Introducción a la física
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Introducción a la física

Física del griego φυσικός, physikós << natural, relativo a la naturaleza >>, estudia las propiedades generales de la materia reveladas por los órganos y los sentidos, las ciencias físicas pueden sufrir modificaciones llamadas fenómenos los cuales son de dos tipos: los que solo transforman de modo pasajero el aspecto y propiedades de los cuerpos y los que alteran de manera permanente dichos cuerpos. Los primeros apenas dependen de la naturaleza de los cuerpos, mientras que los segundos varían con ella y se deben casi siempre a la acción reciproca de las sustancias, que desaparecen como tales en estas reacciones para originar materias distintas con propiedades nuevas.

Metodología de la física

Observación y experimentación

La física, estudio de ciertas propiedades de la materia se fundamenta en la observación, que consiste no solo en apreciar con exactitud todas las circunstancias que acompañan un fenómeno, sino también en diferenciar lo esencial de lo accesorio o incluso de lo que no tiene relación alguna con el hecho observado. Es necesario, por tanto, efectuar una numerosa serie de observaciones para poder hacer variar los diversos factores del fenómeno y determinar así el papel que desempeña cada uno de ellos.
Como en la naturaleza no se suele distinguir claramente lo importante de lo que no, el físico tiene que recurrir a la experimentación.

La experimentación consiste en efectuar una observación simplificando lo mas posible las condiciones del fenómeno. Se puede hacer por ejemplo una variación de las circunstancias y solo una, mientras que las restantes permanecen idénticas para saber entre las múltiples influencias ejercidas cual es la que pertenece exclusivamente al fenómeno considerado.

Hipótesis y teoría

Mediante los sentidos podemos generar información de nuestro ambiente pero como estos son insuficientes para revelar todo lo que hay, se hace necesario que se produzca información a través de lo que se observa usando el razonamiento y reconociendo la existencia de la materia que no interactúa con los sentidos por los efectos que esta produce en el ambiente observado, por consiguiente, al lado de los hechos observados caben interpretaciones diversas que pueden evolucionar con el progreso de la ciencia.
Los experimentos permiten determinar las causas de los hechos estudiados y agrupar de este modo los fenómenos que se relacionen con esas mismas causas. Sin embargo, como en muchos casos en física, estas son desconocidas y se tienen que sustituir por una hipótesis. La explicación de varios hechos por una misma hipótesis lleva a la formulación de una teoría la cual se deberá comprobar mediante la realización nuevamente de diversos experimentos.

En física se considera a una teoría como valida si esta explica todo lo que se ha observado en los experimentos, pero es viable para modificar o reemplazar cuando no permite interpretar un nuevo hecho y se considera perfecta en el momento en que gracias a esta, un numero reducido de hipótesis explican una gran cantidad de fenómenos.
Las hipótesis que se consideran validas incluso si, en casos muy particulares, no las corrobora la experiencia, reciben el nombre de principios, algunos de los cuales se dejan a un lado con el tiempo cada vez que se demuestran erróneos.

A partir de los datos experimentales obtenidos se enuncian leyes, destinadas a expresar la relación existente entre los fenómenos naturales, estas son también propensas a ser sustituidas por otras cuya exactitud las rebase

Unidades, medidas y errores

Unidades

Con objeto de medir las diferentes magnitudes físicas es conveniente elegir para cada caso una unidad la cual siempre tendrá que ser de la misma especie de la que se mide. Para evitar una proliferación excesiva de los sistemas de unidades se decide adoptar uno que sea lo mas internacional posible y que utilice un numero reducido de unidades arbitrarias independientes para que a partir de estas se puedan deducir las demás. A las primeras se les denomina unidades fundamentales y a las segundas unidades derivadas, a las cuales corresponden respectivamente magnitudes fundamentales y magnitudes derivadas

Entre los sistemas de unidades, se ha generalizado el sistema internacional de unidades o S.I. adoptado en la XI Conferencia General de Pesas y Medidas, celebrada en octubre de 1960 en Paris. Este sistema toma como magnitudes fundamentales la longitud (Metro), la masa (Kilogramo), el tiempo (Segundo), la intensidad de corriente electrica (Amperio), la temperatura termodinamica (Grado Kelvin) y la intensidad luminosa (Candela), entre otros:

