martes, 15 de septiembre de 2015

UN VIAJE POR EL UNIVERSO

MIRA HACIA ARRIBA..




DESPEGAMOS


                                                                 

                                       
INTERSTELLAR,    NOS GUIARÁ

                                 y 
        
                           Él     
NOS LO EXPLICARÁ

 
TEORÍA de la relatividad especial
Todo es relativo -incluido el tiempo, el espacio o la masa-
excepto la velocidad de la luz -que es inmutable,
constante e independiente del movimiento del observador-

    








El Universo es pura armonía matemática

"La Filosofía está escrita en ese gran libro del Universo, que está continuamente abierto ante nosotros para que lo observemos. Pero el libro, no puede comprenderse sin que antes aprendamos el lenguaje y el alfabeto en que está compuesto. Está escrito en el lenguaje de las Matemáticas, y sus caracteres son triángulos, círculos y otras figuras geométricas sin las cuales es humanamente imposible entender una sola de sus palabras. Sin ese lenguaje, navegamos en un oscuro laberinto". Galileo Galilei
Galileo Galilei (1564-1642)


Nuestras ideas actuales acerca del movimiento de los cuerpos se remontan a Galileo y Newton.
 Antes de ellos, se creía en las ideas de Aristótelesquien decía que el estado natural de un cuerpo era estar en reposo y que éste solo se movía si era empujado por una fuerza o un impulso. De ello se deducía que un cuerpo pesado debía caer más rápido que uno ligero, porque sufría una atracción mayor hacia la Tierra.



La tradición aristotélica también mantenía que se podrían deducir todas las leyes que gobiernan el universo por medio del pensamiento puro, por medio de la observación.

Así, nadie antes de Galileo se preocupó de ver si los cuerpos con pesos diferentes caían con velocidades diferentes. Se dice que Galileo demostró que las anteriores ideas de Aristóteles eran falsas dejando caer diferentes pesos desde la torre inclinada de Pisa


EXPERIMENTANDO CON LA CAÍDA LIBRE    



Aristóteles (siglo.IV a.C.) decía que los cuerpos pesados caen más rápido que los ligeros y que la velocidad de la caída es directamente proporcional al peso. 
Galileo Galilei (siglos. XVI-XVII) dijo que todos los cuerpos caen al mismo tiempo sin importar su peso.

OBSERVA:

                  


              Según Galileo                                                                           Según Aristóteles


Según tu experiencia, Si se dejaran caer a la vez, el elefante y la pluma, ¿llegarían al mismo tiempo al suelo?.
¿Quién te parece que tendrá razón: Aristóteles o Galileo ?


En la época de Aristóteles, las ideas o teorías no necesitaban ser experimentadas para poder ser aceptadas. Se basaban tan solo en la observación. Esto era suficiente para poder explicar muchos fenómenos que ocurrían en la naturaleza.





En la época de Galileo, la experimentación, el registro y el uso de las matemáticas eran y aún lo son, muy importantes si se quiere deducir alguna idea o teoría. Es por eso, que Galileo tenía más argumentos que le permitieron afirmar lo que él estaba diciendo y con ello corregir la idea de Aristóteles. (Galileo definió el método científico moderno)

Dice la leyenda que Galileo subió a lo alto de la Torre de Pisa  y dejó caer dos objetos, siendo uno más pesado que el otro. Y comprobó que ambos objetos cayeron al suelo al mismo tiempo. Hoy en día se pone en duda este experimento en la Torre.

Ademas, es muy improbable que los dos objetos llegaran al suelo al mismo tiempo , pues, a pesar de que hoy sabemos que la gravedad imprime la misma aceleración a todos los cuerpos, éstos no caen a la misma velocidad pues la gravedad no es la única fuerza que actúa sobre un cuerpo que cae , existe otra fuerza que se opone a la caída y es el rozamiento del aire.


Es casi seguro que esta historia de la torre de Pisa no es cierta, pero lo que sí hizo Galileo fue algo equivalente: dejó caer bolas de distintos pesos a lo largo de un plano inclinado.
La situación es muy similar a la de los cuerpos pesados que caen verticalmente, pero es más fácil de observar porque las velocidades son menores.
Las mediciones de Galileo indicaron que cada cuerpo aumentaba su velocidad al mismo ritmo, independientemente de su peso.

Por supuesto que una bola de plomo, caerá más rápida que una pluma, pero ello se debe únicamente a que la pluma es frenada por la resistencia del aire. Si soltáramos dos cuerpos que no presentasen demasiada resistencia al aire, tales como dos pesos diferentes de plomo, caerían con la misma rapidez.




