Conceptos Fundamentales de la Física Elemental

I. Unidad:

Conceptos Fundamentales de Física.

INTRODUCCIÓN:

¿Qué es la Física? La palabra Física proviene del vocablo griego “fusike o fusis y del latín“ Physis ” que significa naturaleza, y por ello podemos decir que la Física tiene por objetivo el estudio de los fenómenos de la naturaleza.

En síntesis la Física es la rama de la ciencia que tiene por objetivo estudiar los componentes de la materia y sus interacciones mutuas, con el fin de explicar las propiedades generales  de los cuerpos y de los fenómenos que observamos a nuestro alrededor.

ÁREAS EN QUE SE DIVIDE LA FÍSICA:

                                           ÓPTICA

                                        

                                        

                                           ACÚSTICA

                                                                                        CINEMÁTICA

                                                                                                     

                        MECÁNICA

                                                                                       

                                                                                        DINÁMICA

FÍSICA                            ELECTROLOGÍA

                                         TERMOLOGÍA

                                         NUCLEAR  O ATÓMICA

ÓPTICA: Parte de la Física que estudia los fenómenos visibles relacionados con la luz. Por ejemplo:

·         La formación de nuestra imagen en un espejo.

·         La descomposición de la luz solar en los colores del arco iris.

·         La reflexión de un rayo luminoso en un espejo.

ACÚSTICA (MOVIMIENTO ONDULATORIO): Estudia las propiedades de las ondas que se propagan de un medio material a otro. Ejemplo:

·         Las ondas formadas en una cuerda (guitarra).

·         Las ondas formadas en la superficie del agua (olas del mar).

·         Las ondas sonoras (radio, T.V, etc).

MECÁNICA: Esta rama de la Física estudia el movimiento de los cuerpos y se divide en Cinemática y Dinámica.

CINEMATICA: Estudia el movimiento de los cuerpos sin importar la causa que los produce. Ejemplo:

·         Notación científica.

·         Vectores.

·         Escalares.

DINÁMICA: Estudia el movimiento de los cuerpos atendiendo sus causas. Ejemplos de ello tenemos:

·         Trabajo y energía.

·         Leyes  de Newton.

·         Caída libre de los cuerpos.

ELECTROLOGÍA (ELECTRICIDAD): En esta rama de la Física se incluye el estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Ejemplo:

·         La producción de un relámpago en una tempestad (tormenta).

·         Atracciones y repulsiones entre cuerpos electrizados.

·         Las propiedades de un imán.

·         El funcionamiento de los diversos aparatos electrodomésticos.

·         El funcionamiento de motores eléctricos, etcétera.

TERMOLOGÍA (CALOR): Como su nombre lo indica esta rama de la Física estudia los fenómenos térmicos.

Ejemplo:

·         La fusión de un trozo de hierro.

·         La dilatación de un cuerpo caliente.

·         La variación de temperatura de un cuerpo sensible al tacto.

FÍSICA MODERNA: Esta parte  abarca el desarrollo que la Física alcanzó durante el siglo XX, incluyendo el estudio de la estructura del átomo, el fenómeno de la radiactividad, la Teoría de la Relatividad de Alberto Einstein entre otros.

RELACIÓN DE LA FÍSICA CON OTRAS CIENCIAS O AREAS DE ESTUDIO: La Física es la más fundamental de las Ciencias Naturales, sirviendo de base a otras ciencias más especializadas como por ejemplo: Química, Biología y Astronomía.

LA QUíMICA: emplea leyes de la Física para estudiar la formación de moléculas y las maneras prácticas de transformar una molécula en otra a través  de reacciones químicas.

LA BIOLOGIA: a su vez hace uso de la Física para explicar muchos de los procesos de los seres vivos (ósmosis por ejemplo).

LA ASTRONOMIA: recurre a las leyes Físicas para explicar el movimiento de los planetas, demás cuerpos celestes y fenómenos que en ellos ocurren.

METEOROLOGIA: estudia los fenómenos climáticos y utiliza la Física en el estudio de las interacciones entre los diversos elementos y factores del clima.

BIOFISICA: estudia los procesos vitales en función de los entes físicos.

MATEMATICA: es una herramienta de la cual se vale la Física para estudiar modelos de los  fenómenos físicos.

FISICOQUIMICA: estudia las interacciones físicas entre átomos y moléculas.

INGENIERIA: es la forma en que el hombre aplica los conocimientos de la Física y otras ciencias puras en beneficio de la humanidad.

GEOFISICA: estudia las interacciones que existen entre los componentes de la Tierra.

