UNIDAD 1:
MECANICA CLASICA Y EL MOVIMIENTO EN UNA DIRECCIÓN
LOGROS ESPERADOS:
• Comprender los conceptos básicos de física como ciencia.
• Describir el movimiento de un cuerpo a partir de los conceptos de posición, trayectoria, desplazamiento, espacio, velocidad, rapidez y aceleración.
• Describir y diferenciar cuando una partícula posee movimiento uniforme (M. U) o movimiento uniformemente acelerado (M. U. A).
• Plantear y solucionar situaciones problémicas cotidianas sobre movimiento de cuerpos físicos haciendo uso de sus variables.
SITUACIÓN PROBLÉMICA INTRODUCTORIA.
Desde que el Hombre primitivo aprendió a utilizar una rama como arma para defenderse, domestico el juego, talló las piedras, construyo civilizaciones tales como la egipcia, la china, la mesopotámica, entre otras; hasta que el hombre conquista el espacio, controla la energía nuclear, avanza en la comunicación satelital, inventa la informática, la robótica, avanza en el estudio de la cibernética, ha pasado quizás mas de tres millones de años. A lo largo de este extenso periodo de evolución, el hombre inevitablemente ha interactuado con la naturaleza, logrando poco a poco su comprensión y dominio.
El planteamiento de interrogantes como: ¿Habrá vida en otros planetas? , ¿Qué hay?, ¿Cómo defenderse de los ataques de los demás animales?, ¿Como controlar el fuego?, ¿Cómo comunicarse a través del tiempo y del espacio?, ¿Cómo renovar las fuentes de energía?, ¿Cómo viajar a través del espacio?, etc. han impulsado al hombre a buscar respuestas en diferentes ramas de la ciencia, teniendo la necesidad de desarrollar algunas técnicas de investigación y mecanismos de interpretación, y apoyarse en la tecnología y en ciertos recursos matemáticos para estudiar, describir y predecir estos y otros fenómenos de la naturaleza. De esta manera, es como se ha logrado el progreso de la humanidad.
Una de las ramas de la ciencia en la que el hombre ha encontrado una solución a los problemas de su vida diaria, es la FÍSICA, la cual se considera como la rama de la ciencia más amplia y fundamental, ya que su objeto de estudio abarca desde el origen y formación del universo, hasta el estudio de fenómenos naturales relativos a la interacción de materia y la energía en sus partículas ultimas.
LA FÍSICA EN LA HISTORIA
La palabra física se deriva del griego Physis, que quiere decir naturaleza, por lo que la física como tal es el estudio de la naturaleza. Fueron los griegos, quienes comenzaron a desarrollar incipientemente la física, esta tarea comenzó hace más de 2.300 años con los primeros trabajos de filósofos como Demócrito, Epicuro y Aristóteles, ya que ellos dejaron de entender todo, como un hecho de los dioses, por lo que quisieron comprender la naturaleza que los rodeaba, al igual que el espacio y su composición.
Fueron ellos, quienes desarrollaron la teoría, de que la tierra era el centro del universo y que los astros giraban en torno a ella en orbita circular “Ptolomeo en su libro el almagesto”. La cual fue derribada, a finales del siglo XVI, por el italiano, Galileo Galilei, el que apoyó férreamente las teorías del polaco Nicolás Copérnico y las del alemán, Johannes Kepler, sobre el sistema heliocéntrico, o sea, que el universo gira alrededor del sol y en orbita elíptica. Debido a esto, Galileo, sufrió la furia de la Inquisición Católica, por proponer tal aberración. Teniendo que negar aquello, que el sabía como algo cierto e irrefutable. Uno de sus grandes aportes a la ciencia y a la física, fue el desarrollo de técnicas de investigación y mecanismos de interpretación para validar las teorías físicas, fue el precursor del método científico, formuló varias teorías acerca del movimiento de los cuerpos y desarrolló el telescopio. Con el cual, pudo ver mucho más allá, de lo que nunca antes se había visto.
Posteriormente en el siglo XVII, el inglés Sir Isaac newton, realizó grandes descubrimientos en el campo de la física. Aportando con invalorables teorías. Como las leyes del movimiento y de la gravitación universal, contribuyo en la explicación de la propagación de la luz y puso de manifiesto la naturaleza física de los colores.
