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4 Física y Química

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Física y Química

Presentación Este material, dirigido a los alumnos que cursan la materia de Física y Química en 4.º de ESO, tiene como objetivo principal facilitar la adquisición de los contenidos y el desarrollo de las competencias en el ámbito de esta materia. Este material lo configuran los temas correspondientes a los siguientes bloques de contenidos: El saber científico, La materia y sus transformaciones, La química del carbono, El movimiento. Cinemática, Las fuerzas. Dinámica, La Tierra en el universo. Gravitación, Energía y trabajo. Todos los bloques incorporan de forma muy sucinta una serie de contenidos, a los que les siguen actividades para resolver, en cuaderno aparte. De este modo, se favorece la consolidación de dichos contenidos. Cada bloque temático finaliza con una batería de actividades que relacionan los contenidos trabajados con situaciones de la vida cotidiana o de nuestro entorno; una lectura científica, también con propuesta de actividades; una sección para investigar con el ordenador y una autoevaluación.

Índice El saber científico.................................. 4 El método científico................................. 4 Magnitudes y unidades............................ 4 La medida y el tratamiento de datos........ 5 Tablas y gráficas....................................... 5 La ciencia en el siglo xxi........................... 6

La materia y sus transformaciones................................ 10 El átomo. Caracterización ....................... 10 Los elementos químicos y la tabla periódica................................ 10 Configuración electrónica........................ 10 El enlace químico..................................... 11 Las reacciones químicas........................... 11 Leyes de las reacciones químicas.............. 11 Ecuaciones químicas................................ 12 Cálculos con ecuaciones químicas........... 12 Reacciones ácido-base y redox................. 12

La química del carbono........................ 18 Los enlaces del carbono........................... 18 Clasificación de los compuestos orgánicos............................................... 18 La nomenclatura en química orgánica..... 18 Hidrocarburos, alcoholes y ácidos............ 19 Macromoléculas y polímeros.................... 19 El movimiento. Cinemática.................. 25 Descripción del movimiento..................... 25 Velocidad y aceleración............................ 25 Movimiento rectilíneo uniforme (mru)..................................................... 26 Movimiento rectilíneo uniformemente variado (mruv)....................................... 26 Gráficas de movimiento........................... 27 La caída libre........................................... 27 Movimiento circular uniforme (mcu)..................................................... 28

Las fuerzas. Dinámica........................... 34 Las fuerzas. Carácter vectorial................. 34 Medida de las fuerzas.............................. 34 La presión y el principio de Pascal............ 35 Principio de Arquímedes. Flotación.......... 35 Leyes de la dinámica................................ 36 Fuerzas en movimientos horizontales y verticales............................................. 36 Fuerzas en el movimiento circular............ 37 La Tierra en el universo. Gravitación.......................................... 43 La posición de la Tierra en el universo..... 43 Ley de la gravitación universal................. 43 Órbitas planetarias. Satélites.................... 44 La exploración del universo. El sistema solar...................................... 44 El universo en la actualidad..................... 45 Energía y trabajo.................................. 49 Tipos de energía. Fuentes........................ 49 Trabajo y potencia................................... 49 Conservación de la energía...................... 50 Temperatura y calor................................. 50 Efectos del calor. Máquinas térmicas........ 51 Transferencia de energía mediante ondas..................................... 51

El saber científico El método científico El método científico es el procedimiento sistemático que permite estudiar un fenómeno observado y establecer los modelos y leyes por los que se rige.

Consta de cuatro fases principales: observación, formulación de hipótesis, la experimentación y elaboración de conclusiones, que se recogen en un informe científico. • La observación es el punto de partida. Debe recopilarse toda la información posible sobre el fenómeno estudiado. • La formulación de hipótesis consiste en proponer una explicación razonada y coherente para dicho fenómeno. • La experimentación es una etapa clave, en la cual se realizan observaciones y medidas para establecer o refutar la validez de la hipótesis propuesta. • La elaboración de conclusiones tiene lugar cuando la hipótesis validada se convierte en ley científica. Varias hipótesis pueden conducir a una teoría científica.

Magnitudes y unidades Una magnitud es toda propiedad que puede medirse. Las magnitudes pueden clasificarse en dos tipos: básicas y derivadas. Las magnitudes derivadas se definen en función de las básicas.

El Sistema Internacional de unidades (SI) es el convenio vigente en la actualidad para el trabajo científico. Contempla estas siete magnitudes básicas: Magnitud básica del SI

Unidad

Símbolo

Longitud

metro

Masa

kilogramo kg

Tiempo

segundo

amperio

Temperatura

kelvin

Intensidad luminosa

candela

Cantidad de sustancia

mol

Intensidad de corriente

Cuando la medida de una magnitud proporciona valores muy grandes o demasiado pequeños de determinada unidad, se usan múltiplos o submúltiplos, respectivamente. El proceso de cambio de unidades se lleva a cabo usando factores de conversión; estos se expresan como fracciones obtenidas a partir de la equivalencia entre dos unidades. 4

El saber científico

La medida y el tratamiento de datos La medida se lleva a cabo mediante un instrumento de medida, que se caracteriza por su exactitud, su precisión y su resolución. Un buen instrumento de medida debe ser exacto y preciso y, si es posible, tener una alta resolución. Toda medida es aproximada. Se define el error absoluto cometido como la diferencia entre el valor medido y el valor real de la magnitud, mientras que el error relativo es el cociente entre el error absoluto y el valor verdadero o exacto de la medida.

Cuando se realiza una medida, generalmente se obtiene un número con varias cifras, algunas de las cuales solo nos indican el orden de magnitud. Las cifras significativas son aquellas que realmente nos dan el valor de la medida: son las cifras distintas de cero, los ceros intercalados entre cifras no nulas y los ceros a la derecha de la coma. Por ejemplo, 50 700 tiene tres cifras significativas: 5, 0 y 7. Cuando es necesario reducir el número de cifras significativas de una medida, debemos redondear de esta manera: • Si la primera cifra eliminada es inferior a cinco, la cifra anterior se mantiene: 4,253 → 4,25. • Si es igual lo superior a cinco, la cifra anterior se incrementa en una unidad: 4,257 → 4,26.

Tablas y gráficas Los valores de las magnitudes asociados a un fenómeno se organizan en tablas, a partir de las cuales se construyen gráficas y se obtienen fórmulas, que indican la dependencia matemática entre dichas magnitudes.

Las tablas de datos son muy útiles para organizar la información cuantitativa obtenida a partir del trabajo científico. Esta información suele incluir gran número de datos y es, por lo general, bastante compleja. Las gráficas se obtienen al representar sobre los ejes de coordenadas los valores de dos magnitudes, con el fin de establecer una relación matemática entre ambas. Para construir una gráfica, seguimos estos pasos: • Al eje vertical Y, se le asigna la variable dependiente y al eje horizontal X, la independiente. En cada eje se escribe el nombre de la variable y la unidad de medida. • Si el punto de intersección de los ejes X e Y no es el punto cero, se expresa oportunamente. • Se establece la escala que convenga en cada eje, según el rango de valores para cada magnitud. • Se ubican los puntos correspondientes a cada pareja de valores de ambas magnitudes.

Las fórmulas expresan la relación matemática entre las magnitudes que intervienen en un fenómeno. Suelen obtenerse a partir de las gráficas o las tablas mediante procedimientos matemáticos, cuya complejidad está en función del tipo de dependencia existente. El saber científico

La ciencia en el siglo xxi El gran avance de la ciencia en los últimos siglos ha sido posible gracias a la investigación científica. La investigación científica es la aplicación del método científico para realizar nuevos descubrimientos, mejorar nuestros conocimientos sobre ciertos fenómenos de interés o poner a punto aplicaciones tecnológicas.

Actualmente, la investigación científica es una actividad profesional de amplio prestigio. Hoy en día, la ciencia posee unas características que pueden resumirse así: • Es una profesión. Los científicos se forman durante años y ejercen su labor de forma remunerada. • Es una actividad colectiva. Por eso hablamos de una comunidad científica, ya que el trabajo se realiza mediante equipos de profesionales, a veces muy amplios y diversificados. • Es muy amplia. Debido a esto, debe estructurarse en ramas y especialidades. • Se comunica y se divulga. La comunidad científica está siempre al tanto de las nuevas aportaciones, así como el gran público en general.

Sin embargo, a pesar de los grandes avances que han tenido lugar, tras siglos de gran desarrollo tecnológico e industrial, el agotamiento de los recursos y los problemas medioambientales han hecho nacer una conciencia ecológica global. El desarrollo sostenible es la explotación racional de los recursos energéticos y de las materias primas con el fin de mejorar la calidad de vida de las personas, asegurar el progreso tecnológico y garantizar la disponibilidad de recursos para las generaciones futuras.

Actividades 1 Escribe en tu cuaderno las siguientes medidas expresadas en la unidad del SI: a) 25 km

c) 8 μg

e) 250 mL

g) 25 ºC

b) 15 ns

d) 6 años

f) 25 cm2

h) 0,12 mA

2 Indica en tu cuaderno qué cantidad es mayor en cada caso: a) 2 000 mg / 2 dag

c) 300 cm2 / 0,03 m2

e) 1Å / 10 nm

b) 1,03 dm / 0,103 m

d) 2 000 g / 1,9 kg

f) 3 725 mm / 2,5 dam

3 El diámetro de una bacteria es de, aproximadamente, 10 micras. ¿Cuántas bacterias habría que colocar en fila para cubrir una distancia de 1 cm? 6

El saber científico

4 Escribe en tu cuaderno cuántas cifras significativas tienen las siguientes medidas. a) 475 s

c) 2,4 · 1013 g

b) 3,201 m

5 En tu cuaderno redondea a tres cifras el número 6,7845121. 6 Al medir sucesivas veces la longitud de onda de la luz amarilla emitida por átomos de sodio, se obtienen estos valores (en nanómetros): 590, 591, 590, 588, 590, 591, 589, 588, 587. Calcula el valor medio y los errores absoluto y relativo de la última medida con respecto a dicho valor medio. 7 A partir de los datos de esta tabla, escribe la fórmula que relaciona m con V. Volumen, V (cm3) 2 Masa, m (g)

1,24 1,86 2,48 3,10 3,72

Aplica tus conocimientos 8 A tu alrededor ocurren multitud de fenómenos. ¿Sabrías decir si los siguientes son fenómenos físicos o químicos? Justifica tu respuesta en cada caso. a) Fusión del hielo

b) Encender un cigarrillo

c) Prender la chimenea

d) Cortar verdura

9 Propón un método para calcular la densidad del cobre si dispones de una canica de ese metal, una balanza y una probeta. 10 El número π = 3,1415 tiene infinitos decimales. ¿Qué error máximo se comete al redondearlo como 3,14? 11 En la actualidad, la investigación científica es una profesión de prestigio. A continuación, se señalan algunas líneas de investigación prioritarias hoy día. Consulta revistas o internet, e indica qué intenta aportar la ciencia en cada uno de estos campos: a) Nuevas energías

b) Combustibles ecológicos

c) Nanotecnología

12 Las aplicaciones de la física en el ámbito de la medicina son muy importantes. Una de ellas es el uso de los rayos X con fines diagnósticos. a) ¿Qué es una radiografía? ¿Para qué sirve? b) ¿Por qué crees que no debemos hacernos un gran número de radiografías al año?

13 La relación entre la química y la industria farmacéutica es también muy estrecha. Averigua para qué sirven los medicamentos que contienen estos principios activos: a) Ácido acetilsalicílico

b) Amoxicilina

c) Povidona yodada

d) Ácido fólico El saber científico

Practica la lectura científica

Todas las sociedades humanas han necesitado disponer de fuentes de energía. Esta dependencia es tanto mayor cuanto mayor desarrollo tecnológico alcanza una sociedad, de tal modo que el consumo energético denota el grado de desarrollo de una sociedad. Durante muchos siglos, nuestras necesidades energéticas se limitaron al consumo de alimentos y a la madera o el carbón que empleábamos como combustible para calentarnos y hacer funcionar calderas e ingenios mecánicos. También se recurría a las corrientes de agua y de viento, y, sobre todo, a la energía muscular de los animales. Este panorama cambió drásticamente con la Revolución Industrial y, poco después, con la era de los inventos. Los nuevos procesos industriales demandaban gran cantidad de energía, que seguía obteniéndose del carbón, principalmente. Luego surgió la necesidad de abastecer de electricidad a un número creciente de personas y, también, de procurar combustible para sus vehículos. Así, el consumo de carbón y petróleo se incrementó sin cesar. Con una demanda energética en aumento exponencial, se hizo necesario explorar nuevas fuentes de energía. La segunda mitad del siglo xx fue testigo de la explotación masiva de las reservas petrolíferas y de la irrupción de la energía nuclear. Además de la imparable demanda y del más que previsible agotamiento de las reservas, un problema adicional ha venido a complicar la cuestión energética: el deterioro medioambiental. El uso de fuentes de energía no renovables (carbón, petróleo, energía nuclear…) repercute negativamente en el medioambiente, provocando la emisión de grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera y la acumulación de residuos muy tóxicos. Por fortuna, hoy día existe una creciente conciencia internacional sobre la necesidad de lograr un desarrollo sostenible, algo que pasa necesariamente por el uso racional de la energía y por la disponibilidad de fuentes de energía limpias. A buen seguro, en el futuro veremos crecer el uso de las energías solar, eólica, geotérmica y mareomotriz, e incluso de la procedente de la biomasa, es decir, de los residuos orgánicos. Con esto lograremos, sin duda, un entorno más saludable.

14 La máquina de vapor fue el símbolo de la Revolución Industrial que tuvo lugar en Inglaterra a finales del siglo xviii. Investiga y contesta en tu cuaderno. a) ¿Qué científico la perfeccionó y qué unidad de medida toma su nombre? b) ¿Qué fuente de energía impulsaba las primeras máquinas de vapor? c) ¿Cuál era el uso industrial de las máquinas de vapor? ¿Qué ventajas aportaron?

15 La degradación medioambiental no fue tenida en cuenta hasta bien entrado el siglo

xx.

a) ¿Por qué crees que este grave problema pasó inadvertido hasta entonces? b) Piensa en los países en vías de desarrollo. ¿Debe primar el progreso económico para combatir la pobreza sobre la protección ambiental?

16 Clasifica en renovables y no renovables todas las fuentes de energía citadas en la lectura. ¿Cuál de las renovables crees que tiene más futuro en España?

El saber científico

Trabaja con el ordenador 17 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, para dar respuesta a estas cuestiones relacionadas con la ciencia actual y el desarrollo sostenible: a) ¿Qué es la radioterapia? ¿Para qué sirve? b) ¿Qué tipo de aditivo es la tartracina? c) ¿Quién recibió el Premio Nobel de la Paz en 2007 y por qué motivo? Más información en internet En la red hay gran cantidad de sitios con información relativa al reciclaje de las materias primas. En este enlace web encontrarás datos y consejos relativos al reciclaje de los plásticos, los metales, el papel, el cartón y el vidrio. http://www.ecoembes.com/

Autoevaluación 1 En tu cuaderno, expresa estas medidas en la unidad del SI: a) 245 mm

c) 33 cm3

e) 30 ºC

g) 104 mL

b) 58 cm2

d) 12 000 g

f) 1 día

h) 15 nmol

2 Realiza las siguientes transformaciones de unidades: a) d = 0,79 g/cm3 en kg/m3 b) v = 36 km/h en m/s

3 En el laboratorio de química hemos realizado cuatro medidas del volumen de gas desprendido en una reacción. Los resultados obtenidos son: 100,0 cm3; 98,0 cm3; 101,0 cm3; 97,0 cm3. ¿Cuáles son el error absoluto y relativo de la primera medida con respecto al valor medio? 4 Contesta en tu cuaderno: a) Señala las cifras significativas de estos números: 0,00567; 207,08; 0,0401; 34,020. b) Aproxima estos números con tres cifras significativas: 76,0234; 0,06587; 886,52.

