Introducción a la Física Elemental

PRESENTACIÓN:

                       

El material que seguidamente tendrá el lector es una compilación de información tomada de diferentes libros y autores, cuyo único propósito es que sirva al estudiante como recurso didáctico  de apoyo en la clase, así como fuera de ella.

Es importante señalar  que el mismo en ningún momento pretende emplazar la labor del docente o que para  el discente represente ser  el contenido de una pruebe de índole sumativa. Por ello  el joven  debe aprovechar los recursos e instrumentos que la tecnología  brinda y tener una actitud positiva hacia la materia  en cuestión, y no verse como un obstáculo. Sin duda la Física como otras ciencias son parte integral para el ser humano; la cual nos permite comprender el mundo que nos rodea en aras de una mejor calidad de vida.

El autor.

"El hombre encuentra a Dios detrás de cada puerta que la ciencia logra abrir…"

Albert  Einstein

"Nunca consideres el estudio como un deber, sino como una oportunidad para penetrar en el maravilloso mundo del saber…" Albert  Einstein

Introducción

LA FÍSICA: Hasta hace poco más de cien años (S.XX) la Física y la Química todavía formaban parte de los estudios de la naturaleza. Pero esos estudios de la naturaleza se desarrollaron tan rápidamente en el último siglo, que se hizo necesario deslindar los diversos campos.

Actualmente, la Física se dedica al estudio de los cuerpos y sus fenómenos, siempre que no haya cambio en la composición de las sustancias. Las alteraciones experimentadas por la materia son objeto de estudio en la Química.

Cabe distinguir dos clases de fenómenos naturales:

1. Fenómenos químicos, por los cuales las sustancias que participan en ellos dan origen a nuevas sustancias;   tal como sucede en la combustión de la materia, la descomposición de los cuerpos, etc.

2.  Los fenómenos físicos, tales como la caída de los cuerpos, la ebullición del agua, la congelación del agua, etc., que no van acompañados de cambios en la  estructura de la materia.

Sin embargo, la división entre la física y la química es difícil de delinear; corrientemente los cambios sufridos por la materia participan de un doble carácter físico y químico, y su estudio es entonces objeto de la rama conocida como físico-química. Así, al quemarse el carbón  y producir dióxido de carbono ocurre un cambio químico, pero la liberación de energía que tiene lugar es de interés para ambas ciencias. Por otra parte, la formación del hielo sólido (dióxido de carbono) es un fenómeno físico que no involucra un cambio en la naturaleza química también se interesa en el cambio de estado que tiene lugar.

Debido a su campo tan amplio de investigaciones, la física se a subdividido en diversas ramas. La ingeniería no es otra cosa que física aplicada. La electricidad, la mecánica, la óptica, la acústica, el estudio del calor y sus aplicaciones, son otras tantas divisiones de la física. Existen además varias ciencias a fines que utilizan los principios de la física. Así la Astrofísica combina la física y la Astronomía en el estudio de los astros.

 La Geofísica combina la física y la Geología en el estudio de las rocas. La  biofísica combina  el estudio de la física con el de la biología.

En los últimos años los estudios físicos se han concentrado  especialmente en el estudio del átomo.

Dichas investigaciones se han resuelto en los modernos conocimientos sobre los rayos equis (X), electrones, radiactividad, fotoelectricidad, nucleónica y otros campos. Energía y materia son las dos ideas  más importantes consideradas en física, pero existen muchos otros asuntos relacionados con ellas. Conceptos tales como espacio, tiempo, fuerza y movimiento son también fundamentales para esta ciencia.

Breve Reseña Histórica

Los antiguos solucionaron problemas de física, pero sin extraer conclusiones, in establecer leyes. Y así fue por miles de años. Luego entre los siglos VIII y VII a de J.C., apareció la ciencia que por primera vez estudio los fenómenos  de la naturaleza, y entonces nació la Física.

