NOVENA SEMANA (3- 7 de abril)

¿Cómo son los materiales por dentro?

(¿Cuál es la estructura de todas las cosas?)

En la naturaleza vemos personas, rocas, imanes, árboles, coches, edificios, el mar, el Sol, la Luna, animales variados, objetos de plástico, de hierro, de aluminio… ¿Puede alguien pensar que todas estas cosas tengan algo en común?, ¿que existan  ideas aplicables a toda la inmensa variedad que forma la naturaleza?, ¿Qué pueda explicarse la enorme variedad de propiedades, organismos, comportamientos, movimientos… a partir de unas pocas hipótesis?

En ese sentido vamos a intentar avanzar en este tema, centrando nuestro interés en la enorme variedad de materiales (“todas las cosas que nos rodean y nosotros mismos”) que se encuentran en la naturaleza. De manera casi inmediata, lo que nos indica el “sentido común” es que no tiene nada que ver un sólido con un líquido o con un gas.

El objetivo de este tema, el problema al que nos vamos a enfrentar, es determinar la estructura de la materia, es decir, cómo están formadas todas las cosas.

A fin de precisar más el problema conviene que advirtamos su dificultad.

A.1 Nombrar objetos, materiales o sustancias que parezcan muy diferentes. Trata de encontrar algunas propiedades comunes a todos los objetos o sustancias nombrados.

Mantequilla, coche, puerta, aceite, tostada, ventana, espejo, gasolina, sol, lápiz, piedra, perro, alcohol, papel, chicle, borrador, pera, pila, excremento, botella, plomo, pelo, mercurio, balón, piel, helio, miel, butano, grasa.

25 sólidos, 4 líquidos, 2 gases.

-       Todos pesan (tienen masa)

-       Todos ocupan un espacio (volumen)

Te habrás dado cuenta que, cuando nos referimos a objetos o sustancias sólidas o líquidas (un trozo de hierro, un bolígrafo, un folio, aceite, el agua de un vaso, un cinta elástica, una pluma…) no resulta encontrar propiedades que, en un principio pueden ser comunes a todos ellos (pesan “ocupan un espacio”, “se pueden tocar”…). Sin embargo aparecen serias dificultades al plantearnos si esas propiedades son también comunes a los gases (una “porción” de aire, de oxígeno, de hidrógeno…). Es posible, incluso, que algunos de vosotros hayáis pensado que los gases son “inmateriales”.

A primera vista parece evidente que existe una “barrera” entre los gases, por un lado, y los sólidos y los líquidos por otro. Así pues, si queremos avanzar en el problema que hemos planteado, no nos debemos dejar llevar por las evidencias de “sentido común”. Debemos analizar, con detalle, aquellas propiedades que parecen ser comunes a sólidos y líquidos y, también, las razones por las que creemos que los gases no las tienen, con el fin de asegurarnos de si existe tal barrera.

Está todo formado de lo mismo?- sí

Por qué son tan diferentes los materiales entre sí?-

I. ¿Qué es el volumen? ¿Cómo se mide?

A.2. Con objeto de concretar la idea intuitiva de volumen, haz estimaciones comparativas (por ejemplo, ordenándolos de menor a mayor) del volumen de algunos objetos sólidos o líquidos. Comprueba después la validez de las estimaciones realizadas.

Para poder medir el volumen de los líquidos y de los sólidos es necesario tomar una cantidad de dicha magnitud como unidad.

A.3. Define una unidad de volumen y algunos de sus múltiplos o divisores más importantes

En el Sistema Internacional (S.I.) se ha elegido como unidad de volumen el m³, es decir, el espacio que ocupa un cuerpo de forma cúbica (o cubo) de 1 metro de lado. Como esta unidad no es cómoda para expresar el volumen de cuerpos que usamos cotidianamente, se suelen utilizar divisores (dm³, cm³, mm³). Los instrumentos de medida de volúmenes de líquidos, sin embargo, suelen estar calibrados en litros (l), centilitros (cl) y mililitros (ml). Sus equivalencias son: 1dm³ = 1 l y, por tanto, 1 cm³=1ml.

