Breve Historia de la F sica Introducci...

Breve Historia de la Física

Prof. J GüémezDepartamento de Física Aplicada

Universidad de Cantabria

Introducción

Máster en EducaciónFacultad de Ciencias, enero 2018

¿Por qué es interesante, para un profesor de física, la historia de la física?

La física (siempre junto con las matemáticas), es la actividad colectiva humana que más exito ha tenido. Es una actividad que sigue en progreso.

La aplicación (más o menos intuitiva) del método científico, permiteadquirir una información que puede transformarse en un conocimiento (relativamente) seguro.

Hasta que mejores experimentos y mejores teorías permitan acceder a conocimiento más seguro.

Desarrollo de conceptos en la historia de la física

Los científicos que nos han precedido han debido desarrollar dotes de observación, capacidades de simplificación, capacidad para desarrollar conceptos físicos, capacidad para desarrollar teorías, etc..

Un alumno que comienza a estudiar física debe pasar por, muy aproximadamente, estas mismas fases. Por eso, es pedagógicamente importante que el profesor de física le muestre las circunstancias por las que pasaron otros y cómo se superaron las dificultades.

Primer principio moral de un físico, de J. Archibald Wheeler

Importancia de los experimentos en (la historia de la) física

Nunca se debe llevar a cabo un cálculo, sin conocer antes el resultado. Importancia de las estimaciones.

No se debe llevar a cabo un experimento, sin saber antes lo que se puede esperar. Importancia de las aproximaciones.

El material siempre tiene razón.La naturaleza nunca te engaña.

Las afirmaciones (extraordinarias) exigen pruebas (extraordinarias)

Preconceptos equivocados en (la historia de la) física

Los científicos que nos han precedido han tenido que ser capaces de eliminar todos los preconceptos (ideas casi innatas) que se demuestran incorrectos.

Un alumno que comienza a estudiar física tiene los mismos preconceptos equivocados que los anteriores científicos. La historia de la ciencia le puede ayudar a eliminar de forma eficiente dichos preconceptos, a la vez que conoce cómo se aplica el método científico.

¿Por qué realizan experimentos los científicos?

Experimentos importantes en la historia de la física

Para averiguar cosas sobre la naturaleza¿Cómo formular preguntas a la naturaleza?¿Cómo comprender las aparentes respuestas de la naturaleza?

Serendipia. La mente preparada

Criterios para elegir un experimento importanteExperimentos importantes en la historia de la física

AmenosInstructivos

Importancia históricaElegantesCulminación de una serie

Diferencias entre observaciones y experimentos

Nombre propio.

¿Cómo distinguir un huevo crudo de un huevo cocido?


1. Aplicando el principio de inercia de Galileo2. Construyendo réplicas artificiales que los imiten y sean más fáciles de estudiar.

Jean Buridan Nació en 1300 en Betune (Francia). Cursó estudios en la universidad de París, donde tuvo como maestro al filósofo escolástico inglés Guillermo de Ockham. Fue nombrado profesor de filosofía y más tarde rector de la misma universidad. Célebre por sus trabajos de lógica acerca del descubrimiento del término medio entre del silogismo y en la determinación de la naturaleza de la libertad psicológica. Se le atribuye el dilema del "asno de Buridan", que estando el asno situado a igual distancia de dos montones idénticos de paja y la pobre bestia murió de hambre porque no tenía base racional alguna para preferir una pila u otra. Falleció en 1358.

Teoría del Impetus

Cuando un cuerpo es lanzado, adquiere un cierto impetus.El impetus se conserva, a menos que aparezca alguna resistencia.

Anticipación del principio de inercia de Galileo.

Los cuerpos celestes recibieron su impetus durante la creación, manteniéndolo constante.

El impetus es proporcional a la masa del cuerpo y a la velocidad que ha adquirido.

Anticipación del concepto de momento lineal

Teoría del Impetus

Cuando un cuerpo es lanzado, adquiere un cierto impetus.El impetus se conserva, a menos que aparezca alguna resistencia.

El impetus es proporcional a la masa y a la velocidad.

vi

vi vi vi

v̄i v̄i v̄i

Teoría del Impetus

Un cuerpo en caída libre

adquiere impetus por la fuerza de la gravedad, a la vez que mantiene

el ímpetus adquirido.

