Constitución de la materia

Constitución de la materia

• Anteriormente se pensaba que la materia era cualquier cosa tangible en el espacio, hecha de tierra, aire, fuego y agua en diversas proporciones.
• Con el tiempo, se descubrió que la materia está compuesta de partículas diferentes, que a su vez están formadas por partículas más pequeñas.
• Se sabe que todos los objetos en los fenómenos naturales están compuestos de partículas como los átomos.
• El conocimiento de estas partículas es incompleto, abriendo nuevas vías para la investigación futura.

Avances recientes en la comprensión de la constitución de la materia

• Los avances científicos y tecnológicos han hecho posible descifrar y manipular el comportamiento de los materiales para beneficio humano.
• Las propiedades finales de los materiales dependen de sus elementos y su estructura.
• Los diamantes suelen ser incoloros, pero pueden existir con diferentes colores que dependen de su estructura.
• El color del diamante depende de los átomos atrapados en su interior.
• Un diamante azul contiene átomos de boro, mientras que uno amarillo contiene nitrógeno.
• Los diamantes y el grafito están hechos principalmente de carbono, pero tienen diferentes características.
  • Los diamantes son duros, mientras que el grafito es suave.
• Los átomos de carbono están muy juntos y forman una estructura cúbica en los diamantes.
• Los átomos del grafito se acomodan como en una colmena de varios pisos.
• El estudio de las propiedades de la materia ayuda a manipular la estructura de los objetos.
• El grafeno fue descubierto en 2004 por Andréi Gueim (1958) y Konstantín Novosiólov (1974), científicos rusos que recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.
• El grafeno, al igual que el diamante y el grafito, se compone de carbono.
  • Su estructura consiste en átomos de carbono unidos en celdas hexagonales.
  • Es duro, flexible, ligero y muy resistente, hasta 200 veces más que el acero.

Estructura de los materiales

• Estudiar la estructura de los materiales permite analizar y manipular sus propiedades.
• En los últimos 30 años, la comprensión de la estructura de la materia permitió avances científicos como:
  • Pantallas LED
  • Teléfonos celulares
  • Microprocesadores de computadoras.
• El grafeno es un buen conductor de electricidad, y sus aplicaciones en diversos campos científicos y tecnológicos están siendo exploradas.

Proceso histórico de construcción de nuevas teorías

• Con el tiempo, fue posible formular nuevas teorías para entender la estructura de la materia a nivel molecular y atómico.
• Por ejemplo, Marie Curie (1867-1934), física, química y matemática polaca, acuñó el término radiactividad.
  • Este se refiere a la pérdida de energía durante la descomposición del núcleo de un átomo.
  • Curie descubrió que los núcleos de algunos átomos inestables emiten partículas y liberan energía.
• El trabajo de Marie y Pierre Curie ayudó en la comprensión de los átomos.
  • Esto abrió las puertas a investigaciones sobre la estructura de la materia y el desarrollo de la física moderna.
• Ahora es posible crear nuevos materiales combinando las propiedades de los existentes, lo que reduce los costos y optimiza los procesos.
• El Vantablack es una pintura negra hecha con nanotubos de carbono que absorbe el 99.9% de la luz.
  • Es muy resistente y fue diseñado para construir telescopios astronómicos para la NASA.
• Comprender la constitución de la materia permite entender sus propiedades, desarrollar investigaciones y crear productos para el bienestar humano.
• Comprender la constitución y las propiedades de la materia es un proceso histórico complejo que involucra la investigación de científicos.
• Se han logrado descubrimientos que han impactado a la humanidad, ayudando a comprender el entorno y desarrollar la física.

Cuantificación de la realidad

• En Francia, en 1795, los científicos acordaron que las unidades de medida debían basarse en elementos estables de la naturaleza.
• La unidad de masa se definió como mil gramos, donde un gramo era la masa contenida en un centímetro cúbico de agua pura en el punto de fusión del hielo (aprox. 4 °C).
• En la industria, se establecieron estándares para asegurar la compatibilidad e intercambio de piezas y materiales.
• La metrología es la ciencia que estudia las mediciones.
• El Sistema Métrico Decimal evolucionó al Sistema Internacional de Unidades (SI) en 1960, en la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM).

