Fisica Santillana

Rosa Elisa T. Hernández Acosta Olivia Urdapilleta Leyva

Física 1 S

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BACHILLERATO

El descubrimiento de la ciencia requiere un proceso continuo de acercamiento a las ideas, experiencias, nociones y conocimientos desarrollados hasta nuestros días. Se trata de una aproximación a la génesis del acervo científico como un hecho social e histórico. Física 1 presenta oportunidades para que el estudiante de bachillerato adquiera la perspectiva de esta aproximación y construya su conocimiento razonado sobre los fenómenos del entorno. El lenguaje accesible, la información actualizada e interesante sobre las aplicaciones de la física, y los espacios de reflexión y análisis sobre diferentes situaciones del entorno inmediato son los elementos distintivos de esta obra. Su propósito es mostrar los planos del “edificio” de la física de modo que el estudiante sienta curiosidad por entrar a sus “habitaciones”, se haga cuestionamientos sobre su entorno, recorra cada recoveco de esta construcción e incluso, por qué no, llegue a la “habitación” que dé respuesta a su curiosidad.

Física 1

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Elaborado según la Reforma curricular con un enfoque educativo centrado en el aprendizaje.

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Elaborado según la Reforma curricular con un enfoque educativo centrado en el aprendizaje

Física 1 Rosa Elisa T. Hernández Acosta Olivia Urdapilleta Leyva El libro Física 1 es una obra colectiva, creada y diseñada en el Departamento de Investigaciones Educativas de Editorial Santillana, con la dirección de Clemente Merodio López.

El libro Física 1 fue elaborado en Editorial Santillana por el siguiente equipo e d i c i ó n



c o o r d i n a c i ó n e d i t o r i a l



c o r r e c c i ó n d e e s t i l o



d i s e ñ o d e i n t e r i o r e s



Catalina Pelayo Rojas

Roxana Martín-Lunas Rodríguez Rubén I. Osorio Martínez

Martha Covarrubias Newton d i s e ñ o d e p o r t a d a Leonardo Pérez Ramírez y Francisco Ibarra Meza



c o o r d i n a c i ó n d e d i s e ñ o e i c o n o g r a f í a



i n v e s t i g a c i ó n i c o n o g r á f i c a



i l u s t r a d o r e s



f o t o g r a f í a



d i a g r a m a c i ó n

Martha Covarrubias Newton Astrid Stoopen Mendoza Nuria Montiel Pérez Grovas • Ximena Pérez Viveros

Archivo Santillana • Corel Stock Photo • Banco Imagina Carlos Hahn • Francisco Mata Rosas • Juan Miguel Bucio Trejo Rocío Echávarri Rentería • Ruth Torres Fernández Unai Miquelajáuregui Graf • Diego de la Llata Mauleón Naandeyé García Villegas • mmcn

e d i t o r a e n j e f e d e b a c h i l l e r a t o

Roxana Martín-Lunas Rodríguez

g e r e n c i a d e i n v e s t i g a c i ó n y d e s a r r o l l o

Armando Sánchez Martínez

g e r e n c i a d e p r o c e s o s e d i t o r i a l e s g e r e n c i a d e d i s e ñ o



c o o r d i n a c i ó n d e a r t e y d i s e ñ o



c o o r d i n a c i ó n d e s i s t e m a s e d i t o r i a l e s



d i g i t a l i z a c i ó n d e i m á g e n e s

Laura Milena Valencia Escobar Mauricio Gómez Morin Fuentes Francisco Ibarra Meza Víctor Manuel Vallejo Paquini

José Perales Neria • Gerardo Hernández Ortiz María Eugenia Guevara Sánchez f o t o m e c á n i c a e l e c t r ó n i c a Gabriel Miranda Barrón • Manuel Zea Atenco Benito Sayago Luna

La presentación y disposición en conjunto y de cada página de Física 1 son propiedad del editor. Queda estrictamente prohibida la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier sistema o método electrónico, incluso el fotocopiado, sin autorización escrita del editor. D.R. © 2007 por EDITORIAL SANTILLANA, S. A. DE C. V. Av. Universidad 767, 03100, México, D. F. ISBN: 978-970-29-1882-0 Primera edición: abril de 2007 Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 802 Impreso en México.

Presentación Gracias a Mamá y a Tona. A Esteban por estar siempre ahí conmigo. rosa elisa t. hernández acosta

Para el Gordo, Papá y Patito. olivia urdapilleta leyva

C onsideramos que la física es quizá la ciencia que ha “materializado” los hallazgos y el cuerpo de conocimientos científicos en avances tecnológicos que utilizas cotidianamente, equipos e instrumentos para la investigación científica, e inventos y aparatos que hoy sustentan la era de la información en la que vives. Probablemente, hasta hoy, habías pensado que la física es una tarea académica, extraña, ajena, completamente abstracta y alejada de tu realidad. La vida diaria de buena parte de la población mundial sería sustancialmente distinta si no existieran inventos como el transistor, la computadora, la red informática mundial y el rayo láser, todos creados por físicos. El propósito de Física 1 es abordar los temas bajo una perspectiva diferente con lenguaje accesible, información actual e interesante, y oportunidades para que reflexiones y analices diferentes situaciones de tu entorno inmediato. En cada unidad, encontrarás secciones como Para comenzar, donde reconocerás las ideas que ya tienes en relación con los temas de la unidad. De buena tinta es una serie de notas interesantes de física que son una vía opcional para profundizar. Activa la memoria te apoya para que recuerdes nociones y conceptos de otras asignaturas, y de lo que ya sabes de física. La ciencia hace historia, relatos histórico sociales que enriquecerán tu perspectiva de la construcción social de la ciencia. Modifica tu entorno, aplicarás los conocimientos adquiridos para fomentar un cambio social en tu comunidad. El Resumen es un espacio para organizar las ideas y los conceptos revisados en la unidad. Evaluación es una propuesta para monitorear tu aprendizaje. Estamos convencidas de que al finalizar este curso podrás percibir la física a tu alrededor y bajo otra visión. Para comprender la física es necesario abrir bien los ojos y tener la curiosidad de siempre indagar más a fondo. Sólo nos basta decirte: ¡que lo disfrutes! Las autoras

Física 1........... unidad

1

Introducción al conocimiento de la física 6 Para comenzar 8

1. ¿Qué es la física? 9 Relación de la física con el entorno y la vida cotidiana 9 La física 12 La realidad más impactante que la ciencia ficción 12 ¿Y la física? 13



2. Método científico 18 3. Física, tecnología y sociedad 24 Relación de la física con otras ciencias 24 Tecnología y sociedad 26 Resumen 30 Evaluación 31 Artículo de divulgación 32

unidad

2

Magnitudes físicas y vectores 34 Para comenzar 36

1. Magnitudes físicas y su medición 37 Una primera aproximación: los sentidos 37 ¿Qué es medir? 39 Magnitudes fundamentales

y derivadas 40 Sistemas de unidades cgs e Inglés 42 Sistema Internacional de Unidades, ventajas y limitaciones 44 Unidad de longitud 45 Unidad de masa 46 Unidad de tiempo 46 Otras unidades fundamentales 47 Transformación de unidades

de un sistema a otro 48 Métodos directos e indirectos de medida 50 Notación científica y prefijos 53 Notación científica 53 Prefijos 55 La resolución, la precisión

y la exactitud de los instrumentos en la medición de diferentes magnitudes 59 Tipos de errores 61 Cifras significativas 64



2. Vectores 66 Diferencia entre magnitudes escalares y vectoriales 66 Características de un vector 67

Las dimensiones conocidas 68 Vectores en dos dimensiones 70 Representación gráfica



y matemática de vectores coplanares, no coplanares, deslizantes, libres, colineales y concurrentes 72

Tipos de vectores y sus relaciones 72



Operaciones con vectores 74

Módulo de un vector 74 Suma de vectores 75 Resta de vectores 78 Multiplicación por un escalar 78 Representación canónica

de vectores 79 Composición y descomposición rectangular de vectores por métodos gráficos y analíticos 80 Descomposición de vectores 80 Composición de un vector 81 Transformación de coordenadas 81

Resumen 84 Evaluación 85 Artículo de divulgación 89

.............................. Sv

Sv

unidad

3

Movimiento 92 Para comenzar 94

1. Movimiento en una dimensión 95 Cinemática 95 Conceptos cinemáticos 97 –distancia y desplazamiento 100 –rapidez 102 –velocidad 107 –aceleración 110 Sistemas de referencia absoluto

y relativo 115 Movimiento rectilíneo uniforme 116 Movimiento rectilíneo uniformemente acelerado 120 El método gráfico 127 Caída libre 129



Tiro vertical 133

2. Movimiento en dos dimensiones 138



Tiro horizontal 138 Tiro parabólico 143 Movimiento circular 150

Movimiento circular uniforme 151 Movimiento circular uniformemente acelerado 154 Relaciones cinemáticas angulares y lineales 155