A.4. Como vemos, todo objeto sólido o líquido tiene volumen “ocupan un espacio”. El volumen parece ser una propiedad general de sólidos y líquidos, pero ¿el volumen de un objeto es siempre el mismo o varía según las condiciones? Propón ejemplos que aclaren la cuestión.

El volumen varía: en el agua cuando se congela aumenta. La mantequilla,

PROPIEDAD COMÚN A TODOS LOS MATERIALES: VOLUMEN Y MASA

VOLUMEN: Propiedad variable

II. ¿Qué es el peso? ¿Cómo se mide?

Al principio del tema hemos afirmado que cualquier objeto, sólido o líquido pesa. Parece, pues, que el peso es una propiedad general de los sólidos y los líquidos, que los separa de los gases. Pero si deseamos encontrar propiedades generales a todas las cosas, es necesario detenernos en la naturaleza del peso de los cuerpos: cómo medirlo, asegurarnos de si es una propiedad general o no, si es variable o invariable, etc. Cuanto mayor sea nuestra comprensión del peso de los cuerpos, más fácil será pensar si puede constituir una separación tajante entre sólidos/líquidos y gases.

A.5. ¿De qué piensas que depende el estiramiento de un muelle al colgarle un peso? Trata de pensar también el tipo de dependencia esperada.

EL MUELLE DE QUE DE PENDE DE QUE SE ESTIRE

LEY DE HOOKE: F= K (CONSTANTE ELÁSTICA)· X (DISTANCIA)

EL PESO equivale a una unidad de fuerza.

El siguiente diseño es un instrumento práctico para  medir el peso en el que podemos adoptar el valor del peso de un objeto como unidad y utilizar después dos, tres, cuatro…, objetos iguales entre sí de tal forma que el peso que cuelga del muelle será igual al número de piezas que hayamos colgado (tomando como unidad el peso de una pieza).

A.6. Un grupo de alumnos ha realizado un experimento colgando diferentes pesos en un muelle y ha obtenido los siguientes resultados:

P (U.A.)	0	1	2	3	4	5
E (cm)	0	2,4	4,8	7.2	9.6	12

Interpreta los resultados y estudia si guardan algún tipo de relación.

Disponemos ahora de un instrumento que nos permite comparar distintos pesos, es decir, medirlos. Podemos utilizar para profundizar en nuestra comprensión del concepto de peso de los objetos. Con este fin, centraremos nuestra atención en el hecho de que el estiramiento que produce un cuerpo, al ser colgado de un muelle, también puede producirse realizando una fuerza sobre él.

A.7 Imaginar que disponemos de dos muelles iguales como los de la figura. ¿Podríamos saber qué hay detrás del cuadrado?

Peso unidad de fuerza que se mide en nts

La masa no

El peso de un objeto depende de la cantidad de masa que tiene y de la gravedad (fuerza que ejerce la tierra en los objetos).

Peso: propiedad que tienen los materiales, variable por la fuerza o gravedad. El peso es una fuerza

La cantidad de Masa no varía

¿El peso es una propiedad invariable de los objetos? ¿No podría ser que el peso de un cuerpo fuera debido a que la Tierra estira de él hacia abajo, hacia su centro, de modo parecido a como un imán atrae los trozos de hierro?

Si comprobáramos que el valor del peso varía con la distancia a la Tierra, reforzaríamos la idea de que el peso de un objeto es la fuerza con que es atraído por la Tierra y no una propiedad del mismo. A medida que nos alejáramos de la Tierra, el estiramiento del muelle sería menor. Por otro lado sabemos que, en la superficie de la Luna, un mismo objeto produciría un estiramiento, en el mismo muelle, menor que el que produciría en la superficie de la Tierra y éste, a su vez, sería menor que el que se produciría en la superficie de Júpiter. El estiramiento no se debe a una propiedad intrínseca del objeto, ya que depende del lugar donde se encuentre.

Pero aunque el peso de un cuerpo varía de un lugar a otro, sabemos que hay algo que no cambia esté donde esté.