A partir del Siglo XVIII Boyle, Young, Robert Hooke, Daniel Bernoulli y otros desarrollaron la termodinámica, la óptica y la física de los fluidos.
Fue durante el siglo XIX y el XX, que la física llegó a ser lo que es hoy en día. En el fondo, paso de la juventud a la adultez plena. Gracias a la teoría del electromagnetismo expuesta por el escocés James Clerk Maxwell, el comienzo de la física nuclear , de Henri Becquerel, Ernest Rutherford, Otto Hahn y Fritz Strassmann, la teoría de la relatividad general, de Albert Einstein, la mecánica cuántica formulada por Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger y Paul Dirac y la teoría cuántica de campos formulada por Richard Feynma, Julián Schwinger, Tomonaga y Freeman Dyson.
El intento de encontrar una teoría física capaz de unificar todas las fuerzas en un único formulismo ha llevado a los físicos a nuevos campos impensables. Las dos teorías más aceptadas, la mecánica cuántica y la relatividad general, que son capaces de describir con gran exactitud el macro y el micromundo, parecen incompatibles cuando se las quiere ver desde un mismo punto de vista. Es por eso que nuevas teorías han visto la luz, como la supergravedad o la teoría de cuerdas, que es donde se centran las investigaciones a inicios del siglo XXI.
1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE FÍSICA
1.1 ¿QUÉ ES LA FÍSICA?
La física es la rama de las ciencias naturales encargada de estudiar la naturaleza y los fenómenos visible a los sentidos; estudia, las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, así como sus interacciones, partiendo de la menor cantidad de principio que expliquen la mayor cantidad de fenómenos.
La física no es sólo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental. Como toda ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante experimentos y que la teoría pueda realizar predicciones de experimentos futuros.
Dentro de la física, existen dos ramas, a saber: La física clásica y la física moderna
1.2 FÍSICA CLÁSICA
La física clásica se encarga del estudio de aquellos fenómenos que ocurren a una velocidad relativamente pequeña, comparada con la velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/s), y cuyas escalas espaciales son muy superiores al tamaño de átomos y moléculas.
Dentro del campo de estudio de la Física clásica se encuentran:
- Mecánica clásica: Cinemática, Dinámica y Estática
- Mecánica de fluidos
- Acústica
- Óptica
- Termodinámica
- Electromagnetismo
1.3 FÍSICA MODERNA
Se encarga de los fenómenos que se producen a la velocidad de la luz, o valores cercanos a ella, o cuyas escalas espaciales son del orden del tamaño del átomo o inferiores; fue desarrollada en los inicios del siglo XX.
Dentro del campo de estudio de la Física moderna se encuentran:
- Teoría de la Relatividad
- Física nuclear
- Física cuántica
- Física de partículas
1.4 FÍSICA MECÁNICA
Es la rama de la física que estudia las fuerzas y el movimiento de los cuerpos, la física mecánica se basa en las leyes de newton para explicar los fenómenos mecánicos, tales como: la velocidad, aceleración, espacio recorrido y desplazamiento de un cuerpo, el movimiento circular de las aspas de una hélice, equilibrio de los sistemas en reposo, las fuerzas que actúan en maquinas simples, el movimiento de los planetas, el choque de 2 automóviles, etc.
1.5 CINEMÁTICA
Es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los cuerpos, sin tener en cuenta la causa que lo produce.
La cinemática aborda el estudio de las magnitudes propias del movimiento tales como: La velocidad, distancia recorrida, desplazamiento realizado y la aceleración que experimenta un móvil en un intervalo de tiempo determinado, el movimiento circular de las aspas de una hélice, el movimiento parabólico que describe un proyectil, la caída libre que experimentan los cuerpos del espacio, etc.
En la cinemática, los cuerpos se consideran como una partícula y se representan mediante un punto, ya que las dimensiones del cuerpo son despreciables frente a las dimensiones del espacio en el cual se mueve.
1.6 DINÁMICA
Es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los cuerpos teniendo en cuenta las causas que lo produce.
El objetivo de la dinámica, es describir los factores capaces de producir alteraciones en un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho sistema de operación.
1.7 ESTÁTICA
Es la rama de la mecánica que estudia el equilibrio de fuerzas sobre un cuerpo en reposo, es decir, en un estado en el que las posiciones relativas del cuerpo no varían con el tiempo.
Uno de los principales objetivos de la estática es la obtención de esfuerzos cortantes, fuerza normal, de torsión y momento flector a lo largo de una pieza, que puede ser desde una viga de un puente hasta los pilares de un edificio.
Su importancia reside en que una vez determinadas las fuerzas que actúan sobre una pieza, se puede decidir el material con el que se construirá, las dimensiones que deberá tener, etc., mediante un análisis de materiales. Por tanto, resulta de aplicación en ingeniería estructural, ingeniería mecánica, construcción, etc.
1.8 CIENCIAS RELACIONADAS CON LA FÍSICA
Al lado de la física están otras ciencias llamadas auxiliares, pero que tienen la misma importancia que la física, entre estas tenemos la Química, la biología, la ecología, la geología y la astronomía las cuales son llamadas ciencias de la naturaleza. También son auxiliares de la física, la Ingeniería, las matemáticas y la informática.
1.9 MAGNITUDES FÍSICAS
Magnitud, es todo aquello que puede ser medido tales como: la longitud, el área, el volumen, la velocidad, el desplazamiento, la aceleración, la masa, el tiempo, el peso, la fuerza, la energía, la temperatura. E.t.c.
Entre estas magnitudes hay algunas que son independientes de las demás, es decir, no necesitan de otra para definirse o determinarse y reciben el nombre de magnitudes básicas o fundamentales. En la física mecánica se tienen tres magnitudes que son fundamentales: la longitud (L), la masa (M) y el tiempo (T), y en Electricidad sumaremos una cuarta magnitud, la carga Eléctrica.
Las demás magnitudes se denominan derivadas y se obtienen de las magnitudes fundamentales por medio de ecuaciones matemáticas, por ejemplo: la superficie de un cuadrado, es el producto de una longitud por una longitud, diremos que su dimensión es L2; la velocidad, es una longitud dividida por un tiempo, tendrá por dimensiones L/T. etc.
1.10 SISTEMAS DE UNIDADES
Un sistema de unidades es un conjunto de símbolos y reglas que se combinan para medir las distintas magnitudes físicas.
En la física existen varios sistemas que emiten una unidad patrón para cada una de las magnitudes fundamentales, los cuales son: El sistema Internacional de unidades (S.I), El sistema Cegesimal (CGS), El sistema Ingles (FPS).
El siguiente cuadro muestra, las magnitudes fundamentales con sus correspondientes unidades, en cada sistema.
Sistema
Magnitud
(Dimensión) S.I (MKS)
(unidad) C.G.S
(unidad) F.P.S
(unidad)
Longitud ( L ) Metro (m) Centímetro (cm) Pie (ft)
Masa ( M ) Kilogramo (Kg) Gramos ( gr) Libra ( Lb)
Tiempo ( T ) Segundos Segundo (s) Segundo (s) Segundo (s)
1.11 CONVESIÓN DE UNIDADES.
Una misma longitud se puede expresar en diferentes unidades. Por ejemplo, el largo del pupitre es 1.2 m o 120cm.
Para resolver un problema debemos convertir las diferentes unidades a la unidad respectiva, empleando para tal efecto, los factores de conversión.
Conversiones de LONGITUD:
1m= 100cm
1km = 1000m
1ft (pie) = 30.48cm = 0.3048m
1 milla = 1600 m =1.6km
1 ft =12 pulgadas
1pulgada= 2.54cm
1yarda = 3ft = 0.9144m
Conversiones de MASA:
1 Kg = 1000gr
1Lb = 500 gr = 0.5kg
Conversiones de TIEMPO:
1 min = 60sg
1h = 60min = 3600sg
1 dia = 24h =1440 min = 86.400 sg
EJEMPLO 1: Expresa la medida de las siguientes cantidades a las unidades que se indican.
a. Expresa en metro la distancia entre las ciudades A y B, separadas 530 km.
b. Expresa en Kilogramos la masa de 3.5x107 gr.
c. Expresa en Segundo 0.25 horas.
EJEMPLO 2: Convierta.
a. 100km/h a millas /h
b. 50 km/min a m/s
c. 20 km/h a m/s
d. 30m3 a ft3
EJEMPLO 3: Imagina que tienes una esfera de acero de radio 0.58cm, cuya masa es de 20.3 gr. Determina la densidad del acero en kg/cm3.