5 En el laboratorio se han tomado medidas de masa y volumen de una determinada sustancia, y se han reflejado en la siguiente tabla: Masa, m (g) 27,2 61,2 170 489,6 Volumen, V (cm3) 40

250

720

Dibuja la gráfica de m frente a V y encuentra la fórmula matemática que relaciona ambas variables. El saber científico

La materia y sus transformaciones El átomo. Caracterización La materia está formada por átomos. La existencia de los átomos fue propuesta por Dalton en el año 1800. Casi un siglo después, se descubrió que el átomo no era indivisible y surgieron distintos modelos atómicos. Los átomos poseen un núcleo pequeño y denso, formado por protones (con carga positiva) y neutrones, y una corteza, compuesta por electrones (con carga negativa); estos últimos se distribuyen alrededor del núcleo en capas y orbitales, determinando la configuración electrónica del átomo. Para caracterizar los átomos, se emplean dos magnitudes: • El número atómico (Z) o número de protones del núcleo, que indica de qué elemento se trata. • El número másico (A) representa la suma de protones y neutrones, e indica la masa del átomo en unidades de masa atómica (u).

A zX

Los isótopos son átomos que poseen el mismo número atómico pero distinto número másico, es decir, son átomos del mismo elemento químico que poseen distinta masa.

Los elementos químicos y la tabla periódica Un elemento químico es una sustancia pura que está formada por un solo tipo de átomos, a partir de la cual no es posible obtener otras sustancias más simples por métodos físicos ni químicos.

Hoy día, conocemos 118 elementos químicos. Todos ellos aparecen en la tabla periódica, donde se agrupan según sus propiedades, formando grupos o familias (columnas de la tabla) y períodos (filas horizontales). La regularidad de las propiedades viene dada por la ley periódica, según la cual las propiedades físicas y químicas de los elementos varían periódicamente al aumentar su número atómico. Orbital

Configuración electrónica La distribución de los electrones en los distintos niveles de energía del átomo se denomina configuración electrónica. Para expresar la configuración electrónica de un átomo, debemos tener en cuenta su número total de electrones y el orden de llenado de los orbitales s, p, d y f de cada capa (ver figura). La capacidad máxima es de 2 electrones para el orbital s, 6 para el p, 10 para el d y 14 para el f. 2

Por ejemplo: Mg (Z = 4): 1s 2s ; P (Z = 15): 1s 2s 2p 3s 3p . 10

La materia y sus transformaciones

Nivel principal

K L M N O P Q

1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s

2p 3p 4p 5p 6p 7p

3d 4d 4f 5d 5f 6d

El enlace químico Las combinaciones de los elementos químicos se denominan enlaces y pueden ser de tres tipos: • Iónicos: consisten en una red tridimensional de cationes y de aniones unidos entre sí por fuerzas eléctricas. Los primeros proceden de elementos que tienden a perder electrones, y los segundos, de elementos con tendencia a ganarlos. • Covalentes: se producen cuando los átomos comparten uno o varios electrones con otros átomos. • Metálicos: están formados por una red de cationes metálicos (cargados positivamente) entre los cuales se mueve una nube de electrones cedidos por los propios átomos del metal.

El tipo de enlace atómico condiciona las propiedades de las sustancias resultantes: • Sustancias iónicas: son sólidos a temperatura ambiente, cristalinos y frágiles; tienen puntos de fusión y de ebullición elevados, y son solubles en agua. • Sustancias covalentes: pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, con puntos de fusión y de ebullición no muy altos, y suelen ser poco solubles en agua. • Sustancias metálicas: presentan brillo metálico, son dúctiles y maleables, y suelen tener altos puntos de fusión y de ebullición. Son buenos conductores de la corriente eléctrica y del calor.

Las reacciones químicas Los cambios de la materia pueden ser físicos, si no se altera su composición, o químicos. Los cambios químicos, también llamados reacciones químicas, son procesos en los cuales a partir de unas sustancias iniciales (reactivos) se obtienen otras de naturaleza completamente diferente (productos).

Existen distintos tipos de reacciones químicas, según el criterio utilizado para su clasificación; por ejemplo, las reacciones exotérmicas son aquellas que desprenden energía, mientras que en las endotérmicas hay que aportar energía para que ocurran. Además, no todas las reacciones químicas suceden a la misma velocidad; el estado de agregación de los reactivos, su concentración, la superficie de contacto entre ellos, la temperatura y la presencia de catalizadores son factores que influyen en la velocidad de los procesos químicos.

Leyes de las reacciones químicas Toda reacción química cumple una serie de leyes que se justifican a escala microscópica: • Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier: en toda reacción química, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos. • Ley de las proporciones definidas o Ley de Proust: cuando dos elementos reaccionan para formar un compuesto químico, lo hacen siempre en una proporción fija. La materia y sus transformaciones

Ecuaciones químicas Las reacciones químicas se representan por medio de ecuaciones químicas. En ellas, aparecen las fórmulas químicas correspondietes a los reactivos y los productos, separadas por una flecha que señala el sentido del proceso: a A + b B → c C + d D Además, incluyen el estado de agregación de las sustancias participantes (s: sólido, l: líquido, g: gas o ac: disolución acuosa) y los coeficientes estequiométricos, números que indican la proporción en la que reaccionan y se forman dichas sustancias. La ecuación química completa —con sus coeficientes estequiométricos— se dice que está ajustada. En este caso, el número de átomos de cada tipo debe ser el mismo en los reactivos y en los productos. Por ejemplo, en la formación del agua participan 2 moléculas (4 átomos) de hidrógeno por cada molécula (2 átomos) de oxígeno y se obtienen 2 moléculas de agua: 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g)

Cálculos con ecuaciones químicas La utilidad de representar las reacciones químicas mediante ecuaciones va más allá de la simple interpretación del proceso. Convenientemente ajustadas, y aplicando las herramientas matemáticas oportunas, es posible utilizarlas para calcular las cantidades de reactivos y de productos. De una ecuación ajustada se derivan las relaciones de estequiometría, en moles, en masa y en volumen (si intervienen gases), que permiten calcular las cantidades de productos que se obtendrán o de reactivos que se consumirán a partir de las cantidades puestas en juego al comienzo del proceso. Recuerda que 1 mol equivale a una cantidad de partículas (átomos, moléculas, etc.) igual al número de Avogadro (6,022 · 1023). El punto de partida para obtener las relaciones de estequiometría son los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada, que nos indican la proporción en la que se encuentran los reactivos y los productos, expresada en moles o en volumen. La relación de estequiometría en masa se calcula multiplicando, para cada sustancia, su coeficiente estequiométrico por su masa molar. 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g) 2 moles H2 + 1 mol O2 → 2 moles H2O 4 g H2 + 32 g O2 → 36 g H2O 2 L H2 + 1 L O2 → 2 L H2O

Reacciones ácido-base y redox La diversidad de reacciones químicas conocidas es muy grande, aunque algunas comparten características comunes. De esta forma, podemos clasificar las reacciones en distintos tipos, entre los que destacan las reacciones ácido-base y las reacciones redox. Un ácido es una sustancia corrosiva de sabor agrio, que ataca los metales y el mármol desprendiendo gases, y que colorea de rojo la tintura de tornasol. Una base es una sustancia cáustica de tacto jabonoso, que colorea de azul la tintura de tornasol. El zumo de limón y el vinagre son ácidos, y la lejía y el amoníaco son bases. 12

La materia y sus transformaciones

La reacción de neutralización ácido-base se produce entre un ácido y una base. Tras el proceso, ambas sustancias pierden sus propiedades características y dan lugar a una sal junto con agua: ácido + base → sal + agua.

Otro tipo de reacciones importantes son las de oxidación-reducción, como la oxidación del hierro. Una reacción de oxidación-reducción o redox es aquella en la que se produce un intercambio de electrones entre los reactivos. El reactivo que pierde electrones se denomina reductor y el que los gana es el oxidante.

Actividades 18 Aunque los átomos son neutros, en ocasiones pueden convertirse en cationes (con carga positiva, tras perder electrones) o en aniones (con carga negativa, tras ganar electrones). En tu cuaderno, indica cuántos protones, neutrones y electrones poseen estos átomos e iones: a)

80 36

31 b) 15 P

Cs c) 133 55

63 Cu d) 29

41 + K e) 19

75 As3– f) 33

19 El estudio de cierto elemento químico A revela que su número atómico es 18 y su número másico es 40. Otro elemento estudiado, B, posee 18 protones y 20 neutrones. ¿Crees que puede tratarse de dos isótopos? Justifica tu respuesta. 20 Escribe en tu cuaderno la configuración electrónica de los siguientes átomos: a) Al (Z = 13)

b) Ca (Z = 20)

c) V (Z = 23)

d) Br (Z = 35)

21 Uno de los aspectos que más llama la atención al observar una tabla periódica es la disposición tan bien diferenciada de los metales y de los no metales. a) Cita algunas de las propiedades características de los metales. ¿Dónde se sitúan en la tabla? b) ¿Qué elemento se encuentra en esa misma zona, aunque es un no metal?

22 Los elementos de un mismo grupo de la tabla periódica comparten propiedades químicas. Es el caso, por ejemplo, de los elementos del grupo 1. a) Enumera los elementos de este grupo. ¿Son metales o no metales? b) Consulta en la tabla el número atómico de Li, Na y K, y escribe su configuración electrónica. ¿Qué tienen en común estos tres elementos?

23 Los metales son muy buenos conductores de la electricidad. Justifica esta afirmación desde el punto de vista microscópico, considerando el tipo de enlace que presentan. La materia y sus transformaciones

24 Indica en tu cuaderno qué tipo de enlace se establece entre los átomos que forman las siguientes sustancias, muy comunes en nuestro entorno. Fíjate en sus propiedades y relaciónalas con el tipo de enlace. a) Hierro b) Vidrio

25 Dadas las siguientes sustancias químicas covalentes, escribe la configuración electrónica de los elementos que las forman y explica cómo se producen los enlaces en cada caso: a) Fluoruro de hidrógeno (HF) b) Agua (H2O)

26 Cuando añadimos una pastilla efervescente a un vaso de agua, da la impresión de que simplemente tiene lugar su disolución. Sin embargo, este es un ejemplo evidente de proceso químico. ¿Por qué sabemos que es una reacción química y no un cambio físico? 27 ¿Qué diferencia hay entre una reacción exotérmica y una endotérmica? Acompaña tu explicación indicando algún ejemplo de proceso exotérmico. 28 De acuerdo con la teoría de las colisiones, la transformación de los reactivos en productos se da cuando las partículas de aquellos chocan con la orientación adecuada y la energía suficiente, es decir, cuando tiene lugar un choque eficaz. Considerando esta teoría y la teoría cinético-molecular, justifica estos hechos relacionados con la velocidad de reacción: a) Las reacciones entre reactivos gaseosos se producen más rápido que entre líquidos o sólidos. b) Al disminuir la temperatura, una reacción química puede incluso detenerse.

29 Ajusta en tu cuaderno las siguientes ecuaciones, correspondientes a diversos procesos químicos, e interprétalas desde el punto de vista macroscópico: a) N2O5 (g) → NO2 (g) + O2 (g) b) Fe2O3 (s) + CO (g) → CO2 (g) + Fe (s) c) C8H18 (l) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)

30 En este proceso químico, representado gráficamente y mediante una ecuación química, hay dos errores. Indica cuáles son y escribe los coeficientes estequiométricos que faltan. NH3 (g) + O2 (g) → NO (g) + H2O (g)

H H

O H

La materia y sus transformaciones

N O O O

N O

N O H

N O

H H

31 El benceno es un hidrocarburo muy inflamable, cuya reacción de combustión en presencia de oxígeno es C6H6 (l) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g). a) Ajusta la ecuación química y escribe su relación de estequiometría molar. b) Calcula la masa molar de cada sustancia y escribe la relación de estequiometría en masa que corresponde al proceso. (Datos de masa atómica: C → 12; O → 16; H → 1). c) Calcula los gramos de oxígeno necesarios para poder quemar completamente 120 g de benceno.

32 La ecuación química que corresponde a la reacción de formación del amoníaco, ya ajustada, es 3 H2 (g) + N2 (g) → 2 NH3 (g). Indica si las afirmaciones son correctas o incorrectas: a) Por cada 3 moles de hidrógeno que reaccionan, se forman 2 moles de amoníaco. b) Por cada 3 g de hidrógeno que reaccionan, se requiere 1 g de nitrógeno. c) Para que la relación de estequiometría sea correcta, ha de cumplirse que el número total de moles de reactivos sea igual al de productos. d) A partir de 10 gramos de nitrógeno se obtienen 13 gramos de amoníaco.

33 Completa en tu cuaderno, escribiendo los productos que correspondan, esta reacción ácido-base, indicando cuál es el ácido y cuál la base. No olvides ajustar la ecuación química. HNO3 + Ca (OH)2 →

34 El pH es una magnitud que mide la acidez o basicidad de una sustancia. Investiga en tu libro de Física y Química la escala de pH y contesta las siguientes preguntas: a) ¿Qué valores de pH corresponden a las sustancias ácidas? ¿Y a las básicas? b) Si una sustancia no es ni ácida ni básica, ¿qué valor de pH le corresponde? c) ¿Cuál es el pH de un zumo de limón? ¿Y el de la lejía utilizada para limpiar y desinfectar?

Aplica tus conocimientos 35 El cobre es un excelente conductor de la corriente eléctrica. Esto, unido a su bajo coste de producción, hace que sea un material idóneo para fabricar cables. ¿Podrías explicar, atendiendo a su tipo de enlace químico, por qué este metal, al igual que otros metales, es tan buen conductor de la electricidad? 36 El oxígeno molecular (O2) del aire es una sustancia formada por dos átomos de oxígeno unidos mediante un enlace covalente. Explica, desde el punto de vista microscópico, cómo se produce este enlace. (Número atómico del O → 8). 37 En nuestro entorno más inmediato ocurren un gran número de reacciones químicas, tanto en el ámbito industrial como en el medio natural. Cita dos ejemplos de procesos físicos, y otros dos correspondientes a cambios químicos, justificando el criterio de clasificación utilizado. La materia y sus transformaciones

Practica la lectura científica

El análisis químico es una de las especialidades con más aplicaciones dentro del ámbito de la química. Consiste en la separación, identificación y cuantificación de sustancias químicas de interés en una determinada muestra. El análisis químico es una realidad muy presente en nuestro entorno. Diariamente se analizan muestras de suelo, agua, alimentos y casi de cualquier material; incluso se cuantifican las cantidades de determinadas sustancias en muestras biológicas, como la sangre o la orina, y en preparados alimenticios. Gracias a ello, disponemos de la información necesaria para controlar muchos procesos de fabricación, aplicar tratamientos médicos y garantizar la seguridad alimentaria. Pero ¿en qué se fundamenta el análisis químico? En esencia, podemos decir que se trata de una combinación de procesos físicos y químicos, dirigida a la detección y cuantificación de una determinada sustancia o de un grupo de ellas. Todo comienza con una fase previa de separación, llevada a cabo normalmente mediante procesos físicos de filtración, decantación, destilación, cristalización o cromatografía, o bien mediante algún proceso químico; uno de los más frecuentes es la precipitación, que consiste en hacer reaccionar la sustancia a detectar con otra, de modo que formen un producto insoluble que se pueda separar del resto por medio de una filtración. Una vez separadas y purificadas las sustancias que queremos analizar, se procede a su identificación y cuantificación con el fin de conocer su concentración. Para ello, se las suele someter a procesos químicos específicos. Por ejemplo, para determinar la presencia de plomo, que es un metal muy tóxico, se hace reaccionar la muestra con una sal binaria de yodo en disolución; así se obtiene un precipitado amarillo muy característico, que corresponde al yoduro de plomo formado. Si además queremos saber la cantidad de plomo, deberemos recurrir a instrumentos que registran la intensidad del color del precipitado.

