Introducción a la física

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1.¿Qué es un fenómeno físico? ¿Cómo se mide?

En el contexto del grado en Multimedia, definimos física como la ciencia que investiga las modificaciones experimentadas por los cuerpos que no afectan ni a su naturaleza ni a su composición.
Ejemplos de fenómenos físicos

  • El movimiento de los electrones en un circuito;

  • el almacenamiento de bits de información en memorias magnéticas;

  • la lectura de los datos en un CD o DVD mediante un láser;

  • o la propagación de la luz hasta nuestros ojos y del sonido hasta nuestros oídos.

Figura 1
Figura 1
La física se divide atendiendo el fenómeno físico que investiga. Por ejemplo:

  • La cinemática estudia el movimiento de los objetos sin atender a las causas que lo originan.

  • La mecánica estudia las fuerzas y sus efectos. Así, en la estática se analiza la situación de equilibrio de fuerzas, mientras que en la dinámica se investiga el movimiento a partir de las causas, es decir, las fuerzas, que lo originan.

  • La óptica estudia la luz prestando especial atención a su generación, propagación, manipulación y detección.

  • La electricidad y el magnetismo investigan el comportamiento de las cargas eléctricas y la corriente, y las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia.

  • La termodinámica estudia la transferencia de calor, las propiedades térmicas de los materiales, etc.

Todas estas partes de la física aparecen directa o indirectamente involucradas en los sistemas multimedia.

1.1.Método científico

Una característica importante de la física y de las demás ciencias es que son experimentales, es decir, los conocimientos se han ido obteniendo mediante la experimentación sistemática de los fenómenos físicos que ocurren en la naturaleza. Así, el conocimiento científico se obtiene mediante el procedimiento denominado método científico, cuyas etapas son:
Los aciertos del método científico
A lo largo de los últimos siglos, el método científico ha permitido el desarrollo espectacular de la ciencia con resultados tan fundamentales para la humanidad como son, entre miles de ejemplos, las vacunas, los antibióticos, el coche, el avión, la energía nuclear, el transistor, el láser, el ordenador e Internet. Actualmente, centenares de físicos de todo el mundo aplican el método científico en sus investigaciones para lograr la realización del que será el ordenador del futuro: el ordenador cuántico.
Para saber más sobre los ordenadores cuánticos, podéis dirigiros a las siguientes páginas de Internet:

  • observación

  • recogida de datos

  • formulación de hipótesis

  • comprobación de estos datos

  • obtención de conclusiones

En física, siempre que sea posible buscaremos una expresión matemática sencilla que relacione las diferentes variables que intervienen en un fenómeno, es decir, una fórmula. Dicha fórmula nos permitirá, entre otras cosas, investigar cómo varía alguna magnitud del fenómeno físico al variar otra magnitud; explorar matemáticamente condiciones no accesibles a nuestros experimentos, etc. La importancia capital de las matemáticas se refleja en la siguiente cita de Galileo: "Las leyes de la naturaleza están escritas en el lenguaje de las matemáticas".
Física es la ciencia que investiga las modificaciones experimentadas por los cuerpos que no afectan ni a su naturaleza ni a su composición.
El conocimiento científico se obtiene mediante el procedimiento denominado método científico, cuyas etapas son: observación, recogida de datos, formulación de hipótesis, comprobación de estos datos y obtención de conclusiones.

1.2.Unidades

No todas las cosas pueden medirse, como por ejemplo, la belleza de una flor, el placer que produce una canción o la estética de una página web. Claramente, estos tres ejemplos no pertenecen, al menos de momento, al campo de la física, puesto que no pueden ser medidos. Se define una magnitud como todo aquello que se pueda medir. Así, la medida de toda magnitud física exigirá compararla con cierto valor unitario de la misma. Toda magnitud física debe expresarse mediante una cifra y una unidad.

1.3.Magnitudes fundamentales

Todas las magnitudes físicas pueden expresarse en función de un pequeño número de unidades fundamentales. Se denominan magnitudes fundamentales aquellas que se expresan con alguna de estas unidades fundamentales. Las magnitudes fundamentales para toda la física son: longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente, temperatura, intensidad de luz y cantidad de materia. Las magnitudes derivadas son combinaciones de magnitudes fundamentales. Las unidades de las magnitudes derivadas se denominan unidades derivadas.
Junto con las unidades fundamentales y derivadas se encuentra toda una serie de múltiplos y submúltiplos comúnmente utilizados.
Tabla 1. Tabla de múltiplos y submúltiplos de magnitudes fundamentales
Múltiplos y submúltiplos

Submúltiplos

Múltiplos

Factor

Prefijo

Símbolo

Factor

Prefijo

Símbolo

10–1

deci

d

101

deca

da

10–2

centi

c

102

hecto

h

10–3

mili

m

103

quilo

k

10–6

micro

μ

106

mega

M

10–9

nano

n

109

giga

G

10–12

pico

p

1012

tera

T

10–15

femto

f

1015

peta

P

10–18

atto

a

1018

exa

E

10–21

zepto

z

1021

zetta

Z

10–24

yocto

y

1024

yotta

Y
Los múltiplos y submúltiplos son especialmente utilizados en tecnología informática, puesto que dicha tecnología abarca rangos de longitud, tiempo, velocidad, etc. muy dispares.
Las unidades de medida en tecnología informática

  • los nanómetros (nm) del tamaño de los chips de nueva generación;

  • los milisegundos (ms) de tiempo de acceso al disco duro;

  • los 10 megabits por segundo (Mb/s) de velocidad máxima de transmisión de algunos módems ADSL.

  • los 3 gigaherzios (GHz) de velocidad de reloj de un procesador actual;

  • los 2 terabytes (Tb) de información de un disco duro;

  • los terabits por segundo (Tb/s) de velocidad de proceso de datos de las mayores supercomputadoras;

  • los ~ 300 teraherzios (THz) de la frecuencia de la luz utilizada en la lectura de los CD.

A menudo, los símbolos de las diferentes unidades son empleados sin demasiada rigurosidad. Así, es frecuente observar que se indica la velocidad de transmisión de datos de una conexión ADSL como "6 megas", cuando debería ser 6 Mb/s o 6 Mbps.
Por otro lado, en informática es bastante común utilizar los múltiplos y submúltiplos para indicar potencias de 2 en lugar de potencias de 10. Por ejemplo, la potencia de 2 más cercana a 106 (un mega) es 220, por lo que 220 recibe a menudo el nombre de mega en informática, aunque no sea rigurosamente un mega.
Ejercicios
1. Una empresa informática suministra una tarjeta de memoria cuyas especificaciones indican que la capacidad es de 1 gigabyte. Si el dato (como ocurre algunas veces) corresponde a la potencia de 2 más próxima a 109 bytes, ¿cuál es la capacidad real del disco duro?
2. IBM ha decidido recientemente la producción masiva de chips de semiconductor con anchuras del orden del nanómetro. Si un cabello humano tiene un grosor del orden de un milímetro, ¿cuántos chips hace falta poner uno al lado del otro para tener el equivalente en grosor de un cabello humano?
Figura 2
Figura 2
Una magnitud es todo aquello que se pueda medir. La medida de toda magnitud física exige compararla con cierto valor unitario de la misma. Toda magnitud física debe expresarse mediante una cifra y una unidad.
Todas las magnitudes físicas pueden expresarse en función de un pequeño número de unidades fundamentales. Se denominan magnitudes fundamentales aquellas que se expresan con alguna de estas unidades fundamentales. Las magnitudes fundamentales para toda la física son: longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente, temperatura, intensidad de luz y cantidad de materia.

