la energia electrica

La energía eléctrica

De todas las formas la energía, la más fácil de utilizar es la energía eléctrica. Sabemos producirla, hacerla circular y transformarla en otras formas de energía. Pero la electricidad es, ante todo, un fenómeno natural.

La energía eléctrica, como toda energía, es el resultado de un trabajo: el de la corriente eléctrica. Pero ¿Qué es esta corriente eléctrica? Es un flujo de partículas en movimiento en un conductor, por ejemplo, un hilo metálico. Estas partículas transportan cargas eléctricas. El estudio de la electricidad comienza, entonces. Por las cargas eléctricas. Esta rama de la física se denomina.

El principio de la electricidad estática

En la antigüedad, los griegos observaron que el ámbar amarillo (una resina fósil) podía, después de ser frotado, atraer a cuerpos muy livianos como virutas de madera o plumas. El nombre griego del ámbar, elektron, se mantuvo para designar la electrización, esta extraña capacidad que tienen algunos cuerpos de atraer a otros, después de haber sido frotados. La electrostática explica este fenómeno. Todos los cuerpos están constituido por pequeños granos de materia: los átomos. Estos están formados por un núcleo, portador de cargas eléctricas positivas, rodeado de partículas más livianas, los electrones, que llevan cargas eléctricas negativas. En cada átomo, las cargas positivas y negativas se equilibran: se dice que el átomo es eléctricamente neutro.

Un átomo puede ceder (es decir dar a otro átomo) o captar (tomar de otro átomo) electrones. Cuando los átomos de un cuerpo captan electrones, el cuerpo se carga de electricidad negativa. Al contrario, cuando sus átomos ceden electrones, el cuerpo se carga de electricidad positiva. Es lo que se produce en la electrización por roce.

Cargas eléctricas positivas y negativas

El ámbar atrae a otros cuerpos por estar cargado de electricidad. El mismo fenómeno se produce cuando un peine de plástico atrae los cabellos o cuando la pantalla de televisión atrae una hoja de papel. ¿Por qué sucede? Las cargas negativas atraen a las cargas positivas y repelan a las cargas negativas. Del mismo modo, las cargas positivas atraen a las negativas y repelan a las cargas positivas. En otras palabras, dos cuerpos que portan cargas del mismo signo se repelan, mientras que dos cuerpos que tienen cargas de signos contrarios se atraen. Esta es la ley fundamental de la electrostática.

Descargas eléctricas pequeñas y grandes

Para separar las cargas positivas de las negativas, hay que administrar energía, pero cuando se unen cargas contrarias, se libera esta misma energía: es la descarga eléctrica, que se manifiesta generalmente por una chispa, breve aparición de luz y calor. Se pueden producir descargar eléctricas mediante experimentos en laboratorio, pero también se generan de forma natural. Cuando nos ponemos una prenda de vestir de fibra sintética, a veces recibimos una pequeña descarga eléctrica. Incluso es posible ver una chispa si esta oscuro. ¿Cómo se explica este fenómeno? El roce del tejido carga eléctricamente toda la prenda, separando las cargas positivas y las negativas. Pero en cuanto esta entra en contacto con la piel, las cargas eléctricas contrarias se encuentran: aparece una descarga.

El rayo es una impresionante descarga eléctrica, que se produce entre el cielo y la tierra y que es acompañada por una fuerte luz: el relámpago.

Para proteger un edificio, se instala un pararrayos en el techo, una punta metálica elevada unida al suelo por un cable metálico aislado del edificio. La chispa es captada por el pararrayos y conducida hasta el suelo.

Conductores y aislantes

Todos los cuerpos pueden se electrizados por roce, pero las cargas eléctricas producidas evolucionan de manera distinta si el cuerpo es conductor o es aislante.

En el caso de los aislantes, como el plástico o la madera, las cargas eléctricas quedan agrupadas sobre la parte frotada y no circulan. En los conductores, los metales especialmente, las cargas eléctricas son móviles; se reparten por toda la superficie del cuerpo.

