Me cuesta hacerme a la idea de los sólidos < inserte aquí un juego de palabras basado en la física >. Entiendo vagamente que la fuerza electrostática impide que mi mano atraviese mi escritorio (tampoco lo entiendo del todo para ser sincero, ¿tiene mi mano una carga neta o algo así?) pero ¿por qué esa misma fuerza no impide que mi mano se pegue a sí misma? ¿Por qué mi escritorio tiene forma de escritorio y no de nube desordenada de moléculas de escritorio? Básicamente ¿Qué fuerza mantiene las cosas unidas? ¿Por qué esa fuerza no hace también que mi mano se fusione con el escritorio? Si alguien pudiera explicarlo en términos simples y en términos complejos con matemáticas y demás sería de gran ayuda. Nombrar de qué fuerza se trata (o qué subpropiedad de otra fuerza) también ayudaría.
Respuestas
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Lo que pregunta es por el gamme de una fuerza, y en realidad es un concepto muy interesante.
Los fenómenos fundamentales y sus leyes de fuerza
La física ha dividido con cierta seguridad el mundo en aproximadamente cuatro fenómenos fundamentales. Los más conocidos son los siguientes: los núcleos atómicos normalmente se mantienen unidos, los núcleos a veces se separan (radiactividad), las cargas eléctricas similares se repelen y las cargas diferentes se atraen (electromagnetismo) y las cosas se caen (gravedad). Las leyes de fuerza que rigen estos fenómenos tienen diferentes escalas con la distancia: la primera fuerza es técnicamente aproximadamente constante a cualquier distancia, la segunda decae exponencialmente con la distancia y las dos últimas siguen leyes cuadráticas inversas.
Pero esas reglas básicas son sólo una parte de la historia. La única que ofrece una buena visión de conjunto es gravedad y eso es porque no hay masas negativas que interactúen con las masas positivas y se metan con nuestra descripción. Es curioso, la gravedad es una especie de hermana pequeña asmática de estos cuatro fenómenos fundamentales, está muchas, muchas veces por encima del más débil: pero en escalas de larga distancia con grandes sistemas complicados, ella siempre gana . Sus planes y maquinaciones se extienden por toda la escala cosmológica, mucho más allá de lo que pueden hacer sus otros hermanos.
Equilibrio de cargas, por ejemplo, en la fuerza fuerte
Con las otras dos "fuertes", la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos los núcleos y el electromagnetismo, es posible tener "equilibrio de cargas" de distintos tipos. El electromagnetismo, por supuesto, tiene cargas positivas y negativas; pero permítanme que les hable primero de esta fuerza fuerte de alcance infinito, que tiene lo que llamamos "carga de color": hay tres cargas (convencionalmente llamadas "roja", "verde" y "azul", pero los nombres son sólo nombres y no corresponden a ningún tipo de color real en ningún sentido real) y sus anticargas ("antirojo", "antiverde", "antiazul"). Un quark determinado tiene una de estas 6 cargas, y la partícula de fuerza ("gluón") que los une tiene dos de estos colores. Así, un quark rojo puede "convertirse" en un quark verde "disparando" un "gluón" rojo-antiverde que, a su vez, puede ser "absorbido" por un quark verde, convirtiéndolo en un quark rojo: el efecto neto de todas estas interacciones en la mecánica cuántica es esta "fuerza fuerte" de alcance infinito entre estos quarks.
¿Por qué no sientes esta fuerza superfuerte? De hecho, esta fuerza es tan fuerte que interactúa con el vacío cuántico, un hervidero de partículas que se crean durante diminutas fracciones de segundo y desaparecen inmediatamente. Si se separan demasiado estos dos quarks, hay más energía potencial en su separación de la que se necesita para crear nuevos quarks: así que algún par quark-antiquark que el vacío cuántico cree durante una minúscula fracción de tiempo, se encontrará a sí mismo siendo destrozado en la existencia real por esta energía abrumadora.