1.4.Sistemas de unidades: Sistema Internacional

La selección de un conjunto de unidades patrón o estándar para las magnitudes fundamentales configura lo que se denomina un sistema de unidades. En la tabla siguiente se reflejan tres de estos sistemas de unidades.
Tabla 2. Sistemas de unidades
Sistemas de unidades
Longitud
Masa
Tiempo
Fuerza

Sistema Internacional (SI)

m

kg

s

–

Sistema Cegesimal (CGS)

cm

g

s

–

Sistema Técnico (ST)

m

–

s

kp
El sistema de unidades estándar utilizado por la comunidad científica se conoce como Sistema Internacional (SI). Así, por ejemplo, en el SI la unidad patrón de longitud es el metro, el tiempo patrón es el segundo y la masa patrón es el kilogramo. La tabla siguiente recoge las unidades y los símbolos empleados para las magnitudes fundamentales en el SI.
Tabla 3. Unidades básicas en el sistema internacional de unidades
Sistema Internacional de unidades (SI)
Magnitud
Unidad
Símbolo

Longitud

metro

m

Masa

kilogramo

kg

Tiempo

segundo

s

Intensidad eléctrica

amperio

A

Temperatura

kelvin

K

Intensidad de luz

candela

cd

Cantidad de materia

mol

mol
A menudo se emplea también el sistema británico (o americano) de unidades, en el que la unidad fundamental de longitud es la yarda (equivalente a 0,914 m). En este sistema, tres pies conforman una yarda, y 12 pulgadas equivalen a un pie.
Finalmente, hay que notar que, en informática, la unidad fundamental de medida de la información es el bit. Un único bit puede tener sólo dos valores: 0 y 1. Un byte consiste en un conjunto de 8 bits.
El sistema de unidades estándar utilizado por la comunidad científica se conoce como Sistema Internacional (SI). En el SI, la unidad patrón de longitud es el metro, el tiempo patrón es el segundo y la masa patrón es el kilogramo.

1.5.Dimensiones de las magnitudes físicas

Una característica fundamental de las magnitudes físicas y de las fórmulas que relacionan estas magnitudes físicas es que tienen dimensiones. La dimensión de una magnitud es una propiedad física que la describe. Por ejemplo, la fórmula que permite determinar el espacio recorrido por un coche que se mueve a velocidad constante en función del tiempo es:
x = v t 1.1
En esta fórmula, las dimensiones son longitud para x, longitud dividida por tiempo para v y tiempo para t. Es decir, la fórmula anterior en lo que respecta a dimensiones equivale a:
[ longitud ] = [ longitud / tiempo ]   [ tiempo ]   , 1.2
o bien, simplificando el tiempo:
[ longitud ] = [ longitud ] 1.3
Si las dimensiones de la fórmula coinciden a izquierda y derecha del signo igual, decimos que la ecuación es correcta en lo que respecta a las dimensiones.
En física, al contrario que en matemáticas, es importante comprobar que las fórmulas son correctas en sus dimensiones.
La dimensión de una magnitud es una propiedad física que la describe como, por ejemplo, longitud, tiempo o masa. En física es importante comprobar que las fórmulas son correctas en sus dimensiones.

1.6.Conversión de unidades

Aunque el SI es el más utilizado, aún se expresan muchas magnitudes en otros sistemas de unidades. Por ejemplo, la longitud de la diagonal de un monitor se expresa en pulgadas, a pesar de que las reglas que utilizamos normalmente para medirla hacen uso del centímetro como unidad. Por este motivo, es muy importante saber cómo se realiza un cambio de unidades a partir de un factor de conversión.
El factor de conversión es el cociente entre dos valores iguales expresados en diferentes unidades. Por ejemplo, el factor de conversión entre centímetros y metros es
100 cm 1 m , o bien  1 m 100 cm 1.4
Los factores de conversión se utilizan para realizar cambios de unidades. Para ello hace falta multiplicar la magnitud inicial por el factor de conversión adecuado, de modo que la unidad que deseamos cambiar se simplifique y sólo nos quede la nueva unidad.
Ejercicios
1. ¿Cuántos centímetros son 15 pulgadas? El factor de conversión entre centímetros y pulgadas es: 2,54 cm / 1 pulgada.
2. Un superordenador de EE.UU. se comunica con otro situado en Europa a una velocidad de 1 gigabit por segundo. Expresad esta velocidad en bits por día.
El factor de conversión es el cociente entre dos valores iguales expresados en diferentes unidades, y sirve para realizar un cambio de unidades.

1.7.Notación científica

Cuando aparecen números tanto muy grandes como muy pequeños, es preciso utilizar una notación para designarlos que no resulte muy engorrosa, es decir, que no involucre demasiados dígitos. Así, utilizaremos la notación científica, que consiste en expresar la cifra como el producto de un número comprendido entre 1 y 10 por una potencia de 10. Recordemos que 10n significa un 1 seguido de n ceros, mientras que 10–n significa un cero coma n – 1 ceros seguidos de un 1. Es decir: 103 = 1.000; 10–5 = 0,00001; 5,81×103 = 5.810...
Es importante recordar que es posible reescribir una cifra expresada en potencias de 10 mediante los prefijos correspondientes (tabla). Por ejemplo, 6 × 107 bytes son 60 megabytes.
La notación científica consiste en expresar una cifra como el producto de un número comprendido entre 1 y 10 multiplicado por una potencia de 10.

1.8.Cifras significativas y órdenes de magnitud

Figura 3
Figura 3
Muchos de los números que se manejan en ciencia son el resultado de una medida y, por tanto, sólo se conocen con cierta incertidumbre experimental. Se suele dar una indicación aproximada de la incertidumbre de una medida mediante el número de dígitos que se utiliza. Así, por ejemplo, si utilizamos una regla que permite apreciar hasta el milímetro para medir la diagonal de un monitor, obtendremos, por ejemplo, 38,1 cm. El último dígito nos indica que la medida nos da una longitud de la diagonal entre 38,05 y 38,15, puesto que si hubiera sido mayor o menor, el redondeo (aproximación) nos habría dado una cifra diferente de la de 38,1 cm. Recibe el nombre de cifra significativa todo dígito cuyo valor se conoce con toda seguridad (con excepción del cero, cuando es usado para situar el punto decimal). En el ejemplo anterior conocemos el valor de la diagonal del monitor con 3 cifras significativas.
Cuando se realizan cálculos aproximados o comparaciones, se suele redondear un número hasta la potencia de 10 más próxima. Tal número recibe el nombre de orden de magnitud. Por ejemplo, la distancia Tierra-Sol es de 150.000.000 km = 1,5 × 1011 m. El orden de magnitud de la distancia Tierra-Sol es 1011 m.
Cifra significativa es todo dígito cuyo valor se conoce con toda seguridad (con excepción del cero cuando es usado para situar el punto decimal).
Orden de magnitud de un número es la potencia de 10 más próxima a dicho número.

1.9.Los errores en la medida

Al realizar la medida de una magnitud física, no siempre obtendremos su valor exacto. Las causas son diversas, por ejemplo, defectos en los instrumentos utilizados en la medida que dan lugar a un error sistemático, errores en la toma de medidas por parte del experimentador como el producido por el paralaje, etc. Todas estas fuentes de incertidumbre experimental conllevarán un error más o menos grande en el valor de la magnitud física, por lo que, cuando sea necesario obtener medidas muy precisas de una magnitud, habrá que realizar una serie de medidas de dicha magnitud y tomar como valor más exacto el correspondiente a la media aritmética de los valores obtenidos. Así, la medida se caracterizará por su media aritmética y por la dispersión de los valores alrededor de ésta.
Partiendo del valor exacto o tomando la media aritmética como valor exacto, se puede caracterizar el error en una medida mediante el error absoluto y/o el error relativo. El error absoluto es la diferencia entre el valor medido y el valor exacto, mientras que el error relativo es el cociente entre el error absoluto y el valor exacto. El llamado porcentaje de error se obtiene multiplicando por 100 el error relativo.
El error se puede caracterizar de dos maneras diferentes, mediante el error absoluto o el error relativo. El error absoluto es la diferencia entre el valor medido y el valor exacto o tomado como exacto, mientras que el error relativo es el cociente entre el error absoluto y el valor tomado como exacto. El porcentaje de error se obtiene multiplicando por 100 el error relativo.
Ejercicio
Cuando se envía información por un cable de la red, se produce en término medio un error por cada 109 datos enviados. ¿Qué vale en este ejemplo el porcentaje de error?

