispositivo, lo que resultó en el primer termómetro.

Sin ningún sistema de medición centralizado, cada uno de estos científicos desarrolló sus propias escalas de medición, y ninguna de ellas se dio cuenta hasta que el físico e inventor holandés-alemán-polaco  Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) construyó la suya a principios del siglo XVIII. Construyó un termómetro con alcohol en 1709, pero en realidad fue su termómetro a base de mercurio de 1714 el que se convirtió en el estándar de oro para medir la temperatura.

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Las 4 fuerzas fundamentales de la física

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Las fuerzas fundamentales (o interacciones fundamentales) de la física son las formas en que las partículas individuales interactúan entre sí. Resulta que cada interacción observada que tiene lugar en el universo se puede dividir y describir por solo cuatro (bueno, generalmente cuatro, más sobre eso más adelante) tipos de interacciones:

  • Gravedad
  • Electromagnetismo
  • Interacción débil (o fuerza nuclear débil)
  • Interacción fuerte (o fuerza nuclear fuerte)

Gravedad

De las fuerzas fundamentales, la gravedad tiene el alcance más lejano, pero es la más débil en magnitud real.

Es una fuerza puramente atractiva que atraviesa incluso el vacío «vacío» del espacio para atraer dos masas una hacia la otra. Mantiene los planetas en órbita alrededor del sol y la luna en órbita alrededor de la Tierra.

La gravitación se describe bajo la teoría de la relatividad general , que la define como la curvatura del espacio-tiempo alrededor de un objeto de masa. Esta curvatura, a su vez, crea una situación en la que el camino de menor energía es hacia el otro objeto de masa.

Electromagnetismo

El electromagnetismo es la interacción de partículas con una carga eléctrica. Las partículas cargadas en reposo interactúan a través de fuerzas electrostáticas , mientras que en movimiento interactúan a través de fuerzas eléctricas y magnéticas.

Durante mucho tiempo, las fuerzas eléctricas y magnéticas se consideraron fuerzas diferentes, pero finalmente fueron unificadas por James Clerk Maxwell en 1864, según las ecuaciones de Maxwell. En la década de 1940, la electrodinámica cuántica consolidó el electromagnetismo con la física cuántica.

El electromagnetismo es quizás la fuerza más prevalente en nuestro mundo, ya que puede afectar cosas a una distancia razonable y con una cantidad considerable de fuerza.

Interacción débil

La interacción débil es una fuerza muy poderosa que actúa sobre la escala del núcleo atómico. Provoca fenómenos como la desintegración beta. Se ha consolidado con el electromagnetismo como una interacción única denominada «interacción electrodébil». La interacción débil está mediada por el bosón W (hay dos tipos, los bosones W + y W – ) y también por el bosón Z.

Fuerte interacción

La más fuerte de las fuerzas es la interacción fuerte, apropiadamente llamada, que es la fuerza que, entre otras cosas, mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones). En el átomo de helio , por ejemplo, es lo suficientemente fuerte como para unir dos protones a pesar de que sus cargas eléctricas positivas hacen que se rechacen entre sí.

En esencia, la interacción fuerte permite que las partículas llamadas gluones se unan a los quarks para crear los nucleones en primer lugar. Los gluones también pueden interactuar con otros gluones, lo que le da a la interacción fuerte una distancia teóricamente infinita, aunque sus principales manifestaciones están todas a nivel subatómico.

Unificando las Fuerzas Fundamentales

Muchos físicos creen que las cuatro fuerzas fundamentales son, de hecho, manifestaciones de una sola fuerza subyacente (o unificada) que aún no se ha descubierto. Así como la electricidad, el magnetismo y la fuerza débil se unificaron en la interacción electrodébil, trabajan para unificar todas las fuerzas fundamentales.

La interpretación actual de la mecánica cuántica de estas fuerzas es que las partículas no interactúan directamente, sino que manifiestan partículas virtuales que median las interacciones reales. Todas las fuerzas, excepto la gravedad, se han consolidado en este «modelo estándar» de interacción.

El esfuerzo por unificar la gravedad con las otras tres fuerzas fundamentales se llama gravedad cuántica. Postula la existencia de una partícula virtual llamada gravitón, que sería el elemento mediador en las interacciones de la gravedad. Hasta la fecha, no se han detectado gravitones y ninguna teoría de la gravedad cuántica ha tenido éxito o se ha adoptado universalmente.

