INSTITUCIÓN EDUCATIVA NUEVA GRANADA MUNICIPIO DE DOSQUEBRADAS-RISARALDA INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA I

INSTITUCIÓN EDUCATIVA NUEVA GRANADA
MUNICIPIO DE DOSQUEBRADAS-RISARALDA
INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA I
DOCUMENTO 1
Docente: José Ovidio Ramírez Ramirez
CONCEPTOS GENERALES
Bienvenidos jovencitos de décimo grado al inicio de un estudio, muy somero,
de la física. No es nada fuera de nuestros alcances, basta solamente con un
poco de nuestra buena voluntad, amor y respeto por lo que hacemos.
Recordemos siempre que el respeto por nosotros mismos es la fuente de
las buenas relaciones entre los seres humanos.
1.- ¿Qué es la ciencia?
Antes de tratar de definir la física, es importante tener cierta claridad acerca de
lo que para nosotros significa la ciencia, su método y sus leyes, para ello
partimos del concepto de fenómeno, entendiendo este como toda modificación
que ocurre en la naturaleza, como la caída de un cuerpo, el crecimiento de una
planta, el viento, el calor, el movimiento y la velocidad entre otras de sus
manifestaciones.
La palabra ciencia viene del latín scientia que significa conocimiento y es toda
descripción coherente y sistemática de un grupo de fenómenos, en este
sentido las ciencias naturales se dividen en dos grandes ramas:
Las ciencias biológicas y las ciencias físicas, sin embrago, el término se ha
extendido y podemos hablar de las ciencias sociales, las ciencias económicas
o las ciencias administrativas.
Las ciencias biológicas: Que se ocupan de los fenómenos relacionados con
los seres animados o dotados de vida y comprende varias secciones, cada
una, por sí misma, con el carácter de ciencia: La botánica, la zoología, la
biología o la anatomía, entre otras.
Las ciencias físicas: Que analizan los fenómenos que se observan en los
seres inanimados o carentes de vida, comprenden varias ramas denominadas
Astronomía, Geología, Química, Física o Astrología y cada una de ellas incluye
un núcleo central de fenómenos bien definidos, pero en los límites se
confunden unas con otras, siendo por ejemplo muy difícil precisar donde
termina la química y empieza la física, ya que hay fenómenos que pueden caer,
indistintamente, dentro del campo de ambas ciencias.
Debemos tener en cuenta que entre las ciencias biológicas y físicas existe una
estrecha relación, pues los seres animados de vida están compuestos por los
mismos elementos que los seres inanimados.
Hablando de fenómenos podemos decir que existen dos categorías: Físicos y
Químicos.
Los fenómenos físicos son aquellos en los que no cambia la naturaleza de
las sustancias que intervienen en los mismos, como el movimiento de un
cuerpo o la vaporización del agua.
Los fenómenos químicos son aquellos en los que hay cambios en la
naturaleza de las sustancias, como cuando se quema un pedazo de carbón.
Estas definiciones u otras semejantes pueden hacerse más eficientes y
completas al profundizar su estudio.
Notemos:
Los fenómenos estudiados por la física se agrupan en cinco ramas: Mecánica,
Calor, Acústica, Óptica y Electricidad, estando todas ellas íntimamente
relacionadas.
Cada uno de ustedes jovencitos, debe consultar y traer copia del
significado de estas cinco ramas de la de física.
2.- El método científico:
Conociendo ya que toda ciencia consiste en la descripción ordenada,
coherente y sistemática de un grupo de fenómenos, debemos comprender que
para lograr esta descripción, el investigador realiza cuidadosamente una serie
de operaciones que constituyen lo que llamamos el método científico y su
aplicación continua es lo que diferencia al hombre de ciencia, del hombre de
la calle:
Este último percibe los fenómenos, al igual que el primero, pero no los analiza.
El método científico consiste en las siguientes operaciones:
2.1.- Observación y experimentación:
El primer paso en toda investigación es la observación o examen cuidadoso de
un fenómeno determinado, como la que hacen los astrónomos preguntándose
por el movimiento de los astros.
La observación es sustituida en la mayoría de los casos, como fase del
proceso investigativo, por la experimentación, teniendo en cuenta que un
experimento es un fenómeno que nosotros mismos producimos y controlamos,
disponiendo adecuadamente, las condiciones necesarias.
El experimento va acompañado de la observación, en el sentido definido antes
y el conjunto constituye la experimentación. Una experimentación muy
sencilla seria soltar un cuerpo en medio del aire y ver lo que ocurre.
