LA FÍSICA COMO CIENCIA

La Física es la ciencia que busca las leyes fundamentales de la naturaleza. Las ramas de la física estudian el movimiento de los cuerpos – el comportamiento de la luz y de la radiación – el sonido – la electricidad y el magnetismo – la estructura interna de los átomos y núcleos atómicos – el comportamiento de los fluidos (líquidos y gases) – y las propiedades de los materiales – entre otras cosas.

En cada página – o en cada categoría – el estudiante puede encontrar conceptos, ejemplos y actividades de refuerzo: como videos y archivos relevantes a la temática. Finalmente en importante que cada uno de los estudiantes resuelva las PREGUNTAS DE PRÁCTICA  que más tarde servirán para ser enviadas al email que se encuentra en ACTIVIDAD FINAL  (ver detalles allí).

En la categoría ACTIVIDAD FINAL se encuentran algunos archivos que pueden servir de refuerzo.

Y en ENLACES DE REFUERZO se encuentran algunos sitios de la red que ayudan sustancialmente a la conceptualizanción.


ACTIVIDAD INTRODUCTORIA: Para conocerla la física y entenderla es muy importante conocer y saber acerca de algunos físicos famosos que han aportado a la ciencia y  que hoy nos sirve en la vida cotidiana. Entre otros tenemos:

Nicolás Copérnico (1473-1543)

Copérnico era el astrónomo polaco que puso el primer sistema de planetas basado matemáticamente que giran alrededor del sol. Asistió a varias universidades europeas, y se hizo un Canon en la iglesia católica en 1497. Su nuevo sistema fue en realidad presentado primero en los jardines del Vaticano en 1533 ante el Papa Clemente VII que lo aprobó, y urgió a Copérnico a publicarlo alrededor de ese tiempo. Copérnico nunca estuvo bajo ninguna amenaza de persecución religiosa – y fue instado a que lo publicara por ambos el obispo Católico Guise, el Cardenal Schonberg, y también el profesor Protestante George Rético. Copérnico hizo referencia a Dios a veces en sus obras, y no vio su sistema como en el conflicto con la Biblia.

Juan Kepler (1571-1630)

Kepler era un matemático brillante y astrónomo. Hizo un trabajo temprano sobre la luz, y estableció las leyes del movimiento planetario sobre el sol. También llegó a estar cerca de llegar al concepto Newtoniano de la gravedad universal – incluso antes de que Newton naciera! Su introducción de la idea de la fuerza en la astronomía cambió de manera radical en una dirección moderna. Kepler era un Luterano sumamente sincero y piadoso, cuyas obras sobre astronomía contienen escritos sobre cómo el espacio y los cuerpos celestes representan la Trinidad. ¡Kepler no sufrió persecución por su declaración abierta del sistema centrado por el sol, y era permitido como un Protestante quedarse en la Graz católica como un catedrático (1595-1600) cuando otros Protestantes habían sido expulsados!

Galileo Galilei (1564-1642)

Galileo es recordado a menudo para su conflicto con la Iglesia Católica Romana. Su trabajo polémico sobre el sistema solar fue divulgado en 1633. No tenía ninguna prueba de un sistema centrado por el sol (los descubrimientos del telescopio de Galileo no demostraron una tierra móvil) y su sola “Prueba” sobre la base de las mareas era inválida. Ignoraba las órbitas elípticas correctas de los planetas publicada veinticinco años antes por Kepler. Debido a que su trabajo terminó poniendo el argumento favorito del Papa en el diálogo en la boca del simplón, el Papa (un viejo amigo de Galileo) estaba muy ofendido. Después del “Juicio” y siendo prohibido de enseñar el sistema centrado por el sol, Galileo hizo su trabajo teórico más útil, que fue sobre dinámica. Galileo dijo expresamente que la Biblia no puede equivocarse, y vio su sistema como una interpretación alterna de los textos bíblicos.

Arquímedes (287-212 a.C.)

Notable matemático e inventor griego, que escribió importantes obras sobre geometría plana y del espacio, aritmética y mecánica.

Nació en Siracusa, Sicilia, y se educó en Alejandría, Egipto. En el campo de las matemáticas puras, se anticipó a muchos de los descubrimientos de la ciencia moderna, como el cálculo integral, con sus estudios de áreas y volúmenes de figuras sólidas curvadas y de áreas de figuras planas. Demostró también que el volumen de una esfera es dos tercios del volumen del cilindro que la circunscribe.