Resumen 159 Evaluación 160 Artículo de divulgación 162

unidad

4

Leyes de Newton, trabajo, potencia y energía 164 Para comenzar 166

1. Leyes de Newton 167



¿Qué es una fuerza? 167 Segunda ley de Newton 168

Unidades de fuerza 170 Peso de los cuerpos 173



Fuerza normal y fuerza de fricción 177

Fuerza normal 177 Fuerza de fricción: estática y cinética 180 Coeficientes de fricción 183



Primera ley de Newton 186

Midamos la inercia 188 Sistemas inerciales 189



Tercera ley de Newton 190

Interacción entre los cuerpos 190 Fuerzas de acción y reacción 193



Ley de la gravitación universal 194

Constante de la gravitación universal 197

2. Trabajo, potencia y energía mecánicos 200

Trabajo mecánico 200

Trabajo vertical 201 Trabajo horizontal 201 Potencia mecánica 205 Energia mecánica 208 Energía cinetica 208 Energía potencial 210 Ley de la conservación de la energía 212

Resumen 216 Evaluación 217 Artículo de divulgación 220 Fuentes de consulta 223



d u n i da

Introducción al conocimiento de la física

Si no puedes explicar lo que has estado haciendo, tu trabajo carecerá de valor. E rwin S hrödinger



En esta unidad

Descubrirás los beneficios que

la física y el método científico aportan a tu vida cotidiana; Reconocerás la importancia de la relación de la física con otras ciencias para el desarrollo de tecnología, así como sus efectos sobre la vida humana; E x plicarás qué es la física para ti,

su importancia con tu entorno inmediato y su papel frente a otras ciencias en el desarrollo tecnológico.

¿Qué es la física? Relación de la física con el entorno y la vida cotidiana La física

2 Método científico 3 Física, tecnología y sociedad

Relación de la física con otras ciencias Tecnología y sociedad



Introducción al conocimiento de la física

Para comenzar T

o dos los días, después de clases, pasas por un parque de camino a tu casa. Casi siempre hay varias personas, niños, niñas, jóvenes. Unos juegan con la patineta, otros con los patines o con una pelota. Pero siempre hay alguien en el parque. Como de costumbre, ves si alguno de tus amigos anda por ahí. Mmm... no, no hay nadie. Así que continúas tu camino y justo cuando vas a abrir la puerta comienza a llover muy fuerte. ¡Qué suerte! Te preparas algo de comer y te sientas a ver televisión. Te acuerdas que hoy van a pasar un programa sobre la bomba atómica; a ver qué tal está. Pero al encender el televisor la señal del canal se interrumpe. De seguro es por ese rayo tan fuerte que se escuchó. Ni hablar, te resignas y vas a tu recámara. Hojeas la revista de astronomía que te prestaron y comienzas a preguntarte si en otros planetas también habrá tormentas, si alguna vez el ser humano podrá pisar otro planeta. ¿Algún día se podrá transmitir un programa de televisión desde allá?

Responde las siguientes preguntas. 1. ¿ Crees que en la lectura se habla de fenómenos que tienen una explicación científica? ¿Por qué?

2. Haz una lista de algunos fenómenos que tienen explicación científica e intenta escribir una explicación para cada uno.

3. ¿Consideras que tus explicaciones son suficientes para comprender estos fenómenos? ¿Por qué?

4. S i tus explicaciones no son suficientes, ¿qué conocimiento te hace falta para comprender esos fenómenos?

5. ¿ Qué ciencias entran en juego para el estudio de estos fenómenos?



Si bien desconocemos todo el saber científico que hay detrás de cada avance tecnológico que actualmente nos facilita la vida, utilizamos la tecnología cotidianamente.

¿Qué es la física? Alguna vez te has preguntado por qué te puedes equilibrar en la ¿patineta, por qué ruedan los patines, por qué llueve, cómo funciona la televisión, cómo transmite la señal un satélite, cómo viaja la luz, cómo se hizo la bomba atómica, cómo se formó el sistema solar, o qué tan lejos están los planetas? Los seres humanos siempre han tenido una pasión por indagar. Tanto la Naturaleza como la vida en sociedad son fuentes de inagotables interrogantes. Al responder cómo ocurren todos estos sucesos no sólo se satisface nuestra pasión por averiguar, sino que también es posible resolver problemas prácticos. ¿Cómo? Tan sólo planteando las preguntas anteriores de otro modo. El planteamiento de un problema facilita o dificulta su solución: • ¿en qué parte de la patineta me coloco para equilibrarme? • ¿qué patines utilizo para alcanzar una velocidad mayor? • ¿cómo me protejo de la lluvia? • ¿cómo hago más nítida la imagen de la televisión? • ¿cómo se emplea benéficamente la misma energía que se usó en la bomba atómica?

1

¿Qué relación guarda la física con tus patines?

Todos los fenómenos que ocurren en nuestra vida cotidiana guardan una estrecha relación entre sí: la posibilidad de ser analizados y explicados desde la perspectiva de la ciencia. En este libro en particular estudiarás los fenómenos de la Naturaleza desde el punto de vista de la física.

Relación de la física con el entorno y la vida cotidiana Si te preguntaran qué se te ocurre cuando escuchas la palabra Naturaleza, probablemente te imaginarías rodeado de árboles, animales, agua, tierra, cielo, mar y sol; quizá también se te ocurriría pensar en lo que obtenemos de todo lo anterior como fruta, carne, pieles y viviendas. Sin embargo, Naturaleza es todo lo que nos rodea. Tratar de entender eso que nos rodea no es una tarea nueva ni tampoco fácil. Desde la aparición del ser humano su pasión por indagar está implícita en su necesidad de comprender su entorno, para tratar de dominar o modificar los fenómenos de la Naturaleza.

La experiencia permitió a los primeros seres humanos indagar sobre su entorno. Este empirismo prevaleció por mucho tiempo, hasta que comenzaron a preguntarse por las causas del comportamiento de la Naturaleza. Este cuestionamiento condujo a lo que se conoció como “filosofía natural”, el antecedente de la ciencia.



Introducción al conocimiento de la física

1

10

La descripción de los sucesos “cotidianos” constituye una forma de registro de la necesidad del ser humano por conocer su entorno.

Hace alrededor de 400 años la ciencia cobró importancia para los estudiosos únicamente. Sin embargo, 200 años después la ciencia se ha convertido en parte de la vida cotidiana debido a la serie de cambios tan notorios que ha provocado, de una o de otra manera, en el entorno inmediato de cada ser humano.

El reconocimiento de los fenómenos naturales tuvo un comienzo ligado a la supervivencia y, por tanto, útil; es decir, el reconocimiento de los periodos de caza, cosecha o recolección jugó un papel preponderante en la observación del cielo, en el aprendizaje de la periodicidad de las estaciones cálidas y frías, en los ciclos de mareas bajas o altas, o en el pronóstico del clima para la siembra. De este modo los seres humanos aprendieron a establecer relaciones de causa-efecto entre fenómenos que a primera vista no parecían estar relacionados, hasta reconocer en qué momentos se llevan a cabo ciertos fenómenos naturales. Cuanto más aprendió acerca de la Naturaleza, el ser humano acrecentó el acervo de conocimientos acerca de los fenómenos que pasaban a su alrededor. Este acervo de conocimientos, que continuamente crece, es lo que con el paso del tiempo constituyó lo que hoy llamamos ciencia. Estrictamente la palabra ciencia (scientia en latín) significa conocimiento. A medida que la cantidad de conocimientos crecía, los estudios también se fueron especializando de modo que fue necesario dividir la ciencia en varias ramas de acuerdo con los diferentes fenómenos observados. Y de este modo a los que estudiaban la vida se les llamó biólogos o sólo naturalistas; a los que observaban los fenómenos como las fuerzas que intervienen para lograr mover cuerpos se les llamó físicos; y a los que observaban el cielo se les llamó astrónomos. Esto sucedió por ahí del siglo xvii . En la actualidad, son grandes los avances en ciencia y aún más los beneficios que hemos obtenido al compartir y combinar conocimientos. La estrecha relación entre las diversas ciencias se ve reflejada en el avance de la tecnología que todos empleamos en nuestra vida cotidiana: tú, la deportista, el obrero, la comerciante y el servidor público. La física es una ciencia protagonista de este avance tecnológico. Por ejemplo, un albañil sin conocimientos de física probablemente

1 ¿Qué es la física?

no sabe cómo funciona la mezcladora de concreto, pero sí sabe cómo utilizarla; el deportista tal vez no sabe cómo funcionan los sistemas computarizados que lo estudian para mejorar su rendimiento, pero se vale de los resultados para correr más rápido, lanzar balones más lejos, o saltar más alto. Gracias al acervo de conocimientos en física, sabemos que la Tierra gira sobre su propio eje y se originan los días y las noches; que cuando vas al parque recorres una distancia y cuando usas tus patines y la patineta te mantienes en movimiento. Todo esto lo estudia una parte de la física llamada mecánica. La tormenta que cae sobre tu ciudad puede explicarse atendiendo a los fenómenos térmicos o electromagnéticos que ocurren en la hidrosfera; se puede incluso pronosticar el fenómeno meteorológico sabiendo cómo cambia la presión atmosférica antes de que llueva. Para hacer funcionar un aparato de televisión es necesario aplicar conocimientos de electricidad, magnetismo y óptica; en cambio, cuando llegas a casa y sientes la diferencia de temperatura con el exterior es asunto de la termodinámica. La física atómica, cuántica y relativista están estrechamente ligadas con la creación de la bomba atómica, en tanto que el rayo que cae está particularmente relacionado con electricidad. Los viajes espaciales y la puesta en órbita de satélites se pueden estudiar con mecánica clásica, pero la transmisión de señales luminosas es el objeto de estudio de la mecánica relativista. El porqué la Luna gira alrededor de nuestro planeta se explica por medio de la ley de la gravitación universal hallada por Newton. A todos nos interesa conocer lo que nos rodea ya sea para prevenir algún desastre natural o hacer nuestra vida más cómoda por medio de avances tecnológicos que van desde un sismógrafo hasta la posibilidad de comunicarte por medio de Internet con una persona a kilómetros de distancia.

