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INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA

  • by Super User
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  • Dec 02, 2019

1.1   LA NATURALEZA DE LA FÍSICA

La Física es una ciencia natural que estudia las propiedades del espacio, el tiempo, la materia,  la energía, así como sus interacciones.

La Física se inició casi 2500 años atrás, como una filosofía del mundo natural; los antiguos griegos agruparon en esos inicios ramas hoy tan distintas como son la física, química, biología, astrología, geografía y matemáticas. Para ese entonces la explicación del mundo mezclaba aspectos que hoy podríamos catalogar de fantasía; pero algunos  hechos eran visibles que para este entonces no se podría discutir. Por ejemplo:  

a- Se hace necesario aplicar una fuerza para que un cuerpo se mueva.

b- Todos los objetos caen  a la tierra, de modo que ella es el centro del universo conocido.

c- Las estrellas, el sol, la luna, y los planetas recorren el cielo en círculo alrededor de la tierra.

Si bien estos hechos forman parte de la cotidianidad, hubo que esperar casi veinte siglos para que algunas irregularidades también visibles, como que los  planetas no seguían círculos sino que avanzan y retroceden en el cielo tuvieron una nueva explicación.  

El modelo heliocéntrico (sol centro del sistema) de Nicolás Copérnico y Galileo Galilei señalando que las explicaciones debían ser comprobadas a través de experimentos medibles, crearían una revolución científica en el siglo XVI en lo cual la física surge para convertirse en una ciencia moderna independiente. Una ciencia que al estudiar al mundo se involucra con la mayoría de las ciencias naturales y con  la matemática.

El Método científico o  experimental  (medir para poder explicar) fue aplicado luego por científico como Johannes Kepler, Blase Pascal  y Christian Huygens.    

Para el siglo XVII, un científico inglés, Sir Isaac Newton, reuniría muchas de las ideas de sus predecesores y unificando las ideas del movimiento celeste y las de los movimientos en la Tierra en lo que él llamó gravedad. Sus tres principios del movimiento y su Ley de la gravitación universal, transformaron  por completo el mundo físico y surgió la idea de que todos los fenómenos podían ser vistos de una manera mecánica, como si el mundo se tratara de un gran reloj.    

EL MÉTODO CIENTÍFICO

El método científico es un proceso destinado a explicar fenómenos, establecer relaciones entre los hechos y enunciar leyes que expliquen los fenómenos físicos del mundo y permitan obtener, con estos conocimientos, aplicaciones útiles al hombre.

Los científicos emplean el método científico como una forma planificada de trabajar. Sus logros son acumulativos y han llevado a la Humanidad al momento cultural actual.

Toda investigación científica se somete siempre a una "prueba de la verdad" que consiste en que sus descubrimientos pueden ser comprobados, mediante experimentación, por cualquier persona y en cualquier lugar, y en que sus hipótesis son revisadas y cambiadas si no se cumplen.

Francis Bacón considera 6 pasos del método científico

  1. Observación: Es aplicar atentamente los sentidos a un objeto o a un fenómeno, para estudiarlos tal como se presentan en realidad, puede ser ocasional o causalmente.
  2. Inducción: La acción y efecto de extraer, a partir de determinadas observaciones o experiencias particulares, el principio particular de cada una de ellas.
  3. Hipótesis: Consiste en elaborar una explicación provisional de los hechos observados y de sus posibles causas.
  4. Probar la hipótesis por experimentación.
  5. Demostración o refutación (antítesis) de la hipótesis.
  6. Tesis o teoría científica.
  • EJEMPLO: ¿El pupitre soporta un peso de 500Kg?
  • Observación: Vemos como es el pupitre, de que material, que tan reforzado es.
  • Inducción: Averiguamos acerca de cómo se confeccionó el pupitre, de que materiales está compuesto, etc.
  • Hipótesis: ¿cuánto peso soportara el pupitre soporta 500 kg de peso?
  • Experimentación: Conseguimos algo que pese 300 Kg. lo colocamos arriba, si aguanta probamos con 400 Kg;  hasta 500  Kg, y si soporta el peso ponemos un poco más. Y vamos viendo que pasa... si se le doblan las patas... Si se está por romper...
  • Antítesis: Tomamos nota de lo que sucedió en cada prueba, lo analizamos teniendo en cuenta lo que habíamos averiguado en el punto 2.
  • Tesis: De acuerdo a lo analizado en los resultados podemos concluir que la hipótesis era cierta (si soportó los 500 Kg) ó era falsa si no soporto el peso.

1.2   ESTÁNDARES Y UNIDADES

Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc.

Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada unidad, para averiguar cuántas veces la contiene.

Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrón para comparar con ella cantidades de la misma especie. Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrón, en este caso el metro.

 
Clasificación:

* Magnitud escalar: Queda definida por un número y su correspondiente unidad.

Ejemplo:  La masa de un cuerpo (20 Kg), el volumen  de una piscina  (20.000 L),  la temperatura de un líquido (25 ºC),  la concentración de una disolución (2 M),  etc.


* Magnitud vectorial: Queda definida por un número, la unidad, la dirección y el sentido, así como el punto de aplicación.

Ejemplo: La aceleración de un avión al despegar (80 Km/h), la fuerza que se aplica al golpear un balón (50 N), etc.

