Capítulo
1
GENERALIDADES Los fenómenos naturales son intrínsecos a la naturaleza, nacen con ella, es imposible que el hombre pueda regirlas o alterarlas, como ejemplos tenemos: la caída de los cuerpos, los fenómenos ópticos, la atracción magnética, la transformación de la energía, entre otros; por otro lado es obvio afirmar que siempre existió una interacción mutua entre el hombre y la naturaleza. El ser humano mediante su inteligencia trató de encontrar la solución al porqué de los fenómenos naturales, surgió entonces la ciencia que no es más que el conocimiento y estudio de las leyes de la naturaleza. Sería absurdo dar una fecha al nacimiento de la ciencia, pues ésta aparece tras una evolución contínua del hombre en el espacio y en el tiempo. Entiéndase que la ciencia encierra un conocimiento cualitativo y cuantitativo de las leyes naturales; pues si no se puede medir y expresar en números las leyes de un fenómeno, por más que su explicación cualitativa sea contundente, ésta será pobre e insatisfactoria; de ahí que las matemáticas se convierten en una herramienta imprescindible en la formulación de una Ley. EXPLIC A CIÓN CU ALIT ATIV A EXPLICA CUALIT ALITA TIVA
EXPLIC A CIÓN CU ANTIT ATIV A EXPLICA CUANTIT ANTITA TIVA
F= F
La manzana cae hacia la tierra, por la atracción gravitatoria.
GmM H2
Es posible calcular la fuerza gravitatoria.
¿P ar a qué sir v e la ciencia? ¿Par ara sirv Realmente esta pregunta es muy amplia, pero de manera general se puede afirmar que sirve para: -
-
Prevenir el acontecimiento futuro de un fenómeno natural (terremoto, lluvia, huracán, etc.) Poder usarlas de acuerdo a nuestros intereses. Usamos el viento para trasladarnos en avión; usamos la caída del agua para generar energía eléctrica; usamos los diferentes tipos de ondas para comunicarnos. Modernizarnos, pues la ciencia tiene su aplicación directa, por ejemplo: La Ingeniería, La Medicina, La Astronomía, etc.
Jorge Mendoza Dueñas
& El hombre, para facilitar el estudio de la ciencia ha creído conveniente dividirlas en varias ramas, y esto es enteramente convencional. La palabra Física proN aviene del término griego “physis” que significa “N tur ale za turale aleza za”, por lo tanto, la Física podría ser la ciencia que se dedica a estudiar los fenómenos naturales; este fue el enfoque de la Física hasta principios del siglo XIX con el nombre de ese entonces “Filosofía Natural”. A partir del siglo XIX se redujo al campo de la Física, limitándola al estudio de los llamados Fenómenos Físic os “F Físicos os”, los demás se separaron de ella y pasaron a formar parte de otras ciencias naturales. Es innegable que el estudio de la Física involucra la experimentación del fenómeno y la cuantificación del mismo, por eso es importante combinar la teoría, con ayuda de las clases dictadas por los profesores o la bibliografía de los diver-
A)
sos libros del curso y la práctica o experimento del fenómeno en estudio; pues así lo hicieron los grandes científicos como Arquímides, Galileo, Newton, Einstein entre otros.
CONCEPTO DE FÍSICA Es una rama de la ciencia de tipo experimental, que observa, estudia y gobierna mediante leyes los llamados fenómenos físicos.
FENÓMENO Es el cambio o modificación que sufren los cuerpos de la naturaleza, bajo la influencia de diversas formas de energía; existen muchos fenómenos. En esta oportunidad nos ocuparemos solo de tres fenómenos.
FFenómeno o Físico enómeno Físic Es el cambio que sufre la materia sin alterar su estructura íntima. Se caracteriza por ser reversible
I lustr aciones lustraciones
La piedra cambió de posición , pero no cambió su estructura química. Inicialmente era piedra,finalmente también lo es; por lo tanto se produjo un fenómeno físico.
B)
La evaporación del agua es un fenómeno físico. Inicialmente era agua, finalmente también es agua.
Fenómeno Q o Químic uímico uímic Es el cambio que sufre la materia experimentando una alteración en su estructura química. Se caracteriza por ser irreversible, es decir el cuerpo no vuelve a ser jamás lo que inicialmente era.
I lustr aciones lustraciones azúcar
fuego
Si se quema una madera, éste cambia. El fenómeno es químico; inicialmente el cuerpo era madera , finalmente no lo es.
C)
Cuando se somete al azúcar a la acción del calor, el azúcar se transforma en un cuerpo negro (carbón de azúcar); ya no vuelve a ser el azúcar primitivo.
Fenómeno Físic o-Q Físico-Q o-Químic uímico uímic o Este fenómeno tiene algunas características del fenómeno físico y otras del químico.
Generalidades
'
PARTES DE LA FÍSICA
A)
M ecánic a.- Estudia los fenómenos relacioecánica.nados con los movimientos de los cuerpos así como las fuerzas que actúan en ellos. Se divide en: a de los Sólidos Rígidos: ecánica - M ecánic - Cinemática - Estática - Dinámica ef or mables - M ecánic ecánica Def efor ormables a de los Sólidos D a de los FFluídos luídos - M ecánic ecánica
B)
C alor .- Estudia las interacciones en el intealor.rior de la materia.
C)
A cústic a.- Estudia los fenómenos referentes cústica.al sonido.
D)
E lec tr icidad .- Estudia los fenómenos relalectr tricidad icidad.cionados con la carga eléctrica.
E)
Optic a.- Estudia la interacción de la luz con Optica.la materia.
F)
M agnetismo .- Estudia los fenómenos relaagnetismo.cionados con los campos magnéticos.
G)
Físic aM o der na.- Cubre los desarrollos alFísica Mo derna.canzados en el siglo XX.
EL MÉTODO CIENTÍFICO Es un método de la Física, dirigido a las personas de ciencias y contempla los pasos a seguir para formular una ley física. En la práctica nosotros podemos comprobar la veracidad de una ley utilizando este método. El método científico es esencialmente un método experimental y tiene como gestor a Galileo Galilei. A continuación se dará a conocer cada uno de los pasos utilizando como ejemplo ilustrativo, la ley de la Gravitación Universal, formulada por Isaac Newton.
1.-
LA OBSERVACIÓN.- Consiste en realizar un examen visual-mental del fenómeno, notando su estado actual y sus transformaciones así como los diferentes factores que parecen influenciarlos. Muchas veces las condiciones y circunstancias en que se realiza el fenómeno no es el óptimo, motivo por el cual la observación debe realizarse minuciosa y reiteradamente.
Cuenta la historia que Newton observó que la manzana caía hacia la tierra . También descubrió que la luna cae eternamente hacia nuestro planeta.
2.- MEDIDA Y REGISTROS DE DATOS.- Para describir un fenómeno físico existen dos tipos: la descripción cualitativa y cuantitativa. Se dice que una descripción es cualitativa, cuando se describe con palabras y no con números, por ejemplo: el edificio es alto, la temperatura del horno es alta, el caudal de las aguas del río es grande. Obviamente que esta clase de descripción deja muchas preguntas sin respuesta, se necesitará entonces de los números y estos se basan en una medición.
Jorge Mendoza Dueñas
El método científico exige comparación y estas se efectúan mejor en forma cuantitativa, es decir, con números. Esto no significa que el científico necesariamente tenga que partir de una medición inédita, muchas veces él aprovecha las mediciones de sus colegas antecesores, las cuales le sirven como base para describir cuantitativamente el fenómeno en estudio.
T12 T22 = = cte r13 r23
Newton aprovechó los estudios realizados por los científicos que le antecedieron como los de Nicolás Copérnico, Galileo quien inventó el telescopio, Tycho Brahe que se ocupó por 20 años de hacer mediciones de los cuerpos celestes con ayuda del telescopio, así como de Johanes Kepler (amigo de Galileo) quien formulara sus famosas “Leyes de Kepler”.
3.- FORMULACIÓN DE UNA HIPÓTESIS.- A partir de hechos y leyes conocidas, un científico puede descubrir nuevos conocimientos en una forma teórica. Se entiende por teoría al hecho que el Físico proponga un modelo de la situación física que está estudiando, utilizando relaciones previamente, establecidas; ordinariamente expresa su razonamiento mediante técnicas matemáticas. Ley de Newton: F =
4 π 2mR T2
2
Ley de Kepler:
Hipótesis:
T = K = cte R3 F=
GmM R2
Con ayuda de las leyes de Kepler, así como de su segunda Ley, Newton llevó a cabo su modelo matemático hasta llegar a una hipótesis.
Donde: G = cte. de gravitación universal.
4.- EXPERIMENTACIÓN.- Consiste en la observación del fenómeno bajo condiciones preparadas con anterioridad y cuidadosamente controladas. De esta manera el científico puede variar las condiciones a voluntad, haciendo más fácil descubrir como ellas afectan el proceso. Henry Cavendish Si esta última se llena satisfacfue quien determinó experimentaltoriamente, la hipótesis pasa a mente el valor de la ser un hecho comprobado y constante G, 70 años después de la puede ser una Ley de la Física muerte de Newton que se enuncia mediante fór; con lo cual se comprobó la veracidad mulas matemáticas. de la hipótesis de Newton(ley).
De todo lo expuesto es fácil deducir que todo científico tiene como meta descubrir las leyes de la naturaleza y ello empieza con la “curiosidad” que es lo que lleva a la observación del fenómeno (inicio del método científico).