Magnitudes y unidades físicas

• A lo largo de la historia, se buscó solucionar el problema de la comunicación de medidas para expresar las propiedades de la materia.
• Se establecieron puntos de comparación para generar referencias estandarizadas en las mediciones.
• Una magnitud física es una propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia que se expresa con un número y una referencia.
• Esta cuantificación se hace a partir de un patrón conocido como unidad de medida.
• Ejemplos de magnitudes físicas:
  • El tiempo, para medir la duración, separación o coincidencia de eventos.
  • La longitud, para medir la altura
  • La masa de un objeto.
• El SI establece los patrones para las magnitudes físicas.
  • El metro es la unidad de longitud.
  • El segundo es la unidad de tiempo.
  • El kilogramo es la unidad de masa.
• Cada unidad tiene su nombre y símbolo.
• El SI es utilizado por casi todos los países, excepto Estados Unidos, Myanmar y Liberia.
• Se utiliza en todos los ámbitos del comercio, la industria, la ciencia y la tecnología.
• El Sistema Internacional de Unidades facilita la comunicación y la realización de actividades comerciales, industriales y científicas, estableciendo mediciones objetivas.

Unidades básicas y derivadas en el SI

• La Conferencia General de Pesos y Medidas estableció magnitudes básicas y derivadas en el SI, facilitando la tarea de establecer unidades de medida.
• Las siete magnitudes físicas fundamentales son:
  • Longitud (metro, m)
  • Tiempo (segundo, s)
  • Masa (kilogramo, kg)
  • Corriente eléctrica (ampere, A)
  • Temperatura (kelvin, K)
  • Cantidad de sustancia (mol, mol)
  • Intensidad luminosa (candela, cd)
• Cada magnitud fundamental tiene su unidad de medida respectiva, y las magnitudes derivadas se determinan a partir de ellas.
• Cada unidad de medida de estas magnitudes es una unidad básica o fundamental.
  • Cualquier otra magnitud es derivada, compuesta por la combinación de algunas de las unidades básicas.
  • La velocidad es un ejemplo compuesto por las magnitudes de longitud y tiempo.
    • La unidad de medida de la longitud es el metro, mientras que el tiempo se mide en segundos.
    • La unidad de medida de la velocidad es metros sobre segundo y representa los metros recorridos en un segundo (m/s).

La longitud

• Cada unidad base se establece por un acuerdo entre representantes de distintos países.
• Se busca encontrar patrones para que cualquier persona que mida con una unidad básica obtenga la misma cantidad.
• El metro es una de las primeras unidades establecidas mediante el Sistema Métrico Decimal.
• Inicialmente, se buscó relacionar la longitud con cantidades naturales, utilizando la longitud desde el ecuador hasta el Polo Norte a través del meridiano de París.
• Esta longitud se dividió entre 10,000,000, resultando en el metro.
• Reproducir esa unidad era complicado, por lo que después se estableció un patrón tangible: una barra de platino e iridio con la longitud de un metro.
• La longitud de la barra se reprodujo y distribuyó en los países que usan el SI.
• La barra de aleación de platino e iridio podía variar su longitud con el tiempo, así que se decidió cambiar la definición de metro.
• Se basó en los descubrimientos de principios del siglo XX y se definió el metro a partir de la velocidad de la luz en el vacío en 1983
• La medida no varía usando los procesos adecuados para hacerlo.
• El metro es la longitud que recorre la luz en el vacío en 1/299,792,458 segundos.

El tiempo

• Al igual que el metro, El segundo tuvo varias definiciones a lo largo de la historia.
• La definición más relevante se refiere a los fenómenos naturales, como el ciclo del día y la noche.
  • Al intervalo de tiempo se le llama día solar.
• Dividir el día solar en 86,400 partes utilizando los engranajes de un reloj mecánico representa la definición tradicional del segundo.
  • Su precisión se basaba en la destreza del relojero para reproducirlo.
• Los días no siempre duraban lo mismo y varían según la época del año.
• En 1967, el segundo se redefinió a partir de una constante física de la naturaleza: el tiempo que necesita el átomo de cesio 133 para efectuar 9,192,631,770 transiciones.

La temperatura

• Comúnmente se mide en grados Celsius (°C), nombrado en honor a Anders Celsius (1701-1744).
• En el siglo XVIII existían termómetros de mercurio, aunque no eran la única unidad de medida.
• Celsius sugirió dividir una columna de mercurio en 100 partes iguales para determinar visualmente el cambio en la temperatura.
• Cada división se llamó grado (°), y de ahí su nombre de centígrado.
• El grado Celsius es una unidad reconocida por el SI; sin embargo, la unidad de medida fundamental es el kelvin (K)
• William Thomson (1824-1907) propuso el kelvin a mediados del siglo XIX, basándose en la existencia de una temperatura mínima para las cosas.
• El kelvin tiene el mismo tamaño que el grado Celsius.
  • La escala kelvin no tiene temperaturas negativas
  • La temperatura mínima corresponde a -273.15 °C.
  • Su denominación es de escala absoluta
• El SI define al kelvin con base en constantes físicas de la naturaleza.