ASTROFISICA: es la parte de la Astronomía que estudia principalmente las interacciones entre  los cuerpos celestes.

Los principios de la Física ayudan a  la solución de problemas técnicos tales como: construcción de edificios, de maquinaria, procesos industriales, aeronáutica, etcétera; los que  han dado lugar a diferentes ramas de la ingeniería.

La Física es muy importante no sólo porque nos ayuda a entender los procesos que ocurren en la naturaleza, sino también porque ha permitido desarrollar técnicas y métodos  experimentales que se aplican a una gran variedad de actividades humanas. Basta con visitar algunos lugares tales como:

·         Un hospital (bomba de cobalto, ascensores, acelerador lineal, microscopios, unidades de rayos X, tomografía axial computarizada, computadoras, etc.).

·         Laboratorio geofísico (computadoras, sismógrafos, satélites, termómetros, entre otros.

·         Laboratorio meteorológico, etc. para darse cuenta de numerosos equipos basados en principios físicos que se utilizan en dichos lugares (satélites, termómetro, pluviómetro, higrómetro, calorímetro, globos hidrostáticos, etc.

EL  METODO EXPERIMENTAL: La Física teniendo por objetivo el estudio de los fenómenos que ocurren en la naturaleza depende de dos procesos importantes:

• La observación y
• La experimentación.

LA OBSERVACIÓN: consiste en el examen detallado de un proceso o fenómeno que ocurre naturalmente tal como:

Ø  La caída de un cuerpo

Ø  El movimiento de la luna alrededor de la tierra

Ø  Una descarga eléctrica en la atmósfera.

En general un científico al realizar la observación de un fenómeno mide ciertas cantidades como: altura y tiempo de caída de un cuerpo.

LA EXPERIMENTACIÓN: Consiste en la reproducción de un fenómeno bajo condiciones controladas  y en cierto modo a voluntad del investigador. Un experimento es por ejemplo dejar caer un cuerpo de cierta altura y medir el tiempo de caída, en cada caso tratando de encontrar una correlación entre ellas.

Así la experimentación consiste en observar un fenómeno, pero este se realiza bajo condiciones fijadas por el investigador.

MAGNITUDES FUNDAMENTALES: La Física se encarga de mediciones; medir es comparar una magnitud con otra de su misma especie que se toma como unidad. Las magnitudes fundamentales son aquellas que NO pueden ser definidas o expresadas a través de otras, es decir; deben de reunir las siguientes condiciones:

Ø  Ser invariables y

Ø  Que se puedan reproducir exactamente.

En principio se tomaron como unidades fundamentales sólo tres, las que corresponderían a las magnitudes: longitud, masa y tiempo según el sistema cegesimal C.G.S. cuyas unidades son: centímetro, gramo y el segundo  y  el segundo M.K.S. cuyas unidades son: metro, kilogramo y segundo.  De estas derivan muchas otras: velocidad, fuerza, aceleración, potencia, trabajo, etc.

Posteriormente se añadieron otras tres que NO derivan de las primeras, ellas son:

Intensidad de la corriente eléctrica, temperatura termodinámica e intensidad luminosa.  A estas seis magnitudes se les añade un a séptima que corresponde a cantidad de sustancia.

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (S.I.) En los años 1945 – 1946 – 1947 se reunieron unos científicos en Francia e Inglaterra, donde cada país tenía diferentes unidades; estos científicos por medio del S.I. unificaron criterios  con respecto a las unidades para que fueran utilizadas internacionalmente. Hasta 1960 es que se adoptó oficialmente el Sistema Internacional  por casi todos los países del mundo y Costa Rica no es la excepción a este convenio internacional.

El sistema MKS se tomó como base para desarrollar el S.I. cuyo uso está reglamentado internacionalmente y es el oficial para todos los países, aunque en los anglosajones (Gran Bretaña, Irlanda…) sigan empleando los  tradicionales.

LONGITUD: Es la distancia en línea recta entre dos marcas ( puntos ) establecidas arbitrariamente. Para medir una longitud se necesita un segmento de recta, el cual se toma como patrón para realizar el proceso de medida.

El METRO (m): es la unidad de longitud en el S.I.; el cual se definió originalmente como la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre. En la actualidad el metro se define como la longitud igual a 1 650 763,73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p¹⁰ y 5d⁵, del átomo de criptón 86 (según constitución electrónica del átomo).

MASA: La masa de un cuerpo está estrechamente unida a la cantidad de materia  de éste y es independiente de su estado físico (sólido, líquido o gaseoso). La masa de un cuerpo es independiente del lugar del espacio donde este se encuentre, esto es lo que distingue a la masa del peso.

