Tema 1.La ciencia estudia el Universo

1. ¿Qué son ciencias de la naturaleza?

A menudo, se entiende que «natural» se opone a «artificial», que es aquello creado por la humanidad.

Así, en sentido restrictivo:

Naturaleza es el conjunto de la realidad independiente de la intervención humana.

Generalmente, al hablar de las ciencias de la naturaleza se entiende que se trata de la biología (estudio de

los seres vivos) y de la geología (estudio de las rocas y minerales). Pero, en realidad, el estudio de la

naturaleza se ha repartido entre muchas disciplinas. Dedicadas a aspectos concretos, existen ciencias

como la botánica (estudio de los vegetales), la zoología (estudio de los animales), la embriología (estudio

del desarrollo embrionario), la micología (estudio de los hongos), la genética (estudio de la herencia

biológica), la patología (estudio de las enfermedades), la parasitología (estudio de los parásitos), etcétera.

También, tradicionalmente, se han estudiado por separado los cuerpos inanimados con ciencias como la

física, la química, la geología, la cristalografía, la estratigrafía, la astronomía, etcétera.

A pesar de esta separación entre unas y otras, está claro que la mayoría de las ciencias necesitan

conocimientos de otros ámbitos y de otras ramas científicas. Resulta evidente en disciplinas como la

ecología o la paleontología

2. ¿Qué es el Universo?

Se usa el término Universo para referirse a todo lo que existe tanto si ha sufrido la intervención de la

humanidad como si no.

El Universo es el conjunto de todo lo que existe.

El Universo está formado por absolutamente todo lo que existe, lo veamos o no, seamos capaces de

detectarlo o no. Fuera del Universo no hay nada, ni espacio, ni tiempo, porque todo lo que existe forma

parte de él.

2.1. ¿De qué está formado el Universo? En el Universo hay gran variedad de cuerpos y fenómenos, pero cualquiera de ellos puede clasificarse

como materia o energía o como una suma de ambas (Figura 1.2).

Todo lo que existe en el Universo es materia o energía.

Un rayo de luz, un sonido, una onda de TV o los rayos X son ejemplos de energía. En cambio, una roca, el

agua del mar o el aire que nos rodea son materia. Si nos preguntarnos qué características definen a una y

otra, las diferencias son:

La materia tiene dos propiedades fundamentales: la masa y el volumen.

La energía tiene la capacidad de efectuar trabajo, es decir, puede modificar la materia en su

movimiento, en su forma o en su orden interno.

La materia tiene volumen (ocupa espacio) y masa.

La energía es capaz de efectuar trabajo.

..-

3-¿Qué es ciencia? El concepto actual de ciencia no aparece hasta el siglo XVII. Antes, la humanidad acumulaba

conocimientos sobre las cosas y los sucesos pero no se había desarrollado la manera de tratarlos que hoy

conocemos como ciencia: Ciencia es el conjunto ordenado de conocimientos ciertos que la humanidad tiene sobre el Universo y los métodos para obtenerlos y revisarlos.

La ciencia estudia cuerpos o cualquiera de sus partes, desde una galaxia a una cucaracha, desde una

estrella a un átomo. También estudia fenómenos. Un fenómeno es cualquier cosa que pueda ocurrir. Por

ejemplo, un relámpago o un choque de bolas de billar.

El método científico es el modo que tiene la ciencia de trabajar. Es un método basado en la observación

tanto de la naturaleza como de experimentos, en la enunciación de teorías y en su comprobación. Se

puede resumir como:

En contra de lo que a veces se dice, la ciencia no tiene dogmas o verdades absolutas e inamovibles. Toda

ley o ecuación debe someterse a comprobación. Si una ley o ecuación falla, se desecha. Las leyes pueden

ser falsas. La realidad siempre es cierta.

3.1. La ciencia observa y mide el Universo

El trabajo de los científicos consiste en observar el Universo y obtener información de él, cómo está

constituido y cómo se comporta. Casi nunca se estudia el Universo en su totalidad sino una parte o un

aspecto concreto. A esta parte le llamamos sistema. Por ejemplo, un sistema puede ser una bandada de

aves migratorias, una estrella o un volcán. Información es un conjunto organizado de datos que cambia el conocimiento que tenemos de un sistema.

