Vídeo 1: Qué es Ciencia y qué no lo es?

Transcripción

1 MEDIR, MEDIR Y VOLVER A MEDIR La física parte de observaciones experimentales y de mediciones cuantitativas. Su principal objetivo es encontrar el limitado número de leyes que gobiernan los fenómenos naturales para desarrollar teorías que puedan predecir los resultados de futuros experimentos. Qué estudia la Física? La palabra Física proviene del griego fisis y se traduce por naturaleza. Por eso cuando hablamos de la Física hablamos de la ciencia que estudia la naturaleza en su aspecto más amplio y general; es decir, el estudio de aquellos fenómenos asociados a los cuerpos y que provocan modificaciones en su estado, en su movimiento o en la energía que almacenan, pero que no alteran su estructura interna. El interés de la humanidad por su entorno físico está presente desde las primeras civilizaciones, cuando empiezan a interesarse por la periodicidad de ciertos fenómenos astronómicos, como las diferentes fases de la Luna o la regularidad de la estaciones del año. Sin embargo, el salto cualitativo más significativo en el estudio de los fenómenos físicos se produce en el siglo XVI y su principal representante es Galileo Galilei ( ). Galileo defiende que sólo con el uso de la razón y el estudio experimental de los fenómenos naturales se puede obtener un conjunto de leyes universales formuladas matemáticamente, que nos permite conocer mejor el mundo que nos rodea y descubrir el funcionamiento del Universo. Con esa propuesta, revolucionaria para la época, está negando que al autoridad tradicional y las doctrinas religiosas puedan ser la única fuente de conocimiento; por eso podemos decir que con él nace la Galileo Galilei Física moderna. En la actualidad, la Física ya no se limita al estudio de los fenómenos naturales elementales, como el movimiento de los cuerpos, las fuerzas que los provocan o la energía puesta en juego en esos procesos, sino que su interés abarca un gran número de campos de investigación: el electromagnetismo, la termodinámica, la óptica, la electrónica, la física nuclear, la astrofísica, etc. El método científic La Física es una ciencia experimental, por lo que su avance es sobre todo empírico, es decir, basado en verificaciones experimentales de cualquier conjetura o hipótesis formulada. Aunque existen muchas formas de investigar en el campo de la Ciencias de la Naturaleza, todas ellas tienen en común la utilización de un método riguroso y sistemático al que se denomina método científico. Página1

2 El planteamiento de un problema o una pregunta: el origen del problema puede estar en tener que resolver una necesidad creada dentro del contexto social o simplemente, responde a la curiosidad de conocer la explicación de un fenómeno observado. El análisis de la situación: se recurre a modelos simplificados de las situaciones que se quieren estudiar reduciendo las variables de las que dependa el fenómeno, se aíslan del entorno. La recopilación, el análisis y el estudio de la información constituye la mayor parte del tiempo de trabajo científico. Cualquier problema que se plantee, por nuevo que sea, lleva asociada gran cantidad de información que puede ser útil para su resolución. La formulación de la hipótesis: una vez planteado el problema, se enuncia una explicación coherente con los conocimientos que se tienen y que se pueda comprobar experimentalmente. La experimentación de la hipótesis: los experimentos son observaciones cuantitativas del fenómeno en condiciones controladas, de manera que se pueden reproducir en otros lugares y por otras personas. La ordenación y el análisis de datos experimentales: con este fin se emplean tablas y gráficas, de forma que se puedan buscar y encontrar relaciones entre las distintas magnitudes estudiadas. Si los experimentos confirman la hipótesis o permiten reformularla de forma adecuada, se pueden enunciar leyes, que son hipótesis confirmadas que muestran una relación cuantitativa entre dos o más variables. Las leyes se suelen escribir mediante expresiones matemáticas, y su rango de validez queda definido dentro del marco del modelo seguido y de las condiciones en las que se realizaron los experimentos. Un conjunto de leyes coherentes entre sí forman una teoría. La comunicación de los resultados: se deben de hacer públicos de forma que la comunidad científica tenga acceso a ellos, pueda refrendarlos y, si son aceptados, añadirlos al conjunto de conocimientos que se tengan en ese momento. El sistema internacional de unidades fundamentales y derivadas Las propiedades de los objetos cuya naturaleza se establece de forma objetiva y que pueden ser cuantificadas se denominan magnitudes físicas. Def.: Magnitud física es cualquier propiedad observable de los cuerpos susceptible de ser cuantificada de forma objetiva mediante un proceso de medida. Las magnitudes físicas nos permiten describir los fenómenos naturales en términos científicos, sin ambigüedad, con independencia del observador que los estudia. Son ejemplos de magnitudes físicas la longitud, la masa, el volumen, la densidad, la temperatura o la velocidad. Def.: Unidad física es cualquier cantidad arbitraria de una magnitud que se adopta por acuerdo como patrón para esa magnitud. Página2

