teoria y problemas fisica (2)

Vista previa del material en texto

conceptuales de la misma. Sin embargo, científicos como Einstein, 
Poincaré y Planck, se encargaron, a principios del siglo XX, de 
romper con esa errónea concepción. 
Quizás, desde un punto de vista histórico, la aparición de tres 
artículos rubricados por Albert Einstein, sientan los cimientos de lo 
que se conoce como la Física Moderna; en su artículos que trata 
sobre el efecto fotoeléctrico, considera el carácter corpuscular de la 
luz, un aspecto fundamental para la Mecánica Cuántica, en su 
artículo sobre el movimiento browniano da las bases para lo que hoy 
se conoce como Mecánica Estadística del No Equilibrio que a su vez 
ha dado lugar a nuevas teorías que actualmente son de punta no solo 
en la física; finalmente en su artículo sobre la Teoría Especial de la 
Relatividad, encuentra una unión entre aspectos de la mecánica y del 
electromagnetismo que parecían irreconciliables y además puede 
explicar el movimiento de los cuerpos cuando estos se mueven a 
velocidades próximas a la velocidad de la luz en el vacío que queda 
establecida como una constante universal. 
Posteriormente, una vez más Einstein, formula su Teoría General de 
la Relatividad que es una generalización de la teoría gravitatoria 
newtoniana, así como la Relatividad Especial constituye una 
generalización de la mecánica newtoniana. 
Paralelamente, se desarrolló la Mecánica Cuántica gracias a los 
trabajos de físicos como Heisenberg, Schrödinger, Bohr y Dirac. Las 
consecuencias de la Mecánica Cuántica jugaron un rol principal en 
las nuevas tecnologías y en los aspectos básicos de la estructura de 
la materia. Lastimosamente, también estos conocimientos sirvieron 
para hacer la guerra y destruir como lo atestiguan Hiroshima y 
Nagasaki, dos ciudades japonesas devastadas por el poder 
destructor de las bombas atómicas de fisión. Sin embargo, los 
aportes fueron numerosos, no podríamos hablar de energía nuclear, 
de computadoras, en fin, de avance tecnológico de no haberse 
desarrollado la Física Moderna. Justamente, gracias a ese avance 
tecnológico exponencial que experimenta la humanidad, la ciencia 
puede avanzar más y en esa retroacción positiva, actualmente se 
están elucidando aspectos impensables hasta hace unos años. 
Nanotecnología, Sistemas Complejos, son algunos de los aspectos 
que están a la vanguardia de la ciencia contemporánea. Las fronteras 
entre las ciencias van haciéndose cada vez más tenues y el trabajo 
multidisciplinario adquiere una gran importancia. A pesar de lo 
mencionado anteriormente, el estudio sistemático de la física clásica 
sigue siendo esencial para una comprensión cabal de toda esta 
evolución científica. 
1.1. ¿QUÉ	ES	LA	FÍSICA?	
 
Cuando eras niño te preguntabas por qué ocurren ciertas cosas, por 
ejemplo ¿por qué en la mañana sale el sol y en la noche la luna? 
También posiblemente te preguntabas hasta donde llega la tierra, 
puesto que, si miras al horizonte, te da la impresión de que en un 
punto va a acabarse y si llegas a él podrías caer en el vacío. ¿Y te 
preguntaste alguna vez cómo pudieron entrar las personas que ves 
en la tele dentro del televisor? Es posible que para entender todo eso 
hayas “enloquecido” a tus padres con preguntas que, seguramente 
no te contestaban o las respuestas no cubrían tus expectativas. Para 
responder a todas esas preguntas es preciso realizar un estudio 
objetivo de la naturaleza para obtener respuestas válidas 
universalmente. Una de las ciencias que permite obtener esas 
respuestas es la física. La física es una ciencia teórico – experimental 
que estudia los fenómenos que ocurren en la naturaleza a nivel 
cuantitativo, es decir, sacando resultados, y con un método 
totalmente planificado, denominado “Método Científico”. 
Para el desarrollo de la física teórica se necesita una herramienta 
importante: “la matemática”. Esta parte teórica debe ser 
complementada por la experimentación, la misma que nos ayuda a 
establecer Leyes Universales. Mediante dichas leyes es posible 
explicar la mayor variedad posible de los fenómenos observados y 
predecir cuantitativamente su comportamiento. El hecho de que sea 
una ciencia experimental, significa que los fenómenos que se 
analizan deben observarse y medirse. 
1.3.EL	PROCESO	DE	MEDICIÓN	
 
