Capitulo Nº1: Cantidades Físicas

1) Cantidades Físicas

1.1)    Definición de Física

Ciencia Experimental que estudia las interacciones de la naturaleza usando el método científico.

i)     Ciencia Experimental: Requiere de la comprobación experimental para aceptar sus teorías. Veamos dos ejemplos,

j) Teoría Electromagnética

k) Propuesta en 1865 por James Clerk Maxwell: determina la simetría existente entre la interacción eléctrica y la interacción magnética.

kk) Predice, entre otras cosas, la existencia de las ondas electromagnéticas.

Kkk) Demostrada en el laboratorio en 1888 por Heinrich Rudolf Hertz  mediante la generación de Ondas Electromagnéticas.

¿? Investigue la importancia de las OEM.

Importancia tecnológica de las ondas electromagnéticas

1. Las señales de radio y televisión
2. Ondas de radio provenientes de la Galaxia
3. Microondas generadas en los hornos microondas
4. Radiación Infrarroja provenientes de cuerpos a temperatura ambiente
5. La luz
6. La radiación Ultravioleta proveniente del Sol, de la cual la crema anti solar nos protege la piel
7. Los Rayos X usados para tomar radiografías del cuerpo humano 
8. La radiación Gama producida por núcleos radioactivos

jj) Teoría de la Relatividad

           

k) Propuesta en 1905 y 1916 por Albert Einstein: determina nuevas concepciones acerca del espacio –tiempo y la gravedad.

kk) Predice, entre otras cosas, la dilatación del tiempo( teoría de la relatividad especial) y la curvatura del espacio-tiempo( teoría de la relatividad general).

kkk) Demostrada en 1919 por Sir Arthur Eddintong, mediante la observación de las posiciones de ciertas estrellas, en el eclipse total de sol producido el 29 de mayo. El cambio de posición era de solo 1,6” de arco tal como lo indicaba la TRG.

¿? Investigue las aplicaciones tecnológicas de la TR.

Teoría de la relatividad especial

Uno de los postulados de la relatividad especial afirma que la velocidad de la luz es siempre constante con respecto a cualquier observador. De sus premisas teóricas obtuvo una serie de ecuaciones que tuvieron consecuencias importantes e incluso algunas desconcertantes, como el aumento de la masa con la velocidad. Uno de sus resultados más importantes fue la equivalencia entre masa y energía, según la conocida fórmula E=mc², en la que c es la velocidad de la luz y E representa la energía obtenible por un cuerpo de masa m cuando toda su masa sea convertida en energía.

Dicha equivalencia entre masa y energía fue demostrada en el laboratorio en el año 1932, y dio lugar a impresionantes aplicaciones concretas en el campo de la física (tanto la fisión nuclear como la fusión termonuclear son procesos en los que una parte de la masa de los átomos se transforma en energía).

De la Teoría general de la relatividad:

La teoría de la relatividad, desarrollada fundamentalmente por Albert Einstein, pretendía originalmente explicar ciertas anomalías en el concepto de movimiento relativo, pero en su evolución se ha convertido en una de las teorías más importantes en las ciencias físicas y ha sido la base para que los físicos demostraran la unidad esencial de la materia y la energía, el espacio y el tiempo, y la equivalencia entre las fuerzas de la gravitación y los efectos de la aceleración de un sistema.

Con esta teoría se obtienen órbitas planetarias muy similares a las que se obtienen con la mecánica de Newton. Uno de los puntos de discrepancia entre ambas, la anormalmente alargada órbita del planeta Mercurio, que presenta un efecto de rotación del eje mayor de la elipse (aproximadamente un grado cada diez mil años) observado experimentalmente algunos años antes de enunciarse la teoría de la relatividad, y no explicado con las leyes de Newton, sirvió de confirmación experimental de la teoría de Einstein.

ii)    Interacciones de la naturaleza: Describen como se relacionan las diversas propiedades de los cuerpos, masa, carga, etc. Los fenómenos físicos son explicados mediante dichas interacciones. Las IN han ido reorganizándose en el transcurso del tiempo, las describimos en relación al “estado de cosas” de 1935,

j) Interacción Gravitacional

k) Describe la interacción de la masa gravitacional de los cuerpos y es representada por la fuerza gravitacional.

kk) El primero en describirla formalmente fue Sir Isaac Newton, mediante su Teoría de la Gravitación Universal, teoría que propone la primera unificación importante en la Física. Posteriormente fue reformulada por A Einstein mediante su TRG. Actualmente es la interacción más difícil de conciliar con el resto de interacciones.