3 Ej.: con una balanza determinamos que la masa de un objeto es de 10.5 g. m (magnitud) = 10.5 (valor numérico) g (unidad) Distinga entre unidades fundamentales y derivadas y de ejemplos Por convenio, se escoge un cierto número de magnitudes básicas a las que se da la categoría de magnitudes fundamentales. Estas magnitudes se definen directamente a partir de propiedades observables de los cuerpos y no como combinación de otras magnitudes. El resto de magnitudes que se expresan en función de las fundamentales, se denomina derivadas. Así, la densidad es una magnitud derivada, pues se obtiene mediante la operación de dividir la masa por el volumen. El número total de magnitudes fundamentales debe ser tan reducido como sea posible. Por eso, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se eligen siete: longitud, tiempo, masa, temperatura, cantidad de sustancia, intensidad luminosa e intensidad de corriente. Es muy habitual que, para el uso cotidiano, cada país utilice unidades de medida diferentes, como metros cúbicos, litros, galones o pies cúbicos. Sin embargo, la comunidad científica mundial emplea siempre las mismas unidades, las que se recogen en el SI, tal como se aprobó en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas, celebrada en París en Indique las unidades fundamentales del SI Kilogramo, metro, segundo, amperio, mol y kelvin Un detalle importante es que la unidad que se elija para medir debe cumplir una serie de requisitos que, por supuesto, cumplen las unidades SI: Ha de ser constante. No debe cambiar con el tiempo ni depender de quién realice la medida. Ha de ser universal. Debe ser la misma para todos los países. Ha de ser fácil de reproducir, aunque esa facilidad disminuya, en ocasiones, la exactitud del resultado que obtenemos al medir. PATRONES DE LONGITUD, MASA Y TIEMPO Las leyes de la física se expresan en función de cantidades fundamentales que re- quieren una definición clara. En mecánica las tres cantidades fundamentales son 1ongitud(L), masa (M) y tiempo(t). Las otras cantidades físicas en la mecánica pueden expresarse en función de estas tres. Evidentemente, si se va a informar acerca de los resultados de una medición a alguien que desea reproducirla, debe definirse un patrón. No tendría sentido que un visitante de Página3

