Física General para físicos/Introducción a la Física
La Física
La Física (del griego «φυσικός», physĭca, natural, plural de «φύσις», physis, natura) fue llamada durante mucho tiempo filosofía natural debido a que se encargaba de estudiar a la naturaleza. Este título sigue siendo válido para la física, pues es la ciencia encargada del estudio de los fenómenos naturales que ocurren día a día en el universo.
El hecho de que la física se haya tomado como una filosofía natural hacia difícil distinguirla de las demás ciencias como la química, la biología y la matemática, y aunque actualmente es una ciencia propia, los limites entre esta y las demás ciencias es muy pequeño y cualquier avance en las ciencias físicas sirve como impulso para las otras por lo que la relación entre el avance de las ciencias naturales y la física es muy estrecha. Por ejemplo, se utiliza en la explicación de la aparición de propiedades emergentes, típicas de otras ciencias como Sociología y Biología.
Historia de la Física
La historia de la física es casi tan antigua como la del conocimiento humano. El resolver los problemas sencillos que plantean muchas actividades cotidianas ha sido la principal motivación del quehacer científico, y en este ámbito la física tiene un papel muy importante. Ya desde la antigüedad, los griegos se preguntaban como funcionaba el mundo creando teorías y conjeturas físicas muy interesantes, desde la posición de la tierra en el espacio hasta las teorías atómicas de Demócrito. El principal uso de la filosofía, antes del experimento, dejó que muchos ideas erróneas perduraran pero, como todo en la ciencia, con la experiencia y el ingenio humano pudimos corregir el camino y descubrir un poco de lo que habíamos visto antes.
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En el Siglo XVI Galileo Galilei fue pionero en el uso de experiencias para validar las teorías de la física. Se interesó en el movimiento de los astros y de los cuerpos. Usando instrumentos como el plano inclinado, descubrió la ley de la inercia, y con el uso de uno de los primeros telescopios observó que Júpiter tenía satélites girando a su alrededor y las manchas solares del Sol. Estas observaciones demostraban el modelo heliocéntrico de Nicolás Copérnico y el hecho de que los cuerpos celestes no son perfectos. En la misma época, las observaciones de Tycho Brahe y los cálculos de Johannes Kepler permitieron establecer las leyes que gobiernan el movimiento de los planetas en el Sistema Solar.
En 1687 Isaac Newton publicó los Principios Matemáticos de la Naturaleza, una obra en la que se describen las leyes clásicas de la dinámica conocidas como: Leyes de Newton; y la ley de la gravitación universal de Newton. El primer grupo de leyes permitía explicar la dinámica de los cuerpos y hacer predicciones del movimiento y equilibrio de cuerpos, la segunda ley permitía demostrar las leyes de Kepler del movimiento de planetas y explicar la gravedad terrestre (de aquí el nombre de gravedad universal). En esta época desarrollaron sus trabajos físicos como Robert Hooke y Christian Huygens estudiando las propiedades básicas de la materia y de la luz.
A finales del siglo XVII la física comienza a influenciar el desarrollo tecnológico permitiendo a su vez un avance más rápido de la propia física. El desarrollo instrumental (telescopios, microscopios y otros instrumentos) y el desarrollo de experimentos cada vez más sofisticados permitieron obtener grandes éxitos como la medida de la masa de la Tierra en el experimento de la balanza de torsión. También aparecen las primeras sociedades científicas como la Royal Society en Londres en 1660 y la Académie des Sciences en París en 1666 como instrumentos de comunicación e intercambio científico, teniendo en los primeros tiempos de ambas sociedades un papel preeminente las ciencias físicas.
A partir del Siglo XVIII Robert Boyle, Thomas Young y otros desarrollaron la termodinámica. En 1733 Daniel Bernoulli usó argumentos estadísticos, junto con la mecánica clásica, para extraer resultados de la termodinámica, iniciando la mecánica estadística. En 1798 Benjamin Thompson demostró la conversión del trabajo mecánico en calor y en 1847 James Prescott Joule formuló la ley de conservación de la energía.
En el campo de la óptica el siglo comenzó con la teoría corpuscular de la luz de Isaac Newton expuesta en su famosa obra Opticks. Aunque las leyes básicas de la óptica geométrica habían sido descubiertas algunas décadas antes el siglo XVIII fue rico en avances técnicos en este campo produciéndose las primeras lentes acromáticas, midiéndose por primera vez la velocidad de la luz y descubriendo la naturaleza espectral de la luz. El siglo concluyó con el célebre experimento de Young de 1801 en el que se ponía de manifiesto la interferencia de la luz demostrando la naturaleza ondulatoria de ésta.