38 ¿Qué son los análisis químicos? ¿Por qué son importantes en nuestra sociedad? 39 ¿Cuáles son las dos grandes etapas que comprende el análisis químico? 40 El proceso descrito en la lectura para detectar el plomo responde a la siguiente ecuación química: PbCl2 (ac) + KI (ac) → PbI2 (s) + KCl (ac) a) Ajusta la ecuación. b) Calcula las masas molares de las sustancias implicadas y escribe la relación de estequiometría en masa para la reacción. Para ello, consulta en la tabla periódica los datos de masa atómica necesarios. c) Calcula la cantidad de cloruro de plomo (II) presente en la muestra analizada, si tras el proceso se ha obtenido un precipitado de 0,02 g de yoduro de plomo.

41 Piensa en tu entorno y cita tres situaciones en las que es necesario realizar un análisis químico. Indica, en cada caso, las sustancias a identificar.

La materia y sus transformaciones

Trabaja con el ordenador 42 Investiga con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital la respuesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuáles son los últimos elementos químicos incorporados definitivamente al sistema periódico? b) ¿Qué organismo científico internacional se encarga de supervisar y aprobar la incorporación de nuevos elementos químicos a la tabla periódica? c) ¿Para qué se usa un cromatógrafo? Más información en internet Mediante esta dirección podrás acceder a una página web dedicada al estudio y aplicación de las reglas de la formulación en la química inorgánica. En ella encontrarás multitud de ejercicios resueltos y pruebas para poner en práctica los conocimientos que has adquirido. También podrás consultar la tabla periódica actualizada, hacer un recorrido por la historia de la nomenclatura química y visionar muchos vídeos interesantes sobre química. http://www.alonsoformula.com/inorganica

Autoevaluación 1 Explica el modelo actual del átomo e indica cómo es la estructura de un átomo cuyo número atómico es 12 y cuyo número másico es 25. 2 Dados los elementos Sr y Al, señala cuál de ellos tiene mayor carácter metálico, de acuerdo con su posición en la tabla periódica. 3 Explica cómo se produce, desde el punto de vista microscópico, la unión de los átomos de una molécula de amoníaco (NH3), sabiendo que es una sustancia covalente. (Números atómicos: N → 7; H → 1). 4 ¿Qué información proporcionan los coeficientes estequiométricos de una ecuación química? 5 Ajusta en tu cuaderno las siguientes ecuaciones químicas: a) N2 + H2 → NH3

e) H2SO4 + C → H20 + SO2 + CO2

b) H2O + Na → Na(OH) + H2

f) SO2 + O2 → SO3

c) BaO2 + HCl → BaCl2 + H2O2

g) NaCl → Na + Cl2

d) H2SO4 + NaCl → Na2SO4 + HCl

h) FeS2 → Fe3S4 + S2

6 Escribe las relaciones de estequiometría en moles y en masa para esta reacción química. Luego, calcula el número de moles de PbCl2 necesario para que se obtengan 2,8 moles de NaCl. PbCl2 (ac) + Na2S (ac) → PbS (s) + NaCl (ac) La materia y sus transformaciones

La química del carbono Los enlaces del carbono

Etano, C2H6

La versatilidad del carbono radica en su configuración electrónica: 1s2 2s2 2p2. Al tener cuatro electrones en la última capa, puede formar cuatro enlaces covalentes simples o enlaces covalentes múltiples.

• Enlace simple. Se produce cuando el átomo de carbono comparte uno de sus electrones con un electrón aportado por otro átomo, que puede ser también de carbono o bien de hidrógeno, oxígeno u otro elemento. Por ejemplo, es el caso del etano.

Eteno, C2H4

• Enlace doble. Se da cuando cada uno de los átomos que se unen aporta dos electrones para compartir. Un ejemplo es el eteno.

C H

• Enlace triple. Cada uno de los átomos que se enlazan aporta tres electrones. Por ejemplo, se da en el caso del etino.

Etino, C2H2

Clasificación de los compuestos orgánicos Dadas las diversas posibilidades del carbono para formar enlaces, la variedad de compuestos orgánicos es enorme. Para clasificarlos, uno de los criterios más útiles es considerar sus grupos funcionales. Se conoce una veintena de ellos, pero no todos tienen la misma importancia ni abundan por igual. Los compuestos orgánicos más importantes y sus grupos funcionales son:

Hidrocarburos

alcanos | | alifáticos: — C — C — | |

alquenos | | —C— —C— | |

alquinos —C— — —C—

aromáticos: son derivados del benceno (C6H6)

aminas | — C — NH2 |

aldehídos H | —C— —O

cetonas O —C—

ácidos carboxílicos O — —

Compuestos nitrogenados

alcoholes | — C — OH |

— —

Compuestos oxigenados

— C — OH

nitrilos | —N —C—C— |

La nomenclatura en química orgánica La nomenclatura de los compuestos orgánicos sigue unas reglas propias, diferentes a las que se utilizan para los compuestos inorgánicos. Estas reglas se basan en la asignación de prefijos numerales, para indicar el número de átomos de carbono en el compuesto, y de sufijos que hacen referencia a los grupos funcionales presentes en la molécula: 18

La química del carbono

Prefijo N.° de átomos de C

Met-

Ninguno

Et-

Alqueno

— C = C —

Prop-

Alquino

— C ≡ C —

Alquino

-ino

But-

Hidroxilo

— OH

Alcohol

-ol

Pent-

Carbonilo

— CO —

Cetona

-ona

Hex-

Formilo

— CHO

Aldehído

-al

Hept-

Carboxilo

— COOH

Ácido carboxílico

-oico

Oct-

Amino

— NH2 Amina -amina

Grupo funcional

Tipo de compuesto

Sufijo

Alcano

-ano

Alqueno

-eno

Si, además, el compuesto posee ramificaciones, estas se nombran siguiendo las mismas reglas, añadiendo la terminación -il y señalando el átomo de carbono en el que se hallan.

Hidrocarburos, alcoholes y ácidos De entre los millones de compuestos orgánicos conocidos hay algunos que destacan por su importancia. Es el caso de los hidrocarburos, compuestos formados únicamente por carbono e hidrógeno, que representan la principal fuente de energía no renovable utilizada hoy día. El petróleo es una de las fuentes de hidrocarburos más importantes. A partir de él se obtienen, mediante destilación fraccionada, tanto hidrocarburos de bajo peso molecular como otros formados por largas cadenas carbonadas. Otros compuestos orgánicos de interés son: • Los alcoholes, entre los que destaca el etanol o alcohol etílico, que usamos para desinfectar heridas y como combustible menos contaminante. Su grupo funcional es el hidroxilo (—OH). • Los ácidos carboxílicos, como el acético (presente en el vinagre) y el oleico (responsable de la acidez del aceite de oliva). Sus propiedades químicas vienen dadas por su grupo funcional, carboxilo (—COOH).

Macromoléculas y polímeros Las numerosas posibilidades de enlace del carbono consigo mismo o con otros elementos químicos permiten la formación, en algunos casos, de grandes moléculas.

Un polímero es una molécula formada por la unión de un gran número de moléculas más pequeñas e idénticas, denominadas monómeros. La molécula resultante es de gran tamaño y peso molecular, esto es, una macromolécula.

Los polímeros pueden ser naturales o sintéticos. Entre los primeros están el almidón y la celulosa, dos polisacáridos formados por la unión de muchas moléculas de glucosa. Entre los sintéticos destacan los plásticos y las fibras, como el poliestireno, el polipropileno y el nailon. Los polímeros y las macromoléculas que forman parte de los seres vivos son las biomoléculas: hidratos de carbono, proteínas y ácidos nucleicos, entre los que destaca el ADN, una macromolécula formada por más de 5 000 monómeros que almacena la información genética. La química del carbono

Actividades 43 Responde razonadamente a las siguientes cuestiones: a) ¿Es posible que un átomo de carbono forme cinco enlaces simples? ¿Y dos enlaces dobles? b) En una cadena carbonada, ¿puede formarse un enlace triple entre dos átomos de carbono?

44 Una fórmula molecular es aquella en la que solo se indica el número de átomos de cada elemento que forman el compuesto. En cambio, una fórmula desarrollada muestra cómo se distribuyen y unen todos los átomos. Dibuja una fórmula desarrollada para cada uno de los siguientes compuestos orgánicos: a) Propano (C3H8)

b) Metanol (CH3OH)

c) Propino (C3H4)

45 En cada una de estas fórmulas desarrolladas existe un error; corrígelo en tu cuaderno. a) b) H H H H | | | | — H—C— C — H H — C — C — C — —H | | | | H H H H

H | — C— —O —C—C— | | H H

46 ¿Cómo son los enlaces que forma el carbono en estas moléculas orgánicas?: a) Metano (CH4)

b) Etanal (CH3–CHO)

47 Identifica el grupo funcional característico que presenta cada uno de los siguientes compuestos orgánicos e indica a qué tipo pertenecen.

— CH2 b) d) CH3 — CH — CH3 — CH — CH3 | NH2

— —

e) CH3 — C — OH

— —

a) c) CH3 — CH — CH3 CH3 — C — CH2 — CH3 | OH O

O CH3 — C — —O | H

48 Algunos grupos funcionales se parecen y, sin embargo, confieren propiedades bien diferentes a los compuestos en los que se encuentran. Analiza detenidamente la estructura de estos grupos funcionales y explica la diferencia que existe entre ellos: a) Un aldehído y una cetona.

b) Un alqueno y un alquino.

49 Representa la fórmula desarrollada de cada uno de estos tres hidrocarburos e indica cuál corresponde a un alcano, cuál, a un alqueno y cuál, a un alquino. a) C3H6

b) C3H8

c) C3H4

50 Los isómeros son compuestos formados por los mismos átomos, que, sin embargo, presentan diferente estructura o grupos funcionales, y, por ello, tienen distintas propiedades. Escribe dos fórmulas desarrolladas que se correspondan con compuestos de 4 átomos de carbono y 10 átomos de hidrógeno, y nómbralos de acuerdo con las reglas estudiadas. 20

La química del carbono

51 Escribe en tu cuaderno el nombre de cada uno de los siguientes compuestos orgánicos: a) CH3 — CH2 — CH3

d) CH3 — CH2 — CH2 — CH2OH

b) CH3 — COOH

e) CH3 — CH2 — CH2 — CH3

c) CH3 — CH2 — CH = CH2

f) CH ≡ C — CH3

52 A partir de su nombre, escribe la fórmula desarrollada de cada uno de los siguientes compuestos orgánicos: a) Pentano

b) 2-metilbutano

53 Responde a las siguientes cuestiones relativas al petróleo: a) ¿Cuál es uno de los principales inconvenientes del uso de los combustibles derivados del petróleo como fuente de energía? b) ¿Qué alternativas energéticas existen actualmente al uso del petróleo?

54 En la actualidad, se está investigando el uso del bioetanol como combustible alternativo de los motores de combustión. Para ello, se obtienen grandes cantidades de dicha sustancia mediante procesos de fermentación alcohólica, a partir de materias primas agrícolas. a) Si el bioetanol es alcohol etílico (etanol), ¿cuál será su fórmula? b) ¿Podríamos considerar el bioetanol como un recurso energético inagotable? Justifica tu respuesta.

55 Cuando quemamos gas natural, uno de los principales hidrocarburos utilizados como fuente energética, tiene lugar la siguiente reacción de combustión: CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)

Calcula la cantidad de dióxido de carbono que se desprenderá a la atmósfera tras la combustión de 150 g de gas metano en una cocina. No olvides ajustar la ecuación química y consultar los datos de masa atómica en la tabla periódica.

56 ¿Son lo mismo una macromolécula y un polímero? ¿Cuál es la diferencia? 57 Los polímeros plásticos son muy variados, y sus aplicaciones, muy extensas. Trata de identificar objetos en cuya composición se incluyan los siguientes polímeros plásticos y señala alguna de sus propiedades características: a) Poliestireno

b) Teflón

c) Polietileno

58 La síntesis de proteínas en nuestro organismo se realiza a partir de unos monómeros esenciales que obtenemos a partir de las proteínas que ingerimos cada día. a) Investiga cuáles son esos monómeros. b) Cita algunos ejemplos de proteínas que cumplan una función relevante en nuestro organismo. La química del carbono

Aplica tus conocimientos 59 Hemos visto que el carbono es un elemento químico muy versátil, por lo que se encuentra formando parte de un gran número de compuestos. a) ¿Podemos afirmar que el carbono es el elemento más abundante de la naturaleza? Investiga antes de contestar y justifica tu respuesta. b) El carbón y el petróleo, que son combustibles fósiles, constituyen dos de las principales fuentes de hidrocarburos. ¿Podrías explicar por qué predomina en ambos este tipo de compuestos?

60 Uno de los combustibles más utilizados para realizar soldaduras a alta temperatura mediante sopletes es el acetileno (etino), cuya fórmula molecular es C2H2. Escribe la fórmula desarrollada correspondiente a una molécula de este compuesto, indicando qué tipo de enlaces existe entre sus átomos. 61 Las siguientes fórmulas corresponden a compuestos químicos orgánicos presentes en la leche y en el limón, respectivamente. Examina cada molécula e identifica los grupos funcionales que forman parte de ella y que le confieren sus propiedades características. a) Ácido láctico (en la leche): OH OH | | CH3 — CH — COOH CH3 — CH — COOH b) Citronela (responsable del aroma del limón): CH3 CH3 CH3 CH3 | | | — | CH3 — C — CH — CH2 — CH2 — CH — CH2 — CHO — CH — CH2 — CH2 — CH — CH2 — CHO CH3 — C —

62 De acuerdo con las reglas de nomenclatura, escribe el nombre de los siguientes compuestos orgánicos sencillos, que forman parte de nuestra vida cotidiana: a) CH3 — CH2OH (es un desinfectante sanitario) b) CH3 — CH2 — CH2 — COOH (produce olor a mantequilla rancia) c) H — COOH (responsable del escozor que provocan las ortigas) d) CH3 — CH2 — CH3 (utilizado como combustible doméstico) G

63 La química orgánica tiene un papel muy destacado en el ámbito artístico, tanto en la producción como en la conservación y restauración de obras pictóricas.

C T

A A

a) ¿Qué son los pigmentos? Cita algunos ejemplos.

b) ¿En qué consiste la pintura al óleo? ¿Qué producto natural se usa como base en esta técnica pictórica?

