Category: Física 6to FM


Por: Ariel Palazzesi

El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y famosos de la historia de la física. No sólo es un ejemplo de dedicación e ingenio, sino que demuestra cómo uno puede trabajar arduamente durante años para descubrir que todas sus ideas estaban equivocadas. En 1887 Albert Abraham Michelson y Edward Morley pusieron a punto un experimento para medir la velocidad con la que se movía la Tierra con respecto al éter, y terminaron demostrando que el éter no existía. Sus resultados se convertirían en la base experimental de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein.

A fines del siglo XIX, el extraordinario físico James Clerk Maxwell (1831-1879) había propuesto que la luz era una forma de onda, similar al sonido aunque de una frecuencia mucho más alta. Cualquier onda, desde una ola en el mar hasta una cuerda que vibra, necesita de un soporte más o menos elástico que sirva de medio para que ésta se propague. El sonido, por ejemplo, se propaga “empujando” y “jalando” las moléculas del aire (o del agua, o de cualquier otro material), pero es incapaz de propagarse en el vacío. La teoría de Maxwell necesitaba de la existencia de un medio que fuese capaz de transportar las ondas luminosas incluso por el vacío del espacio, ya que era difícil no notar que la luz de las estrellas lejanas de alguna forma se las ingeniaba para llegar hasta la Tierra. En ese momento resultaba inconcebible que una onda -de cualquier clase- se propagase en el vacío sin ningún medio material que hiciera de soporte, así que se postuló la existencia de una  hipotética sustancia material sobre la cual se propagaba la luz. Este material – que debía tener unas características sumamente extrañas y ocupar cada rincón del universo- recibió el nombre de éter.

La teoría de Maxwell necesitaba de un medio que transportase la luz por el vacío.

Por motivos que solo un físico puede explicar correctamente, la velocidad de la luz depende de la densidad del medio que atraviesa. En efecto, la velocidad de la luz es diferente en el vacío que en el aire o el agua, siendo más lenta cuanto más denso es el medio por el que se propaga. La prueba más inmediata de esto es la “deformación” que sufre cualquier objeto que pones en un vaso de agua, como una cuchara o un cuchillo. Esto es debido a la variación de la dirección del rayo luminoso al pasar de un medio a otro ocasionado por el cambio de velocidad de la luz, y está descrito en la ley de la refracción de Snell. Para que el éter se ajustase al comportamiento observado de la luz en el vacío, debía tener una densidad ínfima y un gran coeficiente de elasticidad, además de poder atravesar cualquier material. Esto era necesario ya que -de alguna forma- aparecía incluso dentro de un recipiente al que se le hubiese practicado el vacío en el laboratorio. Esta explicación, lejos de parecer traída de los pelos o al menos considerarse poco probable, fue avalada por el mismo Maxwell, por Lord Kelvin y Nikola Tesla, entre otras destacadas mentes de la época. Para los científicos de hace un siglo, el concepto de éter era tan aceptado como lo es hoy el de los campos electromagnéticos.

Para que todo encajara, se hacia indispensable probar la existencia de este fluido. Había que diseñar un experimento que dejase claramente establecidas las características del éter, pero estaba claro desde el principio que no sería algo fácil de llevar a cabo. El éter, para cumplir con su cometido de transportar la luz, debía ser muy (pero muy) tenue, lo que sin dudas dificultaría su detección. Albert Abraham Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923) tuvieron una idea. Crearían un artefacto que fuese capaz de mediar la velocidad de la luz en dos direcciones perpendiculares entre sí, con lo que no sólo demostrarían la existencia de este fluido sino que encontrarían la velocidad con que la Tierra se movía con respecto a él. La experiencia de estos dos físicos se conocería luego como “El experimento de Michelson y Morley”.

Bustos de Albert Michelson y Edward Morley, en Cleveland, Ohio (EE.UU.)

El experimento
Cada año, la Tierra completa un giro alrededor del Sol, viajando a una velocidad de 30 km/s (o lo que es lo mismo, a unos 100.000 km/h). A fines del Siglo XIX se creía que la dirección del “viento del éter” con respecto a la posición del Sistema Solar debía variar cuando la Tierra se desplazase en una u otra dirección, tal como un bote recibe un empuje diferente por parte del agua de un río dependiendo de si avanza a favor, contra o transversalmente a su corriente. Michelson y Morley supusieron que la Tierra era el bote y que el río era el éter. Para tener éxito, el experimento debería llevarse a cabo en varios momentos del año. De esta forma, la luz, al llegar a la Tierra con diferentes posiciones con respecto al éter, lo haría con diferentes velocidades. El problema era que la velocidad de la luz es de 300 mil km/s, y la de la Tierra “solo” 30 km/s, por lo que la diferencia de velocidades a medir era muy pequeña. Sin embargo, Michelson, que estaba muy entrenado en la medición de la velocidad de la luz, ideó una manera de medir esta mínima diferencia.

