Introducción a la Física PDF

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U N I D A D 1 L a Física es una de las Ciencias Naturales que más ha contribuido al desarrollo y bienestar del hombre, porque gracias a su estudio e O investigación ha sido posible encontrar, en múltiples casos, una explica- Definición de la Física ción clara y útil a los fenómenos que se presentan en nuestra vida diaria. Historia de la Física La palabra física proviene del vocablo griego physike, cuyo significado D es naturaleza. La Física es ante todo una ciencia experimental, pues División de la Física sus principios y leyes se fundamentan en la experiencia adquirida al re- producir intencionalmente muchos de los fenómenos. Al aplicar el mé- Concepto de ciencia todo científico experimental, el cual consiste en variar en lo posible las I circunstancias en que un fenómeno se reproduce para obtener datos e Ciencias formales y ciencias interpretarlos, se pueden encontrar respuestas concretas y satisfactorias, factuales a fin de comprender cada día más el mundo donde vivimos. El estudio N Juicios deductivos e inductivos de la Física es importante para todo ser humano interesado en conocer el medio en el cual vive y quiera explicarse el porqué de los múltiples El método científico en la fenómenos que se le presentan. Todo fenómeno de la naturaleza, ya sea E construcción de la ciencia simple o complejo, tiene su fundamento y explicación en el campo de la Física; por tanto, en la medida que esta ciencia se vaya desarrollando, se Actividad experimental 1: tendrán mejores posibilidades para que el hombre pueda avanzar hacia Obtención de una ley física T un mayor conocimiento del Universo y un mejor nivel de vida. Actividad experimental 2: Caída libre de los cuerpos N Resumen Autoevaluación O Coevaluación Glosario C 2 Introducción al conocimiento de la Física 3 4 FÍSICAgeneral Grupo Editorial Patria® 1 Definición de la Física Encontrar una definición clara y precisa acerca de qué es la Física no es sencillo, toda vez que abarca el estudio Luz solar de múltiples fenómenos naturales; sin embargo, podemos decir que es la ciencia que se encarga de estudiar los fenó- Oxígeno menos naturales, en los cuales no hay cambios en la com- a os posición de la materia. Ene in r gía lu m Los cambios que se producen en la naturaleza son estu- Glucosa Dióxido diados por las ciencias naturales como la Física, la Quími- de carbono ca, la Biología y la Geografía Física, que se caracterizan porque estudian hechos que tienen una causa y provocan un efecto. Por ejemplo, al frotarnos las manos, generamos calor que se disipa en el medio ambiente; la frotación es la causa y la generación de calor es el efecto, esto lo estudia la Física, ya que es un fenómeno natural en el cual no hay ningún cambio en la composición de la materia (figura 1.1). La Química, por su parte, estudiará los fenómenos en los Raíz Minerales cuales sí hay un cambio en la constitución de la materia, tal es el caso de una reacción química donde el producto obte- Agua nido es distinto a los reactivos o sustancias iniciales que in- tervienen en la reacción (figura 1.2). La Biología se ocupa de estudiar los seres vivos y los cambios que se producen en ellos, mientras que la Geografía Física nos permite com- Biología Fotosíntesis en las plantas prender la naturaleza del medio que nos rodea, apoyán- dose en la Astronomía, la Meteorología, la Oceanografía En toda reacción química, la materia se transforma y la Geodesia, esta última estudia la forma de la Tierra y la 1.2 y se producen nuevas sustancias, dando origen a un medición de su superficie. fenómeno químico. La Física ha tenido un gran desarrollo gracias al esfuerzo de notables investigadores y científicos, quienes al inven- presentes en el Universo, mismos imposibles de estudiar tar y perfeccionar instrumentos, aparatos y equipos han sin su ayuda. logrado que el hombre agudice sus sentidos al detectar, observar y analizar muchos fenómenos y acontecimientos Los telescopios, radiotelescopios, radares, microscopios electrónicos, aceleradores de partículas y computadoras, entre otros dispositivos, han permitido importantes apor- taciones de la Física a otras ciencias, entre las cuales se encuentran la Medicina, la Biología, la Química, la Astro- nomía y la Geografía, así como la tecnología. Las aportaciones de la Física han permitido la construc- ción de puentes, carreteras, edificios, complejos industria- les, aparatos utilizados en la Medicina (como el rayo láser que se utiliza como un bisturí electrónico para cirugías de ojos, corazón e hígado), aparatos de radiotelecomunica- ción, computadoras y lo que actualmente nos maravilla: la exploración del Universo mediante las naves espaciales. La Física es, por excelencia, la ciencia de la medición, ya que su amplio desarrollo se debe fundamentalmente a la posibilidad de cuantificar las variables involucradas en un fenómeno. Cuando el hombre logra medir un fenómeno se acerca en forma notable a la comprensión del mismo y tie- ne la posibilidad de utilizar esos conocimientos para mejo- rar su nivel de vida, facilitando la realización de pequeñas 1.1 La fricción es un ejemplo de fenómeno físico. y grandes obras que de otra manera serían imposibles.  Unidad 1 Introducción al conocimiento de la Física 5 2 Historia de la Física A medida que el hombre primitivo desarrolló su inteli- dad, existente entre dos cuerpos cualesquiera, ocasiona la caída de las cosas al suelo y su permanencia sobre él, de gencia, sintió la necesidad de explicarse el porqué de las la misma forma como el Sol retiene a los planetas girando cosas que sucedían a su alrededor y encontrar respuestas a su alrededor en lugar de permitirles flotar en el espacio. a las siguientes interrogantes: ¿Por qué el día y la noche? ¿Por qué el frío y el calor? ¿Por qué llueve? ¿Qué son los En el siglo xviii se inicia el desarrollo de la termodiná- truenos? ¿Qué es el viento? ¿Por qué vuelan los pájaros? mica, rama de la Física que se encarga del estudio de la ¿Qué es la Luna? ¿Qué es el Sol? ¿Por qué tiembla? ¿Qué transformación del calor en trabajo, y viceversa. Benjamín son los eclipses? ¿Qué son las estrellas? Estas y otras cues- Thompson, conde de Rumford, propuso que el calenta- tiones eran un verdadero misterio antes de que la Física miento causado por la fricción se debía a la conversión contribuyera, gracias a su estudio, a dar respuesta a las de la energía mecánica en térmica. mismas. Sin embargo, no todo está resuelto, pues aún en nuestros días no se tiene absoluta certeza sobre: ¿Qué es En 1820, el físico danés Hans Christian Oersted descubrió la materia? ¿Qué es la luz? ¿Existe vida en otros planetas? que cuando una corriente eléctrica circula por un conduc- ¿Qué somos? ¿De dónde provenimos? ¿A dónde vamos? tor a su alrededor se genera una fuerza parecida a la de un Pero confiamos que con los avances de la Física y de la imán, es decir, un campo magnético. Este hecho dio naci- ciencia en general algún día el hombre podrá responder miento al electromagnetismo, mismo que estudia las re- satisfactoriamente estas preguntas. laciones mutuas entre la electricidad y el magnetismo. En 1831, el físico y químico inglés Michael Faraday descubrió Para comprender el desarrollo de la Física es necesario las corrientes eléctricas inducidas, que son aquellas que mencionar brevemente algo de su historia: se producen cuando se mueve un conductor en sentido transversal (perpendicular) a las líneas de flujo de un cam- La Física tiene sus orígenes con los antiguos griegos, quie- po magnético. Faraday enunció el siguiente principio: La nes trataron de explicarse el origen del Universo y el mo- inducción electromagnética es el fenómeno que provoca vimiento de los planetas. Quinientos años antes de la era la producción de una corriente eléctrica inducida, como re- cristiana, mientras Leucipo y Demócrito pensaban que to- sultado de la variación del flujo magnético debido al movi- das las cosas que nos rodean, es decir, la materia, estaban miento relativo entre un conductor y un campo magnético. constituidas por pequeñas partículas, otros explicaban que En la actualidad, casi toda la energía que se consume en la materia estaba constituida por cuatro elementos básicos: nuestros hogares, comercios, fábricas, escuelas y oficinas, tierra, aire, fuego y agua. se obtiene debido al fenómeno de la inducción electro- Hacia el año 300 a. C., Aristarco ya consideraba el movi- magnética. En todo el mundo existen generadores movi- miento de la Tierra alrededor del Sol; sin embargo, duran- dos por agua en estado líquido o en forma de vapor, en los te cientos de años predominó la idea de que la Tierra, ca- cuales enormes bobinas giran entre los polos de potentes rente de movimiento, era el centro del Universo con todos imanes y generan grandes cantidades de energía eléctrica. los planetas y estrellas girando en torno a ella. A principios del siglo xix, John Dalton consideró que to- Hasta el año 1500 de nuestra era se desarrolló un gran das las cosas estaban formadas por pequeñas partículas interés por la ciencia. Galileo Galilei, científico italiano, llamadas átomos, idea que fue aceptada por otros científi- llegó a comprobar que la Tierra giraba alrededor del Sol cos, constituyéndose la teoría atómica; consideraron tam- tal como sostenía Copérnico, astrónomo polaco. Además, bién que los átomos se combinan para formar moléculas. Galileo construyó su propio telescopio y demostró que las estrellas estaban a distancias fabulosas y debido a ello la A mediados del siglo xix, el inglés James Prescott Joule, mayoría resultaba invisible al ojo humano. También des- industrial cervecero, después de continuar los estudios de cubrió manchas en el Sol, las cuales, al desplazarse lenta- Thompson, comprobó que siempre que se realiza cierta mente, demostraron el giro de éste sobre su propio eje. Sin cantidad de trabajo se produce una cantidad equivalen- embargo, en Roma, la Santa Inquisición obligó a Galileo a te de calor. Joule estableció el principio llamado equi- retractarse de estas afirmaciones, pues chocaban comple- valente mecánico del calor, en el cual se demuestra que tamente con las ideas religiosas contenidas en las Sagra- por cada joule de trabajo se producen 0.24 calorías, y que das Escrituras. Galileo pasó sus últimos días en el retiro y cuando una caloría de energía térmica se convierte en tra- murió en 1642, año del nacimiento de Isaac Newton. bajo se obtienen 4.2 joules. Este principio hizo posible es- tablecer la Ley de la Conservación de la Energía, misma Newton, científico inglés, describió el movimiento de los que señala que la energía existente en el Universo es una cuerpos celestes por medio de su Ley de la Gravitación Uni- cantidad constante que no se puede crear ni destruir, sólo versal. Explicó que la fuerza de atracción llamada grave- se puede transformar. 6 FÍSICAgeneral Grupo Editorial Patria® También a mediados del siglo xix, el físico escocés Ja- mes Clerk Maxwell fue el primero en proponer que la luz está formada por ondas electromagnéticas, las cua- les se pueden propagar aun en el vacío sin necesidad de un medio material. Él consideró lo siguiente: así como un campo magnético variable genera un campo eléctrico, también es posible que un campo eléctrico variable pro- duzca uno magnético. De tal manera que una sucesión repetida de ellos produzca una perturbación electromag- nética, siendo uno generador del otro. Hoy sabemos que la diferencia básica entre los diferentes tipos de radiación que constituyen el llamado espectro electromagnético se debe a su frecuencia y a su longitud de onda. A finales del siglo xix, el físico francés Enrique Becque- rel descubrió, en 1896, la radiactividad, al observar que los átomos del elemento uranio desprendían partículas El átomo es la unidad más pequeña posible de un 1.3 más pequeñas, por lo cual se pensó que el átomo no era elemento químico. la partícu­la más pequeña, sino que estaba constituido por otras partículas. Esto motivó la realización de más expe- Los descubrimientos de la radiactividad abrieron un nuevo rimentos atómicos, como los de Thomson, Rutherford y campo: la Física Atómica, encargada de estudiar la cons- Bohr, quienes concluyeron en describir al átomo como un titución del átomo. Aparecieron las teorías: Cuántica de pequeño Sistema Solar. Así como los planetas giran alre- Planck, de la Relatividad de Einstein y de la Mecánica On- dedor del Sol, en el átomo los electrones de carga negativa dulatoria de De Broglie. Actualmente, el descubrimiento giran alrededor del núcleo, el cual está compuesto de pro- de nuevas partículas de vida media muy corta ha originado tones con carga positiva y de neutrones sin carga eléctrica la Física Nuclear, cuyo objetivo es descubrir totalmente la (figura 1.3). constitución del núcleo atómico. 