64 Fíjate en la siguiente representación de un fragmento de una molécula de ADN. En su estructura están señalados cuatro tipos de bases. Investiga en internet o en libros de Biología y escribe sus nombres. 22

La química del carbono

G C

G A C A

G T

Practica la lectura científica

¿Cómo sería nuestro mundo sin los plásticos? Es difícil imaginarlo. Para comprender su importancia en nuestro día a día, basta que mires a tu alrededor y compruebes que estamos rodeados de ellos: desde el bolígrafo con el que escribes, tu mochila escolar o la ropa que vistes, hasta muchos de los componentes de un teléfono móvil; ¡sin olvidar la multitud de embalajes, envases y envoltorios fabricados con plásticos! Desde que el plástico irrumpió en el mundo tecnológico, mostrando su alta versatilidad, facilidad de manipulación y bajo coste, se ha convertido en uno de los materiales más utilizados en la industria de consumo. Los primeros plásticos (parkesita, celuloide y ebonita) surgieron en la segunda mitad del siglo xix, pero su verdadero auge sobrevino cuando, en 1907, el holandés Leo Baekeland desarrolló un proceso industrial para la síntesis del primer plástico comercializado a gran escala, al que llamó baquelita. La baquelita se producía haciendo reaccionar fenol y formaldehído (metanal). Así se obtenía una resina que se endurecía a altas temperaturas y a la que se le podía dar la forma deseada. No era un material muy atractivo, debido a su color oscuro, pero resultaba bastante resistente al calor, por lo que se utilizó para la fabricación masiva de componentes eléctricos y de aparatos de radio y televisión. En los años siguientes, se multiplicaron los esfuerzos por desarrollar nuevos plásticos y, a mediados del siglo xx, ya existían procesos para sintetizar plásticos tan populares como el cloruro de polivinilo, más conocido como PVC (muy usado en pavimentos y cañerías), el polietileno (PET) y el poliestireno (estos últimos, utilizados en la fabricación de recipientes y envases). En la actualidad se conocen multitud de procesos de polimerización, de modo que disponemos casi de un polímero plástico o una fibra sintética para cada uso. Sin embargo, este empleo masivo presenta graves inconvenientes. Por un lado, la principal materia prima para la síntesis de la mayor parte de los plásticos es el petróleo, que no deja de ser un recurso limitado; por otro lado, los plásticos son materiales no biodegradables, y, al ser desechados, contaminan el medio y ocupan espacio en los vertederos. Por todo ello, debemos tomar conciencia acerca de la necesidad de racionalizar el consumo de plásticos y de contribuir a su reciclaje mediante la recogida selectiva.

65 Responde a las siguientes cuestiones, relativas al texto que acabas de leer. a) ¿Cuándo se obtuvieron los primeros plásticos? ¿Cuáles fueron? b) ¿Cuál fue el primer plástico de uso industrial? ¿Quién lo descubrió y cuándo? c) ¿Qué plástico se utiliza para la fabricación de cañerías y pavimentos?

66 El uso de plásticos a gran escala plantea graves inconvenientes. a) ¿Cuáles son esos inconvenientes? b) ¿Qué soluciones o medidas podrían adoptarse para paliarlos?

67 Examina la etiqueta informativa de tres prendas de vestir e indica cuál es su porcentaje de fibras sintéticas. Reflexiona sobre la importancia de este tipo de fibras. La química del carbono

Trabaja con el ordenador 68 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, la respuesta a las siguientes cuestiones: a) ¿A qué grupo de biomoléculas pertenecen los azúcares? b) La sacarosa, el azúcar que consumimos habitualmente, es un disacárido que está formado por dos monosacáridos. ¿Cuáles? c) ¿Cuál es el monómero constituyente del teflón?

Más información en internet En esta dirección podrás encontrar datos interesantes sobre la formación del petróleo y sobre los procesos para su localización y extracción. http://www.mipatagonia.com/regiones/chubut/comodoro_rivadavia/museo_ del_petroleo/tecnologia/tec_frames.htm

Autoevaluación 1 Contesta razonadamente: a) ¿Por qué el carbono es uno de los elementos más versátiles a la hora de formar compuestos químicos? b) En relación con los enlaces que unen a dos átomos de carbono, ¿cuál es la diferencia entre un enlace covalente simple y uno doble?

2 Explica qué enlaces se dan entre los átomos de una molécula de eteno (CH2= CH2). 3 ¿Qué es un grupo funcional? ¿En qué se parecen y en qué se diferencian un aldehído y un ácido? 4 Escribe enCH tu— cuaderno de— cada uno los siguientes compuestos orgánicos: CH — CH3el nombreCH CH3 — CH — CHde — 3 2 — CH2 — CH3 — CH — CH3 a) CH3 — CH — b) CH3 — CH2 — CH2OH

H3 — CH — — CH — CH3

H3 — CH2 — CH2OH

| CH3 — CH — CH2 — CH2 — CH3 CH | 3 CH3

CH3 — CH2 — CH2OH c) CH — CH — CH — CH — CH 3 2 2 3 | CH3

5 Los hidrocarburos constituyen uno de los grupos más importantes de compuestos orgánicos. ¿Qué son? ¿Cuál es la principal fuente natural de la que se obtienen? La química del carbono

El movimiento. Cinemática Descripción del movimiento El movimiento es un fenómeno físico, pues la naturaleza de los cuerpos que se mueven no cambia. El movimiento es relativo, es decir, implica asumir un punto de referencia. Decimos que un objeto se encuentra en movimiento cuando cambia de posición con respecto a un punto fijo tomado como referencia. Al cuerpo en movimiento lo denominamos móvil.

Para describir el movimiento, se utilizan las siguientes magnitudes: • Posición: lugar en el que se encuentra el móvil respecto al punto de referencia. En el caso de un movimiento rectilíneo, la llamaremos x, y será positiva si el móvil se encuentra a la derecha del punto de referencia y negativa si está a su izquierda. • Desplazamiento (Δx): diferencia entre dos posiciones del móvil correspondientes a dos instantes de tiempo. Se calcula por medio de la fórmula: Δx = x2 – x1. • Trayectoria: línea imaginaria, rectilínea o curvilínea, que une las posiciones que recorre el móvil. • Espacio recorrido (s): distancia que ha recorrido el móvil en un cierto intervalo de tiempo, medida sobre la trayectoria.

Velocidad y aceleración La velocidad media (vm) se define como el cociente entre desplazamiento e intervalo de tiempo. Su unidad en el SI es el m/s, aunque también se expresa en km/h.

vm =

Δx x – x1 = 2 Δt t2 – t1

Además de la velocidad media, también es posible definir la velocidad instantánea: aquella que tiene el móvil en un instante de tiempo dado. Según la velocidad, los movimientos se pueden clasificar en: • Uniformes: aquellos cuya velocidad es constante. • Variados: aquellos cuya velocidad no es constante. Pueden ser acelerados, si la velocidad aumenta, o retardados, si disminuye.

En los movimientos variados, el cambio de la velocidad se mide mediante la aceleración. La aceleración media (am) se define como el cociente entre la variación de velocidad experimentada por el móvil y el intervalo de tiempo. Su unidad en el SI es el m/s2.

am =

Δv v – v1 = 2 Δt t2 – t1

A partir de los datos de posición del móvil en distintos instantes de tiempo, es posible calcular su velocidad y su aceleración. El movimiento. Cinemática

Movimiento rectilíneo uniforme (mru) Cuando un móvil se desplaza en línea recta, decimos que tiene un movimiento rectilíneo; si además, en cada intervalo de tiempo recorre siempre la misma distancia y mantiene su velocidad constante, el movimiento es rectilíneo uniforme.

Un movimiento rectilíneo uniforme (mru) es aquel en el cual el móvil se mueve en línea recta y con una velocidad constante.

La ecuación de un movimiento rectilíneo uniforme relaciona la posición del móvil con el tiempo, a través de una dependencia lineal: x = x0 + v · t donde x0 es la posición del móvil en el instante inicial (t = 0) y v es su velocidad.

Movimiento rectilíneo uniformemente variado (mruv) Con frecuencia, los móviles no siguen un movimiento rectilíneo uniforme, sino que su velocidad aumenta o disminuye en ciertos intervalos de tiempo; es el caso, por ejemplo, de un vehículo que acelera cuando inicia la marcha y que frena para detenerse en un semáforo. Decimos entonces que el movimiento es variado.

Un movimiento rectilíneo uniformemente variado (mruv) es aquel cuya trayectoria es una línea recta y cuya velocidad aumenta o disminuye de forma constante a lo largo del tiempo.

Las ecuaciones de posición y velocidad que permiten definir este tipo de movimiento son las siguientes: x = x0 + v0 · t +

1 · a · t2 2

v = v0 + a · t donde x0 y v0 son la posición y la velocidad iniciales, respectivamente, y a es la aceleración. Si el movimiento es uniformemente variado, la aceleración tiene un valor constante y las ecuaciones anteriores pueden utilizarse para calcular la posición y la velocidad del móvil en un instante determinado de tiempo. Además, combinando adecuadamente estas ecuaciones (despejando el tiempo de la segunda y sustituyendo en la primera), se obtiene una tercera ecuación que relaciona directamente la posición y la velocidad: v2 = v 20 + 2 · a · (x – x0) 26

El movimiento. Cinemática

Gráficas de movimiento Además de las ecuaciones de posición y velocidad, otra forma de estudiar los movimientos consiste en representar gráficamente la posición del móvil o su velocidad frente al tiempo. Las gráficas resultantes son características de cada tipo de movimiento: x (m)

x (m)

v tref

tref

t (s)

Movimiento rectilíneo y uniforme

tref

t (s)

Movimiento uniformemente acelerado

Movimiento uniformemente retardado

Para interpretar estas gráficas, han de considerarse los siguientes aspectos: • El punto de corte con el eje de abscisas indica el instante en que el móvil pasa por el punto de referencia, mientras que el corte con el eje de ordenadas señala el valor de la posición inicial. • La pendiente es la velocidad del móvil. • La gráfica de un mru es una línea recta (velocidad constante); en cambio, en el mruv son ramas de parábola, pues la dependencia x-t no es lineal, sino cuadrática.

La caída libre Un objeto en caída libre describe un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado cuya aceleración viene dada por el valor de la gravedad (g), que en la superficie de la Tierra es de aproximadamente 9,8 m/s2.

Observa que, en todos los casos, la aceleración de caída está determinada por el valor de la gravedad, con independencia de la masa del objeto que cae. De acuerdo con esto, y considerando constante dicho valor de aceleración, las ecuaciones que rigen el movimiento de caída libre de un objeto pueden expresarse como un caso particular de las del movimiento uniformemente acelerado. Las ecuaciones de un movimiento de caída libre son: s = s0 + v0 · t +

1 · g · t2 2

v = v 20 + g · t v2 = v 20 + 2 · g · (s – s0)

Donde s es el espacio recorrido por el móvil en su caída, v es su velocidad, y s0 y v0, el espacio inicial y la velocidad inicial, respectivamente. El movimiento. Cinemática

Movimiento circular uniforme (mcu) Según la trayectoria que describen, los movimientos se clasifican en rectilíneos y curvilíneos. Un caso particular de movimiento curvilíneo es el movimiento circular. Para describir matemáticamente un movimiento de este tipo, es necesario definir nuevas magnitudes: el ángulo recorrido, que representa el giro del móvil, y la velocidad angular, que cuantifica la rapidez del movimiento. El ángulo recorrido (φ) y la velocidad angular (ω) se definen mediante estas expresiones: φ=

φ2 – φ1 Δφ s = ,ω = R t2 – t1 Δt

donde R es el radio de la trayectoria y s, el arco recorrido por el móvil. El ángulo se mide en radianes (2π rad = 360º) y la velocidad angular, en rad/s (o s–1). La ecuación del movimiento circular uniforme es la siguiente: φ = φ0 + ω · t Como muestra la ecuación anterior, existe una dependencia lineal entre el ángulo recorrido por el móvil y el tiempo, análoga a la que existe entre la posición y el tiempo para un movimiento rectilíneo y uniforme.

Actividades 69 Los movimientos se clasifican atendiendo a varios criterios. Uno de ellos es la trayectoria, a partir de la cual se distingue entre movimientos rectilíneos y curvilíneos. a) Explica qué se entiende por trayectoria. b) Pon dos ejemplos de movimiento rectilíneo y dos ejemplos de movimiento circular.

70 Como ya has estudiado, el lugar que ocupa un móvil en cada instante se indica mediante una magnitud a la que se le asignan un valor y un signo. a) ¿De qué magnitud se trata? ¿Qué significado tiene el signo en el caso de un movimiento rectilíneo? b) Tomando como referencia el semáforo, escribe en tu cuaderno el valor de la posición del ciclista, con su signo, en cada uno de los puntos indicados.

71 Calcula el desplazamiento del coche en estos casos e interpreta el significado del resultado que has obtenido. A

El movimiento. Cinemática

72 ¿Es lo mismo desplazamiento que espacio recorrido? Explícalo con algún ejemplo. 73 Un móvil, que en el instante t1 = 20 s se mueve a una velocidad de 12 m/s, acelera de modo que, en el instante t2 = 24 s, su velocidad es de 16 m/s. Calcula el valor de su aceleración. 74 Observa estas dos situaciones y calcula el valor de la aceleración en cada caso. A

t1 = 5 s v1 = 2 m/s

t2 = 15 s v2 = 8 m/s

t1 = 5 s v1 = 8 m/s

t2 = 15 s v2 = 2 m/s

¿Qué significa el signo de la aceleración? Explícalo a partir del ejemplo.

75 Un ciclista se desplaza a una velocidad constante de 6 m/s. a) Calcula la posición en la que se encontrará a los 2 minutos de comenzar a contar el tiempo, si en el instante inicial se hallaba 40 m a la derecha del punto de referencia. b) Si el ciclista sigue moviéndose a la misma velocidad, ¿en qué instante se situará a 1 km del punto de referencia?

76 El movimiento de un objeto que se desplaza por una superficie horizontal queda descrito por la siguiente ecuación: x = –20 + 4 · t. a) ¿Corresponde la ecuación a un movimiento uniforme? ¿Por qué? b) ¿Cuál es la posición inicial del móvil? ¿Y su velocidad? c) ¿En qué posición se encontrará el móvil en el instante t = 15 s? d) ¿En qué instante se situará el móvil a 40 m a la derecha del punto de referencia?

77 Escribe la ecuación que expresa el siguiente movimiento: Punto de referencia v = 15 m/s

30 m

78 Desde un punto de vista matemático, decimos que, en un movimiento uniforme, la dependencia entre la posición y el tiempo es lineal porque en sus ecuaciones ambas magnitudes están elevadas a la unidad. ¿Es lineal la dependencia entre la posición y el tiempo en un movimiento uniformemente variado? Explícalo. El movimiento. Cinemática

79 Interpreta las siguientes ecuaciones de un movimiento uniformemente variado, indicando el valor de la posición inicial, la velocidad inicial y la aceleración. x = –60 + 10 · t + 2 · t 2

v = 10 + 4 · t

80 Un vehículo que circula a una velocidad de 18 m/s comienza a frenar con una aceleración de –1,2 m/s2 cuando pasa junto a un buzón de correos, pues se está aproximando a un semáforo en ámbar. Calcula la posición de este vehículo respecto al buzón y su velocidad a los 2 segundos de comenzar a frenar. 81 Un móvil, que se sitúa 50 m a la izquierda del punto de referencia y se mueve con una velocidad de 2 m/s, acelera de modo que, en 5 segundos, su velocidad pasa a ser de 7 m/s. a) Calcula la aceleración del móvil. b) Escribe las ecuaciones de su movimiento. c) Calcula el valor de su posición a los 3 segundos de comenzar a acelerar.

82 ¿Qué diferencias hay entre la gráfica de posición de un movimiento uniforme y la de un movimiento uniformemente variado? ¿Y entre la de un movimiento acelerado y uno retardado? ¿En qué se parecen? 83 Interpreta la siguiente gráfica, extrayendo de ella toda la información posible. a) ¿De qué tipo de movimiento se trata?

x (m)

400

b) Calcula su velocidad. c) Escribe la ecuación de posición correspondiente. d) Calcula la posición del móvil a los 75 s.

t (s)

84 De la fachada de un edificio, situada a 9 m sobre el suelo, se desprende un trozo de cornisa y cae libremente. Teniendo en cuenta la ecuación de posición correspondiente, calcula el tiempo que tardará en alcanzar el suelo. 85 Desde una ventana, situada a 10 m, un chico lanza un balón con una velocidad inicial de 6 m/s a un amigo que está en la calle y lo va a recoger. Considerando que, desde que es lanzada, la pelota describe un movimiento de caída libre. a) ¿De cuánto tiempo dispone el amigo para reaccionar y coger el balón? b) ¿Con qué velocidad le llega?