1.10.Magnitudes escalares y vectoriales

Por definición, una magnitud es todo aquello que se puede medir. No obstante, no todas las magnitudes quedan perfectamente definidas con una cifra y una unidad. Por ejemplo, la masa de un cuerpo queda perfectamente determinada al indicar que vale 36 kg, pero no su velocidad si decimos que se mueve a 25 m/s. Para describir perfectamente la velocidad de un cuerpo, nos hace falta indicar también en qué dirección (norte-sur, este-oeste,...) y sentido (norte, hacia la izquierda,...) se mueve. Así, las magnitudes se pueden clasificar en escalares y vectoriales:

  • Magnitudes escalares: aquellas que quedan perfectamente determinadas con una cifra y una unidad. Por ejemplo: volumen, temperatura, masa, densidad, etc.

  • Magnitudes vectoriales: aquellas que requieren módulo (es decir, cifra y unidad), dirección y sentido. Por ejemplo, fuerza, velocidad, aceleración, campo eléctrico, campo magnético, etc.

Una magnitud es todo aquello que se pueda medir. Las magnitudes escalares son aquellas que quedan perfectamente determinadas con una cifra y una unidad, mientras que las vectoriales requieren módulo (cifra y unidad), dirección y sentido.

2.¿De qué están hechas las cosas?

Para entender la física que hay detrás de los sistemas multimedia, es necesario tener unos conocimientos previos sobre algunas de las bases físicas de la naturaleza. En el presente apartado nos introduciremos en las diferentes escalas de la naturaleza, desde lo increíblemente grande, el universo, hasta lo increíblemente pequeño, los componentes esenciales de la materia que nos rodea. Conoceremos también cómo interactúan entre sí estos componentes fundamentales.

2.1.De lo más grande a lo más pequeño. El universo

Figura 4
Figura 4
El universo es el conjunto de todas las cosas que nos rodean. O sea, todo. Y parece ser que todo surgió a partir de una gran explosión hace unos 14.000 millones de años. De esta gran explosión surgieron toda la materia y la energía que conocemos. Fruto de la explosión, el universo se expandió y poco a poco se fue enfriando. De hecho, todavía hoy se sigue expandiendo y, según observaciones astronómicas muy recientes, parece ser que se seguirá expandiendo indefinidamente. Debido a la expansión y al enfriamiento, la materia se fue acumulando en una especie de grumos irregulares que dieron origen a las galaxias. Estas galaxias están agrupadas en cúmulos de galaxias.
Puesto que no existe nada que se desplace más deprisa que la luz, no hay ningún lugar que pueda estar más alejado de nosotros que 14.000 millones de años luz. Cuando observamos la luz de un objeto astronómico situado a X años luz de nosotros, esta luz partió del objeto hace X años, un valor que, lógicamente, no puede ser mayor que el de la edad del universo.
El universo surgió a partir de una gran explosión hace unos 14.000 millones de años. De esta gran explosión surgieron toda la materia y la energía que conocemos.

2.2.Nuestra galaxia

Figura 5
Figura 5
Nuestra galaxia, la Vía Láctea, está situada en un cúmulo de unas 30 galaxias llamado Grupo Local. La galaxia tiene forma de espiral plana, parecida a la forma de la espuma del café cuando lo removemos con una cucharilla. La Vía Láctea está formada por aproximadamente 100.000 millones de estrellas. En el centro de la galaxia se halla la mayor aglomeración de estrellas y materia, y de ésta parten brazos en espiral con una densidad de estrellas menor. El Sol se encuentra en uno de los brazos exteriores, a unos dos tercios del centro de la galaxia. El diámetro de la Vía Láctea es de unos 100.000 años luz. Todas las estrellas que observamos por la noche pertenecen a la Vía Láctea.
La Vía Láctea, nuestra galaxia, está formada por aproximadamente 100.000 millones de estrellas. El Sol se encuentra en uno de los brazos exteriores, a unos dos tercios del centro de la galaxia. El diámetro de la Vía Láctea es de unos 100.000 años luz.

2.3.El sistema solar

Figura 6
El Sol está rodeado de planetas. El orden de los planetas es, del más cercano al más lejano respecto al Sol: Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. La distancia desde el Sol hasta Neptuno, el más exterior, es de unos 4.500 millones de kilómetros. La Tierra está a 150 millones de kilómetros del Sol, a 8 minutos luz. Esto significa que la luz tarda en llegar desde el Sol hasta la Tierra 8 minutos. Algunos planetas, como la Tierra, tienen satélites. El satélite de la Tierra es la Luna.
El Sol está rodeado de planetas. El orden de los planetas es, del más cercano al más lejano respecto al Sol: Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno.

2.4.Los elementos que componen la materia

Toda la materia que tenemos a nuestro alrededor está formada por sustancias químicas. Los elementos químicos son sustancias constituidas por átomos individuales de un mismo tipo, de modo que hay tantos elementos químicos como "tipos" de átomos. En la tabla periódica de los elementos, se hallan todos los elementos químicos conocidos en la actualidad. Cada recuadro corresponde a un elemento químico representado por su símbolo.
Figura 7
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Unos pocos elementos químicos, como por ejemplo el oro, se encuentran en la naturaleza en su estado puro. Esto significa que podríamos dividir un lingote de oro en pedacitos cada vez más pequeños y, al final, obtendríamos átomos de oro. El átomo es la mínima entidad en que podemos dividir un elemento químico de forma que sigamos teniendo este elemento químico. Si intentamos dividir un átomo de oro en elementos más pequeños, dejaremos de tener oro y pasaremos a tener los diferentes componentes del átomo.
Los átomos de los diferentes elementos químicos se combinan entre sí para formar moléculas de diferentes compuestos.
Los elementos químicos son sustancias constituidas por átomos individuales de un mismo tipo, y se combinan entre sí para formar moléculas de diferentes compuestos.
Las diferentes combinaciones que podemos encontrar, basadas en un mismo conjunto de elementos, dan lugar a compuestos químicos totalmente diferentes.
Diversas combinaciones de elementos químicos
Dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno se combinan para formar una molécula de agua. Podemos dividir el agua cada vez en porciones más pequeñas hasta llegar a una sola molécula de agua, pero si intentamos dividir esta molécula nos encontraremos con sus diferentes componentes, es decir, con un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno.
Dos átomos de oxígeno se combinan para formar una molécula de oxígeno gaseoso (O2), imprescindible para la vida, mientras que tres átomos de oxígeno se combinan para formar ozono (O3), un gas nocivo si se inhala. Del mismo modo, dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno forman una molécula de agua mientras que dos átomos de hidrógeno y dos de oxígeno forman una molécula de agua oxigenada, con unas propiedades totalmente diferentes.
Figura 8
Figura 8

2.5.El átomo

Figura 9
Figura 9
Los átomos de los diferentes elementos químicos están compuestos de tres tipos de partículas:

  • protones

  • neutrones

  • electrones

Los protones y los neutrones se encuentran en el centro del átomo, formando el núcleo atómico. Los electrones se encuentran alrededor del núcleo en diferentes orbitales.
Al igual que la luz tiene a la vez naturaleza ondulatoria y naturaleza corpuscular (dualidad onda-partícula), todas las partículas de materia tienen esta dualidad. Sin embargo, cuanto menor es la partícula, más se manifiesta esta doble naturaleza. Para entender por qué los electrones están alrededor del núcleo del átomo sin caer hacia éste o sin chocar entre sí y de forma totalmente estable, es necesario interpretarlos como una especie de ondas estacionarias cuya longitud de onda encaja con el perímetro de la órbita. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones que se presentarán a lo largo de este curso podremos considerar los electrones como partículas sólidas alrededor del núcleo.
La característica que diferencia dos átomos de dos elementos químicos diferentes es el número de protones. El número de neutrones y de electrones conferirá diferentes propiedades físicas al elemento en cuestión, pero seguirá siendo el mismo elemento. Si el número de neutrones es diferente pero el número de protones es el mismo, entonces tendremos un isótopo del elemento. La masa de los neutrones y de los protones es muy similar, y muy superior a la de los electrones. Por este motivo, los isótopos de los elementos tienen diferente masa que el elemento en sí.
Tabla 4. Masa y carga de los constituyentes básicos de los átomos: protones, neutrones y electrones
Masa y carga eléctrica de los constituyentes de los átomos
Masa (Kg)
Carga eléctrica (coulombs)