Los satélites que posibilitan las comunicaciones, los transportes y los estudios sobre la Tierra y el espacio exterior siguen órbitas sobre el ecuador a la misma velocidad que nuestro planeta (órbitas geosincrónicas).

En tu cuaderno, describe algunas de las actividades que realizas a diario. Identifica los fenómenos físicos que ocurren en cada actividad. Compara tu lista de actividades y los fenómenos que identificaste con las respuestas del resto de tu grupo. ¿Identificaste los mismos fenómenos que tus compañeros o compañeras? ¿Utilizaste los mismos criterios para determinar si era o no un fenómeno físico? ¿Por qué? Con la ayuda de tu profesora o profesor, analicen por qué consideraron estos fenómenos parte de la física y enumeren los criterios para determinar cuándo son fenómenos físicos.

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1

La física

Introducción al conocimiento de la física

La realidad, más impactante que la ciencia ficción

El radar posibilitó la detección de aeronaves que arrojaban bombas para invadir el territorio de otros países.

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Queremos contarte una historia que nace precisamente de una de las ramas de la física. Esto comienza en el Reino Unido, poco antes del inicio de la Segunda Guerra Mundial y de que el ejército alemán decidiera invadir este país. En las oficinas de correos y telégrafos británicos tenían un problema que no podían solucionar. Cada vez que cualquier tipo de avión pasaba sobre los cables de comunicación causaba interferencia en las transmisiones de los telégrafos. Pidieron a muchas personas su apoyo para resolver el problema; pero esta misión quedó inconclusa cuando Alemania decide invandir el Reino Unido. Los militares británicos recibieron las notificaciones de que los alemanes invadirían el país por vía aérea con sus bombarderos tan temidos por el Reino Unido. Los británicos pensaban que no existía defensa alguna contra el bombardero, en tanto los alemanes sabían que los británicos carecían de una fuerza aérea vigorosa. Los jefes militares del Reino Unido comenzaron a buscar soluciones para resolver el problema de la invasión, pues si Alemania lograba entrar al país por vía aérea, estarían perdidos. Entonces pidieron apoyo a Arnold Frederic Wilkins (1907-1985), un oficial militar a cargo de situaciones especiales, que sabía del problema en la oficina de correos con respecto al telégrafo. Este oficial se dio a la tarea de investigar la situación y se dio cuenta de que los cables de comunicación funcionaban como antena transmisora de señales que viajan en el espacio. En el momento en que existe la transmisión de señales por los cables y un avión pasa a cierta distancia, éste rebota las señales nuevamente en el cable de comunicación y perturba el telégrafo. Observando este fenómeno y haciendo suposiciones y experimentos, Wilkins encontró un modelo matemático, claro está, y determinó una relación para crear tanto antenas de transmisión como de recepción. Bajo este principio desarrolló un aparato con una pantalla para recibir las señales rebotadas. Mediante la transmisión de señales por las antenas ya creadas, Wilkins supuso que la señal rebotada le daría una imagen y una posición en la pantalla del aparato.

1 ¿Qué es la física?

Pues bien, esta investigación, que inició en 1935 en la oficina de correos, termina en 1940, casi un año después del inicio de la Segunda Guerra Mundial. Los alemanes invaden Inglaterra por vía aérea, en la famosa batalla del Reino Unido, y el aparato de Wilkins hace su aparición en este momento crucial. Imagina a los bombarderos alemanes volando en las fronteras del Reino Unido y a la fuerza aérea británica con sus cazas esperando en las líneas de guerra... y voilà! ¡Ese aparatito que crearon con la pantalla y las antenas logra detectar la ubicación de los aviones alemanes! Éste fue el nacimiento del radar y el triunfo del Reino Unido al impedir la invasión de la Alemania nazi y derrotar al tan temido bombardero alemán. Este suceso, que aunque largo de relatar es muy interesante (esperamos que a ti también te lo parezca), tiene sus fundamentos en la física. La física es una actividad muy común para la humanidad, pero como ya has visto, muy pocos se dan cuenta de que la realizan y la utilizan tan sólo al momento de caminar o al levantar su taza de café para darle un trago.

¿Y la física? Como recordarás, en páginas anteriores hablamos de ciencia. Ésta es una actividad humana que se apoya en el método científico para establecer relaciones que generan el desarrollo de conocimientos y avances tecnológicos. Esta actividad responde a la necesidad del ser humano de conocer las causas de lo que ocurre en su entorno, en la Naturaleza. Tal vez en un inicio estas preguntas debieron ser muy sencillas, pero en la medida en que se acrecentó el acervo de conocimientos para darles respuesta también tuvieron lugar los descubrimientos y el desarrollo de la tecnología. Esto condujo a cuestio­namientos más complejos que exigieron habilidades de pensamiento superiores y destrezas para los distintos objetos de estudio.

“

La ciencia es la forma en que personas interesadas en algún problema lo estudian cuidadosamente, con frecuencia durante muchos años. Quienes hacen ciencia son personas como tú que, intri­gadas por algún tema, comienzan por observar aquello que les inquieta [...], diseñan experimentos [...], suponen lo que va a pasar [...]. Y mediante el análisis e interpretación de resultados confirman si tenían razón. Así adquieren y generan nuevos conocimientos [...] para que otras personas [...] puedan confirmar sus observaciones y diseñar sus propios experimentos. Entonces ellos también pueden generar nuevos saberes. [...] A partir de este proceso se define cada una de “las ciencias” de acuerdo con lo que estudia. Por tanto, ciencia es la generación de nuevos conocimientos, organizados de manera sistemática a partir del interés de alguien por ciertas cuestiones. fuente: Ortiz, I. y F. García. Química 1. Santillana, México, 2006 (Bachillerato), p. 10.

La ciencia, más que otros conocimientos, ha propiciado el desarrollo de métodos, técnicas e instrumentos para la investigación, que a su vez han permitido la invención de aplicaciones tecnológicas que inciden directamente en nuestra vida cotidiana y en estudios sobre nuestro entorno y nosotros mismos, cada vez más precisos y profundos.

”

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1 Introducción al conocimiento de la física

Dada la necesidad de especialización de acuerdo con los cuestionamientos cada vez más complicados, se hizo necesario clasificar las ciencias según su objeto de estudio. Existen ciencias formales y ciencias factuales. Las ciencias formales tienen como objeto de estudio las ideas, las relaciones lógicas o los principios formales del conocimiento humano; las matemáticas y la lógica se consideran parte de esta categoría. Las ciencias factuales estudian los hechos o fenómenos reales. A su vez, las ciencias factuales se clasifican en otras dos ramas: las ciencias naturales y las ciencias sociales.

Clasificación de las ciencias Ciencias formales Lógica

Matemáticas

¿Consideras que la marea y las olas son fenómenos susceptibles de ser medidos?

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Ciencias factuales Ciencias naturales

Ciencias sociales



Biología

Antropología



Química

Sociología



Física

Historia



Geología

(entre otras)



(entre otras)

El objeto de estudio de las ciencias naturales son los fenómenos objetivamente verificables; es decir, fenómenos con los cuales se puede experimentar. Ejemplos de estas ciencias naturales son la biología, la física, la química, la zoología, la astronomía y la botánica, entre otras. Por su parte, las ciencias sociales estudian el origen y el desarrollo de la sociedad, de las instituciones y de las relaciones e ideas que conforman la vida social en general. Algunas de las ciencias sociales son la antropología, la arqueología, la sociología, las ciencias políticas, la economía, la historia, la geografía, el derecho, la historiografía y la psicología. La física es una ciencia natural que se ocupa de estudiar la mayor parte de los fenómenos que acontecen en el Universo, como la materia y la energía, y las leyes que los rigen. Considera sólo las características de los fenómenos que son sujetos de ser ponderados, es decir, fenómenos que tienen características que se pueden medir. En otras palabras, la física es una actividad humana que estudia las ca­racterísticas medibles de la Naturaleza y sus leyes más fundamentales.

Física es la ciencia que investiga los conceptos fundamentales de materia, energía y espacio así como las relaciones entre ellos. La palabra física proviene del vocablo griego fisis que significa Naturaleza y el sufijo –ica que significa ciencia.

1 ¿Qué es la física?