De hecho, las únicas partículas que finalmente se ven a escalas del tamaño de un núcleo atómico o mayores son todas de "color equilibrado": o tres quarks, uno de cada color ("bariones"), o dos quarks: uno de un color y otro de su anticolor ("mesones"). Pero estos mesones crean entonces un nuevo tipo de fuerza entre dos bariones: sigue siendo más o menos la misma "fuerza nuclear fuerte", pero ahora vive entre dos partículas de color-carga-neutral y disminuye exponencialmente con la distancia. Y así es como los núcleos se mantienen unidos.
Apantallamiento de cargas en la fuerza electromagnética
Así que la fuerza electromagnética tiene una forma similar en la que se deshace, pero es mucho más fácil de entender porque sólo hay una dimensión de carga, positiva frente a negativa: eso es todo.
Un protón aislado y un electrón aislado sentirán una fuerza de atracción muy fuerte; dos protones aislados sentirán una fuerza de repulsión muy fuerte. Pero si dejas que ese protón y ese electrón se sienten juntos en una caja, entonces es probable que ese electrón entre en un "orbital" alrededor del protón, donde debido a las leyes de la mecánica cuántica no se puede decir claramente que el electrón esté en un lugar u otro, sino que es una especie de partícula en una "nube" de posiciones alrededor del núcleo. Ahora ese protón se ha convertido en un "átomo de Hidrógeno".
¿Qué ha pasado con el alcance de su fuerza? Ha disminuido considerablemente. A grandes distancias, un protón será empujado por el protón del átomo de hidrógeno, exactamente tanto como es atraído por la nube de electrones del átomo de hidrógeno. Sólo cuando te acercas mucho notas la diferencia en la $1/r^2$ efectos de la nube frente a la partícula del centro. Este tipo de cambio en la carga eléctrica efectiva debido al cambio de configuraciones se denomina "apantallamiento" de la carga, hace que su fuerza parezca más débil, como si se viera a través de una pantalla.
Vinculación
Cuando muchos átomos se juntan, mucho depende de cómo se reorganicen los electrones alrededor de los núcleos. Los núcleos tienen casi toda la masa, por lo que no se mueven tan fácilmente como los electrones. La mayoría de los electrones siguen orbitando alrededor de sus respectivos núcleos en sus distintos orbitales. Normalmente, los electrones más alejados se reconfiguran de alguna manera.
Una posibilidad desagradable es que un átomo robe el electrón de otro: esto ocurre, por ejemplo, con los átomos de cloro y sodio de la sal de mesa. Después los dos forman iones que vuelven a atraerse como partículas. Más habitual es que un electrón asuma un "orbital compartido" que tiende un puente entre los dos átomos, manteniéndolos unidos: es lo que se denomina "enlace covalente" y los átomos en su interior forman una "molécula". En el interior de un metal, los núcleos se organizan de forma muy periódica. celosía de núcleos, y algunos electrones comienzan a ser deslocalizado El enlace metálico es un enlace entre átomos, compartido por muchos átomos en lugar de mantener unidos pares de átomos: es lo que se denomina "enlace metálico".
Y a veces las cosas simplemente no se unen, se pegan unas a otras mediante fuerzas interatómicas débiles (fuerzas de "van der Waals" y "enlaces de hidrógeno"), pero en realidad es sólo esta carga eléctrica tamizada la que las mantiene unidas.
En cualquier caso, la cuestión es que esto hace que sea difícil empujar estas nubes entre sí y crea distancias mínimas a las que quieren permanecer separadas, porque los núcleos y las nubes de electrones empiezan a repelerse de forma realmente agresiva a cualquier distancia más cercana.
Cómo te forman estos vínculos
Ya hemos visto que los átomos "ocupan" una bola (¡difusa!) de espacio debido a sus nubes de electrones, y que a veces esas bolas se "fusionan" mediante enlaces covalentes en unas cosas más grandes llamadas moléculas, en las que algunos electrones ocupan realmente una nube en torno a ambos átomos. Esto es suficiente para diferenciar entre "éstas son dos moléculas apretadas una junto a otra" y "ésta es una molécula". También tengo que decirte que el enlace covalente es mucho más fuerte que la "pegajosidad" de las moléculas que se presionan entre sí, por lo que las moléculas a nuestra escala casi siempre permanecen juntas: hay cosas como la luz ultravioleta que pueden romperlas (lo cual, cuando daña la molécula de ADN, es la razón por la que puedes tener cáncer por demasiada luz ultravioleta), pero por el simple hecho de presionarse contra tu escritorio, las moléculas podrían ser transferido pero no son dejándose los unos a los otros .
Más allá de eso: diferentes moléculas se adhieren entre sí con más o menos fuerza. Un buen ejemplo, y muy pertinente para nuestro debate, es el agua. Ya sabes que el agua es un poco asimétrica, como el icono de "Mickey Mouse", y si quieres te explico por qué es asimétrica. [1] Pero la cuestión es que en este H 2 O, esta nube de electrones más externa se siente más atraída por el átomo de oxígeno grande y fuerte que por los dos protones pequeños y enclenques que están unidos a él. Sigue siendo una molécula, sigue siendo un enlace covalente, sigue siendo difícil de romper: pero hay un poco más de carga positiva cerca del lado con dos átomos de hidrógeno que en el lado opuesto con el culo del átomo de oxígeno. Esta ligera separación de cargas a lo largo de una cierta distancia se denomina "momento dipolar", decimos que el agua es una molécula "polar".
Resulta que las moléculas polares, debido a que las cargas semejantes se repelen mientras que las opuestas se atraen, pueden adherirse mejor a otras moléculas polares que a las no polares. Simplemente pueden girar unas contra otras en configuraciones de menor energía. Así, por ejemplo, el agua se pega más a sí misma que a un elemento no polar como el petróleo (que está formado por enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno altamente no polares).
Las células y sus paredes
El cuerpo lo utiliza para crear paredes celulares. Así que cuando empezamos a hablar de "estás hecho de órganos que están hechos de tejidos que están hechos de células que están hechas de orgánulos", se llega a hablar de la bicapa de fosfolípidos alrededor de cada una de sus células. Se trata de una fina membrana formada por dos capas (bicapa) de moléculas (fosfolípidos), cada una con una "cabeza" gruesa que contiene fosfato y dos "colas" grasas (lípidos) fibrosas que sobresalen por el mismo lado.
¿El truco? La "cabeza" de esta cosa es polar, pero está unida covalentemente a estas colas que son estas cadenas de hidrocarburos no polares. En el agua, todas las cadenas de hidrocarburos quieren alejarse del agua, así que estas cosas se retuercen de forma natural para formar superficies en las que las "cabezas" polares apuntan hacia fuera y las "colas" no polares apuntan hacia dentro. Decimos que se "autoensamblan" en una bicapa, literalmente, el agua prefiere tanto estar alrededor de otra agua que accidentalmente patea estas cosas juntas hasta que los grupos fosfato están en el exterior--estos, no los patea tan fuerte. Hay que imaginarse el mundo microscópico como una tormenta constante de partículas que chocan entre sí para entender este proceso de autoensamblaje.
Entonces la célula a menudo incrustará todo tipo de basura dentro de estos límites fríos, dándole a esa basura un centro graso con exteriores polares, para que quiera "pegarse" dentro de la capa. Esto podría incluir un canal para dejar entrar o salir el agua, o cómo las agujas inyectoras que las bacterias maliciosas pueden utilizar para infectar sus células están incrustadas dentro de sus paredes - ¡o cualquier número de otras cosas por el estilo! Las células suelen tener "pelos" que les ayudan a mantener cerca las moléculas de agua o a arrastrarse por su entorno.
Cuando la piel está en contacto con la mesa, en realidad es una capa de células muertas, pelos y demás, con mucho espacio para el aire, la que está en contacto con la mesa. Incluso si tus células tocan la mesa, probablemente tienen un montón de cosas a su alrededor que evitan que sus fosfolípidos toquen la célula. E incluso si esos tocan la mesa y algunos de ellos se quedan atrás, el resto de los de la célula más cercana querrán espontáneamente, en cualquier condición húmeda (¡y tu cuerpo es una gran condición húmeda!) "arreglar" esa pared.
