GUÍA 1 DÉCIMO: LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA
COLEGIO MANUELITA SAENZ AREA DE CIENCIAS NATURALES
JORNADA TARDE ASIGNATURA DE FÍSICA
DOCENTE: MARITZA QUIROGA GONZÁLEZ GRADO: DECIMO
TEMA: LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA
El OBJETIVO de esta guía es que podamos distinguir las cuatro fuerzas fundamentales que existen en la naturaleza y como se manifiestan en el universo.
A continuación encontrarás una introducción acerca de lo que es la fuerza:
Las interacciones que se presentan entre cuerpos o sistemas físicos tienen la capacidad de cambiar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. Estas interacciones pueden causar deformación sobre los mismos objetos, aumentar o disminuir su rapidez, o cambiar la dirección del movimiento, y se modelan a través de las fuerzas. Las fuerzas que intervienen en el movimiento tienen acción sobre toda forma de materia existente y provocan los fenómenos físicos que experimentamos cotidianamente y que hacen parte de la naturaleza del universo. Estos fenómenos son manifestaciones de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
A continuación encontrarás unas cortas definiciones de las fundamentales cuatro fuerzas de la naturaleza.
LA FUERZA GRAVITACIONAL
Es una fuerza de atracción entre dos cuerpos que ocurre en todos los objetos del universo con masa. El primero en postularla fue Newton, explicando que gracias a ella los objetos en cercanía a la tierra caen con aceleración constante en dirección a esta, además de mantener los planetas en movimiento alrededor del sol.
LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA
Es la que actúa en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas, además de afectar los cuerpos eléctricamente cargados. Por ejemplo, un electrón con carga eléctrica negativa ejerce una fuerza de atracción sobre los protones de carga positiva. A nivel macro, los imanes muy potentes ejercen una fuerza que modifica las trayectorias de cuerpos cargados.
LA FUERZA NUCLEAR FUERTE:
Está presente en los núcleos atómicos al mantener los protones y los neutrones unidos. Sin esta fuerza el núcleo atómico no podría existir ya que la repulsión entre los protones generaría la dispersión de estos.
LA FUERZA NUCLEAR DÉBIL:
Es un tipo de interacción entre partículas fundamentales, que no solo causa efectos de atracción o repulsión, sino que puede ocasionar cambios en la identidad de las partículas involucradas, a lo que se le conoce como una reacción de partículas subatómicas.
Analizaremos ahora las cuatro fuerzas desde la perspectiva del modelo estándar:
LAS CUATRO FUERZAS Y EL MODELO ESTANDAR (FÍSICA CUÁNTICA)
El modelo estándar de la física de partículas es una teoría relativista de campos cuánticos desarrollada entre 1970 y 1973 basada en las ideas de la unificación y simetrías que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas (exceptuando la gravedad, cuya principal teoría, la relatividad general, no encaja con los modelos matemáticos del mundo cuántico). La palabra "modelo" en el nombre viene del período de los 70 cuando no había suficiente evidencia experimental que confirmara el modelo. Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.
LA FÍSICA HECHA CUENTO
(Escrito por Peter Higgs, Premio Nobel de física)
Había una vez un pueblo situado en un valle de la cordillera, que todos los días recibía la visita de una joven mujer. Bajaba corriendo por la montaña y se ausentaba tan rápido como había llegado. Todos los habitantes del pueblo estaban deslumbrados por su belleza. La llamaron “La Luz”.
Un día, un joven decidió seguirla. Con esfuerzo trepó hasta la cima de la montaña y la vio entrar a una pequeña casa. Golpeó la puerta y lo atendió una mujer muy fuerte y corpulenta, casi tan grande como la casa. Le explicó que ella era la que mantenía el orden en la casa y, por su fuerza, movía los objetos pesados. Pero era tan gorda que nunca salía muy lejos de la casa.
“La Fuerte” les brindaba deliciosas comidas a los viajeros que lograban llegar hasta la casa. Les preguntaron a La Fuerte y La Luz si ellas eran las que cocinaban. Les dijeron que no, ellas no sabían cocinar. Los invitaron a pasar a la cocina. En un rincón de la cocina vieron a una mujer en una silla de ruedas. Se la veía muy flaca y enfermiza. “La Débil” cocinaba muy lentamente, ayudada por las otras dos. La Débil tampoco salía muy lejos de la casa.