4 otro planeta nos hablara de una longitud de 8 "glitches" si no conocemos el significado de la unidad glitche. Por otra parte, si alguien familiarizado con nuestro sistema de medidas informa que una pared tiene dos metros de altura y nuestra unidad de longitud se define como un metro, sabemos entonces que la altura de la pared es el doble de nuestra unidad de longitud fundamental. De igual modo, si decimos que una persona tiene una masa de 75 kilogramos y nuestra unidad de masa se define como 1.0 kilogramo, entonces esa persona tiene 75 veces más masa que nuestra unidad de masa básica l. Cualquier patrón que se elija debe ser fácilmente accesible y poseer alguna propiedad que se pueda medir fidedignamente: las medidas tomadas por diferentes personas en diferentes lugares deben arrojar el mismo resultado. En 1960 un comité internacional estableció un conjunto de patrones para la longitud, la masa y otras cantidades fundamentales. El sistema que se integró es una adaptación del sistema métrico, y recibe el nombre de Sistema SI de unidades. La abreviatura SI proviene del nombre en francés Systeme InternationaL En este sistema las unidades de longitud, masa y tiempo son el metro, el kilogramo y el segundo, respectivamente. Otras unidades patrón del SI establecidas por el comité son las correspondientes a la temperatura (el kelvin), la corriente eléctrica (el ampere), la intensidad luminosa (la candela) y la relativa a la cantidad de sustancia (el mol). En el estudio de la mecánica se tratará sólo con las unidades de longitud, masa y tiempo. Longitud En el año 1120 d.c., el rey de Inglaterra decretó que el patrón de longitud en su país sería la yarda y que esta medida sería igual a la distancia de la punta de su nariz al extremo de su brazo extendido. De manera similar, el patrón original para el pie adoptado por los franceses fue la longitud del pie real del rey Luis XIV. Este patrón prevaleció hasta 1799, cuando el metro se volvió el patrón legal de longitud en Francia, definido como un diezmillonésimo de la distancia del ecuador al Polo Norte a lo largo de una línea longitudinal que atraviesa París. Muchos otros sistemas de medición de longitud se han desarrollado a través de los años, pero las ventajas del sistema francés han ocasionado que éste prevalezca en casi todos los países y en círculos científicos de todo el mundo. En 1960 la longitud de un metro se definió como la distancia entre dos líneas sobre una barra de platino- iridio almacenada en condiciones controladas en Francia. Este patrón se abandonó por varias razones; la principal fue el hecho de que la limitada precisión con la cual puede determinarse la separación entre las líneas sobre la barra no cubre las necesidades actuales de la ciencia y la tecnología. Recientemente, el metro fue definido como longitudes de onda de luz naranja-roja emitida por una lámpara de kriptón-86. Sin embargo, en octubre de 1983, el metro (m) se redefinió como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un tiempo de 1/ segundos. En efecto, esta última definición establece que la rapidez de la luz en el vacío es de m por segundo. Algunas distancias típicas expresadas en metros son las siguientes: Distancia de la Tierra al quasar conocido más remoto 1.4 x Distancia de la Tierra a la galaxia normal conocida más remota 9 x Distancia de la Tierra a la galaxia grande más cercana (M31=Andrómeda) 2 x Distancia del Sol a la estrella más cercana (Próxima Centauri) 4 x Página4

5 Un año luz 9.46 X Radio promedio de la órbita de la Tierra alrededor del Sol 1.50 x Distancia promedio de la Tierra a la Luna 3.84 x 10 8 Distancia del ecuador al Polo Norte 1.00 x 10 7 Radio promedio de la Tierra 6.37 x 10 6 Altitud típica (sobre la superficie) de un satélite que orbita la Tierra 2 x 10 5 Longitud de un campo de fútbol 9.1 x 10 1 Longitud de una mosca doméstica 5 x 10-3 Tamaño de la partícula de polvo más pequeña 10-4 Tamaño de las células de la mayoría de los organismos vivos 10-5 Diámetro de un átomo de hidrógeno l0 -l0 Diámetro de un núcleo atómico Diámetro de un protón Masa La unidad fundamental de la masa del SI, el kilogramo (kg), se define como la masa de un cilindro determinado de aleación de platino-iridio que se conserva en el Laboratorio Internacional de Pesas y Medidas en Sevres, Francia. Este patrón de masa se estableció en 1887!, y desde ese momento no ha habido cambio en virtud de que el platino-iridio es una aleación inusualmente estable A continuación, se listan los valores aproximados de varios objetos (en kg): Universo visible 10 52,Galaxia Vía Láctea 7 x 10 41,Sol 1.99 x Tierra 5.98 x Luna 7.36 x 10 22,Caballo 10 3,Hombre 10 2,Rana 10-1,Mosquito 10-5,Bacteria 10-15,Átomo de hidrógeno 1.67 x Electrón 9.11 x Tiempo Antes de 1960 el patrón de tiempo se había definido en función del día solar medio para el año de El segundo solar se.definió originalmente como (1/24) (1/60) (1/60) de un día solar medio. Sin embargo, en la actualidad se sabe que la rotación de la Tierra varía sustancialmente con el tiempo, por lo que no es adecuado emplear este movimiento en la definición de un patrón. En 1967, en consecuencia, el segundo se redefinió para aprovechar la ventaja de la alta precisión que podía obtenerse en un dispositivo conocido como reloj atómico. En este dispositivo las frecuencias asociadas con ciertas transiciones atómicas pueden medirse hasta una precisión de una parte en Esto es equivalente a una incertidumbre menor que un segundo cada años. De este modo, en 1967 la unidad de tiempo del SI, el segundo, fue redefinida usando una frecuencia característica de un tipo particular de átomo de cesio como el "reloj de referencia": La unidad de tiempo básica del SI, el Página5