El KILOGRAMO (kg): es la unidad de masa en el S.I.  Es la masa de un cilindro de platino iridio establecido en la segunda Conferencia General de Pesas y Medidas (1901) y depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Paris.

TIEMPO: Para medir el tiempo  se puede utilizar cualquier fenómeno  que se repita regularmente o que sea periódico. Por ejemplo:

Ø  La oscilación de un péndulo.

Ø  El movimiento de la luna alrededor de la tierra.

Ø  los latidos del corazón.

Ø  El período de rotación y traslación de los planetas, etc.

La unidad de tiempo en el S.I. es el segundo con su símbolo ( s ). La definición actual de segundo se basa también en la constitución electrónica del átomo y se toma como la duración de 9 192 631,770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 113.

 INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELECTRICA: Su unidad en el S.I. es el amperio con el símbolo (A). Es la intensidad de corriente eléctrica constante que mantenida en dos conductores paralelos rectilíneos de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados en el vacío a  una distancia de un metro uno de otro, produce entre estos dos conductores produce una fuerza igual a   2 x 10^-7 newton por metro de longitud.

TEMPERATURA TERMODINÁMICA: Su unidad en el S.I. corresponde al kelvin con su símbolo ( K ). Se define como la fracción de 1/ 273,16  de la temperatura termodinámica  del punto triple del agua. Este mismo nombre y este mismo símbolo son utilizados para expresar un intervalo de temperatura.

CANTIDAD DE SUSTANCIA: En el S.I. su unidad es el mole con el símbolo ( mol ). Se define como la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12.

INTENSIDAD LUMINOSA: Su unidad en el S.I. es la candela con el símbolo ( cd ). En 1979  la candela es la intensidad luminosa en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 10¹² Hz y cuya intensidad energética en esa dirección es 1 / 683 vatios por estereorradián (sr).

RADIAN: (ángulo plano). El radián (rad) es una unidad de medida angular, igual al ángulo subtendido en el centro del círculo, por un arco de longitud igual al radio del círculo. En un círculo hay 2II radianes  y como también se considera que el círculo mide 360º, resulta que: 1 radián = 360º / 2 II  = 57º,   29578.

Radián, en matemáticas, la unidad de ángulo igual al ángulo central formado por un arco de longitud igual al radio del círculo. La medida en radianes (rad) de un ángulo se expresa como el cociente entre el arco formado por el ángulo, con su vértice en el centro de un círculo, y el radio de dicho círculo. Este cociente es constante para un ángulo fijo cualquiera que sea el círculo sobre el que se tome.

La medida en radianes de un ángulo y su medida en grados están relacionadas. La circunferencia de un círculo viene dada por: C = 2pr

donde  r es el radio del círculo y pi es el número 3,14159. Dado que la circunferencia de un círculo es exactamente 2p radios, y que un arco de longitud r tiene un ángulo central de un radián, se deduce que: 2p radianes = 360 grados

Al dividir 360° por 2p se puede ver que un radián es aproximadamente 57° 17′ 45′′. En aplicaciones prácticas, las siguientes aproximaciones son lo suficientemente exactas:

1 radián = 57,3 grados

1 grado = 0,01745 radianes

El grado y el radián son unidades angulares de distinto tamaño y son intercambiables. En ingeniería se utilizan más los grados, mientras que la medida en radianes se usa casi exclusivamente en estudios teóricos, como en el análisis matemático, debido a la mayor simplicidad de ciertos resultados, en especial para las derivadas y la expansión en series infinitas de las funciones trigonométricas.

ESTEREORADIAN: El estereorradián (sr) es una unidad de ángulo sólido (tridimensional), igual al ángulo subtendido en el centro de una esfera, por un casquete de superficie esférica de igual área que el cuadrado del radio. La superficie esférica total subtiende un ángulo de 4 II estereorradianes.

Patrones Básicos del Sistema Internacional de Unidades   S.I.