¿QUIERES CONOCER LA VIDA DE GALILEO? AQUÍ







PRÁCTICA:  Experimentando con la caída libre




NEWTON NOS LO EXPLICA: 

Las mediciones de Galileo sirvieron de base a Newton para la obtención de sus LEYES DEL MOVIMIENTO . En los experimentos de Galileo, cuando un cuerpo caía rodando, siempre actuaba sobre él la misma fuerza (su peso) y el efecto que se producía consistía en acelerarlo de forma constante.
Esto demostraba que el efecto real de una fuerza era el de cambiar la velocidad del cuerpo, en vez de simplemente ponerlo en movimiento, como se pensaba anteriormente. 

Ello también significaba que siempre que sobre un cuerpo no actuara ninguna fuerza, éste se mantendría moviéndose en una línea recta con la misma velocidad. Esta idea fue formulada por primera vez en los Principia Mathematica de Newton, publicados en 1687, y se conoce como primera ley de Newton o ley de la Inercia

La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo solo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza.


Esta ley postula, por tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o varias cuyo resultado no sea nulo. Newton toma en consideración, por primera vez  , el que los cuerpos en movimiento estén sometidos fuerzas de roce o fricción, que los frena de forma progresiva.

RESUMIENDO y Volviendo al ejemplo de la caída del elefante y la pluma.

 Hay dos tipos de caída de un cuerpo según la importancia de la resistencia del aire:

a) Caída libre sin rozamiento: todos los cuerpos tardan el mismo tiempo en caer desde la misma altura.

Cuando caen, la única fuerza que experimentan el elefante y la pluma es la fuerza de atracción de la gravedad.

Por un lado, el elefante experimenta una fuerza de atracción gravitatoria mucho mayor que la pluma (mayor aceleración), pero, por otro lado, cuanto mayor sea la masa de un objeto más INERCIA presenta, es decir, más resistencia a cambiar su estado de reposo o movimiento (menor aceleración).Por tanto, la mayor masa del elefante (mayor inercia) contrarresta la mayor fuerza gravitatoria 
Si el elefante y la pluma estuviesen en un medio libre de aire, caerían a la vez. 

¿Quieres verlo?  


 Cuando el Apolo 15 llegó a la luna en 1971, el astronauta David R. Scott llevó a  cabo el experimento  inspirado en la idea  de la caída libre de Galileo, en lugar de un elefante, utilizó un martillo. Y esto fue lo que ocurrió:   


b) Caída  con rozamiento: el tiempo que tardan en caer diferentes cuerpos, desde la misma altura es distinto en función de su forma.
Un objeto que cae gana velocidad. Al ganar velocidad irá aumentando la fuerza de resistencia del aire. Cuanto mayor sea el número de moléculas con las que colisiona, mayor es la resistencia. Consecuentemente, la resistencia del aire depende de la velocidad del objeto que cae y de su superficie (su forma).

El elefante tiene mayor área por lo que encuentra más resistencia del aire que la pluma, pero la masa del elefante es mucho mayor que la de la pluma y por tanto la fuerza de atracción gravitatoria es mucho mayor. El elefante tendría que acelerar durante mucho tiempo para acumular una fuerza de resistencia del aire suficiente para compensar la fuerza de gravedad.
La pluma necesita poco tiempo para alcanzar un equilibrio de fuerzas, la aceleración cero, de forma que su velocidad terminal será pequeña.




PRÁCTICA:  Experimentando con las  Leyes de Newton


      


Lo que le sucede a un cuerpo cuando sobre él actúa una fuerza está recogido en la segunda ley de Newton. Ésta afirma que el cuerpo se acelerará, o cambiará su velocidad, a un ritmo proporcional a la fuerza. Al mismo tiempo, la aceleración disminuirá cuando aumente la masa del cuerpo
Partiendo de la segunda Ley de la Dinámica y de las leyes del astrónomo Kepler sobre las órbitas de los planetas, Newton dedujo la LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL, que nos explica que una piedra cae al suelo porque la fuerza de la gravedad terrestre la atrae hacia abajo (la masa de la Tierra es muchísimo mayor que la masa de la piedra). La piedra también ejerce una atracción sobre la Tierra, pero tan pequeña que carece de efecto. Sin embargo, cuando dos cuerpos tienen tamaños más

semejantes (como la Tierra y la Luna) esta doble atracción resulta más notoria y explica los movimientos orbitales de los cuerpos celestes.