No son más que capas añadidas de complejidad sobre estas ideas básicas de que "las moléculas permanecen juntas más de lo que se adhieren a otras moléculas, y algunas moléculas atraen a estas otras moléculas con una fuerza diferente de la que se adhieren a esas otras moléculas". Si dominas esas ideas básicas de física, el resto es biología.
- Viene de una especie de situación extraña en la que la capa más externa del átomo de oxígeno tiene 8 pares de electrones diferentes y todos ellos quieren extenderse simétricamente alrededor del átomo de oxígeno, por lo que se extienden como las esquinas de un tetraedro: y 2 de esos pares están envolviendo estos protones, por lo que esos dos están básicamente en los puntos del tetraedro, y no hay dos puntos de un tetraedro que sean 100% opuestos entre sí.
En efecto, son básicamente las fuerzas electrostáticas las que mantienen sólidos a los sólidos. También mantienen unidos a los átomos y las moléculas, por lo que la pregunta básica es por qué algunos átomos (o moléculas) se agrupan para formar un sólido y otros no. Incluso eso es una simplificación excesiva, porque, por ejemplo, las moléculas de agua son un conjunto desorganizado (también conocido como "gas") en la fase de vapor, pero si se reduce la temperatura lo suficiente se agrupan para formar hielo. La idea básica subyacente es que hacen lo que es energéticamente más ventajoso: si la energía total puede reducirse formando un cristal sólido, intentarán hacerlo; pero si la temperatura es lo suficientemente alta, su energía cinética no les permitirá "asentarse" en un lugar. El cálculo de estas cosas es difícil (y aproximado) y requiere mecánica cuántica: para ello, véase, por ejemplo, "Concepts in Solids" de Anderson. En su lugar, la gente asume que existe una estructura sólida (generalmente un cristal, aunque existen sólidos amorfos, así como vidrios, que son líquidos muy viscosos aunque se sientan "sólidos") y procede a calcular a partir de ahí.
Ten en cuenta que, por lo general, los objetos son eléctricamente neutros, por lo que no hay atracción electrostática sobre todos ellos: tus manos no se funden entre sí ni con la mesa. Pero si pules dos trozos de algo lo suficientemente bien, de modo que al juntarlos las moléculas de un trozo estén lo suficientemente cerca de las moléculas del otro como para que puedan "ver" la estructura interna, es como si fueran el mismo trozo: se se fusionarse. Lo que ocurre es que las moléculas de tus manos no pueden acercarse lo suficiente a las moléculas de la mesa para que eso ocurra.
Esto es sólo una descripción aproximada utilizando un lenguaje "poético" - las cosas son más complicadas que lo que he descrito, pero creo que la descripción anterior es lo suficientemente precisa como para ser útil.
EDIT: Un componente importante de la estabilidad de la materia es el principio de exclusión de Pauli. De hecho, sin él, muchas de las cosas que describes (meter la mano por el escritorio, por ejemplo) podrían muy bien ser posibles. No sé si hay una introducción mejor en alguna parte, pero a falta de eso, la breve sección sobre la estabilidad de la materia en el Artículo de Wikipedia tendrá que hacerlo. Contiene una referencia a un artículo de Elliott Lieb que debería ser de interés, además de una referencia a un artículo de 1968 de Dyson y Lenard que contiene una prueba "rigurosa" de la estabilidad de la materia (el artículo se publicó en 1968 y AFAICT no está disponible en línea, pero una búsqueda en Google de "Dyson Lenard estabilidad de la materia" produjo una serie de resultados de aspecto interesante).
EDITAR: Según Dyson La prueba de Lieb y Thirring era larga y complicada y una "mala" prueba, pero su principal contribución fue que animó a Lieb y Thirring a presentar una prueba mucho más corta y mucho más eficaz. mejor prueba. Véase el artículo de Lieb y el artículo de wikipedia sobre las desigualdades de Lieb-Thirring .
Los sólidos se mantienen unidos mediante enlaces químicos. Existen varios tipos de enlaces químicos y es cierto que la fuerza natural subyacente es la fuerza electrostática (mientras que los efectos cuánticos dictan la forma en que esta fuerza une los átomos).
Tu mano puede atravesar una mesa, pero necesitaría energía suficiente para romper los enlaces del material de la mesa.