((ENTRA FIGURA 10. FOTO DE ÓRGANOS DEL CUERPO HUMANO PHOTOS.COM 19105302, CON ILUSTRACIÓN DE ÁTOMOS Y MOLÉCULAS, TOMAR IDEA DE DIAP. 2 DE ARCHIVO ILUSTA.PPT)) Pie: La delimitación del campo de estudio de una ciencia resulta cada vez más sutil, dada la necesidad del trabajo interdisciplinario en la ciencia.

La delimitación del campo de estudio de una ciencia resulta cada vez más sutil, dada la necesidad del trabajo interdisciplinario en la ciencia.

Continuamente se dice que la física es la más fundamental de las ciencias naturales. Pero ¿cuál sería el fundamento de esta afirmación si existen fenómenos que aborda la biología, por ejemplo, y que en apariencia poco tienen que ver con la física? Bueno, pues si consideramos que la física trata cuestiones elementales del Universo como el tiempo, el movimiento, el espacio, la luz o la materia, estos conceptos de la física se extienden a ciencias más complejas como la biología o la zoología. Pensemos por un momento en el objeto de estudio de la biología: la vida. Para estudiarla es necesario comprender cómo se especializan ciertos órganos del cuerpo de un ser vivo. Podríamos indagar cómo ciertos tejidos constituyen cada órgano; para eso necesitaríamos conocer las células de este tejido. Si quisiéramos profundizar aún más, estudiaríamos el tránsito de nutrientes por las paredes celulares, después las moléculas y los compuestos. En ese punto, ya estamos tratando una parte del campo de estudio de la química. Pero si aún quisiéramos tener un panorama más amplio, nos adentraríamos al análisis de materia y átomos; eso nos llevaría finalmente al terreno de la física. En conclusión, la física nos permite contestar cuestionamientos y preguntas sobre nuestro entorno, y además nos da la posibilidad de anticipar y comprender lo desconocido. El análisis cuidadoso de todo lo que nos rodea nos permite generar nuevas preguntas. Ya que la física trata cuestiones elementales para la ciencia en general, podemos afirmar que al comprender algún concepto de física es posible entender mejor la ciencia en general.

La ciencia hace historia

En sus inicios, la física se consideró una ciencia que estudiaba todo lo relacionado con la Naturaleza, por lo cual se le conocía como filosofía natural. A partir del siglo xix el objeto de estudio de la física se limitó a los fenómenos físicos. Es decir, los fenómenos que afectan sólo la estructura externa de la materia (volumen, forma, estado de agregación), sin cambiar las sustancias.

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1 Introducción al conocimiento de la física

Forma equipos de trabajo. En la columna izquierda del siguiente recuadro anoten los elementos que hasta ahora se mencionaron para definir la física. Después, en la columna derecha del recuadro, mediante una lluvia de ideas, elaboren una definición de lo que es física para ustedes, mencionando sus características y su objeto de estudio. Con la ayuda de su profesor o profesora, intercambien las definiciones de los diferentes equipos, lleguen a una definición grupal y regístrenla en su cuaderno.

Tu definición de física elementos para su definición

definición propia de física ( conclusión )

Al igual que la ciencia en general, la construcción cuerpo del teórico de la física es el resultado del trabajo de muchos estudiosos.

16

La ciencia física se encuentra en constante cambio. Podemos comparar a la física con un gran edificio en construcción. No es una “edificación” acabada y lista para recibir visitantes con recorridos guiados. Es como una obra con habitaciones en proceso de construcción (teorías que se trabajan actualmente), habitaciones con algunos ladrillos o de las que sólo hay planos (teorías muy nuevas) y habitaciones en las que en apariencia sólo faltan los acabados (teorías comprobadas). Continuando con esta analogía, hay ocasiones en que las habitaciones que parecían bien acabadas se olvidan o se derrumban por completo para construir otra más completa o más grande que dé cabida a nuevas teorías o descubrimientos. Sin embargo, en este “edificio” llamado física existe algo muy sólido y fuerte que ha cambiado muy poco, nos referimos a sus cimientos. El propósito de este curso de física es brindarte un panorama general; que conozcas los planos del “edificio” y sientas curiosidad por entrar a algunas habitaciones. Incluso, por qué no, que comiences a cuestionarte sobre tu entorno en particular, de modo que recorras cada recoveco de la física y con suerte encuentres la “habitación” que responda a tu curiosidad.

De filósofo a científico En la antigua Grecia, como sabes, había pensadores que se interesaban en la explicación de su entorno a partir de formas no materiales o ideas; en tanto otros pensadores buscaban una explicación del mundo en términos físicos. Estos últimos intentaron explicar de forma sistemática el porqué de la Naturaleza, y se les llamó filósofos. En el siglo xvi de nuestra era, los estudiosos también se preguntaban lo mismo que los antiguos griegos; incluso a ellos, por tener un profundo interés por encontrar respuestas y dedicar su vida a ello, se les consideraba filósofos. Pero dado que estudiaban indistintamente fenómenos de física, matemáticas, medicina, biología y alquimia, es decir, fenómenos de la Naturaleza, se les denominó por mucho tiempo filósofos naturales. La diferencia entre los filósofos de la antigua Grecia y los filósofos natu-

rales del siglo xvi fue la forma de responder las preguntas que se hacían. Los filósofos naturales se valieron de las matemáticas y de experimentos controlados. El acervo de conocimientos crecía, y los estudios se fueron especializando con base en la clase de fenómeno que trataban. Entonces se fueron distinguiendo disciplinas de las que se desprendía un gran cúmulo de conocimientos. A estos nuevos investigadores de la Naturaleza se les llamó simplemente científicos. En la actualidad, la costumbre de llamar filósofos naturales a los científicos se ha perdido. Sin embargo, algo interesante es que en algunas partes del mundo el título equivalente al doctorado se denomina Ph. Doctor (en inglés), es decir “filósofo doctor”.

¿Qué es la física?

1

La ciencia hace historia

17

2 Método científico

En la página 13, te mencionamos al método científico como parte de

El método de trabajo en el desarrollo de la ciencia ha sido determinante para conformar el acervo de conocimientos que ahora sustentan las comodidades de nuestra vida cotidiana.

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Los instrumentos de medición han tenido un papel protagónico en el método del trabajo científico.

la definición de ciencia. Pero antes de entrar en materia, recuerda el relato sobre la construcción del primer aparato de radar durante la Segunda Guerra Mundial. La oficina de correos británica tenía un problema con la señal del telégrafo y cuando los bombarderos alemanes invadieron al Reino Unido, el oficial Wilkins llevó a cabo una investigación con respecto al problema. Entonces determinó un modelo matemático para hacer antenas. Después planteó la suposición de que mediante el aparato que había creado con ayuda de los otros británicos obtendría una señal en la pantalla para poder resolver el nuevo problema de la invasión alemana. El procedimiento que siguió Wilkins son pasos del método científico que, como seguramente ya sabes, se utiliza para estudiar cualquier fenómeno o problema, o para demostrar cualquier suposición. En realidad todos tenemos una manera particular de resolver problemas o demostrar nuestras suposiciones. Cada vez que enfrentas un problema, de cualquier tipo, tiendes a recurrir a tus experiencias pasadas con problemas similares. Si ya te habías enfrentado al mismo problema, basta con que recuerdes lo que hiciste y organices tus ideas. Pero si nunca te has enfrentado al problema entonces tienes que hacer suposiciones de las opciones de solución con las que cuentas. En cualquiera de los dos casos, tu forma o método para resolver el problema por lo regular no es consciente ni sistemática. La utilización de un método para resolver problemas es la base del desarrollo de conocimiento científico y su aplicación. Recordemos que la ciencia en general está determinada por su método de trabajo, más que por su objeto de estudio. Los procesos de trabajo científico son esencialmente los mismos para todas las ciencias de la Naturaleza. Históricamente, el primer estudioso que siguió pasos determinados para organizar sus ideas y contrastar sus hipótesis contra los resultados de sus experimentos cuidadosamente medidos fue el físico italiano Galileo Galilei (1564-1642). Galileo desarrolló una serie de pasos lógicos que sirvieron para varios científicos más.

Observación Probablemente es la etapa más importante del proceso. En este momento el científico analiza el fenómeno, pone atención a lo que percibe, ya sea con sus sentidos o con la ayuda de instrumentos de medición, y registra los resultados de su observación. Los fenómenos quedan registrados tal como se presentan en la Naturaleza y a partir del registro se hace un análisis para plantear el problema. Es posible que en este punto, surjan ideas preconcebidas o prejuicios sobre el fenómeno, los cuales deben desecharse para evitar interpretaciones equivocadas.

La ciencia hace historia

En

cualquiera de los pasos del método científico es posible encontrarse con otro fenómeno qué observar y demostrar. Como el caso de Torricelli, con el barómetro y el caso de Röntgen, con los rayos X. Averigua qué fenómenos investigaba cada uno al momento de encontrarse con otro objeto de estudio. Anota tus hallazgos en tu cuaderno; compáralos y enriquécelos con los del resto de tu grupo.

2 Método científico

Los pasos del método científico seguramente ya te son familiares por tu trabajo en otros cursos de ciencias. Sólo quisiéramos enfatizar que en el estudio de fenómenos físicos la observación y la experimentación también son muy importantes. Recordemos los pasos del método científico.

