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Introducción a la física (GIE)

Contenido

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1 Introducción. Modelos y teorías físicas. El método científico

1.1 Teorías físicas

1.2 Límites de validez

2 Dimensiones

2.1 Medidas directas e indirectas

2.2 Dimensiones de una magnitud

2.3 Homogeneidad dimensional

2.4 Ecuaciones dimensionales

3 Unidades de medida

3.1 Homogeneidad en las unidades

3.2 El Sistema Internacional de Unidades

3.3 Múltiplos y submúltiplos

3.4 Conversión de unidades

4 Medidas, estimaciones e incertidumbres

4.1 Órdenes de magnitud

4.2 Estimaciones

4.3 Cifras significativas

4.4 Incertidumbres

5 Problemas

1 Introducción. Modelos y teorías físicas. El método científico

La Física suele entenderse como la ciencia que describe matemáticamente el comportamiento de los sistemas (y del Universo en general) atendiendo a sus propiedades físicas (y no químicas), esto es, masa, posición, velocidad, carga eléctrica, etc.

Esta definición que, como todas, es parcial e imprecisa, omite un aspecto esencial, el cómo se hace esa descripción matemática del Universo. La Física realmente no describe el Universo o los sistemas, sino que construye un modelo matemático de ellos.

Un ejemplo paradigmático lo tenemos en la figura siguiente, que todos hemos visto más de una vez en alguna de sus múltiples versiones:

Archivo:interior-tierra.png

Ante esta figura, nuestra primera pregunta debe ser ¿y esto cómo se sabe? No basta con responder “viene en un libro”. Tampoco puede ser por observación directa, ya que el pozo más profundo que se ha cavado mide 12.3 km. Lo que vemos en esta figura ni es una verdad revelada, ni es una observación. Es un modelo de como suponemos que es el interior de la Tierra, a partir de medidas de ondas sísmicas y otras observaciones geológicas.

1.1 Teorías físicas

Todo el conocimiento en física está organizado en teorías (termodinámica, electromagnetismo, relatividad), donde no hay que entender el término en sentido de algo improbable (“es solo una teoría”), sino como de una construcción fisico-matemática basada en el método científico.

A partir de una serie de evidencias empíricas y de consideraciones teóricas, se definen una serie de conceptos básicos (masa, partícula, sólido rígido...) y se formulan una serie de hipótesis o postulados, a partir de los cuales se desarrolla la teoría.

Estos conceptos y postulados permiten construir un “modelo matemático” de la realidad. Esto es, no es que en Física se describa la Realidad, sino que elabora un modelo o analogía que captura los aspectos que se consideren más relevantes de ella. Un electrón no es una partícula o una onda. Un electrón es un electrón. Pero existen modelos que lo describen como partícula y modelos que lo tratan como ondas y cada uno posee una utilidad y una validez concretas.

Archivo:modelos-burro.png

Para construir una teoría, se empieza tomando solo algunos aspectos relevantes (“supongamos que el burro es esférico”), y posteriormente se le van añadiendo refinamientos y nuevos detalles. Así tenemo en primer lugar el modelo de la partícula material, luego el del sólido rígido, más tarde el del sólido elástico,… cada vez más elaborados (y más complicados matemáticamente).

1.2 Límites de validez

Cada modelo posee unos límites de validez. Solo son aplicables dentro de ciertos rangos de las variables. Fuera de ellos, es de esperar que no se correspondan con la realidad.

Un sólido completamente rígido no existe, pero el modelo de sólido rígido es completamente válido a la hora de estudiar el movimiento de una pieza de un mecanismo. Si en cambio intentamos aplicar este modelo a la propagación del sonido, vemos que no funciona, porque ese fenómeno requiere conocer las deformaciones del sólido. Queda fuera de los límites de validez del modelo.

Una vez que se dispone del modelo, y de los postulados, se hacen predicciones, tanto matemáticas como experimentales. Una teoría no es nada si no puede ser contrastada con la experiencia.

Estas predicciones se comparan con experiencias ya conocidas o con experimentos diseñados al efecto.

Si hay concordancia entre teoría y experimentos, no hay problema y aumenta nuestra confianza en la corrección de la teoría.

Si hay discrepancias entre teoría y un experimento, las razones pueden ser varias:

Que el experimento caiga fuera de los límites de validez de la teoría y haya que revisar el experimento.

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