En mecánica, Arquímedes definió la ley de la palanca y se le reconoce como el inventor de la polea compuesta. Durante su estancia en Egipto inventó el ‘tornillo sin fin’ para elevar el agua de nivel. Arquímedes es conocido sobre todo por el descubrimiento de la ley de la hidrostática, el llamado principio de Arquímedes, que establece que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una pérdida de peso igual al peso del volumen del fluido que desaloja (véase Mecánica de fluidos). Se dice que este descubrimiento lo hizo mientras se bañaba, al comprobar cómo el agua se desplazaba y se desbordaba.

Arquímedes pasó la mayor parte de su vida en Sicilia, en Siracusa y sus alrededores, dedicado a la investigación y los experimentos. Aunque no tuvo ningún cargo público, durante la conquista de Sicilia por los romanos se puso a disposición de las autoridades de la ciudad y muchos de sus instrumentos mecánicos se utilizaron en la defensa de Siracusa. Entre la maquinaria de guerra cuya invención se le atribuye está la catapulta y un sistema de espejos —quizá legendario— que incendiaba las embarcaciones enemigas al enfocarlas con los rayos del sol.

Isaac Newton (1642-1727)

En óptica, mecánica, y matemáticas, Newton era una figura de genio indiscutible e innovación. En toda su ciencia (incluyendo química) el vio las matemáticas y los números como central. Lo que es menos conocido es que era fervientemente religioso y vio a los números tan involucrados en el plan de Dios para la historia a partir de la Biblia. Hizo una obra considerable sobre numerología bíblica, y, aunque los aspectos de sus creencias no eran ortodoxos, pensaba que la teología era muy importante. En su sistema de física, Dios es esencial para la naturaleza y el carácter absoluto del espacio. En Principia dijo, “El sistema más hermoso del sol, los planetas, y cometas, podía sólo proceder del consejo y dominio de un Ser inteligente y poderoso.”

Michael Faraday (1791-1867)

Miguel Faraday era el hijo de un herrero que se convirtió en uno de los científicos más grandes del siglo XIX. Su trabajo sobre la electricidad y el magnetismo no sólo revolucionó la física sino también resultó en gran parte de nuestros estilos de vida de hoy, que dependen de ellos (incluir computadoras y líneas telefónicas y sitios web). Faraday era un miembro fervientemente cristiano de los Sandemanianos, que influyeron en él significativamente y afectaron fuertemente la manera en la que se acercó e interpretó la naturaleza. Originados de los Presbiterianos, los Sandemanianos rechazaron la idea de las iglesias estatales, y trataron de regresar a un tipo de Cristianismo del Nuevo Testamento.

Guillermo Thomson Kelvin (1824-1907)

Kelvin era más importante entre el grupo pequeño de científicos británicos que ayudaron a poner los cimientos de la física moderna, propuso una escala absoluta de temperatura y trabajó mucho en la termodinámica. Su trabajo cubrió muchas áreas de la física, y fue dicho que tenía más credenciales que alguien más en la comunidad de naciones, puesto que recibió numerosos títulos honoris causa de universidades europeas, que reconocieron el valor de su trabajo. Era un Cristiano muy comprometido, que era indudablemente más religioso que el promedio por su era. Curiosamente, sus colegas físicos Jorge Gabriel (1819-1903) y Jaime Clerk Maxwell (1831-1879) eran también hombres de profunda dedicación cristiana, en una era cuando muchos eran sólo de nombre, apáticos, o anticristianos. La Encyclopedia Britannica dice “Maxwell es visto por la mayoría de los físicos modernos como el científico del siglo XIX que tenía la influencia más grande sobre física de siglo XX; es clasificado con Sir Isaac Newton y Alberto Einstein por la naturaleza fundamental de sus contribuciones.” Lord Kelvin eraun creacionista de la “Tierra vieja”, que calculó que la tierra tenía una edad entre 20 millones y 100 millones de años, con un límite superior en 500 millones de años sobre la base de ratios de enfriamiento (un cálculo aproximado bajo atribuible a su falta de conocimientos sobre la calefacción radiogénica).

Max Planck (1858-1947)

Planck hizo muchas contribuciones a la física, pero fue más conocido por la teoría cuántica, que revolucionó nuestro conocimiento de los mundos atómicos y subatómicos. En su conferencia de 1937 sobre “Religión y Ciencia”, Planck expresó la opinión de que Dios estaba por todos lados presente, y sostuvo que “La santidad de la Deidad ininteligible era expresada por la santidad de los símbolos.” Los ateos, creía él, dan demasiada importancia a lo que son simplemente símbolos. Planck era una persona que ayudaba al clero en asuntos seculares desde 1920 hasta su muerte, y creyó en un Dios Todopoderoso y Omnisciente y caritativo (aunque no necesariamente uno personal). Tanto la ciencia como la religión hacen una “Lucha incansable en contra del escepticismo y el dogmatismo, en contra de la incredulidad y la superstición” con la meta “Hacia Dios!”

