CONCEPTOS PRELIMINARES FÍSICA I

FÍSICA  Y  MAGNITUDES

CONCEPTO. La física es un término que proviene del griego phisis y que significa “realidad” o “naturaleza”,   es la ciencia que estudia los fenómenos observables en la naturaleza. (Concepto de física - Definición, Significado y Qué es http://definicion.de/fisica/#ixzz3P8qaxhDO)

Para su estudio la física se ha dividido en varias ramas, como son, la mecánica, calor, acústica, óptica, electromagnetismo las cuales hacen parte de la física clásica; además la Física atómica y Nuclear que hacen parte de la física moderna.

Magnitudes Físicas

El objetivo de toda medida es obtener información cuantitativa de una cantidad física, de manera que se hace necesario definir las magnitudes físicas para poder expresar los resultados de las medidas. La unidad de una cantidad física queda claramente expresada mediante un número y una unidad de medida. Por ejemplo: 15 Kilogramos, 38 metros, 36 °C.

Actividad 1:

Describa la importancia que tiene esta ciencia (Física), desde un punto de vista social y como lo beneficia a usted.

Consulte  conceptos sobre ciencia y con que otras ciencias se relaciona la física.

Cómo se construye ciencia desde la física (Aplicación del método científico a la física).

Magnitudes Fundamentales

Son aquellas que se definen por si solas, es decir no requieren de ninguna otra; con ellas los fenómenos físicos pueden ser descritos. En mecánica se utilizan tres magnitudes básicas que son Longitud, Masa y Tiempo.

SISTEMAS DE UNIDADES

Sistema internacional de unidades (S.I.)

Fue creado en 1960, el cual es el resultado del consenso del comité internacional de pesos y medidas, con la participación de muchos países. Este comité estableció 7 cantidades  fundamentales asignándoles unidades básicas oficiales a cada una de ellas.

MAGNITUD	UNIDAD	SÍMBOLO
Longitud	Metro	m
Masa	Kilograma	Kg
Tiempo	Segundo	Sg
Energía Eléctrica	Amperio	A
Temperatura	Kelvin	K
Intensidad Luminosa	Candela	Cd
Cantidad de Sustancia	Mol	mol

Metro (m): inicialmente fue definido  como la diez millonésima parte de la distancia del polo al ecuador. También se define como la longitud del prototipo internacional (barra de aleación de platino e iridio) conservada en la oficina internacional de pesos y medidas SÉVRES. Actualmente es la distancia igual  a 1.650.763,63 longitud de onda en el vacío de una cierta radiación roja del gas Kriptón  86.

Kilogramo (Km): se define como la masa de un litro de agua pura a temperatura de 4°C. También se define como la masa del prototipo internacional conservado en el SÉVRES.

Segundo (sg): se define como la fracción 1/ 86.400 de la duración de un día solar. También es definido como la fracción 1/31.556.925.974,7 de la duración del año tropical de 1900.

Múltiplos y submúltiplos para las unidades del Sistema Internacional

múltiplos			submúltiplos
Prefijo	Símbolo	Factor (m)	Prefijo	Símbolo	Factor (m)
Exa	E	10¹⁸	deci	d	10⁻¹
Peta	P	10¹⁵	centi	c	10⁻²
Tera	T	10¹²	mili	m	10⁻³
Giga	G	10⁹	micro	μ	10⁻⁶
Mega	M	10⁶	nano	n	10⁻⁹
Kilo	K	10³	pico	ρ	10⁻¹²
Hecto	H	10²	fento	f	10⁻¹⁵
Deca	D	10	atto	a	10⁻¹⁸

Sistema sexagesimal  o CGS. Menos utilizado que el sistema internacional, sus unidades básicas de medida son:

centímetro para medir longitud,

gramo para medir masa

segundo para medir tiempo; de allí la abreviación CGS.

Sistema Inglés. Usado principalmente en Inglaterra  y Estados Unidos, sus unidades básicas son:

El pie (ft) para medir longitud

La libra para medir masa

el segundo para medir tiempo.

Otras unidades utilizadas en este sistema son la pulgada, la milla, yarda, para medir longitudes; la onza para medir masa.

