Unidad 1- Introducción

Autor: Ocean. Virginia Sepúlveda
Física I - Fac. Ciencias Naturales - Sede Trelew
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Unidad 1: Introducción
Ciencia: Intereses y propósitos. El método. Datos, leyes y teorías. La
modelización. Magnitudes físicas. Magnitudes escalares y vectoriales. Unidades,
patrones y sistemas. Los marcos de referencia.
Algunos estudiantes de Ciencias se preguntan: "¿Por qué debo estudiar Física?"
Una definición de diccionario diría: "La Física es una Ciencia que trata de la
materia, la energía y las interacciones."
Sería más claro tal vez preguntarse: ¿Qué les preocupa a los físicos? Ellos tratan
de comprender las reglas básicas o leyes que gobiernan el funcionamiento del
mundo natural en el que vivimos. Sus actividades e intereses evolucionan con el
tiempo, la Física también. Los campos más activos de la Física actual ni se
soñaban hace un par de generaciones.
Física es la ciencia que tiene por objeto el estudio de la materia, la energía y la
elaboración de las leyes según las cuales se rigen los fenómenos del Universo, tal
como lo percibimos, y su evolución en el tiempo. Tradicionalmente, el campo de la
Física se limita al estudio de los fenómenos que no implican un cambio en la
naturaleza de los cuerpos, ocupándose la Química de aquellos que suponen una
transformación de este tipo. Sin embargo, tras el descubrimiento de la estructura
del átomo los dominios de ambas ciencias se superponen, por lo que la
delimitación entre ambas es más cuestión de convención que de definición. Las
ramas clásicas de la Física son la acústica, la mecánica, la óptica, la
termodinámica y el electromagnetismo; a ellas debería añadirse otras surgidas en
el s. XX y que poseen una autonomía propia como la mecánica cuántica, la Física
nuclear, la electrónica, la Física de las altas energías, la astrofísica.
El desarrollo de las teorías físicas es un proceso que comienza y termina con
observaciones o experimentos. La Física no es una colección de hechos y
principios: es el proceso por el que llegamos a los principios generales que
describen el comportamiento del Universo físico.
Ninguna teoría se considera como la verdad última, siempre cabe la posibilidad de
que observaciones nuevas obliguen a modificarla o desecharla. Es inherente a la
teoría física, que podamos observar la falsedad encontrando comportamientos no
consecuentes con ella, pero nunca podemos probar que una teoría siempre es
correcta.
En las palabras de Einstein: "Con ninguna cantidad de experimentos puedo
demostrar que estoy en lo cierto; un solo experimento puede demostrar que estoy
equivocado."
Toda teoría física tiene un rango de validez fuera del cual no es aplicable. Es
común que un nuevo avance en Física amplíe dicho rango. Las leyes del
movimiento y de la gravitación de Newton ampliaron enormemente, medio siglo
después de ser publicadas, el análisis de Galileo de la caída de los cuerpos.
Lo esencial de la interacción teoría-experimento es aprender a aplicar principios
físicos a diversos problemas prácticos.
Las personas que sienten curiosidad por cosas diversas pueden encontrar el
estudio de la Física interesante y útil.
El más evidente impacto de la Física sobre la Biología y la medicina es a nivel de
la instrumentación. Los conocimientos de Física aportan a un conocimiento
inteligente de todo lo que involucra microscopios ópticos, centrifugadoras y más
allá, microscopios electrónicos y sistemas de detección de radiaciones utilizados
en medicina nuclear.
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La Física también interviene en la Biología de modo más fundamental. Las leyes
físicas que gobiernan el comportamiento de moléculas, átomos y núcleos
atómicos, constituyen la base de toda la química y la bioquímica.
En Fisiología hay variados ejemplos de principios y procesos físicos: la difusión
dentro de las células, la regulación de la temperatura corporal, el movimiento de
fluidos en el sistema circulatorio (homeostasis) y las señales eléctricas en las
fibras nerviosas.
En Anatomía comparada, la Física asociada con un rasgo anatómico ayuda con
frecuencia a clarificar el proceso evolutivo. (Homólogo - Análogo).