86 Una peonza gira dando 6 vueltas por segundo a velocidad constante: a) ¿Qué ángulo, en radianes, corresponderá al giro de las 6 vueltas? b) ¿Cuál será la velocidad angular de la peonza? c) ¿Qué ecuación describirá el movimiento de esta peonza?

El movimiento. Cinemática

Aplica tus conocimientos 87 Imagina que subes por la escalera mecánica de un centro comercial. En ese momento, ¿te encuentras en movimiento o no? Explica tu respuesta justificando tus conclusiones. 88 En una estación de tren, tomando como punto de referencia el andén, indica de forma matemática la posición del tren en estos casos: a) El tren ha partido y está a 200 m de la estación. b) El tren, que se aproxima al andén, está a 50 m. c) El tren está detenido en la parada del andén.

89 Ana y Juan han salido de compras por su barrio. Iniciaron su movimiento en el portal de la casa de Ana; luego fueron a diversas tiendas y regresaron al mismo portal. a) ¿Podemos afirmar que el espacio recorrido por estos amigos ha sido nulo? ¿Por qué? b) ¿Podemos afirmar que el desplazamiento ha sido nulo? ¿Por qué? c) ¿Qué diferencia hay entre ambas magnitudes? ¿Pueden ser iguales?

90 A partir de los datos que se indican, calcula la velocidad media del coche en las posiciones 1 y 2, y el valor de la aceleración media entre esos dos puntos.

x0 = t0 = 0 s

x1 = t1 = 10 s

x2 = t2 = 20 s

91 Un avión que se encuentra en la cabecera de la pista inicia la maniobra de despegue, de modo que, en 15 segundos, alcanza una velocidad de 72 m/s. a) Calcula la aceleración del avión y escribe sus ecuaciones de movimiento, tomando como referencia la cabecera de la pista. b) Calcula la posición del avión respecto a la cabecera de la pista 5 segundos después de que iniciara la marcha. ¿Cuál será su velocidad en ese instante?

92 Una madre deja caer por la ventana las llaves de casa a su hijo, que espera en la acera. Si las llaves caen desde una altura de 6 m, ¿cuánto tiempo tardarán en llegar al suelo? 93 Un chico observa que el plato de un microondas tarda 5 segundos en completar media vuelta. Calcula, en radianes, a qué ángulo corresponde ese giro y la velocidad angular del plato. 94 Un objeto describe un movimiento circular cuya ecuación de movimiento es la siguiente: ϕ = 25 · t ¿Cuál será la velocidad angular de este móvil? Interpreta su significado. El movimiento. Cinemática

Practica la lectura científica

Preparados, listos, ¡ya! Se oye el pistoletazo de salida y, entre el clamor de los espectadores, los atletas comienzan una carrera vertiginosa. Se disputa la tan esperada final de los 100 metros lisos, en la que los mejores corredores del mundo demuestran su capacidad para recorrer esa distancia en poco más de 9 segundos. Es una de tantas manifestaciones del afán de superación del ser humano. Pensemos, por ejemplo, en lo que el desarrollo tecnológico ha supuesto para los medios de transporte. Con sus escasos 20 caballos de potencia, los coches de principios del siglo xx apenas alcanzaban velocidades de 70 km/h y su autonomía era muy corta. En cambio, los coches actuales alcanzan velocidades de 120 km/h con total facilidad, gracias a sus potentes motores, probados y mejorados por los fabricantes en prototipos como los de la Fórmula 1. Con sus 2 400 cm3 y más de 16 000 revoluciones por minuto, un monoplaza de competición alcanza velocidades punta superiores a los 300 km/h y pasa de 0 a 100 km/h en apenas 2,4 segundos. Este interés por disminuir el tiempo de los desplazamientos se traslada también a los medios de transporte colectivos, como el ferrocarril. ¿Dónde han quedado aquellos trenes clásicos que tardaban horas y horas en recorrer distancias que hoy día consideramos irrisorias? Ya no nos acordamos de ellos, acostumbrados a viajar en modernos trenes de alta velocidad, capaces de recorrer una distancia de 400 kilómetros en menos de dos horas. Pero incluso estos trenes miran con envidia a los insuperables Maglev, trenes que, al levitar sobre potentes imanes superconductores, eluden las pérdidas de energía por rozamiento y alcanzan velocidades de 540 km/h. Y si estas cifras nos resultan sorprendentes, ¿qué podemos pensar de la aviación? Si volamos en un avión comercial, apenas sentiremos que nos movemos, pese a viajar a más de 900 km/h. Con todo, no parecerá una velocidad tan elevada si la comparamos con la de un caza de combate, que puede duplicar e incluso triplicar la velocidad del sonido. Pero lejos de conformarse, el ser humano aspira a superar este reto: el prototipo X-43 A de la NASA fue capaz de superar, durante unos 10 segundos, la increíble velocidad de 3 000 m/s.

95 Responde en tu cuaderno a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué ha supuesto el desarrollo tecnológico para los medios de transporte? b) ¿Qué récord de velocidad consiguió la NASA en una de sus pruebas?

96 El ganador de una carrera de 100 metros lisos consiguió recorrer esa distancia en un tiempo de 10,12 s. ¿Cuál fue su velocidad media? 97 ¿Cuál es la aceleración media de un vehículo de Fórmula 1, expresada en la unidad del SI? Extrae de la lectura los datos necesarios. 98 Un tren de alta velocidad es capaz de recorrer 400 km en 1 hora y 40 minutos. ¿Cuál será la velocidad media de ese tren en km/h? ¿Y en m/s? 99 Si el prototipo X-43 A pudiera mantener su velocidad durante todo el vuelo, ¿cuánto tiempo invertiría en dar la vuelta a la Tierra? (Radio terrestre: 6 370 km). 32

El movimiento. Cinemática

Trabaja con el ordenador 100 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, para dar respuesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuál es el límite de velocidad en las carreteras españolas? b) ¿Qué distancia de frenado necesitará un vehículo que circula a 100 km/h para detenerse por completo en el asfalto seco? ¿Y si el firme está mojado por la lluvia? c) ¿Cuál es la velocidad angular de la broca de un taladro? Más información en internet En esta dirección, que corresponde a la web oficial de la Dirección General de Tráfico, podrás encontrar cuestiones de educación vial especialmente dirigidas a jóvenes como tú, con normativas, información diversa y juegos. http://www.dgt.es/es/seguridad-vial/educacion-vial/recursos-didacticos/jovenes

Autoevaluación 1 Calcula la velocidad media de un vehículo que, en el instante inicial, se encuentra 20 m a la izquierda del punto de referencia, si 15 s después, se sitúa 40 m a la derecha de dicho punto. 2 Imagina un coche que circula por una carretera a 54 km/h y, de pronto, comienza a acelerar con una aceleración de 1,25 m/s2. Calcula cuánto tiempo tardará en adquirir una velocidad de 81 km/h. 3 Interpreta razonadamente lo que ocurre en cada uno de los tramos de la siguiente gráfica de movimiento: x (m)

100

t (s)

4 ¿Cuánto tiempo tarda en llegar al suelo una naranja que cae desde la rama de un naranjo, situada a 1,8 m de altura? 5 Calcula la velocidad angular de las ruedas de un coche que circula a 70 km/h, sabiendo que tienen un diámetro de 70 cm. El movimiento. Cinemática

Las fuerzas. Dinámica Las fuerzas. Carácter vectorial Numerosos fenómenos físicos, como el movimiento de los cuerpos o su deformación, son causados por las fuerzas, tanto de contacto como a distancia. Una fuerza es toda causa capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un sistema material o de producir deformaciones en él. Su unidad de medida en el SI es el newton (N). La fuerza es una magnitud vectorial: sus efectos no solo dependen de su valor, sino también del punto en el que se aplique y de la dirección en la que se ejerza. Se representa, por tanto, mediante un vector. Un vector es un segmento orientado que posee un punto de aplicación, una dirección, un sentido y un módulo (longitud).

Punto de aplicación. Es el origen del vector.

Sentido. Indica hacia dónde se dirige el vector.

Módulo. Es la longitud del vector.

Dirección. Es la recta sobre la que se sitúa el vector.

Cuando sobre un sistema actúan dos o más fuerzas a la vez, la resultante (FR) de todas ellas se calcula sumando sus vectores. Si tienen la misma dirección, se suman o se restan sus módulos, según el sentido de ambas, y si son de distinta dirección, la resultante (que es la diagonal del paralelogramo que forman) se obtiene mediante un cálculo matemático más complejo.

Medida de las fuerzas Para medir el valor de una fuerza se usa el dinamómetro, que es un sencillo aparato provisto de un muelle cuyo estiramiento se relaciona proporcionalmente —mediante una escala apropiada— con el valor de la fuerza aplicada sobre él para deformarlo. Esta relación fue establecida en el siglo xvii por el físico inglés Robert Hooke y sirve para todo cuerpo elástico, es decir, para aquellos que recuperan su forma cuando la fuerza cesa. Ley de Hooke. El alargamiento experimentado por un cuerpo elástico es directamente proporcional al valor de la fuerza aplicada para deformarlo,

F = k Δl

donde F es la fuerza aplicada, medida en N, y Δ l = l2 – l1 representa el estiramiento del muelle, expresado en metros. Por su parte, k es la constante de proporcionalidad, cuya unidad de medida es N /m, y tiene un valor característico para cada muelle (según su mayor o menor elasticidad). 34

Las fuerzas. Dinámica

La presión y el principio de Pascal Las fuerzas pueden modificar el estado de movimiento de un cuerpo o bien deformarlo. En este caso, además del valor de la fuerza, hay que tener en cuenta la superficie sobre la que se aplica.

La presión (p) se define como la fuerza por unidad de superficie y se calcula mediante el cociente entre la fuerza ejercida y la superficie sobre la que actúa:

F S

En el SI, la presión se mide en pascales (1 Pa = 1 N/m2). Se trata de una magnitud muy importante en los sistemas físicos líquidos y gaseosos. Dos destacados ejemplos son: • La presión atmosférica, que es la ejercida por la atmósfera sobre la superficie terrestre. Se suele expresar con unidades propias, como el bar, el milímetro de mercurio (mmHg) y la atmósfera (atm). La presión normal a nivel del mar es de 760 mmHg = 1 atm = 1013 mbar. • La presión hidrostática, que es la ejercida por un líquido sobre los cuerpos situados en su seno. Se calcula como el producto de la altura de la columna de líquido por su densidad y el valor de la gravedad: p = h · d · g. Por otra parte, numerosas aplicaciones tecnológicas, como la prensa hidráulica o la jeringa, se basan en este importante principio.

Principio de Pascal. Si se ejerce presión en un punto de un líquido en reposo, esta se transmite por igual al resto de los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene.

Principio de Arquímedes. Flotación La ley que rige la flotación de los cuerpos en líquidos y gases se conoce desde muy antiguo y se atribuye a Arquímedes de Siracusa, genio griego del siglo iii a. C. Principio de Arquímedes. Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza vertical hacia arriba, a la que llamamos fuerza de empuje (E), cuyo valor es igual al peso del volumen de fluido desalojado por el cuerpo. Es decir:

E = Vsumergido · dlíquido · g

El hecho de que un cuerpo flote o no dependerá, por tanto, de la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él, que habitualmente son el empuje E y su peso (P = m · g). Por tanto: • Si el peso del objeto es mayor que el empuje: la resultante es una fuerza vertical hacia abajo, que hace que el cuerpo se hunda. • Si el peso y el empuje son iguales en módulo: la resultante es nula, por lo que el cuerpo queda en equilibrio y se mantiene en la misma posición. • Si el peso del objeto es menor que el empuje: la resultante es una fuerza vertical hacia arriba, que hace emerger el cuerpo. Las fuerzas. Dinámica

Leyes de la dinámica La dinámica es la parte de la física que se ocupa del estudio de la relación entre las fuerzas y el movimiento. Se basa en tres leyes, enunciadas por dos grandes genios de la física: el italiano Galileo Galilei y el inglés Isaac Newton, entre los siglos xvi y xvii.

Las leyes de la dinámica son tres: • Primera ley (principio de inercia). Un cuerpo se mantiene en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme si la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él es cero. • Segunda ley (ley de Newton). Si sobre un cuerpo actúa una fuerza resultante distinta de cero, dicho cuerpo experimenta una aceleración directamente proporcional a la fuerza aplicada e inversamente proporcional a su masa: FR = m · a • Tercera ley (principio de acción y reacción). A toda fuerza ejercida por un cuerpo sobre otro (acción) le corresponde otra igual en módulo, pero de sentido contrario (reacción), ejercida por el segundo cuerpo sobre el primero.

Así, de acuerdo con la primera ley, si un cuerpo está en movimiento, y sobre él no actúa ninguna fuerza o la suma de todas las fuerzas que actúan es cero, seguirá moviéndose indefinidamente con un movimiento rectilíneo uniforme; en cambio, si la resultante de las fuerzas que actúan es distinta de cero, su movimiento será uniformemente acelerado o retardado. La tercera ley, aunque algo difícil de comprender, permite justificar aplicaciones como el funcionamiento de los motores a reacción.

Fuerzas en movimientos horizontales y verticales La segunda ley de la dinámica permite resolver una gran cantidad de situaciones reales, en las que, a partir del valor de las fuerzas implicadas, es posible calcular la aceleración de un movimiento. La situación más habitual consiste en que, sobre un sistema, actúen varias fuerzas; por eso resulta útil representarlas gráficamente, para poder calcular el valor de la resultante.

N=P

Fr = μN = μmg

Fimpulsora

Dos casos muy comunes son: • Movimiento horizontal: además de la fuerza impulsora, suele existir una fuerza de rozamiento, contraria al movimiento, que se calcula multiplicando el coeficiente de rozamiento (μ) por la masa y el valor de la gravedad (Frozamiento = μ · m · g). • Movimiento vertical: pueden actuar dos fuerzas: la fuerza impulsora de un motor, a favor del movimiento, y el peso del objeto (P = m · g), que actuará como una fuerza contraria al movimiento.

P=m·g

Fmotor

P=m·g

FR = Fmotor – P

Las fuerzas. Dinámica

Fuerzas en el movimiento circular Otro de los casos que podemos resolver aplicando las leyes de la dinámica es aquel en el que un cuerpo describe un movimiento circular. El movimiento circular está producido por una fuerza centrípeta, en la dirección del radio de la trayectoria y dirigida hacia el centro, cuyo valor viene dado por el producto de la aceleración centrípeta y la masa: Fc = m · a =

m · v 2 R

Fcentrífuga

Como consecuencia, el móvil experimenta una fuerza centrífuga del mismo módulo y sentido contrario.

Fcentrípeta

Son ejemplos de fuerzas centrípetas la tensión de una cuerda, si el objeto que gira está atado, o la fuerza gravitatoria, en el caso de los planetas que giran alrededor del Sol. Es importante tener en cuenta que la fuerza centrípeta y la centrífuga no son un par acción-reacción, pues actúan sobre el mismo cuerpo.

Actividades 101 ¿Cuál será el valor de la fuerza neta resultante en cada uno de estos casos? Representa, mediante un dibujo, las fuerzas que actúan y la resultante. a) Sobre un cuerpo actúan dos fuerzas de igual dirección y sentido contrario, de 6 N y 2 N. b) Sobre un sistema actúan dos fuerzas de 10 N y 12 N, en horizontal y hacia la derecha, y otra fuerza de 15 N en dirección horizontal pero en sentido contrario a las anteriores.

102 Sobre un cuerpo actúan simultáneamente dos fuerzas, una de 10 N y otra 15 N, que forman entre sí un ángulo de 90 grados. Representa ambas fuerzas y calcula gráficamente la resultante. Determina también su módulo. F1 = 12 N

103 Fíjate bien en el siguiente sistema físico, en el cual cuatro fuerzas actúan a la vez sobre un cuerpo. Calcula, tanto de forma gráfica como matemática, el valor de la resultante.

F3 = 15 N

F4 = 5 N

F2 = 3 N

104 Aplicando la ley de Hooke, calcula qué fuerza será necesaria para estirar 10 cm un muelle cuya constante es de 160 N/m. Pon atención a las unidades de longitud. 105 Juan Antonio está realizando una experiencia en el laboratorio con un muelle de constante elástica k1 = 300 N/m, mientras que Ana lleva a cabo la misma experiencia con un muelle cuya constante elástica es k2 = 150 N/m. a) ¿Cuánto se estirará cada muelle si se ejerce sobre ambos una fuerza de 15 N? b) De acuerdo con lo anterior, ¿podemos afirmar que, cuanto mayor es el valor de la constante elástica del muelle, este se estira con más facilidad? Las fuerzas. Dinámica

106 En la primera planta de un edificio van a colocar un aparato muy pesado que se sostiene sobre cuatro patas metálicas. Cuando llega el supervisor de la instalación, advierte que el aparato no debe situarse directamente sobre el suelo, sino que hay que colocar una plancha de acero entre las patas y el suelo. ¿Podrías explicar por qué? 107 ¿En cuál de las siguientes situaciones es mayor la presión ejercida? a) Una fuerza de 30 N actúa sobre una superficie de 0,04 m2. b) Una fuerza de 20 mN actúa sobre una superficie de 2 cm2.

108 Si tenemos una prensa hidráulica con dos pistones de superficies 100 cm2 y 1 m2, y se ejerce una fuerza de 250 N sobre el pistón menor. ¿Qué presión se ejerce sobre dicho pistón? Si esta presión, según el principio de Pascal, se trasmite al otro pistón, ¿qué fuerza ejerce este pistón mayor sobre un objeto colocado sobre él? 109 Un depósito de agua, que tiene una altura de 4 m, se encuentra completamente lleno. ¿Cuál será el valor de la presión hidrostática ejercida por el agua sobre el fondo del recipiente? (Densidadagua = 1 g/cm3 = 1 000 kg/m3). 110 Todos sabemos que los balones de playa, los flotadores o las colchonetas son objetos que flotan fácilmente en el agua, tanto que incluso los utilizamos para sostener nuestro propio peso sin hundirnos. ¿Podrías elaborar una explicación razonada para este hecho, de acuerdo con lo estudiado? 111 Es posible que te hayas dado cuenta de que en el agua del mar flotas con mayor facilidad que en la de la piscina. ¿Concuerda este fenómeno con el principio de Arquímedes? Justifica tu respuesta. 112 ¿Cuál de los objetos de la imagen sufrirá una fuerza de empuje mayor en cada caso? ¿Por qué? a)

b) 1

dHg = 13,6 g /cm3

dH O = 1 g /cm3 2

113 Se introduce en agua un cuerpo de 2 500 g de masa y 3 200 cm3 de volumen. ¿Flotará o se hundirá? Calcula el valor de todas las fuerzas que actúan sobre el objeto y justifica tu respuesta de acuerdo con los resultados obtenidos. 114 Imagina la siguiente situación: una nave espacial despega de la Tierra y se aleja hasta un punto en el cual ya podemos considerar que prácticamente no actúa ninguna fuerza de atracción gravitatoria sobre ella, momento en el que detiene sus motores por completo. ¿Conservará la nave la velocidad que lleva o se irá deteniendo poco a poco? Explica qué ocurrirá de acuerdo con las leyes de la dinámica. 38

Las fuerzas. Dinámica

115 Sobre un cuerpo de 1 200 g de masa actúa una fuerza neta de 0,6 N. a) ¿Cuál será el valor de la aceleración del movimiento? b) ¿Qué velocidad habrá adquirido si, partiendo del reposo, la fuerza actúa durante medio minuto?

116 El principio de acción y reacción explica el funcionamiento de los aviones a reacción: sus motores ejercen una fuerza de cierto valor sobre los gases que expulsan por la tobera, igual en módulo pero de sentido contrario a la fuerza que estos gases ejercen sobre el avión, gracias a la cual este es impulsado hacia delante. a) Representa las fuerzas que intervienen con un dibujo esquemático. b) Describe otros ejemplos de sistemas cuyo funcionamiento se justifique también con la tercera ley de la dinámica.

117 Un niño juega a arrastrar una caja de zapatos sobre el suelo. Para ello, le aplica una fuerza horizontal de 1,5 N. Considerando que la caja tiene una masa de 400 g y que el coeficiente de rozamiento con el suelo es de 0,25, contesta: a) ¿Cuánto vale la fuerza resultante que actúa sobre la caja en dirección horizontal? b) ¿Cuál es la aceleración de la caja? c) ¿Cuál será la velocidad de la caja a los 5 segundos de comenzar a moverse?

118 A partir de la situación descrita en la actividad anterior, supón que, una vez que la caja está en movimiento, el niño disminuye la fuerza con la que la impulsa de modo que esta es exactamente igual a la fuerza de rozamiento. a) ¿Cuánto valdrá en este caso la resultante? ¿Y la aceleración? b) ¿Cómo será el movimiento de la caja? ¿Por qué?

119 En una estación experimental, lanzan un cohete de 200 kg de masa impulsado por un motor que ejerce sobre él una fuerza ascendente de 2 400 N. a) ¿Cuál es el valor de la resultante en la dirección del movimiento? ¿Y la aceleración? b) ¿Qué velocidad tendrá el cohete cuando lleve 10 segundos ascendiendo, si partió inicialmente del reposo? Exprésala en m/s y en km/h.

120 La vagoneta de una atracción de feria tiene una masa de 250 kg y en ella se montan dos personas de masas 45 y 67 kg. El diámetro de la atracción es de 30 m y, una vez en marcha, en el momento de máxima velocidad de giro, esta es de 72 km/h. a) Calcula la fuerza centrípeta necesaria para mantener la vagoneta en su trayectoria circular a esta velocidad. b) ¿Cuál sería la fuerza centrífuga que experimentan los dos ocupantes de la vagoneta durante el giro a máxima velocidad? c) Al cabo de un minuto, la vagoneta se va deteniendo. ¿Cómo varía la fuerza centrípeta? Las fuerzas. Dinámica

Aplica tus conocimientos 121 En una clase de educación física, los alumnos realizan el juego de la cuerda. Para ello, se distribuyen en 4 equipos. Los alumnos del equipo A pueden ejercer en total una fuerza de 600 N; los del equipo B, una fuerza de 400 N; los del equipo C, de 250 N, y los del equipo D, de 350 N. Dibuja los vectores que representan las fuerzas ejercidas sobre la cuerda y calcula el valor de la resultante en cada uno de los siguientes casos: a) A la izquierda, el equipo A compite simultáneamente contra los equipos B y C, que están colocados a la derecha. b) El equipo A, a la derecha, compite contra los equipos C y D, situados a la izquierda.

122 Lucía tiene un muelle cuya constante elástica es de 300 N/m. Si cuelga del muelle una bolsa de patatas de 3 kg de masa, ¿cuánto se estirará? 123 Pedro observa el elevador hidráulico del taller mecánico y se pregunta qué fuerza habrá de realizarse en el pistón más pequeño para conseguir elevar el coche, de 1 200 kg de masa, situado en el pistón mayor. Calcúlala teniendo en cuenta que el diámetro del pistón pequeño mide 16 cm, mientras que el diámetro del mayor mide 36 cm. 124 Un chico de 42 kg de masa bucea en una piscina a 1,8 m de profundidad. Considerando que la densidad del agua es de 1 g /cm3, ¿cuál será la presión hidrostática a la que se encontrará sometido su cuerpo a esa profundidad? 125 Cuando circulamos en un coche y frenamos bruscamente, tendemos a continuar en movimiento hacia delante, por lo que es necesario llevar puesto el cinturón de seguridad. ¿Con qué ley de la dinámica podríamos justificarlo? 126 Un barco cuya masa es de 1 400 kg se encuentra amarrado en el puerto. Considerando la condición de equilibrio para la flotación, de acuerdo con el principio de Arquímedes, ¿cuál será el volumen del barco sumergido en el agua? (Densidadagua marina = 1,035 g/cm3). 127 La célebre torre Eiffel de París, en Francia, tiene un peso estimado de unas 10 000 toneladas y ejerce una presión de 4,5 kg/cm2. Siendo así, ¿qué superficie ocupa cada uno de sus cuatro apoyos? 128 Dos amigos se deslizan en trineo por la nieve. Uno está montado, mientras que el otro trata de impulsarlo con una fuerza de 45 N. Considerando que el coeficiente de rozamiento es de 0,05 y que la masa del conjunto formado por el trineo y el chico es de 70 kg, ¿qué velocidad habrá alcanzado el trineo cuando el segundo chico lleve 10 segundos empujándolo? Comienza calculando la aceleración del movimiento. 129 En un parque de atracciones, Alicia se monta en un carrusel de columpios. Cuando el tiovivo arranca, Alicia, que tiene una masa de 40 kg, comienza a girar a una velocidad de 2 m/s. Si el diámetro de la atracción es de 5 m, ¿cuál será la fuerza centrífuga que experimentará su cuerpo? 40

Las fuerzas. Dinámica

Practica la lectura científica

El profesor de Física no se cansa de repetir: «La física es una ciencia que estudia los fenómenos que ocurren alrededor. Todo lo que estudiamos en clase forma parte de nuestra vida; nos ayuda a justificar la mayor parte de los hechos que suceden a diario». Juan, Alba, Sara, Antonio y el resto de los chavales de la clase asienten, pero entre ellos se miran con escepticismo. Ante esta actitud, el profesor ha decidido probar algo nuevo: ¡irán de visita al parque de atracciones! La única condición que pone a sus alumnos es que traten de localizar ejemplos en los que se manifiesten las leyes físicas que acaban de estudiar. ¡Dicho y hecho! Libreta en mano, allá se plantan nuestros jóvenes investigadores, a la búsqueda de fenómenos físicos en los que las fuerzas desempeñen un papel destacado. Nada más entrar, prueban suerte en unas máquinas para tratar de conseguir algún muñeco a cambio de una moneda. «Fíjate», dice Juan, «el gancho ha levantado un poco el peluche, pero se ha caído de nuevo». Alba le responde que ya tienen el primer ejemplo, pues, aunque el gancho ejerció sobre el muñeco una fuerza vertical hacia arriba, el peso (vertical y hacia abajo) era mayor, y el muñeco no pudo ser elevado. Luego, se montan en la montaña rusa. Cuando el coche de la atracción inicia su veloz movimiento, experimentan un impulso hacia atrás, y, cuando frena bruscamente, se sienten impulsados hacia delante. «Seguro que esto tiene que ver con la primera ley de la dinámica», piensa Antonio mientras grita boca abajo. Parece que se animan y, poco a poco, van encontrando más ejemplos. Así, llegan a unas atracciones de jumping, que impulsan a los chicos hacia arriba gracias a unas potentes gomas elásticas, y luego se dirigen a unas plataformas y vagonetas que realizan vertiginosos giros, en los que los sobresaltados viajeros experimentan poderosas fuerzas centrífugas. En definitiva, el día ha resultado divertido y revelador. «Realmente, la física forma parte de nuestra vida», opinan los chicos, ya de camino a casa.

130 En el vagón de la montaña rusa, los chicos experimentan impulsos hacia delante y hacia atrás al acelerar o frenar bruscamente. Explica brevemente lo sucedido de acuerdo con el principio de inercia. 131 Sara se ha montado en el jumping. Ella tiene una masa de 46 kg y, mediante un arnés, se ha colgado de una goma elástica de 3 m de longitud. Al suspenderse, en reposo, la goma ha sufrido un estiramiento de 0,5 m. ¿Cuál será su constante elástica? 132 Hay una atracción que a los chicos les ha llamado especialmente la atención: la caída libre. Consiste en una plataforma que se eleva hasta una altura de unos 100 m y que, durante los primeros 50 m, desciende en caída libre; luego, va frenando progresivamente su movimiento hasta detenerse. a) ¿Qué fuerzas actúan sobre la plataforma durante los primeros 50 m de caída? b) ¿Cuál será, de acuerdo con la segunda ley de la dinámica, la aceleración de la caída? c) ¿Cuánto tiempo invertirá la plataforma en recorrer esos primeros 50 m? Las fuerzas. Dinámica

Trabaja con el ordenador 133 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, la respuesta a estas cuestiones: a) ¿Cuál fue uno de los inventos más famosos del físico Blaise Pascal, relacionado con su célebre principio? b) ¿Qué diferencia hay entre un anticiclón y una borrasca? c) Indica qué es un hovercraft y su relación con el tercer principio de la dinámica. Más información en internet En la red encontramos enciclopedias digitales que abordan una completísima variedad de temas, como es el caso de la Wikipedia, una de las más conocidas. Consulta esta dirección, relativa al concepto de fuerza y a las fuerzas fundamentales de la naturaleza. http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

Autoevaluación 1 Una barca que pretende cruzar un río se halla sometida a dos fuerzas. Por un lado, la corriente la empuja con una fuerza de 40 N, y, por otro, su motor la impulsa perpendicularmente hacia la otra orilla con una fuerza de 80 N. Considerando el rozamiento despreciable, calcula la fuerza resultante bajo cuya acción se mueve la barca.

Fmotor = 80 N

Fcorriente = 40 N

2 Unos chicos que están jugando en una piscina sumergen en el agua un balón cuyo diámetro es de 50 cm. Haz un dibujo de las fuerzas que actúan sobre el balón sumergido y calcula el valor de la fuerza de empuje que experimenta. 3 De acuerdo con la segunda ley de la dinámica, si la fuerza resultante es distinta de cero, el cuerpo adquiere un movimiento uniformemente variado. ¿Qué le ocurrirá al cuerpo si la resultante de las fuerzas es a favor del movimiento? ¿Y si es contraria al movimiento? Pon un ejemplo de cada caso. 4 En una mudanza tratamos de mover un mueble de 120 kg arrastrándolo. Si ejercemos una fuerza horizontal de 250 N y el coeficiente de rozamiento con el suelo es de 0,2, calcula la aceleración con que se moverá el mueble. 5 Hacemos girar, anudada a una cuerda de 40 cm, una bola cuya masa es de 200 g. Si la velocidad a la que se la hace girar es de 3 m/s, ¿qué fuerza centrípeta actuará sobre la bola como consecuencia del giro? 6 Calcula el valor de la presión que corresponde en cada caso: a) Una fuerza de 6 N actúa sobre una superficie de 4 cm2. b) Una masa de 40 kg se apoya sobre una superficie de 0,5 m2. c) Un poste de 2 toneladas se asienta sobre una plataforma cuadrada de 1,5 m de lado.

Las fuerzas. Dinámica

La Tierra en el universo. Gravitación La posición de la Tierra en el universo La astronomía es la ciencia que se ocupa del estudio del universo. Una de las primeras cuestiones que abordó esta disciplina fue la posición de la Tierra dentro del universo conocido. Los modelos para explicar la posición de la Tierra en el universo han sido dos: • El modelo geocéntrico, según el cual la Tierra ocupa el centro del universo y todos los demás astros (Sol, Luna, planetas, etc.) giran a su alrededor, situados en esferas concéntricas. • El modelo heliocéntrico, que sitúa al Sol en el centro del universo; en torno a él giran la Tierra y los demás astros, en órbitas circulares.

A pesar de ser incorrecto, el modelo geocéntrico, defendido por el filósofo griego Aristóteles y perfeccionado por Claudio Ptolomeo, fue el único aceptado durante dieciocho siglos. Sin embargo, la acumulación de evidencias en contra hizo que finalmente se impusiera el modelo heliocéntrico, rescatado del olvido por el astrónomo polaco Nicolás Copérnico en 1540 y apoyado firmemente por el italiano Galileo Galilei, inventor del telescopio.