Sistema es la parte del Universo objeto de estudio.

La observación puede ser cualitativa, si describe aquellas cualidades o rasgos característicos, y

cuantitativa, basada en la medición o expresión de las características del sistema mediante características

numéricas.

4. ¿A qué llamamos magnitud? Una propiedad es cualquier hecho distintivo «propio» de un cuerpo o un fenómeno. Así, son

propiedades el color, la velocidad, la densidad, la altura, etc. No todas las propiedades se pueden medir. Por

ejemplo, nadie ha conseguido medir la felicidad ni la belleza. En cambio sí que se pueden medir la masa o la

altura de una persona, el tiempo, la fuerza, la carga eléctrica, etcétera. Esas propiedades medibles se co-

nocen como magnitudes.

Magnitud es una propiedad que se puede medir.

Las magnitudes se clasifican como:

Extensivas. Si su valor depende de la cantidad de materia. Ejemplos: masa, volumen o energía.

Intensivas. Si su valor no depende de la cantidad de materia. Ejemplos: densidad o temperatura.

4.1. ¿Qué es medir?

Medir es una operación habitual y cotidiana, no sólo para los científicos. Para medir, se necesita:

Una unidad de medida o patrón.

Un instrumento medidor.

Medir es comparar una propiedad de un cuerpo o de un fenómeno con un valor de referencia o

patrón y contar cuántas veces lo contiene.

Una medida se expresa siempre teniendo en cuenta esta referencia o patrón. Medida Número + Unidad de referencia

Figura 1.3. Medir consiste en averiguar cuantas veces la longitud de la barra, la masa de las naranjas oo el volumen de agua de la

jarra contienen la unidad de referencia (metro, kilogramo y litro, en este ejemplo).

5. El Sistema Internacional de Unidades

Un sistema de unidades es un conjunto de patrones de medida escogidos para la medida de

magnitudes. A lo largo de la historia y de los distintos países ha habido muchos y distintos sistemas de

unidades. Entre las magnitudes, se diferencian:

Magnitudes fundamentales. Si se definen por sí mismas, sin hacer referencia a otras magnitudes.

Por ejemplo, longitud, masa y tiempo. m kg s

Magnitudes derivadas. Si se definen a partir de otras. Por ejemplo, la velocidad se define como la

longitud dividida por el tiempo tardado en recorrerla.

El Sistema Internacional de Unidades (S. l.) consta de siete magnitudes fundamentales con sus siete

unidades fundamentales de medida.

Entre las magnitudes y unidades derivadas destacan las que se recogen en la Tabla 1.2 junto con algunas que, sin ser del S. l., son aún de uso común:

5.1. Múltiplos y submúltiplos decimales

Según lo que haya que medir, las unidades del S. I pueden ser demasiado grandes o pequeñas. Por

ejemplo, nadie mide en metros la distancia entre ciudades ni las dimensiones de las letras de los libros.

Para trabajar con unidades más apropiadas, se definen los múltiplos y submúltiplos de las unidades del S.

1. Para ello, se escogen potencias de diez. O sea, las unidades son diez (10), cien (100 = 102), mil (1.000 =

103), diez mil (10.000 = 104), cien mil (100.000 = 105), etc., veces mayores que la unidad de referencia. Lo

mismo con las potencias negativas. Es decir, unidades diez veces menores (1/10 = 10-1), cien veces

menores (1/100 = 10-2), mil veces menores (1/1.000 = 10-3), etcétera.

Para denominar estas unidades múltiplos y submúltiplos decimales, se usan prefijos (Tabla 1.3) delante del

nombre de la unidad. Así, kilo indica mil tanto para múltiplos de masa (kilogramo = 1.000 gramos) como de

longitud (kilómetro = 1.000 metros). Hay que observar que la unidad de referencia del S. I en el caso de la

masa es el kilogramo y no el gramo a pesar de que la primera sea un múltiplo de la segunda.

Magnitud Definición Unidad del S. l. Otras unidades

Velocidad Espacio recorrido en la

unidad de tiempo metros por segundo

m/s kilómetros por hora km/h

1 km/h = 0,28 mis

Aceleración

Variación de velocidad por unidad de tiempo

metros por segundo

cuadrado

m/s2

Fuerza

Causa capaz de

cambiar el movimiento

de un cuerpo o su

forma.

Newton N

kilogramo fuerza o

kilopondio (kp)

dina (dyn)

1 Kp = 9,8 N

1 dyn = 10-5 N

Presión

Fuerza ejercida por unidad de superficie

Pascal Pa

atmósfera y milímetros

de mercurio

1 atm=1 bar

1 bar = 105 Pa

1 mm Hg = 133,32 Pa

Energía,

trabajo, calor

La energía es capaz de

realizar trabajo. Trabajo

es energía transferida a

un cuerpo al actuar

fuerzas sobre él.

Joule J

caloría (cal)

1 cal = 4,186 J

Carga eléctrica Cantidad de electricidad Coulomb

C

6. Propiedades de la materia La posesión de masa y volumen distingue a la materia. Son sus propiedades fundamentales. Otras muchas

sirven para caracterizarla y distinguir unos cuerpos de otros. Por ejemplo, la densidad es una propiedad

derivada.

6.1. Masa

Es una propiedad común a todos los cuerpos materiales. Un átomo, un ratón, una célula, un elefante, una

estrella o una galaxia entera tienen masa. En el Sistema Internacional, se mide en kilogramos (kg). Sus

instrumentos de medida son las balanzas

La masa mide la cantidad de materia de un cuerpo.

Una de las principales leyes de la materia se debe a Lavoisier que la dedujo al medir cuidadosamente la

masa de las sustancias iniciales y finales de una reacción química. Comprobó que la suma de masas al

principio y al final es la misma, aunque las sustancias iniciales y finales fuesen distintas. La ley de

conservación de la materia afirma:

La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Atracción entre masas

Una propiedad de la materia consiste en que todo cuerpo material ejerce una fuerza de atracción

gravitatoria sobre otros cuerpos materiales. Esta atracción es:

Proporcional a las masas. O sea, cuanto mayor es la masa de los dos cuerpos, más se atraen.

Inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. O sea, cuanto más lejos

están, más débilmente se atraen.

La atracción gravitatoria mantiene unidos a los planetas alrededor del Sol y a la Luna girando alrededor de

la Tierra. También nos mantiene a nosotros y a cualquier cuerpo sobre la superficie terrestre y nos hace

caer hacia dicha superficie si nos separamos de ella. Esta atracción que sufre un cuerpo en la superficie de

un planeta se conoce como peso.

Figura 1.4. Las balanzas miden la masa de los cuerpos en kilogramos, gramos u otros múltiplos y submúltiplos.

F F

Figura 1.5. La atracción entre la Tierra y el Sol es muy importante debido a sus grandes masas.

Entre dos pelotas de tenis es imperceptible porque sus masas son muy pequeñas.

Peso

La Tierra, como cualquier planeta, ejerce una atracción sobre los cuerpos situados en su superficie.

Peso es la fuerza con que la Tierra atrae un cuerpo. Naturalmente, el peso de un cuerpo (p) y su masa (m) están relacionados:

p=m.g

g es la gravedad. En la Tierra, a nivel del mar, 9 = 9,8 m/s2. En la Luna (1,6 m/s2) es menor porque la Luna tiene una masa menor. Así, un cuerpo tiene la misma masa en la Tierra que en la Luna, pero pesará más en la Tierra que en la Luna.

No debe confundirse peso y masa. En la vida cotidiana se dice que «pesamos» un cuerpo cuando en realidad averiguamos su masa. El peso es una fuerza, se expresa en newton (N) en el S.I. y no se mide con balanzas sino con unos aparatos llamados dinamómetros

6.2. Volumen

El volumen, como la masa, es una propiedad común a todos los cuerpos. Representa la parte del espacio

que el cuerpo ocupa e implica las tres dimensiones del espacio: longitud, anchura y profundidad. En el

S.I se mide en metros cúbicos (m3).

Volumen es el espacio ocupado por un cuerpo.

Por cambios de temperatura o de presión puede darse:

Dilatación: aumento del volumen de un cuerpo.

Contracción: disminución del volumen de un cuerpo.

Un aumento de temperatura causa dilatación y un descenso, contracción. Esto sucede en todo tipo de

cuerpos, sean sólidos, líquidos o gases.

Un aumento de presión causa contracción y un descenso, dilatación, especialmente en los gases. En

cambio, sólidos y líquidos son poco sensibles a cambios de presión.

6.3. Superficie

La superficie es el área exterior de un cuerpo. Como tal área, en el s. 1. Se mide en metros cuadrados

(m2).

En líquidos y gases depende de la forma de su recipiente.

En sólidos depende de su forma y de si están fragmentados o no.

A mayor superficie, mayor es la posibilidad de reaccionar con otras sustancias. Así, los líquidos se

evaporan más rápidamente si exponen al aire una gran superficie y reaccionan más fácilmente si son

pulverizados (como la gasolina en los motores). También los sólidos desmenuzados reaccionan más

fácilmente.

6.4. Densidad

Tenemos una idea intuitiva de la densidad. El plomo, por ejemplo, es «denso» porque concentra una gran

masa en un volumen pequeño. En cambio, la paja o la goma espuma son poco densas por todo lo

contrario.

La densidad, d, es una magnitud derivada. Se define como el cociente entre la masa, m, y el volumen, L, de

un cuerpo. En el S. l., su unidad es el kg/m3. También se usan g/L y el g/cm3.

Debe indicarse a qué temperatura se ha medido, pues el volumen varía con la temperatura. En gases,

también se debe tener en cuenta a qué presión, pues su volumen depende de ella.

Un cuerpo flotará en otro si tiene menor densidad. Por ejemplo, el aceite fiota en el agua. A veces, esta

menor densidad es aparente, debida a la forma. Por ejemplo, una esfera hueca de acero puede flotar en

agua igual que lo hace un barco a pesar de que la densidad del acero es mayor que la del agua.

Tanto en agua como en aire se ofrecen ejemplos cotidianos. Las aguas marinas, debido a la cantidad de

sales disueltas, tienen una densidad mayor que las aguas dulces. Por ello, es más fácil que un cuerpo f lote

en agua de mar que en agua dulce.

6.5. Otras propiedades de la materia

Existen múltiples propiedades de la materia que se pueden medir. Muchas de ellas afectan a la resistencia

física:

Dureza. Resistencia de un sólido a ser rayado o penetrado.

Fragilidad. Capacidad de fracturarse ante las deformaciones.

Elasticidad. Capacidad de deformarse bajo fuerzas y recuperar la forma antigua cuando cesan

Plasticidad. Capacidad de cambiar a nuevas formas, sin romperse, por la acción de fuerzas

En particular, ductilidad es la capacidad de estirarse en forma de hilos y maleabilidad la de

adquirir forma de lámina. Ambas son destacadas en los metales.

Viscosidad. Medida de la fluidez de los líquidos. Cuanto más viscosos, menos facilidad tienen para

fluir, para moverse y cambiar de forma.

Otras características afectan a la absorción de calor por las sustancias. Son importantes las siguientes:

Capacidad calorífica. Calor que se necesita suministrar a un cuerpo para aumentar un grado su

temperatura.

Temperaturas de ebullición y solidificación. Temperaturas a las que una sustancia cambia de

estado.

Figura 1.10. La madera y el aceite flotan en agua por su menor densidad, los barcos porque son huecos

y los animales acuáticos se ayudan de sus pulmones (mamíferos) o de su vejiga natatoria (peces).

Otras se refieren a su aspecto, como el color, el brillo o el índice de refracción (transparencia a la

luz). Algunas de estas y otras, como el sabor o el olor, se pueden percibir por nuestros órganos de

los sentidos (vista, oído, olfato, gusto y tacto). Por ello se conocen como propiedades o

características organolépticas.

En cambio, otras son propiedades químicas que deben medirse o percibirse con la ayuda de

aparatos o mediante la reacción con otras sustancias. Es el caso de la acidez, la oxidabilidad o la

solubilidad, que también distinguen unas sustancias de otras.

El conjunto de propiedades de una sustancia, especialmente las medibles, sirve para

reconocerla y para seguir sus cambios físicos o químicos. A veces, se dice que la caracterizan.

Vocabulario

Organoléptico: proviene de los vocablos griegos órgano, «órgano», y liptikós, «que se toma».