Una hipótesis es un enunciado o conjetura bien fundamentada, cuya verdad o validez no se cuestiona en un primer momento, pero que es susceptible de ser verificada adecuadamente mediante experimentos. Elaboración de una hipótesis Se trata de formular una conjetura para explicar cómo se produce y desarrolla un fenómeno. Es una suposición provisional que intenta extraer una consecuencia. En esta etapa, es importante suponer las consecuencias de esta hipótesis a fin de distinguir si resultará cierta o no. Por ello, esta afirmación está sujeta a contrastarse con los resultados de los experimentos. Es necesario plantear una pregunta guiada, que nos ayuda a organizar nuestras ideas a partir del registro ordenado de los resultados de la observación, y formular una pregunta alternativa, que nos ayuda a proponer más preguntas a partir de las respuestas obtenidas. A partir de estas alternativas surge la conjetura sobre la explicación del fenómeno. Experimentación Al llevar a cabo los experimentos que comprueben las consecuencias de la hipótesis se gana cierto control sobre el objeto de estudio. Esto significa que podemos reproducir el fenómeno, aislarlo y, en lo posible, variar las circunstancias que influyen en él. El control hace posible una mayor indagación sobre las causas que producen nuestro objeto de estudio.

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Introducción al conocimiento de la física

1

Las circunstancias que influyen en un fenómeno abarcan las características físicas del objeto de estudio y los factores como temperatura, tiempo, presión y humedad, entre otros.

La manera de presentar los datos obtenidos en una investigación determina la facilidad para su interpretación y elaboración de explicaciones.

Organización Los resultados obtenidos de los experimentos deben estar organizados, de modo que se puedan analizar y comparar entre sí con facilidad para encontrar relaciones entre ellos que confirmen o rechacen las hipótesis de trabajo emitidas inicialmente. Los resultados pueden describirse mediante tablas, gráficas y ecuaciones. El método científico experimental es una serie de pasos lógicos que garantizan un camino efectivo para adquirir, organizar y aplicar nuevos conocimientos. Un punto importante del método científico es la posibilidad de repetir o reproducir los pasos para obtener un resultado determinado. Cuando un científico dice haber encontrado un suceso nuevo o una relación nueva entre fenómenos, informa sobre el resultado y los pasos que siguió, con el fin de que otros científicos puedan reproducir sus experimentos. Un hecho o fenómeno adquiere el carácter de científico si es repetible.

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¿Alguna vez has vivido una situación problemática en la que hayas tenido que sentarte a pensar cómo resolverla? En tu cuaderno anota cómo lo analizaste, las suposiciones que hiciste, la manera en que experimentaste con la o las posibles soluciones, y los resultados que obtuviste. Después describe los pasos que seguiste (tu método) para resolver ese problema a modo de que otras personas sepan cómo enfrentar esa situación. Con la ayuda de tu profesor o profesora, intercambia tu método con el resto del grupo. Sigue los pasos del método que te dieron y comprueba si es posible repetirlo obteniendo los mismos resultados. Finalmente, concluyan por qué cada método puede denominarse científico o no.

2 Método científico

Como te mencionamos al inicio de este tema, en muchas ocasiones aplicamos el método científico sin darnos cuenta. Por ejemplo, cuando por alguna razón se interrumpe el suministro de energía eléctrica (observación del fenómeno), puede ser porque se fundió el foco (formulación de la primera hipótesis). Revisas si hay energía en la habitación en la que estás, para descartar que sea por un foco fundido. Enciendes y apagas el foco, y verificas que no se haya aflojado. También puede ser que se te ocurra conectar algún otro aparato electrónico (experimentación para contrastar la primera hipótesis). En la habitación no hay energía eléctrica (primera hipótesis descartada), entonces revisas el resto de tu casa. Tal vez se fundió un fusible (elaboración de la segunda hipótesis). Revisas el fusible y si es necesario lo cambias (experimentación para contrastar la segunda hipótesis). A pesar de haber cambiado el fusible no hay energía todavía (segunda hipótesis descartada). Entonces sales a ver si los vecinos tienen energía eléctrica (observación de un problema más general). Todos tus vecinos están en la misma situación, entonces es probable que un transformador quemado sea la causa del fenómeno (tercera hipótesis). Seguramente varios de tus vecinos reportaron la falta de electricidad a la compañía de luz (experimentación). ¿Aún sigues pensando que el método científico te es desconocido?

¿El método científico en la vida cotidiana?

La ciencia hace historia

Kepler, matemáticas, observaciones y modelos Los astrónomos de los siglos xvi y xvii creían que las órbitas que seguían los planetas eran un círculo perfecto alrededor del Sol. Ésta era su primera hipótesis de trabajo. Por esta razón, Marte presentaba algunos problemas para ajustar su órbita a ese círculo perfecto. Desde la Tierra, parecía que cuando Marte surcaba el cielo retrocedía en su trayectoria en algunos puntos; a este fenómeno que observaban le llamaron retrogradación, y no había forma de explicarlo con los modelos del Universo que se tenían entonces. A principios del siglo xvii , un astrónomo alemán de nombre Johannes Kepler (1571-1630) retomó este problema y pensó que sería sencillo resolverlo con sus conocimientos matemáticos. Sin embargo, pasaron casi ocho años para llegar a la conclusión de que las órbitas que siguen los planetas no son círculos perfectos, sino elipses.

Para completar la idea de Kepler se necesitaban los resultados de los datos de observación existentes, pues con ellos era posible establecer relaciones entre ellos. Kepler obtuvo los resultados de la observación a la muerte de Tycho Brae (1546–1601), un astrónomo danés que aportó datos muy precisos sobre la trayectoria de Marte, de otros cuerpos del Sistema Solar y de aproximadamente 700 estrellas. Kepler se valió del método científico para proponer un modelo del mundo. Las matemáticas y los datos de la observación fueron su herramienta para deducir tres famosas leyes. ¿Recuerdas cuáles son las leyes de Kepler? Coméntalo con tu grupo para refrescar la memoria. Anota las leyes de Kepler en tu cuaderno.

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Introducción al conocimiento de la física

1

El origen de las radiografías que en la actualidad nos ayudan a tener diagnósticos más precisos fue la serendipia.

La palabra serendipia es un término acuñado originalmente por Horace Walpole en 1754 a partir del cuento popular Los tres príncipes de Serendipia (antiguo nombre de Sri Lanka). Este término significa la condición de obtener hallazgos benéficos gracias una situación afortunada o fortuita.

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El experimento Michelson-Morley inició con una hipótesis que resultó falsa, pero que condujo a la serendipia de que la velocidad de la luz en el vacío es independiente del observador

El método científico nos proporciona una manera ordenada de resolver problemas, estudiar fenómenos y organizar el conocimiento. En alguno de los momentos del trabajo científico existe la posibilidad de encontrar un fenómeno no contemplado desde la hipótesis inicial, es decir, la serendipia. Es común creer que cuando hay un hallazgo de este tipo no se obtiene mediante el método científico. Sin embargo, se trata de la aparición y reconocimiento de un suceso diferente (algo que no se buscaba) a la hipótesis con la que se inició el trabajo, por lo general mediante una situación accidental en el laboratorio. Tal fue el caso de Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923), quien trabajaba con los rayos catódicos cuando la serendipia propició la obtención de la primera radiografía. Él y otros científicos fueron afinando el “accidente” hasta derivar en las radiografías que ahora conoces.

2 Método científico

Otro ejemplo histórico de serendipia fue la búsqueda del éter. Los físicos del siglo xix creían que existía un medio en el que se propagaban las ondas electromagnéticas (la luz). En 1887, el físico estadounidense, pero alemán de nacimiento, Albert Abraham Michelson (1852-1931) se dio a la tarea de detectar el éter con un interferómetro junto con el químico estadounidense Edgard Williams Morley (1838-1923). Su expe­ rimento terminó por descartar la hipótesis de la existencia del éter como medio de propagación de la luz, pero condujo al afortunado hallazgo de que la velocidad de la luz en el vacío es independiente de la velocidad del observador. Retoma tus hallazgos sobre los experimentos de Röntgen con los rayos catódicos (La ciencia hace historia, pág. 19). Consulta la “Crónica de casos inesperados” del libro Ortiz, I. y F. García. Química 1, Santillana, México, 2006 (Bachillerato). Investiga en qué consistió el famoso experimento Michelson-Morley y registra tus hallazgos en tu cuaderno. ¿Qué condiciones consideras que deben darse para que ocurra la serendipia o hallazgo afortunado? ¿Por qué?

Compara tu respuesta con la del resto de tu grupo y enumeren las características de la serendipia.

La mente analítica y curiosa de los científicos, con sentido de búsqueda y perspicacia al observar y reflexionar sobre el entorno, ha permitido identificar los nuevos fenómenos que surgieron al trabajar con otras hipótesis. Al estudiar esos nuevos fenómenos han resultado, generalmente, en algún beneficio o avance para la ciencia. A pesar de que los descubrimientos se obtuvieron sin que fueran parte del problema ni la hipótesis originales, los resultados de la serendipia también están sujetos a ser comprobados utilizando el método científico. Podemos concluir que el método científico se utiliza para obtener nuevos conocimientos científicos y verificar que un hecho tenga el carácter de científico.

