HISTORIA DE LA FÍSICA

La física tiene sus orígenes en la Grecia antigua, en donde se trato de explicar el origen del

universo y el movimiento de los planetas. Leucipo y Democrito, 500 anos a. C., pensaban que

todas las cosas que nos rodean, es decir, la materia, estaban constituidas por pequeñas

partículas. Sin embargo, otros pensadores griegos como Empedocles, quien nació unos 500 anos

a. C, sostenían que la materia estaba constituida por cuatro elementos básicos: tierra, aire, fuego y

agua (Fig. 1.7).

Hacia el ano 300 a. G, Aristarco ya consideraba que la Tierra se movía alrededor del Sol. Sin

embargo, durante cientos de anos predomino la idea de que nuestro planeta era el centra del uni -

verso, que este ultimo carecía de movimiento; además, que todos los planetas y estrellas giraban

en torno al mundo que habitamos. Alrededor del ano 1500 de nuestra era, se desarrollo un gran

interés por la ciencia, y entonces Galileo Galilei, científico italiano, llego a comprobar que la Tierra

gi-raba alrededor del Sol, como sostenía Copernico, un astrónomo polaco. Aun mas, Galileo

construyó su propio telescopio y demostró que las estrellas se encontraban a distancias fabulosas

y que, debido a ello, la mayor parte resultaba invisible al ojo humano. También descubrió manchas

en el Sol, mismas que al desplazarse lentamente demostraban que este giraba sobre su propio

eje. Sin embargo, en Roma, la Santa Inquisición obligo a Galileo a retractarse de estas

afirmaciones, las cuales chocaban completamente con las ideas religiosas contenidas en las

Sagradas Escrituras. Galileo paso sus últimos días en el retiro y murió en 1642, el mismo

año del nacimiento de Isaac Newton, científico ingles que describió el movimiento de los

cuerpos celestes por medio de su ley de la gravitación universal Explico que la fuer/.a de atracción

llamada gravedad, que existe entre dos objetos cualesquiera, hace que las cosas caigan al suelo y se

mantengan sobre la Tierra, de la misma manera en que el Sol retiene a los planetas que giran a su alrededor.

En el siglo xv se initio el estudio de la termodinámica, rama de la física que se encarga del estudio de la transformación

del calor en trabajo, y viceversa. Benjamín Thomson, conde de Rumford, propuso que el calentamiento causado por la

fricción se debía a la conversión de energía mecánica en energía térmica.

En 1820, el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, alrededor de

este se genera un campo magnético parecido al de un imán. Este hecho dio nacimiento al electromagnetismo, que estudia las

relaciones mutuas entre la electricidad y el magnetismo. En 1831, el físico y químico ingles Michael Faraday descubrió las corrientes

eléctricas inducidas, que se producen cuando se mueve un conductor en sentido transversal (perpendicular) a las líneas de flujo de un

campo magnético. Faraday enuncio el siguiente principio: la inducción electromagnética es el fenómeno que provoca la generación de

una corriente eléctrica inducida, como resultado de la variación de flujo magnético, debido al movimiento relativo entre un conductor y

un campo magnético. En la actualidad, casi toda la energía que se consume en nuestros hogares, comercios, fabricas, escuelas y

oficinas, se obtiene de la inducción electromagnética. En todo el mundo existen generadores eléctricos cuyas turbinas son movidas

por agua en estado líquido o en forma de vapor, en los cuales enormes bobinas giran entre los polos de potentes imanes y generan

grandes cantidades de energía eléctrica (Fig. 1.9).

Figura 1.7 Empedocles propuso la teoría de los "cuatro elementos" al considerar que la materia estaba constituida por: aire, agua, tierra y fuego.

A principios del siglo xix, John Dalton considero que todas las cosas estaban formadas por pequeñas partículas llamadas átomos, idea que fue aceptada por otros científicos, constituyéndose la teoría atómica; también se discurrió que los átomos se combinan para formar moléculas

LA FISICA Y SU IMPACTO EN LA CIENCIA Y LA TECNOLOGIA

La física es una de las ciencias naturales que más ha contribuido al desarrollo y bienestar del hombre, porque gracias a su estudio e

investigación ha sido posible encontrar, en múltiples casos, una explicación clara y útil de los fenómenos que se presentan en nuestra

vida diaria.