Algunos visitantes comenzaron a notar una cierta similitud entre La Luz y La Débil. Ambas tenían pelo negro y ojos marrones. Sin embargo, la expresión triste de La Débil contrastaba con la jovial de La Luz. Ambas tenían un lunar en el mismo lugar del cuello. Alguien sugirió la idea de que La Luz y La Débil eran gemelas. Otros le respondieron que eso era imposible ya que la Luz era muy atlética y rápida mientras que La Débil era muy flaca y lenta. Entonces alguien propuso la teoría de El Accidente. Consistía en que La Luz y La Débil eran gemelas pero que en su niñez la Débil tuvo un Accidente y quedó en silla de ruedas. “Debe haber alguna noticia antigua que mencione El Accidente”, dijo otro.
Entonces le pidieron permiso a La Fuerte para entrar en la casa y revolver sus archivos. Los archivos de La Fuerte eran un desorden increíble. Pero con mucha paciencia los fueron examinando y encontraron un recorte de un diario antiguo que decía: “Conductor borracho atropelló a una de dos niñas gemelas que iban corriendo. Médicos dicen que nunca podrá volver a caminar”.
La física de partículas es como este cuento. Las tres mujeres representan tres fuerzas de la naturaleza.
La fuerza electromagnética da origen a la luz y la podemos ver fácilmente. La casa es como el núcleo atómico. Para llegar a explorarlo hacen falta modernos equipos de alta tecnología. La fuerza fuerte es responsable de mantener unidos a los núcleos atómicos. La Débil es responsable de muchos decaimientos radiactivos, de que unos núcleos se transformen en otros.
Para la mayor parte de los fenómenos ordinarios la fuerza electromagnética es la dominante. Es la fuerza responsable de la química y de todas las propiedades ordinarias de los materiales. La fuerza débil no es muy importante para la vida cotidiana ni para la tecnología. Toda la tecnología se basa en distintos efectos de la fuerza electromagnética. Sin embargo la fuerza débil es muy importante para comprender por qué el universo funciona como lo hace. Por ejemplo, miremos al sol. ¿Cómo se genera esa energía que lo ha estado haciendo brillar durante cuatro mil millones de años? En su interior se producen reacciones nucleares que están transformando protones en núcleos de helio. Los núcleos de helio contienen protones y neutrones. Para que esto ocurra, algunos protones deben transformarse en neutrones. Esto sólo puede hacerlo la fuerza débil. En las estrellas la fuerza débil está generando, o “cocinando”, también otros elementos, como el carbono, nitrógeno, oxígeno, hierro, etcétera. Se cree que toda la materia que nos rodea proviene de estas estrellas antiguas que explotaron y lanzaron estos elementos al espacio. De estos “desechos nucleares” se formó el sistema solar.
La fuerza electromagnética y la débil tienen cosas en común. A altas energías ambas se comportan en forma muy similar y tienen una magnitud parecida. Ambas fuerzas son transmitidas por partículas del mismo tipo. Por ejemplo, ambas pueden ser polarizadas (recordemos los vidrios polarizados que dejan pasar sólo un tipo de luz). La diferencia entre ellas es que la partícula de la luz (el fotón) tiene masa cero y se mueve a la velocidad de la luz. En cambio la de la fuerza débil es muy pesada, se mueve lentamente y no llega muy lejos de los núcleos.
El Accidente que las hace distintas es su interacción con el campo de Higgs. Ambas fuerzas comienzan siendo iguales, indistinguibles. Pero el campo de Higgs selecciona una de ellas y le produce su masa. Creemos que en el comienzo del universo, en las primeras fracciones de segundo, las dos fuerzas eran efectivamente iguales. Entonces el universo estaba muy caliente. Al irse enfriando se produjo la condensación del campo de Higgs que las dejó muy distintas.
Esta teoría de El Accidente, de la interacción con el campo de Higgs, tiene una consecuencia que es la existencia de una nueva partícula: el bosón de Higgs. En el cuento de arriba, esta sería el artículo del diario que relata el Accidente. En julio de 2012 el CERN anunció el descubrimiento de esta partícula.
Por lo tanto, ahora sabemos cómo La Débil terminó siendo distinta de La Luz. El Large Hadron Collider (el Gran Colisionador de Hadrones o Partículas Gordas) y sus detectores de partículas son increíblemente complejos y usan la más alta tecnología. Hay dos grupos de científicos argentinos que son miembros de la colaboración internacional para este experimento: un grupo en la Universidad de Buenos Aires, liderado por Ricardo Piegaia y otro en la Universidad de La Plata, a cargo de María Teresa Dova.
Este descubrimiento completa el llamado “modelo estándar”, que es la teoría que describe la materia. Esta teoría es como el cuento anterior, excepto que está escrito con fórmulas matemáticas. Sus consecuencias han sido comprobadas experimentalmente.
