El conocimiento de la física

Introducción

•...... •• 4·

/1-1-'-------.... -..

El conocimiento de la física es esencial para comprender el mundo. Ninguna otra ciencia ha

intervenido de forma tan activa para revelamos las causas y efectos de los hechos naturales.

Basta mirar al pasado para advertir que la experimentación y el descubrimiento forman un

continuum que corre desde las primeras mediciones de la gravedad hasta los más recientes

logros en la conquista del espacio. Al estudiar los objetos en reposo y en movimiento, los

científicos han podido deducir las leyes fundamentales que tienen amplias aplicaciones en

ingeniería mecánica. La investigación de los principios que rigen la producción de calor, luz

y sonido ha dado paso a incontables aplicaciones que han hecho nuestra vida más cómoda y

nos han permitido convivir mejor con nuestro entorno. La investigación y el desarrollo en las

áreas de la electricidad, el magnetismo y la física atómica y nuclear han desembocado en un

mundo moderno que habría sido inconcebible hace tan sólo 50 años (véase figura 1.1).

Es difícil imaginar siquiera un producto de los que disponemos hoy día que no suponga

la aplicación de un principio físico. Ello significa que, independientemente de la carrera que

se haya elegido, es indispensable entender la física, al menos hasta cierto punto. Es verdad

que algunas ocupaciones y profesiones no requieren una comprensión tan profunda de ella

como la que exigen las ingenierías, pero la realidad es que en todos los campos de trabajo se

usan y aplican sus conceptos. Dotado de sólidos conocimientos de mecánica, calor, sonido

y electricidad, el lector contará con los elementos necesarios para cimentar casi cualquier

profesión. Además, si antes o después de graduarse le fuera necesario cambiar de carrera,

sabrá que cuenta con un conocimiento básico de ciencias y matemáticas en general. Si toma

con seriedad este curso y dedica a su estudio una dosis especial de tiempo y energía, tendrá

menos problemas en el futuro. Así, en los cursos posteriores y en el trabajo podrá viajar sobre

la cresta de la ola en lugar de mantenerse simplemente a flote en un mar tormentoso.

1

2

2) NASA.)

.......... ~ .

/-1--------...

revelarnos http://gratislibrospdf.com/

2 Capítulo 1 Introducción

Figura 1.1 En muchas ocupaciones se hallan aplicaciones de los principios de la física.

(Fotos cortesía de Hemera, lnc.i

¿ Aun cuando haya estudiado la materia en secundaria, es probable que sólo tenga una vaga

idea de lo que realmente significa la física y en qué se diferencia, por ejemplo, de la ciencia.

Para nuestros propósitos, las ciencias pueden dividirse en biológicas y físicas. Las ciencias

biológicas se ocupan de los seres vivos, en tanto que las físicas tienen como objeto de estudio

la parte no viva de la naturaleza.

La física puede definirse como la ciencia que investiga los conceptos fundamentales

de la materia, la energía y el espacio, así como las relaciones entre

ellos.

De acuerdo con esta amplia definición, no hay fronteras claras entre las ciencias físicas,

lo cual resulta evidente en áreas de estudio como la biofísica, la fisicoquímica, la astrofísica,

la geofísica, la electroquímica y muchas otras especialidades.

El objetivo de esta obra es brindar una introducción al mundo de la física, con un énfasis

en las aplicaciones. Con ello, el vasto campo de esta disciplina se simplifica a los conceptos

esenciales subyacentes en todo conocimiento técnico. Estudiará usted mecánica, calor, luz,

sonido, electricidad y estructura atómica. El tema fundamental de todos ellos, y probablemente

el más importante para el alumno principiante es la mecánica.

La mecánica se refiere a la posición (estática) y al movimiento (dinámica) de la materia

en el espacio. La estática es el estudio de la física aplicado a los cuerpos en reposo. La dinámica

se ocupa de la descripción del movimiento y sus causas. En ambos casos, el ingeniero o

técnico se encarga de medir y describir las cantidades físicas en términos de causa y efecto.

Un ingeniero, por ejemplo, aplica los principios de la física para determinar qué tipo de

estructura será más eficaz en la construcción de un puente. Su interés se centra en el efecto

de las fuerzas. Si un puente terminado llegara a fallar, la causa de la falla requeriría ser analizada

para aplicar ese conocimiento a las construcciones futuras de ese tipo. Es importante

señalar que el científico define como causa la sucesión de hechos físicos que desembocan en

un efecto.

. ~-r

/~/ !

l nc.)

Qué es la física?

físicas . fundamentales

probablemente

dinámica

ef ecto

analizada

http://gratislibrospdf.com/

¿Cómo estudiar física? 3

¿Qué importancia tienen las matemáticas?

Las matemáticas sirven para muchos fines. Son a la vez filosofía, arte, metafísica y lógica.

Sin embargo, todos estos aspectos se subordinan a su función principal: son una herramienta

para el científico, el ingeniero o el técnico. Una de las mayores satisfacciones que brinda un

primer curso de física es que se cobra mayor conciencia de la importancia de las matemáticas.

Un estudio de física revela aplicaciones concretas de las matemáticas básicas.

Supongamos que se desea predecir cuánto tarda en detenerse un automóvil que se desplaza

con cierta rapidez. Primero es necesario controlar cuantas variables sea posible. En las

pruebas, buscará que cada frenado sea uniforme, de modo que la rapidez media se aproxime

a la mitad de la rapidez inicial. Expresado en símbolos esto puede escribirse:

Vi

Vmedia"" "2

También se controlarán las condiciones y la pendiente de la carretera, el clima y otros parámetros.

En cada prueba se registrará la rapidez inicial (v), la distancia a la que se detiene el

vehículo y el tiempo en que lo hace (t). También puede tomar nota de la rapidez inicial, del

cambio de rapidez, así como de la distancia y el tiempo necesarios para detener el automóvil.

Cuando todos estos factores se han registrado, los datos sirven para establecer una relación

tentativa. No es posible hacer esto sin usar las herramientas que ofrecen las matemáticas.

Con base en la definición de rapidez como la distancia recorrida por unidad de tiempo se

observa que la distancia de frenado, x en nuestro ejemplo, puede ser producto de la velocidad

media v) 2 multiplicada por el tiempo, t. La relación tentativa podría ser

Vi

X t

o

v¡t

x=-

Obsérvese que hemos usado símbolos para representar los parámetros importantes y las matemáticas

para expresar su relación.

Esta proposición es una hipótesis viable. A partir de esta ecuación es posible predecir la

distancia a la que se detendrá cualquier vehículo con base en su rapidez inicial y el tiempo de

frenado. Cuando una hipótesis se ha aplicado el suficiente número de veces para tener un grado

de seguridad razonable de que es verdadera, se le llama teoría científica. En otras palabras, cualquier

teoría científica no es más que una hipótesis viable que ha resistido la prueba del tiempo.

Por tanto, podemos damos cuenta de que las matemáticas son útiles para obtener fórmulas

que nos permiten describir los hechos físicos con precisión. Las matemáticas adquieren

mayor relevancia aun en la resolución de esas fórmulas con cantidades específicas.

Por ejemplo, en la fórmula anterior sería relativamente fácil hallar los valores de x, Vi y t

cuando se conocen las otras cantidades. Sin embargo, muchas relaciones físicas implican mayores

conocimientos de álgebra, trigonometría e incluso cálculo. La facilidad con que pueda

deducir o resolver una relación teórica depende de sus conocimientos de matemáticas.

En el capítulo 2 se presenta un repaso de los conceptos matemáticos necesarios para entender

este texto. Si desconoce alguno de los temas expuestos debe estudiar atentamente ese

capítulo. Preste especial atención a las secciones sobre potencias de 10, ecuaciones literales y

trigonometría. De su habilidad para aplicar las herramientas matemáticas dependerá en gran

medida su éxito en cualquier curso de física.

¿Cómo estudiar física?

La lectura de un texto técnico es diferente de la de otros temas. Es indispensable prestar atención

al significado específico de las palabras para comprender el tema. En los textos técnicos

se utilizan a menudo gráficas, dibujos, tablas y fotografías, elementos siempre útiles y a veces

incluso esenciales para describir los hechos físicos. Debe estudiarlos con detenimiento para

entender bien los principios.

Gran parte del aprendizaje se obtiene a partir de las exposiciones en el aula y de los

experimentos. El alumno principiante suele preguntarse: "¿Cómo puedo concentrarme por

desplaza

Vmedia'" parámetros.

(x) 2 =-t

2

2

...