La investigación física de la primera mitad del siglo XIX estuvo dominada por el estudio de los fenómenos de la electricidad y el magnetismo. Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday, Georg Simon Ohm y muchos otros físicos famosos estudiaron los fenómenos dispares y contraintuitivos que se asocian a este campo. En 1855 James Clerk Maxwell unificó las leyes conocidas sobre el comportamiento de la electricidad y el magnetismo en una sola teoría con un marco matemático común mostrando la naturaleza unida del electromagnetismo. Los trabajos de Maxwell en el electromagnetismo se consideran frecuentemente equiparables a los descubrimientos de Newton sobre la gravitación universal y se resumen con las conocidas, ecuaciones de Maxwell, un conjunto de cuatro ecuaciones capaz de predecir y explicar todos los fenómenos electromagnéticos clásicos. Una de las predicciones de esta teoría era que la luz es una onda electromagnética. Este descubrimiento de Maxwell proporcionaría la posibilidad del desarrollo de la radio unas décadas más tarde por Heinrich Rudolf Hertz en 1888.
En 1895 Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X, ondas electromagnéticas de frecuencias muy altas. Casi simultáneamente, Henri Becquerel descubría la radioactividad en 1896. Este campo se desarrolló rápidamente con los trabajos posteriores de Pierre Curie, Marie Curie y muchos otros, dando comienzo a la física nuclear y al comienzo de la estructura microscópica de la materia. En 1897 Joseph John Thomson descubrió el electrón, la partícula elemental que transporta la corriente en los circuitos eléctricos proponiendo en 1904 un primer modelo simplificado del átomo.
El siglo XX estuvo marcado por el desarrollo de la física como ciencia capaz de promover el desarrollo tecnológico. A principios de este siglo los físicos consideraban tener una visión cuasi completa de la naturaleza. Sin embargo pronto se produjeron dos revoluciones conceptuales de gran calado: El desarrollo de la teoría de la relatividad y el comienzo de la mecánica cuántica.
En 1905 Albert Einstein formuló la teoría de la relatividad espacial, en la cual el espacio y el tiempo se unifican en una sola entidad, el espacio-tiempo. La relatividad formula ecuaciones diferentes para la transformación de movimientos cuando se observan desde distintos sistemas de referencia inerciales a aquellas dadas por la mecánica clásica. Ambas teorías coinciden a velocidades pequeñas en relación a la velocidad de la luz. En 1915 extendió la teoría espacial de la relatividad para explicar la gravedad, formulando la teoría general de la relatividad, la cual sustituye a la ley de la gravitación de Newton.
En 1911 Ernest Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado positivamente a partir de experiencias de dispersión de partículas. A los componentes de carga positiva de este núcleo se les llamó protones. Los neutrones, que también forman parte del núcleo pero no poseen carga eléctrica, los descubrió James Chadwick en 1932.
En los primeros años del Siglo XX Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros desarrollaron la teoría cuántica a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de los cuerpos. En esta teoría, los niveles posibles de energía pasan a ser discretos. En 1925 Werner Heisenberg y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Dirac formularon la mecánica cuántica, en la cual explican las teorías cuánticas precedentes. En la mecánica cuántica, los resultados de las medidas físicas son probabilidad|probabilísticos; la teoría cuántica describe el cálculo de estas probabilidades.
La mecánica cuántica suministró las herramientas teóricas para la física de la materia condensada, la cual estudia el comportamiento de los sólidos y los líquidos, incluyendo fenómenos tales como estructura cristalina, semiconductividad y superconductividad. Entre los pioneros de la física de la materia condensada se incluye Felix Bloch, el cual desarrolló una descripción mecano-cuántica del comportamiento de los electrones en las estructuras cristalinas (1928).
La teoría cuántica de campos se formuló para extender la mecánica cuántica de manera consistente con la teoría especial de la relatividad. Alcanzó su forma moderna a finales de los 1940s gracias al trabajo de Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga y Freeman Dyson. Ellos formularon la teoría de la electrodinámica cuántica, en la cual se describe la interacción electromagnética.
La teoría cuántica de campos suministró las bases para el desarrollo de la física de partículas, la cual estudia las fuerzas fundamentales y las partículas elementales. En 1954 Yang Chen Ning y Robert Mills desarrollaron las bases del modelo estándar. Este modelo se completó en los años 1970 y con él se describen casi todas las partículas elementales observadas.