¿Qué esperamos para el futuro? Creemos que todavía hay más partículas por descubrir. En particular, las que dan origen a la materia oscura. Esta es la materia que sólo podemos observar a través de sus efectos gravitatorios vía observaciones astronómicas.
Otra pregunta obvia es si La Fuerte, La Débil y La Luz eran trillizas y tuvieron algún otro tipo de accidente. Hay también experimentos tratando de encontrar consecuencias indirectas de esto, pero nada se ha visto, por ahora.
La gravedad es la cuarta fuerza de la naturaleza y cómo incorporarla al cuento anterior será tarea para otro día.
SUBPARTICULAS Y LAS FUERZAS FUNDAMENTALES
La teoría cuántica de campos postula que las interacciones de la naturaleza se producen por la intermediación de bosones gauge o cuantos asociados a los campos que representan dichas interacciones. La interacción de las partículas de materia con esos bosones que representan los campos de fuerza se interpreta en términos de emisión o absorción de estos cuantos. Así la electrodinámica se explica mediante fotones o cuantos del campo electromagnético: los fotones son emitidos y absorbidos continuamente por todas las partículas con carga eléctrica, de forma que las interacciones entre estos fotones producen las fuerzas macroscópicas que nos son familiares, como el electromagnetismo. La interacción débil y la interacción fuerte puede ser igualmente entendidas en términos de bosones W y Z y gluones respectivamente.
ACTIVIDAD
La presente actividad se desarrollará en hojas cuadriculadas, que se irán anexando a una carpeta de evidencias en forma física y se enviaran escaneadas o fotografiadas (con buena calidad) al correo itzamarquiroga@gmail.com
1. Escribe con tus propias palabras una definición para cada una de las fuerzas fundamentales, gravitacional, electromagnética, fuerte y débil, resaltando su importancia.
2. Haz un resumen del texto la física hecha cuento.
3. Consulta qué relación hay entre las subparticulas y la fuerza que la relaciona
a. fuerza gravitacional y el graviton
b. Fuerza electromagnética y fotón
c. Fuerza Débil y los bosonesW y Z
d. Fuerza Fuerte y el gluón
REFERENCIAS
https://es.wikipedia.org/wiki/Gravit%C3%B3n
https://molasaber.org/2018/10/28/4-fuerzas-en-el-universo/
https://www.clarin.com/ideas/juan-martin-maldacena_0_S15OA4-ovXg.html
VIDEOS DE APOYO:
Las 4 fuerzas fundamentales que rigen el Universo
https://www.youtube.com/watch?v=DjXHDDXO1QA
El Modelo Estándar: las 4 fuerzas que gobiernan el Universo
https://www.youtube.com/watch?v=crFx3qKFsXI
JORNADA TARDE ASIGNATURA DE FÍSICA
DOCENTE: MARITZA QUIROGA GONZÁLEZ GRADO: DECIMO
TEMA: LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA
El OBJETIVO de esta guía es que podamos distinguir las cuatro fuerzas fundamentales que existen en la naturaleza y como se manifiestan en el universo.
A continuación encontrarás una introducción acerca de lo que es la fuerza:
Las interacciones que se presentan entre cuerpos o sistemas físicos tienen la capacidad de cambiar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo. Estas interacciones pueden causar deformación sobre los mismos objetos, aumentar o disminuir su rapidez, o cambiar la dirección del movimiento, y se modelan a través de las fuerzas. Las fuerzas que intervienen en el movimiento tienen acción sobre toda forma de materia existente y provocan los fenómenos físicos que experimentamos cotidianamente y que hacen parte de la naturaleza del universo. Estos fenómenos son manifestaciones de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
A continuación encontrarás unas cortas definiciones de las fundamentales cuatro fuerzas de la naturaleza.
LA FUERZA GRAVITACIONAL
Es una fuerza de atracción entre dos cuerpos que ocurre en todos los objetos del universo con masa. El primero en postularla fue Newton, explicando que gracias a ella los objetos en cercanía a la tierra caen con aceleración constante en dirección a esta, además de mantener los planetas en movimiento alrededor del sol.
LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA
Es la que actúa en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas, además de afectar los cuerpos eléctricamente cargados. Por ejemplo, un electrón con carga eléctrica negativa ejerce una fuerza de atracción sobre los protones de carga positiva. A nivel macro, los imanes muy potentes ejercen una fuerza que modifica las trayectorias de cuerpos cargados.
LA FUERZA NUCLEAR FUERTE:
Está presente en los núcleos atómicos al mantener los protones y los neutrones unidos. Sin esta fuerza el núcleo atómico no podría existir ya que la repulsión entre los protones generaría la dispersión de estos.
