Barra

Descobriments i aplicacions de la ciència

Documento sin título

Descobriments i aplicacions de la ciència és una obra produïda per Tibidabo Edicions, S.A. La seva finalitat consisteix en oferir al públic una obra que il·lustri les característiques fonamentals, el funcionament i les aplicacions d’un conjunt de lleis i descobriments científics que han marcat un punt d’inflexió a la ciència moderna.

La prioritat de l'obra, a banda de l'originalitat, és el caire pràctic, ja que l'objectiu és que l'usuari entengui i assimili les teories i conceptes científics.

Si volem que l'usuari adquireixi una visió global i sintètica de la ciència és recomanable disposar d'una eina que actuï d'enllaç i harmonitzi els criteris.


L’obra presenta els temes en sentit cronològic descendent, la qual cosa permet comprendre i constatar els canvis i avenços que s’han produït a la Ciència i ajuda a veure la influència dels descobriments i teories de científics de principis del segle XX, i anteriors, a les teories actuals.

Els temes de l’obra ajuden a conèixer descobriments, models i principis que pertanyen, principalment, a la Ciència del segle XX i permeten tenir una visió general de diferents conceptes científics.

 

 

Tant el lèxic de l’obra, que inclou termes científics fàcils d’entendre, com l’estructura dels temes ajuden a la familiarització amb la terminologia científica i tècnica.

L’obra consta d’un llibre i 3 DVD, d’aproximadament 50 minuts de durada cada un d’ells, en els quals, mitjançant dibuixos i fórmules, es complementen les explicacions ofertes al llibre.


El preu de l’obra és de 175* euros (IVA i despeses d’enviament incloses).

 

 

*El preu inclou un 15% de descompte per a Biblioteques Públiques.

 

1. LA CLONACIÓ

S’introdueix la clonació terapèutica com el procediment que té per objectiu produir diferents teixits per trasplantar-los i tractar de guarir nombroses malalties que ara no tenen tractament. La clonació és el procés de fer còpies d’un fragment específic de DNA, generalment un gen. Per això s’aïlla la seqüència de DNA que cal clonar i s’implanta a un microorganisme per obtenir gran nombre de còpies del fragment inserit.


2. ELS QUARKS

Es descriu com l’any 1964, Gell-Mann i Zweig en un intent de classificar els mesons i barions coneguts van postular que aquestes partícules, a diferència dels leptons, no eren fonamentals, sinó que estaven formades per quarks. Així el protó i el neutró estan formats per tres quarks. Es coneixen sis tipus diferents de quarks: up, down, charm, strange, top i bottom. El seu estudi ens duu a la cromodinàmica quàntica, teoria que descriu la força forta. Per ara hi ha una correspondència entre aquests sis quarks i les sis partícules que formen el grup dels leptons, entre les quals hi ha l’electró.


3. LA TECTÒNICA DE PLAQUES

La Tectònica de Plaques és una teoria consolidada fa poc més de mig segle. La part més externa de la Terra s’anomena litosfera. D’ella formen part no només l’escorça (continental i oceànica), sinó també la part més externa del mantell. La litosfera és una capa rígida però està fragmentada. Aquests fragments de litosfera llisquen sobre la part semipastosa del mantell (anomenada astenosfera). Les plaques tectòniques estan en continu moviment. Les friccions que hi ha entre elles són la causa de fenòmens sismològics (terratrèmols) i volcànics.


4- LA SUPERCONDUCTIVITAT. LA TEORIA BCS

S’introdueix com a principis de segle XX K.Onnes va descobrir que alguns elements refredats a temperatures properes al zero absolut es tronaven superconductors, és a dir que no presentaven resistència elèctrica al pas d’una corrent. L’any 1933 Meissner va descobrir que un superconductor podia fer levitar un imant. L’any 1957 Bardeen, Cooper i Schrieffer van establir un model quàntic que permetia explicar per què alguns materials són superconductors. Hi ha algunes aplicacions tècniques dels materials superconductors entre les que cal destacar els trens de levitació magnètica, però el seu desenvolupament és costós ja que per assolir l’estat superconductor calen baixes temperatures. Els investigadors que es dediquen a aquesta especialitat volen obtenir materials superconductores a temperatura ambient la qual cosa ens obriria multitud de possibilitats amb el consegüent estalvi energètic.


 5- EL DESCOBRIMENT DEL DNA

S’introdueix el DNA com el material hereditari de la majoria d’organismes. La seqüència de nucleòtids constitueix les instruccions del programa genètic dels organismes. Conèixer aquesta seqüència, és a dir, seqüenciar un DNA, equival a desxifrar el seu missatge genètic. La proposta del model de la doble hèlix per l’estructura del DNA, realitzada per Watson i Crick l’any 1953, fou paradigmàtica perquè va obrir les portes al desenvolupament de la genètica molecular.


6. EL NEODARWINISME O TEORIA SINTÈTICA DE L'EVOLUCIÓ

La teoria sintètica de l’evolució actual es recolza en la teoria darwinista de la selecció, en els coneixements de la genètica i del tractament matemàtic de la dinàmica de poblacions. Eliminà els prejudicis de molts biòlegs contra un mecanisme de mutacions casuals i de selecció sotmesa a un sedàs negatiu. És una gran síntesi de genètica, taxonomia, ecologia i biogeografia.


7. ELS CICLES DE MILANKOVITCH

S’introdueix una teoria sobre el clima basada en les anomalies que es produeixen a la geometria orbital de la Terra i que afecten al repartiment estacional de la insolació. Els canvis a l’energia rebuda produïts en escales de milers d’anys per l’evolució de la trajectòria de la Terra al voltant del Sol i el canvi de la inclinació de l’eix de rotació permeten justificar les variacions del clima durant les successives alternances de glaciació/interglaciació del període geològic més recent, el Quaternari.

8. FORCES FONAMENTALS

S’introdueixen les quatre forces des del punt de vista històric. Fins a principis del segle XX només es coneixien dues forces fonamentals: la gravitatòria i l’electromagnètica. Va ser en un intent d’explicar la cohesió del nucli que Yukawa va introduir la força forta,la més intensa de totes, de curt abast i que descrivia la interacció entre nucleons. Posteriorment es va postular la força feble, que explica el fenomen de la desintegració radioactiva. Aquests són els quatre tipus de força existents a la natura. Els físics van intentar unificar-les en una sola. Així l’any 1967 va aparèixer la teoria electrofeble que unia la força feble amb l’electromagnètica. Posteriorment van aparèixer les Guts (Grand Unified Theories) intents d’unificar la força electrofeble amb la força forta. Finalment van aparèixer les TOE (Theory of everything) que incloïen la gravetat. Aquest procés és difícil ja que la gravetat no està quantificada i ‘s’explica mitjançant una distorsió de la geometria espaciotemporal.


 9. FISSIÓ I FUSIÓ

S’introdueixen dos processos fonamentals en l’àmbit de la física nuclear. El primer és l’escissió d’U 235 generalment, mitjançant bombardeig de neutrons lents, amb el consegüent alliberament d’energia Es pot produir així una reacció en cadena. Si la fissió està descontrolada tenim una bomba atòmica. Si en canvi la controlem podem convertir l’energia alliberada en corrent elèctric. És el que succeeix en un reactor nuclear. La fusió és la combinació de nuclis lleugers per a produir altre més pesat. És el procés que té lloc als estels. Però aconseguir-la controlar en els nostres laboratoris és un procés ardu i difícil. Assolir obtenir una reacció de fusió controlada és un dels reptes per als científics del segle XXI


10. PARTÍCULES FONAMENTALS

S’explica el descobriment a la fi del segle XIX de la primera partícula fonamental: l’electró. Posteriorment es van descobrir el protó i el neutró. Es va postular teòricament l’existència d’una partícula el neutrí i que va trigar al voltant de vint anys en descobrir-se. En anar-se descobrint noves partícules els físics van intentar classificar-les en grups i famílies. S’arribava així a enquadrar les partícules en hadrons (mesons i barions) i en leptons. Finalment es descobreixen els quarks partícules constituents dels hadrons.


11.   ANTIPARTÍCULES. L'EQUACIÓ DE DIRAC

S’introdueix l’equació de Dirac com una equació relativista per a l’àtom d’hidrogen en un intent d’explicar l’estructura fina i hiperfina de l’espectre d’aquest àtom. En ella apareix l’espín d’una manera natural i no ad-hoc. Les solucions d’aquesta equació per a l’energia van dur Dirac a postular l’existència d’antipartícules, concretament del positró o electró positiu. Pocs anys més tard Anderson va detectar aquesta partícula corroborant la teoria de Dirac.

12. ELS ANTIBIÒTICS

S’explica la identificació del primer antibiòtic, compost orgànic que perdia la seva toxicitat per les cèl·lules humanes mantenint les seves propietats antimicrobianes. Podia guarir una malaltia sense ser tòxic pel pacient. La penicil·lina va poder, per fi, plantar cara a un conjunt de patologies amb gran impacte a la mortalitat i la morbiditat de la població: les malalties infeccioses d’etiologia bacteriana.


 13. LA HIPÒTESI DE DE BROGLIE

S’explica el desenvolupament històric dels models sobre la llum. A la fi del segle XIX s’havia desestimat el model corpuscular per a la llum i es considerava que la llum era una ona però l’efecte fotoelèctric i l’efecte Compton no es podien explicar considerant que la llum era una ona i es va haver de recórrer altra vegada al concepte de partícula: el fotó. Així en funció de l’experiment realitzat la llum podia manifestar-se com una ona o com una partícula. El que va fer de Broglie va ser postular una simetria la matèria podia tenir una ona associada. Així pocs anys més tard va ser possible realitzar experiments de difracció d’electrons. Aquesta teoria va conduir a reinterpretar tota la teoria atòmica. Es perd així el concepte de l’òrbita de l’electró i s’arriba al concepte de orbital.


14. L'EFECTE FOTOELÈCTRIC I L'EFECTE COMPTON

Es descriuen les propietats de l’efecte fotoelèctric i les seves dificultats per explicar-les amb el model ondulatori per la llum. Finalment Einstein va tornar a la teoria corpuscular per explicar aquest efecte. Es descriu també l’efecte Compton com la dispersió que tenien els raigs X quan es feien incidir sobre els electrons d’un material com el grafit. Aquest fou l’altre experiment en què calia considerar la llum com una partícula. Així quedava establert que la llum tenia un comportament dual, de vegades es manifestava com una ona de vegades com una partícula.


15. L'EFECTE TÚNEL

Es descriu la conservació de l’energia des d’un punt de vista clàssic. En descobrir l’emissió per part de certs nuclis de les partícules alfa es va veure que, des del punt de vista clàssic, no tenien potencial existent para saltar la barrera. Aquest efecte es va anomenar se efecte túnel i només té explicació si s’utilitza la mecànica quàntica. També es defineix l’efecte Josephson i, finalment, s’introdueix una aplicació com és el STM (microscopi d’escombrat d’efecte túnel)


16. NOMBRES QUÀNTICS. EL PRINCIPI D'EXCLUSIÓ DE PAULI

S’introdueixen històricament els nombres quàntics. El primer introduït per Bohr per explicar l’àtom d’hidrogen. Posteriorment Sommerfeld va introduir dos nous nombres quàntics que explicaven certes línies de l’estructura fina i l’efecte Zeeman que es produeix quan l’àtom està sotmès a un camp magnètic. A partir de l’experiència de Stern-Gerlach, es va introduir un quart nombre quàntic el d’espín. Així es determinava l’estat d’un electró amb quatre nombres quàntics. Finalment Pauli va introduir el principi d’exclusió per explicar l’estructura electrònica d’àtoms multielectrònics. Segons aquest principi dos electrons no poden tenir els mateixos nombres quàntics.


17. MODEL DE BOHR PER L'ÀTOM D'HIDROGEN

S’introdueix com el primer model per a explicar l’àtom d’hidrogen utilitzant la hipòtesi de Planck. Es descriuen els seus tres postulats: òrbites el·líptiques, òrbites quantificades i emissió d’energia en forma de radiació només quan l’electró passa d’un nivell excitat a un altre de menor energia. La seva aplicació permetia explicar diverses línies de l’espectre de l’àtom d’hidrogen, així com explicava per què l’àtom era estable. No obstant això no explicava les mesures més precises de l’espectre, l’anomenada estructura fina, ni els efectes Zeeman i Stark. No podia aplicar-se als àtoms amb més d’un electró. No va anar fins a l’aparició de l’equació de Schrödinger que es van assentar les bases d’una nova teoria atòmica.


18. LLEIS FONAMENTALS DE LA TERMODINÀMICA

S’introdueixen els tres principis de la Termodinàmica. El primer és una generalització del principi de conservació de l’energia. Es descriu el segon principi amb diverses accepcions: no es pot convertir tota la calor d’una font tèrmica en treball. La segona asseveració va ser enunciada per Clausius, que va establir que l’energia tèrmica es transfereix de la font calenta a la font freda, mai a l’inrevés. Va ser també Clausius qui va introduir el concepte d’entropia, magnitud que indicava el grau de desordre d’un sistema. Amb aquesta nova definició el segon principi afirmava que l’entropia d’un sistema tancat no pot decréixer. Finalment s’enuncia el tercer principi. Nernst ho va formular dient que és impossible arribar al zero absolut de temperatures en un nombre finit de passos.


19. TEORIA DE LA RELATIVITAT ESPECIAL

S’explica com l’any 1905 Einstein publica una teoria anomenada teoria de la relativitat especial. Parteix de dos postulats: les lleis de la Física són vàlides per a observadors col·locats en sistemes inercials, i la velocitat de la llum és la mateixa per a qualsevol observador. Això obliga a canviar els conceptes preconcebuts d’espai-temps. Es descriuen la contracció de longituds i la dilatació del temps. Se cita la paradoxa dels bessons i com Einstein va haver d’introduir canvis a les equacions conegudes de la quantitat de moviment, energia cinètica i energia. Aquesta teoria engloba la mecànica de Newton que segueix sent vàlida per a velocitats baixes.


20. LES PROTEÏNES

S’explica que són els ingredients principals de les cèl·lules i que suposen més del 50% del pes sec dels animals. Les proteïnes són polímers, formats per la unió de monòmers, molècules més simples anomenades aminoàcids. És important destacar que la seqüència d’aminoàcids d’una proteïna obeeix directament a les instruccions que dicta el codi genètic.


21. LA DESINTEGRACIÓ NUCLEAR

S’expliquen els diferents tipus de radiacions emesos pels nuclis radioactius. Es descriuen les reaccions nuclears en el cas d’emissió alfa i beta. Els nuclis que es desintegren adquireixen una major estabilitat. S’introdueix el concepte de període de semidesintegració com el temps que ha passat fins que queden la meitat de nuclis de la mostra inicial. La llei que governa la desintegració nuclear ha permès els científics elaborar mètodes de datació com entre d’altres el del Carboni 14.


22. LA CONSTANT DE PLANCK

S’introdueix la radiació del cos negre així com els esforços infructuosos d’alguns físics per explicar l’espectre de la radiació amb les teories existents. L’any 1900 Planck publica una nova teoria sobre la radiació. És una teoria que trenca amb la visió clàssica i constitueix el punt de partida de la teoria quàntica, teoria fonamental per explicar el microcosmos.


23. PERILLS DE LA RADIACIÓ NUCLEAR

Es descriuen els graus de penetració de la radiació alfa, beta i gamma. Per a detectar la radiació s’utilitzen diversos aparells, el més conegut és el comptador Geiger. Se cita que el dany biològic no només depèn de la quantitat d’energia absorbida sinó que també depèn del tipus de radiació. S’introdueixen així els conceptes de dosi absorbida, el d’efectivitat biològica relativa (RBE) que depèn del tipus de partícula i el de dosi equivalent. Per a calcular aquesta dosi hem de multiplicar la dosi absorbida pel factor RBE. Finalment se citen les procedències de la radiació i els seus efectes a nivell biològic.


24. PRINCIPI D'EQUIVALÈNCIA

S’estableix el principi d’equivalència com la igualtat entre massa inercial i massa gravitatòria. Es descriuen experiments per a determinar numèricament el grau d’igualtat. Aquest principi d’equivalència va ser utilitzat per Einstein para assentar les bases d’una nova teoria que fos vàlida per a observadors col·locats en sistemes de referència no inercials. Aquesta teoria és l’anomenada Relativitat general.


25. LA GENÈTICA

Introducció de la genètica clàssica per arribar fins a la genètica molecular. La genètica clàssica va descobrir les propietats del material hereditari, però no va ser fins que es van aplicar les tècniques moleculars que es va poder determinar finalment la composició i propietats químiques d’aquest material. Els nous desenvolupaments tècnics faciliten l’adquisició d’informació prèviament inaccessible, com és el cas del projecte genoma.


26. EFECTE DOPPLER

S’introdueix aquest fenomen, per al so descobert, explicat per Doppler. Es descriu que també es va estendre a la llum. Així el desplaçament cap al vermell de l’espectre lluminós que ens arribava d’algunes galàxies va permetre explicar l’allunyament d’aquestes i confirmar, en part, la teoria del Big Bang.

27. INDUCCIÓ ELECTROMAGNÈTICA

S’introdueix l’experiment de Oersted que va posar de manifest que un corrent elèctric creava un camp magnètic. S’introdueix l’experiència de Faraday: un camp magnètic variable crea un corrent elèctric. Es descriu també la llei de Lenz, i s’explica que mitjançant el fenomen d’inducció electromagnètica podem generar un corrent elèctric, transformar-la per eliminar pèrdues en el transport i una vegada reduït el voltatge utilitzar-la a les nostres llars.


28. EFECTE BERNOULLI

S’explica el principi de Bernouilli i s’aplica a diversos exemples de la vida quotidiana tals com l’arteriosclerosi. Finalment es descriu com aquest efecte permet explicar el vol d’un avió. Principis de conservació S’introdueix el principi de conservació de la quantitat de moviment aplicant-lo als xocs. Es passa després a tractar el principi de conservació del moment angular. Es descriu una aplicació d’aquest principi com és el cas d’una patinadora. Aquests dos principis i el de l’energia ens faciliten l’estudi de fenòmens complicats tant a nivell macroscòpic com microscòpic.


29. PRINCIPIS DE CONSERVACIÓ DE LA QUANTITAT DE MOVIMENT I DEL MOMENT ANGULAR

S’introdueix el principi de conservació de la quantitat de moviment aplicant-lo als xocs. Es passa després a tractar el principi de conservació del moment angular. Es descriu una aplicació d’aquest principi com és el cas d’una patinadora. Aquests dos principis i el de l’energia ens faciliten l’estudi de fenòmens complicats tant a nivell macroscòpic com microscòpic.


30. LLEI DE GRAVITACIÓ UNIVERSAL

S’explica aquesta llei, establerta per Newton, com la que descriu la interacció entre masses. Aquesta força és atractiva, de llarg abast i té caràcter universal. La seva aplicació permet explicar fenòmens coneguts al nostre Sistema Solar, com poden ser les marees, permet determinar trajectòries de satèl·lits, predir moviments d’estels. Es descriu que aquesta teoria engloba les lleis de Kepler. L’aplicació d’aquesta llei s’estén també a tota la nostra galàxia i a l’Univers.

31. LLEIS DE NEWTON

S’introdueixen les tres lleis de Newton. Aquestes lleis constitueixen els pilars fonamentals en els quals s’assenta la mecànica clàssica. Amb elles coneixent les condicions inicials podem determinar en qualsevol instant de temps la posició i la velocitat d’un cos. S’apliquen en el món macroscòpic. S’expliquen també els dos casos que no es poden utilitzar: per a velocitats properes a la de la llum i en el món de l’àtom. Per al primer cas s’utilitza la teoria de la Relativitat especial i en el segon la mecànica quàntica.


32. LLEIS DE KEPLER

S’expliquen les tres lleis. Aquestes van ser establertes per Kepler para explicar el moviment al voltant del Sol dels planetes coneguts a la seva època. Aquestes lleis van ser deduïdes a partir de dades empíriques obtingudes per Brahe i pel mateix Kepler. Substitueixen els models complicats per explicar el moviment planetari. No obstant això va caler esperar a Newton