6 segundo (s) se definió como veces el periodo de vibración de la radiación del átomo de cesio-l33 Desde el descubrimiento de Einstein de los vínculos entre el espacio y el tiempo, las mediciones precisas de los intervalos de tiempo requieren que conozcamos tanto el estado de movimiento del reloj usado para medir el intervalo y, en algunos casos, también, la posición del reloj. De otra manera, por ejemplo, la posición global de los sistemas de satélites podría ser incapaz de precisar su situación con la certeza suficiente, necesaria para rescatarlo. A continuación, se presentan valores aproximados de algunos intervalos de tiempo(seg): Edad del universo 5 X Edad de la Tierra 1.3 X Un día (tiempo para una rotación de la Tierra sobre su eje) 8.64 X 10 4 Tiempo normal entre latidos 8 X 10-1 Periodo de las ondas del sonido audible 10-5 Periodo de las ondas de radio 10-6 Periodo de la vibración de un átomo en un sólido Periodo de las ondas de luz visible Duración de una colisión nuclear Tiempo que le toma a la luz atravesar un protón Además de las unidades básicas del SI, metro, kilogramo y segundo, también se puede usar otras unidades como milímetros y nanosegundos, donde los prefijos mili- y nanodenotan diversas potencias de diez. Algunos de los prefijos utilizados con mayor frecuencia en las diversas potencias de 10 y sus abreviaturas se listan a continuación: yocto y zepto z atto a femto f pico p 10-9 nano n l0-6 micro µ mili m 10-2 centi c 10-1 deci d 10 1 deca da 10 2 hecto h 10 3 kilo k 10 6 mega M 10 9 giga G tera T peta P exa E zeta Z yota Y Completa: 5,3 kg =... g 4 dam =... dm 35 l =... cl 3 m 2 =... dm 2 La capacidad de un bote de refresco es de 3'3 dl. a) Expresa esa cantidad en cl y l. b) En cierta botella de capacidad 0'15 dal. Cuántos botes de refrescos cabrán? Sobraría algo? En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad con que medimos los ángulos se denomina: 2,5 m 2 =... cm 2 2 km 2 =... m 2 Expresa en unidades S.I. las siguientes medidas: 10 micrometros, 25 toneladas, 27 grados centígrados,10 horas, 25 nanosegundos y 144 kilómetros por hora. Página6

7 7,5 hg =... g 5 km =... dam 25 cl =... l 8 m 2 =... dm 2 7 cm 2 =... dm 2 35 hm 2 =... km 2 3,5 dag =... mg 27 dam =... cm 24 dl =... l Con frecuencia, en física es conveniente calcular una respuesta aproximada a un problema, incluso cuando se dispone de poca información. Estos resultados pueden emplearse para determinar si es o no necesario un cálculo más preciso. Estas aproximaciones suelen tener como origen ciertas suposiciones que se deben modificar si se buscara más precisión. Así, en ocasiones se hará referencia al orden de magnitud de cierta cantidad como la potencia de 10 del número que describe dicha cantidad. Si, por ejemplo, se dice que una cantidad aumenta su valor en tres órdenes de magnitud, esto significa que su valor aumenta en un factor de 10 3 = Además, si una cantidad está dada como 3 x 10 3, se dice que el orden de magnitud de dicha cantidad es 10 3 (o en forma simbólica, 3 x ). De igual modo, la cantidad 8xl A esta forma de operar se le llama estimación y el espíritu de la misma es acertar en el orden de magnitud; por ejemplo estima: El número de respiraciones que efectuaremos en la vida El número de pasos que daremos en la vida El número de pasos que daremos de S/C de Tfe a los Cristianos El número de litros de gasolina que consumen los coches en España durante un año. El número de pelotas de tenis que llenarían una habitación promedio. El número de papas que vende McDonald s en un año. El número de vueltas que da un neumático antes de romperse. El número de gotas de agua que caen en Tenerife durante un año. El número de latas de aluminio que tiran los españoles durante un año Cuántos kg son? Página7