Friday, August 15, 2008



TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA

La energía aparece en muchas formas, incluida la radiación, el movimiento de los cuerpos, el estado de excitación de los átomos y la tensión intra e intermolecular. Todas estas formas son equivalentes en un sentido importante; es decir, una forma puede transformarse en otra. La mayor parte de lo que sucede en el universo como el colapso y la explosión de estrellas, el crecimiento y la descomposición biológica, la operación de máquinas y computadoras incluye una forma de energía que se transforma en otra.

Las formas de energía se pueden describir de diferentes maneras: la energía del sonido es sobre todo el movimiento regular de atrás hacia adelante de las moléculas; la energía calorífica es el movimiento aleatorio de moléculas; la energía gravitacional aparece en la separación de masas que se atraen mutuamente; la energía almacenada en tensiones mecánicas incluye la separación de cargas eléctricas que se atraen entre sí. Aunque las diversas formas parecen muy distintas, cada una de ellas se puede medir de un modo que hace posible calcular qué tanto de una forma puede convertirse en otra. Cuando disminuye la cantidad de energía en un lugar o en una forma, la cantidad en otro sitio o en otra forma aumenta en una cantidad equivalente. Por tanto, si la energía no se filtra hacia dentro o hacia fuera a través de los límites de un sistema, la energía total de las diferentes formas en el sistema no cambia, no importa qué tipo de transformaciones graduales o violentas ocurran realmente en él.

Pero la energía tiende a escaparse a través de los límites. En particular, las transformaciones de energía generalmente dan por resultado la producción de algo de calor, el cual se disipa por radiación o conducción (como sucede en las máquinas, los alambres eléctricos, los tanques de agua caliente, el cuerpo humano y los sistemas estereofónicos). Además, cuando el calor sufre conducción o radiación hacia un líquido, se establecen corrientes que suelen favorecer la transferencia de calor. Los materiales que no conducen bien el calor se pueden utilizar para reducir la pérdida de éste, aunque nunca puede evitarse por completo la fuga calorífica. Por tanto, la cantidad total de energía disponible para la transformación casi siempre es decreciente. Por ejemplo, casi toda la energía almacenada en las moléculas de gasolina que se utiliza durante un viaje en automóvil se disipa a través de la fricción y el tubo de escape, produciendo un ligero aumento de temperatura en el vehículo, la carretera y el aire. Pero incluso si tal energía difusa se pudiera detener, tendería a distribuirse de modo uniforme y, por tanto, ya no podría volverse a utilizar. Esto se debe a que la energía puede provocar transformaciones solamente cuando se concentra más en algunos sitios que en otros, como en las caídas de agua, las moléculas de alta energía de combustibles y alimentos, los núcleos inestables y la radiación que proviene del Sol intensamente caliente. Cuando la energía se transforma en energía calorífica que se difunde a todas partes, es menos probable que ocurran más transformaciones.

La razón por la que el calor tiende siempre a difundirse de lugares más calientes a otros más fríos es un asunto de probabilidad. La energía calorífica en un material consiste de movimientos desordenados de sus átomos o moléculas que se encuentran en colisión perpetua. Cuando un gran número de átomos o moléculas en una región de un material chocan en forma aleatoria y repetida con las de una región vecina, hay mucho más maneras en las que su energía de movimiento aleatorio puede terminar por distribuirse casi igualmente en ambas regiones en lugar de concentrarse en una sola. Por consiguiente, es mucho más probable que ocurra la distribución desordenada de energía calorífica a todas partes que la concentración más ordenada en un lugar.

De manera más general, en cualesquiera interacciones de átomos o moléculas, la probabilidad estadística establece que terminarán en un mayor desorden que con el que empezaron.
Sin embargo, es completamente posible que en algunos sistemas aumente el orden mientras que en los sistemas conectados a ellos el desorden se incrementa aún más. Las células de un organismo humano, por ejemplo, siempre están ocupadas en incrementar el orden, como sucede en la síntesis de moléculas complejas y la formación de estructuras corporales. Pero esto ocurre al costo de aumentar el desorden circundante aún más como descomponer la estructura molecular de los alimentos que se consumen y calentar los alrededores. El asunto es que la cantidad total de desorden tiende siempre a aumentar.

Se asocian diferentes niveles de energía con diversas configuraciones de átomos en las moléculas. Algunos cambios en la configuración requieren energía adicional, en tanto que otros la liberan. Por ejemplo, tiene que suministrarse energía calorífica para iniciar el fuego con carbón (mediante la evaporación, algunos átomos de carbono se separan de otros en el carbón); sin embargo, cuando las moléculas de oxígeno se combinan con los átomos de carbono en la configuración de baja energía de una molécula de dióxido de carbono, se libera mucho más energía como calor y luz. O una molécula de clorofila se puede excitar hacia una configuración de alta energía por la luz solar; la clorofila, por su parte, excita a las moléculas de dióxido de carbono y agua de modo tal que pueden unirse, a través de varios pasos, en la configuración de alta energía de una molécula de azúcar (más cierta cantidad de oxígeno regenerado). Más tarde, la molécula de azúcar puede interactuar con el oxígeno para producir moléculas de dióxido de carbono y agua otra vez, transfiriendo la energía adicional de la luz solar todavía a otras moléculas.

Es evidente que la energía y la materia se presentan en unidades discretas en el nivel molecular y niveles inferiores: cuando la energía de un átomo o una molécula cambia de un valor a otro, lo hace en saltos definidos, sin valores posibles entre ellos. Estos efectos de cuanto producen fenómenos en la escala atómica muy diferentes de aquéllos con los que se está familiarizado. Cuando la radiación encuentra un átomo, puede excitarlo a un nivel más alto de energía interna solamente si puede aportar la cantidad correcta de energía para el paso. También ocurre lo inverso: cuando el nivel de energía de un átomo se relaja por un paso, se produce una cantidad discreta (cuanto) de energía de radiación. Por tanto, la luz emitida o absorbida por una sustancia puede servir para identificar de qué sustancia se trata, no importa si está en el laboratorio o en la superficie de una estrella distante.

Las reacciones en los núcleos de los átomos incluyen cambios de energía mucho más grandes que las reacciones entre las estructuras de los electrones externos de los átomos (esto es, reacciones químicas). Cuando núcleos muy pesados, como los de uranio o plutonio se dividen en otros de peso medio, o cuando núcleos muy ligeros, como los de hidrógeno y helio, se combinan con otros más pesados, se liberan grandes cantidades de energía en forma de radiación y partículas que se mueven con rapidez. La fisión de algunos núcleos pesados ocurre de manera espontánea, produciendo neutrones adicionales que inducen la fisión en más núcleos, y así sucesivamente, dando lugar a una reacción en cadena. Sin embargo, la fisión de núcleos ocurre solamente que choquen a velocidades muy altas (superando la repulsión eléctrica entre ellos), como las colisiones que ocurren a temperaturas muy altas producidas dentro de una estrella o por una explosión por fisión.

MOVIMIENTO

El movimiento es también una parte del mundo físico, como lo son la materia y la energía. Todo se mueve átomos y moléculas; estrellas, planetas y lunas; la Tierra y su superficie y todo aquello que se encuentra sobre esta última; todos los seres vivos y cada una de sus partes. Nada en el universo está en reposo.

Puesto que todo se mueve, no hay un punto de referencia fijo contra el cual se pueda describir el movimiento de las cosas. Todo movimiento es relativo al punto u objeto que se elige. Así, un autobús estacionado no tiene movimiento con referencia a la superficie de la Tierra; pero, puesto que ésta gira sobre su eje, el autobús se está moviendo aproximadamente a mil millas por hora alrededor del centro del planeta. Si el autobús se está desplazando en la carretera y una persona camina por el pasillo, ésta tiene una velocidad con referencia al autobús, otra respecto de la carretera y una más en relación con el centro de la Tierra. No hay un punto en el espacio que pueda servir como referencia de lo que está realmente en movimiento.

Las alteraciones en el movimiento la aceleración, la desaceleración, los cambios de la dirección se deben a los efectos de las fuerzas. Cualquier objeto mantiene una velocidad y dirección constantes de movimiento a menos que actúe una fuerza externa no equilibrada sobre él. Cuando una fuerza tal actúa sobre un objeto, cambia el movimiento de éste. Dependiendo de la dirección de la fuerza respecto a la dirección del movimiento, el objeto puede cambiar su velocidad (una manzana que cae) o la dirección de su movimiento (la Luna y su órbita curva), o ambos (una pelota en vuelo).

Mientras más grande es la intensidad de la fuerza no equilibrada, mayor es la rapidez con la que cambia la velocidad o la dirección de movimiento de un objeto; cuanto mayor es la masa de un objeto, menor es la rapidez con la que se modifica su velocidad o dirección en respuesta a cualquier fuerza. Y cuando un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, B ejerce una fuerza igualmente intensa sobre A. Por ejemplo, un clavo de hierro A atrae a un imán B con la misma fuerza que el imán B atrae al clavo de hierro A, pero en dirección opuesta. En situaciones más familiares, la fricción entre superficies crea fuerzas que entran en juego y complican la descripción del movimiento, aunque los principios básicos son aplicables todavía.