¿Cómo se inicia una carga?

El escritor y físico aficionado Benjamín Franklin (1706-1790) hizo progresar el estudio de este fenómeno natural. Demostró que el rayo era provocado por el encuentro violento de dos tipos de cargas eléctricas. A las que llamo positivas y negativas. Violentas corrientes de aire agitan las pequeñas gotas de agua en una nube de tormenta. Este roce entre el aire y el agua electriza la nube. Las cargas positivas se reúnen en la parte superior de la nube, mientras que las cargas negativas lo hacen en su base. Estas últimas atraen las cargas positivas del suelo. Terminan por reunirse en una serie muy rápida de chispas violentas: el rayo.

energia termica

La energía térmica

Al igual que la energía mecánica, la energía térmica es otra forma de energía estudiada por los físicos, quienes se esforzaron por establecer la diferencia entre energía térmica, calor y temperatura.

Los físicos se interesan en todas la transformaciones de la energía. Las manifestaciones de la energía mecánica son fáciles de reconocer y se prestan para experimentos espectaculares, en cambio las de la energía térmica son menos evidentes. ¿Cuál es la relación entre energía térmica y calor?

Calor y energía térmica

En el pasado, los sabios se preguntaron, sin éxito, acerca de la naturaleza del fuego. Hacia fines del siglo XVIII, algunos investigadores creativos imaginaron experimentos y teorías para aclarar las ideas y relacionar, entre ellas, las observaciones hechas sobre el calor y la temperatura. Luego, se esforzaron por explicar el funcionamiento de las máquinas de vapor, que transforman la energía térmica en energía mecánica. Reconocieron que el calor era “una magnitud susceptible de crecer y disminuir”. En la actualidad, se ha establecido claramente la estrecha relación que existe entre el calor y energía térmica. Cuando se pone en contacto un cuerpo frio con un cuerpo caliente, se realiza una transferencia de energía térmica bajo la forma de calor, desde el cuerpo caliente hacia el frio. Los físicos dicen que el calor es una forma de propagación de la energía.

Conductores y aislante térmicos

¿Cómo se propaga la energía térmica? Cuando se calienta uno de los extremos de una barra metálica, el calor se propaga rápidamente hacia el otro extremo: se dice que los metales son conductores térmicos. En cambio, la madera, el vidrio y el plástico propagan mal el calor: son aislantes térmicos. Por esta razón, las cacerolas son, por lo general, de metal, un conductor que transmite bien el calor entre la llama que calienta y los alimentos. Sus mangos son de madera o de plástico, es decir, aislantes, que evitan que quien las use se queme.

¿Por qué la energía térmica no se propaga siempre de la misma forma?

En un cuerpo sólido, liquido o gaseoso, las moléculas se agitan permanentemente. Calentar un cuerpo es aumentar la agitación de sus moléculas.

El físico francés Sadi Carnot (1796-1832) definió el calor como “un movimiento entre las partículas de un cuerpo”. Esta agitación se propaga rápidamente en los metales, que son conductores. En los aislantes, como la madera, permanece localizada y no se propaga.

La convección y las corrientes de aire

¿Por qué se calienta todo el contenido de una cacerola si solo el fondo está expuesto al calor? Por las corrientes de convección, que transportan el calor desde las zonas calientes hacia las zonas frías. Circulan en todos los fluidos (líquidos y gaseosos) expuestos a una diferencia de temperatura.

La radiación

El calor puede también ser transmitido por una radiación. En un radiador eléctrico, los hilos enrojecidos emiten ondas luminosas visibles (el ojo ve el color rojo de estas) y ondas invisibles, pero perceptibles: son las ondas infrarrojas, que transportan el calor a través del espacio. Un radiador es entonces un aparato que transforma, primero la energía eléctrica en energía térmica, y luego, en otra forma de energía: la energía radiante.