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3

Física, tecnología y sociedad Relación de la física con otras ciencias

Las aplicaciones del cuerpo de conocimientos de la física han generado buena parte de los avances tecnológicos.

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El estudio de los fenómenos naturales implica la intervención de varias ciencias, donde el límite entre una y otra es cada vez más sutil para conformar una explicación completa del fenómeno.

Probablemente recordarás de tu curso de química que las ciencias mantienen una estrecha relación entre sí y también que las ciencias se clasifican según su objeto de estudio en ciencias naturales y ciencias sociales. La física, una de las ciencias naturales, guarda una estrecha relación con la química, la biología y la geología, entre otras ciencias naturales más. Y es posible afirmar que algunas de estas ciencias tienen sus bases en la física debido a que estudia lo más básico de la Naturaleza como el tiempo, la materia, la energía y la luz. El conocimiento físico puede extenderse a ciencias que tienen objetos de estudio más complejos como la meteorología, que se encarga de explicar las causas del tiempo o la geología, que investiga en forma detallada a nuestro planeta Tierra. Tomemos como ejemplo el tema del habla humana. Desde el punto de vista de la biología, se trataría la evolución para indagar sobre el desarrollo de nuestra especie hasta la comunicación mediante el habla. Desde la perspectiva de la física, se trataría el propio sonido, quizá más fundamental que la selección natural en cuanto a la emisión del sonido, la forma del aparato fonoarticulador y su funcionamiento (acústica). Por lo general, la comprensión de algún hecho natural desde el enfoque de la física conduce a la mejor comprensión de la ciencia en general. Sin embargo, los fenómenos naturales deben analizarse desde varios enfoques para obtener más datos sobre ellos: las fuerzas que inciden en él, su composición química, su relación con nosotros, su periodicidad y su intensidad, entre otros elementos. También para contrastar una hipótesis o formular un experimento, es necesaria la perspectiva de diversas ciencias. El estudio de la Naturaleza implica la convergencia de las ciencias naturales, por lo que la comprensión de los fenómenos que ocurren no sería completa si no se realiza desde varios enfoques. Las ciencias no están aisladas, guardan una gran relación entre sí.

3 Física, tecnología y sociedad

Si bien la física nos permite contestar preguntas, resolver problemas, estudiar fenómenos físicos, comprendiendo lo desconocido, el análisis cuidadoso de todo lo que nos rodea nos brinda la posibilidad de hacernos nuevas preguntas desde otras perspectivas. Integra un equipo de tres participantes. Realicen una investigación de campo en la que identifiquen tres instituciones u organismos de su comunidad donde trabajen físicos. Elaboren un informe detallado del trabajo que realizan los físicos en dichas instituciones. Intercambien con el resto del grupo las actividades que realizan los físicos y enumeren todas las que se encontraron. ¿Te resultó interesante alguna de estas actividades?

Alrededor del siglo xvii , el descubrimiento de las matemáticas como medio de análisis y descripción de la Naturaleza fue uno de los sucesos que propició que la ciencia hiciera sus mayores progresos. Las matemáticas trabajan con operaciones y relaciones lógicas, cantidades, números, medidas, ángulos, estadística, probabilidad y muchos otros conceptos. En las ciencias naturales, como la física, se utilizan estas nociones matemáticas para proponer modelos del mundo. Cuando se organizan los resultados de una investigación para verificarlos y encontrar las relaciones que existen entre ellos, la experimentación y la comprobación de hipótesis se facilita. En general, los modelos lógicos que surgen del análisis matemático sirven para pronosticar los comportamientos o normas que rigen a los fenómenos naturales. Por tanto, la estrecha relación entre la física y las matemáticas resulta tan exitosa como necesaria. Las ideas de la ciencia expresadas en el lenguaje matemático dejan fuera todo tipo de ambigüedad, que con el lengua­je cotidiano suele darse. Esta característica de precisión del lenguaje matemático también se utiliza en el análisis estadístico de las ciencias sociales: las gráficas sobre distribución de riqueza, esperanza de vida, índices de escolaridad y de nutrición, entre otras. La economía se vale también del análisis estadístico y de la probabilidad para pronosticar altas o bajas en las bolsas de valores, y calcular pérdidas y ganancias, por ejemplo. La estrecha relación entre la física y las demás ciencias que estudian la Naturaleza ha traído consigo la creación de nuevas disciplinas, en las que mezclan diferentes enfoques para observar un fenómeno natural. A esta combinación de diferentes ciencias para generar otras se le llama interdisciplina. Ejemplos de ello son la astrofísica, la biofísica o la geofísica, en las que se han combinado exitosamente dos ramas diferentes de conocimiento.

¿Cuál es el objeto de la astrofísica, la biofísica, la geofísica y las ciencias biomédicas?

La relación entre las ciencias naturales ha propiciado el surgimiento de otras disciplinas.

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Introducción al conocimiento de la física

1

La ciencia hace historia

El mundo como un reloj El primer gran impacto de la física en

Entre las aportaciones de Isaac Newton están los cimientos del cálculo matemático, el teorema del binomio, la óptica y la ley de la gravitación universal.

otras ciencias fue el surgimiento de la física o mecánica newtoniana. Isaac Newton (1642-1727) fue un gran científico inglés cuyo mayor logro fue la explicación del movimiento a partir de las tres leyes de la mecánica, y con base en ellas la deducción de la ley de la gravitación universal. La leyenda cuenta que, a partir de la caída de una manzana, imaginó que la misma fuerza que hizo caer a la manzana hacía que la Luna permaneciera en continuo movimiento orbital alrededor de nuestro planeta. Esta teoría explicaba otros fenómenos; entre ellos, calculaba con exactitud la órbita que describen los cometas y el momento en que ocurriría un eclipse. Newton utilizó la teoría del movimiento (mecánica) que se aplicaba a nuestra Tierra para explicar el mundo del espacio exterior. Aparentemente el Universo obedecía sus tres leyes de la

mecánica, de modo que hizo pensar a muchos que el “edificio” que constituye la física había quedado terminado. Su éxito fue incuestionable e inspiró a muchos científicos a tratar de aplicar esta teoría a otras esferas del conocimiento. Se trató de mecanizar todo. La biología y la medicina por ejemplo, adoptaron esta forma de pensamiento y se comenzó a ver a los seres vivos como máquinas. Se clasificó a los seres vivos, se dio importancia a la forma del órgano y a su función. Esto implicó un gran avance en la forma de estudiar a los seres vivos. Por otro lado, se contempló a las enfermedades como causa de un mal funcionamiento en el mecanismo interior, debido a desajustes en la maquinaria; así que para aliviarlas sólo había que ajustar por aquí y por allá. En general, se creía que el mundo en­ trañaba un gran mecanismo de reloj.

Tecnología y sociedad

Algunos avances tecnológicos han modificado de tal modo nuestros hábitos de vida que son los que marcan el fin o el inicio de un periodo o época histórica.

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El ser humano ha generado todo un cuerpo de saberes científicos a partir de su necesidad de entender el comportamiento de su entorno. Si bien en las primeras etapas de desarrollo de la ciencia los cuestionamientos sobre la Naturaleza quedaban resueltos a través de la experiencia que el hombre primitivo iba adquiriendo, con el razonamiento científico surgió una explicación más precisa de los fenómenos naturales. Los sentidos son los principales medios de observación. Sin embargo, ha sido necesario desarrollar métodos, técnicas e instrumentos de investigación para trascender las limitaciones de los sentidos y aproximarse con mayor precisión a los objetos de estudio. La física, al responder preguntas, establecer relaciones y teorías, principios o leyes, con base en el método científico, es la ciencia natural que más ha incidido en el desarrollo de instrumentos y equipo de investigación.

3 La tecnología se define como el cuerpo de teorías y técnicas que permiten el aprovechamiento práctico del saber científico mediante el desarrollo de equipos, instrumentos, aparatos, inventos y objetos en general, llamados objetos tecnológicos.

Física, tecnología y sociedad

A su vez, esas herramientas han impulsado más descubrimientos y avances científicos para conformar nuevos conocimientos en la física y demás disciplinas. Cuando se conforma un conocimiento físico sobre un fenómeno natural en particular (ciencia básica), comienzan a surgir especialistas sobre ese conocimiento. Entonces, la tecnología se vale de dicho conocimiento para resolver problemas prácticos o de interés social. Por ello, la tecnología también se conoce como ciencia aplicada. De esta manera, sin ciencia básica es imposible el desarrollo de tecnología, y sin tecnología difícilmente existiría la ciencia básica. Así como la física contribuye de manera decisiva al desarrollo tecnológico, la tecnología incide en la física. Ejemplos de ello son las poderosas herramientas de investigación científica como el telescopio, el espectroscopio, el microscopio y los instrumentos de medición en general.