Albert Einstein (1879-1955)

Einstein es probablemente el mejor conocido y el más reverenciado científico del siglo veinte, y es relacionado con las revoluciones muy importantes en nuestro pensar en el tiempo, la gravedad, y la conversión de la materia en energía (E = mc2), padre de la teoría de la relatividad. Aunque nunca llegó a la creencia en un Dios personal, reconoció la quimera de un universo no creado. La Encyclopedia Britannica dice de él: “Firmemente negando el ateísmo, Einstein expresó una creencia en el Dios de Spinoza que se revela a Sí Mismo en la armonía de lo que existe.” En realidad esto motivó su interés en la ciencia, como una vez se lo comentó a un joven físico: “Quiero saber cómo Dios creó este mundo, no estoy interesado en este o ese fenómeno, en el espectro de este o ese elemento. Quiero conocer Sus ideas, el resto son detalles.” El epíteto famoso sobre el “Principio de incertidumbre” de Einstein era “Dios no juega dados” – y para él ésta era una declaración legítima sobre un Dios en el que él creía. Un famoso refrán suyo era que la “Ciencia sin religión está coja, religión sin ciencia está ciega.”

Stephen William Hawking (1942-  )

físico teórico británico, conocido por sus intentos de aunar la relatividad general con la teoría cuántica y por sus aportaciones íntegramente relacionadas con la cosmología. Nació en Londres y obtuvo el doctorado en la Universidad de Cambridge, donde trabajó como profesor de matemáticas desde 1979. Gran parte de su trabajo hace referencia al concepto de agujero negro. Su investigación indica que la relatividad general, si es cierta, apoya la teoría de que la creación del Universo tuvo su origen a partir de una Gran Explosión o Big Bang, surgida de una singularidad o un punto de distorsión infinita del espacio y el tiempo. Más tarde depuró este concepto considerando todas estas teorías como intentos secundarios de describir una realidad, en la que conceptos como la singularidad no tienen sentido y donde el espacio y el tiempo forman una superficie cerrada sin fronteras. Ha escrito Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros (1988) y otras obras que se han convertido en best-sellers. Hawking ha hecho estas importantes aportaciones a la ciencia mientras lucha contra la esclerosis lateral amiotrófica, una enfermedad incurable del sistema nervioso. En 1989 le fue concedido en España el Premio Príncipe de Asturias de la Concordia.

14/12/2009 at 3:07 AM

ENLACES DE REFUERZO

Estos son sitios en la red que pueden ser útiles en la conceptualización:

CONCEPTO DE TRABAJO

TRABAJO Y ENERGÍA

MOMENTO LINEAL

VECTOR

14/12/2009 at 2:47 AM

ACTIVIDAD FINAL

cada estudiante deberá hacer lo siguiente:

1. Hacer un resumen de cada concepto:   conservación de energía, conservación del momento lineal y de vectores, basándose en los conceptos dados y en los videos.  En total son tres trabajos.

2. Cada trabajo debe ser enviado en diferentes fechas hasta las 11:59 P.M. las fechas son:  18-12-2009,  26-12-2009, 4-01-2010; en el orden que fue dado en la acción 1.

3. Adicionar a estos trabajo la respuestas a las preguntas de práctica que se encuentran al final de cada temática, ayudándose con  archivos que se encuentran a continuación:

VECTORES

TRABAJO Y ENERGÍA

MOMENTO LINEAL

3. Enviar los trabajos  al Email:      fisicosonline@hotmail.com

4. No se tendrán en cuenta los trabajo enviados con fechas y horas diferentes a las pactadas.

14/12/2009 at 2:01 AM

VECTORES

ara comenzar es necesario diferenciar entre una cantidad escalar y una vectorial.

CANTIDADES ESCALARES: Son aquellas que tienen sentido sólo conociendo su magnitud. No necesitan de más detalles para ser determinadas. Ej: masa, potencia, energía.

CANTIDADES VECTORIALES: Son aquellas que necesitan, para ser determinadas, de una magnitud, una dirección y un sentido. Ej: desplazamiento, velocidad, fuerza, aceleración, etc.

Las cantidades vectoriales se representan con un VECTOR (segmento de recta dirigido), que no es más que una flecha con un inicio (origen) y un fin (cabeza de flecha), representando dónde se inicia la magnitud y dónde termina. La dirección la determina el ángulo de inclinación con respecto al eje X.

COMPONENTES RECTANGULARES DE UN VECTOR

Todo vector que no coincida con los ejes horizontales (X) y vertical (Y), puede descomponerse en dos componentes rectangulares: una, según la dirección del eje horizontal “x” y otra según la dirección del eje vertical “y”.

Por el teorema de Pitágoras:

SUMA DE VECTORES

Como puede verse:

PREGUNTAS DE PRÁCTICA

1. Si la componente de un vector de velocidad es  7 m/s  y su componente  en el eje x es  3  m/s.  ¿Cuál es su componente en el eje y ?

2. La componente x de un vector de velocidad que forma un ángulo de 3Oº con el eje +x tiene una magnitud de 5 m/s. a) ¿Qué magnitud tiene la velocidad? b) ¿Qué magnitud tiene la componente y de la velocidad?

3. ¿Un vector diferente de cero puede tener una componente x de cero? Explique.

4. Un vector tiene componente x de – 3 m y una componente y de 5 m. Exprese el vestor en forma de magnitud-ángulo.

5. Durante el despegue, un avión se mueve con una rapidez constante de 200 km/h con un ángulo de 20º sobre el suelo. ¿Qué velocidad tiene el avión respecto al suelo?

14/12/2009 at 12:59 AM

MOMENTO LINEAL

La cantidad de movimiento -o moméntum- es un término usado cotidianamente como “ímpetu” y nos da una idea de un objeto en movimiento con una masa “m”. Se suele pensar que los objetos más pesados o masivos poseen más ímpetu aunque se muevan más lentamente, esto no es cierto siempre ya que un objeto ligero puede poseer más cantidad de movimiento que el pesado. Así, un automóvil ligero puede hacer más daño que un camión, si su velocidad es mucho mayor que la del camión.

Newton fue el primero en referirse al ímpetu como la velocidad de la cantidad de materia conjunta.

Por definición la cantidad de movimiento de un cuerpo u objeto es proporcional tanto a su masa como a su velocidad, lo que hace a la cantidad de movimiento una cantidad vectorial.

Cada objeto tiene su propia cantidad de movimiento, en particular, en caso de la cantidad de movimiento lineal, si hay varias partículas; la cantidad de movimiento lineal total es la suma vectorial de la cantidad de movimiento lineal individual.

Bajo ciertas condiciones si una pelota impacta a otra con la misma masa, la segunda adquirirá las mismas condiciones que trae la primera. Se sabe que:

CONSERVACIÓN DEL MOMENTO LINEAL

Al igual que la energía mecánica total, la cantidad de movimiento de un sistema también se conserva bajo ciertas condiciones. Esto nos sirve para el análisis de choques de objetos a nivel microscópico y macroscópico.

Para que se conserve (es decir que no varíe con el tiempo) la cantidad de movimiento lineal de un objeto debe cumplirse una condición que es evidente cuando se plantea la segunda ley de Newton. Así, si la fuerza neta que actúa sobre un objeto es cero:

Para resolver problemas es necesario plantear las condiciones iniciales y finales del sistema. Para un choque elástico de partículas K = Ko. Para un choque inelástico de partículas K < Ko.

Veamos un ejemplo donde se aplique este principio físico fundamental:

Ejemplo 1: supóngase que dos esferas de igual masa (m1 = m2) se chocan con velocidades iguales y opuestas (V1 = V2) en la misma dirección.

Antes del choque la cantidad de movimiento total es vectorialmente cero, pero la energía cinética total escalar K no es cero. Después del choque las esferas quedan pegadas y estacionarias, así que la cantidad de movimiento total no ha cambiado; ésta sigue siendo cero ya que las fuerzas de choque son internas al sistema de las dos esferas sin efectos de fuerzas externas al sistema. Sin embargo, la energía cinética total K se ha hecho cero.

Ahora, no siempre las esferas quedarán pegadas después del choque. En este caso podrían tomas direcciones opuestas con una disminución en la rapidez de cada una pero proporcionalmente igual. De esta forma se seguirá conservando la cantidad de movimiento lineal, pero la energía cinética nuevamente no se conservará.

PREGUNTAS DE PRÁCTICA

1. Un disco de jockey en movimiento choca de refilón con otro estacionario de la misma masa, como se ve en la figura siguiente.  Si la fricción es insignificante, ¿qué rapidez tendrán los discos después del choque?

2. Si dos objetos tienen la misma cantidad de movimiento, ¿necesariamente tendrán la misma energía cinética?. explique.

3. En una competencia de patinaje de figuras por parejas, un hormbre de 65 kg y su caompañera de 45 kg están parados mirándose de frente sobre sus patines. Si se empujan para separarse y la mujer tiene una velocidad de 1.5 m/s hacia el este, ¿qué velocidad tendrá su compañero? (desprecie la fricción).

4. La cantidad de movimiento lineal  de un corredor en los 100 metros planos es de 8OO kg· m/s. Si la rapidez del corredor es de 10 m/s. ¿cuál es su masa?

5.Puesto que K = P2 /2m. cómo puede perderse energía cinética en un choque inelástico mientras que se conserva la cantidad de movimiento total?. Explique.

14/12/2009 at 12:59 AM

ENERGÍA

TRABAJO Y ENERGÍA

La energía puede definirse como la capacidad de efectuar trabajo. esta definición sólo es correcta para la energía mecánica.

Pero, ¿qué se entiende por trabajo? En el lenguaje cotidiano tiene diversos significados. En física tiene un significado muy específico para describir lo que se obtiene mediante la acción de una fuerza que se desplaza cierta distancia.

El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud como en dirección, se define como: “el producto de la magnitud del desplazamiento por la componente de la fuerza paralela al desplazamiento”.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Cuando se dice que una cantidad física se conserva, lo que se quiere decir es que es constante, o que tiene un valor constante. Dado que tantas cosas cambian continuamente en los procesos físicos, las cantidades que se conservan son muy útiles para entender y describir el universo. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, generalmente, se conservan sólo en condiciones especiales.

La conservación de la energía, es una de las leyes de conservación más importantes. Una afirmación conocida es que la energía total del universo se conserva, siempre y cuando se tome todo el universo como un sistema (cantidad dada de materia encerrada por fronteras reales ó imaginarias) sin interacción externa.

La cantidad de energía de un sistema se mantiene constante cuando el sistema no efectúa trabajo mecánico ni se efectúa trabajo mecánico sobre él, y cuando no se transmite energía al sistema ni desde el sistema (incluidas energía térmica y radiación).

Así: LA ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA AISLADO SIEMPRE SE CONSERVA.

Entonces, si las fuerzas que intervienen son conservativas (si el trabajo efectuado por ellas, para mover un objeto, es independiente de la trayectoria del objeto), la energía mecánica total es:

E = K + U

Siendo K la energía cinética y U la energía potencial gravitacional debido a su altura.

En un sistema conservativo:                   E = EO  , entonces K + U = KO + UO

Lo que quiere decir que:                         K – KO = U – UO

Lo que se quiere decir, finalmente, es que la suma de las dos energías en cualquier punto de la trayectoria del movimiento del objeto, si el sistema es conservativo, siempre es la misma.

Veamos un ejemplo:

Si una persona deja caer un objeto de masa “m” desde una altura “h” , ¿cuál es la energía cinética del objeto cuando está a una altura h/3 y cuál es la rapidez con la que llega al suelo?

Solución: En cualquier punto siempre  E = K + U , siendo E la energía mecánica total.

Ahora, como a una altura h no tiene energía cinética ya que no está en movimiento, entonces a esa altura  E = U = mgh

Ya a una altura h/3 tiene las dos energías, es decir: E = K + U , lo que quiere decir que:

mgh = K + mgh/3 . Entonces:  K = mgh – mgh/3

Finalmente  cuando llega al suelo: no tiene energía potencial, es decir:

E = K   entonces: mgh = mv2/2 , ya que se había encontrado que  E  = mgh.

Así las cosas quedan: v = √(2gh)

PREGUNTAS DE PRÁCTICA

1.  Un pitcher lanza una pelota rápida, cuando el bateador choca  la pelota, ¿realiza trabajo  negativo o positivo? Presenta argumento

2. Un estudiante lleva  una mochila a la universidad. ¿Qué trabajo efectúa su fuerza portadora vertical sobre la mochila?  Explique.

3.  Queremos reducir la energía cinética de un objeto  a la mitad, y  para  ello podemos reducir  su  masa a la mitad  o bien su velocidad a la mitad ¿Qué  opción conviene  más?

4.  Un pintor en un andamio deja caer una lata de pintura de 1,5 kg desde una altura de 16 m, ¿Qué   velocidad  llevara  cuando halla bajado 4 m?

5.  Se deja caer  una pelota de 2 kg de masa, desde una altura de 10m ¿aqué altura la energía cinética es de 30 J?

14/12/2009 at 12:58 AM


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