Calor y temperatura

Joseph Black, un físico y químico francoescoses, de fines del siglo XVIII, fue el primero en hacer la distinción entre calor y temperatura. El calor transmite la agitación de las moléculas de un cuerpo a otro. En un cuerpo cualquiera, la agitación desordenada de los miles de millones de moléculas que lo componen no es más que su energía térmica.

¿Qué es, entonces, la temperatura?

Es la medida del grado de agitación de estas moléculas, es decir, la medida de su energía media. Dos litros de agua hirviendo contienen dos veces más energía térmica que un litro de agua hirviendo, ya que encierran el doble de cantidad de moléculas. Sin embargo, el agua hirviendo se mantiene a la misma temperatura, ya sea en uno o dos litros de agua: la energía media de las moléculas del agua es la misma en ambos casos.

La energía y el calor se miden en Joule (símbolo: J), y la temperatura, en grados Kelvin (símbolo: K) o en grados Celsius (símbolo: ⁰C).

la accion de las fuerzas

La acción de las fuerzas

Todos  los movimientos son originados por fuerzas. Estas crean el movimiento haciendo variar la velocidad de los cuerpos. El físico británico Isaac Newton  (1642-1727) enuncio tres leyes para explicar el conjunto de los movimientos posibles. Estas leyes son las bases de la mecánica clásica.

¿Qué es una fuerza?

En el andén horizontal de una estación, un carro está cargado con equipe. Para moverlo, hay que empujarlo. Para acelerar su movimiento, hay que seguir empujándolo. Pero cuando se deja de empujar, la velocidad del carro disminuye y este se detiene. El físico dice que se ha aplicado una fuerza al carro, para hacerlo pasar del estado de reposo al estado de reposo al estado de movimiento. Luego, para aumentar su velocidad (aceleración), fue necesario ejercer una fuerza (en este caso, la fuerza muscular). Pero cuando esta fuerza se detiene, la fricción del suelo reacciona como una fuerza opuesta: el carro disminuye la velocidad (aceleración negativa).

Este simple ejemplo permite comprender que es la fuerza: una acción que transmite la aceleración (positiva o negativa) a los cuerpos. También se ha definido de la siguiente forma: “se llama fuerza a toda acción mecánica que tiene por efecto modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo”.

En el sistema internacional de unidades, la unidad de fuerza se denomina newton (símbolo: N). es la fuerza que comunica a la unidad de masa (es decir, 1kg) una aceleración de 1 m /s².

La inercia: primera ley de Newton

Si un cuerpo se encuentra en reposo y ninguna fuerza actúa sobre él, permanecerá así indefinidamente, y si se encuentra ya animado por un movimiento, mantendrá su misma velocidad y dirección (movimiento rectilíneo uniforme). Siempre que no actué una fuerza que frene, acelere o modifique su movimiento. Es la primera ley de Newton, llamada el principio de inercia.

Fuerza y aceleración: segunda ley de Newton

La segunda ley de Newton nos da una relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo (es decir, sobre su masa) y la aceleración que experimenta: un cuerpo de masa (m), sobre el que se ejerce una fuerza (F), alcanza una aceleración (a), en la misma dirección y en el mismo sentido que esta fuerza. Esta relación se escribe:

F=m.a

Acción y reacción: tercera ley de Newton

Cuando una persona carga una maleta, el peso de esta tira su brazo hacia el suelo. Los músculos reaccionan a la inversa para tirar la maleta hacia arriba. Esta última ejerce una acción sobre el brazo y, en forma inversa, el brazo ejerce una reacción sobre la maleta. Del mismo modo, cuando un cohete despega, los gases expulsados (acción) impulsan al cohete hacia arriba (reacción). Acción y reacción son indisociables. Son dos fuerzas que actúan en direcciones opuestas. Este principio fue formulado por Newton de la siguiente forma: “si un cuerpo A ejerce una fuerza (acción) sobre un cuerpo B; entonces B, a la inversa, ejerce sobre A una fuerza directamente opuesta (reacción)”.