Con la ley de Gravitación Universal, Newton mostró que todos los cuerpos, próximos o lejanos, están sujetos a las mismas leyes, y que tales leyes pueden demostrarse en
términos matemáticos con una única teoría que permite explicar y predecir tanto los movimientos en la superficie de nuestro planeta como la órbita de los astros: unificó la física terrestre y la mecánica celeste.
Newton comprendió que, de acuerdo con su teoría de la gravedad, las estrellas deberían atraerse unas a otras, de forma que no parecía posible que pudieran permanecer esencialmente en reposo.
¿QUIERES CONOCER LA VIDA DE NEWTON?  AQUÍ 



Antes del siglo XX, nadie hubiese sugerido que el universo se estuviera expandiendo o contrayendo. Era generalmente aceptado que el universo, o bien había existido por siempre en un estado inmóvil, o bien había sido creado, más o menos como lo observamos hoy (San Agustín, de acuerdo con el libro del Génesis, aceptaba una fecha de unos 5000 años antes de Cristo para la creación del universo)


                    Pero, en 1929, Edwin Hubble (el telescopio espacial más conocido lleva su                                                                                             nombre)
 hizo la observación crucial de que, donde quiera que uno mire, las galaxias distantes se están alejando de nosotros. En otras palabras, EL UNIVERSO SE ESTÁ EXPANDIENDO.
Las observaciones de Hubble sugerían que hubo un tiempo, llamado del big bang -gran explosión o explosión primordial- hace entre diez o veinte mil millones de años, en que el universo era infinitésimamente pequeño e infinitamente denso.

Podríamos decir que el tiempo tiene su origen en el big bang, en el sentido de que los tiempos anteriores simplemente no estarían definidos.

El big bang  debió de ser  algo así: 

            ESTA ES LA HISTORIA DE LA CREACIÓN DE NUESTRO UNIVERSO, una narración que dura 13.700 millones de años, resumida en tres minutos y medio en este vídeo

                                                                
Ya desde 1676 se había comprobado que la luz viajaba a una velocidad finita, calculándose esta velocidad próxima a su  valor real de 300.000 Kilómetros por segundo.


A comienzos del siglo XX, la mecánica clásica entró en contradicción con la teoría del electromagnetismo. Fundada en 1865 por Maxwell, estableció que la electricidad y magnetismo son dos fenómenos de la misma naturaleza. Maxwell dedujo unas ecuaciones en las que se demostraba que las ondas electromagnéticas (la luz, las ondas de radio, rayos X y rayos gamma) se propagaban a una velocidad constante, determinada y que no dependía del punto de referencia. Aquí radica el quid de la cuestión:

Si la velocidad de la luz es una constante absoluta, se contradicen las enseñanzas de la relatividad newtoniana.

La física de Galileo y Newton funciona perfectamente para explicar la mecánica celeste y terrestre. Y la teoría de Maxwell lo hace a las mil maravillas para explicar el electromagnetismo. ¿quién de los dos estaba entonces equivocado?

La respuesta vino veinte años después de la mano de Albert Einstein . Este, por entonces empleado de una oficina de patentes suiza, lanzó una idea sorprendente: ambas teorías, mecánica y electromagnetismo, no tenían por qué ser incompatibles. Para salvar el principio de relatividad newtoniana (según el cual, los fenómenos son los mismos, tanto si estamos detenidos como si avanzamos a velocidad constante) y el carácter absoluto de la velocidad de la luz, había que destronar algo que nunca se había puesto en duda: el carácter absoluto del ¡ tiempo!.

El tiempo no es absoluto, y está ligado al espacio, formando un espacio-tiempo de cuatro dimensiones (largo,alto,ancho y tiempo).


Al no ser absolutos en sí mismos, el tiempo puede estirarse y el espacio contraerse simultáneamente para un objeto que viaje a gran velocidad. Este efecto relativista es real. Se da en los aceleradores de partículas.  


         ¡Comooo!

En este primer trabajo sobre la relatividad aparece por primera vez la famosa fórmula...
En  la que la masa se considera una forma de energía muy concentrada. La ecuación de Einstein relacionando masa y energía, figura hoy entre las más famosas del mundo.
Al ser, el cuadrado de la velocidad de la luz (c) una cifra tan grande, se comprende que, por ejemplo, en los procesos de fisión atómica - lo que corrientemente llamamos energía nuclear-, una pequeña cantidad de masa pueda producir enormes cantidades de energía. Las consecuencias de la RELATIVIDAD ESPECIAL o RESTRINGIDA mostraban un extraño Universo.


Prescindiendo de cifras, el resultado es tan fantástico como sigue:
SUPONGAMOS dos naves interestelares cuya velocidad puede hacerse muy próxima  a la de la luz. En un momento determinado, sus caminos se cruzan y cada una de las tripulaciones puede observar a la otra. ¿Qué ven?. 