La palabra física proviene del vocablo griego physike, cuyo significado es "naturaleza".

La física es, ante todo, una ciencia experimental, pues sus principios y leyes se

fundamentan en la expe-riencia adquirida al reproducir de manera intencional muchos

de los fenómenos naturales. Al aplicar el método científico experimental, existe la

posibilidad de encontrar respuestas concretas y satisfactorias, con el fin de

comprender cada día más el mundo en el que vivimos. El estudio de la física es

importante para todo ser humano deseoso de conocer el medio en que vive y que

quiera explicarse el porque de los múltiples fenómenos que observa. Gran parte de los

fenómenos de la naturaleza (Fig. l.l), ya sean simples o complejos, tienen explicación

en el campo de la física, por tanto, esta ciencia auxilia al hombre para adquirir un

conocimiento mas amplio del universo y una mejor calidad de vida.

La tarea de encontrar una definición clara y precisa acerca de que es la física no es

fácil, toda vez que esta abarca el estudio de numerosos fenómenos naturales; sin embargo, podemos decir de manera tentativa que:

La física es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos naturales, en los cuales no existen cambios en la composición de la

materia.

La física ha experimentado un gran desarrollo gracias al esfuerzo de notables investigadores y científicos,

quienes al inventar y perfeccionar instrumentos, aparatos y equipos, han logrado la agudización de las

percepciones del hombre, para detectar, observar y analizar fenómenos y acontecimientos presentes en el

universo.

Telescopios, radiotelescopios, radares, microscopios electrónicos (Fig. 1.2), aceleradores de partículas y

satélites artificiales (Fig. 1.3), entre otros dispositivos, son importantes aportaciones de la física a la

tecnología y ras ciencias, entre las cuales se cuentan la medicina, la biología, la química, la astronomía y la

geografía.

La aportaciones de la física han posibilitado la construcción de puentes, carreteras, edificios, complejos

industriales, aparatos utilizados en la medicina, como el que produce rayos laser y que se utiliza como un

bisturí para cirugías de los ojos, el corazón o el hígado, aparatos de radiotelecomunicación, computadoras, y

lo que actualmente nos maravilla: la exploración del universo mediante las naves espaciales (Fig. 1.4).

Figura 1.2 Por medio del microscopio electrónico es posible observar microorganismos como virus o bacterias.Figura 1.3 Los satélites artificiales tienen múltiples usos, como son la meteorología, telecomunicaciones, astronomía y militares.

MÉTODO CIENTÍFICO

La ciencia es un conjunto de conocimientos razonados y sistematizados, opuestos al conocimiento vulgar.

El hombre, en su afán de lograr el conocimiento de las cosas con base en los

principios y las causas que les dan origen, ha logrado el desarrollo constante de

la ciencia; por ello, podemos afirmar que la ciencia es uno de los productos mas

elaborados de la actividad del ser humano, pues a través de ella el hombre ha

comprendido, profundizado, explicado y ejercido un control sobre muchos de los

procesos naturales y sociales.

Las principales características de la ciencia son las siguientes:

a) Es sistematizable, es decir, emplea un método, que es el científico, para sus investigaciones, evitando dejar al azar la explicación del porque de las cosas.

b) Es comprobable, esto es, se puede verificar si es falso o verdadero lo que se

propone como conocimiento.

Método Científico Experimental: Es utilizado por las ciencias factuales, ya que la lógica y las matemáticas no requieren de la experimentación para demostrar sus enunciados como en la Física, la Quimia o la Biología que sí la necesitan para probar la validez de sus postulados.El Método Científico Experimental se tiene como una posible secuencia los siguientes pasos:

a) Identificación del problema, es decir, el fenómeno en estudio.b) Observación del fenómeno.c) Planteamiento del problema para definir claramente qué vamos a investigar del fenómeno en estudio y para qué.d) Formulación de la hipótesise) Experimentación, se llevara a cabo mediante la modificación controlada de las distintas variables involucradas en el

fenómeno de estudio.f) Registro e interpretación de datos.g) Comprobación de las hipótesis.h) Conclusiones.