Interferómetro de Michelson: el aparato nunca encontró diferencia alguna.

En un edificio ubicado casi al nivel del mar, Michelson y Morley construyeron lo que hoy se conoce como un “interferómetro de Michelson”. El dispositivo, relativamente sencillo, utiliza una lente semiplateada (o semiespejo) para dividir la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en ángulo recto uno respecto del otro. Esto permite enviar simultáneamente dos rayos de luz idénticos -ya que proceden de la misma fuente- en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales y recibirlos en un punto en el que se crea un “patrón de interferencia”. El “dibujo” de este patrón depende de la velocidad de la luz en cada uno de los brazos del interferómetro. Cualquier diferencia entre estas velocidades, provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter, podría ser detectada. Lamentablemente, el aparato nunca encontró diferencia alguna.

En efecto, tras varios meses de preparación y otros tantos de pruebas, el experimento se declaró fallido. O exitoso, si lo analizamos desde el punto de vista correcto. En todas las ocasiones el interferómetro se comportó como si no hubiese “viento del éter” y, aunque se intentaron muchas explicaciones, como que la Tierra arrastraba de alguna forma al propio éter, ninguna resultó ser correcta. Michelson y Morley, en lugar de demostrar las propiedades del éter, demostraron su inexistencia. Ernst Mach fue uno de los primeros físicos en considerar que el resultado del experimento era un éxito,  y sugirió una nueva teoría. Como corolario a las investigaciones iniciadas a partir del experimento, se desarrolló una teoría alternativa, la contracción de Lorentz, que no necesitaba del éter para la transmisión de la luz. El desarrollo de esta teoría desembocó en la Relatividad Especial de Einstein. Nada mal para un fracaso, ¿verdad?

La Tierra gira alrededor del Sol viajando a una velocidad de 100.000 km/h.

Extrañamente, algunos trabajos teóricos elaborados recientemente por HongSheng Zhao, de la Universidad de St. Andrews, que intentan incorporar en un mismo marco teórico la materia oscura y la energía oscura, postulan la existencia de “algo” similar al éter que les quitó el sueño a Michelson y Morley un siglo antes. Zhao ha encontrado que una energía oscura similar a un fluido puede comportarse como materia oscura si alcanza una densidad lo bastante alta. Esta idea eliminaría la necesidad de la existencia de las Partícula Masiva de Débil Interactuación (WIMP), afectando entre otras cosas la velocidad a la que pueden rotar las galaxias. El trabajo de Zhao encaja perfectamente en con los datos experimentales obtenidos hasta la fecha. Quién sabe, quizás en este momento, en algún lugar del mundo, un equipo de científicos estén poniendo a punto la “versión 2.0” del experimento que hizo famoso a estos dos físicos hace más de 100 años.

Wxreaido de neoteo

Aquí les dejo el repartido sobre capacitores.

Repartido_capacitores

Aquí les dejo un repartido de ejercicios sobre Campo Eléctrico.

Descargar aquí.

Por: Kir Ortiz

Nos encontramos rodeados de términos científicos por todos sitios. Partículas y más partículas que aparecen una y otra vez en los artículos de la prensa tecno-científica. Tantas, que llega un momento que nos ahogamos entre la jauría de nombrecitos técnicos y perdemos las referencias. Aquí traemos una forma sencilla y rápida de conocerlas a todas sin morir en el intento. La Guía, con mayúsculas, te proporcionará información breve y concreta pero más que suficiente para entender de qué estamos hablando.

Los físicos nos tienen saturados de partículas que danzan una y otra vez en multitud de artículos que leemos sin llegar a comprender demasiado bien las implicaciones de cada elemento dentro de la ecuación. La mayoría conocemos los conceptos básicos de las partículas atómicas: los protones, los neutrones y los electrones. Pero cuando la cosa profundiza, entonces empieza el desfile de leptones, fermiones, bosones y toda esa caterva de sustantivos acabados en “ones”. Algunas veces, de tanto nombrarlo en los artículos mas llamativos, como por ejemplo, los relacionados con el Acelerador de Partículas más famoso de la historia (LCH), se convierten en estrellas del mundo de la física popular. ¿Quién no conoce el célebre Bosón de Higgs? Si Hollywood tuviera vela en este entierro, seguro que le habría otorgado ya algún Oscar a la partícula con el mejor guión de misterio. Vamos a poner un poco de orden en toda esta sopa de letras de la física. Atentos, que comienza el viaje a través de la física más fascinante.