A.8. Un trozo de un material se coloca en la superficie de la Tierra, de la Luna y de Júpiter. ¿Qué podemos decir de su peso y de la “cantidad de materia” que tiene en cada sitio?

El peso variará, pero la cantidad de materia no variará.

Dónde pesaría más?- fuerza en júpiter 3 veces más que hay en la tierra. En la luna pesaríamos 6 veces menos.

Nuestros músculos y huesos se debilitarían en la luna por la fuerza gravitatoria

Cantidad de materia se mide en kilos

Un kilo es un peso arbitrario. Comparar con un patrón conocido, una balanza a un lado una naranja y al otro pesas (patrón conocido) Patrón: cilindro de iridio de 10 cm de radio y 10 cm de altura) pesa un kilo

En la superficie de la Luna un mismo objeto produciría un estiramiento en el mismo muelle, menos que el que produciría en la superficie de la Tierra y éste, a su vez, sería menor que el que se produciría en la superficie de júpiter. EL ESTIRAMIENTO NO SE DEBE A UNA PROPIEDAD INTRINSECA DEL OBJETO, YA QUE DEPENDE DEL LUGAR DONDE SE ENCUENTRE.

NTS UNIDAD DE FUERZA

GRAVEDAD NTS/KG

A esa propiedad de un cuerpo que no varía con independencia del lugar donde se encuentre (en la superficie de la Tierra o en el espacio intergaláctico) ni cuando se calienta o se enfría (el volumen sí varía) se le llama masa. Nos indica “la cantidad de materia” que tiene un objeto. Para medirla se ha tomado como unidad  la masa de un objeto “patrón” – un cilindro de 10 cm de altura y 10 cm de diámetro, de platino e iridio, que se guarda en condiciones especiales. A la que se le dio el nombre de kilogramo. Para poder comparar masas de distintos cuerpos se ha tenido en cuenta que todos los cuerpos son atraídos por la Tierra y que, en el mismo lugar, la fuerza con que es atraído  un cuerpo depende de su masa, de modo que un cuerpo, cuya masa fuera el doble o el triple que la de otro, también pesaría dos o tres veces más.

Esto permite utilizar la balanza  (de brazos exactamente iguales y platillos a la misma altura sobre el suelo) para poder comparar masas. En esas condiciones, cuando los platillos están equilibrados, las masas de los cuerpos son iguales.

Como hemos dicho anteriormente el peso es la fuerza con la que “estira” un objeto (por ejemplo la Tierra) a otro objeto (por ejemplo, una persona) hacia su centro y por lo tanto se mide en Newtons (N). El Newton es la unidad de fuerza (¡no es una unidad de masa!). La fuerza con que un planeta atrae un kilogramo de masa es una característica del planeta y del lugar donde se encuentre el cuerpo y se expresa en N/Kg.

A.9. En la superficie de la Tierra vale 9,8N/Kg; en la de la Luna vale 1,6 N/Kg; y en la de Júpiter 25,9 N/Kg.  ¿Cuándo pesa una persona de 70 Kg en cada uno de estos sitios?

En la Tierra un cuerpo es atraído con un fuerza de 9,8, en la Luna de 1,6N y en Júpiter de 25,9N

La masa siempre sería 70 (cantidad de materia)

9,8 X 70= 686 N

1,6 X 70= 112 N

25,9 X 70= 1.813 N

A.10. Un astronauta va alejándose de la superficie terrestre… ¿Cuándo dejará de pesar?

No va a dejar de pesar nunca porque los cuerpos siguen atrayéndose, pesará un poco menos pero no deja de pesar.

La fuerza con la que un planeta atrae a un objeto disminuye según se va alejando el objeto del planeta, pero sólo se hace nula a una distancia infinita. La fuerza con la que la Tierra atrae a un Kg varía muy poco al pasar desde el suelo a 5000 Km de altura: de 9,8 N/Kg a 8,4 N/Kg. Por tanto, un astronauta a 500 Km sobre la superficie terrestre pesa sólo un poco menos que en el suelo. El hecho de que haya o no atmósfera no afecta en nada a la atracción gravitatoria. En la superficie lunar una persona pesaría una sexta parte de lo que pesaría en la superficie terrestre y al tener una anatomía adaptada a soportar un peso seis veces mayor, acciones como andar, correr, saltar o lanzar objetos producen resultados sorprendentes.