En primer lugar, es preciso definir lo que significa hacer una medición 
o tomar una medida, es decir ¿qué es medir? “medir es comparar 
una magnitud física con una unidad” 
El proceso de medición es una operación física experimental, en la 
que intervienen, necesariamente, tres sistemas: 
i) El “sistema objeto”. Al cual queremos medir. 
ii) El “instrumento” o “aparato de medición”, y. 
 
 
iii) El “sistema de comparación” al que definimos 
como unidad y que suele estar incluido en el 
instrumento de medición. 
Para definir el proceso de medición es necesario seguir “una receta” 
mediante la cual interactúan los tres sistemas mencionados (objeto, 
instrumento y unidad). Por ejemplo, la receta para medir longitudes 
sería “tomar un instrumento, por ejemplo, una regla en la que están 
marcadas las divisiones”; hacer coincidir la primera división de la 
regla (punto cero) con un extremo del objeto cuya longitud se quiere 
determinar; mirar y anotar la división que coincide con el otro extremo 
del objeto”. Cada proceso de medición define una “magnitud física”, 
para definir la cual es preciso analizar el proceso de medición. 
1.4.		MAGNITUDES	FÍSICAS	
 
Por experiencia sabemos que no todo lo que existe en la naturaleza 
puede ser medido, es decir no a todo se le puede dar un valor, por 
ejemplo, no podemos medir la belleza de una estrella porque a esa 
belleza no podemos asignarle un número; tampoco podemos medir el 
amor, aunque sabemos que el amor existe, no puedes decirle a tu 
chica “yo te amo 2 300 405,72” ó “te amo 0.78”, máximo podrás 
decirle “te amo” o “te amo mucho”, pero a ese sentimiento no 
podemos darle un valor. Entonces, es fácil comprender que esas 
cosas que existen en la naturaleza no pertenecen al campo de la 
física. La ciencia en general, y la física en particular debe tener la 
capacidad de definir, pero, adicionalmente se debe contar con la 
capacidad de medir. 
1.5.	EL	MÉTODO	CIENTÍFICO	
 
Este método, utilizado universalmente para hacer ciencia, sigue los 
pasos que se describen a continuación: 
 
1) Observar algún fenómeno natural que nos interese. 
2) Hacer suposiciones (formular hipótesis) respecto a 
dicho fenómeno. 
3) Experimentar (medir las magnitudes que resulten 
importantes). 
4) Analizar los resultados para sacar conclusiones y, si se 
puede, detectar una ley física. 
 
Para que entiendas cómo funciona este método veamos un caso de 
la vida real. Tu mamá te llama a almorzar y como tienes hambre vas 
corriendo a sentarte a la mesa y miras el plato que ella te ha 
“servido”, se ve lindo, colorido y apetecible, “estas observando” y 
supones que está delicioso, “estás formulando una hipótesis” y 
empiezas a comer “estás experimentando” y de pronto ¡HORROR!, 
te das cuenta de que la “deliciosa comida” es hígado con ensalada de 
betarraga (casi a nadie le gusta ¿verdad?), entonces “sacas una 
conclusión”: la comida no es rica. Sin darte cuenta, usaste el 
método científico. Otro ejemplo, alguna vez te paraste en la cancha 
Zapata a mirar el río Choque yapú, entonces te das cuenta de que no 
te encuentras en un ambiente agradable y empiezas el proceso de 
“observación”. En primer lugar notas un olor desagradable, en 
segundo lugar, ves una cantidad de cosas raras, tales como basura, 
piedras, zapatos viejos y hasta perros muertos; notas, además, el 
color del río y dices “es turbio”. Entonces, por todo lo observado 
piensas “el río Choqueyapu debe estar muy contaminado”, al decir 
esto estas "formulando una hipótesis”, pero claro, no puedes saber 
si tu hipótesis es falsa o verdadera, para saber esto con certeza, 
recoges una muestra de agua del río y la mandaras a un laboratorio, 
con lo cual entras en la fase de “experimentación”, ese laboratorio 
tedará resultados, por ejemplo que tiene una gran cantidad de 
bacterias coliformes fecales, una demanda biológica de oxígeno 
(DBO) muy alta, elevada cantidad de sólidos suspendidos (que son 
causantes de la turbiedad del río), etc. Si comparas los parámetros 
proporcionados por el laboratorio con las normas establecidas, 
estableces que, en efecto, el río está contaminado, has "analizado 
los resultados y establecido una conclusión teórica” que bien 
podría llamarse una ley física. ¿Te diste cuenta de que en este caso 
utilizaste el método científico? 
 
1.6.	UNIDADES	FUNDAMENTALES	
 
 
 
 
Son las que constituyen los Sistemas de Unidades, se basan en la 
longitud, la masa y el tiempo y sirven para definir a las medidas 
directas. En el Sistema Internacional, que es el que utilizaremos en 
este libro, las unidades para estas cantidades son: 
MAGNITUD SÍMBOLO UNIDADES ABREVIACIÓN 
LONGITUD L METRO [m] 
MASA M KILOGRAMO [kg] 
TIEMPO T SEGUNDO [s] 
 TABLA 1.1 
 
El metro patrón fue definido durante mucho tiempo como la distancia 
entre dos marcas en una barra de aleación de platino – iridio, la 
misma que se mantiene a temperatura constante en una vitrina del 
Bureau of Weigths and Measures en Sèvres, (Francia); hoy en día se 
define como la distancia recorrida por la luz en el vacío en un 
intervalo de tiempo de 1/299792458[s]. 
En tanto que, el kilogramo patrón era un cilindro macizo de 
aleación de platino iridio que también está custodiado en Sèvres. 
La unidad de medida del tiempo es el segundo, definido como el 
tiempo que requiere un átomo de Cesio 133 para realizar 9 192 631 
770 vibraciones correspondientes a la transición entre dos niveles 
hiperfinos de su estado fundamental. 
Si, por alguna razón tuvieras que utilizar otras unidades que no 
pertenezcan al Sistema Internacional, en el Apéndice 2 tienes una 
tabla de equivalencias de unidades. En todo caso, los sistemas de 
unidades más comunes se muestran en la Tabla 1.2. 
SISTEMA LONGITUD MASA TIEMPO 
FUERZA 
INTERNACIONAL [m] [kg] [s] [N] 
cgs [cm] [g] [s] [dinas] 
INGLÉS [pie] [slug] [s] [lb] 
TABLA 1.2 
1.7.	UNIDADES	DERIVADAS	
 
Las unidades derivadas son las que resultan de multiplicar y/o dividir 
unidades básicas entre sí. 
No todo en la naturaleza se reduce a medir unidades básicas tales 
como longitud, masa y tiempo. Muchas veces requerimos medir una 
velocidad, o la aceleración de la gravedad o una fuerza que actúa 
sobre un cuerpo, la potencia que desarrolla un motor o la energía 
disipada en un sistema. Como sabemos, la velocidad se mide en 
metros/segundo [m/s], la aceleración en metro/segundo por cada 
segundo [m/s2], la fuerza en neutonios [N], la potencia en vatios [wat] 
y la energía en julios [J]; todas ellas pueden ser expresadas como 
potencias de las unidades fundamentales (longitud [L], masa [M] y 
tiempo [T]. 
1.8.	FACTORES	DE	CONVERSIÓN	
 
Si tienes una magnitud física con sus respectivas unidades en un 
determinado sistema, pero necesites esa misma magnitud en otro 
sistema, utilizarás los factores de conversión, que sirven para pasar 
de una unidad que pertenece a un sistema a otra de un sistema 
diferente. Para que el asunto te resulte más fácil, puedes utilizar las 
siguientes reglas: 
1. Conocer qué unidades quieren ser convertidas y a qué unidades 
se quiere llegar. Por ejemplo, para convertir 10[pies/h] a [m/s]. 
¿De dónde partimos? pues de [pies/h]; ¿a qué queremos llegar? 
a [m/s]. 
!
𝑝𝑖𝑒𝑠
ℎ ' → )
𝑚
𝑠 + 
2. Luego, tanto en el numerador como en el denominador, 
trazamos el camino a seguir. En el ejemplo, en primer lugar 
trabajaremos en el numerador, entonces debemos llegar de