Protón

1,672 ·10–27

1,602 ·10–19

Neutrón

1,675 ·10–27

0

Electrón

–9,108 ·10–31

–1,602 ·10–19
Si el número de electrones es el que varía, entonces tendremos un ion de este elemento. Los diferentes iones de un elemento no tienen una diferencia de masa apreciable entre sí, ya que los electrones tienen una masa muy pequeña. Si bien el elemento en sí siempre es neutro eléctricamente, puesto que tiene el mismo número de electrones (cargas eléctricas negativas) y de protones (cargas eléctricas positivas), los iones tienen un número diferente de electrones que confiere una carga total al átomo. Si al elemento le faltan 2 electrones, habrá 2 cargas positivas del núcleo que no estarán contrarrestadas por cargas eléctricas negativas y, por lo tanto, el átomo tendrá carga positiva de valor +2 veces la carga de protón. Si por el contrario, el átomo tiene un electrón de más, tendrá una carga negativa correspondiente a la carga eléctrica de este electrón.
La característica que diferencia dos átomos de dos elementos químicos diferentes es el número de protones de cada átomo.

2.6.Cómo interactúan las cosas

Las partículas elementales interaccionan entre sí atrayéndose o repeliéndose según diferentes tipos de interacciones. Estas interacciones, también conocidas como fuerzas fundamentales de la naturaleza, son:

  • La fuerza gravitatoria

  • La fuerza electromagnética

  • La fuerza nuclear fuerte

  • La fuerza nuclear débil

Cada partícula obedece a unos determinados tipos de fuerzas.
Existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza gravitatoria, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.
2.6.1.La fuerza gravitatoria
Figura 11
La fuerza gravitatoria genera atracción mutua entre todos los cuerpos y partículas que tienen masa. Esta interacción es siempre mutua, es decir, la fuerza de atracción siempre se establece entre todos los cuerpos que están presentes. De este modo, la Tierra ejerce una fuerza gravitatoria sobre nosotros, pero nosotros también ejercemos una fuerza gravitatoria sobre la Tierra. Y no sólo eso, sino que además la fuerza con que nosotros atraemos a la Tierra es exactamente igual que la que la Tierra ejerce sobre nosotros. En el módulo siguiente veremos por qué, aunque las fuerzas sean iguales, somos nosotros quienes caemos hacia la Tierra y no la Tierra la que cae hacia nosotros.
La gravedad cohesiona la materia y es la responsable de la formación de estrellas, las galaxias y los planetas.
2.6.2.La fuerza electromagnética
La fuerza eléctrica
La fuerza eléctrica actúa entre partículas con carga eléctrica. En el átomo, tanto los protones como los electrones tienen carga eléctrica. Sin embargo, los neutrones son neutros eléctricamente, y no son sensibles a la fuerza eléctrica.
La carga de una partícula puede ser positiva o negativa. Las partículas con cargas de diferente signo se atraen, mientras que las que tienen cargas del mismo signo se repelen. Puesto que los electrones tienen carga eléctrica negativa y los protones del núcleo de un átomo tienen carga eléctrica positiva, existe una atracción entre los mismos que mantiene el átomo estable.
La fuerza eléctrica es muchísimo más intensa que la fuerza gravitatoria. Sin embargo, la materia que nos rodea es eléctricamente neutra, con lo cual la única fuerza que percibimos entre cuerpos a escala macroscópica es la gravedad. En los átomos y en las interacciones entre partículas elementales cargadas eléctricamente, en cambio, la fuerza de la gravedad no juega prácticamente ningún papel.
La fuerza magnética
Dos hilos conductores paralelos sufren una fuerza atractiva o repulsiva entre sí en función de si las corrientes de electrones que circulan por ellos lo hacen en el mismo sentido o en sentidos contrarios. Si los electrones cesan en su movimiento, la fuerza también cesa. Esta fuerza es denominada fuerza magnética, y su origen está, cómo no, en el movimiento de los electrones. De hecho, cualquier partícula cargada en movimiento, ya sea un electrón o cualquier otra partícula, con carga positiva o negativa, ejerce una fuerza magnética sobre las partículas con carga eléctrica que hay a su alrededor.
Figura 12
Los imanes generan también un campo magnético, es decir, ejercen fuerzas magnéticas sobre las partículas cargadas que tienen cerca y, sin embargo, no hay movimiento de cargas eléctricas en su interior. Esto se explica porque las moléculas de los imanes tienen un campo magnético intrínseco debido a una especie de giro sobre sí mismo o rotación de sus electrones.
Figura 13
Figura 13
En realidad, la fuerza eléctrica y la fuerza magnética son dos manifestaciones de una misma fuerza, la fuerza electromagnética, que presenta uno u otro aspecto según la situación física del sistema.
2.6.3.La fuerza nuclear fuerte
Figura 14
Figura 14
El núcleo de los átomos contiene protones. Todos tienen la misma carga eléctrica positiva y, por tanto, se repelen por la fuerza electromagnética. No obstante, el núcleo se mantiene unido porque entre los protones y entre los neutrones actúa una fuerza llamada fuerza nuclear fuerte que mantiene la cohesión. De este modo, los protones y los neutrones poseen algún tipo de carga fuerte ausente en los electrones.
2.6.4.La fuerza nuclear débil
A veces, algún neutrón del núcleo se convierte en un protón emitiendo un electrón. Se trata de un proceso cuya explicación escapa a los objetivos de este curso. La fuerza responsable de este proceso es la fuerza nuclear débil.

3.¿De qué están hechos los sistemas multimedia?

A partir de los conocimientos sobre física que adquiriremos a lo largo de esta asignatura, podremos entender las bases del funcionamiento y de la composición de los sistemas multimedia, incluyendo no sólo el ordenador, sino también sus periféricos. Las descripciones que se exponen a continuación están muy simplificadas, pero ilustran, sin perder ningún rigor, las bases físicas necesarias para comprender el funcionamiento de estos sistemas. El conocimiento más en detalle de cada uno de los fenómenos físicos que intervienen lo obtendremos en los siguientes módulos de esta asignatura.