Entre la observación y la experimentación hay una significativa diferencia:
En la primera el investigador desempeña un papel pasivo y en la segunda un
papel esencial y activo, por esta razón el método experimental es más propio
de la física y de la química.
La observación, es el único método que puede emplearse, por ejemplo, en la
astronomía. El rápido progreso científico en los últimos tiempos se debe,
precisamente, al desarrollo de los métodos experimentales.
Ahora bien, debemos tener en cuenta que una observación o una
experimentación están generalmente incompletas si no van acompañadas de
alguna medida o determinación cuantitativa de los diversos factores que
intervienen en el fenómeno, así la observación del movimiento de un astro no
queda completa hasta que no se ha medido su distancia al sol o la velocidad
con que se desplaza y la caída de un cuerpo debe ir acompañada de la medida
de la altura y del tiempo que emplea al caer, para poder concluir lo que
realmente ocurre en el fenómeno de la caída de los cuerpos.
La experimentación como método científico fue introducida en la física por el
investigador Galileo Galilei, a finales del siglo XVI, mientras que la observación
ha existido desde el mismo instante en que el hombre apareció sobre la tierra.
Consultar y traer copia de la biografía de Galileo Galilei.
2.2.- Organización y leyes:
Si la labor del investigador terminara con la observación o la experimentación,
la ciencia no habría existido jamás.
El investigador debe además analizar u organizar los resultados cualitativos y
cuantitativos obtenidos, compararlos entre ellos y con los resultados de
observaciones o experimentos anteriores.
Como consecuencia de este análisis y de esta comparación, el investigador
obtiene leyes.
Una ley es la expresión de una rutina en la naturaleza, es decir, algo que se
repite siempre que las condiciones sean las mismas, por ejemplo, en el caso
del cuerpo que soltamos en el aire, su análisis y el de muchos otros casos
análogos, nos conduce a afirmar que:
“Todo cuerpo dejado libremente, cae hacia la superficie de la tierra”
Este enunciado constituye una ley, ya que expresa algo que siempre ocurre en
la naturaleza en la misma forma, cada vez que se presenten las mismas
circunstancias: Soltar el cuerpo.
Las leyes pueden ser cualitativas y cuantitativas:
Una ley es cualitativa cuando no contiene relación alguna entre las
magnitudes que intervienen en el fenómeno y es cuantitativa si su enunciado
expresa, además, alguna relación entre las magnitudes que corresponden al
mismo.
Las leyes cuantitativas son las de más utilidad en toda investigación que se
pretenda llevar a cabo.
Las leyes cuantitativas se expresan, generalmente, por medio de fórmulas que
son relaciones algebraicas entre los símbolos que representan las magnitudes
de los factores que intervienen en los fenómenos.
Si analizamos nuevamente el fenómeno de la caída libre del cuerpo en el aire y
medimos la altura h y el tiempo t, empleado en caer y los comparamos con la
altura y el tiempo en otros experimentos semejantes, encontraremos que entre
ambas magnitudes existe siempre la siguiente relación,
h / t2 = c o h = ct2
donde c es un coeficiente constante, o sea, que tiene el mismo valor en todos
los casos. Este resultado es la expresión simbólica o algebraica de una ley
cuantitativa.
La ley puede expresarse también por medio de palabras.
Observemos que si t aumenta, h también aumenta y si t se duplica, como
aparece al cuadrado en la formula, h se cuadruplica, si t se triplica, h se hace
nueve veces mayor y así sucesivamente, lo que nos lleva a decir que,
h es directamente proporcional al cuadrado de t.
En general dos magnitudes son proporcionales cuando su cociente es
constante, de modo que al aumentar una, la otra también aumenta y
recíprocamente, luego si x
e
y, son dos magnitudes directamente
proporcionales, debe cumplirse que:
y/x=c ó
y = cx
El enunciado de la ley cuantitativa contenida en estas relaciones es,
y es directamente proporcional a x
De otra parte, dos magnitudes son inversamente proporcionales cuando su
producto es constante, de modo que al aumentar una, la otra disminuye y
recíprocamente, por tanto si dos magnitudes x e y son inversamente
proporcionales, se cumple la relación:
xy = c
ó
y = c/x
En la anterior expresión algebraica se cumple que al aumentar x, el valor de y
disminuye, esta ley se enuncia así,
y es inversamente proporcional a x
Notemos:
Las leyes son en general continuamente corregidas, pues a medida que los
procedimientos experimentales van siendo perfeccionados o tecnificados, se
van conociendo con más precisión los valores numéricos de las magnitudes
que intervienen en las mismas y algunas veces se descubren nuevos factores
que no se habían tenido en cuenta previamente.