El coloso de la física antigua  fue Arquímedes (287 – 212 a. de J.C. ) después de él, hubo un vacío. Su sistema de estudio y de investigación, que podemos llamar experimental, se perdió y durante siglos, la física no fue sino un conjunto caótico de distintas observaciones.

En la segunda mitad del siglo  XV, Leonardo da Vinci  comenzó a estudiar los fenómenos, reproduciéndolos  artificialmente, a fin de establecer leyes físicas estrictas. Y finalmente, a mediados del siglo XVI, nació un hombre que fundó virtualmente la física moderna: Galileo Galilei. Puede decirse que Galileo demolió prácticamente todas las teorías aristotélicas y fundó la ciencia moderna, con su sistema de investigación experimental, su rigor, su precisión. La obra de Galileo fue continuada por el gran Torricelli (1608 - 1647).

En el mismo año de la muerte de Galileo  (1642), nació en Inglaterra el hombre que habría de ser la figura cumbre  de las ciencias físicas: Isaac Newton.

Estableció entre otras, la famosa ley de gravitación universal, que explica prácticamente la armonía del universo. Sus estudios sobre mecánica, astrofísica y matemática fueron muy profundos y vastos, y de enorme importancia.

Newton murió en 1727, o sea en el siglo considerado como un "siglo de las ciencias". En él se inició el estudio de la electricidad como verdadera ciencia, se descubrió qué era el calor y comenzó a revelarse el misterio de la luz.

Durante el siglo pasado, naturalmente la física se desarrollo en todos los sentidos, realizando señalados progresos en sus distintas ramas. Se difundió también la física aplicada, especialmente a las máquinas, a los motores a vapor, de explosión y eléctricos. El siglo XIX es el siglo de la óptica (fotografía, cinematografía, etc.) y de la electricidad (motor eléctrico). Y puso los fundamentos de electrónica  (computadora, radio, calculador entre otros).

Del siglo XIX se ha pasado, sin altibajos a nuestro siglo, en que desde el punto de vista científico se están repitiendo los "milagros" de Galileo y Newton. En los primeros cincuenta años del siglo XX, el hombre más importante de la física fue Alberto Einstein, el sabio investigador alemán, que con sus profundísimos estudios  sobre la luz, el tiempo, el espacio y la energía (materia), ha hecho avanzar considerablemente los conocimientos de la humanidad, y ha descubierto muchas leyes que regulan la naturaleza y el universo

Leyes Físicas y su Aplicación

En el desarrollo de cualquier ciencia, los investigadores tratan de establecer principios  generales que se apliquen a todos los casos. Una vez establecidos, dichos principios se llaman leyes naturales, o en el caso concreto que nos ocupa, leyes físicas. A Isaac Newton, por ejemplo, se atribuye el descubrimiento de las principales leyes del movimiento de los cuerpos, aunque para sus estudios se hubiera basado en los trabajos de Galileo Galilei, pues Newton  fue que por primera vez formuló las condiciones que se presentan en todos los casos de movimiento.

Se da el nombre de hipótesis a las conjeturas o explicaciones preliminares que se hacen los científicos sobre una serie de fenómenos naturales. Una teoría, en cambio, es una explicación general de los hechos fundada en ciertas hipótesis. En física, el trabajo experimental se dirige hacia la comprobación de las nuevas teorías y a la explicación de las establecidas. A pesar de lo muy atractiva que determinada teoría pueda parecer, tendrá que ser descartada sino se comprueba por los hechos experimentales. En algunas ocasiones resulta que los hechos prácticos toman un sesgo imprevisto por los científicos, lo cual obliga a estos a cambiar diversos aspectos de la teoría o a formular otra completamente nueva. Experiencia y teoría deben coincidir para que haya progreso en la ciencia.

El descubrimiento de las leyes naturales ha construido la base del progreso científico a través de los siglos.