La corriente eléctrica

• El ampere (A) es la unidad de corriente eléctrica
• La descarga eléctrica (toque), es la sensación que se experimenta producida por electrones.
• El electrón forma parte de los átomos y constituyen las cosas.
• Cuando se frota un globo en la cabeza de alguien se levantan los pelos.
  • Se explica porque al frotar el globo se genera estática, dando exceso de electrones.
• En el SI, el ampere es la intensidad de corriente constante o la cantidad de electrones (6.241509074 × 10^18 electrones) que circulan en dos conductores paralelos
• Si están ubicados en el vacío y separados un metro, genera una fuerza de 2 × 10^-7 N/m. A partir de 2019, el ampere se define en términos de la unidad de carga elemental (e = 1.602176634 × 10^-19 C)
• La materia está constituida por átomos.
  • Átomo está compuesto por electrones, protones, y neutrones
• El Generador de Van de Graaff acumula cargas eléctricas en una esfera metálica y permite estudiar sus comportamientos.

La cantidad de substancia

• Otra magnitud fundamental en el SI es la cantidad de sustancia.
• Se refiere a cuántas entidades elementales existen en una cantidad determinada de materia.
• Las entidades elementales son las más pequeñas de la materia, como las moléculas de agua (dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno).
• La unidad de medida de la cantidad de sustancia es el mol (mol), que representa 6.02214076 × 10^23 entidades elementales.
• Un mol de agua representa 6.02214076 × 10^23 moléculas de agua.

La intensidad luminosa

• La candela (cd) es la unidad de medida de la intensidad luminosa.
• Se refiere al brillo o potencia de la luz emitida por una fuente luminosa.
• Se puede visualizar una candela al pensar en que la intensidad luminosa de una vela encendida tiene aproximadamente 1 cd en cualquier dirección.

La masa

• La última unidad en pasar de un patrón representado por un objeto físico a ser medida a partir de constantes físicas fue el kilogramo.
• Esto sucedió el 16 de noviembre de 2018, en la 26ª Conferencia General de Pesos y Medidas.
• Antes de su redefinición, el kilogramo era la masa que contenía una pequeña pesa de aleación de iridio y platino resguardada en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en París.
  • Cada país tenía una copia fiel de esa pesa.
• Antes de que el SI existiera, el kilogramo era la masa de un litro de agua pura.
• El Sistema Internacional de Unidades agrupa siete unidades básicas con las cuales se miden las siete magnitudes físicas reconocidas.
  • Cualquier otra es una composición de algunas de estas magnitudes y unidades básicas.
• Las unidades de medida de las magnitudes fundamentales se definieron, en un principio, a partir de características de fenómenos naturales o de objetos en la naturaleza.
• Actualmente, cada unidad de medida fundamental se define a partir de constantes físicas de la naturaleza.
• La velocidad de la luz es un ejemplo de constante física, con un número relacionado con su propiedad de un fenómeno o sistema que siempre mantienen el mismo valor.
• La necesidad de establecer las medidas para el comercio, la industria y la ciencia, hizo que se creara el Sistema Internacional de Unidades (SI)
  • Aquí existen siete magnitudes físicas fundamentales con sus unidades correspondientes.
• Cualquier otra magnitud física, con su unidad de medida, es composición de las magnitudes fundamentales y sus unidades.

Desarrollo científico y tecnológico

• El ser humano ha buscado explicaciones para los fenómenos a su alrededor.
• La física surgió como una ciencia que ayuda a entender fenómenos naturales relacionados con la materia y la energía:
  • El movimiento de los cuerpos
  • El calor
  • La electricidad
  • La luz
  • El sonido.
• La comparación y experimentación han jugado un papel esencial en los inventos, ayudando a tener un ambiente moderno.