Las actividades atléticas pueden estudiarse y mejorarse con la ayuda de
principios físicos.
La Física es una disciplina lógica y deductiva. Hay unos pocos conceptos
fundamentales o leyes deducidos de medidas experimentales.
Cuando se dominan estas ideas básicas, las aplicaciones son, en general directas
desde un punto de vista conceptual. Lo importante es fijar la atención en los
principios básicos y evitar memorizar un conjunto de hechos y fórmulas.
La mayor parte de las leyes básicas de la Física, pueden expresarse de manera
bastante concisa en forma de ecuaciones matemáticas, lo cual significa un
razonable nivel de destreza para manejar una cierta cantidad de herramientas
matemáticas del Álgebra y el cálculo diferencial.
Magnitudes físicas
La Física es una Ciencia cuantitativa. Definimos cuidadosamente las unidades
que medimos: números precisos y patrones comunes previamente acordados.
¿Qué es un patrón de medida?
Un patrón de medidas es el hecho aislado y conocido que sirve como fundamento
para crear una unidad de medida.
Muchas unidades tienen patrones, pero en el sistema métrico sólo las unidades
básicas tienen patrones de medidas.
Los patrones nunca varían su valor. Aunque han ido evolucionando, porque los
anteriores establecidos eran variables y, se establecieron otros diferentes
considerados invariables.
¿Qué propiedades son deseables en un patrón de medida?
1- Debe ser inmutable, de forma que las medidas hechas hoy puedan ser
comparadas con las que se hagan en el próximo siglo.
2- Se debe disponer de él con facilidad, de forma que puedan duplicarlo tantos
laboratorios como sea posible.
3- Debe ser preciso, de forma que el patrón esté disponible cualquiera que sea la
precisión tecnológicamente alcanzable.
4- Debe haber sido acordado previamente con carácter universal, de forma que
los resultados obtenidos en países distintos puedan ser comparados.
De todos los patrones del sistema métrico, sólo existe la muestra material de uno,
es el kilogramo, conservado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas. De
ese patrón se han hecho varias copias para varios países.
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En el proceso que la Física realiza al construir los modelos físicos con el objeto de
describir el Universo, es esencial poder contrastar estos modelos y la realidad;
para poder realizar esta contrastación, es que se realizan mediciones
cuantitativas en el proceso de experimentación.
¿Qué medimos en Física? Magnitudes
Una magnitud es todo aquello que se puede medir. Esta es una definición
operacional. Se define a través de un proceso.
No se miden el tiempo, el espacio ni la materia, ya que son entes abstractos, no
accesibles a la manipulación directa de los científicos. Sí se miden las
magnitudes.
En general, las magnitudes poseen dimensiones. Hay casos particulares de
magnitudes adimensionales, como el coeficiente de rozamiento, el índice de
refracción, el número de protones en un átomo, etc.
Las unidades de todas las posibles magnitudes, se pueden establecer a partir de
las llamadas Magnitudes Fundamentales.
Para este curso será necesario y suficiente reconocer magnitudes de longitud,
masa y tiempo.
Las magnitudes fundamentales tienen Unidades fundamentales.
Cuadro de patrones más estables y precisos
Magnitud
Longitud
Masa
Tiempo
Unidad
Metro (m)
Kilogramo (kg)
Segundo
Longitud entre dos
marcas de una barra
llamada
"metro
patrón".
Masa de un cilindro
particular de Pt-Ir
La 86.400 ava parte
del día solar medio
La misma.
Igual a 9.192.631.770
períodos de cierta
133
oscilación del Ce
Antigua
Actual
Distancia recorrida por
la
luz
durante
1/299.792.458 s en el
vacío.
Con las unidades de las magnitudes fundamentales se construyen las unidades
de las restantes magnitudes que se denominan unidades derivadas.
Sistema Internacional de Unidades
Cuando se elige para cada magnitud una única unidad, al conjunto de unidades
se lo denomina "sistema de unidades".