MagnitudNombreSimbolo
LongitudMetrom
MasaKilogramokg
TiempoSegundos
Intensidad de corriente eléctricaAmperioA
Temperatura termodinámicaKelvinK
Cantidad de sustanciaMolmol
Intensidad luminosaCandelacd
Unidades S.I. Fundamentales

Patrones y unidades de longitud

En física los patrones están destinados a materializar las unidades y deben de tener una precisión suficiente para servir de modelo universal

El primer patrón de longitud llamado metro patrón fue construido con una aleación de platino iridiado y correspondía a la distancia a una temperatura de cero grados centígrados que separaba dos ranuras trazadas en una barra hecha con esta aleación. Se pensó también en una definición basada en la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre. En 1960 se considera al metro como 1,650,763.73 veces la longitud de la onda luminosa emitida durante la transición del electrón del átomo de criptón de masa 86 entre los niveles 2 p_{10} y 5 p_5, no es hasta 1983 que finalmente se define como la distancia recorrida por la luz en 1/299,792,458 segundos.

El kilogramo masa, de símbolo Kg se definió a partir de la masa del prototipo internacional de platino iridiado desde 1889 en la III Conferencia General de Pesas y Medidas el cual se encontraba en Pabellón de Breteuil, en Sevres, Francia, sin embargo esta definición fue recientemente reemplazada en 2019 al fijar el valor numérico de la constante de Planck, h, en 662607015 × 10^-34 y relacionando la masa y el segundo cuando se expresa en la unidad J·s, igual a kg m2s-1, donde el metro y el segundo se definen en función de c y ΔυCS, esta definición resulta difícil de comprender para personas no especializadas, pero permite disponer de un patrón constante e invariable a comparación del anterior patrón que con el paso del tiempo puede llegar a variar debido al desgaste.

El segundo s, se definió como la 31,556,925,974\enspace 7^a parte del primer año trópico del siglo XX y anteriormente su definición era basada en la fracción 1/86400 del dia solar medio, sin embargo esta definición cambio debido a la necesidad por tener relojes atómicos mas precisos y finalmente en 1997 se definió como la duración de 9,192,631,770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental de átomo de cesio 133.

El amperio A, se define como la intensidad de una corriente constante que, mantenida en dos conductores paralelos rectilíneos de longitud infinita y sección circular despreciable, colocados a una distancia de 1 m el uno del otro en el vacío, produce entre estos dos conductores una fuerza de 2*10^-7 newton por metro de longitud

El Kelvin k, se definió como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

El Mol mol, Es la cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg de carbono 12. Las entidades elementales deben ser especificadas: átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas o agrupamientos especificados de tales partículas

La Candela Cd, Es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite energía radiante monocromática de 540*1012 Hz de frecuencia, y que tiene una intensidad radiante en dicha dirección de 1/683 vatios por estereoradián.

Cuando se hace necesario medir cantidades de una magnitud mucho mas grande o mucho mas pequeña que la unidad elegida, se utilizan diversos múltiplos y submúltiplos decimales de las mismas. A continuacion se muestra una tabla con dichos múltiplos y submúltiplos para el metro:

GrafíaPrefijoSímboloPotenciaMultiplicador
decámetrodecada10^110
hectómetrohectoh10^2100
kilómetrokilok10^31000
megámetromegaM10^41000000
gigámetrogigaG10^51000000000
terámetroteraT10^61000000000000
petámetropetaP10^71000000000000000
exámetroexaE10^81000000000000000000
zettámetrozettaZ10^91000000000000000000000
yottámetroyottaY10^101000000000000000000000000
Tabla de Múltiplos

GrafíaPrefijoSímboloPotenciaMultiplicador
decímetrodecid10^-10.1
centímetrocentic10^-200.1
milímetromilim10^-3000.1
micrómetromicroμ10^-4000000.1
nanómetronanon10^-5000000000.1
picómetropicop10^-6000000000000.1
femtómetrofemtof10^-7000000000000000.1
Tabla de Submúltiplos