LA FUERZA NUCLEAR DÉBIL:
Es un tipo de interacción entre partículas fundamentales, que no solo causa efectos de atracción o repulsión, sino que puede ocasionar cambios en la identidad de las partículas involucradas, a lo que se le conoce como una reacción de partículas subatómicas.
Analizaremos ahora las cuatro fuerzas desde la perspectiva del modelo estándar:
LAS CUATRO FUERZAS Y EL MODELO ESTANDAR (FÍSICA CUÁNTICA)
El modelo estándar de la física de partículas es una teoría relativista de campos cuánticos desarrollada entre 1970 y 1973 basada en las ideas de la unificación y simetrías que describe la estructura fundamental de la materia y el vacío considerando las partículas elementales como entes irreducibles cuya cinemática está regida por las cuatro interacciones fundamentales conocidas (exceptuando la gravedad, cuya principal teoría, la relatividad general, no encaja con los modelos matemáticos del mundo cuántico). La palabra "modelo" en el nombre viene del período de los 70 cuando no había suficiente evidencia experimental que confirmara el modelo. Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales debido a varias cuestiones sin resolver.
LA FÍSICA HECHA CUENTO
(Escrito por Peter Higgs, Premio Nobel de física)
Había una vez un pueblo situado en un valle de la cordillera, que todos los días recibía la visita de una joven mujer. Bajaba corriendo por la montaña y se ausentaba tan rápido como había llegado. Todos los habitantes del pueblo estaban deslumbrados por su belleza. La llamaron “La Luz”.
Un día, un joven decidió seguirla. Con esfuerzo trepó hasta la cima de la montaña y la vio entrar a una pequeña casa. Golpeó la puerta y lo atendió una mujer muy fuerte y corpulenta, casi tan grande como la casa. Le explicó que ella era la que mantenía el orden en la casa y, por su fuerza, movía los objetos pesados. Pero era tan gorda que nunca salía muy lejos de la casa.
“La Fuerte” les brindaba deliciosas comidas a los viajeros que lograban llegar hasta la casa. Les preguntaron a La Fuerte y La Luz si ellas eran las que cocinaban. Les dijeron que no, ellas no sabían cocinar. Los invitaron a pasar a la cocina. En un rincón de la cocina vieron a una mujer en una silla de ruedas. Se la veía muy flaca y enfermiza. “La Débil” cocinaba muy lentamente, ayudada por las otras dos. La Débil tampoco salía muy lejos de la casa.
Algunos visitantes comenzaron a notar una cierta similitud entre La Luz y La Débil. Ambas tenían pelo negro y ojos marrones. Sin embargo, la expresión triste de La Débil contrastaba con la jovial de La Luz. Ambas tenían un lunar en el mismo lugar del cuello. Alguien sugirió la idea de que La Luz y La Débil eran gemelas. Otros le respondieron que eso era imposible ya que la Luz era muy atlética y rápida mientras que La Débil era muy flaca y lenta. Entonces alguien propuso la teoría de El Accidente. Consistía en que La Luz y La Débil eran gemelas pero que en su niñez la Débil tuvo un Accidente y quedó en silla de ruedas. “Debe haber alguna noticia antigua que mencione El Accidente”, dijo otro.
Entonces le pidieron permiso a La Fuerte para entrar en la casa y revolver sus archivos. Los archivos de La Fuerte eran un desorden increíble. Pero con mucha paciencia los fueron examinando y encontraron un recorte de un diario antiguo que decía: “Conductor borracho atropelló a una de dos niñas gemelas que iban corriendo. Médicos dicen que nunca podrá volver a caminar”.
La física de partículas es como este cuento. Las tres mujeres representan tres fuerzas de la naturaleza.
La fuerza electromagnética da origen a la luz y la podemos ver fácilmente. La casa es como el núcleo atómico. Para llegar a explorarlo hacen falta modernos equipos de alta tecnología. La fuerza fuerte es responsable de mantener unidos a los núcleos atómicos. La Débil es responsable de muchos decaimientos radiactivos, de que unos núcleos se transformen en otros.
Para la mayor parte de los fenómenos ordinarios la fuerza electromagnética es la dominante. Es la fuerza responsable de la química y de todas las propiedades ordinarias de los materiales. La fuerza débil no es muy importante para la vida cotidiana ni para la tecnología. Toda la tecnología se basa en distintos efectos de la fuerza electromagnética. Sin embargo la fuerza débil es muy importante para comprender por qué el universo funciona como lo hace. Por ejemplo, miremos al sol. ¿Cómo se genera esa energía que lo ha estado haciendo brillar durante cuatro mil millones de años? En su interior se producen reacciones nucleares que están transformando protones en núcleos de helio. Los núcleos de helio contienen protones y neutrones. Para que esto ocurra, algunos protones deben transformarse en neutrones. Esto sólo puede hacerlo la fuerza débil. En las estrellas la fuerza débil está generando, o “cocinando”, también otros elementos, como el carbono, nitrógeno, oxígeno, hierro, etcétera. Se cree que toda la materia que nos rodea proviene de estas estrellas antiguas que explotaron y lanzaron estos elementos al espacio. De estos “desechos nucleares” se formó el sistema solar.