Fuerza centrípeta y fuerza centrífuga

Durante los movimientos de rotación aparecen dos fuerzas: la fuerza centrípeta y la fuerza centrífuga.

 Imaginemos a un lanzador de martillo en un estadio. El atleta hace girar su martillo (una bola metálica de 7,27kg), que traza un movimiento circular rápido. Para ello, debe tirar con gran fuerza el cable metálico que sostiene al martillo. Esta fuerza ejercida por el atleta es la fuerza centrípeta: “la fuerza, dirigida hacia el centro de rotación, que mantiene un cuerpo en una rotación en una trayectoria circular, con un movimiento uniforme”. Cuando el lanzador suelta el cable metálico, la fuerza centrípeta se suprime y el martillo se escapa en línea recta. Según la ley de acción y reacción, mientras el lanzador tira del cable hacia el interior, el martillo tira hacia el exterior con una fuerza opuesta a la fuerza centrípeta: la fuerza centrífuga. Esta se define como “la fuerza directamente opuesta a la fuerza centrípeta, que actúa sobre los elementos que mantienen el cuerpo en su trayectoria circular”. 

La automatización del cálculo

"el mundo esta escrito en lenguaje matemático , decía Galileo. Esta frase simboliza perfectamente la orientación que adoptaría la ciencia moderna: tratar de representar matemáticamente el comportamiento de todos los objetos y seres vivos del universo. Pero, para lograrlo, hay que efectuar una cantidad considerable de cálculos.
La computadora obediente
para que una computadora realice un calculo, hay que indicarle todo. Por ejemplo, si se quiere que sume dos números  se le dará la orden de hacer esta suma. pero para que esta orden sea ejecutada, hay que encontrar un lenguaje que permita la comunicación entre el hombre y la maquina. Se acostumbra a llamarlo "lenguaje de programación".
Los lenguajes informáticos
el primer lenguaje en ser utilizado, llamado lenguaje ensamblador, era sumamente primario e incomodo. como su nombre lo indica, seria para ensamblar. Pero ¿que ensamblaba? Simplemente la serie de ordenes a ejecutar, que se denominan instrucciones. Por ejemplo, para sumar dos números  se indicaba a la maquina el lugar donde se encontraba el primer numero, es decir, su dirección del segundo numero, y después donde había que ubicar el resultado, etc. Los lenguajes han ido evolucionando. el mas utilizado en ciencias se llama Fortran. En el Fortran, la computadora sabrá buscar, por si sola, los valores que debe sumar, restar o dividir.
El sistema binario
existe una gran cantidad sistemas de numeración  aunque el que nos resulta mas familiar es el sistema decimal (0 de base 10). Este comprende las nueve cifrar del 1 al 9, mas el 0: En cambio, la computadora cuenta en base 2, por lo que solo conoce los 1 y los 0: es un sistema binario. La totalidad de las instrucciones que se le entreguen, deberán ser escritas con 1 y con 0, y serán  entonces, codificadas. Ademas, el espacio necesario para escribir un numero es mucho mas grande que en el sistema decimal.
 Por ejemplo, si un numero se escribe 2 en sistema decimal, se escribirá 10 en el sistema binario; 3 se escribirá 11; 4 se escribirá 100, etc. La cantidad de casillas necesarias para escribir un numero se llaman "bits": la palabra bit es la contracción de las palabras inglesas que significan "numero binario". La precisión de los cálculos en la computadora dependerá de la cantidad de bits que se puedan utilizar para un numero. Si esta cantidad es ocho (un byte), el numero máximo que se escribirá sera 11111111, es decir, 225 en el sistema decimal.
Los algoritmos
la computadora hace exclusivamente lo que se le indica; solo resuelve problemas cuyos cálculos se puedan efectuar  paso a paso. En lenguaje matemático  se dice que que estos problemas se formulan en forma "algorítmica" ¿que es un algoritmo? Este termino designa simplemente la presentación del calculo a efectuarse como una sucesión de operaciones elementales.
Por ejemplo, si se busca el valor de x (y + z), el algoritmo de calculo de esta expresión matemática sera: calcular primero y + z, y después multiplicar el resultado obtenido por x. La acción que consiste en solicitar a la computadora que realice esta serie de operaciones, se llama programación. Para simplificar aun mas la labor del científico  se puede guardar en la memoria de la computadora cierta cantidad de algoritmos utilizados frecuentemente. Mientras mas grande es esta memoria, mas se puede guardar. De esta manera, el usuario ha reducido el tiempo que destinaba a la programación  ya que puede utilizar los algoritmos almacenados en lugar de reprogramarlos.