Las magnitudes vectoriales,  se representan mediante vectores. 

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

Para resolver el problema que suponía la utilización de unidades diferentes en distintos lugares del mundo, en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas (París, 1960) se estableció el Sistema Internacional de Unidades (SI). Para ello, se actuó de la siguiente forma:

En primer lugar, se eligieron las magnitudes fundamentales y la unidad correspondiente a cada magnitud fundamental. Una magnitud fundamental es aquella que se define por sí misma y es independiente de las demás (masa, tiempo, longitud, etc.).

En segundo lugar, se definieron las magnitudes derivadas y la unidad correspondiente a cada magnitud derivada. Una magnitud derivada es aquella que se obtiene mediante expresiones matemáticas a partir de las magnitudes fundamentales (densidad, superficie, velocidad).

NOTACIÓN CIENTÍFICA

La Notación Científica nos ayuda a poder expresar de forma más sencilla aquellas cantidades numéricas que son demasiado grandes o por el contrario, demasiado pequeñas.

Se conoce también como Notación Exponencial y puede definirse como el Producto de un número que se encuentra en el intervalo comprendido del 1 al 10, multiplicándose por la potencia de 10.

Por ejemplo, tenemos la siguiente cantidad:

139000000000 cm


Ahora lo llevamos a la mínima expresión y tenemos como respuesta:

1.39 x 1011 cm

Un número escrito en notación científica sigue el siguiente patrón:

m x 10e

¿Cómo lo llevamos a la mínima expresión?

  • Primero, empezaremos a contar los espacios que separan a cada número de derecha a izquierda, hasta llegar al último número entero.
  • Antes de llegar a dicho número, separamos la cantidad con un punto dejando como compañía dos decimales más, (en éste caso 3 y 9).
  • Por último, multiplicamos la cantidad (1.39) por 10 (que es la base) y lo elevamos a la potencia 11 (Ya que son 11 espacios que separan a cada número).

Veamos otro ejemplo, tenemos 0.000096784 cm.

En éste caso, el procedimiento será de la siguiente manera:

  • Partiremos desplazando el punto de derecha a izquierda, hasta llegar al primer número diferente de cero (en éste caso 9).
  • Separamos el número seguido por dos decimales (6 y 7) multiplicado por 10 como base constante.
  • La potencia, a diferencia del primer ejemplo, será negativa ya que contamos de izquierda a derecha, tomando en cuenta únicamente los números enteros.

Es decir, que tenemos como resultado:

9.67 x 10-5 cm

O bien:

9.68 x 10-5 cm

Aproximado, en donde la respuesta también sigue siendo válida.


Cabe mencionar, que se seleccionaron únicamente los números enteros, debido a que en términos matemáticos los ceros a la izquierda no cuentan y no deben ser incluidos.

La Notación Científica puede utilizarse en las Operaciones Algebraicas Básicas que conocemos: Suma, Resta, Multiplicación y División.

1.3   Análisis Dimensional

 Es una herramienta que permite simplificar el estudio de cualquier fenómeno en el que estén involucradas muchas magnitudes físicas en forma de variables independientes.

El análisis dimensional es la base de los ensayos con maquetas a escala reducida utilizados en muchas ramas de la ingeniería, tales como la aeronáutica, o la ingeniería civil.

A partir de dichos ensayos se obtiene información sobre lo que ocurre en el fenómeno a escala real cuando existe semejanza física entre el fenómeno real y el ensayo, gracias a que los resultados obtenidos en una maqueta a escala son válidos para el modelo a tamaño real si los números adimensionales que se toman como variables independientes para la experimentación tienen el mismo valor en la maqueta y en el modelo real. Así, para este tipo de cálculos, se utilizan ecuaciones dimensionales, que son expresiones algebraicas que tienen como variables a las unidades fundamentales y derivadas, las cuales se usan para demostrar fórmulas, equivalencias o para dar unidades a una respuesta.

 

1.4   CIFRAS SIGNIFICATIVAS, TEORÍA DE ERRORES EXPERIMENTALES

MEDICIÓN

Las leyes y principios de la física se definen y establecen en funciones de cantidades físicas, tales como distancia, masa, tiempo, velocidad, intensidad  de corriente,  etc.

La medición es un proceso de comparación en el cuál una magnitud (propiedad física) desconocida se compara con algún patrón conocido, expresando el valor obtenido en términos de la unidad patrón.

Existe dos tipos de medición: La  medición directa y la  medición indirecta.

CIFRAS SIGNIFICATIVAS, TEORÍA DE ERRORES EXPERIMENTALES

Expresar las medidas experimentales solo con cifras significativas

Mediciones Directas: Errores en medidas directas.

Mediciones Indirectas: Propagación de errores en medidas indirectas.

MEDICIÓN DIRECTA

Son aquellas mediciones que se obtienen directamente de la escala del instrumento de medición, esto ocurre cuando medimos la longitud de un cuerpo determinado con un metro, la masa con una balanza, etc.

MEDICIÓN INDIRECTA

Son aquellas que resultan de la combinación (multiplicación o división) de dos o más mediciones directas con la utilización de ecuaciones, por ejemplo para medir el área de un rectángulo, se establece que el área es base por altura  A= b*h, la base y la altura son mediciones directas, en conclusión el área del rectángulo es una medición indirecta  

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