La física sigue enfrentándose a grandes retos, tanto de carácter práctico como teórico, a comienzos del siglo XXI. El estudio de los sistemas complejos dominados por sistemas de ecuaciones no lineales, tal y como la meteorología o las propiedades cuánticas de los materiales que han posibilitado el desarrollo de nuevos materiales con propiedades sorprendentes. A nivel teórico la astrofísica ofrece una visión del mundo con numerosas preguntas abiertas en todos sus frentes, desde la cosmología hasta la formación planetaria. La física teórica continúa sus intentos de encontrar una teoría física capaz de unificar todas las fuerzas en un único formulismo en lo que sería una teoría del todo. Entre las teorías candidatas debemos citar la teoría de supercuerdas..
División de la Física
La física se puede clasificar en dos grandes grupos:
- Clásica
- Moderna
Física clásica
En un principio el estudio de las ciencias físicas se basaba en el uso de los sentidos, por lo que la vista, ligada a la luz, permitió la creación del área de la óptica cuyo propósito es saber como funcionan los sistemas ópticos que trabajando con la luz. De la misma manera, la acústica se encargar del sonido y proviene de la curiosidad auditiva de las personas por entender como servían los sonidos y las armonías es estos. Por su parte el sentido del tacto ayudo a que se incursionara en la investigación de la termodinámica y la transferencia de calor.
Una mención aparte merece la curiosidad que emanaba al ver objetos en movimiento. Estas observaciones sobre el movimiento de los objetos permitió que la mecánica tuviera un gran desarrollo y fuera el parte-aguas necesario para revolucionar la concepción científica del ser humano sobre el mundo. El tratamiento de Galileo, y después de Newton, sobre la mecánica afecto profundamente la manera en que vemos y nos relacionamos con el mundo desde el punto de vista matemático y conceptual.
Los enormes avances ejercidos en estas ramas básicas de la física permitieron conocer un área nueva, que no esta directamente relacionada con un sentido del cuerpo y que sin embargo podemos observar de forma cotidiana: el electromagnetismo. La gran obra de Maxwell que englobo de forma majestuosa toda la teoría eléctrica y magnética en una sola, llamada el electromagnetismo y gobernada por 5 sencillas ecuaciones representan el momento cumbre en el desarrollo de las ciencias clásicas de la física.
Física moderna
Los problemas que parecían imposibles de resolver durante el siglo XX con todo el conocimiento de los campos clásicos se pudo resolver usando conceptos tan innovadores como inesperados mediante la aparición de dos marcos teóricos en la física producto de la imaginación y el esfuerzo de mentes jóvenes en aquella época. Estamos hablando de la teoría de la relatividad propuesta por Albert Einstein y la formulación cuántica de la física desarrollada por Max Plank. Estas ramas llamadas modernas, junto con las teorías derivadas y que extienden sus resultados tienen grandes diferencias conceptuales con las disciplinas clásicas por lo que se estudian de forma separada, aunque se sabe que bajo ciertas restricciones, estas teorías se compartan de forma clásica, lo que las hace sencillamente formas más generales de representar el comportamiento de la naturaleza.
Unidades y medidas
Las ciencias naturales necesitan poder explicar, predecir y describir los fenómenos de forma correcta. La manera en la que interactuamos con el mundo nos permite ver de manera particular si nuestras ideas son ciertas o no en algunos casos, sin embargo, de manera general debemos poder registrar y comparar resultados para llegar a la conclusión de que estamos caminando por un buen lugar a la hora de estudiar ciencias. Como dice un dicho "Ningún experimento puede comprobar que mis ideas son correctas, pero uno solo puede demostrar que son incorrectas".
El registro de datos se realiza por medio de mediciones. Nosotros podemos medir todo lo que de alguna u otra manera esta en contacto con nosotros. El espacio, el tiempo, la temperatura, la luminosidad, y muchas otras cosas a nuestro alrededor son medibles. Estas "mediciones" no son otra cosa que una comparación entre un patrón o medida estándar y lo que deseamos medir. El conjunto de patrones usados se llaman sistemas de unidades.
Las unidades pueden ser fundamentales o derivadas. Las primeras representan propiedades básicas, por ejemplo, la distancia y el tiempo; mientras que las segundas son las que se pueden expresar como una combinación de las unidades fundamentales, por ejemplo, la velocidad que la distancia entre el tiempo. En este caso estamos usando 2 unidades fundamentales, el tiempo y la distancia, para describir una tercera unidad, la velocidad, que se deriva de las anteriores.
Sistema Internacional de Unidades (SI)
El sistema de unidades fundamental en la ciencia es el Sistema Internacional, el cual es usado en prácticamente todo el mundo y se usa para compartir información y datos experimentales de tal forma que cualquiera pueda visualizar lo que se esta tratando de expresar con cada unidad. También se le llama "sistema métrico".