3 División de la Física La Física, para su estudio, se divide en dos grandes gru- zadas por las motocicletas, automóviles y aviones, aunque sean muy altas, siempre resultarán mínimas al comparar- pos: Física Clásica y Física Moderna. La primera estudia las con la de la luz. En la figura 1.4 se observan las ramas de todos aquellos fenómenos en los cuales la magnitud de la la Física Clásica y la Física Moderna. velocidad es muy pequeña comparada con la magnitud de la velocidad de propagación de la luz; la segunda se encar- ga de todos aquellos fenómenos producidos a la magnitud de la velocidad de la luz o con magnitudes cercanas a ella, Mecánica y con los fénomenos relacionados con el comportamiento y estructura del núcleo atómico. Pero, ¿qué entendemos por Termología magnitud de la velocidad muy pequeña comparada con Física la magnitud de la velocidad de la luz? La magnitud de la Ondas Clásica velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 300 mil km/s, esto quiere decir que si un rayo de luz emitido por Óptica una fuente luminosa viajara alrededor de la Tierra, cuya circunferencia es equivalente a una longitud de 40 mil ki- Electromagnetismo lómetros, el rayo de luz sería capaz de dar ¡siete vueltas y media alrededor de ella en un solo segundo! Comparando la magnitud de la velocidad de la luz con la de un automó- Atómica Física vil de carreras que alcanza magnitudes de velocidades en Moderna línea recta de aproximadamente 320 km/h o la de un avión Nuclear que vuele a 1 000 km/h, podremos compren­der fácilmente que estas magnitudes de velocidades, para nosotros altas, en realidad son muy pequeñas al compararlas con la de la 1.4 División de la Física para su estudio. luz. En general, las magnitudes de las velocidades alcan-  Unidad 1 Introducción al conocimiento de la Física 7 4 Concepto de ciencia La ciencia es un conjunto de conocimientos razonados y 1. Sistemática, ya que emplea el método científico para sus investigaciones. Por medio de él obtiene un con- sistematizados opuestos al conocimiento vulgar. El hom- junto de conocimientos ordenados y relacionados en- bre, en su afán de lograr el conocimiento de las cosas con tre sí, evitando dejar al azar la posibilidad de explicar base en los principios y las causas que les dan origen, ha el porqué de las cosas. logrado el desarrollo constante de la ciencia; por ello, po- demos afirmar que la ciencia es uno de los productos más 2. Comprobable, porque puede verificar si es falso o ver- elaborados de la actividad del ser humano, pues a través dadero lo que se propone como conocimiento. de ella el hombre ha comprendido, profundizado, expli- 3. Perfectible, es decir, sus enunciados de ninguna mane- cado y ejercido un control sobre muchos de los procesos ra deben considerarse como verdades absolutas, sino naturales y sociales. por el contrario, constantemente sufren modificaciones e incluso correcciones a medida que el hombre incre- Las principales características de la ciencia son las si- menta sus conocimientos y mejora la calidad y preci- guientes: sión de sus instrumentos de medición y observación. 5 Ciencias formales y ciencias factuales La ciencia se divide para su estudio en dos grandes gru- do a que las teorías e hipótesis son atribuibles a los inves- tigadores que han realizado los estudios. En general, las pos: ciencias factuales comprueban mediante la observación y la experimentación sus hipótesis, teorías o leyes. Ciencias formales Son aquellas que estudian ideas, como es el caso de la Ló- gica y las Matemáticas. La característica principal de estas ciencias es que demuestran o prueban sus enunciados con base en principios lógicos o matemáticos, pero no los con- firman experimentalmente. Ciencias factuales Se encargan de estudiar hechos, ya sean naturales (figura 1.5), como es el caso de la Física, Química, Biología y Geo- grafía Física, que se caracterizan porque estudian hechos debidos a una causa y que provocan un efecto. O bien, estudian hechos humanos o sociales, como es el caso de la Historia, Sociología, Psicología Social y Economía, cuya Los rayos son un fenómeno natural y lo estudian las 1.5 característica es que estudian hechos de imputación debi- ciencias factuales. 