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• Maria Jimenez Villa

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1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA La Física se define como el estudio e la Energía y sus interacciones. La Física es una ciencia fundamental ya que de ella dependen muchas otras y es a través de su estudio que podemos entender mejor el mundo que habitamos, puesto que ella nos proporciona conocimientos cuantitativos y cualitativos de los fenómenos básicos que ocurren en el universo, lo que ha permitido a la raza humana modificar su entorno día tras día. La Física se fundamenta en la Filosofía, ya que es a partir de la contemplación, la observación y la reflexión que pueden inferirse hipótesis y conceptos que al ser escritos en lenguaje matemático y transformados en modelos se constituyen en teorías capaces de ampliar y modificar la visión que poseemos del mundo. La Física es el punto de partida para muchos desarrollos Tecnológicos y es al mismo tiempo la encargada de permitirnos interpretar la percepción del entorno que nos rodea en la forma de Ciencia. OBJETIVO DE LA FÍSICA Brindar conocimiento Cualitativo y Cuantitativo de ciertos fenómenos básicos que ocurren en el Universo. 1.1 INTRODUCCIÓN HISTÓRICA A LA FÍSICA El estudio de la Física se ha debido en gran parte a los estudiosos de la naturaleza, personas curiosas que filosofan sobre la naturaleza de las cosas, por ello es de vital importancia para su comprensión relacionar el desarrollo de esta ciencia con los personajes que la han construido a lo largo del tiempo. La Física así como la conocemos hoy en día ha sido dividida en dos etapas bien diferenciadas a fin de distinguir su evolución, ellas son la Física Clásica y la Física Moderna. La Clásica desarrollada entre mediados del siglo XVI y finales del siglo XIX, incluye teorías de la Mecánica Clásica, la Termodinámica y el Electromagnetismo. De otro lado la Moderna se inicia a finales del siglo XIX y aún se encuentra en pleno desarrollo, surgiendo como respuesta a la incapacidad de la física Clásica para explicar muchos fenómenos físicos. La Física Moderna tiene como desarrollos más importantes a la Mecánica Cuántica y a la Teoría de la Relatividad.

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La siguiente tabla muestra a modo de resumen a algunos de los más destacados físicos, así como la etapa en que desarrollaron sus correspondientes aportes:

PERSONAJES Galileo Galiley (1564 – 1642) C L Á S I C A

Johannes Kepler(1571 – 1630) Isaac Newton (1642 – 1727)

James Clerck Maxwell (1831 – 1879)

M O D E R N A

Max Planck Albert Einstein (1879 – 1955) Niels Bohr Robert A. Millikan James Franck Gustav Hertz

APORTES Trabajó las leyes del movimiento con aceleración constante. Desarrolló las leyes empíricas para el movimiento de los cuerpos celestes mediante observaciones astronómicas. Desarrolló la mecánica clásica como una teoría sistemática. Fue uno de los creadores del cálculo como herramienta matemática. Desarrolló la teoría unificada del Electromagnetismo. Descubrió los cuantos de energía. Desarrolló la teoría de la relatividad. Fue el primero en formular la teoría del efecto fotoeléctrico. Construyó modelos para el átomo y la radiación atómica. Midió la carga del electrón Diseñó el experimento que comprueba el efecto fotoeléctrico. Descubrieron el efecto Franck – Hertz en las colisiones electrón átomo.

Tabla 1 Principales personajes y sus aportes a la Física

Consulta: Complemente la anterior tabla con 10 filas más: personajes, época de vida y aportes.

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1.2 ESTÁNDARES DE LONGITUD, MASA Y TIEMPO GENERALIDADES Medir Es comparar con una unidad patrón (definida por convención), a fin de cuantificar la cantidad de veces que se repite (múltiplo o fracción) dicha unidad patrón. Medición Es la acción de conocer, verificar y cuantificar los fenómenos relacionándolos a magnitudes (que pueden ser escalares o vectoriales) asociadas a números y unidades que las definen en cada caso particular y que facilitan los procesos en la comunicación humana. Unidad de Medida Valor de una magnitud para la cual se admite, por convención, que su valor numérico es igual a (1). Se fija la unidad de medida de una magnitud para hacer posible la comparación cuantitativa entre diferentes valores de una misma magnitud. Sistema de Unidades Se entiende por sistema de unidades1 al conjunto sistemático y organizado de unidades adoptado por una convención. Es un sistema coherente ya que el producto o el cociente de dos o más de sus magnitudes da como resultado la unidad derivada correspondiente. Sistema Internacional de Unidades (SI) El Sistema Internacional de Unidades es un código, aceptado a nivel mundial, para el intercambio de información relacionada con las operaciones de medición, compuesto por un conjunto práctico y coherente de unidades de medida, aprobado por la Conferencia general de Pesas y Medidas en 1960. La nomenclatura, definiciones y símbolos de las unidades del sistema internacional y las recomendaciones para el uso de los prefijos son recogidas por la Norma Técnica Colombiana Oficial Obligatoria 1000. (Resolución N 005 de 95 – 04 – 03 del Consejo Nacional de Normas y Calidades).

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Tomado de la Superitendencia de Industria y Comercio. Metrología Sistema legal de unidades en Colombia

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Tipos de Unidades de Medida A continuación se indican los distintos tipos de magnitudes físicas con sus correspondientes unidades (nombres) y símbolos. Unidades Fundamentales del SI: Son las unidades básicas, definidas por convención, a partir de las cuales se derivan las demás unidades utilizadas en el Sistema Internacional. Magnitud

Unidad

Símbolo

Longitud Masa Tiempo Corriente Eléctrica Temperatura, Termodinámica Intensidad luminosa Cantidad de substancia

metro kilogramo segundo ampere kelvin candela mol

m kg s A K cd mol

Tabla 2 Unidades Fundamentales del SI Unidades Derivadas del SI: Son aquellas unidades que se obtienen a partir de la combinación de las unidades fundamentales, se dividen fundamentalmente en dos tipos: las que no tienen nombres especiales y las que si los poseen. Magnitud

Nombre

Símbolo

Superficie Volumen Densidad de masa Velocidad Lineal Velocidad Angular Aceleración Aceleración angular

metro cuadrado metro cúbico kilogramo por metro cúbico metro por segundo radian por segundo metro por segundo cuadrado radian por segundo cuadrado

m2 m3 kg/m3 m/s rad/s m/s2 rad/s2

Tabla 3 Unidades Derivadas del SI que no tienen nombres especiales Magnitud

Unidad

Símbolo – Relación

Frecuencia Fuerza Presión Energía, trabajo, cantidad de calor Potencia, flujo de energía Cantidad de electricidad, carga eléctrica Diferencia de potencial, o Potencial Eléctrico Capacidad eléctrica Resistencia Eléctrica Flujo luminoso Iluminación

hertz newton pascal Joule watt coulomb

1Hz = 1s 1N = 1Kg. m/s2 1Pa = 1N/m2 1J = 1N. m 1W = 1J/s 1C = 1A.s

volt

1V = 1J/C

farad ohm lumen lux

1F = 1C/V 1Ω = 1V/A 1lm = 1cd. Sr 1lx = 1lm/m2

Tabla 4 Unidades Derivadas del SI que tienen nombres especiales 4

Unidades SI Suplementarias: Magnitud

Unidad

Símbolo

Angulo Plano Angulo Sólido

radian estereorradián

rad sr

Tabla 5 Unidades SI Suplementarias Unidades aceptadas que no pertenecen al SI: Magnitud

Nombre

Símbolo

Valor en unidades SI

Masa

tonelada minuto hora día grados Celsius grado minuto segundo litro

T min h d 0C

1t = 1000Kg 1min = 60 segundos 1h = 60 min = 3600s 1d = 24h= 86400s 0C = K-273.15 10 = (μ/180) radianes 1” = (10/60) = (1/10800)rad 1” = (1”/60) = (μ/648000)rad 1L = 1dm3

Tiempo Temperatura Angulo Plano Volumen

0

’ ‘’ Lól

Tabla 6 Unidades aceptadas que no pertenecen al SI

PREFIJOS Nombre

Símbolo

Factor

Nombre

Símbolo

Factor

exa peta tera giga mega kilo hecto deca

E P T G M k h da

1018 1015 1012 109 106 103 102 10

deci centi mili micro nano pico femto atto

d c m μ n p f a

10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18

Tabla 7 Prefijos

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DEFINICIÓN DE LAS UNIDADES FUNDAMENTALES Longitud (metro – m) El metro es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz, durante un intervalo de tiempo de (1/299 792 458) de segundo. Tiempo (segundo – s) El segundo es la duración de 9.192.631.770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cesio 133. Masa (kilogramo – kg) El kilogramo es la unidad de masa, este es igual a la masa del Prototipo Internacional, que es mantenido por el Buró Internacional de Pesas y Medidas BIMP y depositado en el pabellón de Breteuil, de Sevres. Estrechamente relacionado con el concepto de masa esta el de fuerza. La unidad SI de fuerza es el newton (N). Una fuerza de un newton, aplicada durante un segundo comunicara a un kilogramo – masa una velocidad de un metro por segundo (una aceleración 1m/s2). El peso de un objeto es la fuerza que sobre el ejerce el campo gravitacional en las proximidades de la superficie terrestre. El campo gravitacional comunica a una masa una aceleración hacia debajo de aproximadamente 9,81m/s2. La unidad SI de trabajo y energía de cualquier tipo es el joule (J): 1J = 1N.m. La unidad SI de potencia de cualquier tipo es el watt (W): 1W = 1J/s. Temperatura (kelvin- k) El kelvin, unidad de temperatura es la fracción (1/273.16) de la temperatura termodinámica del punto triple del agua. Un intervalo de temperatura puede también expresarse en grados Celsius (0C). Celda del punto triple del agua: Un cilindro de vidrio al vacío lleno de agua pura, se utiliza para definir una temperatura fija conocida. Cuando la celda se enfría hasta que forma una capa de hielo alrededor del depósito, la temperatura en la superficie de separación de los estados sólido, líquido y vapor es de 0,010C.

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Intensidad Luminosa (candela – cd) La candela es la intensidad luminosa en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertz y de la cual la intensidad radiada en esa dirección es (1/683) watt por estereorradián. Corriente Eléctrica (ampere – A) El ampere es la intensidad de una corriente constante mantenida en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados a una distancia de un metro uno del otro en el vacío, produce entre estos conductores una fuerza igual a 2 x 10-7 newton por metro de longitud. La unidad SI de diferencia de potencial es el volt (V): 1V = 1W/1A = 1J/1C. La unidad SI de resistencia eléctrica es el ohm (Ω): 1Ω = 1V/ 1A. Cantidad De Sustancia (mol – mol) Cantidad de sustancia de un sistema, el cual contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12. Nota: Cuando se utiliza la mol tienen que especificarse las entidades elementales, como pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o grupos especificados de tales partículas. REGLAS PARA USAR LOS SIMBOLOS A fin de evitar confusiones a la hora de comunicar mensajes que empleen símbolos físicos, es de vital importancia definir ciertas reglas, estas son2: a. No se colocarán los puntos luego de los símbolos de las unidades SI, sus múltiplos o submúltiplos. Ejemplo: kg, dm, mg. b. Cuando sea necesario referirse a una unidad, se recomienda escribir el nombre completo de la unidad, salvo casos en los cuales no exista riesgo de confusión al escribir únicamente el símbolo. c. El símbolo de la unidad será el mismo para el singular que para el plural. Ejemplo: 1kg – 5kg d. No se acepta la utilización de abreviaturas para designar unidades SI. Tomado de la Superitendencia de Industria y Comercio. Metrología Reglas generales para el uso del Sistema Internacional de unidades en Colombia 2

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Ejemplo: grs no corresponde a gramos, lo correcto es: g. e. Cuando se deba escribir (o pronunciar) el plural del nombre de una unidad SI, se usaran las reglas de la Gramática Española. Ejemplo: metro – metros, mol – moles. f.

Se usarán los prefijos SI y sus símbolos, para formar respectivamente los nombres y los símbolos de los múltiplos y los submúltiplos de las unidades SI. Ejemplo: centímetro = cm.

g. No deberán combinarse nombres y símbolos al expresar el nombre de una unidad derivada. Ejemplo: metro/s, lo correcto es m/s o metro/segundo. h. Cada unidad y cada prefijo tiene un solo símbolo y este no puede ser alterado de ninguna forma. No se deben usar abreviaturas. Ejemplo: Correcto 10 cm3 30 kg 5m 10 t

Incorrecto 10cc 30 kgrs 5 mts 10 ton

i.

Todos los símbolos de las unidades SI se escriben con letras minúsculas del alfabeto latino, con la excepción del ohm (Ω) letra mayúscula omega del alfabeto griego, pero aquellos que provienen del nombre de científicos se escriben con mayúscula. Ejemplo: kg kilogramo, cd candela, A ampere.

j.

Los símbolos no se pluralizan, siempre se escriben en singular independientemente del valor numérico que los acompaña. El símbolo representa a la unidad. Ejemplo: 5kg – 255m.

k. Luego de un símbolo no debe escribirse ningún signo de puntuación, salvo por regla de puntuación gramatical, dejando un espacio de separación entre el símbolo y el signo de puntuación. Ejemplo: longitud de 7,1 m l.

Los símbolos se escriben a la derecha de los valores numéricos separados por un espacio en blanco. El espacio en blanco se eliminará cuando se trate de los símbolos de las unidades sexagesimales de ángulo plano. Ejemplo: 10 A 30 m 270 K 400

m. Todo valor numérico debe expresarse con su unidad, incluso cuando se repita o cuando se especifica la tolerancia. Ejemplo: 30,0 m ± 0,1 m

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LA COMA COMO MARCADOR DECIMAL a. La coma es reconocida por la Organización Internacional de Normalización ISO (eso es, por alrededor de 90 países de todo el mundo) como único signo ortográfico en la estructura de los números, utilizados en documentos y normas técnicas. b. La importancia de la coma para separar la parte entera del decimal, es enorme. Esto se debe a la esencia misma de Sistema Métrico Decimal, por ello debe ser visible, no debiéndose perder durante el proceso de ampliación o reducción de documentos. c. La grafía de la coma se identifica y distingue mucho más fácilmente que la del punto. d. La coma es una grafía que, por tener forma propia, demanda del escritor la intención de escribirla, el punto puede ser accidental o producto de un descuido. USO DE LOS NOMBRES DE LAS UNIDADES a. El nombre completo de las unidades SI se escriben con letra minúscula, con la única excepción de grado Celsius, salvo en el caso de comenzar la frase o luego de un punto. Correcto

Incorrecto

metro kilogramo newton watt

Metro Kilogramo Newton Watt

b. Las unidades, los múltiplos y los submúltiplos, solo podrán designarse por sus nombres completos o por sus símbolos correspondientes reconocidos internacionalmente. No esta permitido el uso de cualquier otro. Correcto

Incorrecto

m kg g K

Mts, mt, Mt, M Kgr, kgs, kilo, KG Grs, gr, grs, g k, kelv

c. Las unidades cuyos nombres son los de los científicos, no se deben traducir, deben escribirse tal como en el idioma de origen. Correcto

Incorrecto

newton sievert joule ampere

niutonio sievertio julio amperio

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ESCRITURA DE NÚMEROS EN DOCUMENTOS a. En números de muchas cifras, estas se agrupan de tres en tres, a partir de la coma, tanto para la parte entera como para la parte decimal. Entre cada grupo se debe dejar un espacio en blanco, igual o menor al ocupado por una cifra pero dejado normalmente entre las cifras. Ejemplo: 1 365 743 038 290 b. Para el orden de números grandes. Se sigue la regla 6N (potencias de 10 múltiplos de 6), que establece las equivalencias siguientes. 1 millón 1 billón 1 trillón 1 cuatrillón

106 1012 1018 1024

c. La primera cifra a la izquierda de la coma decimal tiene como valor posicional el de la unidad en la que se expresa el numero. Ejemplo: 34,50 m (la cifra 4 indica metros) d. Si un símbolo que contiene un prefijo esta afectado por un exponente este (el exponente) afecta toda la unidad. Ejemplo: 1 cm2 = (0,01 m)2 = 0,0001 m2 USO DE LOS PREFIJOS a. Todos los nombres de los prefijos del SI se escriben con letra minúscula. Ejemplo: mega, micro, mili, kilo b. Los símbolos de los prefijos para formar múltiplos se escriben con letra latina mayúscula, salvo el prefijo kilo, que por convención se escribe con la letra (k) minúscula. Ejemplo: exa: E, giga: G, mega: M, kilo: k. c. Los símbolos de los prefijos para formar los submúltiplos se escriben con letra latina minúscula, salvo el símbolo del prefijo micro, para el que se usa la letra griega μ. Ejemplo: mili: m, micro: μ, nano: n, pico: p. d. Los múltiplos y submúltiplos de las unidades de medida se forman anteponiendo, sin dejar espacio, los nombres o símbolos de los prefijos a los nombres o símbolos de las unidades. Ejemplo: kilómetro: km, miliampere: mA, megavolt: MV. e. Los múltiplos y submúltiplos de unidades de masa se forman anteponiendo los nombres o símbolos de los prefijos de la palabra gramo. Ejemplo: megagramo: Mg, kilogramo: kg, gramo g, miligramo: mg.

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f.

No se usarán dos o más prefijos delante del símbolo o nombre de una unidad de medida. Ejemplo: Correcto nA, incorrecto mμA.

g. Los múltiplos y submúltiplos de las unidades de medida deben ser generalmente escogidos de modo que los valores numéricos estén entre 1 y 1000. Ejemplo: Correcto 750 km, incorrecto 750 000 m. h. Esta permitido el uso de los prefijos hecto, deca, deci y centi cuando se trata de unidades de área (m2) o de volumen (m3). Para otras magnitudes físicas deben usarse solamente los prefijos preferidos. Ejemplo: 10 dm3 REPRESENTACIÓN DEL TIEMPO El día esta dividido en 24 horas, por lo tanto las horas deben denominarse desde las 00 hasta las 24. El tiempo se expresará utilizando dos cifras para indicar los valores numéricos de las horas, de los minutos y de los segundos, separados de los símbolos de estas unidades mediante espacios en blanco y de acuerdo al siguiente orden: hora, minuto, segundo. Ejemplo: 11h 25min 34s REPRESENTACIÓN DE LA FECHA EN FORMA NUMÉRICA Para expresar el año se utilizarán cuatro cifras, las que se escribirán en bloque. Cuando no exista riesgo de confusión podrán utilizarse solo dos cifras. Ejemplo: 2007ó 07. Se utilizarán dos cifras para representar los días y los meses. Al escribir la fecha completa se representará el orden siguiente: año, mes, día y se usará un guión para separarlos. Ejemplo: 15 de octubre de 1990, se indica: 1990 – 10 – 15 o 90 – 10 – 15 Consulta: Sabiendo que existen dos tipos de Medición que son la Medición Directa y la Medición Indirecta: a. Defina cada una de ellas. b. Indique dos ejemplos claros de cada caso. Consulta: Defina los siguientes conceptos: a. Exactitud. b. Precisión. c. Repetibilidad.

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