Así que muchas leyes que en un principio fueron supremamente simples se
han vuelto más complejas o al contrario, de muy complejas se han vuelto
supremamente simples con el transcurso de las investigaciones, sin embrago,
lo que se ha perdido en sencillez, se ha ganado en exactitud, que tiene mucho
más valor para la ciencia.
2.3.- Hipótesis y teoría:
El investigador no se conforma con la experimentación y las leyes obtenidas,
quiere además buscar una explicación a los fenómenos observados y a las
leyes descubiertas, para ello comienza por establecer una serie de postulados
o hipótesis. Las hipótesis son ideas acerca de la naturaleza o carácter íntimo
de los elementos que intervienen en el fenómeno que se desea explicar, estas
hipótesis son arbitrarias en el sentido de que generalmente no tienen origen
experimental: El físico las introduce por su sencillez o por su aparente
conveniencia, sin que pueda justificarlas a priori, lo único que puede
exigírseles, es que no envuelvan contradicciones con ellas mismas, sin
embrago, algunas veces adopta como hipótesis las leyes de algún fenómeno
más simple, relacionado con el que está analizando.
Los investigadores, a partir del análisis de los fenómenos y siguiendo un
razonamiento estrictamente lógico, empleando la matemática, tratan entonces
de formar hipótesis de manera experimental, cuyo valor se mide a posteriori por
la mayor o menor exactitud lo que les permite les permite deducir una ley, y:
El conjunto formado por las hipótesis y los razonamientos lógicomatemáticos, asociados a las mismas, es lo que se llama una teoría.
Ahora bien, se comprende perfectamente que podemos imaginar hipótesis
diferentes que den lugar a teorías distintas, pero que explican igualmente un
mismo fenómeno, es el caso de un detective frente a un crimen complicado:
formula varias teorías del crimen, todas más o menos posibles y su habilidad
consiste en hallar la verdadera, que algunas veces, puede no encontrarse, aun,
entre las que ha propuesto, así ocurre, por ejemplo, con la teoría corpuscular y
la teoría ondulatoria de la luz, que aún hoy son igualmente correctas para
explicar varios fenómenos.
Si volvemos al ejemplo de la caída de los cuerpos, la hipótesis habría
consistido en suponer que la tierra los atrae en cierta forma y aplicando
entonces los principios de la dinámica, deducir la relación: h = ct2.
2.4.- Predicción y verificación:
A una teoría se le exige además, que:

Pueda también explicar aquellos fenómenos que estén íntimamente
ligados con el que los origina.

Que sea apta para explicar los nuevos fenómenos que van
descubriéndose.

Que siguiendo una cadena de razonamientos, nos permita predecir
resultados experimentales aún no observados y leyes aún no
descubiertas.
Cuando una teoría va satisfaciendo las dos primeras condiciones decimos que
se verifica y ello constituye un índice de su mayor o menor éxito, cuando no las
cumple, la teoría se desecha.
La tercera condición o posibilidad de predecir resultados desconocidos, es la
que hace que una teoría por absurda que pueda parecer, tenga siempre un
valor extraordinario, ya que contribuye a enriquecer nuestros conocimientos.
Notemos:
Si aplicamos lo anterior al ejemplo de la caída de los cuerpos, la explicación de
este fenómeno llevó a suponer la existencia de una atracción entre el cuerpo y
la tierra, entonces Isaac Newton, formuló la hipótesis de que dicha atracción se
manifestaba también entre todos los astros y cuerpos del universo y postuló la
intensidad de dicha atracción, creando así la teoría de la gravitación universal.
Consultar y traer copia de la teoría de la gravitación universal y una
biografía de Isaac Newton.
Mediante dicha teoría y empleando para ello, la matemática, logro deducir las
leyes del movimiento planetario, que habían sido descubiertas anteriormente
por Johann Kepler, como resultado de la organización que el mismo les dió, a
las observaciones de Tycho Brahe.
Consultar y traer copia de las biografías de Johann Kepler y Tycho Brahe.