A mediados del siglo XIX, los físicos alemanes Roberto Mayer y Herman  von Helmholtz y el inglés Jaime Prescott Joule, formularon la ley de conservación de la energía, que es fundamental en la física, como la ley de conservación de la materia que lo es para la química. Dicha ley especifica  que  la energía no puede ser creada ni destruida, aunque si puede ser transmitida y cambiada de una forma a otra. El descubrimiento de que el calor es producido por el movimiento de los átomos y las moléculas, fue otro de los descubrimientos importantes del último siglo.

La teoría cinética de los gases a contribuido al conocimiento de la constitución de la materia y de las manera como ésta reacciona. Explica dicha teoría, por ejemplo, la presión  que los gases ejercen sobre las paredes de los recipientes que los contienen se ejerce en todas las direcciones, debido a la distribución molecular.

El gran campo experimental de la teoría del electrón  ha dado base para una nueva rama conocida como electrónica. El estudio de la estructura de atómica ha conducido al descubrimiento del núcleo atómico (ver átomo) y el campo de la nucleónica se encuentra ahora en pleno desarrollo. El siglo XX ha sido una época de rápido progreso en el campo de la física, a partir del descubrimiento de los rayos X y la radiactividad; el radio fue descubierto gracias a los estudios de Enrique Hertz y el electrón se acabó de revelaren los experimentos realizados por José Thompson.

 Pero todos estos descubrimientos hallaron inmediata aplicación y condujeron a la formulación de nuevas teorías. Ernesto Rutherford demostró la existencia de un núcleo atómico y Maximiliano Planck introdujo una  teoría de la radiación, conocida como la Teoría de los Quanta "paquete de energía", la cual ha explicado muy acertadamente diversos hechos relativos a la luz.

Alberto Einstein contribuyó con la notable Teoría de la Relatividad, que unifica  más efectivamente que nunca los conceptos de espacio, tiempo, movimiento y materia (energía). Como resultado de esta teoría, la materia ha venido a ser  considerada como otra de varias formas  de energía. Este nuevo concepto de materia ha sido fundamental  en los estudios  destinados a liberar energía atómica. Finalmente, el descubrimiento efectuado por Luis De Broglie, de que la transmisión de partículas tiene también características ondulatorias ha conducido a un nuevo y prometedor  estudio de la mecánica de las ondas.      

GUÍA DE TRABAJO

TEMA: HISTORIA DE LA FÍSICA.

1- ¿Cuál es la diferencia entre un fenómeno químico y uno físico?

2- ¿Por qué es difícil la división entre la Física y la Química?

3- Cite por escrito un ejemplo donde esta relacionada la Física con la Química.

4- ¿Cuáles son las ideas más importantes  consideradas en la Física? nómbrelas.

5- Indique cuándo nació la Física?

6- Quién fue el coloso de la Física antigua y por qué?

7- Quién  fundó la Física Moderna  y cuál fue su labor?

8- Quién fue la figura cumbre de las ciencias Físicas y cuál fue su labor?

9- Enumere una lista de los adelantos de la Física del siglo XIX.

10- Quién fue el científico más importante de la primera mitad del siglo XX,  por qué?

11- Cuál científico descubrió las principales leyes del movimiento?

12- Establezca la relación existe entre Galileo Galilei e Isaac Newton?

13- Explique qué es una hipótesis?

14- Explique qué es una teoría?

15- Por qué razón se puede descartar una teoría?

16- Cuáles dos cosas deben de coincidir para que haya progreso en la ciencia? Justifique su respuesta.

17- Cuáles científicos formularon la Ley de Conservación de la Energía? Qué explica?

18- Qué explica la Teoría Cinética de los Gases?

19- Indique por escrito cuáles fueron los aportes de Enrique Hertz, Juan José Thomson, Ernesto Rutherford, Maximiliano Planck, Alberto Einstein,  Luis De Broglie.

20- Cite los conceptos que unifican la Teoría de la Relatividad.



Derechos de autor: Licenciado Marco Triguero