Ley de la gravitación universal Una vez establecido el modelo heliocéntrico, las mediciones y observaciones experimentales condujeron al astrónomo alemán Johannes Kepler a enunciar, en el siglo xvi, tres leyes que explicaban el movimiento de los planetas alrededor del Sol. Pero aún quedaba por determinar qué fuerza mantenía las órbitas planetarias. La respuesta a esta cuestión se concretó en la ley de la gravitación universal, descubierta por el científico Isaac Newton en el siglo xvii. Ley de la gravitación universal. Dos cuerpos se atraen con una fuerza en la dirección que los une directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. F=G·

m1 · m2 d 2

La fuerza gravitatoria o fuerza de la gravedad es una fuerza a distancia que se manifiesta siempre entre dos cuerpos cualesquiera, independientemente del medio en el que se encuentren. La constante G recibe el nombre de constante gravitatoria y su valor es: G = 6,67 · 10−11 N · m2 · kg−2. Si consideramos la fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre un objeto situado en su superficie, dicha fuerza es el peso del objeto: P = m · g. A partir de la ley de la gravitación universal, es posible obtener una expresión para calcular la aceleración de la gravedad, g: P=m·g=G·

m · mTierra m → g = G · 2Tierra R 2Tierra R Tierra La Tierra en el universo. Gravitación

Órbitas planetarias. Satélites La fuerza gravitatoria es la fuerza centrípeta que mantiene a los planetas en órbita alrededor del Sol y a los satélites (naturales o artificiales) en órbita alrededor de los planetas. Es una fuerza muy intensa debido a la gran masa que tienen los astros. Igualando las expresiones de la fuerza gravitatoria y de la fuerza centrípeta, podemos obtener una expresión de la velocidad orbital. En el caso de un planeta, tendríamos:

G·

mplaneta · mSol v2 m = mplaneta · → v = G · Sol 2 R R R

donde R es el radio de la órbita. Si se trata de un satélite artificial, debemos sustituir la masa del Sol por la de la Tierra y R por la suma del radio terrestre y la altura a la que orbita dicho satélite. Los cálculos de velocidad orbital son esenciales a la hora de poner satélites estables en órbita alrededor de la Tierra. Estos satélites desempeñan un importante papel en las comunicaciones y en la investigación científica.

La exploración del universo. El sistema solar Nuestro conocimiento del universo se basa fundamentalmente en la observación. Desde que el ser humano contemplaba el firmamento a simple vista hasta la actualidad, se han sucedido los avances tecnológicos, dando como resultado una enorme acumulación de datos. Los sofisticados instrumentos con los que actualmente estudiamos el espacio son: • Telescopios: pueden ser ópticos (basados en un sistema de lentes), de infrarrojos, de rayos X o radiotelescopios. • Espectroscopios: analizan la luz procedente de las estrellas. • Sondas espaciales: toman imágenes y muestras de otros astros. • Misiones y viajes tripulados: aunque mucho más limitados, han permitido la salida del ser humano al espacio exterior.

Por su cercanía, a pesar de las enormes distancias que existen entre los astros, es evidente que lo que más a fondo conocemos es el propio sistema solar, del que forma parte la Tierra.

El sistema solar es el conjunto formado por el Sol y ocho planetas (Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) con sus respectivos satélites, un cinturón de asteroides, cometas, planetoides y otros astros menores. Los planetas y cometas giran en órbitas elípticas estables en torno al Sol, una estrella de tamaño medio que produce luz y calor gracias a las reacciones nucleares de fusión de hidrógeno que ocurren en su interior. 44

La Tierra en el universo. Gravitación

El universo en la actualidad Como resultado de los siglos de observación y de los avances tecnológicos, actualmente disponemos de una visión del universo bastante completa, si bien aún quedan muchas cuestiones por resolver. El universo es el conjunto formado por todo lo que conocemos. La materia del universo adopta diversas formas: nubes de gas y polvo, astros, entre los que se encuentran las estrellas, los planetas, los cometas… y otras formaciones.

El análisis de la luz procedente del espacio nos ha permitido hacernos una idea de la evolución de las estrellas. Así, sabemos que se forman a causa de las fuerzas gravitatorias, por la condensación de nubes de gas y polvo, y brillan durante miles de millones de años gracias a la energía producida por las reacciones nucleares de fusión que ocurren en su interior. Finalmente, pueden colapsar o estallar, produciendo bien una enana blanca o un agujero negro, según su masa inicial. Contamos, además, con una teoría sobre el origen del universo: el big bang. Según esta teoría, el universo que conocemos se originó por la explosión de un núcleo muy denso y caliente, hace 15 000 millones de años, dando lugar a la materia y al tiempo simultáneamente. A partir de entonces, la materia se ha ido agrupando por efecto de la gravitación hasta formar los astros y las galaxias.

Actividades 134 Explica por qué el modelo geocéntrico pareció, durante siglos, más próximo a nuestra percepción de la realidad. 135 A partir de la fórmula de la ley de la gravitación universal, despeja la masa m1 y la distancia d. 136 La Tierra tiene una masa de 5,97 · 1024 kg. Calcula la fuerza con la que atrae a un meteorito de 1 500 kg situado a 2 000 km de su superficie. (Radio terrestre: 6 370 km). 137 Calcula la aceleración de la gravedad, g, a partir de los datos de la actividad anterior y compáralo con el valor que habitualmente utilizamos para calcular el peso (g = 9,8 m/s2). Utiliza la fórmula que aparece en la página 43. 138 Marte se halla a unos 228 millones de km del Sol, cuya masa es de 1,99 · 1030 kg. a) Calcula la velocidad orbital de Marte. b) Halla la duración del año marciano, expresada en días terrestres (1 día = 86 400 s).

139 La distancia entre la Tierra y la Luna es de 384 400 km. a) Si queremos calcular la velocidad orbital de la Luna, ¿qué dato o datos adicionales necesitaremos? b) ¿Influye la masa de la Luna en el cálculo que acabas de realizar? ¿Por qué? La Tierra en el universo. Gravitación

Aplica tus conocimientos 140 En 1969, el primer ser humano pisó la superficie de la Luna. a) ¿Qué interés crees que puede tener, desde el punto de vista científico, que los seres humanos lleguen a otros planetas? b) El alunizaje de la nave Apolo XI y el famoso paseo lunar de los astronautas fue retransmitido por la televisión, y pudo verse a Neil Armstrong dando grandes saltos sobre la superficie lunar. ¿Por qué saltar en la Luna es más fácil que en nuestro planeta?

141 La masa del planeta Júpiter es de 1,9 · 1027 kg y su radio ecuatorial mide 71 492 km. a) Calcula la aceleración de la gravedad en la superficie de Júpiter. b) ¿Cuál sería el peso en Júpiter de un astronauta de 75 kg de masa? c) ¿Dónde tardaría menos en caer un objeto, en Júpiter o en la Tierra? Justifica tu respuesta.

142 Halla el valor de la fuerza gravitatoria existente entre los siguientes cuerpos: a) Dos personas de 58 y 80 kg separadas por 1 m de distancia. b) La Tierra y la Luna. (mTierra = 5,97 · 1024 kg; mLuna = 7,4 · 1022 kg; dTierra-Luna = 384 400 km). c) El Sol y Mercurio. (mSol = 1,99 · 1030 kg; mMercurio = 3,3 · 1023 kg; dSol-Mercurio = 5,8 · 106 km).

143 Un satélite artificial de 1 000 kg de masa debe ponerse en órbita a una altura de 450 km. a) Calcula la velocidad orbital que hemos de imprimirle para que la órbita sea estable. b) ¿Cómo se modificará esa velocidad si la masa del satélite se duplica? Razona tu respuesta. c) Calcula el período orbital e indica si se trata de un satélite geoestacionario. (Recuerda que la órbita de un satélite geoestacionario está sincronizada con la rotación terrestre).

144 Es un hecho bien conocido que la Luna tiene fases, es decir, que se ve de distinta forma desde la Tierra a lo largo de los 28 días que dura su traslación orbital. Utiliza tus conocimientos sobre el sistema solar para explicar las fases de la Luna. 145 Los planetas del sistema solar son bastante diferentes. Los más próximos al Sol, llamados planetas rocosos, comparten características comunes, al igual que ocurre con los más exteriores, llamados planetas jovianos. Busca información sobre ambos tipos y resúmela. 146 Calcula la velocidad de un satélite geoestacionario, sabiendo que orbita a una altura de 35 800 km. A partir de ese dato, halla su período y compáralo con la duración de la rotación terrestre. (mTierra = 5,97 · 1024 kg; RTierra = 6 370 km). 147 De todas las teorías sobre el origen del universo, la del big bang es la más aceptada. A pesar de las dificultades conceptuales que encierra, existen varias pruebas que la avalan; una de ellas es el alejamiento de las galaxias entre sí. Busca información al respecto y redacta un breve párrafo donde expliques en qué consiste este fenómeno y su relación con el big bang. 46

La Tierra en el universo. Gravitación

Practica la lectura científica

Agujeros negros, púlsares, quásares, estrellas de neutrones… son algunos de los términos empleados en la nueva astronomía. Esta ciencia milenaria se ha renovado totalmente en el último medio siglo, algo que ha sido posible gracias a los modernos y sofisticados medios tecnológicos y al tratamiento informatizado de los datos mediante complejos algoritmos. El origen y evolución del universo ha sido objeto constante de atención por parte del ser humano. Durante muchos siglos, se lo consideró inmutable y perfecto, en contraposición al cambiante mundo terrestre. La primera revolución llegó en el siglo xvii, con la invención del telescopio, que permitió descubrir que el Sol era una bola ardiente, que en la Luna había montañas y cráteres, y que anillos y satélites nunca vistos orbitaban alrededor de Júpiter y de Saturno. Esta nueva concepción del universo encerraba, a pesar de todo, una tranquilizadora noción de estabilidad. Hubo que esperar hasta el siglo xx para asistir a una segunda revolución astronómica. Todo comenzó con la teoría de la relatividad, según la cual el tiempo y el espacio eran subjetivos para un observador dado y la materia y la energía estaban íntimamente relacionadas. Cuando el desarrollo tecnológico de nuevos dispositivos permitió recoger y analizar ondas de cualquier zona del espectro electromagnético, el universo comenzó a relatar su propia historia. Hoy sabemos bastantes cosas sobre el universo que se extiende más allá de la Tierra. Por ejemplo, gracias al análisis de la luz emitida por las estrellas, hemos podido identificar su composición química. De este modo, creemos que casi el 84 % del universo está compuesto de hidrógeno, el elemento más simple, seguido por casi un 16 % de helio. El resto de los elementos químicos supone menos de un 0,5 %. Las estrellas actúan como gigantescas fábricas de elementos químicos, que se forman por reacciones de fusión (dos núcleos ligeros se unen y dan lugar a uno más pesado) y desprenden enormes cantidades de energía. También hemos llegado a datar el origen del universo. Parece ser que surgió hace unos 15 000 millones de años, a partir de la explosión de un núcleo extremadamente denso y caliente. En los instantes posteriores se formaron las primeras partículas subatómicas, que dieron lugar a átomos de hidrógeno, y la fuerza de la gravedad hizo el resto. Las ondas que nos llegan de los confines del universo nos muestran el pasado. En efecto, si la luz tarda un año en recorrer un año luz, la luz que nos llega de lugares situados a millones de años luz nos revelará lo que había hace millones de años. Por esta ventana al pasado, contemplamos un universo todavía joven, puede que recién nacido.

148 Resume cómo ha ido cambiando la concepción del universo a lo largo de la historia. 149 Responde a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué aparato introdujo la primera revolución en la astronomía? ¿Por qué? b) ¿Cuál ha sido el papel de las ondas en el conocimiento del universo?

150 La masa del Sol es de 1,99 · 1030 kg. Si su composición respondiera a los mismos porcentajes que se dan en el resto del universo, ¿cuánto hidrógeno y helio contendría? 151 ¿En qué crees que nos basamos para afirmar que el universo tiene unos 15 000 millones de años de antigüedad? La Tierra en el universo. Gravitación

Trabaja con el ordenador 152 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, la respuesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Qué es la NASA? b) ¿A qué altura orbita la Estación Espacial Internacional? c) ¿Quién fue la primera mujer que viajó al espacio? d) ¿Qué es un agujero negro? Más información en internet En esta dirección web encontrarás información interesante sobre la Agencia Espacial Europea (ESA), la contribución de cada país de Europa a la investigación espacial e incluso espectaculares fotos. http://www.esa.int/esaCP/Spain.html

Autoevaluación 1 Responde a las siguientes cuestiones: a) Describe los dos modelos que se propusieron para explicar la posición de la Tierra en el universo. b) ¿Cuál de los dos se impuso finalmente? ¿Por qué?

2 Calcula la fuerza gravitatoria que opera entre dos masas de 3 · 1015 kg y 40 000 toneladas, separadas por una distancia de 200 km. 3 Un satélite orbita a una altura de 600 km sobre la superficie terrestre. ¿Cuál es su velocidad orbital? (mTierra = 5,97 · 1024 kg ; RTierra = 6 370 km). 4 ¿Qué es el sistema solar? 5 ¿De qué medios de exploración del espacio disponemos en la actualidad? 6 ¿Qué afirma la teoría del big bang? 7 Un satélite artificial gira alrededor de la Tierra en una órbita circular cuyo radio es un cuarto del radio de la órbita lunar. (Período de la órbita lunar: TL = 27,32 días). a) ¿Cuál es el período del satélite? b) ¿Cuál es la relación entre la velocidad del satélite y la velocidad de la Luna en sus respectivas órbitas?

8 Una nave espacial permanece en órbita circular alrededor de la Luna a una altura de 100 km sobre su superficie. (G = 6,67 · 10-11 N ∙ m2 ∙ kg –2; masa lunar: mL = 7,36 · 1022 kg; radio medio lunar: RL = 1 740 km). Determina la velocidad lineal de la nave y el tiempo que tarda en completar una órbita. 48

La Tierra en el universo. Gravitación

Energía y trabajo Tipos de energía. Fuentes La energía es una magnitud importantísima, pues está relacionada con todos los cambios (físicos y químicos) que observamos alrededor. La energía (E) de un sistema material se define como su capacidad para provocar cambios físicos y/o químicos sobre sí mismo o sobre otros sistemas. En cualquier transformación, los sistemas materiales implicados intercambian energía. La energía que necesitamos para nuestro uso cotidiano la obtenemos a partir de una fuente de energía, que puede ser renovable o no renovable. La unidad para medir la energía en el Sistema Internacional es el julio (J).

La energía de un cuerpo puede manifestarse de distintas formas: • Energía cinética (Ec ). Es la que posee un cuerpo en movimiento.

Su fórmula es: Ec =

1 · m · v 2 , donde m es la masa y v es la velocidad. 2

• Energía potencial gravitatoria (Ep ). Es debida a la posición que ocupa un cuerpo. Se calcula mediante la expresión: Ep = m · g · h, donde m es la masa, g es la aceleración de la gravedad y h, la altura a la que se encuentra. • Energía mecánica. Es la suma de la energía cinética y de la energía potencial. • Energía calorífica. Es la que intercambian dos sistemas a distinta temperatura.