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Tensión superficial: definición y experimentos

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tensión superficial

La tensión superficial es un fenómeno en el que la superficie de un líquido, donde el líquido está en contacto con un gas, actúa como una fina lámina elástica. Este término se usa típicamente solo cuando la superficie del líquido está en contacto con gas (como el aire). Si la superficie está entre dos líquidos (como agua y aceite), se denomina «tensión de interfaz».

Causas de la tensión superficial

Varias fuerzas intermoleculares, como las fuerzas de Van der Waals, unen las partículas líquidas. A lo largo de la superficie, las partículas son arrastradas hacia el resto del líquido, como se muestra en la imagen de la derecha.

La tensión superficial (denotada con la variable griega gamma ) se define como la relación entre la fuerza superficial F y la longitud d a lo largo de la cual actúa la fuerza:

gamma = F / d

Unidades de tensión superficial

La tensión superficial se mide en unidades SI de N / m (newton por metro), aunque la unidad más común es la unidad cgs dyn / cm (dina por centímetro).

Para considerar la termodinámica de la situación, a veces es útil considerarla en términos de trabajo por unidad de área. La unidad SI, en ese caso, es J / m 2 (julios por metro cuadrado). La unidad cgs es erg / cm 2.

Estas fuerzas unen las partículas de la superficie. Aunque esta unión es débil, después de todo es bastante fácil romper la superficie de un líquido, se manifiesta de muchas maneras.

Ejemplos de tensión superficial

Gotas de agua. Cuando se usa un gotero, el agua no fluye en una corriente continua, sino en una serie de gotas. La forma de las gotas se debe a la tensión superficial del agua. La única razón por la que la gota de agua no es completamente esférica es que la fuerza de la gravedad la empuja hacia abajo. En ausencia de gravedad, la gota minimizaría el área de la superficie para minimizar la tensión, lo que daría como resultado una forma perfectamente esférica.

Insectos caminando sobre el agua. Varios insectos pueden caminar sobre el agua, como el zancudo acuático. Sus patas están formadas para distribuir su peso, haciendo que la superficie del líquido se deprima, minimizando la energía potencial para crear un equilibrio de fuerzas para que el caminante pueda moverse por la superficie del agua sin romper la superficie. Esto es similar en concepto a usar raquetas de nieve para caminar sobre ventisqueros profundos sin que sus pies se hundan.

Aguja (o clip) flotando en el agua. Aunque la densidad de estos objetos es mayor que la del agua, la tensión superficial a lo largo de la depresión es suficiente para contrarrestar la fuerza de gravedad que empuja hacia abajo el objeto metálico. Haga clic en la imagen de la derecha, luego haga clic en «Siguiente» para ver un diagrama de fuerza de esta situación o pruebe el truco de la aguja flotante por sí mismo.

Anatomía de una burbuja de jabón

Cuando soplas una pompa de jabón, estás creando una burbuja de aire presurizado que está contenida dentro de una superficie delgada y elástica de líquido. La mayoría de los líquidos no pueden mantener una tensión superficial estable para crear una burbuja, por lo que generalmente se usa jabón en el proceso… estabiliza la tensión superficial a través de algo llamado efecto Marangoni.

Cuando se sopla la burbuja, la película de la superficie tiende a contraerse. Esto hace que aumente la presión dentro de la burbuja. El tamaño de la burbuja se estabiliza a un tamaño en el que el gas dentro de la burbuja no se contrae más, al menos sin hacer estallar la burbuja.

De hecho, hay dos interfaces líquido-gas en una burbuja de jabón: la que está en el interior de la burbuja y la que está en el exterior de la burbuja. Entre las dos superficies hay una fina película de líquido.

La forma esférica de una pompa de jabón se debe a la minimización del área de la superficie; para un volumen dado, una esfera es siempre la forma que tiene la menor área de superficie.

Presión dentro de una burbuja de jabón

Para considerar la presión dentro de la burbuja de jabón, consideramos el radio R de la burbuja y también la tensión superficial, gamma, del líquido (jabón en este caso, alrededor de 25 dyn / cm).

Comenzamos asumiendo que no hay presión externa (lo cual, por supuesto, no es cierto, pero nos ocuparemos de eso en un momento). Luego, considere una sección transversal a través del centro de la burbuja.