La fuerza electromagnética y la débil tienen cosas en común. A altas energías ambas se comportan en forma muy similar y tienen una magnitud parecida. Ambas fuerzas son transmitidas por partículas del mismo tipo. Por ejemplo, ambas pueden ser polarizadas (recordemos los vidrios polarizados que dejan pasar sólo un tipo de luz). La diferencia entre ellas es que la partícula de la luz (el fotón) tiene masa cero y se mueve a la velocidad de la luz. En cambio la de la fuerza débil es muy pesada, se mueve lentamente y no llega muy lejos de los núcleos.
El Accidente que las hace distintas es su interacción con el campo de Higgs. Ambas fuerzas comienzan siendo iguales, indistinguibles. Pero el campo de Higgs selecciona una de ellas y le produce su masa. Creemos que en el comienzo del universo, en las primeras fracciones de segundo, las dos fuerzas eran efectivamente iguales. Entonces el universo estaba muy caliente. Al irse enfriando se produjo la condensación del campo de Higgs que las dejó muy distintas.
Esta teoría de El Accidente, de la interacción con el campo de Higgs, tiene una consecuencia que es la existencia de una nueva partícula: el bosón de Higgs. En el cuento de arriba, esta sería el artículo del diario que relata el Accidente. En julio de 2012 el CERN anunció el descubrimiento de esta partícula.
Por lo tanto, ahora sabemos cómo La Débil terminó siendo distinta de La Luz. El Large Hadron Collider (el Gran Colisionador de Hadrones o Partículas Gordas) y sus detectores de partículas son increíblemente complejos y usan la más alta tecnología. Hay dos grupos de científicos argentinos que son miembros de la colaboración internacional para este experimento: un grupo en la Universidad de Buenos Aires, liderado por Ricardo Piegaia y otro en la Universidad de La Plata, a cargo de María Teresa Dova.
Este descubrimiento completa el llamado “modelo estándar”, que es la teoría que describe la materia. Esta teoría es como el cuento anterior, excepto que está escrito con fórmulas matemáticas. Sus consecuencias han sido comprobadas experimentalmente.
¿Qué esperamos para el futuro? Creemos que todavía hay más partículas por descubrir. En particular, las que dan origen a la materia oscura. Esta es la materia que sólo podemos observar a través de sus efectos gravitatorios vía observaciones astronómicas.
Otra pregunta obvia es si La Fuerte, La Débil y La Luz eran trillizas y tuvieron algún otro tipo de accidente. Hay también experimentos tratando de encontrar consecuencias indirectas de esto, pero nada se ha visto, por ahora.
La gravedad es la cuarta fuerza de la naturaleza y cómo incorporarla al cuento anterior será tarea para otro día.
SUBPARTICULAS Y LAS FUERZAS FUNDAMENTALES
ACTIVIDAD
La presente actividad se desarrollará en hojas cuadriculadas, que se irán anexando a una carpeta de evidencias en forma física y se enviaran escaneadas o fotografiadas (con buena calidad) al correo itzamarquiroga@gmail.com
1. Escribe con tus propias palabras una definición para cada una de las fuerzas fundamentales, gravitacional, electromagnética, fuerte y débil, resaltando su importancia.
2. Haz un resumen del texto la física hecha cuento.
3. Consulta qué relación hay entre las subparticulas y la fuerza que la relaciona
a. fuerza gravitacional y el graviton
b. Fuerza electromagnética y fotón
c. Fuerza Débil y los bosonesW y Z
d. Fuerza Fuerte y el gluón
REFERENCIAS
https://es.wikipedia.org/wiki/Gravit%C3%B3n
https://molasaber.org/2018/10/28/4-fuerzas-en-el-universo/
https://www.clarin.com/ideas/juan-martin-maldacena_0_S15OA4-ovXg.html
VIDEOS DE APOYO:
Las 4 fuerzas fundamentales que rigen el Universo
https://www.youtube.com/watch?v=DjXHDDXO1QA
El Modelo Estándar: las 4 fuerzas que gobiernan el Universo
https://www.youtube.com/watch?v=crFx3qKFsXI
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