Contribuciones al conocimiento científico y tecnológico en el ámbito nacional

• Data de la época prehispánica.
• México ha experimentado avances gracias a la ciencia y la tecnología y se han fundado institutos y universidades en donde se han aprovechado.
• Los mayas desarrollaron:
  • Un sistema de escritura
  • Un signo para el cero y una sistema calendarizado
  • Observatorios para estudiar los movimientos del Sol, la Luna y Venus.
• Los mexicas
  • Descubrieron la duración del año solar y tenían calendarios.
• Durante la Conquista española
  • La ciencia novohispana estudió los metales como el oro y la plata.
• En la época colonial
  • La Real y Pontificia Universidad de México se fundó para españoles, criollos e indígenas.
  • Se impartían cátedras generales de medicina y cursos de matemáticas y física.
• Durante los siglos XVI y XVII, la astronomía y la producción de metales preciosos (técnicas empleadas en su explotación) obtuvieron los mayores aportes.
• En esa época destacaron:
  • Los estudios de Francesco Maurolico sobre el ciclo solar y el ciclo lunar.
  • Los estudios de Bartolomé de la Hera sobre los planetas.
  • Los estudios de Enrico Martínez sobre los fenómenos celestes gracias a los instrumentos.
• Durante el periodo de la Ilustración se lograron avances en ingeniería y astronomía, por:
  • José Antonio de Álzate y Ramírez (1737-1799): observador de los fenómenos atmosféricos y científico de las ciencias exactas.
• Más tarde, se inauguró el Colegio de Minería y se abrió el primer laboratorio de física en México.
• Durante la Independencia (1810-1821), el desarrollo científico se detuvo.
• Después, con la industrialización, resurgieron los avances científicos, ofreciendo educación pública
• El gobierno ofreció educación pública y Gabino Barreda integró materias como matemáticas, química y física al programa de estudios
• Gracias a universidades, institutos de investigación y a la Academia Mexicana de Ciencias, surgieron importantes avances.
  • Alejandra Jáidar Matalobos estudió física nuclear en la UNAM.
  • Inició la difusión de textos científicos y construyó el acelerador de partículas Van de Graaff en la UNAM.
  • Manuel Sandoval Vallarta (1899-1977) fundó la ciencia nuclear en México e hizo aportaciones al estudio de los rayos cósmicos y recibió el Premio Nacional de Ciencias y Artes.
  • Rodolfo Neri Vela (1952) fue ingeniero mecánico-eléctrico en la UNAM y primer mexicano en viajar al espacio.
• México cuenta con físicas notables como:
  • Ana María Cetto Kramis: mecánica cuántica y biofísica de la luz.
  • Julieta Norma Fierro Gossman: física y astrofísica.
  • Julia Tagüeña Parga: propiedades físicas de materiales.
  • Antígona Segura Peralta: Laboratorio Virtual de Planetas de la NASA.
• Entre otros físicos mexicanos destaca:
  • Juan Manuel Lozano Mejía
  • Alberto Bajaras Celis
  • Miguel Alcubierre Moya.
• Gracias a quienes han contribuido para realizar avances, en física mexicana hay cada vez más mujeres.

Contribuciones al conocimiento científico y tecnológico en el ámbito internacional

• La física -estudia la materia y energía, así como sus interacciones.
• La termodinámica (estudio de la energía o el calor).
• Mecánica (estudio de los cuerpos sujetos a fuerza o desplazamiento).
• El electromagnetismo (fenómenos relacionados con la electricidad y el magnetismo).
• La óptica (estudio del comportamiento de la luz y del telescopio y el microscopio).
• La física estudia el espacio y el tiempo estudia las reacciones entre átomos y partículas, la luz y la materia a escala atómica.
• Con sus avances científicos y tecnológicos propician una mayor comprensión del campo.
• Mexico conoce los cuantiosos resultados a nivel internacional contribuyendo a la fisica con sus conocimientos y estudios.

Grecia antigua

• Inicio de la física con la observación de fenómenos naturales y los movimientos de los astros.
• Los griegos buscaron explicar el movimiento de las estrellas y planetas e identificaron constelaciones.
• Filósofos griegos con aportaciones a la física con sus estudios sobre el movimiento de las estrellas, planetas y constelaciones:
  • Tales de Mileto (624-546 a. n. e.): Matemático y filósofo que afirmó que el fundamento de la naturaleza es el agua.
  • Empédocles (495-435 a. n. e.): Propuso que los cuerpos estaban conformados por cuatro elementos: aire, tierra, fuego y agua.
  • Demócrito (460-370 a. n. e.): Propuso que todos los cuerpos estaban compuestos por partículas pequeñas e invisibles (átomos).
  • Arquímedes (287-212 a. n. e.): Considerado el padre de la mecánica.
  • Ptolomeo (100-170): Exploró las propiedades de la luz.
• Desarrollo científico y tecnológico en la sociedad gracias a los aportes de los los griegos a la física Durante la Edad Media Existió poco avance científico, pero árabes indagaron conocimientos en matemáticas y en física, contribuyendo en optica.
• En los siglos XIII y XIV floreció la ciencia medieval y hubo aportaciones de grandes científicos como: -Copérnico (1473-1543) -Johannes Kepler (1571-1630) -Galileo Galilei (1564-1642) -Isaac Newton (1643-1727).
• En la ciencia física Albert Einstein (1879-1955), físico alemán publicó su teoría general de la relatividad y revolucionó la visión y también contribuyó
• Emmy Noether (1882-1935), con sus estudios sobre matemáticas y álgebra.

Físicoquímica polaca

• Marie Curie (1867-1934) es la primera mujer en ganar el premio Nobel de Física en 1903
• Se relaciona con la radiactividad y elementos químicos - el radio
• Su esposo Pierre Curie (1859-1906) originó a una disciplina que trata con la energía y los usos - la física nuclear.

Influencia al conocimiento

• Avances y desarrollos científicos conducen beneficios
• Tecnología proporciona desarrollo de herramientas influyentes