A lo largo de esta sección transversal, haciendo caso omiso de la muy ligera diferencia en el radio interior y exterior, sabemos la circunferencia será de 2 pi R . Cada superficie interior y exterior tendrá una presión de gamma a lo largo de toda la longitud, por lo que el total. La fuerza total de la tensión superficial (de la película interna y externa) es, por lo tanto, 2 gamma (2 pi R ).

Dentro de la burbuja, sin embargo, tenemos una presión p que actúa sobre toda la sección transversal pi R 2, lo que resulta en una fuerza total de p ( pi R 2 ).

Dado que la burbuja es estable, la suma de estas fuerzas debe ser cero, por lo que obtenemos: 2 

gamma (2 pi R ) = p ( pi R 2 )

o

p = 4 gamma / R

Obviamente, este fue un análisis simplificado donde la presión fuera de la burbuja era 0, pero esto se expande fácilmente para obtener la diferencia entre la presión interior py la presión exterior p e :

p – p e = 4 gamma / R

Presión en una gota de líquido

Analizar una gota de líquido, a diferencia de una pompa de jabón , es más sencillo. En lugar de dos superficies, solo hay que considerar la superficie exterior, por lo que un factor de 2 cae de la ecuación anterior (¿recuerdas dónde duplicamos la tensión superficial para tener en cuenta dos superficies?) Para producir:

p – p e = 2 zamma / R

Ángulo de contacto

La tensión superficial ocurre durante una interfaz gas-líquido, pero si esa interfaz entra en contacto con una superficie sólida, como las paredes de un contenedor, la interfaz generalmente se curva hacia arriba o hacia abajo cerca de esa superficie. Esta forma de superficie cóncava o convexa se conoce como menisco.

El ángulo de contacto, theta , se determina como se muestra en la imagen de la derecha.

El ángulo de contacto se puede utilizar para determinar una relación entre la tensión superficial líquido-sólido y la tensión superficial líquido-gas, de la siguiente manera:

gamma ls = – gamma lg cos theta

donde

  • gamma ls es la tensión superficial líquido-sólido
  • gamma lg es la tensión superficial líquido-gas
  • theta es el ángulo de contacto

Una cosa a considerar en esta ecuación es que en los casos donde el menisco es convexo (es decir, el ángulo de contacto es mayor de 90 grados), el componente coseno de esta ecuación será negativo, lo que significa que la tensión superficial líquido-sólido será positiva.

Si, por otro lado, el menisco es cóncavo (es decir, se hunde, por lo que el ángulo de contacto es menor de 90 grados), entonces el término cos theta es positivo, en cuyo caso la relación resultaría en una tensión superficial líquido-sólido negativa. !

Lo que esto significa, esencialmente, es que el líquido se adhiere a las paredes del recipiente y está trabajando para maximizar el área en contacto con la superficie sólida, a fin de minimizar la energía potencial total.

Proceso de capilar

Otro efecto relacionado con el agua en los tubos verticales es la propiedad de capilaridad, en la que la superficie del líquido se eleva o deprime dentro del tubo en relación con el líquido circundante. Esto también está relacionado con el ángulo de contacto observado.

Si tiene un líquido en un recipiente y coloca un tubo estrecho (o capilar ) de radio r en el recipiente, el desplazamiento vertical y que tendrá lugar dentro del capilar viene dado por la siguiente ecuación:

y = (2 gamma lg cos theta ) / ( dgr )

donde

  • y es el desplazamiento vertical (hacia arriba si es positivo, hacia abajo si es negativo)
  • gamma lg es la tensión superficial líquido-gas
  • theta es el ángulo de contacto
  • d es la densidad del líquido
  • g es la aceleración de la gravedad
  • r es el radio del capilar

NOTA: Una vez más, si theta es superior a 90 grados (un menisco convexo), lo que da como resultado una tensión superficial líquido-sólido negativa, el nivel del líquido descenderá en comparación con el nivel circundante, en lugar de aumentar en relación con él.

La capilaridad se manifiesta de muchas formas en el mundo cotidiano. Las toallas de papel absorben por capilaridad. Al encender una vela, la cera derretida sube por la mecha debido a la capilaridad. En biología, aunque la sangre se bombea por todo el cuerpo, es este proceso el que distribuye la sangre en los vasos sanguíneos más pequeños que se denominan, apropiadamente, capilares .