Sus unidades básicas son: el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin, la candela y el mol. La forma en la que se definen, a excepción del kilogramo, es usando fenómenos físicos fundamentales conocidos.
| Magnitud física básica | Símbolo dimensional | Unidad básica | Símbolo de la unidad | Definición |
|---|---|---|---|---|
| Longitud | L | metro | m | Un metro es la longitud que en el vacío recorre la luz durante un 1/299 792 458 de segundo. |
| Tiempo | t | segundo | s | Un segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. |
| Masa | m | kilogramo | kg | Un kilogramo es una masa igual a la de un cilindro de 39 milímetros de diámetro y de altura, de una aleación de 90% de platino y 10% de iridio, ubicado en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, en Sèvres, Francia. |
| Intensidad de corriente eléctrica | I | amperio | A | Un amperio es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2 • 10-7 newtons por metro de longitud. |
| Temperatura | T | kelvin | K | Un kelvin es la temperatura termodinámica correspondiente a 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. |
| Cantidad de sustancia | N | mol | mol | Es la cantidad de materia que hay en tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg. del isótopo carbono 12. Si se emplea el mol, es necesario especificar las unidades elementales: átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o grupos específicos de tales partículas. |
| Intensidad luminosa | J | candela | cd | Una candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 5,4 • 1014 hercios y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián. |
De las unidades básicas existen múltiplos y submúltiplos, que se expresan mediante prefijos. Así, por ejemplo, la expresión «kilo» indica ‘mil’. Por lo tanto, 1 km equivale a 1000 m, del mismo modo que «mili» significa ‘milésima’ (parte de). Por ejemplo, 1 mA es 0,001 A.
| 10n | Prefijo | Símbolo | Escala | Equivalencia decimal |
|---|---|---|---|---|
| 1024 | yotta | Y | Cuatrillón | 1 000 000 000 000 000 000 000 000 |
| 1021 | zetta | Z | Mil trillones | 1 000 000 000 000 000 000 000 |
| 1018 | exa | E | Trillón | 1 000 000 000 000 000 000 |
| 1015 | peta | P | Mil billones | 1 000 000 000 000 000 |
| 1012 | tera | T | Billón | 1 000 000 000 000 |
| 109 | giga | G | Mil millones / Millardo | 1 000 000 000 |
| 106 | mega | M | Millón | 1 000 000 |
| 103 | kilo | k | Mil / Millar | 1 000 |
| 102 | hecto | h | Cien / Centena | 100 |
| 101 | deca | da | Diez / Decena | 10 |
| 100 | ninguno | ninguno | Uno / Unidad | 1 |
| 10−1 | deci | d | Décimo | 0,1 |
| 10−2 | centi | c | Centésimo | 0,01 |
| 10−3 | mili | m | Milésimo | 0,001 |
| 10−6 | micro | µ | Millonésimo | 0,000 001 |
| 10−9 | nano | n | Milmillonésimo | 0,000 000 001 |
| 10−12 | pico | p | Billonésimo | 0,000 000 000 001 |
| 10−15 | femto | f | Milbillonésimo | 0,000 000 000 000 001 |
| 10−18 | atto | a | Trillonésimo | 0,000 000 000 000 000 001 |
| 10−21 | zepto | z | Miltrillonésimo | 0,000 000 000 000 000 000 001 |
| 10−24 | yocto | y | Cuatrillonésimo | 0,000 000 000 000 000 000 000 001 |
Sistema Cegesimal o CGS
El sistema cegesimal se basa en el centímetro, el gramo y el segundo como unidades fundamentales. Sus unidades tienen una variación importante con respecto al SI al entrar en las unidades electromagnéticas. Por el momento solo enumeraremos las unidades de este sistema y su equivalencia con el SI.
| Magnitud | Nombre | Símbolo | Equivalencia |
|---|---|---|---|
| longitud | centímetro | cm | 0,01 m |
| masa | gramo | g | 0,001 kg |
| tiempo | segundo | s | 1 s |
| aceleración | gal | Gal | 0,01 m s2 |
| fuerza | dina | dyn | 10-5 N |
| energía | ergio | erg | 10-7 J |
| potencia | ergio por segundo | 10-7 W | |
| presión | baria | baria | 0,1 Pa |
| viscosidad dinámica | poise | P | 0,1 Pa s |
| viscosidad cinemática | stokes | St | 10-4 m2s-1 |
| carga eléctrica | franklin o statcoulomb | Fr | 3,336 641 × 10-10 C |
| potencial eléctrico | statvolt | 299,7925 V | |
| campo eléctrico | statvolt por cm | ||
| flujo magnético | maxwell | Mx | 10-8 Wb |
| densidad de flujo magnético | gauss | Gs, G | 10-4 T |
| intensidad del campo magnético | oersted | Oe | (103/4π) A/m |
| intensidad de corriente | statamperio | 3.335 641 × 10-10 A | |
| resistencia | statohmio | 8.987 552 × 1011 Ω | |
| Capacidad eléctrica | statfaradio o «centímetro» | «cm» | 1,113 × 10-12 F |
| inductancia | stathenrio | 8,988 × 1011 H | |
| número de onda | kayser | 1 cm-1 |
Sistema usual en Estados Unidos
Este sistema de unidades proviene de sistemas antiguos que han tratado de ser estandarizados en Inglaterra.