Esquema general

Para situarnos tenemos que hablar primero del conjunto de partículas  y su organización con respecto a las demás. Así que para empezar, nada mejor que un sencillo y breve esquema que representa la relación general entre los grupos de partículas. La física divide en tres grupos fundamentales este complejo mundo subatómico. Encontramos 3 grupos principales que son las partículas fundamentales, las partículas compuestas y las compañeras supersimétricas. Dentro de las fundamentales aparecen los fermiones y los bosones de gauge. Y los fermiones, a su vez, agrupan a los quarks y a los leptones. Las partículas compuestas se dividen en mesones y bariones. Y finalmente, las compañeras supersimétricas, que no contienen divisiones generales de partículas. Cada grupo posee unas determinadas características que los hace diferentes al resto. Suelen ser conceptos de física cuántica, difíciles de asimilar por el común de los mortales, pero trataremos de darle un aire más dinámico e inteligible para que podamos hacernos de inmediato con sus propiedades y peculiaridades.

Esquema general de la partículas que existen en el Universo

PARTICULAS FUNDAMENTALES

1. Fermiones

Es uno de los dos tipos básicos de partículas que existen en la naturaleza. Se definen por tener un spin semi-entero. Recordemos que el spin (giro) es una propiedad física de las partículas subatómicas intrínseca a la propia partícula, como pueden ser la carga o la masa. Se la bautizó así en honor del célebre científico Enrico Fermi que desarrolló el primer reactor nuclear y cuya contribución a la física cuántica fue decisiva. A este grupo pertenecen partículas tan importantes y conocidas como el electrón y el neutrino, escurridizo donde los haya. Los fermiones forman la materia ordinaria y a ellos debe prácticamente toda su masa, por eso se consideran fundamentales. Digamos que los fermiones son los “ladrillos” de los que está hecha la existencia.

a) Quarks

Representan los constituyentes fundamentales de la materia (junto a los leptones) y son las partículas más pequeñas que el hombre ha podido identificar. Estas diminutas variedades de partículas se combinan para formar los conocidos protones y neutrones, básicos en la arquitectura atómica de la materia. Tienen un spin de ½  y son las únicas que pueden interactuar con las 4 fuerzas conocidas del universo (gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil).  Las variantes fueron nombradas de forma arbitraria para que se recordaran con facilidad. Y la verdad, que poseen unas denominaciones la mar de peculiares: arriba, abajo, encanto, cima, extraño, fondo…Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang, pero los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba y abajo sí que se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica. En la naturaleza no se encuentran quarks aislados sino formando otras partículas llamadas hadrones, formadas por 2 o 3 quarks, conocidas como mesones o bariones, respectivamente.

Tabla de quarks

b) Leptones

La palabra “leptón” (del griego leptos) fue usada por primera vez por el físico León Rosenfeld en 1948 y designa una partícula fundamental del grupo de los fermiones que tiene un spin de -1/2 y que no experimenta interacción nuclear fuerte. Son parte básica en la existencia de la materia, junto con los quarks. A este grupo pertenece el muy conocido electrón, ese que nos sacude fuerte cuando metemos los dedos en un enchufe. También se agrupan aquí los escurridizos neutrinos, partículas dificilísimas de encontrar porque debido a sus características, atraviesan sin esfuerzo cualquier materia que se le ponga por delante para atraparlos. Se están realizando carísimos experimentos para cazar a estos huidizos representantes de los leptones. Se usan detectores especiales sumergidos en enormes piscinas enterradas a kilómetros de profundidad en la tierra para poder encontrarlos y separarlos de otras partículas, pues estos escapistas apenas interactúan con el resto de materia. Sin embargo, y a pesar de esta vacuidad, forman parte de la base de la existencia.

Tabla de leptones

2. Bosones de gauge

Los bosones actúan como portadores de una interacción fundamental de la naturaleza. Es decir, que si antes apuntábamos que los fermiones son los ladrillos, los bosones corresponden al cemento que une dichos ladrillos. Entre sus representantes mas conocidos se encuentran los fotones (luz) y el archiconocido Bosón de Higgs, buscado con ferviente anhelo por el LCH, la llamada Máquina de Dios que tantas noticias ha generado en todo el mundo. Por ahora no ha sido confirmada la existencia de esta partícula, que ha sido predicha por la teoría estándar, pero si el LCH consigue detectarla, entonces se habrán confirmado muchas cosas importantes para la física. El gravitón también mantiene a los científicos con gran expectación por ver si por fin pueden comprender algo más de la fuerza más misteriosa del universo: la gravedad.