Desde una de las naves se contempla que la otra está completamente achatada, como un globo que corriera contra el viento. Los relojes de a bordo, que fueron originalmente sincronizados, ya no lo están. Los relojes de la nave deformada van
atrasados. Las medidas confirman que, además, el casco de la nave y todo lo que contiene ha aumentado su masa. Y no es todo. A pesar de la enorme velocidad a la que se aleja, al medir la velocidad de la luz que emiten sus bombillas de posición, arroja un resultado de 300.000 Km/seg.¡ Igual que si estuviera parada!.

Lo curioso es que los tripulantes de esa nave no parecen sentir nada en absoluto. Su deformidad no les afecta. Ven que a bordo nada se ha contraído. Los objetos tienen la misma longitud de siempre, los relojes marcan la hora correcta y la masa de todos los objetos es la misma que cuando despegaron. Pero también observan que a los de la otra nave, sí les pasa algo raro.
¿Cuál de las dos tripulaciones está en lo cierto?



Cada una de ellas tiene razón con respecto a la otra. Y también en relación a sí mismos. La nave que observan tiene esas extrañas características. La suya no. Y exactamente igual les sucede a los otros. Ambos tienen razón... en relación a su propio sistema de referencia. 
Pero Einstein se había reservado otro impacto intelectual 
aún mayor que el anterior. Le había costado diez años de esfuerzos.
"En mi vida había trabajado tan duramente - escribió-. Comparada con este problema, la teoría original de la relatividad es un juego de niños". 

La primera concepción revolucionaria  de la Teoría de la Relatividad General y que hizo pública diez años después que la Relatividad Especial fue que no se puede diferenciar el efecto que se experimenta en un cuerpo sometido a aceleración del que produce la atracción gravitatoria.

Un sujeto a bordo de un ascensor inmóvil siente su peso. Cuando el ascensor se mueve, el peso parece variar. Aumenta si el ascensor asciende y disminuye si desciende.


De hecho, el peso puede disminuir tanto que, si al ascensor se le rompe el cable de tracción y se desploma en caída libre, ¡todos los objetos que acompañen a nuestro viajero flotarán junto a él en el aire como si no tuvieran peso!.

En lugar de considerar la gravedad como aquella misteriosa fuerza que ejercía a distancia a través del dudoso éter newtoniano, Einstein dedujo que era, simplemente, una característica de los cuerpos físicos que, por así decirlo,

deformaban el espacio a su alrededor.


Y si en la teoría de la relatividad especial  existe un espacio-tiempo plano, en la teoría general,     el espacio-tiempo     ¡es curvo!     

¡Aaaay!,¡ qué mareo!



Imaginemos  el espacio  como una gran lámina de goma elástica. La bola descansa sobre ese espacio elástico. El peso hace que la plancha de goma se deforme adoptando la típica forma de embudo de lados curvos, con la bola en el fondo. Si otra bola pasa a una distancia suficiente de la deformación, se verá atraída por ella. Tanto más cuanto mayor sea la primera bola, y más amplio el embudo.
No hay aquí fuerza de gravedad alguna. La bola que se acerca rápidamente describe una trayectoria curva porque ¡el espacio alrededor de la primera bola está curvado!.
   
No fue raro que en su tiempo, todo el mundo se extrañara ante semejantes conclusiones De hecho, ninguna de las afirmaciones contenidas en las teorías especial o general de la relatividad son comprobables en la experiencia humana, dado que en la vida diaria no nos encontramos con cuerpos que se muevan tan velozmente como la luz.

Los agujeros negros y las ondas gravitatorias son dos de las consecuencias más importantes de la relatividad general.


A las velocidades corrientes, los cambios predichos son tan pequeños que pueden
ignorarse. En estas circunstancias rige la aritmética elemental de las leyes de Newton; y como estamos acostumbrados al funcionamiento de estas leyes, nos parece ya  de "sentido común", mientras que las leyes de Einstein nos resultan "extrañas" -aunque hoy en día la red de comunicaciones de GPS se desmoronaría si no se tuvieran en cuenta los efectos de la relatividad general-

La Naturaleza, siempre económica, nos ha educado el sentido común únicamente hasta el nivel de la vida cotidiana.


¿QUIERES CONOCER LA VIDA DE EINSTEIN? AQUÍ


ACTIVIDAD: Preguntas sobre los vídeos de Galileo, Newton y Einstein

Buscar un experimento casero que demuestre la teoría de la relatividad se nos antoja un casi imposible así que nos pondremos cómodos y disfrutaremos de la película "INTERSTELLAR" que nos introducirá en el mundo de la relatividad, fantasía y ciencia porque los tres ingredientes son indispensables para llegar a conocer la realidad del Universo por el que viajamos.