La ciencia hace historia

El

concepto de mundo ha cambiado con el paso del tiempo. Uno de los factores más determinantes de esta evolución es la tecnología: desde el primer artefacto que el ser humano desarrolló valiéndose de los materiales de su entorno (vidrio, papiro, madera, metales, fuego), pasando por el enorme impacto de la máquina de vapor y la imprenta, hasta el acelerado avance del siglo xx con objetos tecnológicos como el plástico, la bombilla eléctrica, el automóvil, las aeronaves, el transistor, la computadora y las redes informáticas. [...] con la reforma protestante del siglo xvi la Iglesia Católica entra en crisis y, a partir de ese momento, se produce el derrumbe de la cosmovisión medieval, derrumbe que se extiende a lo largo de varios siglos y en etapas sucesivas. Se trata de un momento singular de la historia. En pocas décadas se concentran los cambios epistemológicos, junto con los grandes avances tecnológicos, los comienzos del capitalismo y la expansión del poderío de Europa sobre gran parte del resto de la Tierra,... [Tomás Buch, 2004] Antes que la tecnología misma, el desarrollo de los avances científicos ha afectado la manera en que el ser humano concibe al mundo. Los descubrimientos geográficos trajeron consigo un gran cambio en la no-

El estudio de la ciencia básica permite la creación de tecnología. ¿Consideras que el desarrollo de tecnología propia en México depende de que los mexicanos estudiemos ciencias básicas?

ción de espacio. La astronomía de Copérnico, Kepler y Galileo, con su modelo heliocéntrico del Universo, y Newton con su ley de gravitación universal, describieron un mundo con leyes propias. La evolución de la geología mostró una idea distinta de tiempo en relación con la edad de nuestro mundo. La biología restó cierta importancia al ser humano con la teoría de la evolución de las especies y el hallazgo de que en última instancia todo ser vivo es materia y se rige por leyes químicas. La física propuso la teoría relativista sobre el comportamiento de la materia, el espacio y el tiempo que sumergió a la humanidad en la vastedad de un Universo que daba la sensación de estar perdida en la Nada. Con la llegada de la tecnología el intento del ser humano para dominar la Naturaleza comienza a cristalizarse. Entonces, el entorno adquiere un carácter utilitario que termina por poner en riesgo al planeta Tierra y revertirse contra la misma naturaleza humana.

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Introducción al conocimiento de la física

1 Los físicos no están aislados de la sociedad ni pueden “hacer oídos sordos” a las exigencias de su tiempo. El trabajo de un físico refleja la formación misma que ha recibido, su interacción con otros científicos, los problemas o intereses sociales, los recursos disponibles para su investigación, e incluso las corrientes filosóficas en boga. La tecnología responde a las demandas de la sociedad y de algún modo esas demandas sociales repercuten a su vez en el desarrollo de la ciencia. A finales del siglo xix , la Revolución Industrial marcó cambios muy importantes en la transformación de la sociedad y el impacto sobre el medio ambiente. Quizá lo más significativo fue que la industria dejó de ser artesanal y se mecanizó. Como consecuencia surgieron nuevas profesiones y los medios de transportes comenzaron a ser más eficientes. Estos cambios facilitaron la concentración de la población en ciudades. Durante el siglo xx , los avances tecnológicos ocurrieron con tal rapidez que no ha sido posible analizar el impacto social, económico y ambiental de cada invento. En el desarrollo o la aparición de un objeto tecnológico influyen los conocimientos científicos, la infraestructura, la fuente de energía y las condiciones sociales y económicas. Por otro lado, el impacto ambiental del desarrollo tecnológico se ve reflejado en problemas diEn México, por ejemplo, el dineversos, como la lluvia ácida, la contaminación del ro destinado a la inves­ti­gación científica agua, el efecto invernadero y la extinción de vabásica se obtiene de los impuestos ciudadanos. Las líneas de investigación deben rias especies animales y vegetales, entre otros. brindar beneficios a todos los mexicanos Es necesario conocer los riesgos y beneficios de en los diferentes aspectos de su vida cotilos objetos tecnológicos con base en todo lo andiana, como la salud, las comunicaciones, terior. De lo contrario tendríamos que elegir enlos servicios, los transportes y la educación, entre otros. tre conservar la calidad de vida que la tecnología Además de la oportunidad de conocer brinda y conservar nuestro medio ambiente. ¿Pomejor el mundo que nos rodea, el desarrodrías prescindir de algún objeto tecnológico que llo y el estudio de la ciencia básica abre la ya es parte de tu vida diaria? posibilidad de crear nuestra propia tecnolo-

El impacto de los avances tecnológicos debe analizarse tanto desde la perspectiva del especialista que aplica los conocimientos científicos y desarrolla objetos tecnológicos, como desde el punto de vista del usuario, quien por lo general no comprende su funcionamiento pero los utiliza diariamente.

gía y tener mayor participación en la toma de decisiones que afectan nuestro entorno. Sin embargo, también implica asumir muchas más responsabilidades. Por ejemplo, al utilizar energía nuclear se requiere desarrollar métodos para el manejo de desechos o basura radiactiva, anticipar y controlar las consecuencias de su uso, y contar con personas capacitadas para operar una planta de energía nuclear.

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objeto tecnológico



funcionamiento



beneficios

riesgos

3 Física, tecnología y sociedad

En la primera columna del siguiente cuadro, haz una lista de cinco objetos tecnológicos que hacen más cómoda tu vida diaria. En la siguiente columna, marca con una X los objetos tecnológicos cuyo funcionamiento conoces. Anota los beneficios y los riesgos que cada objeto trae consigo.



Si fuese necesario prescindir de alguno de ellos, ¿cuál elegirías? ¿Por qué?

En un párrafo explica la relación entre los objetos tecnológicos que son parte de tu vida diaria y la física.

Integra un equipo de trabajo con tres compañeros o compañeras de tu grupo. Identifiquen un problema ambiental o social generado por el uso de algún objeto tecnológico en la colonia, municipio, delegación o entidad donde se encuentra ubicada su escuela. Averigüen el funcionamiento del objeto tecnológico en cuestión mediante una investigación documental. Identifiquen y analicen los beneficios de dicho objeto a la comunidad. Después, enumeren y analicen los riesgos.

Con base en los hallazgos sobre el funcionamiento del objeto, verifiquen si hay algo en la operación o uso del objeto tecnológico que pueda modificarse y elaboren una propuesta de solución al problema, de modo que se conserven los beneficios del objeto tecnológico. Escriban un informe de su trabajo para presentarlo al resto del grupo. Con la ayuda de su profesora o profesor valoren los riesgos y beneficios de cada caso para enriquecer las propuestas de solución.

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Introducción al conocimiento de la física

1

Resumen En esta unidad

• descubriste los beneficios que la física y el método científico aportan a tu vida cotidiana; y reconociste la importancia de la relación de la física con otras ciencias para el desarrollo de tecnología, así como sus efectos sobre la vida humana.

•

1. Define los siguientes conceptos. Física

Hipótesis

Experimentación Ciencia

Organización Método científico

Hipótesis

Tecnología

2. Describe cada paso del método científico. Observación

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3. D escribe el papel del método científico en tu vida cotidiana.

4. E xplica la relación entre las ciencias naturales y el origen de nuevas disciplinas.

5. E xplica la diferencia entre la ciencia y la tecnología.

¿Qué es la física?

Describe la relación que guarda la física con tu vida diaria.

De acuerdo con las etapas del método científico experimental, subraya las palabras que corresponden a la HIPÓTESIS de trabajo en el siguiente relato. Recientemente los profesores de una escuela en Ontario, Canadá, informaron haber encontrado a varios niños jugando con Hg metálico. Además, una noticia en el periódico local señalaba que 240 estudiantes de entre 7 y 14 años de edad, habían estado expuestos a este peligroso elemento durante las últimas semanas. Las autoridades educativas y de protección ambiental han iniciado una investigación para determinar la procedencia del Hg y suponen que éste pudo haber sido extraído de un depósito de reactivos químicos en las cercanías de un centro escolar que ha permanecido cerrado desde hace tres años.

Menciona dos razones para detener el avance de la tecnología.

Menciona una razón para que el avance de la tecnología continúe.

Introducción al conocimiento de la física

Evaluación Responde las siguientes preguntas.

1

¿Por qué es posible que la ciencia se corrija a sí misma?

Las teorías científicas están sujetas a cambios. ¿Esto es un punto fuerte o débil de la ciencia? Justifica tu respuesta.

Enumera diez ciencias que se relacionan con la física. Explica de qué manera se relacionan. Haz una lista de lo que aprendiste en esta unidad. En un párrafo explica cómo aplicarías en tu vida diaria lo que anotaste en la lista anterior.