En distintos lugares geográficos, y a lo largo de la historia se desarrollaron
distintos sistemas. Con el desarrollo de las comunidades científicas se encontró
que los sistemas no homologados, hacían difícil la comunicación científica y esto
podría frenar el desarrollo de la Ciencia y la Tecnología.
En 1875, se reunieron en París representantes de diecisiete países y definieron el
Sistema Internacional en la Conférence Generale des Poids et Mesures.
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La figura distribuida en clase (Gettys, 1996 - pág. 4), ilustra la escala de las
medidas que se hacen en Física. El comportamiento de los objetos en todas esas
escalas parece que posee cierto orden. La Física intenta describir ese orden:
La medida del tiempo y la distancia se extiende en un rango de 1040, y la medida
de la masa en un rango de 1080.
En definitiva:
*El resultado de una medida tiene dimensiones, unidades y precisión.
*En una ecuación todos los sumandos deben tener las mismas dimensiones.
*El SIMELA se hizo en base al SI, en 1972 por ley.
*La dimensión de una magnitud es una propiedad física que la describe.
Ejemplo:
Escribir las dimensiones de cada cantidad de la ecuación:
2
V 2 = 2a ⋅ ( X − X 1 ) + V1
¿Es correcta dimensionalmente? Utilizar L (longitud) y T (tiempo)
Modelización
¿Qué es un modelo? Versión simplificada de un sistema físico, idealizado, pero
considerando las características más importantes. Al usar un modelo para
predecir el comportamiento de un sistema, la validez de las predicciones está
limitada por la validez del modelo. (Masas puntuales, cuerpos rígidos, trayectorias
en las que se desprecia el rozamiento, etc.)
La Física intenta comprender el mundo elaborando un modelo matemático y físico
de la realidad que se utiliza para racionalizar, explicar y predecir los fenómenos
físicos, planteando una teoría física de la realidad. La Física Teórica, también
denominada Física Matemática, constituye la rama de la física que se basa
fuertemente en las matemáticas y adquiere una identidad propia a partir de las
revoluciones cuántica y relativista de principios del siglo XX.
Las teorías físicas constituyen modelos de la realidad y no pueden, en general,
ser probadas o desarrolladas a partir de axiomas básicos. Una notable excepción
es la teoría de la relatividad de Einstein, si bien los postulados básicos o axiomas
de la teoría descansan en observaciones sólidas de fenómenos físicos.
Igualmente la validez de la teoría se verifica a través de sus predicciones de
fenómenos físicos reales. Las teorías o modelos físicos proporcionan, por lo tanto,
un marco de comprensión de los fenómenos físicos observados y la capacidad de
predecir nuevas observaciones.
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Magnitudes escalares y vectoriales
Las magnitudes escalares son aquellas que para expresar el resultado de su
medición sólo hace falta una cantidad (un número) y la unidad correspondiente a
la magnitud. Ejemplos: 2 m, 1 litro, 100 m2
Las magnitudes vectoriales son aquellas que para expresar el resultado de su
medición, no sólo hace falta una cantidad y la unidad correspondiente, sino que
además es necesario indicar otras características que pueden ser representadas
por un vector.
¿Qué es un vector? La notación vectorial que utilizamos en la actualidad se le
atribuye a J.W. Gibbs (1839-1903). Su trabajo de graduación le supuso el 1º
premio de doctorado en ingeniería en USA. Tenía interés en dispositivos
prácticos. Sus contribuciones a la Física fueron de tipo matemático más que
experimental. Sus trabajos eran muy difíciles de comprender, pero fueron
valorados por James Maxwell. Gibbs utilizó las Matemáticas para describir y
entender los procesos de la naturaleza.
Sistemas de referencia y de coordenadas
Cuando vamos a medir las posiciones de los cuerpos que queremos estudiar nos
ubicamos en puntos del espacio que tomamos como referencia de forma
totalmente arbitraria.
La descripción del Universo físico para quienes se dedican a estudiar la
naturaleza, se hace en base a modelos de los componentes básicos comunes
que son el espacio, el tiempo y la materia.
El espacio se modeliza utilizando la Geometría Euclidiana, un sistema lógico
matemático. Consiste en una terna de ejes perpendiculares entre sí (ortogonales)
que se intersecan en un punto origen.