6 Juicios deductivos e inductivos L a ciencia, ya sea formal o factual, formula juicios en for- ralmente emplean juicios deductivos, los cuales se realizan ma permanente, es decir, afirma o niega con base en la ob- cuando, a partir de una generalidad o ley, se analiza un servación y el razonamiento. Las ciencias formales gene- caso particular. Las ciencias factuales por lo general usan 8 FÍSICAgeneral Grupo Editorial Patria® juicios inductivos que se llevan a cabo cuando, gracias al estudio de un caso o hecho particular, se llega al enuncia- do de una generalidad o ley (figura 1.6). Generalidad o ley Las ciencias factuales también utilizan juicios deductivos Ju ivo cuando al estudiar un hecho se formulan hipótesis con ici o ct de base en leyes o principios previamente establecidos. du du in ct o ici Ejemplo de juicio deductivo: todos los metales son buenos ivo Ju conductores del calor; la plata es un metal, por tanto, es buen conductor del calor. Caso Caso particular particular Ejemplo de juicio inductivo: el cobre es un buen conductor de la electricidad y es un metal; si el cobre es un metal y es buen conductor de la electricidad, entonces todos los 1.6 Formulación de juicios inductivos y deductivos. metales son buenos conductores de la electricidad. 7 El método científico en la construcción de la ciencia Características del método científico Una hipótesis es una idea o conjetura para explicar por qué o cómo se produce determinado hecho o fenómeno, lo que contribuirá a resolver el problema en estudio. El conocimiento científico está íntimamente relacionado Para que una conjetura sea una buena hipótesis debe cum- con todo lo que existe en el Universo. En ocasiones, el pun- plir dos requisitos: estar libre de contradicciones y poder to de partida de una investigación científica es la curiosi- someterse a comprobación. Se denomina contrastar la hi- dad del ser humano. pótesis al proceso de comprobar la validez de la misma. La especie humana se caracteriza por su continua búsque- Al elaborar una hipótesis suponemos lo siguiente: da de respuestas a la gran cantidad de preguntas que se ha hecho a medida que su inteligencia se ha ido desarrollan- 1. La existencia de determinadas relaciones entre he- do. En esa búsqueda, la ciencia representa un papel fun- chos observados. damental. Por ello, podemos decir que todo conocimiento 2. La posibilidad de contrastar, con la experiencia, las es una respuesta a una pregunta. Las preguntas surgen consecuencias que obtendríamos de ser verdaderas de la acción de los individuos en su entorno, y su progreso tales suposiciones. se debe a la observación científica de los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Es importante resaltar que las hipótesis científicas se ori- A los científicos les interesa descubrir cómo y por qué ginan de diversas maneras, no hay un procedimiento defi- ocurren las cosas, buscan explicación a los fenómenos del nido y tampoco existe un camino que nos permita inventar- mundo. Pero esto es sólo una parte de la historia, ya que las; esto depende de la capacidad, habilidad y experiencia los objetivos de la ciencia son ir más allá de lo inmediato, al del investigador. Sin embargo, cuando un persistente y averiguar cómo está constituido el Universo y comprender tenaz investigador logra comprobar que una hipótesis es las relaciones que existen entre las cosas. cierta, además de que este hecho es importante y trascen- dental para la humanidad, su esfuerzo se ve recompensa- Sin embargo, no existe un procedimiento que pueda ser do por el reconocimiento de la sociedad en general, y el utilizado por los científicos para resolver todos sus proble- mundo científico en