| Unidad | Equivalencia | Equivalencia SI |
|---|---|---|
| 1 mil | 25,4 µm (micrómetros) | |
| 1 pulgada (in) | 1.000 miles | 2,54 cm |
| 1 pie (ft) | 12 in | 30,48 cm |
| 1 yarda (yd) | 3 ft = 36 in | 91,44 cm |
| 1 rod (rd) | 5,5 yd = 16,5 ft = 198 in | 5,0292 m |
| 1 cadena (ch) | 4 rd = 22 yd = 66 ft = 792 in | 20,1168 m |
| 1 furlong (fur) | 10 ch = 40 rd = 220 yd = 660 ft = 7.920 in | 201,168 m |
| 1 milla (mi) | 8 fur = 80 ch = 320 rd = 1.760 yd = 5.280 ft = 63.360 in | 1.609,344 m = 1,609347 km |
| 1 legua | 3 mi = 24 fur = 240 ch = 960 rd = 5.280 yd = 15.840 ft = 190.080 in | 4.828,032 m = 4,828032 km |
| 1 Minim | 59,19388388 μl (microlitros) ó 0,05919388388 ml | |
| 1 Escrúpulo líquido | 20 minims | 1,1838776776 ml |
| 1 Dracma líquido (fl dr) | 3 escrúpulos líquidos = 60 minims | 3,55163303281 ml |
| 1 Onza líquida (fl oz) | 8 fl dr = 24 escrúpulos líquidos = 480 minims | 28,4130625 ml |
| 1 Gill | 5 fl oz = 40 fl dr = 120 escrúpulos líquidos = 2.400 minims | 142,0653125 ml |
| 1 Pinta (pt) | 4 gills = 20 fl oz = 160 fl dr = 480 escrúpulos líquidos = 9.600 minims | 568,26125 ml |
| 1 Cuarto (qt) | 2 pt = 8 gills = 40 fl oz = 320 fl dr = 960 escrúpulos líquidos = 19.200 minims | 1,1365225 l |
| 1 Galón (gal) | 4 qt = 8 pt = 32 gills = 160 fl oz = 1.280 fl dr = 3.840 escrúpulos líquidos = 76.800 minims | 4,54609 l |
| 1 Barril | 35 gal = 140 qt = 280 pt = 1.120 gills = 5.600 fl oz = 44.800 fl dr = 134.400 escrúpulos líquidos = 2.688.000 minims | 159,11315 l |
Conversión de unidades en el sistema internacional
Para realizar una conversión de unidades de y hacia el sistema internacional, de manera que todos los resultados en un trabajo de medición se expresen mediante las mismas unidades, lo único que se debe hacer es tomar dos unidades equivalentes. Por ejemplo, en el caso de la pulgada y el centímetro tenemos que 1 in = 2.54 cm. Al dividir esta igualdad por cualquier término obtenemos lo siguiente:
El resultado de la división es 1, ya que ambas unidades son equivalentes, y el multiplicar un valor por este factor no altera el resultado. Teniendo cuidado de cancelar correctamente las unidades, como veremos adelante, podemos generar la cantidad de factores de conversión que deseemos usar siguiendo las definiciones y equivalencias de cada sistema.
Siguiendo con el ejemplo, ya conocido el factor de conversión obtenido podemos convertir 2 cm a pulgadas y 3 pulgadas a cm.
En estos casos multiplicamos de tal manera que la fracción resultante "cancele" las unidades viejas y solo se permita la nueva unidad, de tal forma que el valor quede expresado en el sistema deseado. Se debe tener cuidado de eliminar correctamente las unidades ya que cometer un error al hacer este cambio puede dar como resultado un valor totalmente distinto al deseado y que no corresponde a lo que sea medido.
Análisis dimensional
Física General para físicos/Introducción a la Física/Análisis dimensional
Vectores
Física General para físicos/Introducción a la Física/Vectores
Ejercicios
Física General para físicos/Introducción a la Física/Ejercicios