Kkk) Explica la conformación de nuestro universo.

                                 

                                              

¿? Investigue por que plutón ya no es considerado planeta.

“Plutón dejó de ser considerado planeta porque no reúne las características necesarias para ser llamado así, ni cumple con la definición tradicional de planeta”, explica a EL UNIVERSAL.com.mx José de la Herrán, asesor técnico del Museo Universum de la UNAM.

jj) Interacción EM

k) Describe la interacción de la carga eléctrica de los cuerpos y es representada por la fuerza EM.

kk) El primero en describirla formalmente fue JC Maxwell, mediante su Teoría del EM, teoría que propone la segunda unificación importante en la Física. Al igual que la IG es de largo alcance pero es mas intensa que aquella.

 Kkk) Explica por que podemos caminar, asir objetos, escribir, la tensión en una cuerda, los rayos, las auroras boreales y australes, etc.

jjj) Interacción Nuclear débil

k) Describe la interacción de la carga-masa de los cuerpos y es representada por la fuerza ND.

 kk) Las primeras evidencias de su presencia fueron descubiertas en los fenómenos radiactivos y de decaimiento b realizadas por Becquerel y Fermi, respectivamente, en la interfase del siglo XX. Formara parte con la IEM de la tercera unificación importante en la Física. Es de corto alcance pero la segunda mas intensa.

kkk) Explica la radiactividad de los cuerpos y las transmutaciones de elementos, etc.

jv) Interacción Nuclear fuerte

k) Describe la interacción de la carga-masa de los cuerpos y es representada por la fuerza NF.

kk) Las primeras evidencias de su presencia fueron descubiertas en los fenómenos de transformación de masa-energía dada por A Einstein.

kkk) Explica las bombas nucleares, reactores nucleares, etc.

iii)   Método Científico: Es el método seguido por la Física, en cuanto a su desarrollo experimental, por lo tanto se utilizara en el Laboratorio de Física General. El método es universal, teniendo como principales baluartes la reproducibilidad, esto es, siempre será verificable, y la falsabilidad, la cual indica que toda hipótesis científica puede ser falsada. Esta constituido por cuatro etapas,

j) Observación: Encontramos los “detalles” del fenómeno estudiado mediante observación perceptiva.

jj) Hipótesis: Fundamentamos lo observado.

jjj) Experimentación: Contrastamos la hipótesis con lo observado.

jv) Ley: Conclusión o generalización.

 Mario Bunge,

1.2)                Medición

Es la principal labor que ha de realizarse en el Laboratorio y a la luz de W Thomson (Lord Kelvin), es el principio del conocimiento,

Frecuentemente digo que cuando puedes medir eso de lo que hablas, y expresarlo en números, sabes algo acerca de ello; pero cuando no lo puedes expresar en números, tu conocimiento es pobre e insatisfactorio.

~Lord Kelvin~

Existen dos tipos de mediciones: las llamadas directas, cuando el proceso de medición esta basado en una simple etapa, como cuando medimos por comparación el largo de la pizarra, usando cinta métrica; y las llamadas indirectas, como cuando medimos la intensidad de corriente eléctrica en nuestras casas, usando amperímetro, donde el proceso de medición esta constituido por varias etapas: el amperímetro toma la corriente eléctrica y la circula por una bobina, la cual es torcida por la acción de un campo magnético, el giro de la bobina esta calibrado proporcionalmente a la corriente, obteniendo así su medición.