El espacio euclidiano es continuo, no presenta agujeros. Un sistema definido así
se denomina Cartesiano. R3.
El espacio euclidiano es homogéneo: no encontraríamos ninguna diferencia entre
dos lugares distintos, su estructura es idéntica en todos los puntos. Es isótropo:
girando alrededor de un cierto punto del espacio tampoco encontraríamos
propiedades distintas. La estructura del espacio es idéntica independientemente
de la dirección en la que estemos trabajando. Es lineal: cada eje coordenado
mantiene sus propiedades originales a pesar de constituir un espacio
tridimensional; cada eje es independiente de los otros dos.
El tiempo también está relacionado con la Geometría euclidiana. Para nosotros el
tiempo transcurre como un continuo fluir. Se representa como una línea. R1
El tiempo es continuo, no tiene agujeros, no hay posibilidad de que el tiempo no
transcurra un cierto intervalo y luego sí lo haga. Es homogéneo, la estructura del
tiempo es idéntica independientemente del instante donde estemos, pasado,
presente o futuro. No es isótropo. La realidad física nos muestra que el tiempo
tiene una dirección. La anisotropía se evidencia con la evolución del Universo
hacia el futuro, el transcurrir de nuestras vidas.
Los modelos anteriores son independientes entre sí, sin embargo son
inseparables. Los fenómenos en la naturaleza ocurren simultáneamente en el
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espacio y en el tiempo. Considerando en forma integrada un único modelo
Espacio-Tiempo, éste es el marco de referencia general que utiliza la Ciencia, la
Tecnología y la Sociedad actuales.
Este modelo integrado fue definido
aproximadamente en 1686 por Isaac Newton, por eso se lo denomina espaciotiempo newtoniano.
¿Qué es el vacío?
Es la región del espacio-tiempo en la que no existe materia. Si pensamos que el
Universo descrito con los modelos físicos de espacio y tiempo, es un Universo
vacío, donde no existe materia, ni ocurre algún proceso físico o de otra índole,
esto lo convierte en muy aburrido…
Para la materia, el modelo "atomista" es el más importante, por su solidez
conceptual y su permanencia en el tiempo. Fue iniciado por Demócrito en el siglo
V a.C. Describe la materia formada por pequeñas partículas indivisibles, que por
agregación pueden formar cuerpos de distinto tamaño y características. Estas
partículas se mueven libremente en el vacío y son indestructibles.
En resumen, el modelo físico de la materia en la mecánica newtoniana es un
agregado de partículas con características particulares.
La materia es discontinua. Las partículas tienen identidad propia, puede
identificarse dónde termina una y comienza la otra. Entre ellas hay vacío. En
Física II se verá que ese vacío no lo es tanto, ya que existen otros entes físicos
producidos por la propia materia denominados campos.
Las dos propiedades más fundamentales de la materia son la carga eléctrica y la
masa, inherentes a la materia pero independientes entre sí. La masa se
manifiesta en forma "pasiva" (inerte) o en forma "activa" (generando efectos).
La forma pasiva de la masa, está representada por el concepto de inercia. La
masa inercial es la respuesta de la materia a las acciones que entes externos
realizan sobre ellas. La acción aparece desde fuera.
La forma activa de la masa, está representada por el concepto de gravedad. La
masa gravitatoria es la acción de la materia sobre todos los demás cuerpos en el
universo sin importar su ubicación o distribución. Esta acción se da a través del
campo gravitatorio.
Técnicas de resolución de problemas
¿Por dónde comenzamos a resolver un problema?
*Hacemos un dibujo donde explicitamos las condiciones del problema.
Identificamos las incógnitas.
*Elegimos la/s ecuación/es que vamos a utilizar. Si hay más de una incógnita
necesitaremos otras ecuaciones.
*Resolvemos las ecuaciones simbólicamente. Así, reducimos el riesgo de errores.
Después reemplazamos las variables por sus valores correspondientes y
comprobamos la consistencia de las unidades.
*Consideramos la respuesta utilizando sentido común.