Cuartos en un vaso de agua lleno

Materiales necesarios:

  • 10 a 12 trimestres
  • vaso lleno de agua

Lentamente y con mano firme, lleve los cuartos uno por uno al centro del vaso. Coloque el borde estrecho de la moneda en el agua y suéltelo. (Esto minimiza la interrupción de la superficie y evita la formación de ondas innecesarias que pueden causar desbordes).

A medida que continúe con más cuartos, se sorprenderá de lo convexa que se vuelve el agua en la parte superior del vaso sin desbordarse.

Variante posible: realice este experimento con vasos idénticos, pero utilice diferentes tipos de monedas en cada vaso. Utilice los resultados de cuántos pueden entrar para determinar una proporción de los volúmenes de diferentes monedas.

Aguja flotante

Materiales necesarios:

  • horquilla (variante 1)
  • pedazo de papel de seda (variante 2)
  • aguja de coser
  • vaso lleno de agua

Truco de la variante 1

Coloque la aguja en el tenedor, bajándola suavemente en el vaso de agua. Saque con cuidado el tenedor y es posible dejar la aguja flotando en la superficie del agua.

Este truco requiere una mano firme y algo de práctica, porque debes quitar el tenedor de tal manera que partes de la aguja no se mojen … o la aguja se hundirá. Puede frotar la aguja entre los dedos de antemano para «engrasarla» y aumentar sus posibilidades de éxito.

Truco de la variante 2

Coloque la aguja de coser en un pequeño trozo de papel de seda (lo suficientemente grande para sostener la aguja). La aguja se coloca sobre el papel tisú. El papel de seda se empapará de agua y se hundirá hasta el fondo del vaso, dejando la aguja flotando en la superficie.

Apague una vela con una burbuja de jabón

por la tensión superficial

Materiales necesarios:

  • Vela encendida ( NOTA: ¡No juegues con fósforos sin la aprobación y supervisión de los padres!)
  • embudo
  • detergente o solución de burbujas de jabón

Coloque su pulgar sobre el extremo pequeño del embudo. Con cuidado, llévelo hacia la vela. Quite el pulgar y la tensión superficial de la pompa de jabón hará que se contraiga, forzando el aire a salir a través del embudo. El aire expulsado por la burbuja debería ser suficiente para apagar la vela.

Para un experimento algo relacionado, vea el Globo cohete.

Pez de papel motorizado

Materiales necesarios:

  • trozo de papel
  • tijeras
  • aceite vegetal o detergente líquido para lavavajillas
  • un tazón grande o un molde para pasteles lleno de agua

este ejemplo

Una vez que haya recortado el patrón de pez de papel, colóquelo en el recipiente de agua para que flote en la superficie. Ponga una gota de aceite o detergente en el agujero en el medio del pescado.

El detergente o el aceite harán que disminuya la tensión superficial en ese orificio. Esto hará que el pescado se impulse hacia adelante, dejando un rastro de aceite a medida que se mueve por el agua, sin detenerse hasta que el aceite haya bajado la tensión superficial de todo el recipiente.

La siguiente tabla muestra los valores de tensión superficial obtenidos para diferentes líquidos a diversas temperaturas.

Valores experimentales de tensión superficial

Líquido en contacto con el aireTemperatura (grados C)Tensión superficial (mN / m o dyn / cm)
Benceno2028,9
Tetracloruro de carbono2026,8
Etanol2022,3
Glicerina2063,1
Mercurio20465,0
Aceite de oliva2032,0
Solución de jabón2025,0
Agua075,6
Agua2072,8
Agua6066,2
Agua10058,9
Oxígeno-19315,7
Neón-2475.15
Helio-2690,12

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6 tipos de máquinas simples

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maquinas simples

El trabajo se realiza aplicando una fuerza a distancia. Estas seis máquinas simples crean una fuerza de salida mayor que la fuerza de entrada; la relación de estas fuerzas es la ventaja mecánica de la máquina. Las seis máquinas simples enumeradas aquí se han utilizado durante miles de años, y la física detrás de varias de ellas fue cuantificada por el filósofo griego Arquímedes (ca. 287-212 a. C.). Cuando se combinan, estas máquinas se pueden usar juntas para crear una ventaja mecánica aún mayor, como en el caso de una bicicleta.