3.1.El ratón

El ratón del ordenador se basa en uno de los fundamentos de la cinemática:
La descomposición de cualquier movimiento en un plano en dos componentes perpendiculares.
El ratón supone también una aplicación directa de los dispositivos optoelectrónicos como el diodo emisor de infrarrojos y el detector fotoeléctrico.
La función del ratón es trasladar el movimiento que éste describe sobre la mesa al cursor de la pantalla, que nos permite desplazarnos por las aplicaciones. De este modo, para mover el cursor hacia arriba, desplazamos el ratón hacia delante, etc. ¿Cómo sabe el ratón hacia donde lo estamos desplazando?. Para entender su funcionamiento, supongamos que el cursor en la pantalla se encuentra en una determinada posición que, como sabemos, se puede localizar mediante unas coordenadas. Si el ratón se mueve, éste debe informar al ordenador de hacia dónde se ha movido y cuánto se ha movido, para que el ordenador pueda desplazar el cursor.
En la parte inferior del ratón hay una pequeña bola de goma que rueda sobre la mesa. Podemos abrir la parte inferior del ratón y observar esta bola. La bola tiene en contacto dos rodillos cilíndricos perpendiculares. Estos rodillos se pueden observar si la sacamos.
Figura 15
Figura 15
Un rodillo delante de la bola gira cuando ésta se mueve hacia delante o hacia atrás. El otro rodillo, a un lado de la bola, gira cuando ésta se mueve hacia la derecha o hacia la izquierda. Si la bola (el ratón) se mueve en diagonal, los dos rodillos giran a la vez.
Los rodillos tienen, cada uno en un extremo, una rueda dentada, de modo que cuando gira un rodillo también gira la rueda dentada. Para saber si la rueda dentada está girando, hay un pequeño dispositivo que emite luz infrarroja (invisible) hacia los dientes de la rueda y un detector detrás de los dientes de la rueda. Si la luz pasa a través de uno de los huecos de los dientes de la rueda, el detector la capta y envía una corriente eléctrica hacia el ordenador. Al girar el rodillo un poquito, uno de los dientes tapa el haz de luz, éste no llega al detector y el ratón no envía la corriente. De este modo, el ordenador puede interpretar el movimiento del ratón a partir de los pulsos de corriente que le llegan de cada detector. Como cada uno de los detectores informa del movimiento en una dirección (horizontal o vertical), el ordenador puede reproducir el movimiento del ratón con el cursor de la pantalla.
Figura 16
Figura 16
El ratón del ordenador se basa en uno de los fundamentos de la cinemática: la descomposición de cualquier movimiento en un plano en dos componentes perpendiculares.

3.2.Los altavoces

Los altavoces de un sistema multimedia nos permitirán observar la naturaleza de las ondas sonoras que estudiaremos en detalle en el módulo 3, así como una notable aplicación de la inducción electromagnética.
Los altavoces tienen la función de traducir la señal eléctrica que les llega por los cables en ondas sonoras que percibimos por el oído. La tarjeta de sonido trasmite señales eléctricas a los altavoces moviendo los electrones de los cables con más o menos velocidad. Estos cables, cuando llegan al altavoz, están conectados a una bobina de hilo conductor, es decir, a un hilo conductor enrollado como si se tratase de un carrete de hilo de pescar. Cuando los electrones del hilo se mueven, generan un campo magnético, como el de un imán, cuya intensidad y dirección varía según si los electrones se mueven más deprisa o más despacio, hacia delante o hacia atrás. De este modo, la tarjeta de sonido controla, en realidad, un campo magnético dentro del altavoz.
Como sabemos, cuando a un imán le acercamos otro imán, éste se mueve. Se aleja o se acerca en función de cómo está orientado el imán que le hemos acercado. De la misma forma, si en el interior de la bobina de hilo conductor del altavoz colocamos un imán fijo, la bobina se moverá hacia delante o hacia atrás según vayamos cambiando el campo magnético producido por el movimiento de los electrones en la misma. Si la variación del movimiento de los electrones es rápida y continuada, la variación del campo magnético en la bobina también será rápida y continuada y, por tanto, su movimiento será una vibración, es decir, un movimiento rápido y seguido hacia adelante y hacia atrás.
En los altavoces, el pequeño imán está fijo a la estructura del resto del altavoz y la bobina está pegada a una lámina circular, un disco, de cartón fino más o menos extensa. Al vibrar la bobina vibra la lámina de cartón que está pegada. Esta vibración del cartón hace vibrar el aire que tiene delante, de manera que la vibración en forma de onda sonora se transmite por el aire a través de la habitación hasta llegar a nuestros oídos.
Figura 17
Los vatios de potencia del altavoz nos dan una medida de hasta que punto pueden hacer mover el aire que les rodea. En los altavoces potentes de las discotecas o de los conciertos de música, se puede apreciar el movimiento del aire cerca de éstos si acercamos las manos y el sonido es, por ejemplo, golpes secos y graves de bombo.
Los altavoces tienen la función de traducir la señal eléctrica que les llega por los cables en ondas sonoras que percibimos por el oído.

3.3.El monitor del ordenador

El objetivo del monitor del ordenador es proporcionar imágenes. Para ello, la pantalla del monitor consiste en multitud de pequeños componentes que, en el caso de las pantallas de rayos catódicos, emiten luz al recibir el choque de un haz de electrones.
Los electrones se emiten desde un filamento metálico situado en la parte posterior del monitor. El filamento, al calentarse, emite electrones de forma más o menos continua y en todas direcciones. Para conducir estos electrones hasta la pantalla, con el fin de que choquen contra los pequeños elementos que formarán las imágenes, el filamento está situado en el interior de un cátodo (cilindro con carga eléctrica negativa). Un tubo metálico situado enfrente del filamento (ánodo) y orientado hacia la pantalla adquiere una carga eléctrica positiva. Los electrones, que tienen carga eléctrica negativa, son repelidos por el cátodo y atraídos de este modo hacia el ánodo, lo atraviesan y chocan contra la pantalla del ordenador. Así pues, el monitor actúa como un auténtico acelerador de partículas, en este caso, de electrones.
Figura 18
Figura 18
Sin embargo, con el montaje descrito hasta ahora, todos los electrones incidirían en el centro de la pantalla del monitor, con lo cual lo único que observaríamos sería un punto luminoso. Para obtener una imagen en la pantalla, cada uno de los pequeños componentes debe emitir una cantidad de luz concreta, en función de su posición, de modo que las diferentes zonas claras y oscuras formen la imagen deseada. Para ello es necesario poder controlar de forma aproximada la cantidad de electrones que llegan a cada zona de la pantalla y evitar que todos ellos incidan en el centro. Esto se consigue gracias a la acción de un juego de bobinas conductoras. Como el movimiento de los electrones es sensible a la presencia de campos magnéticos, controlando en cada momento el sentido de las corrientes eléctricas de las bobinas se puede desviar el electrón en la dirección conveniente para que incida en el punto de la pantalla deseado.
Figura 19
Los elementos que forman la pantalla pueden, además, emitir luz de diferentes colores. Para ello, estos elementos están formados por tres elementos menores que emiten luz cada uno de un color diferente. Concretamente, uno emite luz roja, otro verde y el tercero azul. A partir de la combinación de estos tres colores se puede conseguir cualquier color.
Figura 20
Figura 20
Figura 21
La pantalla del monitor consiste en multitud de pequeños componentes que emiten luz al recibir el choque de un haz de electrones.

3.4.Los circuitos electrónicos de las placas y tarjetas

La placa base contiene los componentes esenciales para que el ordenador procese la información y realice cálculos. El funcionamiento físico de los circuitos que componen la placa base y, de hecho, de cualquier circuito electrónico, está basado en la conducción de electrones por medio de multitud de dispositivos electrónicos.
Como ya hemos visto, todos los materiales contienen electrones en sus átomos. Sin embargo, estos electrones pueden estar más relacionados con los núcleos de los átomos en unos materiales que en otros. En los materiales conductores, los electrones se pueden mover libremente de un átomo a otro, de modo que podemos forzar a los electrones de un material conductor a moverse dentro del material. Si conectamos un hilo metálico a los extremos de una pila, sus electrones se pondrán en movimiento atraídos por el polo positivo de la pila, de modo que por el hilo correrá una corriente de electrones. Los electrones que circulan por el hilo metálico no se escapan al exterior porque el metal es mucho mejor conductor de la corriente eléctrica que el aire.
Figura 22
En la placa base del ordenador, la complejidad de los circuitos es muy elevada, de modo que sería impracticable contener todos sus circuitos en un espacio reducido si estuvieran formados por cables conductores que conectaran los dispositivos electrónicos. Los circuitos de la placa base del ordenador, al igual que los circuitos de cualquier dispositivo electrónico actual, están impresos en la misma placa. El metal conductor por el que deben circular los electrones está dibujado sobre una una base de material aislante.
Figura 23
Figura 23
El funcionamiento físico de los circuitos que componen la placa base y, de hecho, de cualquier circuito electrónico, está basado en la conducción de electrones a través de multitud de dispositivos electrónicos.

3.5.El procesador central

El elemento electrónico más importante de la placa base es la CPU (Unidad Central de Procesamiento). Se trata de un circuito que conecta elementos electrónicos miniaturizados al máximo en un chip.
El chip de la CPU está formado principalmente por unos componentes electrónicos denominados transistores. Una CPU contiene millones de transistores. Los transistores cumplen la función de semáforos en los cruces de un circuito, permitiendo o no el paso de los electrones en cada zona del circuito. Al contrario que en los interruptores normales de los circuitos eléctricos, el transistor realiza la tarea de interruptor de la corriente sin que sea necesario ningún proceso mecánico. Abre y cierra el paso de la corriente entre dos de sus terminales mediante la aplicación de una corriente en la tercera terminal.
Combinando millones de transistores, los ordenadores realizan operaciones lógicas, cálculos complejos y... ¡presentaciones multimedia!
Figura 24
Una CPU contiene millones de transistores. Los transistores cumplen la función de semáforos en los cruces de un circuito, permitiendo o no el paso de los electrones en cada zona del circuito.

3.6.El disco duro

Figura 25
Figura 25
El disco duro del ordenador almacena la información de modo permanente, sin necesidad de que tengamos el ordenador encendido para que la información se mantenga. El proceso de grabación y lectura está basado en fenómenos físicos relacionados con el electromagnetismo, y la física del movimiento circular juega un papel muy importe para poder encontrar y manipular la información.
El disco magnético que hay en el interior de los discos duros es un disco de plástico recubierto de una fina capa de material cuyas moléculas se comportan como pequeños imanes. Dentro de la carcasa de un disco duro hay, de hecho, más de un disco magnético rígido.
Inicialmente, la fina capa de material magnético de la superficie del disco tiene los pequeños imanes (las moléculas) orientadas al azar. Para almacenar la información binaria, el ordenador envía señales eléctricas desde la tarjeta controladora del disco duro hasta una diminuta bobina de hilo conductor situada muy cerca de la superficie del disco. El proceso es similar al del altavoz, pero en este caso el campo magnético creado por el movimiento de los electrones de la bobina se encarga de mover los diminutos imanes que se encuentran sobre el disco magnético. Si el disco no girase, el puñado de moléculas situadas bajo la bobina variaría su orientación conforme fuese variando el campo magnético de la bobina. Sin embargo, puesto que el disco gira, las moléculas que van pasando bajo la bobina se orientan según estaba el campo magnético en ese momento y conservan esta orientación.
Para leer la información escrita, el ordenador realiza el proceso inverso. Como veremos posteriormente, del mismo modo que el movimiento de electrones en la bobina crea un campo magnético, acercar la bobina a campos magnéticos que varían crea corrientes eléctricas en la bobina. Así, en la superficie del disco, las diferentes orientaciones de las moléculas crean un campo magnético con orientación diferente alrededor de cada conjunto de éstas. Si hacemos girar el disco, la diminuta bobina irá pasando por encima de los diferentes puntos de la superficie del disco con el campo magnético orientado de manera diferente. La bobina irá notando cómo va cambiando el campo magnético, y estas variaciones crearán corrientes eléctricas en ella. De este modo, los electrones se moverán en el hilo conductor de la bobina siguiendo las variaciones del campo magnético escritas en la superficie del disco. Estas corrientes de electrones llegarán hasta la tarjeta controladora del disco, de modo que se traducirán en las señales binarias que previamente la tarjeta había enviado para grabar en el disco.
El disco magnético que hay en el interior de los discos duros es un disco de plástico recubierto de una fina capa de material cuyas moléculas se comportan como pequeños imanes.

3.7.La memoria RAM

Al igual que en los discos magnéticos, la memoria RAM almacena físicamente la información binaria que el ordenador utiliza. Sin embargo, el proceso de lectura y de escritura de la memoria RAM es muchísimo más veloz que el de las memorias de los discos magnéticos.
El chip de memoria RAM es un circuito integrado formado por multitud de transistores y capacitores. Los transistores, tal y como se verá en el módulo "Cómo organizar una sociedad de millones de electrones. Funcionamiento básico de los componentes electrónicos", permiten regular el flujo de electrones mediante el conductor como si se tratara de semáforos o de los grifos de una cañería. Los capacitores almacenan cargas eléctricas de modo que se pueden asimilar a pequeños recipientes de carga eléctrica. Cada capacitor de la memoria RAM está controlado por un transistor, de modo que mediante pequeñas corrientes enviadas a los transistores se puede controlar qué capacitores deben llenarse y cuáles no. Así, el ordenador puede almacenar la información binaria en forma de capacitores cargados (llenos) o descargados (vacíos). Dado que los capacitores se descargan de forma espontánea al cabo de unos nanosegundos, el dispositivo es muy rápido pero necesita recibir corriente eléctrica para mantener la información de la memoria.
Figura 26

3.8.El CD, el DVD y el CDR

Otro modo de almacenar la información binaria del ordenador es el disco compacto CD. Los discos compactos consisten en una fina capa de aluminio entre dos discos de plástico trasparente. Los discos de plástico dan rigidez al CD, pero la información se halla escrita en la fina capa de aluminio situada entre ellos. Los unos y ceros del código binario en que está codificada toda la información que lee el ordenador están escritos en forma de pequeñas zonas que reflejan la luz y zonas que en lugar de reflejarla la difunden en todas direcciones.
El disco compacto se lee mediante un haz de luz láser que incide en su superficie. La luz láser es un tipo de luz muy ordenada que puede ser focalizada con muchísima precisión en una zona muy pequeña, microscópica, del disco. Junto al láser emisor se encuentra un receptor de luz que envía al ordenador una señal eléctrica cuando recibe el haz de luz del láser reflejado en la superficie de la capa de aluminio del CD. Puesto que la superficie del CD está repleta de marcas reflectantes y difusoras de la luz, el receptor de luz recibe cantidades de luz diferentes en cada momento mientras gira el CD, con lo cual lee directamente las diferentes zonas del CD y, con ello, el código binario escrito en el disco.
Figura 27
Figura 28
Figura 28
La capacidad de focalizar la luz del láser limita el tamaño mínimo de las diferentes zonas reflectantes y difusoras del CD para que puedan ser leídas, y con ello la cantidad máxima de información que se puede almacenar. Esta capacidad de focalizar la luz depende del color de ésta, es decir, de su longitud de onda. En el DVD se utiliza un tipo de láser diferente que en el CD para leer la información de los discos, con una longitud de onda menor, lo cual permite reducir las dimensiones del punto de focalización y, con ello, aumentar considerablemente la capacidad de almacenamiento del disco.
Las grabadoras de discos compactos (CDR) permiten modificar la distribución de las zonas reflectantes y difusoras de la superficie del disco compacto, siempre y cuando el disco sea del material adecuado. Para ello, se incide sobre la superficie del CDR con un haz de láser que calienta la zona donde éste incide, de modo que se modifican las propiedades reflectoras de este punto de la superficie. Posteriormente, un haz láser de lectura envía luz hacia las diferentes zonas reflectoras y difusoras siguiendo el proceso explicado anteriormente.
En los discos compactos, los unos y ceros del código binario en que está codificada toda la información que lee el ordenador están escritos en forma de pequeñas zonas que reflejan (unos) o difunden (ceros) la luz incidente.

3.9.La impresora láser

Figura 29
Figura 29
En las impresoras láser, un haz de luz láser muy fino se envía hacia un tambor rotatorio que está cargado eléctricamente con carga positiva. El tambor rotatorio, que se asemeja a un rodillo de cocina para amasar los pasteles, está recubierto de una capa muy fina, entre 20 y 100 micras, de material fotoconductor. Este tipo de material se vuelve conductor de la electricidad cuando incide luz sobre sí.
Los puntos de la superficie del rodillo a los que les llega la luz, al volverse conductores, se descargan. Sin embargo, aquellos puntos a los que no se envía el haz de luz láser se mantienen cargados positivamente.
La superficie del rodillo, al girar, va pasando muy cerca de un depósito de un polvo de color negro (el tóner) formado por diminutas partículas de un compuesto de zinc y oxígeno, de unas 10 micras de diámetro cada una, que son previamente cargadas negativamente. Al acercarse, las partículas, éstas son atraídas por la fuerza de atracción eléctrica hacia los puntos del rodillo que todavía están cargados positivamente, es decir, aquellos a los que no les ha llegado la luz del láser.
Cuando pasamos el rodillo por el papel, las partículas lo impregnan y forman la imagen que previamente habíamos enviado a la impresora desde el ordenador. Posteriormente se calienta el papel para que las partículas queden fijadas en el mismo. Por este motivo, cuando la impresora láser imprime una hoja, ésta está ligeramente caliente.

3.10.La cámara de vídeo

La cámara tiene como objeto captar imágenes del exterior para ser transferidas al televisor o a una cinta de vídeo. Si el ordenador tiene tarjeta capturadora de vídeo puede también recibir estas imágenes. Las web cams están diseñadas especialmente para transferir las imágenes directamente al ordenador y, por lo tanto, no disponen de un sistema de almacenamiento de información en cinta.
El funcionamiento básico del sistema de captación de imágenes de una cámara de vídeo se basa en dos componentes físicos fundamentales: un sistema óptico de lentes que forma imágenes de los objetos exteriores en un plano y un dispositivo CCD capaz de registrar la imagen que se encuentra en este plano para convertirla en una señal electrónica.
Tal como veremos en el módulo 4, la luz no viaja siempre en línea recta. Cuando un rayo de luz cambia de medio, por ejemplo cuando pasa del aire al vidrio, su trayectoria puede cambiar de dirección, según el ángulo con que incida en la superficie del vidrio. La capacidad de un material de desviar la dirección de un rayo incidente se mide mediante un índice denominado índice de refracción. Las lentes de una cámara de vídeo y de una cámara fotográfica aprovechan este fenómeno físico para reorientar todos los rayos que provienen de un punto situado en un objeto y hacer que estos rayos vayan a parar a otro punto en un plano cercano a la lente. Para cada uno de los puntos del objeto se repetirá este fenómeno, de modo que, en conjunto, las lentes nos proporcionarán una imagen del objeto en un plano situado dentro de la cámara de vídeo.
Para recoger esta imagen, las cámaras de vídeo cuentan con un dispositivo CCD (Charged Couple Device). Se trata de una matriz de pequeños dispositivos sensibles a la luz que emiten electrones cuando sobre ellos incide luz. De este modo, el CCD traduce la imagen que las lentes forman sobre el mismo en una señal electrónica capaz de ser reconocida por el ordenador.
El funcionamiento básico del sistema de captación de imágenes de una cámara de vídeo se basa en dos componentes físicos fundamentales: un sistema óptico de lentes que forma imágenes de los objetos exteriores en un plano y un dispositivo CCD capaz de registrar la imagen que se encuentra en ese plano para convertirla en una señal electrónica.

3.11.Sistemas de comunicación

Figura 30
Figura 30
Comunicar dos o más ordenadores implica enviar información a través de algún medio. La velocidad de transferencia de los datos del sistema de comunicación dependerá de la velocidad con que la información se desplaza en el medio, y de la cantidad de información que se puede enviar simultáneamente. Estas cualidades dependerán, a su vez, de las propiedades físicas del medio.
Si se utiliza un cable conductor eléctrico para conectar los ordenadores, la información irá de un ordenador a otro gracias al desplazamiento de los electrones del cable. También es posible conectar los ordenadores mediante cables de fibra óptica. Los cables de fibra óptica son guías de luz. Pese a ser bastante transparentes, no permiten que la luz escape de ellos más que por sus dos extremos. Para ello, el cable está compuesto de un material de índice de refracción variable que hace que un rayo de luz, una vez entra por uno de sus extremos, nunca pueda llegar a la superficie exterior y traspasarla. El rayo siempre sufre reflexión total en el interior de la fibra óptica, de modo que queda atrapado. Si, por el contrario, el rayo de luz entra no por uno de los extremos, sino por cualquier punto intermedio del cable, es decir, si se trata de luz ambiente y no de la luz que queremos trasmitir, ésta curvará su trayectoria dentro del cable pero no quedará atrapada y llegará siempre a salir del cable antes de llegar al otro extremo. La transmisión de señales por las fibras ópticas supera con creces en velocidad y en cantidad de información la transmisión por cable conductor de electricidad. En éstas, la velocidad de transmisión de señales es la velocidad de la luz (300.000 km/s), y se pueden enviar tantos canales de información simultánea como longitudes de onda (colores) se utilicen.
Los cables de fibra óptica son guías de luz. Pese a ser bastante transparentes, no permiten que la luz escape de ellos más que por sus dos extremos gracias al fenómeno físico de la reflexión total.

Actividades

Actividad 1
Utilizando factores de conversión, responded a las siguientes preguntas:
(i) ¿Cuántas pulgadas tiene un monitor de 0,4318 m?
(ii) ¿Cuánto vale, en el sistema internacional, la superficie total de un chip cuadrado de 10 mm de lado?
Actividad 2
Reescribid en notación científica los siguientes números:
(i) 0,02437
(ii) 1.234,56
(iii) 0,8 · 105
(iv) 14,56 · 10–6
(v) 9,5 · 10–9 + 0,5 · 10–9
Actividad 3
Determinad, en el sistema internacional, los órdenes de magnitud de:
(i) la diagonal de un monitor.
(ii) la velocidad de transmisión de un módem.
(iii) la velocidad de reloj de un Pentium de última generación.
(iv) las dimensiones de un chip de última generación.
(v) la frecuencia de la luz roja utilizada en el láser de un DVD.
Actividad 4
Visitad la página web Physics 2000. Contiene applets muy atractivos sobre numerosos fenómenos físicos. La tabla periódica interactiva ayuda a entender la composición de los diferentes elementos.
Actividad 5
Visitad la página web de Astrored. La página es una muy buena introducción al mundo de la astronomía.
Actividad 6
Visitad la página web de How Stuff Works y buscad la explicación de, al menos, un componente de los sistemas multimedia que no haya sido ya explicado.

Ejercicios de autoevaluación

1. La física es la ciencia que...

a) investiga las propiedades, la composición y la estructura de las sustancias, así como los cambios que se producen en éstas cuando reaccionan o se combinan con otras.
b) estudia todos los aspectos relacionados con los seres vivos.
c) investiga las modificaciones experimentadas por los cuerpos que no afectan ni a su naturaleza ni a su composición.
d) investiga las propiedades de las relaciones entre puntos, líneas, planos, figuras, sólidos y superficies.

2. La nanotecnología es la rama de la tecnología que...

a) investiga la fabricación de dispositivos electrónicos del orden de 10–9 m.
b) desarrolla chips con dimensiones del orden de las micras.
c) produce dispositivos del orden del cabello humano.
d) desarrolla dispositivos de dimensiones subatómicas.

3. El Sistema Internacional (SI)...

a) es el sistema de unidades que utilizan los americanos e ingleses.
b) es el sistema de unidades en que se utiliza el centímetro, el gramo y el segundo como unidades fundamentales de longitud, masa y tiempo, respectivamente.
c) es el sistema de unidades en que se utiliza el metro, el gramo y el segundo como unidades fundamentales de longitud, masa y tiempo, respectivamente.
d) es el sistema de unidades en que se utiliza el metro, el kilogramo y el segundo como unidades fundamentales de longitud, masa y tiempo, respectivamente.

4. Si el factor de conversión entre pulgadas y centímetros es: 2,54 cm / 1 pulgada, ¿cuánto mide la diagonal de un monitor de 14 pulgadas en el SI?

a) 0,3556 m
b) 0,1814 m
c) 35,56 cm
d) 55,11 cm

5. ¿Cuanto vale, en notación científica, el resultado de la siguiente operación?(10,5 · 104 – 0,5 · 104) / 108

a) 103
b) 10–4
c) 0,001
d) 10–3

6. ¿Cuál es el orden de magnitud de la información contenida en un CD?

a) 4,8 · 109 bits
b) 1 gigabit
c) 6 · 109 bytes
d) 109 bits

7. Las magnitudes vectoriales son aquellas que...

a) para ser expresadas requieren la cifra, unidad y dirección.
b) se expresan con sólo cifra y unidad.
c) requieren módulo, dirección y sentido.
d) se expresan mediante módulo, dirección y punto de aplicación.

8. El Sol ocupa, dentro de la Vía Láctea,...

a) una posición cercana al centro.
b) una posición cercana a los extremos.
c) El Sol está fuera de la Vía Láctea.
d) el centro de la galaxia y del universo.

9. ¿Cuáles de las siguientes sustancias son elementos químicos?

a) agua.
b) hidrógeno.
c) sodio.
d) ozono.

10. ¿De qué elementos químicos están compuestas todas las sustancias conocidas?

a) de los de la tabla periódica.
b) del fuego, la tierra, el aire y el agua.
c) de la madera, el metal, el plástico, el aire y el agua.
d) del hidrógeno, el oxígeno y el carbono.

11. El carbono es un elemento químico con 6 neutrones, 6 protones y 6 electrones. Si pierde un protón y un electrón, pasará a ser...

a) un ion de carbono con carga eléctrica negativa.
b) un ion de carbono con carga eléctrica positiva.
c) un isótopo del carbono con menos masa.
d) otro elemento químico.

12. Las fuerzas fundamentales de la naturaleza son...

a) la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.
b) la gravedad, el rozamiento, la eléctrica y la magnética.
c) la gravedad, las mareas y la electricidad.
d) las fuerzas fuertes y las fuerzas débiles.

13. Los elementos de la pantalla del monitor emiten luz cuando sobre éstos...

a) colisionan protones.
b) colisionan neutrones.
c) colisionan electrones.
d) se aplica un campo magnético.

14. El altavoz emite...

a) campos magnéticos que nosotros interpretamos como sonido.
b) ondas sonoras al vibrar un cartón pegado a un imán sometido a un campo magnético variable.
c) ondas electromagnéticas al vibrar una membrana de cartón fino.
d) ondas sonoras al aplicar luz infrarroja variable.

15. El ratón...

a) tiene cilindros detectores de movimiento en dos direcciones perpendiculares.
b) tiene cilindros detectores de movimiento en tres direcciones perpendiculares.
c) tiene cilindros detectores de movimiento en multitud de direcciones del plano.
d) calcula el movimiento mediante una luz de infrarrojos que escanea la superficie de la mesa.

16. En una fibra óptica...

a) la luz no se sale porque las superficies interiores están espejadas.
b) la luz no se sale aunque el material es transparente.
c) la luz se sale continuamente y todavía no se pueden aplicar en comunicaciones.
d) la luz juega un papel secundario, hay un cable conductor de electricidad en el interior.

Solucionario

1. a) Incorrecto. No. La definición corresponde a la química.
b) Incorrecto. No. Es la definición de la biología.
c) Correcto.
d) Incorrecto. No. Es la definición de la geometría, una rama de las matemáticas.

2. a) Correcto.
b) Incorrecto. No. Una micra es 1.000 nanómetros.
c) Incorrecto. No. Un cabello humano tiene un grosor equivalente a 1.000.000 de nanómetros.
d) Incorrecto. No. Un átomo es algo menor que un nanómetro.

3. a) Incorrecto. Aunque el Sistema Internacional es el estándar de la comunidad científica, americanos e ingleses no lo utilizan en general.
b) Incorrecto. No. Estas unidades corresponden al Sistema Cegesimal.
c) Incorrecto. No. Estas unidades no corresponden a ningún sistema de unidades comúnmente utilizado.
d) Correcto.

4. a) Correcto.
b) Incorrecto. No. El resultado corresponde a 7,14 pulgadas.
c) Incorrecto. No. El resultado no está expresado en el SI.
d) Incorrecto. No. El resultado corresponde a 21,69 pulgadas y no está expresado en el SI.

5. a) Incorrecto.
b) Incorrecto.
c) Incorrecto. No. Aunque el resultado es correcto no está expresado en notación científica.
d) Correcto.

6. a) Incorrecto. No. El orden de magnitud se expresa sólo como potencias de 10.
b) Incorrecto. No. Se expresa en potencias de 10 y la unidad de información es el bit.
c) Incorrecto. No. Se expresa en potencias de 10 y la unidad de información es el bit.
d) Correcto.

7. a) Incorrecto. No. Falta el sentido.
b) Incorrecto. No. Esta definición corresponde a una magnitud escalar.
c) Correcto.
d) Incorrecto. No. Falta el sentido y el punto de aplicación no es una característica que defina una magnitud vectorial.

8. a) Incorrecto.
b) Correcto. Sí. El Sol esta a unos dos tercios del radio de la galaxia.
c) Incorrecto. No. El Sol pertenece a la Vía Láctea.
d) Incorrecto. No. El centro de la galaxia está probablemente ocupado por un inmenso agujero negro, y el centro del universo no existe.

9. a) Incorrecto. Incorrecta. Es un compuesto químico.
b) Correcto. Correcto. Es un elemento químico
c) Correcto. Correcto. Es un elemento químico.
d) Incorrecto. Incorrecta. Es un compuesto químico.

10. a) Correcto.
b) Incorrecto. No. Éstos eran los elementos para los filósofos de la antigüedad.
c) Incorrecto.
d) Incorrecto. No. Éstos son los elementos químicos básicos para la vida.

11. a) Incorrecto. No. Para ello debería ganar un electrón.
b) Incorrecto. No. Para ello debería perder un electrón.
c) Incorrecto. No. Para ello debería perder un neutrón.
d) Correcto. Sí. Concretamente será un isótopo del boro, con 5 protones, 6 neutrones y 5 electrones.

12. a) Correcto.
b) Incorrecto.
c) Incorrecto.
d) Incorrecto.

13. a) Incorrecto.
b) Incorrecto.
c) Correcto. Sí. Son fosforescentes y emiten luz al recibir el impacto de los electrones.
d) Incorrecto. No. El campo magnético permite desviar los electrones hacia los distintos puntos de la pantalla.

14. a) Incorrecto. No. El oído no es capaz de detectar campos magnéticos e interpretarlos como sonidos.
b) Correcto. Sí. Cuando el imán vibra, hace vibrar una membrana de cartón fino que emite ondas sonoras.
c) Incorrecto. No. La membrana de cartón emite ondas sonoras, pero no electromagnéticas.
d) Incorrecto.

15. a) Correcto.
b) Incorrecto. No. Esto implicaría que el ratón detectase también movimientos verticales.
c) Incorrecto. No. Basta detectar el movimiento en dos direcciones perpendiculares para poder reproducir cualquier movimiento del plano.
d) Incorrecto. No. La luz de infrarrojos permite detectar el movimiento de los cilindros, pero no escanea la mesa.

16. a) Incorrecto. No. Las superficies son transparentes.
b) Correcto. Sí. Queda atrapada por el ángulo de incidencia de los rayos en la superficie.
c) Incorrecto. No. Las pérdidas son mínimas. Esta tecnología se aplica ampliamente en las redes de comunicaciones.
d) Incorrecto. No. La electricidad no juega ningún papel en las fibras ópticas.


Solucionario

Actividad 1
(i) 17 pulgadas.
(ii) 10–4 m2.
Actividad 2
(i) 2,437 · 10–2.
(ii)1,23456 · 103.
(iii) 8 · 104.
(iv) 1,456 · 10–5.
(v) 10–8.
Actividad 3
(i) 10–1 m.
(ii) 104 bits/s.
(iii) 109 Hz.
(iv) 10–10 m2.
(v) 1014 Hz.