Algunos movimientos complicados se pueden describir de manera más conveniente, no en términos de fuerzas directamente sino en descripciones sumarias de los patrones de movimiento, como las vibraciones y ondas. La vibración incluye partes de un sistema que se mueve de atrás hacia adelante en el mismo lugar, de tal forma que el movimiento se puede resumir en la frecuencia con la que se repite y la distancia a la que una partícula se desplaza durante un ciclo. Otra característica sumaria es el índice al cual la vibración, cuando se deja a sí misma, desaparece gradualmente a medida que se disipa la energía.

Las vibraciones pueden causar una perturbación itinerante que se propaga a partir de su fuente. Los ejemplos de tales alteraciones son el sonido, la luz y los sismos, los cuales revelan una conducta muy semejante a la de las conocidas ondas superficiales en el agua, que cambian su dirección en los límites entre medios, se difractan en las esquinas y se interfieren entre sí de manera predecible. Por tanto, se habla de ondas sonoras, ondas de luz, etc., y las matemáticas de la conducta de las ondas son de utilidad para describir todos estos fenómenos. El comportamiento de las ondas también se puede describir en términos de la rapidez con que se propaga la perturbación, y de la distancia entre las crestas sucesivas de esta última (la longitud de onda).

La longitud de onda observada depende en parte del movimiento relativo de la fuente de la onda respecto al observador. Si la fuente está en movimiento hacia el observador, o viceversa, la onda está en efecto comprimida y se percibe como más corta; si la fuente y el observador se están alejando, la onda de hecho está estirada y se percibe como más larga. Ambos efectos son obvios en el cambio aparente de tono del claxon de un automóvil cuando pasa al observador. Por tanto, estos cambios aparentes en la longitud de onda ofrecen información sobre el movimiento relativo. Un ejemplo muy significativo de esta situación es el cambio en la longitud de onda de la luz procedente de estrellas y galaxias. Debido a que la luz emitida por la mayor parte de ellas cambia hacia longitudes de onda más largas, esto es, hacia el extremo rojo del espectro, los astrónomos concluyen que las galaxias se alejan entre sí y, por tanto, que estamos en un universo que se expande globalmente.

La longitud de onda puede influir de manera importante en la forma en que la onda interactúa con la materia en qué tan bien se trasmite, se absorbe, se refleja o se difracta. Por ejemplo, los modos en que las ondas de choque de diferentes longitudes de ondas viajan y se reflejan en las capas de roca constituyen una clave importante para averiguar cómo es el interior de la Tierra. La interacción de las ondas electromagnéticas con la materia varía en gran medida con la longitud de onda, tanto en la manera en que se producen como en sus efectos. Tipos diferentes de ondas, aunque un tanto traslapantes, han recibido distintos nombres: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja o calor radiante, luz visible, radiación ultravioleta, rayos x y rayos gamma.

Los materiales que permiten pasar a través de ellos una gama de longitudes de onda, pueden absorber completamente otras. Por ejemplo, algunos gases en la atmósfera, incluyendo el dióxido de carbono y el vapor de agua, son transparentes a la mayor parte de la luz que reciben del Sol, pero no a la radiación infrarroja de la superficie caliente de la Tierra. En consecuencia, la energía calorífica se ve atrapada en la atmósfera. La temperatura de la Tierra aumenta hasta que la radiación que disipa alcanza un equilibrio con la radiación que absorbe del Sol. El ozono, otro gas atmosférico, absorbe cierta cantidad de la radiación ultravioleta de la luz solar las longitudes de onda que producen quemaduras, bronceado y cáncer en la piel de los seres humanos.

Incluso dentro de los límites mencionados de la radiación electromagnética, diferentes longitudes de onda interactúan con la materia de maneras distintas. El ejemplo más familiar es que las diversas longitudes de onda de la luz visible interactúan con los ojos de manera diferente, dando la sensación de distintos colores. Las cosas parecen tener diferentes colores porque reflejan o dispersan la luz visible de algunas longitudes de ondas más que otras, como en el caso de las plantas que absorben las longitudes de onda del azul y el rojo, y reflejan solamente el verde y el amarillo. Cuando la atmósfera dispersa la luz del Sol, la cual es una mezcla de todas las longitudes de onda, la luz de longitud de onda corta (que da la sensación del azul) es diseminada mucho más por las moléculas del aire que la luz de longitud de onda larga (el rojo). Por tanto, la atmósfera se ve azul, y el Sol, visto a través de ella en una luz sin dispersar, parece rojizo.