EQUIVALENCIA ENTRE SISTEMAS DE UNIDADES 

medidas de longitud	1pulgada	2,54cm	25,4 mm
	1 pie	0,3048 m	12pulg
	1 milla	1610 m	1760 yardas
	1 yarda	0,914 m	3 pie
	1metro	39,37 pulg
	1metro	3,281 pie
medidas de masa	1 libra	0,454 kg	16 Oz
medidas de tiempo	1 hora	60 minutos	3.600 segundos

Magnitudes Derivadas

Estas magnitudes se definen a partir de las magnitudes fundamentales por medio de ecuaciones matemáticas. Algunos ejemplos se muestran a continuación.

La superficie, es el producto de dos longitudes (LxL), su dimensión es L² y su unidad m².

La velocidad, es una longitud L dividida entre un tiempo t. su dimensión es L/t y su unidad será m/s.

El volumen, es la multiplicación de tres longitudes  (LxLxL). Su dimensión es L³ y la unidad de medida m³.

Aceleración, una velocidad dividida entre un determinado tiempo; tiene por dimensión v/t y por unidad de m/s².

Fuerza, es una masa multiplicada por una aceleración, su dimensión m.a y unidades de medida Kg.m/s²; a esta unidad se le conoce como 1 Newton.

NOTACIÓN CIENTÍFICA

La notación científica aparece como resultado de los cálculos matemáticos que arrojan magnitudes físicas muy grandes o muy pequeñas, y nos sirve para expresar el valor de estas magnitudes empleando un lenguaje numérico basado en la notación de una cantidad dada en términos de potencias de diez.

Magnitudes como la masa de la tierra, del átomo, la carga del electrón la extensión de la superficie de la tierra, son valores numéricos muy altos o pequeños para ser escritos reiteradas veces en el desarrollo de un problema; es en estos casos donde se hace de suma importancia el uso de la Notación científica.

 Ejemplo

1)La masa del sol 600.000.000.000.000.000.000.000.000.000, expresado en  notación científica es 6x10²⁹

2)El tamaño de una molécula orgánica es 0,00000000072m, expresado en notación científica es equivalente a 7,2x10⁻¹⁰m.

Nótese que para cantidades muy grandes el exponente es positivo.

10⁵=100.000

3,6x10³=3.600

Cuando las cantidades son muy pequeñas, movemos la coma hacia la derecha en este caso el exponente es negativo.

10⁻⁶=0,000001= 1/1.000.000

2x10⁻³=0,002=2/1.000

CONVERSIÓN DE UNIDADES 

Debido a que se requiere una gran cantidad de unidades diferentes para diversos tipos de trabajos con frecuencia se hace necesario convertir la medición de una unidad a otra , dichas conversiones se pueden realizar fácilmente por medio de operaciones algebraicas y aplicando el principio de cancelación.

En la conversión de unidades es conveniente seguir este procedimiento:

a) Se escriben las unidades a convertir

b) Se define cada unidad a convertir en términos de la unidad deseada.

c) Se realizan las operaciones indicadas, cancelando las unidades menos las que se buscan.

EJEMPLOS

1)  Convertir 300 Km en cm

300Km ×  (1000m/1 Km) x (1cm/0,01)=300.000cm/0,01=30.000.000 cm

2) Expresar 35.000 dc en Km

35.000dc ×  (0,1m/1 dc)×(1Km/1000m)=35.000x0,1Km/1000 = 3,5 Km

3) Convertir 367 millas/h   en  pie/sg

367mll/h×(1760yard/1mill)×(3pie/1yard)×(1h/3600sg) = 1937760pie/3600sg = 538,26 pie/sg

MAGNITUDES ESCALARES

Las magnitudes físicas escalares tienen la propiedad de quedar determinadas al conocer su valor numérico y su correspondiente unidad de medida.

Por ejemplo:

La masa 30 Kg,

Medida de tiempo 30 sg,

Medida de temperatura 15°C.

MAGNITUDES VECTORIALES

Estas magnitudes quedan determinadas al especificar además, de su valor numérico, con una dirección y un  sentido .

Por ejemplo:

El desplazamiento: se movió 30 metros hacia el norte.

La velocidad, 60 Km/h en un ángulo de 45°

La Fuerza, aplicó una fuerza de 3 Newton a la derecha.

VECTORES Y SU REPRESENTACIÓN

Un vector es un segmento dirigido con un origen o punto de aplicación y una cabeza o punto terminal. En otras palabras un vector es una flecha.

Cuando una cantidad es vectorial se representa con una letra o número y una flecha horizontal en la parte superior del mismo, →┬4, →┬A, →┬5, →┬X; también se representa con la letra o número remarcado A, 5, etc.

Los vectores se caracterizan por quedar determinados con la Magnitud, la dirección y el sentido; la magnitud se refiere a la longitud del vector, la dirección al ángulo que forma el vector con el eje horizontal y el sentido el extremo de la flecha que indica hacia donde se dirige.  

OPERACIONES CON VECTORES

1) Igualdad.  Dos vectores  son iguales cuando tienen igual magnitud y dirección.

Dos vectores son opuestos, cuando tienen igual magnitud pero sentidos opuestos.

2) Suma de vectores. La suma de vectores se realiza a través de diferentes métodos, a continuación se muestran algunos.

a)Regla del Triángulo, Mediante este método se desplaza uno de los vectores de tal forma que su origen quede ubicado en la cabeza del otro vector. Luego se traza un nuevo vector, que tenga el mismo origen del primer vector y la misma cabeza del segundo vector. Éste nuevo vector será el vector suma.

b) Regla del Polígono, esta regla se aplica cuando se trabaja con más de dos vectores. La suma entre los vectores se efectúa de modo que cada vector se suma con el siguiente, de acuerdo con la regla del triángulo.

c) Regla del paralelogramo, mediante esta regla se dibujan los dos vectores A y B desde un origen común o, se completa el paralelogramo de lados adyacentes los vectores A y B. El vector suma es la diagonal del paralelogramo que parte del punto o. 

Al utilizar la regla del paralelogramo, se pueden formar rectángulos, de modo que si conocemos la magnitud de los lados, se puede calcular el vector suma analíticamente mediante el teorema de Pitágoras. 

3) Diferencia de Vectores, la diferencia es un caso particular de la suma; en la cual si deseamos realizar A-B=C, solo tenemos que reemplazar la expresión anterior por  A+(-B)=C. Es decir la diferencia de los vectores A-B  se sustituye por la suma de A y el opuesto de B.

Ejemplo, dados los vectores A=8u en dirección norte y B=6u en dirección este. Hallar gráfica y analíticamente A+B y A – B.

SUMA DE VECTORES POR MEDIO DE COMPONENTES

Para sumar vectores a través de este método es necesario conocer sus Componentes rectangulares.

Componentes rectangulares de un vector.

Todo vector se puede ligar a un sistema de coordenadas cartesianas con su punto de aplicación en el origen.

Dado un sistema referencial compuesto de dos ejes perpendiculares OX y OY y un vector A, que parte del origen, se deduce entonces:

1) Ax es la componente del vector A en el eje x, indica cuanto se ha desplazado horizontalmente el vector.

2) Ay es la componente del vector A,  en el eje y; indica cuanto se ha desplazado el verticalmente el vector.

3) La magnitud del vector A, se calcula aplicando la regla de suma para vectores perpendiculares, 

           A²=Ax²+Ay²

4) Aplicando las funciones trigonométricas básicas se deducen las componentes horizontal y vertical.

Sen θ = Ay/A ∴ Ay = A. Sen θ        componente vertical del vector

Cos θ = Ax/A ∴ Ax = A. Cos θ       componente horizontal del vector.

La expresión Tan θ = Ay/Ax           permite encontrar la dirección del vector  A.

EJEMPLOS

1) Hallar las componentes del vector a=5u, en la dirección 30° respecto al semieje positivo de las x.

Para sumar vectores a través de componentes procedemos así:

1) Se trazan las componentes de cada vector.

2) Se calculan las componentes teniendo en cuenta que las componentes

en dirección de los semiejes positivos serán positivas y las componentes en

dirección de semiejes negativos serán negativas.

3) Se suman algebráicamente todas las componentes del eje x, así como las componentes del eje y.

4) Se calcula el vector suma, o vector resultante vs mediante la expresión    Vs=√(Vx²+Vy²)

5) La dirección del vector resultante se calcula teniendo en cuenta: Tan θ = Vy/Vx.

EJEMPLO: Hallar la magnitud y la dirección vector resultante  de la suma entre A=420N, B=150N y C=500N, por medio de Componentes.