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Palanca

Una palanca es una máquina simple que consta de un objeto rígido (a menudo una barra de algún tipo) y un fulcro (o pivote). Aplicar una fuerza a un extremo del objeto rígido hace que gire alrededor del fulcro, provocando un aumento de la fuerza en otro punto a lo largo del objeto rígido. 

Hay tres clases de palancas, dependiendo de dónde se encuentren la fuerza de entrada, la fuerza de salida y el punto de apoyo entre sí. La primera palanca estaba en uso como balanza en 5000 a. C. A Arquímedes se le atribuye haber dicho «Dame un lugar para pararme y moveré la tierra». Los bates de béisbol, los balancines, las carretillas y las palancas son todos tipos de palancas.

Eje de la rueda

Una rueda es un dispositivo circular que está unido a una barra rígida en su centro. Una fuerza aplicada a la rueda hace que el eje gire, lo que puede usarse para magnificar la fuerza (por ejemplo, haciendo que una cuerda se enrolle alrededor del eje). Alternativamente, una fuerza aplicada para proporcionar rotación sobre el eje se traduce en rotación de la rueda. 

Puede verse como un tipo de palanca que gira alrededor de un fulcro central. La primera combinación de rueda y eje conocida fue un modelo de juguete de un carro de cuatro ruedas fabricado en Mesopotamia alrededor del 3500 a. C. Las ruedas de la fortuna , los neumáticos y los rodillos son ejemplos de ruedas y ejes.

Plano inclinado

Un plano inclinado es una superficie plana que forma un ángulo con otra superficie. Esto da como resultado hacer la misma cantidad de trabajo aplicando la fuerza sobre una distancia más larga. El plano inclinado más básico es una rampa; se requiere menos fuerza para subir una rampa a una elevación más alta que para subir a esa altura verticalmente. 

Nadie inventó el plano inclinado ya que se produce de forma natural en la naturaleza, pero la gente usaba rampas para construir grandes edificios ( arquitectura monumental ) ya en el año 10.000–8.500 a. C. «On Plane Equilibrium» de Arquímedes describe los centros de gravedad de varias figuras planas geométricas.

Cuña

La cuña a menudo se considera un plano inclinado doble (ambos lados están inclinados) que se mueve para ejercer una fuerza a lo largo de los lados. La fuerza es perpendicular a las superficies inclinadas, por lo que separa dos objetos (o partes de un solo objeto). Hachas, cuchillos y cinceles son todos cuñas. 

La «cuña de la puerta» común usa la fuerza en las superficies para proporcionar fricción, en lugar de separar las cosas, pero sigue siendo fundamentalmente una cuña. La cuña es la máquina simple más antigua, fabricada por nuestros antepasados Homo erectus hace al menos 1,2 millones de años para fabricar herramientas de piedra .

Tornillo

Un tornillo es un eje que tiene una ranura inclinada a lo largo de su superficie. Al girar el tornillo (aplicando un par ), la fuerza se aplica perpendicularmente a la ranura, traduciendo así una fuerza de rotación en una lineal. Se utiliza con frecuencia para sujetar objetos entre sí (como lo hacen el tornillo y el perno de hardware). Los babilonios de Mesopotamia desarrollaron el tornillo en el siglo VII a. C., para elevar el agua de un cuerpo bajo a uno más alto (regar un jardín desde un río). Esta máquina se conocería más tarde como el tornillo de Arquímedes.

Polea

Una polea es una rueda con una ranura a lo largo de su borde, donde se puede colocar una cuerda o cable. Utiliza el principio de aplicar fuerza en una distancia más larga, y también la tensión en la cuerda o cable, para reducir la magnitud de la fuerza necesaria. Se pueden utilizar sistemas complejos de poleas para reducir en gran medida la fuerza que se debe aplicar inicialmente para mover un objeto. 

Los babilonios utilizaron poleas simples en el siglo VII a. C. el primer complejo (con varias ruedas) fue inventado por los griegos alrededor del 400 a. C. Arquímedes perfeccionó la tecnología existente, haciendo el primer bloque y aparejo completamente realizado.

¿Qué es una máquina?

El primer uso de la palabra «máquina» («machina») en griego fue por el antiguo poeta griego Homero en el siglo VIII a. C., quien la usó para referirse a la manipulación política. Al dramaturgo griego Esquilo (523–426 a. C.) se le atribuye el uso de la palabra en referencia a máquinas teatrales como el » deus ex machina » o «dios de una máquina». Esta máquina era una grúa que subía al escenario a actores que interpretaban a dioses.