Su velocidad debe ir

aumentando.

vi

vf

Colisiones elásticas

Cuerpo 1 igual a cuerpo 2. Cuerpo 2 en reposo

Cuerpo 1 se detiene. Cuerpo 2 se mueve con la velocidad inicial del 1

r =m1

m2= 1


Cuerpo 1 más pesado que el cuerpo 2. Cuerpo 2 en reposo

Cuerpo 1 no se detiene. Cuerpo 2 se mueve con velocidad final

r =m1

m2> 1


Cuerpo 1 mucho más pesado que el cuerpo 2. Cuerpo 2 en reposo

Cuerpo 1 no se detiene. Cuerpo 2 se mueve con el doble de velocidad que el 1

r =m1

m2= 20


Cuerpo 1 menos pesado que el cuerpo 2. Cuerpo 2 en reposo

Cuerpo 1 velocidad negativa. Cuerpo 2 se mueve con velocidad final

r =m1

m2< 1


Cuerpo 2 es una pared.

Cuerpo 1 invierte su velocidad

r =m1

m2= 0

Explicación de los fenómenosColisiones

Colisiones elásticasHay que asignar propiedades a los cuerposEn una colisión influye la masa del cuerpo que se lanzaEn una colisión influye la velocidad del cuerpo que se lanzaAl cuerpo se le asocia un momento lineal

p = mv

r =m1

m2

Se lanza un cuerpo con velocidad inicial contra un cuerpo en reposo

r = 1 v̄1 = 0 v̄2 = v

r = 2 v̄1 =1

3v v̄2 =

4

3v

r = 3 v̄1 =1

2v v̄2 =

3

2v

r = 10 v̄1 =9

11v v̄2 =

20

11v

r = 1 v̄1 = v v̄2 = 2v

Colisión elástica bola ligera-bola pesada

Cuerpo 1 menos pesado que el cuerpo 2. Cuerpo 2 en reposo

Cuerpo 1 velocidad negativa. Cuerpo 2 se mueve con velocidad final

r =m1

m2< 1

Para que se conserve el momento lineal en un choque elástico entre un cuerpo ligero y uno más pesado en reposo, es necesario asignar signo a la velocidad, positivo o negativo. La velocidad es una magnitud vectorial.Al cuerpo se le asocia un momento lineal

~p = m~vEl momento lineal es una magnitud vectorial.

Se lanza un cuerpo con velocidad inicial contra un cuerpo en reposo

r =1

2v̄1 = �1

3v v̄2 =

2

3v

r =1

3v̄1 = �1

2v v̄2 =

1

2v

r =1

5v̄1 = �2

3v v̄2 =

1

3v

r = 0 v̄1 = �v v̄2 = 0

r =1

10v̄1 = � 9

11v v̄2 =

2

11v

Choque elástico bola-pared

Cuerpo 2 es una pared.

Cuerpo 1 invierte su velocidad

r =m1

m2= 0

Cuando un cuerpo ligero choca elásticamente contra una pared, su momento lineal varía

Aparentemente, el momento lineal de la pared no varía. Por tanto, parece que no se conserva el momento lineal en este choqueNewton resuelve la contradicción admitiendo que el efecto de la pared sobre la bola es ejercer un impulso (fuerza por tiempo) sobre ella tal que

�~p = �2m~v

~̄F�t = �~p

Principio de conservación del momento lineal

m1v + 0 = m1v̄1 +m2v̄2

Hipótesis

Capacidad explicativa (se explican las velocidades finales obtenidas), pero no predictiva (no se pueden

obtener las velocidades finales)

~p = m~v

X

i

~pi =X

j

~pj

Colisiones inelásticas

Cuerpo 1 igual al cuerpo 2. Cuerpo 2 en reposo

El grupo se mueve con la mitad de la velocidad inicial


Cuerpo 1 mucho menos pesado que el cuerpo 2. Cuerpo 2 en reposo

El grupo se mueve con muy poca velocidad

Colisión inelástica

m1v + 0 = (m1 +m2)v̄

r = 1 v̄ =1

2v

r = 3

v̄ =v

1 + r�1

v̄ =3

4v

r =1

3v̄ =

1

4v

Capacidad explicativa y predictiva

Principio de conservación del momento linealColisiones elásticas

Se necesita una hipótesis adicional para poder predecir las velocidades finales de los cuerpos.Principio de conservación de la energía cinética

X

i

~pi =X

j

~pj

K =1

2mv2

X

i

Ki =X

j

Kj

Christian Huygens(La Haya, 1629-id., 1695) Matemático, astrónomo y físico holandés. Pronto demostró un gran talento para la mecánica y las matemáticas. Huygens adquirió una pronta reputación en círculos europeos por sus publicaciones de matemáticas y por sus observaciones astronómicas. Destacan, sobre todo, el descubrimiento del mayor satélite de Saturno, Titán (1650), y la correcta descripción de los anillos de Saturno, que llevó a cabo en 1659. En 1673 se publicó su famoso estudio sobre El reloj de péndulo, brillante análisis matemático de la dinámica pendular en el que se incluyeron las soluciones completas a problemas como el período de oscilación de un péndulo simple y las leyes de la fuerza centrífuga para un movimiento circular uniforme. Contemporáneo de Isaac Newton, su actitud mecanicista le impidió aceptar la idea de fuerzas que actúan a distancia.El mayor logro de Huygens fue el desarrollo de la teoría ondulatoria de la luz, descrita ampliamente en el Traité de la lumière (1690), y que permitía explicar los fenómenos de la reflexión y refracción de la luz mejor que la teoría corpuscular de Newton.