UNIDAD PATRÓN		NOMBRE DE LA UNIDAD		ABREVIATURA
LONGITUD		METRO		m
MASA		KILOGRAMO		Kg
TIEMPO		SEGUNDO		s
CANTIDAD DE  MATERIA (SUSTANCIA)		MOLE		mol
TEMPERATURA   TERMODINÁMICA		KELVIN		K
INTENSIDAD DE CORRIENTE		AMPERIO		A
INTENSIDAD  LUMINOSA		CANDELA		cd
Unidades Suplementarias
ANGULO PLANO	RADIÁN		Rad
ANGULO SÓLIDO	ESTEREORADIÁN		Sr

ALGUNOS PATRONES, UNIDADES DERIVADAS Y SÍMBOLOS EN EL SISTEMA INTERNACIONAL
MAGNITUD	UNIDAD DERIVADA	SIMBOLO
Superficie	metro cuadrado	m2
Volumen	metro cúbico	m3
Velocidad	metros entre  segundo	m / s
Aceleración	metros entre  segundo al cuadrado	m / s2
Densidad	kilogramo entre metro cúbico	kg / m3
Densidad de corriente	amperio entre  metro cuadrado	A  / m2
Cantidad de movimiento	kilogramo por metros entre segundo	kg x m / s
Luminancia	candela entre  metro cuadrado	cd / m2
Volumen específico	metro cúbico entre  kilogramo	m3 / kg
Fuerza de campo magnético	amperio entre  metro	A / m
Impulso	Fuerza por tiempo	F x T

SISTEMA DE UNIDADES

EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

ALGUNAS UNIDADES DE ESPACIO  (E), MASA (M) Y TIEMPO (T).

ABREVIATURAS Y EQUIVALENCIAS.

NOMBRE DE LA UNIDAD	ABREVIATURA	UNIDAD DE	EQUIVALENCIAS
Kilómetro	Km	E	1 km = 1000 m = 103m
Metro	M	E	1 m  = 100 cm  = 102 m  =  103 mm
Centímetro	Cm	E	1 cm  = 10 mm  = 10-2 m
Decímetro	Dm	E	1 dm  = 10 cm  = 10-1  m
Milímetro	Mm	E	1 mm   = 10-3 m
Decámetro	Dam	E	1 dam  = 10 m
Año luz	a.l.	E	1 a.l.  = 9,46 x 1015 m
Pársec	Pc	E	1 pc  = 3,08 x 1016 m
Angstron	A	E	1 A  = 10-10 m
Micrón	µ	E	1 µ    = 10 –6 m
Kilogramo	Kg	M	1 kg  = 1000 g  = 103 g
Gramo	G	M	1 g  = 10-3 kg
Miligramo	Mg	M	1 mg  =  10-3g
Microsegundo	µ s	T	1    µ s = 10-6  s
Milisegundo	Ms	T	1 ms  = 10-3 s
Año	A	T	1 a = 365,25 d  = 365 d
Día	D	T	1 d  = 24 h  =  86400  s
Minuto	min	T	1 min  = 60 s
Hora	H	T	1h  = 60 min   =  3600  s

 

SISTEMA DE UNIDADES

EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

SUBMULTIPLOS DEL S.I.

Prefijos	Abreviatura	Valor decimal	Valor exponencial
Deci	D	0,1	10-1
Centi	C	0,01	10-2
Mili	M	0,001	10-3
Micro	µ	0,000 001	10-6
Nano	N	0,000 000 001	10-9
Pico	P	0,000 000 000 001	10-12
Fentto	F	0,000 000 000 000 001	10-15
Atto	A	0,000 000 000 000 000 001	10-18
Zepto	Z	0, 000 000 000 000 000 000 001	10-21
yocta	Y	0,000 000 000 000 000 000 000 001	10-24

EL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

MULTIPLOS DEL S.I.

Prefijos	Abreviatura	Valor decimal	Valor exponencial
Deca	Da	10	101
Hecto	H	100	102
Kilo	K	1000	103
Mega	M	1 000 000	106
Giga	G	1 000 000 000	109
Tera	T	1 000 000 000 000	1012
Peta	P	1 000 000 000 000 000	1015
Exa	E	1 000 000 000 000 000 000	1018
Zetta	Z	1 000 000 000 000 000 000 000	1021
Yotta	Y	1 000 000 000 000 000 000 000 000	1024

NOTACION CIENTÍFICA: Un número en notación científica es de la forma: A x 10ⁿ   donde A es un número decimal tal que: 1  <  A  <  10,  y  n  є    Z.   

Quiere decir que:

CUALQUIER NUMERO EN FORMA DECIMAL (*) PUEDE ESCRIBIRSE EN NOTACIÓN CIENTÍFICA, COMO UN NUMERO MAYOR O IGUAL A (1) Y MENOR QUE (10), MULTIPLICADO POR UNA POTENCIA ENTERA DE  (10).