1.3)    Cantidades Físicas, CF

Ejemplos de CF:

. t . a (º g) . Longitud ¬ (º distancia, “espacio”) . v . Temperatura . Densidad

. Masa . Volumen . F( º w, peso) . Energía . Presión . Calor

. Potencia . Frecuencia

Clasificación de las cantidades físicas:

i) Según su procedencia:

j) Cantidades físicas Fundamentales o de Base: Es un conjunto selecto de cantidades físicas definido por el sistema de unidades usado, en el caso del sistema internacional (SI), son 7: (® SLUMP).

          CF                                                  Unidad         Símbolo      Dimensión

1.- Longitud                                                   metro                 m                     L

2.- Masa                                                         kilogramo          kg                   M

3.- Tiempo                                                     segundo           s                     T

4.- Temperatura Termodinámica               Kelvin                K                     q

5.- Intensidad de corriente eléctrica         Ampere             A                     I

6.- Intensidad luminosa                              candela             cd                   J

7.- Cantidad de sustancia                          mol                     mol                N    

Las cantidades físicas fundamentales nos permiten definir las cantidades físicas restantes.

jj) Cantidades Físicas Derivadas: Son las cantidades físicas que proceden de las cantidades físicas fundamentales.

. Velocidad                     .                       .

. Área                               .                       .

. Densidad                      .                       .                            

ii) Según sus características:

j) C F Escalares: Son las cantidades físicas que para definirse, requieren de intensidad (concurso del número y la unidad),

. Masa      :     60 kg º m

. Volumen:    100 m³ º V

. Tiempo   :     t º 90 min  (por el SLUMP) º 90 x 60s º 5,4 x 10³ s

jj) C F Vectoriales: Son las cantidades físicas que para ser definidas, requieren 2  características,

1.- Intensidad

2.- Orientación 

Las cantidades físicas vectoriales son representadas por segdos (“flecha”)

Ejemplos

.  (Normal)                                  .  (Aceleración)

.  (Peso)                                      .  (Velocidad angular)

.  (Empuje)                                  . …¿?

. (Tensión)                                  . …¿?

. (Velocidad)                               .  (Torque)

1.4)                Análisis Dimensional, AD

Análisis dimensional.- Estudia las relaciones entre las cantidades físicas fundamentales y las cantidades físicas derivadas.

. Relación º R (CFF, CFD)

®Escritura física correcta. (ecuaciones)

Para esto, se usan las ecuaciones dimensionales, que nos describen la forma dimensional de las cantidades físicas.

Sea A=CF,

[A] :     La ecuación dimensional de A es…

            La expresión dimensional de A es…

La ecuación dimensional de las CFF es la dimensión de dichas CF,

. [Longitud]          º L                               [Int. corriente]        º I

. [Masa]                º M                              [Int. luminosa]       º J

. [Tiempo]            º T                               [Cant. sustancia] º N

. [Temperatura]   º q

Observaciones:

1)    El algebra de las ecuaciones dimensionales, es similar al algebra de la teoría de exponentes.

2)    Principio de Homogeneidad Dimensional, PHD: Toda ecuación bien escrita deberá expresar en cada término, las mismas dimensiones.

® MRU:

[ ]: L º L º (LT^-1) T  L  º L º L L  º L

3) Constantes Físicas

i) Constantes sin dimensiones (adimensionales):

, algebra:  

.  p  º uv,  u   no tiene dimensiones y  v = velocidad,

  [ ] :  [p]  º  [u] [v]

          [p]  º  *{LT^-1}º (*L) T^-1 ® \ [p] º LT^-1

ii) Constantes con dimensiones:         

* g= 9,8 m/s²   ® [g] º LT^-2

*c = 3 x 10⁸ m/s  ® [c] º LT^-1

* G = cte de la gravitación universal

4) Los argumentos de función deben ser adimensionales.

*  y = AB^-lx  ; [lx] º * , si x ® tiempo Þ l ® (tiempo)^-1

*  y = sen {kx}; [kx] º * , si x ® longitud Þ k ® (longitud)^-1

*  y = ln {rx}; [rx] º * , si [x] º LT^-1 ® [r] º L^-1 T