Medidas de magnitud

El estudio de los fenómenos naturales mediante la física hace surgir una serie de conceptos abstractos llamados magnitudes estas pueden referirse a la longitud, tiempo, masa, fuerza, etc. cuya cuantía variara en cada caso, así las longitudes son mas o menos grandes, la fuerza mayor o menor, etc. Pero para que estos conceptos sean considerados magnitudes han de poderse igualar y comparar es decir, debe ser posible definir en ellas la suma y la igualdad. Para que en física sea útil la experimentación sera necesario apoyándose de las matemáticas, expresar los resultados por medio de números y por tanto de medir las magnitudes que intervienen en los fenómenos físicos. Medir una magnitud es compararla con otra de la misma especie tomada como patrón llamada unidad. El resultado de la comparación deberá ser un numero denominado medida de la magnitud

Errores de medida

La medida de una magnitud no esta exenta de errores, pero se ha de procurar que este sea lo mas pequeño y despreciable posible usando métodos y aparatos apropiados, por consiguiente debe tenerse en cuenta las múltiples causantes del error, como lo son: imperfecciones inevitables del aparato usado para medir, limitaciones impuestas de los sentidos humanos, circunstancias externas que acompañan la medición como la temperatura o la presión, defectos del método que se emplea, etc. Los errores se pueden clasificar en dos tipos: errores sistemáticos y errores accidentales. Los primeros actúan siempre del mismo modo pues se deben a defectos de los instrumentos o métodos aplicados. Los segundos se originan por causas diversas y cambian naturalmente de un experimento a otro. Si por ejemplo efectuáramos dichos experimentos en un laboratorio donde la presión, la temperatura o incluso la posición del ojo que toma la medición no es siempre idéntica se obtendrían diferentes medidas de la magnitud considerada.

Error absoluto

Debido a los errores inevitables, las magnitudes solo pueden ser aproximadas por medio de la ultima cifra del numero que representa el resulta de la medida efectuada. Por ejemplo afirmar que el peso de algún objeto de 19.023 Kg indica que el error cometido es de ± 0.001 Kg, es decir que el numero 19.023 no es forzosamente preciso y que el valor exacto se situara entre el 19.022 y el 19.024. Esta aproximación se expresa diciendo que la magnitud medida es: 19.023 ± 0.001 Kg. El valor 0.001 recibe el nombre de error absoluto y se considera como el limite máximo de error.
El error absoluto no permite saber con que precisión se ha efectuado la medida. En efecto, si se miden dos longitudes diferentes y se obtienen como resultados 10 m y 430 m respectivamente con un erro absoluto para ambas cifras de ± 1 m, resulta evidente que la segunda medida es mas precisa que la primera.

Error relativo

En física se le llama error relativo a la relación que existe entre el error absoluto y el resultado de la medición. del ejemplo anterior llamamos ΔM = 1 m al error absoluto (léase Δ: <<incremento de >>) y M = 10 m y M‘ = 430 m a las medidas anteriormente propuestas, se obtiene el error relativo siguiendo la siguiente formula:

\frac{ΔM}{M} = \frac{1}{10} y \frac{ΔM}{M} = \frac{1}{430}

Llamaremos a la inversa del error relativo como grado de precisión.

Calculo de errores

Suele ser complicado hablar del calculo de errores para la medida de una magnitud, hablaremos pues de 2 de las reglas mas usadas para el tratamiento de los errores definiendo suma y producto de estas.

Error absoluto de una suma o diferencia

Sea S una magnitud a la que se le desea hallar su error absoluto, teniendo S=a+b donde a y b son otras dos magnitudes, este se obtiene mediante la expresion:

±ΔS=±\lparenΔa+Δb\rparen

donde ΔS, Δa y Δb son respectivamente los errores absolutos de la suma y los sumandos. En general el error absoulto de una suma o de una diferencia es igual a la suma de los errores absolutos cometidos sobre cada uno de los sumandos.

Error relativo de un producto o de un cociente

Suponiendo el producto P=a*b se define el error relativo como:

±\frac{ΔP}{P}=±\lparen\frac{Δa}{a}+\frac{Δb}{b}\rparen

El mismo valor se obtendria para el cociente C=\frac{a}{b}, lo que equivaldria a:

±\frac{ΔC}{C}=±\lparen\frac{Δa}{a}+\frac{Δb}{b}\rparen

Y por lo tanto el error relativo de un producto o de un cociente es igual a la suma de los errores relativos cometidos sobre cada uno de los factores.

En el siguiente post hablaremos de los diferentes instrumentos usados para la medición de longitudes continuando con la introducción a la física

Fuentes

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