MAGNITUDES FISICAS Y SU MEDICION

MAGNITUDES FUNDAMENTALES Y DERIVADAS

Los rayos son un fenómeno natural y son estudiados por las ciencias factuales.

Antes de abordar este subtema, es importante reflexionar un poco acerca de como fue el desarrollo histórico de las unidades de

medida y de los sistemas de unidades. ¿Puedes imaginarte como fueron los primeros intercambios comerciales entre los hombres

primitivos? Seguramente en tus clases de historia te has enterado de que una manera era el trueque, es decir, el cambio de una cosa

por otra. ¿Sabes como median el tiempo? Es incluible hacer referencia al día y la noche para hablar del tiempo. Así, el hombre

primitivo necesariamente hizo alusión al número de tunas o soles transcurridos para establecer determinados acontecimientos. Pero

cuando tuvo necesidad de encontrar referencias para hablar de lapsos menores a los transcurridos entre la salida del Sol o de la Luna,

debió observar como se desplazaba la sombra

Para medir la longitud, recurra a medidas tomadas de su propio cuerpo. Los egipcios usaban la brazada cuya longitud equivalía a las

dimensiones de un hombre con los brazos extendidos. Los ingleses usaban como patrón la longitud del pie de su rey. Los romanos

usaban el paso y la milla, equivalente a mil pasos. Para ellos, un paso era igual a dos pasos de los actuales, pues cada pie daba un

avance.

DEFINICIONES DE MAGNITUD, MEDIR Y UNIDAD DE MEDIDA

Magnitud

Se llama magnitud a todo aquello que puede ser medido. La longitud de un cuerpo (ya sea largo, ancho, alto, su profundidad, espesor, diámetro externo o interno), la masa, el tiempo, el volumen, el área, la velocidad, la fuerza, etc., son ejemplos de magnitudes. Los sentimientos como el amor, el odio, la felicidad, la ira y la envidia no pueden ser medidos, por tanto no son magnitudes

Medir

Es comparar una magnitud con otra de la misma especie, que de manera arbitraria o convencional se toma como base, unidad o patrón de medida.

Unidad de medida

El nombre de unidad de medida o patrón se proporciona a toda magnitud de valor] conocido y perfectamente definido, utilizado como referencia para medir y expresar el valor de otras magnitudes de la misma especie. Una de las características principales que debe cumplir un patrón de medida es que sea reproducible.

SISTEMAS DE UNIDADES CGS E INGLES

En 1881, en el Congreso Internacional de los Electricistas realizado en Paris, Francia, como resultado del gran desarrollo de la ciencia, y por supuesto de la física, se adopto un sistema llamado absoluto): el Sistema Cegesimal, o CGS, propuesto por el físico alemán Karl Gauss. En dicho sistema las magnitudes fundamentales y sus unidades de medida son: para la longitud el centímetro, para la masa el gramo, y para el tiempo el segundo. Entonces ya se observaba la diferencia entre los conceptos de masa y peso de un objeto, porque se tenía claro que el peso era el resultado de la fuerza de atracción gravitacional ejercida por la Tierra sobre la masa de los objetos.

Cabe señalar que este sistema se utilizo principalmente para expresar cantidades pequeñas, pero en la actualidad ha sido sustituido

por el Sistema Internacional de Unidades.

El Sistema Ingles que fue utilizado por mucho tiempo en varios países, actualmente solo se usa para actividades: comerciales, en Estados Unidos de América. Las magnitudes fundamentales y las unidades que utiliza para la mismas, son: para la longitud al pie (1 pie mide 30.48 cm), para la masa la libra (1 libra = 454 g) y para el tiempo el segundo.

SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, VENTAJAS Y LIMITACIONES

Conforme la ciencia fue avanzando, se hizo necesario establecer un nuevo sistema de unidades practico, claro acorde con los

descubrimientos mas recientes.

Para ello, en 1960, científicos y técnicos de todo el mundo se reunieron en Ginebra, Suiza, y acordaron adoptar; el llamado: Sistema Internacional de Unidades (Si), basado en el MKS cuyas iniciales corresponden a metro kilogramo y segundo. El Sistema Internacional

establece siete magnitudes fundamentales, mismas que señalaremos en seguida, con su respectiva unidad de medida: para longitud el metro (m), para masa el kilogramo (kg), para tiempo el segundo (s), para temperatura el grado kelvin (K), para intensidad de corriente eléctrica el ampere (A), para intensidad luminosa la candela (cd) y para cantidad de sustancia el mol. Las definiciones actuales del metro, kilogramo y segundo se proporcionan a continuación:

Metro patrón

La definición actual del metro patrón corresponde a la longitud recorrida por la luz en el vacio durante un intervalo de

tiempo.

Kilogramo patrón

Primero se definió como la masa de un decímetro cubico de agua pura en su máxima densidad (4 °C). Su definición actual es la siguiente: un kilogramo patrón equivale a la masa de un cilindro hecho de platino e iridio, el cual se conserva como modelo en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas localizada en Paris, Francia.

Segundo patrón

En la actualidad, se define como la duración de 9 192 631 770 ciclos de la radiación de cierta transición del electrón en el átomo de cesio de masa atómica 133.

Figura 1.26 El Sistema Internacional utiliza al metro, kilogramo y segundo como unidades de: longitud, masa y tiempo.

TRANSFORMACION DE UNIDADES DE UN SISTEMA A OTRO

En virtud de la existencia de varios sistemas de unidades, todos ellos actualmente en uso, con frecuencia es necesario transformar

unidades de un sistema a otro; para ello, es indispensable tener presentes las siguientes equivalencias:

EJERCICIOS A RESOLVER

INSTRUMENTOS DE MEDICION

En nuestras actividades cotidianas, o en las se realizan en la Industria o la investigación, siempre se busca realizar las mediciones con cuidado, procurando que los instrumentos o aparatos empleados estén calibrados y proporcionen resultados confiables. Sin embargo, hay que tener presente que cuando se mide una magnitud física, el valor que se obtiene no será exactamente igual al valor verdadero de dicha magnitud, por más que se realice con el mayor cuidado y se utilicen aparatos bien calibrados y de gran precisión.

La precisión de un aparato o instrumento de medición es igual a la mitad de la unidad mas pequeña que pueda medir. Tambien recibe el nombre de incertidumbre o error del instrumento o

1 kg = 2.2 libras

1 cm3 = 1 m3

1 litro = 1000 cm3

1 litro = 1 dm3

1 m3 = 1000 litros

1 galon = 3.785 litros

1 N = 1 X 105 dinas

1kg = 9.8 N

l b f = 0.454 kgf

1 ton = 103 kg

Transformar:

1. 1.5 km a m 8. 30 pulg a cm

2. 3 000 m a km 9. 15 m a yardas

10. 100 millas a km3. 8 m a cm

4. 25 cm a m 11. 0.5 litros a cm3

5. 1 5 pies a m 12. 10 dm3 a litros

6. 35 m a pies 13. 3 galones a litros

7. 12 kg a libras 14. 300 m/s a km/h

aparato de medida. Para lograr todo esto se lleva a cabo un análisis del error, que nos permite llegar a conclusiones importantes respecto a los resultados obtenidos.