particular. mas, pues de ser así, todo estaría descubierto o inventado. Por tanto, no existe un método científico único capaz de La ciencia no es un proceso terminado, ya que se encuen- proporcionar una fórmula que conduzca sin falla a un des- tra en constante evolución y desarrollo. En nuestro país, cubrimiento. En conclusión, si como método entendemos y sobre todo en los llamados países desarrollados, existen el camino hacia un fin, no hay uno, sino muchos métodos mujeres y hombres dedicados a la investigación, tratan- y muy variados. do de descubrir algunos de los misterios de la naturaleza, como la cura para el sida, el cáncer, la hepatitis, qué es La investigación comienza identificando un problema. La la luz, qué es la energía, etc. También inventan produc- observación es posterior y lleva a formular posibles expli- tos nuevos: cosméticos, adornos, juguetes, televisores con caciones al problema estudiado, es decir, se elaboran hi- imagen y sonido cada vez mejores, pantallas gigantes, pótesis. pequeñas computadoras con gran capacidad de procesa-  Unidad 1 Introducción al conocimiento de la Física 9 miento, aparatos y equipos médicos, satélites para comu- acerca del fenómeno que se estudia, así como la co- nicaciones o de observación, entre otros. municación con centros de investigación en el mundo abocados al estudio del fenómeno en cuestión, ya sea Es importante diferenciar entre el conocimiento y el inven- de manera directa, por teléfono, fax o vía internet. to. Un descubrimiento es algo que ya existía, pero no era conocido, mientras que el invento es algo que antes no 6. Experimentación, se llevará a cabo mediante la mo- existía y se crea. dificación controlada de las distintas variables involu- cradas en el fenómeno en estudio. Por lo general, se realiza mediante el empleo de un modelo que repre- Método científico experimental senta el fenómeno. 7. Registro e interpretación de datos. El método científico experimental es utilizado por las cien- 8. Comprobación de las hipótesis. cias factuales, ya que la Lógica y las Matemáticas no re- quieren de la experimentación para demostrar sus enun- 9. Enunciado de una teoría que explica el porqué del ciados, como en la Física, la Química o la Biología, que sí la fenómeno, pero con ciertas limitaciones que no per- necesitan para probar la validez de sus postulados. Por tal miten hacer una generalización para todos los casos motivo, se experimenta modificando en forma consciente similares a nuestro fenómeno en estudio. las diferentes variables involucradas en el objeto de es- tudio. En términos generales y con todas las limitaciones 10. Obtención de una ley, la cual se produce cuando el que presenta el señalar una serie de pasos a seguir en el afortunado y persistente investigador encuentra re- estudio de un fenómeno, empleando el método científico glas invariables que dentro de ciertos límites rigen el experimental, se tienen como una posible secuencia los si- fenómeno en estudio. No obstante, dicha ley estará guientes pasos: sujeta a los nuevos descubrimientos y progresos del hombre, por lo cual tarde o temprano puede sufrir al- 1. Identificación del problema, es decir, cuál es el fenó- guna corrección. meno en estudio. Finalmente, vale la pena recordar que no siempre es posi- 2. Observación del fenómeno (figura 1.7). ble experimentar con todos los fenómenos naturales, pues 3. Planteamiento del problema para definir claramen- en muchos casos, como el movimiento de planetas, eclip- te qué vamos a investigar del fenómeno en estudio y ses, temblores, etc., el investigador no interviene en las para qué. causas del fenómeno en estudio, por ello no puede alterar de manera intencionada y controlada ninguna de las va- 4. Formulación de hipótesis. riables, sólo puede llevar a cabo su investigación científica 5. Investigación bibliográfica en libros y revistas espe- mediante la observación sistemática y minuciosa de dichos cializadas para aprovechar, si existe, algún escrito fenómenos cuando se presentan. El microscopio electrónico ha contribuido de manera significativa en la investigación científica al observarse con él cuerpos 1.7 diminutos.