Principio de conservación del momento lineal

Principio de conservación de la energía cinética

X

i

~pi =X

j

~pj

X

i

Ki =X

j

Kj

m1v + 0 = m1v̄1 +m2v̄21

2m1v

2 + 0 =1

2m1v̄

21 +

1

2m2v̄

22


m1v + 0 = m1v̄1 +m2v̄21

2m1v

2 + 0 =1

2m1v̄

21 +

1

2m2v̄

22

r =m1

m2

v̄1 =r � 1

r + 1v

v̄2 =2r

r + 1v

Capacidad explicativa y predictiva


r = 3

v̄ =v

1 + r�1

v̄ =3

4v

r =1

3v̄ =

1

4v

Ki =3

2v2 Kf =

1

249

16v2 =

9

8v2 �K = �3

8v2

Ki =1

6v2 Kf =

1

2

4

3

1

16v2 =

1

24v2 �K = �1

8v2


v̄ =v

1 + r�1

Capacidad predictiva pero no explicativa

Se conserva el momento lineal, pero se destruye energía cinética


Cadena de cuentas que se deja caer

1. Una cadena de cuentas dejada caer desde una altura h cae con una velocidad

v =p

gh

Una cadena de cuentas de longitud L tarda un tiempo

t =Lpgh

2. ¿Cómo explicar que la parte de la cadena que se pone en movimiento se eleva por encima del borde del vaso?

Cadena de cuentas que se deja caerExperimento interesante en física. Proyecto de investigación

Cadena de cuentas que se deja caer

Experimento interesante en física

h

LM

v(h)

�

(a) (b)

1

2Mgh =

1

2mv2

v =p

gh

t =L

v

t =L

g1/2h�1/2

¿Cuánto se eleva una cadena de cuentas que se deja caer?Efecto auto-sifón: El descubrimiento

¿Cuánto se eleva una cadena de cuentas que se deja caer?Efecto auto-sifón: una primera explicación

¿Cuánto se eleva una cadena de cuentas que se deja caer?Efecto auto-sifón: más experimentos

¿Cuánto se eleva una cadena de cuentas que se deja caer?Efecto auto-sifón: experimentos diseñados

Breve historia de (experimentos importantes en) la física

Thales de Mileto: Medida de la altura de las pirámides de GizaArquímedes: composición de la corona del rey Hierón

Aristóteles: experimentos de electrostática y magnetismo

Eratóstenes. Medida de la circunferencia de la Tierra

Grecia clásica

Aristarco de Samos. Medidas astronómicas

Galileo Galilei. Caída de graves

Edad Media


Isaac Newton. Experimentos numéricos en gravitaciónEdmund Halley: aplicación a cometasHenry Cavendish. La constante de gravitación

Mecánica y fluidos

Leon Foucault. El péndulo de FoucaultBlas Pascal. Experimentos con fluidos



Robert Boyle. Ecuación de los gases

Thomas Savery. Máquinas térmicas

James y William Thompson. RegelaciónJames Joule. Equivalente mecánico del calor

Termodinámica y máquinas térmicas

Robert Mayer. Cálculos sobre conservación de la energíaCount Rumford: desafiando la teoría del calórico

Sadi Carnot. Cálculos sobre el segundo principio

Christiaan Huygens. El carácter ondulatorio de la luzIsaac Newton. El arco irisThomas Young. Doble rendijaHeinrich Hertz. Ondas electromagnéticas y efecto fotoeléctrico

Luz. Óptica

Willebrord Snell. El carácter geométrico de la luz


Charles Coulomb. La ley de la fuerza eléctricaBenjamín Franklin. Las fuerzas eléctricasAlejandro Volta. La pila de VoltaHans Christian Oersted. Electricidad y magnetismoMichael Faraday. Principio de inducción de FaradayEmil Lenz. Ley de LenzHeinrich Hertz. Las ondas electromagnéticas

Electricidad, magnetismo, electromagnetismo


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