Tipos de errores:

ERROR ABSOLUTO: es la diferencia entre el valor medido y el valor promedio

ERROR RELATIVO: es el cociente entre el error absoluto y el valor promedio

ERROR PORCENTUAL: es el error relativo, multiplicado por 100, con lo cual queda expresado en porcentaje

CARACTERISTICAS DE UN VECTOR

Para representar un vector necesitamos una escala convencional, la cual estableceremos según nuestras necesidades, de acuerdo con la magnitud y el tamaño requerido del vector. Si queremos representar un vector en una cartulina no usaremos la misma escala que si lo hacemos en una hoja de nuestro cuaderno. Por ejemplo, si se desea representar en una cartulina un vector fuerza de 350 N dirección horizontal y sentido positivo, podemos usar una escala de 1 cm igual a 10 N; así, con solo medir y trazar una línea de 35 cm estará representado. Pero en nuestro cuaderno esta escala seria muy grande, lo recomendable es una escala de 1 cm = 100 N, por lo que nuestro vector estaría representado por una flecha de 3.5 cm de longitud, es decir:

Un vector cualquiera tiene las siguientes características:

1. Punto de aplicación u origen.

2.Magnitud, intensidad o modulo del vector. Indica su valor y se representa por la longitud del

vector de acuerdo con una escala convencional.

3. Dirección, señala la línea sobre la cual actúa, puede ser horizontal, vertical u oblicua, y es el ángulo

que forma la línea de acción del vector con respecto al eje X positivo.

4. Sentido, queda señalado por la punta de la flecha e indica hacia donde actúa el vector. El sentido

del vector se puede identificar de manera convencional con signos (+) o (—)

Figura (a) Representación del

sentido de los vectores por medio de signos convencionales de acuerdo con un sistema de coordenadas cartesianas y a los puntos cardinales. En (b) se observan gráficamente dos vectores cuya dirección y magnitud es la misma,

F, = 3.5 N; F2 = 40N;

F3 = 580N; F4 = 4200 N

y queremos representarlos grafica e individualmente en nuestro cuaderno, las escalas recomendables serian:para F : 1 cm = 1 N paraF2:1 cm = 10N

paraF,: 1 cm = 100 N paraF4: 1 cm = 1000

EJERCICIOS DE APLICACIÓN

1.Una muchacha camina al salir de su casa 2 km al

este (oriente) y luego 2 km al oeste (poniente).

Calcular

a)¿Què distancia recorriò?

b)¿Cuàl fue su desplazamiento?

2. Un ciclista efectùa dos desplazamientos, el pri-

mero de 7 km al norte y el segundo de 5 km al

este.

Calcular

a)¿Cual es la distancia total recorrida por el deportista?

b)Encuentra gráficamente cual es el desplazamiento

resultante, así como la dirección en que actúa y el valor

del ángulo medido respecto al este.

3. Un jugador de futbol americano efectúa los si-

guientes desplazamientos: 6 m al este, 4 m en

dirección noreste y finalmente 2 m al norte.

Calcular

a)Cual es la distancia total que recorre?

b)Encuentra en forma grafica el desplazamiento resultante,

en que dirección activa, y cuál es el valor del Angulo

medido respecto al este.

4. Un camello en el desierto realiza los siguientes

desplazamientos: 3 km al sur, 4 km al este, 2.5

km en dirección noreste con un Angulo de 37°

medido respecto al este, y 2.4 km al norte.

Calcular

a) ¿Cual es la distancia total recorrida por el camello?

b) Determina gráficamente el desplazamiento resultante, la dirección y el valor del ángulo medido respecto al este.

5. Una lancha de vela realiza los siguientes desplazamientos 300m. al oeste, 200m. al norte, 350m. en dirección noroeste, 200 m. al norte, 350m, en dirección noroeste formando un ángulo de 40º medido con respecto al oeste, 600m. al sur y por último, 250m. en dirección suroeste, formando un ángulo de 30º medido respecto al éste.

Calcular

a) ¿Cuál es la distancia total recorrida?

b) Determina gráficamente el valor del desplazamiento resultante, la dirección en que se efectúa el valor del ángulo formado respecto al este.

Escala 1 cm = 100 N

F = 350 (Longitud del vector: 3.5

En general, lo recomendable es usar escalas de 1:1,1:10, l:100y 1:1 000, siempre que sea posible. Por ejemplo, si tenemos cuatro vectores, todos ellos de dirección horizontal y con el mismo sentido (+), cuyos valores son: