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Experimento 1

Identificar en el aula las fuerzas de la naturaleza: Eléctrica (papelillos y bolígrafo), magnética (imanes) y gravitatoria. Coméntese la fuerza fuerte y la débil.

Con este experimento trataremos de observar fenómenos relacionados con las cuatro fuerzas fundamentales: electromagnética, gravitatoria, débil y fuerte.

La electricidad y el magnetismo son bien conocidos por los alumnos; bastará, para evidenciar estas fuerzas, un pequeño experimento con electricidad estática y otro con imanes.

  • Con un trozo de plástico (una carcasa de bolígrafo, por ejemplo) y unos trozos pequeños de papel se pueden observar las fuerzas de origen eléctrico. Se frota el plástico sobre una superficie seca -como una tela- y después se acerca a los papelitos. Si los materiales son adecuados, los papelitos se moverán antes de tocarlos, deduciéndose fácilmente la existencia de una fuerza eléctrica.

  • Con un trozo de acero (un tornillo) y un imán se puede observar el efecto del campo magnético. El imán atrae al tornillo que acaba pegado a él. Para mantener el tornillo cerca del imán sin que éste lo arrastre, necesitaremos una fuerza exterior cuyo valor nos da una idea de la fuerza magnética responsable de la atracción.

  • En caso de que dispongamos de un solenoide (de algún equipo de electricidad educativo) podemos colocar en su interior un trozo de acero sin aplicar corriente eléctrica. En el momento de conectar el circuito, el acero se moverá equilibrándose en el seno del campo magnético creado al pasar una corriente por el solenoide. Esto demuestra, a la vez, un efecto eléctrico (la corriente que atraviesa el solenoide) y uno magnético (el movimiento del núcleo debido a la creación momentánea de un campo magnético).

La gravedad es muy fácil de mostrar. Todos los alumnos y el profesor están pegados al suelo. La prueba evidente de que hay una fuerza de atracción es que no podemos flotar por el aula como nos gustaría... Si se suelta un bolígrafo caerá hacia el suelo en dirección al centro de la Tierra. Todo lo que está a nuestro alrededor se comporta como si una fuerza dirigida hacia el centro de la Tierra estuviera tirando de ello. Nos movemos en el campo gravitatorio de la Tierra con una fuerza continuamente actuando sobre nosotros, pero rara vez pensamos en ella porque estamos perfectamente habituados a sufrirla.

Las fuerzas débil y fuerte son las más difíciles de explicar en el aula porque no tenemos evidencias directas (como la gravedad) o experiencias sencillas de cada día (como el electromagnetismo).

La fuerza fuerte es la que mantiene "pegados" a los protones y neutrones del núcleo de todos los átomos. Es una fuerza muy importante en el universo, ya que de otro modo no podrían formarse los átomos, y no habría ningún tipo de objetos ni estructuras en el universo.

La fuerza débil es la que causa cierto tipo de desintegración radiactiva llamada "desintegración beta" (el proceso más conocido de este tipo es la desintegración del neutrón, que se convierte en un protón, más un electrón, más un neutrino). Aunque es muchísimo más débil que la fuerza eléctrica o la fuerte, la fuerza débil es importante ya que hace posible la producción de energía del Sol y las estrellas: la primera reacción de la transformación del Hidrógeno en Helio es la producción de Deuterio, que está causada por la fuerza débil. Como vemos, también sin esta fuerza nuestro universo sería muy diferente, sin estrellas ni galaxias que dieran luz. Un universo de tinieblas.

Las fuerzas débil y fuerte no se pueden observar directamente en el aula porque su radio de acción es nuclear (distancias en el interior del núcleo de los átomos). A una distancia mayor de una billonésima de cm (10-12 cm) estas fuerzas ya son despreciables. Los alumnos pueden preguntar ¿qué pasa si toco o aprieto mi mano contra una pared? ¿No están ya en contacto mis átomos con los de la pared y, por tanto, actuando las fuerzas débil y fuerte? Podemos hacerles ver la enorme diferencia que hay entre tocar la pared y llegar a los núcleos de los átomos. Los átomos están casi vacíos, en el sentido de que su núcleo ocupa una parte muy pequeña de ellos (se suele decir que son como una mosca en una catedral) y, sin embargo, es donde está concentrada la masa. La corteza exterior de cada átomo está formada por electrones cargados negativamente. Antes de que se toquen las "moscas" tienen que tocarse las "catedrales"... es muy difícil llegar al núcleo.

Así que lo importante que tenemos que recordar es que, cuando tocamos un cuerpo con otro, es la fuerza electromagnética la que actúa, impidiendo que los cuerpos se atraviesen: la fuerza de repulsión eléctrica se hace muy fuerte (ya que la distancia se hace muy pequeña). Los núcleos de los átomos están muy lejos de "tocarse". Además, la distancia que nos interesa para las fuerzas débil y fuerte es la que hay entre las partículas (protones, neutrones) dentro del núcleo. Efectivamente hacen falta energías muy grandes para, primero, eliminar las cortezas electrónicas de los átomos (ionizar los átomos completamente) y luego romper los núcleos (venciendo la fuerza fuerte) si queremos experimentar con las fuerzas nucleares. No basta con tocar... ¿verdad?