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Definición de presión, unidades y ejemplos

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presión

En ciencia, la presión es una medida de la fuerza por unidad de área. La unidad SI de presión es el pascal (Pa), que equivale a N / m 2  (newtons por metro cuadrado).

Ejemplo básico

Si tenía 1 newton (1 N) de fuerza distribuida en 1 metro cuadrado (1 m 2 ), entonces el resultado es 1 N / 1 m 2 = 1 N / m 2 = 1 Pa. Esto supone que la fuerza se dirige perpendicularmente hacia la superficie.

Si aumentara la cantidad de fuerza pero la aplicara sobre la misma área, entonces la presión aumentaría proporcionalmente. Una fuerza de 5 N distribuida en la misma área de 1 metro cuadrado sería 5 Pa. Sin embargo, si también expandiera la fuerza, entonces encontraría que la presión aumenta en una proporción inversa al aumento de área.

Si tuviera 5 N de fuerza distribuidos en 2 metros cuadrados, obtendría 5 N / 2 m 2 = 2.5 N / m 2 = 2.5 Pa.

Unidades de presión

Una barra es otra unidad métrica de presión, aunque no es la unidad SI. Se define como 10,000 Pa. Fue creado en 1909 por el meteorólogo británico William Napier Shaw.

La presión atmosférica , a menudo indicada como p a , es la presión de la atmósfera terrestre. Cuando estás parado afuera en el aire, la presión atmosférica es la fuerza promedio de todo el aire arriba y alrededor de ti empujando tu cuerpo.

El valor medio de la presión atmosférica al nivel del mar se define como 1 atmósfera o 1 atm. Dado que se trata de un promedio de una cantidad física, la magnitud puede cambiar con el tiempo en función de métodos de medición más precisos o posiblemente debido a cambios reales en el medio ambiente que podrían tener un impacto global en la presión promedio de la atmósfera.

  • 1 Pa = 1 N / m 2
  • 1 barra = 10,000 Pa
  • 1 atm ≈ 1.013 × 10 5 Pa = 1.013 bar = 1013 milibar

Cómo funciona la presión

El concepto general de fuerza a menudo se trata como si actuara sobre un objeto de forma idealizada. (Esto es en realidad común para la mayoría de las cosas en la ciencia, y en particular en la física, ya que creamos modelos idealizados para resaltar los fenómenos a los que debemos prestar atención específica e ignorar tantos otros fenómenos como razonablemente podamos). En este enfoque idealizado, si digamos que una fuerza actúa sobre un objeto, dibujamos una flecha que indica la dirección de la fuerza y ​​actuamos como si toda la fuerza tuviera lugar en ese punto.

En realidad, sin embargo, las cosas nunca son tan simples. Si empuja una palanca con la mano, la fuerza en realidad se distribuye a través de su mano y empuja contra la palanca distribuida en esa área de la palanca. Para complicar aún más las cosas en esta situación, es casi seguro que la fuerza no se distribuya de manera uniforme.

Aquí es donde entra en juego la presión. Los físicos aplican el concepto de presión para reconocer que una fuerza se distribuye sobre un área de superficie.

Aunque podemos hablar de presión en una variedad de contextos, una de las primeras formas en las que el concepto entró en discusión dentro de la ciencia fue la consideración y el análisis de gases. Mucho antes de que se formalizara la ciencia de la termodinámica en el siglo XIX, se reconoció que los gases, cuando se calentaban, aplicaban una fuerza o presión sobre el objeto que los contenía. 

El gas calentado se utilizó para la levitación de globos aerostáticos a partir de Europa en el siglo XVIII, y la China y otras civilizaciones habían hecho descubrimientos similares mucho antes de eso. El siglo XIX también vio el advenimiento de la máquina de vapor (como se muestra en la imagen asociada), que utiliza la presión acumulada dentro de una caldera para generar movimiento mecánico, como el necesario para mover un barco fluvial, un tren o un telar de fábrica.

Esta presión recibió su explicación física con la teoría cinética de los gases , en la que los científicos se dieron cuenta de que si un gas contenía una amplia variedad de partículas (moléculas), entonces la presión detectada podría representarse físicamente por el movimiento promedio de esas partículas. 