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Introducción al conocimiento de la física

1

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artículo de divulgación

Podría comenzar con una gran reseña de lo que fue la transformación del método científico experimental a través de la historia. Iniciaría hablando de la mezcla entre las culturas griega, judía y mesoamericana que generó una pasión por la búsqueda de explicaciones de los fenómenos que sucedían ante quienes los presenciaban con gran interés. Podría admirarte también con los “revolucionarios de la ciencia”, caudillos del avance científico como Vesalio, un

gran médico que estuvo en contra de las ideas de Galeno. Después, Galileo, a quien se considera “el padre de la ciencia” por someter los fenómenos al lenguaje matemático y su inmensa curiosidad para darle explicación a muchos otros. Luego estaría Harvey, otro médico que apoyó las ideas de Vesalio e hizo una gran aportación al utilizar la experimentación para explorar la Naturaleza. Seguiría Newton, quien tuvo un intelecto impresionante, realizó muchos de sus conocidos estudios cuando permaneció aislado de las universidades por la peste bubónica, y fue uno de los principales autores del método científico. Casi en la misma época de Newton encontraríamos a Hooke, quien se vio opacado por Newton al tener ideas casi idénticas; la diferencia fue que Newton las plasmó mejor en su pensamiento, por lo que “venció” a Hooke en las discusiones teóricas. Hooke y Newton eran aristotélicos; es decir, no estaban de acuerdo con las ideas de Descartes,

Un método a prueba de fallas POR JULIO EDUARDO MANJARREZ LUNA

quien pretendió derivar las leyes básicas a partir de principios metafísicos. Ambos coincidían en que las propuestas de Descartes debían someterse a una prueba rigurosa de la realidad. Ninguno de estos dos científicos llevó de la mano sus investigaciones con el método que ambos implantaron como veraz para comprobar fenómenos, pero ambos establecieron el método prácticamente al mismo tiempo. Un último caudillo de esta revo­lu­ción fue Leibniz, quien carecía de hu­­mil­­dad pero tenía una capacidad intelectual impresionante para analizar sucesos y fenómenos. Su aportación fue El principio de contradicción y el principio de razón suficiente. Y así podría continuar citando a filósofos de la ciencia y todo lo extraño que ocurrió con quienes trataban de dar explicación a lo que les rodeaba y atendieron a las ideas de la filosofía científica; esta historia es increíblemente vasta. Mejor trataré las consecuencias de la aplicación correcta del método científico, incluyendo anécdotas. Para explicarte a grandes rasgos los pasos del método nos remontaremos a principios del siglo xix. La gente de la época, que ya contaba con máquinas de vapor y cañones, buscaba mejorar la eficiencia de estos artefactos. Primero se dieron cuenta de que había una relación entre el trabajo mecánico y la transferencia de calor o “calórico”, como en aquel tiempo le llamaban. En las máquinas de vapor observaban que se elevaba la temperatura de los mecanismos, como las bie-

las, los engranes y algunas otras partes de contacto entre metales. En los cañones era menos evidente, ya que una explosión era lo que calentaba el material. Sin embargo, se dieron cuenta de que el roce de la bala con las paredes del cañón terminaban por dañarlo en corto tiempo. Alrededor de 1840, James Prescott Joule (1818-1889), un físico británico nacido en Salford, realizó una investiga­ ción en la que supone la existencia de una relación entre el trabajo mecánico y la transferencia de calor. Después de la experimentación necesaria y las medidas adecuadas en sus investigaciones, Joule obtuvo una relación correcta. Relacionó las calorías [cal], unidades de energía relacionadas más directamente con el calor, con los joules [J], también unidades de energía pero comúnmente más relacionadas con el trabajo mecánico. Quiero aclarar esto último porque es lo que hace grande a este físico. Aunque el joule [J] y la caloría [cal] son las unidades con las que ahora conocemos la relación entre trabajo mecánico y calor, en aquel tiempo James Prescott desarrolló su propio sistema de unidades para asegurar la exactitud de sus resultados. Lo impresionante de este físico es que realiza un experimento con los elementos de su época y llega a una conclusión correcta. Cabe mencionar que en ese entonces, Joule no tomaba muy en cuenta el nombre de los pasos del método científico, pero sabía cómo llevarlos a cabo. Nuevamente me apoyaré en una cita de Albert Einstein para redondear este último comentario: “...Nunca pongas demasiada atención en lo que dice un físico, pon más atención en lo que hace...” Ahora veamos cómo utilizó Joule el método científico para llegar a sus resultados.

El problema Existe un deterioro en las máquinas debido al calor producido por un trabajo de tipo mecánico que se pretende reducir.

La hipótesis Hay una relación directa entre trabajo mecánico y la transferencia de calor que podría ayudar a reducir los problemas por el desgaste debido al calor.

La experimentación Joule crea un dispositivo de dos pesas sujetas por cuerdas enrolladas a una varilla; en la parte superior de esta varilla hay una manivela y en la parte de abajo están unas aspas que quedan sumergidas en un recipiente con agua. Cuando las cuerdas que sostienen las pesas están completamente enrolladas en la varilla, se sueltan, y este movimiento hace que las aspas giren dentro del recipiente. Este movimiento provoca un calentamiento en el agua. La elevación de la temperatura se cuantifica por medio de un termómetro. Y conociendo la masa de las pesas se puede relacionar la transferencia de calor con el trabajo mecánico.

Los resultados En unidades actuales 1 [cal] = 4.18 [J] donde sabemos que la caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado.

Conclusión La hipótesis del problema se comprobó como verdadera al obtener una relación de “equivalencia mecánica del calor” que con el tiempo sugiere opciones para remediar el problema de desgaste planteado. A grandes rasgos ésta es la forma en que Joule siguió los pasos del método

Dispositivo de Joule.

científico para constatar esta relación. Y además, mostró que los medios no son lo más importante para aplicar el método científico, siempre que se tenga el cuidado suficiente para asegurar la credibilidad de los resultados. Joule continuó con sus estudios sobre transferencia de calor y también obtuvo una relación en cuanto a la potencia calorífica que disipa un conductor con energía eléctrica. Esta relación se conoce como ley de Joule y es la siguiente P = i 2R donde i es la corriente eléctrica y R es la resistencia del conductor. Joule continuó experimentando con muy poco equipo y estableció varias leyes físicas. En este punto podemos asegurar que el método científico sí funciona ¿no crees? Para finalizar quiero aclararte que este método sirve para comprobar fenómenos a nuestro alrededor que en primera instancia no podemos explicarnos, y también sirve para resolver problemas mediante una comprobación. Es muy común dar por ciertos algunos hechos de la vida cotidiana sin siquiera razonarlos y menos aún comprobarlos. Todos deberíamos tener un criterio para cuestionar muchas situaciones, sin llegar a la obstinación y al espíritu de cuestionar por cuestionar. Esto de cuestionar por cuestionar y la comprobación de los sucesos se soluciona sometiendo los fenómenos a los procesos del método científico. En nuestro planeta existen muchas situaciones que no han sido sometidas a

la comprobación por medio del método científico. No obstante, muchas personas creen en ellas, teniendo como resultado una conducta y un pensamiento mal encaminados. En uno de sus libros, Carl Sagan menciona una cantidad considerable de situaciones ocurridas alrededor del mundo, que muchos han dado por ciertas a pesar de no haberse comprobado. Entre ellas están las abducciones de humanos por parte de extraterrestres; se trata de una hipótesis sin comprobar, pero muchas personas están seguras de que sucede. Esto nos lleva a la frase: Repite una mentira y la creerás verdadera. Otra situación que menciona Sagan en su libro son los fantasmas. Hay muchas personas que engañan a quienes no tienen la curiosidad de comprobar sucesos extraños y sorprendentes. Los charlatanes se valen de esta falta de curiosidad, y abusan de la sugestión y poca estima de sus víctimas. Sagan plantea que si sometiéramos estos asuntos a las pruebas del método científico, muchos, refiriéndose a esos charlatanes, se quedarían en la calle. Y exhorta a que se utilice el método científico para comprobar los fenómenos. Sagan, al igual que James Prescott Joule, muestra que la aplicación del método científico experimental no sólo funciona para demostrar ideas teóricas. Además debe utilizarse hasta agotar las posibilidades dispuestas para la comprobación o la refutación de las hipótesis planteadas. Y por ende, para la obtención de una mejor calidad de vida de quienes habitamos este planeta.

Introducción al conocimiento de la física

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fuentes

•S agan Carl. El mundo y sus demonios. Planeta, México, 1997. •P érez Tamayo Ruy. ¿Existe el método científico? fce . México, 2006 (La ciencia  para todos/161).

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Rosa Elisa T. Hernández Acosta Olivia Urdapilleta Leyva

Física 1 S

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BACHILLERATO

El descubrimiento de la ciencia requiere un proceso continuo de acercamiento a las ideas, experiencias, nociones y conocimientos desarrollados hasta nuestros días. Se trata de una aproximación a la génesis del acervo científico como un hecho social e histórico. Física 1 presenta oportunidades para que el estudiante de bachillerato adquiera la perspectiva de esta aproximación y construya su conocimiento razonado sobre los fenómenos del entorno. El lenguaje accesible, la información actualizada e interesante sobre las aplicaciones de la física, y los espacios de reflexión y análisis sobre diferentes situaciones del entorno inmediato son los elementos distintivos de esta obra. Su propósito es mostrar los planos del “edificio” de la física de modo que el estudiante sienta curiosidad por entrar a sus “habitaciones”, se haga cuestionamientos sobre su entorno, recorra cada recoveco de esta construcción e incluso, por qué no, llegue a la “habitación” que dé respuesta a su curiosidad.

Física 1

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Elaborado según la Reforma curricular con un enfoque educativo centrado en el aprendizaje.

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