Trabajo y potencia Para un sistema material, una forma de intercambiar energía consiste en ejercer fuerzas sobre otros sistemas. Con objeto de cuantificar estos intercambios energéticos, se definen dos nuevas magnitudes: el trabajo y la potencia. • El trabajo (W) realizado por una fuerza constante que produce un desplazamiento en su misma dirección y sentido se define como el producto del módulo de esa fuerza por el desplazamiento:

W = F · Δx • La potencia (P) es el trabajo realizado por unidad de tiempo: P =

w t

En el SI, el trabajo se mide en julios (J) y la potencia, en vatios (W). Para que el trabajo sea distinto de cero debe existir una fuerza y ha de darse un desplazamiento; además, la fuerza no puede ser perpendicular al desplazamiento. Si la fuerza y el desplazamiento tienen sentido contrario, entonces el trabajo se considera negativo. Cuando un sistema realiza un trabajo o se realiza un trabajo sobre él, intercambia energía. Si no se incrementa su energía de otras formas, el trabajo total realizado sobre un sistema se invierte en aumentar su energía mecánica. Energía y trabajo

Conservación de la energía En algunas situaciones, es frecuente que parte de la energía cinética de un cuerpo se transforme en energía potencial, y viceversa, aunque la suma de ambas permanece constante.

Principio de conservación de la energía mecánica. Mientras sobre un sistema no actúen fuerzas que disipen o incrementen su energía total, su energía mecánica (suma de la cinética y la potencial) permanecerá constante.

La conservación de la energía mecánica solo se cumple en ausencia de fuerzas externas al sistema que pudieran variar su energía. Por ejemplo: • No se cumple si actúan fuerzas de rozamiento, pues estas disipan parte de la energía del sistema en forma de calor. • Tampoco se cumple si aplicamos una fuerza externa al sistema, pues estaremos realizando un trabajo que incrementará su energía mecánica total, ni cuando el sistema está ejerciendo una fuerza sobre otro, ya que entonces estará invirtiendo parte de su energía en realizar un trabajo.

El principio de conservación de la energía mecánica es muy útil para realizar cálculos, pues, si se cumplen las condiciones, la energía mecánica antes y después es la misma.

Temperatura y calor Cuando tocamos un cuerpo percibimos, a través del tacto, si está frío o caliente. • La temperatura (T) es la magnitud que se relaciona con la cualidad de frío o caliente de un cuerpo. • El calor (Q) es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura.

Para medir la temperatura se pueden utilizar distintas escalas, pero las más habituales son: • Escala Celsius: establece la temperatura de 0 para el punto de fusión del hielo y de 100 para el punto de ebullición del agua, en condiciones de presión atmosférica a nivel del mar. El intervalo se divide en 100 ºC (grados Celsius o centígrados). • Escala Kelvin o absoluta: utilizada con fines científicos, no contempla temperaturas negativas, pues se asigna como 0 la temperatura más baja posible. De este modo, la equivalencia entre ambas escalas viene dada por: T (K) = T (ºC) + 273,15.

El calor, al ser energía transferida, se mide en julios (J). También se usa otra unidad: la caloría (cal), cuya equivalencia con el julio, denominada equivalente mecánico del calor, se determina experimentalmente: 1 cal = 4,18 J.

Los cuerpos no poseen calor, sino energía interna. Cuanto más elevada sea esta, mayor es su temperatura. Dos cuerpos a distinta temperatura intercambian calor; cuando las temperaturas se igualan, el intercambio de calor cesa y se alcanza el equilibrio térmico. 50

Energía y trabajo

Efectos del calor. Máquinas térmicas Cuando un cuerpo absorbe calor, aumenta su energía interna. Como consecuencia, tienen lugar tres efectos: • Aumento de la temperatura. La relación entre el calor absorbido y el incremento de temperatura viene dada por la fórmula: Q = m · ce · (T2 – T1), donde ce es el calor específico de la sustancia que forma el cuerpo. • Dilatación. Consiste en un aumento de volumen. • Cambios de estado. Puede ocurrir la fusión de un sólido o la vaporización de un líquido. Durante el proceso, la temperatura es constante. La relación entre el calor absorbido y la cantidad de sustancia que cambia de estado es: Q = m · L, donde L (L f o Lv) es el calor latente de fusión o vaporización.

Además de los efectos anteriores, el calor también puede servir para realizar un trabajo a través de una máquina térmica. Esta consiste en un dispositivo con dos focos a distinta temperatura; cíclicamente, el foco caliente cede calor al frío y parte de este calor se utiliza para realizar un trabajo.

Transferencia de energía mediante ondas Además de mediante el intercambio de calor y la realización de trabajo, los sistemas se transfieren energía entre sí por medio de la emisión o absorción de ondas.

Una onda es una perturbación que transporta energía de un punto a otro del espacio sin que exista transporte de materia. A ese transporte de energía se le llama propagación de la onda. Si las ondas se originan en un medio material (agua, aire, etc.), se denominan ondas mecánicas. Si se propagan en el vacío, reciben el nombre de ondas electromagnéticas.

Las ondas tienen una gran importancia teórica y tecnológica. Por ejemplo, el sonido es una onda mecánica, mientras que la luz visible está compuesta por ondas electromagnéticas. Para estudiar las ondas, debemos definir nuevas magnitudes: • La longitud de onda (λ) o distancia entre dos puntos sucesivos de la onda en el mismo estado de perturbación.

• La frecuencia (f) o número de veces que la onda repite un ciclo de perturbación en la unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz, equivalente a s–1).

• La amplitud (A) o valor máximo de la perturbación. • La velocidad (v) o distancia recorrida por la perturbación en la unidad de tiempo.

Existe una fórmula que relaciona la velocidad, la frecuencia y la longitud de onda: v=λ·f Energía y trabajo

Actividades 153 Calcula la energía cinética de los siguientes cuerpos: a) Un ciclista que circula a 36 km/h (masaciclista + bicicleta = 95 kg). b) Un coche de 1 800 kg aparcado.

154 Un jarrón de 250 g de masa se encuentra en una estantería a 1,5 m del suelo. Este suelo, a su vez, es el de una habitación elevada 12 m sobre el nivel del pavimento de la calle. a) Calcula la energía potencial del jarrón con respecto al suelo de la habitación y con respecto al pavimento de la calle. b) Ambos resultados son diferentes. ¿Qué interpretación podemos darle al hecho de que cambie el valor dependiendo de donde se sitúe la referencia para la altura? Recuerda que la energía es la capacidad de producir cambios en un sistema.

155 Una bola de 300 g de masa se mueve a una velocidad desconocida, aunque se sabe que su energía cinética es de 15 J. a) Halla la velocidad de la bola, despejándola de la fórmula de la energía cinética. b) Calcula su energía mecánica, sabiendo que se desplaza por un carril situado a 20 cm de altura.

156 Analiza las siguientes situaciones desde el punto de vista de la física y razona si se realiza trabajo o no al aplicar estas fuerzas: a) Sostenemos una maleta. b) Escalamos una pared. c) Hacemos girar un juguete atado a una cuerda.

157 Para mover un trineo aplicamos una fuerza de 240 N durante una distancia de 100 m. a) Calcula el trabajo realizado por la fuerza. b) Si tardamos 30 s en desplazar el trineo, ¿cuál es la potencia muscular que hemos desarrollado?

158 En la situación descrita en la actividad anterior, la fuerza de rozamiento que se opone al movimiento del trineo es de 150 N y la masa del conjunto formado por el trineo y sus ocupantes es de 160 kg. a) ¿Qué trabajo (negativo) realiza la fuerza de rozamiento en contra del movimiento? b) ¿Qué valor tiene el trabajo neto realizado? c) Si ese trabajo neto se invierte en aumentar la energía cinética del trineo y suponemos que este estaba en reposo inicialmente, ¿qué velocidad habrá alcanzado al cabo de 100 m?

159 Una bola de 500 g de masa rueda por una superficie horizontal a una velocidad de 2 m/s. De pronto, encuentra una pendiente ascendente. ¿Hasta qué altura subirá por la pendiente si el rozamiento es despreciable? Aplica el principio de conservación calculando la energía mecánica al iniciar la rampa y al alcanzar la máxima altura (v = 0). 52

Energía y trabajo

Aplica tus conocimientos 160 Un coche tiene una masa de 1 200 kg. a) Calcula su energía cinética cuando circula a 54 km/h y a 108 km/h. b) De acuerdo con el cálculo anterior, ¿por qué se insiste en las campañas de tráfico en el peligro que supone circular a una velocidad excesiva? Razónalo desde el punto de vista de la física.

161 Un atleta de 70 kg de masa ha subido 300 escalones de 20 cm de altura en 4 minutos. a) Calcula el trabajo muscular que ha realizado para completar la subida. (Recuerda que dicho trabajo se ha invertido en aumentar su energía mecánica). b) ¿Cuál ha sido la potencia muscular del atleta?

162 Una lavadora utiliza para completar su ciclo 55 L de agua. Calcula el consumo adicional de energía que supone lavar con agua a 60 ºC frente al lavado con agua fría, suponiendo que el agua de la red doméstica llega a 18 ºC. 163 Explica las transformaciones energéticas que se dan en estas situaciones cotidianas: a) Cuando un coche frena, se calientan los neumáticos. b) Si ponemos una olla con agua en la placa vitrocerámica, el agua se calienta. c) Cuando una pelota cae por una rampa, su velocidad aumenta. d) Un vaso de leche se calienta en un horno microondas.

164 En un terremoto se producen ondas sísmicas de consecuencias a menudo devastadoras. a) ¿Qué tipo de ondas son las ondas sísmicas? b) ¿Qué transformaciones energéticas tienen lugar durante un terremoto?

165 Un proyectil es lanzado verticalmente a 35 m/s y alcanza una altura de 55 m. Realiza los cálculos necesarios para comprobar si ha existido rozamiento con el aire o no. Para ello, calcula la energía mecánica en el instante del lanzamiento y cuando alcanza la máxima altura (v = 0), y compara los valores. (Nota: llama m a la masa del proyectil, que es desconocida). 166 Explica por qué un patinador que se desliza por una pista semicircular acaba por detenerse si no realiza fuerza sobre los patines para impulsarse. ¿Se cumple el principio de conservación de la energía mecánica en este ejemplo? 167 Calcula la temperatura final de la mezcla de 2 L de agua a 30 ºC con 1,5 L de agua a 85 ºC. (Calor específico del agua = 1 cal /g ºC). Ten en cuenta que la temperatura final es desconocida, pero el calor cedido por el agua caliente debe ser igual al absorbido por el agua más fría. Energía y trabajo

Practica la lectura científica

Desde los albores de la humanidad, se tiene constancia del uso de diversos artefactos y herramientas con el fin de aprovechar la fuerza muscular. El simple hecho de utilizar una piedra para golpear otra y darle forma ya supuso un gran avance. Al principio, el ser humano empleaba los objetos que tenía a su alcance: palos, piedras, etc. Más tarde, ideó la forma de unir esos objetos para obtener el máximo provecho: acababan de aparecer las máquinas. Una máquina es un dispositivo que nos permite vencer una fuerza (llamada resistencia) aplicando otra fuerza (llamada potencia) que, o bien es menor, o bien se ejerce con mayor comodidad. El principio físico en el que se basa una máquina es la realización de un trabajo, para lo que es preciso invertir una cierta cantidad de energía. Una frase atribuida a Arquímedes de Siracusa, el famoso inventor griego del siglo iii a. C., afirma: «Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo». La expresión hace referencia a la palanca, una barra rígida con un punto de apoyo. Gracias a esta sencilla máquina, podemos levantar un objeto pesado ejerciendo una fuerza relativamente pequeña. Este genio de la Antigüedad ideó más de cuarenta inventos, entre los que se encuentran las ruedas dentadas, el tornillo sin fin, los engranajes, las catapultas y numerosos modelos de palancas. Si hubiese vivido en la época de las patentes, ¡se habría vuelto inmensamente rico! Largo tiempo después, en el siglo xviii, apareció un nuevo tipo de máquinas: las máquinas térmicas, que funcionan a partir del calor transferido entre dos focos a diferente temperatura. El problema era conseguir un funcionamiento continuo manteniendo la diferencia térmica necesaria; la primera de las soluciones a este inconveniente fue la máquina de vapor, cuya introducción masiva impulsó la Revolución Industrial. En una máquina de vapor, el vapor generado en una caldera provoca el movimiento de un pistón, lo cual se aprovecha para realizar un trabajo. Luego, el vapor se condensa nuevamente y regresa a la caldera para comenzar un nuevo ciclo. Sencillo y, a la vez, eficaz. A esta máquina térmica le siguieron otras, hasta llegar a los motores de combustión y a los modernos refrigeradores, que funcionan aplicando el principio inverso: realizando un trabajo, enfriamos un foco frío y calentamos uno ya caliente. Ya en el siglo xxi, las máquinas térmicas han revelado algunos de sus inconvenientes: bajos rendimientos y un consumo muy alto de energía, que, además, no suele proceder de fuentes renovables. Cabe preguntarse, pues, si asistiremos al nacimiento de una nueva generación de máquinas mejores y más ecológicas. Todo hace suponer que así será.

168 Resume las ideas del texto sobre: a) La antigüedad de las máquinas. b) La importancia de las máquinas térmicas.

169 Ilustra, mediante un ejemplo cotidiano, la definición de máquina que hay en el texto. 170 ¿Cuáles son las semejanzas y las diferencias entre las máquinas mecánicas y las térmicas? ¿Podríamos prescindir de las máquinas térmicas en la sociedad actual? 171 Explica las transformaciones energéticas que tienen lugar en una máquina simple como la palanca cuando la usamos para elevar un objeto. ¿En qué consiste el trabajo realizado? 54

Energía y trabajo

Trabaja con el ordenador 172 Investiga, con ayuda de internet o de alguna enciclopedia digital, para dar respuesta a estas cuestiones: a) ¿Qué es la energía procedente de la biomasa? b) ¿Cuál fue la contribución de James Prescott Joule al estudio del calor y del trabajo? c) ¿Qué teoría sostuvo Isaac Newton sobre la naturaleza de la luz? Más información en internet Te recomendamos que visites esta dirección, en la que encontrarás una interesante animación que te mostrará cómo aprovechar a nivel doméstico la energía solar, una fuente renovable con mucho futuro. http://www.rinconeducativo.org/es/recursos-educativos/energia-solar-infografia

Autoevaluación 1 ¿Qué es la energía? Indica dos tipos de energía e ilústralos con ejemplos. 2 ¿Qué nos dice el principio de conservación de la energía mecánica? ¿Para qué sirve este principio? ¿Se cumplirá el principio de conservación de la energía mecánica en los siguientes casos? Explica cada una de tus respuestas. a) Un paracaidista cae con el paracaídas abierto a una velocidad constante. b) Un bloque se desliza por una pendiente helada sin rozamiento. c) Levantamos una pesa del suelo hasta cierta altura.

3 Desplazamos un cuerpo 150 m aplicándole una fuerza de 80 N; para ello, empleamos 40 s. Calcula el trabajo y la potencia desarrollados. 4 ¿Cuál es la diferencia entre temperatura y calor? a) Calcula el calor necesario para elevar 5 ºC la temperatura de 2 L de agua. Recuerda que el calor específico del agua es de 1 cal/g ºC. b) ¿Qué ocurre cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto?

5 ¿Qué es una onda? Pon ejemplos de ondas mecánicas y de ondas electromagnéticas. 6 Se lanza verticalmente hacia arriba un proyectil de 2 200 g de masa con una velocidad de 80 m/s. Determina: a) La energía mecánica del proyectil en el instante inicial. b) Si despreciamos el rozamiento con el aire, ¿cuál sería la energía mecánica al alcanzar la altura máxima? ¿En qué principio te basas? c) De acuerdo con lo anterior, calcula la altura máxima que alcanzará el proyectil. Energía y trabajo

Todas las actividades de este material deben realizarse en un cuaderno aparte, nunca en el mismo material. © de esta edición: Grupo Editorial Bruño, S. L., 2021 Juan Ignacio Luca de Tena, 15 28027 Madrid