Llegamos, sin embargo, a una situación crítica para la teoría de la gravitación
universal: El movimiento de Urano, el planeta más exterior de los conocidos en
los comienzos del siglo XIX, presentaba ciertas anomalías inexplicables dentro
de esta teoría, si se tenían en cuenta los planetas hasta entonces conocidos.
En ese momento el astrónomo Le Verrier, concluyo que si la teoría de la
gravitación universal era correcta, dichas anomalías se debían necesariamente
a la existencia de un planeta desconocido y el 30 de Agosto de 1846, en una
comunicación a la Academia de Ciencias, indicó el lugar done el planeta podía
ser observado.
No había transcurrido aun un mes cuando el astrónomo alemán Galle logró
observar el nuevo planeta llamado Neptuno, justamente en el lugar calculado
por Verrier. Así, entonces, la teoría de la gravitación universal se robusteció y
los horizontes de la ciencia se ensancharon.
Indudablemente que sin la teoría el planeta hubiera sido descubierto más tarde,
al perfeccionarse los instrumentos de observación, pero hubiera sido un hecho
accidental, sin ninguna significación importante para cientificidad.
Las teorías con su continuo surgir, evolucionar y desaparecer junto con la
experimentación, han sido las armas más poderosas, que ha esgrimido el
hombre en su afán de conocer la naturaleza.
La existencia del método científico y aun de la misma ciencia, tiene su origen
en la firme creencia de la uniformidad de la naturaleza, es decir, que supuestas
siempre las mismas circunstancias, la naturaleza evoluciona en la misma
forma.
Notemos:
El estudio y análisis de la ciencia nos conduce al principio de causalidad,
indispensable para la investigación, objetivo principal de la física cuántica.
Consultar y traer copia de las biografías de Le Verrier y de Galle.
3.- La física:
La física como disciplina científica, indaga acerca del porqué y el cómo
suceden los fenómenos naturales que observamos, en este proceso usamos
nuestros sentidos y los instrumentos de medición y de observación que existen.
Es así como los físicos intentan descubrir las leyes básicas que rigen el
comportamiento y las interacciones de la materia y la energía en cualquiera de
sus formas, de la misma manera escudriñan en la naturaleza de las estrellas, la
luz, el tiempo, el sonido y las partículas subatómicas, entre otros fenómenos.
En conclusión, mediante la física se busca descubrir generalidades en la
estructura básica del universo, para poder explicar los fenómenos observables,
en términos de principios fundamentales.
Para desarrollar su trabajo los científicos planean los objetivos y las etapas
que, aunque no siempre se dan en el mismo orden, les permiten abordar
problemas, explicar fenómenos, realizar descubrimientos y obtener
conclusiones generales sobre el funcionamiento de un sistema en estudio.
La esencia del quehacer científico es la capacidad humana para plantearse
preguntas acerca de los sucesos más complejos e incomprensibles, por lo
cual, la razón fundamental del estudio de un fenómeno, se relaciona con el
interés que este despierta en el científico. En muchas ocasiones, la motivación
de los científicos se relaciona con las necesidades de la sociedad, por lo que
su trabajo tiene un marcado carácter social, un ejemplo de esto se ve en el
desarrollo de vacunas para combatir enfermedades y epidemias que atentan
permanentemente contra la población.
Para realizar su trabajo, los científicos no parten de cero, sino que en sus
investigaciones aprovechan los conocimientos que existen sobre el objeto de
estudio, en este sentido se dice que la ciencia es acumulativa, es decir, los
nuevos conocimientos se construyen sobre los anteriores y de esta forma
dichos conocimientos pueden ser ampliados, por ejemplo, el físico ingles Isaac
Newton, declaro que nunca habría podido llegar a plantear sus leyes sobre el
movimiento, sin apoyarse en los hombros gigantes de Galileo Galilei y Johann
Kepler.
En ocasiones el trabajo científico implica observaciones de tipo cualitativo en
las que no es necesario tomar medidas, en estas observaciones se analiza y se
describe determinado fenómeno para establecer la causa que lo produce, los
factores que intervienen en él, la relación que tiene con otros fenómenos y en
general las circunstancias en las que se producen.
En otras ocasiones, el trabajo científico es cuantitativo, es decir, requiere de
medidas rigurosas y precisas de las características de los fenómenos
observados, por lo cual, en estos casos, se formulan matemáticamente las
observaciones y las conclusiones.