Algunos Factores de Conversión:

TABLAS DE CONVERSION:

1 km   = 1000 m	1  milímetro ( mm ) = 10-3m
1 h      = 60 min	1 atmósfera (atm.) = 760 mm de Hg
1 h    =   3600  s	1 libra (masa) = 0,4536 kg
1 milla  = 1609  m	1 libra (peso)  = 4,45 N
1milla   = 1,609  km	1 litro  = 1000 cm3
1 km  =   3125  pie	1 g / cm3  = 1000  kg / m3
1 pulgada  = 2,54 cm	1 caloría =  4,19 Joule
1 pie   =  32 cm	1 m  = 100 cm
1 pie   = 0,3048  m	1 cm  =  10 mm
1 yarda   = 91,44 cm	1 m   = 1000 mm
1 angstrom  ( A ) =  10-10m	1 día  = 86400  s
1 milla (mi) = 5280 pies	1 km2 = 10002 m2
1 m3 = 1003 cm3	1 m2 = 10002 mm2
1 m3 = 10003 mm3	1 m2 = 1002 cm2
1 pulg. = 0, 0254 m	1 quintal = 46 kg
1 unidad astronómica (u.a) = 149 600 000 km
Velocidad Rayo = 900 000 km/s
Energía del rayo (E.r) = 1 000 000 voltios.

LEYES DE POTENCIA:

1-  A⁰  = 1  Toda potencia con exponente cero ( 0 ) siempre es igual a uno (1).

Ejemplos:

q  6⁰ = 1                                                 10⁰  = 1

2- A¹  = a    Toda potencia con exponente uno ( 1 ) es igual a la base.

Ejemplos:

q  16¹ = 16                                             20¹  = 20

3- 1ⁿ = 1  Cuando la base es uno ( 1 ) el resultado siempre es uno.

Ejemplos:

q  1⁰  = 1                                                1⁵ = 1

4- ( a / b )ⁿ = aⁿ / bⁿ . Para elevar a potencia una fracción, se eleva tanto el numerador como el denominador.

Ejemplos:

q  ( 3 / 6 )² = 3²  / 6²  = 9 / 36                ( 2 / 5 ) ² =  2² / 5² = 4 / 25   

5- Aⁿ x A^m  = A ^{n + m}. Para multiplicar potencia de igual base se conserva la base y se suman los exponentes

Ejemplos:

q  A⁵ x A⁶ = A^{5 + 6} = A¹¹                         2X⁴  x  3X²  =  6X⁶

6- A^m  / Aⁿ = A ^{m – n}  Para dividir potencia de igual base, se conserva la base y se restan los exponentes.

Ejemplos:

q  X⁶ / X³= X^6-3 = X³                             10⁷/ 10⁵= 10^7-5= 10²

7- A^-n  = 1 / Aⁿ . Cuando el exponente es negativo se convierte en una fracción, en donde  el numerador es ( 1 ) y el denominador es la potencia; pero con exponente positivo.

Ejemplos:

q  2^-3 = 1 /2³ = 1 / 8                               -5^-2  = 1 /-5² =  1 / 25

8-  ( Aⁿ )ⁿ: Para elevar a potencia otra potencia se conserva la base y se multiplican los exponentes.

Ejemplos:

q  ( a³ )⁵ = a¹⁵                                        ( m⁴ )² = m⁸

 9- A ^{m / n} =  √ A^m . Cuando una potencia en el exponente es una fracción se convierte en radical, el denominador es el índice del radical y el numerador es el exponente del sub- radical.

Ejemplos:

q  2 ^3/5  = √ 2³                                        3 ^3/2  = √ 3³

10- ( a x b )ⁿ = aⁿ x  bⁿ : Para resolver potencias de base diferente se elevan todas las bases a potencia y se suman o restan los exponentes.

Ejemplos:

q  ( A^-2 Y³ Z )^-3 = A⁶ Y^-9Z^-3                                 ( M⁵ N^-3 )⁴ = M²⁰  N^-12 = M²⁰ / N

OTRAS EQUIVALENCIAS
Esto pertenece al sistema Ingles de unidades escalares de longitud: 
1 pulgada= 0.0254 m. 
1 pie = 12 pulgadas = 0.3048 m. 
1 yarda = 3 pies = 36 pulgadas = 0.9144 m. 
1 milla = 1760 yardas = 5280 pies = 63360 pulgadas = 1609.344 m. 
1 milla náutica= 1852 m=1,852 km
1 vara es una medida española antigua que equivale actualmente a 33 pulgadas o 0.8382 m. 

1 nudo = 1 milla náutica por hora = 1852 m/h (metros por hora), es decir aproximadamente 0,5144 metros por segundo. Esta definición se basa en el acuerdo internacional³sobre la longitud de la milla náutica.



Derechos de autor: Profesor Marco Triguero