Este enfoque explica por qué la presión está estrechamente relacionada con los conceptos de calor y temperatura, que también se definen como movimiento de partículas utilizando la teoría cinética. Un caso particular de interés en termodinámica es un proceso isobárico, que es una reacción termodinámica donde la presión permanece constante.

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Introducción a las principales leyes de la física

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leyes de la física

A lo largo de los años, una cosa que los científicos han descubierto es que la naturaleza es generalmente más compleja de lo que creemos. Las leyes de la física se consideran fundamentales, aunque muchas de ellas se refieren a sistemas idealizados o teóricos que son difíciles de replicar en el mundo real.

Al igual que otros campos de la ciencia, las nuevas leyes de la física se basan en leyes e investigaciones teóricas existentes o las modifican. La teoría de la relatividad de Albert Einstein, que desarrolló a principios del siglo XX, se basa en las teorías desarrolladas por primera vez más de 200 años antes por Sir Isaac Newton.

Ley de la gravitación universal

El innovador trabajo de Sir Isaac Newton en física se publicó por primera vez en 1687 en su libro » Los principios matemáticos de la filosofía natural «, comúnmente conocido como «Los Principia». En él, esbozó teorías sobre la gravedad y el movimiento. Su ley física de la gravedad establece que un objeto atrae a otro objeto en proporción directa a su masa combinada e inversamente relacionada con el cuadrado de la distancia entre ellos.

Tres leyes del movimiento

Las  tres leyes del movimiento de Newton , que también se encuentran en «Los Principia», gobiernan cómo cambia el movimiento de los objetos físicos. Definen la relación fundamental entre la aceleración de un objeto y las fuerzas que actúan sobre él.

  • Primera regla : un objeto permanecerá en reposo o en un estado uniforme de movimiento a menos que ese estado sea cambiado por una fuerza externa. 
  • Segunda regla : la fuerza es igual al cambio en el momento (masa multiplicada por la velocidad) a lo largo del tiempo. En otras palabras, la tasa de cambio es directamente proporcional a la cantidad de fuerza aplicada. 
  • Tercera regla : por cada acción en la naturaleza hay una reacción igual y opuesta. 

Juntos, estos tres principios que Newton esbozó forman la base de la mecánica clásica, que describe cómo los cuerpos se comportan físicamente bajo la influencia de fuerzas externas.

Conservación de masa y energía

Albert Einstein introdujo su famosa ecuación E = mc 2 en una publicación de 1905 titulada «Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento». El artículo presentó su teoría de la relatividad especial, basada en dos postulados:

  • Principio de relatividad: las leyes de la física son las mismas para todos los sistemas de referencia inerciales. 
  • Principio de constancia de la velocidad de la luz: La luz siempre se propaga a través del vacío a una velocidad definida, que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor.

El primer principio simplemente dice que las leyes de la física se aplican por igual a todos en todas las situaciones. El segundo principio es el más importante. Estipula que la velocidad de la luz  en el vacío es constante. A diferencia de todas las otras formas de movimiento, no se mide de manera diferente para los observadores en diferentes marcos de referencia inerciales.

Leyes de la termodinámica

Las  leyes de la termodinámica  son en realidad manifestaciones específicas de la ley de conservación de la masa-energía en lo que respecta a los procesos termodinámicos. El campo fue explorado por primera vez en la década de 1650 por Otto von Guericke en Alemania y Robert Boyle y Robert Hooke en Gran Bretaña. Los tres científicos utilizaron bombas de vacío, en las que von Guericke fue pionero, para estudiar los principios de presión, temperatura y volumen.

  • La ley cero de la termodinámica  hace posible la noción de  temperatura.
  • La Primera Ley de la Termodinámica  demuestra la relación entre la energía interna, el calor agregado y el trabajo dentro de un sistema.
  • La Segunda Ley de la Termodinámica se  relaciona con el flujo natural de calor dentro de un sistema cerrado.
  • La Tercera Ley de la Termodinámica  establece que es imposible crear un  proceso termodinámico  que sea perfectamente eficiente.

Leyes electrostáticas

Dos leyes de la física gobiernan la relación entre las partículas cargadas eléctricamente y su capacidad para crear fuerza  electrostática y campos electrostáticos. 