Los resultados de la experimentación y del trabajo científico, en la mayoría de
las situaciones conducen a plantear generalizaciones para explicar los
fenómenos y a partir de estas, es posible predecir bajo qué condiciones se
producirá determinado fenómeno, no obstante, nunca se puede estar seguro de
que en el futuro no pueda darse una experiencia que sirva como contraejemplo
de una generalización.
Por ejemplo, las tres leyes del movimiento planteadas por Isaac Newton en el
siglo XVII, son válidas para describir y predecir el movimiento de los cuerpos,
siempre que estos no se muevan con velocidades cercanas a la de la luz y que
su masa no sea demasiado pequeña, caso en el cual se aplica la mecánica
cuántica, desarrollada a partir de los trabajos realizados el siglo XX por Planck,
Einstein y De Broglie, entre otros.
Consultar y traer copia de las Biografías de Plank, Einstein y De Broglie.
Aunque en un principio los científicos concebían sus ideas y experimentaban
sobre ellas de manera independiente, en la actualidad se conforman equipos
interdisciplinarios con permanente comunicación nacional e internacional y
cada vez se acepta más la importancia y la necesidad de abordar, en equipo,
problemas concretos, en forma completa y cercana a la realidad.
A continuación describimos los pasos más sencillos que deben darse en una
investigación científica, usted señor estudiante, debe hacer, en su cuaderno
de física, un comentario que muestre que entiende su significado
adecuadamente:
 Observación del fenómeno.
 Búsqueda de información.
 Formulación de hipótesis.
 Comprobación experimental.
 Trabajo en el laboratorio.
 Conclusiones y comunicación de resultados.
 Elaboración de teorías.
 Equipo interdisciplinario.
Recordemos en este último paso las palabras del filósofo alemán Wolfang
Goethe:
“Toda contemplación se convierte en observación, toda observación conduce a
una conjetura, toda conjetura conlleva al establecimiento de un enlace
importante y se puede decir que cada vez que nosotros examinamos con
atención el mundo, encontramos siempre cosas nuevas”.
Cada uno de ustedes, jovencitos, debe hacer un ensayo mínimo de página
y media a partir de esta frase.
Notemos:
Solo un vistazo a las conquistas de nuestra civilización, es suficiente para
revelarnos la trascendencia de la física, ciencia en la cual comenzamos a
incursionar:
La luz eléctrica, la radio, el teléfono, la televisión, el cinematógrafo, el
automóvil, el avión, los motores diesel, las máquinas a vapor, las grandes
construcciones, los reactores nucleares, los satélites artificiales y cuanto
descubrimiento, tecnología y avances científicos encontramos hoy, son todos
producto de la física, cuyo estudio, por otra parte, es apasionante y de gran
interés.
A su compresión y entendimiento debemos dedicar nuestros mejores
esfuerzos.
Este es el reto que tenemos ustedes y yo, jovencitos de grado décimo.
Veamos que hemos aprendido
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Defina fenómeno y enuncie claramente mínimo cinco.
Cuál es el objeto de toda ciencia. Indique cinco ciencias sobre las cuales
ya tenga conocimiento y diga cómo se constituyen.
Enumere las distintas etapas del método científico y aplíquelas con un
ejemplo.
Defina ley y diga porque deben ser modificadas a medida que progresan
las investigaciones.
Que es una ley de proporcionalidad directa y de proporcionalidad
inversa.
Al hacer un experimento se encontró que los valores de una magnitud q,
eran 14.8, 10.6, 6.9, 5.4, mientras que los valores de otra magnitud p,
fueron 29.6, 21.2, 13.8 y 10.8: ¿Qué clase de relación hay entre q y p?
Si z es directamente proporcional a s y s vale 3.6 cuando z vale 2.8.
¿Cuál es el valor de s cuando z vale 5.2?
Resuelva la cuestión anterior si z es inversamente proporcional a s.
En cuál de las dos expresiones y es proporcional a x: y=3x ó y= 3x+2,
explique su respuesta.
En cuál de las dos expresiones y es inversamente proporcional a x,
y=5/x ó y=2+5/x. Explique su respuesta.
Escriba una fórmula que corresponda a la siguiente ley: v es
directamente proporcional al cuadrado de x
e
inversamente
proporcional a la raíz cúbica de y.
A quien debemos las conquistas que aparecen finalizando la hoja
anterior.
Este es el momento para que aquellos de ustedes que no pusieron la
suficiente atención a las explicaciones de algebra, busquen la ayuda
que sea necesaria para que pongan al día sus conocimientos en la
materia. Ustedes y yo sabemos de quienes estamos hablando.