FUERZAS DE LA NATURALEZA

Los dos tipos de fuerza que se conocen comúnmente son la gravitacional y la electromagnética.
Todo en el universo ejerce fuerzas gravitacionales sobre cualquier cosa, aunque los efectos se notan con facilidad sólo cuando interviene por lo menos una masa muy grande, como una estrella o un planeta. La gravedad es la fuerza que se encuentra detrás de la caída de la lluvia, la fuerza de los ríos, el pulso de las mareas; atrae la materia de los planetas y las estrellas hacia sus centros para formar esferas, sostienen a los planetas en órbita y reúne el polvo cósmico para formar estrellas. Se cree que las fuerzas gravitacionales implican un campo de gravedad que afecta el espacio que se encuentra alrededor de cualquier masa. La fuerza del campo alrededor de un objeto es proporcional a su masa y disminuye con la distancia a partir de su centro. Por ejemplo, la atracción de la Tierra sobre un individuo dependerá de si la persona se encuentra en la playa o muy alejado en el espacio.

Las fuerzas electromagnéticas que actúan dentro de los átomos y entre ellos, son inmensamente más poderosas que las fuerzas gravitacionales que actúan entre ellos. En una escala atómica, las fuerzas eléctricas entre los protones y electrones con cargas opuestas mantienen a los átomos y a las moléculas juntas y así intervienen en todas las reacciones químicas. En una escala más grande, estas fuerzas conservan a los materiales sólidos y líquidos compactos y actúan entre los objetos cuando están en contacto, por ejemplo, la fricción entre una toalla y la espalda de una persona, el impacto de un bate sobre una pelota. Por lo general, no se nota la naturaleza eléctrica de muchas fuerzas conocidas porque las densidades casi iguales de las cargas eléctricas positivas y negativas en los materiales neutralizan aproximadamente los efectos mutuos fuera del material. Pero incluso un mínimo desequilibrio en estas cargas opuestas producirá fenómenos que van desde chispazos eléctricos y ropas adherentes hasta relámpagos.

Dependiendo de la cantidad de cargas eléctricas libres para moverse en los materiales, éstos muestran grandes diferencias en qué tanto responden a las fuerzas eléctricas. En un extremo, un material aislante de la electricidad, como el vidrio o el plástico, en condiciones normales no permite el paso de ninguna carga a través de él. En el otro extremo, un material conductor de la electricidad, como el cobre, ofrecerá muy poca resistencia al movimiento de cargas, de tal forma que las fuerzas eléctricas que actúan sobre él producen con facilidad una corriente de cargas. (La mayor parte de los cables eléctricos son una combinación de extremos: un conductor muy bueno cubierto por un aislante muy bueno.) De hecho, a temperaturas muy bajas, ciertos materiales pueden convertirse en superconductores, que ofrecen resistencia cero. Entre los materiales de baja y alta resistencia se encuentran los materiales semiconductores, en los cuales la facilidad con que se mueven las cargas puede variar en gran medida con cambios sutiles en la composición o las condiciones; estos materiales se emplean en transistores y chips de computadora para controlar señales eléctricas. El agua normalmente contiene fragmentos moleculares cargados de impurezas en solución que son móviles; por tanto, dicho líquido es un conductor bastante bueno.

Las fuerzas magnéticas están íntimamente relacionadas con las fuerzas eléctricas las dos se pueden visualizar como aspectos diferentes de una fuerza electromagnética única. Ambas actúan por medio de campos: una carga eléctrica tiene un campo eléctrico en su espacio circundante, el cual afecta a otras cargas, y un imán tiene un campo magnético alrededor de él, que afecta a otros imanes. Lo que es más, las cargas eléctricas en movimiento producen campos magnéticos y son afectadas por campos similares. Esta influencia es la base de muchos fenómenos naturales. Por ejemplo, las corrientes eléctricas que circulan en el centro de la Tierra le confieren a ésta un gran campo magnético, el cual se detecta por la orientación de las brújulas.

La interrelación de las fuerzas eléctricas y magnéticas es también la base de muchos diseños tecnológicos, como motores eléctricos (en los cuales la corriente produce movimiento), generadores (en los cuales el movimiento produce corriente) y los tubos de televisión (en los cuales un haz de cargas eléctricas en movimiento se desvía hacia atrás y hacia adelante por cambios periódicos de un campo magnético). De manera más general, un campo eléctrico oscilante induce un campo magnético y viceversa.

Otros tipos de fuerzas operan solamente a escala subatómica. Por ejemplo, la fuerza nuclear que conserva juntas a las partículas dentro del núcleo atómico es mucho más fuerte que la fuerza eléctrica, como lo evidencian las cantidades relativamente grandes de energía liberada por las interacciones nucleares.


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