Tabla de los bosones de gauge
google_hints = ‘átomos,bosón de Higgs ,esquema de partículas,física,guía de partículas,hadrones,lecciones sobre física,LHC,modelo estándar de la física,partículas fundamentales’;
google_header = “”;
google_ad_client = “pub-4686440996034068”;
google_ad_slot = “9441252878”;
google_ad_output = ‘js’;
google_max_num_ads = ‘2’;google_ad_type = ‘text’;
google_feedback = ‘on’;
google_skip = ‘3’;google_language = ‘es’;
window.google_render_ad();
Origen: neoteo

Hoy martes no realizaremos el escrito, continuaremos con ejercicios.

Guía Práctica 6

Aquí les dejo la guía de la práctica 6 en formato M$ Office 2003.

Descargar

Aquí les dejo para descargar el primer capítulo del libro que usamos en el curso.

Capítulo 18 de Tipler Volumen II

Guía Práctica 5

Aquí les dejo la guía del práctico 5 para el martes próximo, así la van estudiando.

Guía Práctica 5

P.D.: No se olviden de traer los informes de las prácticas anteriores.

El futuro se presenta en forma de cambio de paradigma para las baterías. Hasta ahora, los sistemas de almacenamiento de electricidad mas comunes funcionaban de modo químico pero gracias a un grupo de científicos se han plantado las semillas de lo que podría ser una verdadera revolución: las baterías magnéticas. Con ellas dispondremos de energía rápida y duradera. Solo hay que esperar a que madure la tecnología para poder disponer de una auténtica revolución.

Representación gráfica de la estructura del dispositivo

Estamos tan habituados a las baterías actuales que hemos olvidado la idea de que se puede almacenar energía de otras maneras. Día tras día, las baterías aumentan su rendimiento y bajan su precio, pero mantienen algo inalterable: su proceso químico. Se cambian materiales, se aplican nanotecnologías, de optimizan reacciones y se estudian nuevas combinaciones de estos elementos, pero siempre en formato químico. Un grupo de investigación de la Universidad de Miami en coordinación con otro de la Universidad de Tokio y Tohoku, han publicado en la prestigiosa revista Nature un interesante trabajo que abre un nuevo campo de estudio en el mundo del almacenamiento energético. Demuestran que es posible construir una batería que utilice un spin magnético para cargarse, de modo parecido a como lo hacen los discos duros que tan conocidos nos resultan. Dicho sistema almacenaría energía solo con aplicarle un campo magnético, que luego puede extraerse de la misma manera, convirtiendo este sistema en un espléndido almacén de electricidad. El secreto de esta tecnología estriba en el uso de nano-imanes, que permiten aprovechar este efecto de “spin battery” para dejará atrás cualquier tipo de reacción química y prescinde también de cualquier parte móvil que pudieran tener las baterías tradicionales. Además, se prevee que se recarguen de modo casi instantáneo.

Los puntos blancos son los átomos y los circulos blancos los nano-imanes

El dispositivo que ha servido de experimento apenas tiene el tamaño de un cabello humano. Recordemos que estamos hablando de nanotecnología, pero el físico Stewart Barnes afirma que aunque la energía generada ahora mismo apenas ha sido suficiente para encender un pequeño LED, se han hecho cálculos que permiten especular que dentro de poco tiempo, ese mismo dispositivo proporcionará electricidad para mover un coche unos kilómetros. Si ampliamos el sistema al tamaño de una batería normal, el automóvil podría recorrer miles de kilómetros sin tener que recargar. Barnes afirma que las posibilidades de esta revolucionaria tecnología son infinitas y que llevarán a un cambio total en la concepción energética del mundo actual. Imaginen lo que podría hacerse con una batería microscópica que aguante varios días alimentando un dispositivo de tamaño considerable. O hasta donde podemos llegar a poco que aumentemos el tamaño de la batería. Realmente, esta tecnología promete. Las baterías químicas quizá estén llegando ya a su techo de rendimiento, sin embargo, las magnéticas solo han hecho que comenzar su andadura.

google_hints = ‘batería,batería magnética,batería química,magnetismo,Spin’;
google_header = “”;
google_ad_client = “pub-4686440996034068”;
google_ad_slot = “9441252878”;
google_ad_output = ‘js’;
google_max_num_ads = ‘2’;google_ad_type = ‘text’;
google_feedback = ‘on’;
google_skip = ‘3’;google_language = ‘es’;
window.google_render_ad();


Aquí les dejo la guía de la práctica 4.

Guía Práctica 4