pioneros de la informatica

Es al filosofo francés Blaise Pascal (1623-1662) a quien se le debe una de las primeras maquinas calculadoras. A la edad de 19 años, este gran pensador invento una máquina capaz de sumar y restar números. pero los informáticos consideran que el verdadero precursor fue el británico Charles Babbage (1792-1871), quien imagino dos modelos de calculadora, de las cuales no se desarrollo ninguna mientras vivió  la primera, llamada maquina diferencial, estaba destinada, simplemente, a efectuar cálculos con las cuatro operaciones aritméticas: la suma, la resta, la multiplicación y la división.
la segunda, llamada maquina analítica  era mucho mas evolucionada y cercana al concepto moderno de las computadoras. debía servir para encontrar el valor de toda expresión matemática de la cual se conociera la forma de calculo, es decir, la serie de operaciones que se debían efectuar los algoritmos.
la maquina diferencial de Charles Babbage

la maquina de turing

otro gran científico británico, Alan Turing (1912-1954), se intereso durante toda su vida por el estudio del funcionamiento del pensamiento humano. Como piensan los hombre? seria una maquina capaz de pensar? Recluido durante la Segunda Guerra Mundial para encontrar el medio de descifrar los mensajes secretos alemanes, comenzó  en paralelo, a tratar de hacer realidad su sueño: concebir y elaborar una maquina capaz de hacer matemática  su maquina debía poder resolver todo problema representado por una sucesión de operaciones elementales; pero, sobre todo, su memoria debía ser suficientemente importante para guardar las instrucciones necesarias para el calculo. No se trataba entonces de una simple calculadora que haría operaciones aritméticas a medida que se le presentaran, sin recordar las anteriores. Turing quería delegar a la maquina una parte de la metodología del calculo, habitualmente a cargo del matemático  Mas que de la informática  fue precursor de la inteligencia artificial. Antes de elaborar una maquina concreta, había establecido un modelo abtrasto (sobre el papel), muy conocido, desde entonces, con el nombre de "maquina de Turing".
la maquina de Von Neumann
la arquitectura de las computadoras actuales esta basada en los principios definidos por el norteamericano de origen húngaro Jhon von Neumann (1903-1957) quien distinguió entre dos grandes aspectos indisociables de las maquinas modernas: el aspecto material, que abarca todos los elementos materiales de la computadora (especialmente los circuitos electrónicos , y el aspecto software, que se refiere a la escritura de programas que permiten resolver los problemas y grabarlos en la memoria de la computadora. Desde comienzos de la Segunda Guerra Mundial, Jhon Von Neumann participo en numerosos proyecto militares. Y a partir de 1943, se unió en Los Álamos al director del centro de investigaciones sobre la bomba atómica.
Robert Oppenheimer. Creo, en el marco del programa nuclear norteamericano (1944) el proyecto EDVAC, en el que participaron los norteamericanos Jhon Mauchley y Jhon P. Eckert. Estos últimos acababan de concebir la primera calculadora totalmente electrónica  la ENIAC, terminada a fines de 1945. La EDVAC fue la primera maquina en el mundo en funcionar sobre la base de un programa pregrabado.