A.11.  Analizar en qué medida las propiedades que hemos estudiado en el apartado anterior (volumen, peso, masa) lo son, también, de los gases. Exponed argumentos y ejemplos que apoyen vuestras opiniones.

Peso de una bolsa: 3,8 +/- 0,1 gr

Peso de la bolsa con aire: 3,8 +/- 0,1 gr

Botella con aire comprimido pesa más que la botella con menos aire comprimido.

Parece que la materia es muy diversa. En principio nada nos haría pensar que la estructura de todos estos materiales pueda ser común, pero como hemos encontrado algunas propiedades comunes, partiremos de la hipótesis que existe una estructura común para todas las cosas. Empezaremos pensando en los gases, ya que todos son más parecidos entre ellos que los sólidos y los líquidos.

Vivimos en un mar de aire: si llenamos una bolsa de aire estamos pesando la bolsa

A.4 Enumera diversos gases y escribe propiedades comunes que tengan.

A.5 Piensa que estructura debe tener un gas para poder explicar sus propiedades.

           

A.6 Intenta analizar y explicar el paso de una misma sustancia del estado sólido al líquido y de éste al gaseoso, y al revés. Indicar ejemplos que conozcáis.

Vamos a revisar los materiales de la A.1.  

Estas propiedades estudiadas, por ser propiedades generales de la materia, no sirven para diferenciar unos materiales de otros. En este sentido, vamos a utilizar las magnitudes generales para concretar una de las propiedades diferenciadoras de los materiales que nos resulta más intuitiva y familiar: la existencia de materiales más o menos “ligeros”.

A.14 Describe el uso algún material que se utilizan porque es “ligero” y otro porque es “pesado”. ¿Qué pesa más la madera o el hierro?

Ligero: corcho,

Pesado: hierro, plomo, mercurio

¿Qué pesa más la madera o el hierro? Dos objetos no pesan lo mismo por ser del mismo tamaño, si son de distinto material. Hay que comprobarlo, pesándolo. DENSIDAD: cantidad de materia que hay en una unidad de volumen

Densidad del hierro=  masa mayor/volumen àmayor densidad

Densidad de la materia=  masa menos/volumen àmenor densidad

Peso: fuerza con la que nos estira una fuerza hacia el interior de la tierra- gravedad

Cantidad de materia que hay por unidad de volumen

Conociendo la densidad del aire a 20 grados: 1,20 kg/m3. Si lo pasamos a gramos seria 0,0012 g/cm3 (densidad del aire). ¿Conocemos el volumen de la botella que teníamos?- Sí, era de 5 litros, es decir, 5 dm3

¿Cuántos c3 son 1 dm3? 5000 cm3

¿Cuál era la masa del aire que medimos? 6,9 gramos

¿qué volumen

densidad es igual a la masa partido por el volumen. La masa son 6,9 gramos y la densidad son 0,0012 gramos/ cm3. Y esto es igual al volumen= 5.750cm3

A.15. Se tienen dos objetos A y B de tamaños distintos y hechos con materiales diferentes. ¿Cómo podríamos determinar cuál de los dos materiales es más ligero?

A. 16. ¿Qué crees que pesa más, una persona de 85 kg o el aire que hay en el aula?

Volumen aula= 345 m3. La masa es igual a la densidad por el volumen, es decir, 1,20 kg/m3 por 345 m3 es igual a la masa. La masa es igual a 414 kg

Menos cantidad de materia en el mismo volumen:

Aceite menos denso que el agua, agua mayor densidad

A.18. Para que un fluido flote sobre otro es necesario que el primero sea menos denso. Sin embargo, los globos aerostáticos utilizan aire y se elevan en él. ¿Cómo es posible? El aire caliente eleva el volumen del aire que hay en el globo. El volumen aumenta porque …

¿CÓMO EXPLICAR LA DIVERSIDAD DE SUSTANCIAS EXISTENTES?

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA.