El Lenguaje Ténico Básico de la Física

La Física y su Impacto en la ciencia y la tecnología.

El hombre en sus orígenes se diferencio del resto de los animales por su curiosidad para entender su entorno, desde ese momento cuando se desarrollo el razonamiento, los humanos han intentado comprender los fenómenos naturales que ocurren y que afectan sus alrededores, al igual de tratar de descifrar la clave de la creación de las cosas.

Pero al principio solo eran conceptos o percepciones que los homínidos concebían al observar su alrededor, no fue si no después cuando estos empezaron a llevar un registro parcial de las observaciones que estos tenían con respecto a un seceso ocurrido al igual que sus respectivas hipótesis de la causa y efecto de estos eventos así como su posible solución. El siguiente paso fue la comprobación de la solución por experimentación, cuando los científicos (en ese entonces no eran llamados así) indagaban en el desarrollo de una réplica del suceso para tratar de comprender lo ocurrido y los alrededores del evento. Esto les traería un panorama el cual les permitía con mucha más certeza la elaboración de un postulado, un ejemplo destacado fue la experimentación del gran físico-químico Michael Faraday, el cual por medio de experimentación descubrió el campo magnético, la inducción magnética y fundo el concepto de Electromagnetismo (hoy se sabe que había postulado el concepto de energía). Pero cuando las matemáticas surgieron, los fenómenos o sucesos observados y los resultados obtenidos de la experimentación, fueron reafirmados con su respectivo protocolo de solución matemático y así los postulados eran propuestos y aceptados como ciertos. Regresando al ejemplo de Faraday cuando el descubrió el campo magnético existía cierta duda, pero posteriormente otro científica llamado James Clerk Maxwell realizo una comprobación matemática (ecuaciones de Maxwell) la cual abalaba la teoría propuesta por faraday.

En la actualidad la física nos ayuda a la elaboración de distintas maquinarias, desde las más simples hasta las más complejas, es decir, desde una carretilla, una polea, hasta un automóvil de motor a gasolina, un avión, etc. también una rama de esta ciencia, la electrónica, que actualmente está en su auge ya que esta presenta en nuestras vidas en la forma de un celular, una computadora, una televisión, etc.

Esto es solo por mencionar algunas cosas, la física se extiende mucho mas, tanto que tomaría mas de un libro entero para describir sus distintas aplicaciones.

Las ramas de la física y su relación con otras ciencias y técnicas. 

Para estudiar la materia, la energia y la manera en que interactúan en sus diferentes escalas, la Física se ha especializado en diversos campos, agrupados en tres grandes categorías: Física Clásica, Física Moderna y Física Aplicada; cada una de ellas dividiéndose en teórica y experimental. 

En la rama de la física clasica incluye a la mecánica, la óptica la acústica, la termodinámica y el electromagnetismo.

La física moderna surgió a principios del siglo XX, con el desarrollo de la teoría cuántica, al igual en esta rama encontramos a la mecánica cuántica, mecánica relativista, termodinámica cuántica y electrodinámica cuántica.

Los Metodos de Investigación y su relevancia en el desarrollo de la ciencia

 Se utilizan de una forma tan diversa y generalizada como 'método' y 'técnica'. Generalizada porque se emplean en todas las artes y todas las ciencias, y diversa porque suelen adjudicárseles significados diferentes. 

Hemos de reconocer que muchas veces no es necesario definir los términos 'método' y 'técnica' cuando los empleamos en la vida cotidiana, en las artes o en la ciencia, pero puede resultar importante especificar sus respectivos significados en aquellas ocasiones en las cuales: a) se utilicen ambos términos para describir procedimientos en el contexto de la actividad científica; b) se utilicen ambos términos con sentidos diferentes; y c) cuando sea necesario diferenciarlos si con ello se clarifican aquellos procedimientos.

Por empezar, convengamos en que tanto el método como la técnica se refieren a procedimientos para hacer o lograr algo, es decir, son medios orientados hacia un fin. Tal es el sentido que recogen las definiciones lexicográficas a partir de los usos más habituales: "técnica es un conjunto de procedimientos de un arte o ciencia"; "método es el orden que se sigue en las ciencias para investigar y enseñar la verdad".

Vamos ahora a la diferencia básica entre método y técnica: un método es un procedimiento general orientado hacia un fin, mientras que las técnicas son diferentes maneras de aplicar el método y, por lo tanto, es un procedimiento más específico que un método. 

CLASIFICACIÓN DE LOS DISEÑOS DE INVESTIGACIÓN.

· Según la intervención: (Experimentales / Observacionales)

· Según el tiempo de estudio: (Transversales / Longitudinales)

· Búsqueda causalidad: (Descriptivos /Analíticos)

· En función de la V. Independiente: (Simple / Factorial)

· En función de los sujetos a estudio: (Con un sujeto / grupos)

· En función de las V. Dependientes: (De medida única / medidas repetidas)

DISEÑO DE UNA INVESTIGACIÓN.

Finalidades del diseño:

· Teórica: para dar respuesta a preguntas de investigación.

· Práctica: para controlar la variable.

Herramientas de la Física

La Física es una ciencia que tiene como propósito descubrir las leyes fundamentales del Universo a partir del estudio cuantitativo de los fenómenos naturales. Para llevar a cabo el trabajo científico se orienta a la proposición de modelos matemáticos y a la actividad experimental como medio de investigación. Además del pensamiento los científicos tambien usan sus sentidos y los instrumentos para la observacion y medición de los fenómenos que estudian. Las herramientas matemáticas y de medida que presentamos en este apartado te ayudarán a poner en práctica tus conocimientos acerca de la metodología científica, analizando datos y haciendo predicciones.

Magnitudes Físicas y su medición

Magnitudes Fundamentales y derivadas

Se denomina magnitud Física a la cualquier concepto fisico que puede ser cuantificado y por lo tanto es susceptible de aumentar o disminuir. Las magnitudes fisicas pueden clasificarse en magnitudes fundamentales y magnitudes derivadas. Las magnitudes Fundamentales son llamadas asi ya que a partir de ellas es posibe definir (mediante leyes o formulas matemáticas) a las derivadas. Son siete magnitudes Físicas fundamentales que, por acuerdo internacional, se usan para expresar los resultados de las mediciones de los distintos fenómenos naturales estudiados por la física:

Longitud

Masa

Tiempo

Intensidad de corriente eléctrica

Temperatura

Cantidad de sustancia

Intensidad Iluminosa

Medida Directa e Indirecta de Magnitudes.

Los métodos directos son en los que se emplea directamente un instrumento de medición para obtener la magnitud (tamaño) del fenómeno que se quiere conocer, por ejemplo al usar una regla para medir la longitud de una tabla.

Los indirectos son en los que además del instrumento de medida se requiere realizar cuando menos una operación matemática, por ejemplo para obtener la velocidad de un automovil, se tiene que emplear una división.

Unidades Fundamentales y derivadas en el sistema internacional

Segun el buró internacional de pesos y medidas, el sistema internacional de unidades (SI) define las unidades fundamentales necesarias para expresar las medidas en todos los niveles de precisión y en todas las áreas de la ciencia, la tecnología y el entorno humano. En el SI hay dos clases de unidades:

Unidades Fundamentales, son aquellas que para definirse necesitan de un patrón estandarizado e invariable.

Unidades Derivadas, son aquellas que se definen por medio de relaciones matemáticas a partir de las unidades fundamentales y se utilizan para medir magnitudes derivadas.

En el SI se definieron 7 unidades fundamentales que corresponden a las siete magnitudes fundamentales que mencionamos anteriormente.

Notación Científica 

En la vida diaria interactuaremos con una gran variedad de objetos cuyo tamaño es más o menos semejante al nuestro; sin embargo, para el estudio del universo físico, a menudo es necesario trabajar con enormes rangos de distancia, tiempo y otras cantidades. Por ejemplo: la distancia de la tierra al sol es de unos 150 000 000 000 m. Emplear estos numeros no es muy conveniente, pues tienen muchas cifras. Para evitar errorrs en los calculos  cuando se manejan estas cantidades , los científicos utilizan una forma abreviada basada en las potencias 10 que recibe el nombre de notación científica.

Multiplicando 10 por si mismo un numero de veces encontramos:

510 x 10 = 100 = 10e2

10 x 10 x 10 = 10e3

Util cuando las operaciones se efectuan entre numeros muy grandes o muy pequeños, por ejemplo: 

567 =  5.67x10 2

0.0000964 = 9.64x10 -5

Prefijos

Un conjunto de prefijos que pueden ser utilizados con cualquiera de las unidades fundamentales y de las unidades fundamentales y de las unidades derivadas con nombres especiales; estos permiten expresar múltiplos y submúltiplos de la unidad, combinando el nombre del prefijo y el nombre de la unidad para formar una sola palabra.

Sistema de Unidades NKS, SI e Inglés.

El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI ), también denominado Sistema Internacional de Medidas, es el nombre que recibe el sistema de unidades que se usa en casi todos los países.

Es el heredero del antiguo Sistema Métrico Decimal y es por ello por lo que también se lo conoce como «sistema métrico», especialmente en las personas de más edad y en pocas naciones donde aún no se ha implantado para uso cotidiano.

Las unidades del SI constituyen referencia internacional de las indicaciones de los instrumentos de medición, a las cuales están referidas mediante una concatenación interrumpida de calibraciones o comparaciones.

Esto permite lograr equivalencia de las medidas realizadas con instrumentos similares, utilizados y calibrados en lugares distantes y, por ende, asegurar -sin necesidad de duplicación de ensayos y mediciones- el cumplimiento de las características de los productos que son objeto de transacciones en el comercio internacional, su intercambiabilidad.

El Sistema MKS de unidades es un sistema de unidades que expresa las medidas utilizando como unidades fundamentales metro, kilogramo y segundo (MKS). Sentó las bases para el Sistema Internacional de Unidades, que ahora sirve como estándar internacional. El sistema MKS de unidades nunca ha tenido un organismo regulador, por lo que hay diferentes variantes que dependen de la época y el lugar. El nombre del sistema está tomado de las iniciales de sus unidades fundamentales.

El Sistema Anglosajón de Unidades es el conjunto de las unidades (no métricas que se utilizan actualmente) es oficial en solo 3 paises del mundo , como Estados Unidos de América, Liberia y la Unión de Myanmar

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 (agricultura)

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

Interpretación y Representación de Magnitudes Físicas en Forma Gráfica.

a) Comprobar alguna teoría con el fin de validarla o desecharla

b) Encontrar las relaciones entre las variables involucradas en un fenómeno determinado, con el fin de predecir su comportamiento teóricamente.

En un experimento suele variarse una magnitud (variable independiente) con la finalidad de observar el efecto que se produce sobre otra (variable dependiente); para decidir si existe una relación entre ambas puede recurrirse a la graficacion.  Podemos encontrar la relación matemática entre dos variables, apoyándonos en el análisis grafico.

En un sistema de coordenadas los datos correspondientes a la variable independiente se grafican en el eje horizontal o  eje de las abscisas: el eje x. Los datos correspondientes a la variable dependiente se grafican en el eje vertical o eje de las ordenadas: el eje y. A la recta que mejor se ajusta al conjunto de puntos experimentales se le denomina recta de regresión o ajuste.

El valor de la pendiente de la recta, y por tanto, el de la constante de proporcionalidad de la relación matemática entre las variables X y Y.

El valor de la ordenada en el origen, puede obtenerse directamente de la grafica; es el punto en el que la línea costa al eje Y.

Cuando la línea de mejor ajuste es una parábola decimos que existe una relación cuadrática entre las dos variables y esa relación puede escribirse como una ecuación del tipo: Y= a X 2

La relación entre el tiempo de caída y la altura se conoce con el nombre de la ley de galileo.

Tratamiento de errores experimentales

Clases de Error en las Medidas.

Los errores no pueden eliminarse totalmente, el número aproximado como la estimación del error que se comete al realizar mediciones.

Con objeto de caracterizarlos, atendiendo a la fuente del error, clasificaremos a los errores en sistemáticos y aleatorios:

+ Los errores sistemáticos se deben a causas que pueden ser controladas o eliminadas. Siempre afectan la medida de la misma forma y en la misma magnitud.

+ Los errores aleatorios también son llamados estocásticos, fortuitos o azarosos; son producto del azar o de causas que no podemos controlar.

Precisión y Exactitud en la Medida.

La exactitud es la descripción de que tan cerca se encuentra una medida de algún valor aceptado.

Así, toda medida debe expresarse indicando:

1. Su valor numérico

2. Su incertidumbre 

3. Sus unidades.

La precisión se refiere a cuan constantes son las mediciones, se obtienen valores parecidos, podemos decir que nuestra medición ha sido precisa. Presión no implica exactitud, un instrumento muy preciso puede ser inexacto. Esta indica que hay poca diferencia entre unas medidas y otras, aunque pueda haber poca exactitud.

Comparación de los Resultados experimentales con algún valor aceptado

El error absoluto asociado a una medida (EA) se obtiene a partir de la diferencia entre el valor medido (Vm) y el valor aceptado (Va) de la respectiva magnitud:

EA = Vm – Va

El error absoluto y experimental no proporciona una idea clara de la bondad de la medición efectuada; para lograrla es conveniente referir el error absoluto al valor aceptado, obteniéndose así tanto el error relativo (ER), como el error relativo porcentual (E%).

Para expresar el error relativo como un porcentaje, el valor del error relativo se multiplica por 100, para obtener de esta manera el error relativo porcentual:

E% = ER · 100

    Para la medida de la aceleración de la gravedad a que nos hemos referido, el error relativo porcentual es:

E% = ER · 100 = 0.92%

El llamado “valor verdadero” es en realidad un concepto absolutamente inaccesible.

Magnitudes Vectoriales y Escalares

Se conoce como magnitud a todo concepto que puede compararse y sumarse, se pueden clasificar en: magnitudes escalares y magnitudes vectoriales.

Por su parte las magnitudes físicas son herramientas construidas y aceptadas por los científicos que se utilizan para plantear, modelar y solucionar problemas. Las distintas magnitudes físicas se dividen en: magnitudes físicas escalares y magnitudes físicas vectoriales.

Las magnitudes físicas escalares se  representan mediante un numero y una unidad, y se caracterizan por quedar perfectamente determinadas cuando se expresa su cantidad mediante un numero y su unidad correspondiente.

Los resultados de mediciones realizadas con un instrumento de medida, como la cinta métrica, son magnitudes físicas escalares.

Los vectores como herramienta para la modelizacion de fenomenos fisicos

 Un vector es un segmento de recta dirigido que se caracteriza por los siguientes parámetros:

1.  Un origen o punto de aplicación: A

2.  Un extremo: B

3.  Una dirección: la de la recta que la contiene

4.  Un sentido: indicando por la punta de flecha en B

5.  Un modulo: indicativo de la longitud del segmento AB

Los vectores son idealizaciones que nos permiten describir la interacción entre objetos y plantear algebraicamente situaciones diversas de la vida cotidiana y de la actividad científica y tecnológica.

La fuerza es una magnitud física vectorial, por lo que a cualquier peso, empuje, carga, tensión podemos asociarle un vector-fuerza, a cualquier objeto en movimiento podemos asociarle un vector-velocidad. Otros ejemplos de magnitudes vectoriales son: la aceleración o la fuerza en las palancas a la que se llama torque.

Representacion Grafica de magnitudes fisicas vectoriales

Podemos diferenciar fácilmente 2 tipos de representación para los vectores: representación grafica y representación analítica.

La representación grafica se refiere a una representación intuitiva que asocia a las magnitudes vectoriales flechas de tamaños e inclinaciones convenientes, para establecer así la magnitud, la dirección y el sentido.

Representar una magnitud vectorial gráficamente, primero debemos escoger una escala adecuada para representar su longitud y, posteriormente, indicar, mediante un ángulo, su dirección.

La representación analítica se refiere a representación de vectores mediante números que nos indiquen las propiedades del vector.

El vector puede ser representado de diferentes maneras:

1. Representación grafica. Un vector queda especificado dibujando una flecha de tamaño V.

2. Representación analítica. Coordenadas polares. Un vector V queda especificado completamente dando dos parámetros: la magnitud, la distancia y el sentido

3. Representación analítica. Coordenadas cartesianas. Un vector V queda especificado mediante las coordenadas (Vx, Vy) en el plano X, Y.

Equivalencia entre las representaciones

La equivalencia entre las representaciones es sencilla y se lleva a cabo utilizando conocimientos que ya tenemos: el Teorema de Pitágoras; el Plano Cartesiano y las Funciones Trigonométricas.

Cambio de coordenadas polares a coordenadas cartesianas

La representación en coordenadas cartesianas a partir de las polares requiere que, conociendo la magnitud V y el ángulo a, encontremos las coordenadas Vx, Vy.

En el caso de las funciones trigonométricas, al referirnos al cateto adyacente indicamos el cateto que se encuentra junto al ángulo. Así dado que:

Cos (a) =cateto adyacente/ hipotenusa

Sen (a) =cateto opuesto/hipotenusa

Cambio de coordenadas cartesianas a coordenadas polares

Dadas las coordenadas Vx, Vy, necesitamos encontrar la magnitud V del vector y el ángulo a que hace con la horizontal. La magnitud V es precisamente la hipotenusa de un triangulo rectángulo que tiene catetos Vx y Vy , esto es V igual a raíz cuadrada de Vx2 + Vy2.

Para encontrar el angulo a, utilizamos otro poco de trigonometría, dado que:

Tan (a) = cateto opuesto / cateto adyacente

Operaciones con vectores

Las operaciones que hacemos con vectores son las siguientes.

A) MULTIPLICACION DE UN VECTOR POR UN ESCALAR

Los vectores pueden ser multiplicados por un escalar. Esto produce un “alargamiento” o “encogimiento” del vector, incluso puede invertir su sentido, aunque su dirección nunca podrá ser cambiada por un escalar.

B) SUMA DE VECTORES

La suma de vectores nos proporciona el resultado de, por ejemplo, aplicar dos fuerzas a un mismo cuerpo.

La suma o composición de vectores es una operación que nos permite encontrar un vector único, llamado resultante, equivalente a todos ellos; es decir, que produciría el mismo efecto. Los métodos para sumar vectores pueden ser gráficos o analítico. 

Método del polígono

Suma de vectores por el método de las componentes rectangulares.

La suma de dos o más vectores puede ser calculado convenientemente en términos de sus componentes, precediendo de la siguiente manera:

1. Se dibuja cada vector en un sistema de coordenadas cartesianas

2. Se descompone cada vector en sus componentes rectangulares y se calculan sus magnitudes.

3. Se suman algebraicamente las componentes de todos los vectores del sistema a lo largo del eje X.

4. Se suman algebraicamente  las componentes de todos los vectores del sistema a lo largo del eje Y.

5. Se calcula la magnitud del vector resultante del sistema a partir de las componentes Rx y Ry, utilizando el teorema de Pitágoras: R= (raíz cuadrada) Rx2 + Hy2

6. Se determina la dirección del vector resultante empleando la función tangente: tang (teta) = Ry / Rx