Aprender ciencia con "Interstellar" 


Interstellar es una ficción, pero su guión y su diseño artístico en los que participó el gran astrofísico Kip Thorne, reúne las claves perfectas para que su contenido pueda ser aprovechado como herramienta didáctica en las escuelas.








Si habéis llegado hasta el final, os merecéis relajar por un ratito la mente con la serie The Big Bang Theory y la máquina del tiempo. ¡que lo disfrutéis!


LA FÍSICA CON HUMOR



PARA SABER MÁS:

Calentamiento global.El Pais septiembre-2015
¿Sombrillas contra el calentamiento global?
El nivel del mar se elevará 60 metros. El País 2015
Los católicos hispanos defienden el mensaje del cambio climático del Papa.
Proyecto MELISSA, un paso más en la escalada hacia Marte
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¿VIDA EXTRATERRESTRE INTELIGENTE A 1.480 años luz, dentro de nuestro Sistema Solar o simplemente cometas? El País 2015


Captada la primera onda gravitacional



Mala suerte, EINSTEIN: La "acción fantasmagórica" es real
El nuevo experimento realizado es la prueba más concluyente que apoya las afirmaciones fundamentales de la teoría de la mecánica cuántica sobre la existencia de un mundo extraño, formado por un tejido de partículas subatómicas, donde la materia no adopta una forma hasta que se observa, y donde el tiempo no solo avanza, sino que también retrocede.


"EL HOMBRE LLEGARÁ A MARTE EN 20 AÑOS". VÍDEO





Para los apasionados por la Física(como Sheldon)
VIDEOJUEGO  (para móvil) LOS GATOS CUÁNTICOS Explicación del juego
El juego utiliza cuatro gatos diferentes para ejemplificar cada uno de los conceptos clave de la mecánica cuántica: Los principios de superposición y de incertidumbre, el efecto túnel y el movimiento clásico    


La dinámica es fácil: consiste en lanzar a los diferentes gatos desde una plataforma contra una estructura de cajas para liberar a otros gatitos que hay encerrados en ellas. La clave está en utilizar estratégicamente las características cuánticas. Juego creado por el Instituto de Computación Cuántica y el Institudo de Juegos de la Universidad de Waterloo (Canadá). Puedes descargarlo gratis en el enlace.


Descubre el mundo "mágico" de la FÍSICA CUÁNTICA. ¿Es posible que el gato de Schrödinger pueda estar vivo y muerto a la vez? La física cuántica dice que sí.
PARA ENTENDERLO UN POCO MEJOR, EL SIGUIENTE VÍDEO:



PARA SABER MÁS SOBRE LA FÍSICA CUÁNTICA, te recomiendo el siguiente vídeo




NOTA: Esta entrada del blog -un viaje por el universo- me fue inspirada por algunos de mis alumnos que habían visto la película Interstellar en el cine (éxito de taquilla y una de las películas que más dio que hablar en 2014).Me dijeron que les había gustado  pero que no la habían entendido. Si la película fue proyectada para todos los públicos, también podemos intentar que todos la comprendan (al menos en lo básico) -   Su precisión científica sirve para transmitir los conceptos fundamentales de la Relatividad y aprovecharla como herramienta de aprendizaje. Espero haberlo conseguido.

6 comentarios:

  1. Fue una experiencia muy interesante a la vez que educativa . Puesto que vimos una película(interstellar) y hicimos diversos experimentos para demostrar que tenia razón Galileo al decir que la masa no importa en la caída de los cuerpos .

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  2. El experimento que hicimos para demostrar lo que Aristoteles creía sobre la caída libre de los cuerpos y demostramos que no tenia razón.
    Y comprobamos que Galileo tenia razón.

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  3. vimos una pelicula un poquito larga, pero muy interesante.y nos llevamos alguna sorpresa intentando demostras las teorias de Aristoteles y Galileo.

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  4. Emos visto una pelicula llamada intertellar, estubo muy interesante, aunque a mi se me paso muy rapida

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  5. La película me parecio muy guapa.Se realizo un viaje para intentar salvar el mundo,pero en realidad,el misterio no esta en el espacio,sino que estaba en la tierra misma.La película es también de mucha ciéncia,aunque si no te distraes,te puedes enterar de todo.INTERSTELLAR, es una de las películas más guapas que eh visto.

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  6. La verdad que estubo bien no solo la pelicula tambien el demostrar la teoria de galileo.

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