  • La Ley de Coulomb lleva el nombre de Charles-Augustin Coulomb, un investigador francés que trabajaba en el siglo XVIII. La fuerza entre dos cargas puntuales es directamente proporcional a la magnitud de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre sus centros. Si los objetos tienen la misma carga, positiva o negativa, se repelerán entre sí. Si tienen cargas opuestas, se atraerán entre sí.
  • La Ley de Gauss lleva el nombre de Carl Friedrich Gauss, un matemático alemán que trabajó a principios del siglo XIX. Esta ley establece que el flujo neto de un campo eléctrico a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga eléctrica encerrada. Gauss propuso leyes similares relacionadas con el magnetismo y el electromagnetismo en su conjunto.

Más allá de la física básica

En el ámbito de la relatividad y la mecánica cuántica , los científicos han descubierto que estas leyes todavía se aplican, aunque su interpretación requiere cierto refinamiento, lo que da como resultado campos como la electrónica cuántica y la gravedad cuántica.

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¿Cuál es la definición de «materia» en física?

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materia

La idea de que la materia consistía en bloques de construcción o partículas se originó con los filósofos griegos Demócrito (470-380 a. C.) y Leucipo (490 a. C.). La materia tiene muchas definiciones, pero la más común es que es cualquier sustancia que tiene masa y ocupa espacio. Todos los objetos físicos están compuestos de materia, en forma de átomos, que a su vez están compuestos de protones, neutrones y electrones.

Ejemplos de materia (y lo que no es materia)

La materia se construye a partir de átomos. El átomo más básico, el isótopo de hidrógeno conocido como protio, es un solo protón. Entonces, aunque algunos científicos no siempre consideran las partículas subatómicas como formas de materia, se podría considerar que Protium es la excepción. Algunas personas consideran que los electrones y neutrones también son formas de materia. De lo contrario, cualquier sustancia formada por átomos se compone de materia. Ejemplos incluyen:

  • Átomos (hidrógeno, helio, californio, uranio)
  • Moléculas (agua, ozono, gas nitrógeno, sacarosa)
  • Iones (Ca 2+ , SO 4 2- )
  • Polímeros y macromoléculas (celulosa, quitina, proteínas, ADN)
  • Mezclas (aceite y agua, sal y arena, aire)
  • Formas complejas (una silla, un planeta, una pelota)

Si bien los protones, neutrones y electrones son los componentes básicos de los átomos, estas partículas se basan en fermiones. Los quarks y leptones generalmente no se consideran formas de materia, aunque se ajustan a ciertas definiciones del término. En la mayoría de los niveles, es más sencillo afirmar simplemente que la materia está formada por átomos.

La antimateria sigue siendo materia, aunque las partículas aniquilan la materia ordinaria cuando entran en contacto entre sí. La antimateria existe de forma natural en la Tierra, aunque en cantidades extremadamente pequeñas.

Luego, hay cosas que no tienen masa o al menos no tienen masa en reposo. Las cosas que no son materia incluyen:

  • Luz
  • Sonido
  • Calor
  • Pensamientos
  • Sueños
  • Emociones

Los fotones no tienen masa, por lo que son un ejemplo de algo en física que no está compuesto de materia. Tampoco se consideran «objetos» en el sentido tradicional, ya que no pueden existir en un estado estacionario.

Fases de la materia

La materia puede existir en varias fases: sólida, líquida, gaseosa o plasmática. La mayoría de las sustancias pueden pasar de una fase a otra en función de la cantidad de calor que absorbe (o pierde) el material. Hay estados o fases adicionales de la materia, incluidos los condensados ​​de Bose-Einstein, los condensados ​​fermiónicos y el plasma de quarks y gluones.

Materia versus masa

Tenga en cuenta que si bien la materia tiene masa y los objetos masivos contienen materia, los dos términos no son exactamente sinónimos, al menos en física. La materia no se conserva, mientras que la masa se conserva en sistemas cerrados. Según la teoría de la relatividad especial, la materia en un sistema cerrado puede desaparecer. 

La masa, por otro lado, puede que nunca haya sido creada ni destruida, aunque puede convertirse en energía. La suma de masa y energía permanece constante en un sistema cerrado.

En física, una forma de distinguir entre masa y materia es definir la materia como una sustancia que consta de partículas que exhiben masa en reposo. Aun así, en física y química, la materia exhibe dualidad onda-partícula, por lo que tiene propiedades tanto de ondas como de partículas.

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