RAMAS DE LAS CIENCIAS NATURALES

Transcripción

1 RAMAS DE LAS CIENCIAS NATURALES CIENCIAS NATURALES Y ED. AMBIENTAL FISICA QUIMICA BIOLOGIA GEOLOGIA 1

2 Para determinar Qué es? o Qué significa? Primero hay que identificar el objeto de estudio de esta. Para ello vamos evocar la historia y luego nos entraremos al objeto de estudio de la física es la naturaleza propiamente. La física es una de las más antiguas disciplinas académicas, tal vez la más antigua a través de la inclusión de la astronomía. En los últimos dos milenios, la física había sido considerada sinónimo de la filosofía, la química, y ciertas ramas de la matemática y la biología, pero durante la Revolución Científica en el siglo XVII surgió para convertirse en una ciencia moderna, única por derecho propio. 2

3 La física (del latin physica, que traduce "naturaleza") es una ciencia natural que estudia las propiedades del espacio, el movimiento, el tiempo, la materia y la energía, así como sus interacciones. La física es significativa e influyente, no sólo debido a que los avances en la comprensión a menudo se han traducido en nuevas tecnologías, sino también a que las nuevas ideas en la física resuenan con las demás ciencias, las matemáticas y la filosofía. 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. 3

4 MECÁNICA CLÁSICA TERMODINÁMICA EVENTOS ONDULATORIOS EVENTOS ELECTROMAGNETICOS 4

5 Es una rama de la física. Su objetivo es describir (con la cinemática) y explicar (con la dinámica) el movimiento de los cuerpos. 5

6 CINEMÁTICA DINÁMICA MECÁNICA DESCRIBE EXPLICA EL CAMBIO DE ESTADO EN LOS MOVIMIENTOS DE LOS CUERPOS 6

7 Describe el movimiento de los cuerpos sin preocuparse de las causas que lo producen. 7

8 Describe los estados de movimiento de los cuerpos considerando las causas que lo hacen cambiar y estas causas son las fuerzas. 8

9 PORQUÉ UN CUERPO CAMBIA SU ESTADO DE MOVIMIENTO? RESPECTO A QUE O A QUIEN UN OBJETO CAMBIA SU ESTADO DE MOVIMIENTO? EL ESTADO DE MOVIMIENTO ES UNA CARACTERISTICA INTRÍNSECA DE LAS PARTICULAS? LA INERCIA 9

10 RIGIDO SOLIDO DEFORMABLE CUERPO LIQUIDOS FLUIDO GASES 10

11 La observación de un fenómeno es en general, incompleta a menos que dé lugar a una información cuantitativa. Para obtener dicha información, se requiere la medición de una propiedad física. Así, la medición constituye una buena parte de la rutina diaria del físico experimental. La medición es la técnica por medio de la cual asignamos un número a una propiedad física, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad. 11

12 Supongamos una habitación cuyo suelo está cubierto de baldosas, tal como se ve en la figura, tomando una baldosa como unidad, y contando el número de baldosas medimos la superficie de la habitación, 30 baldosas. En la figura de la derecha, la medida de la misma superficie da una cantidad diferente 15 baldosas. La medida de una misma magnitud física (una superficie) da lugar a dos cantidades distintas debido a que se han empleado distintas unidades de medida. Este ejemplo, nos pone de manifiesto la necesidad de establecer una única unidad de medida para una magnitud dada, de modo que la información sea comprendida por todas las personas 12

13 MAGNITUDES FISICAS SEGÚN SU ORIGEN SEGÚN SU NATURALEZA FUNDAMENTALES DERIVADAS ESCALARES VECTORIALES LONGITUD MASA TIEMPO, ETC AREA VOLUMEN VELOCIDAD ACELERACION, ETC LONGITUD MASA TIEMPO AREA VOLUMEN, ETC DESPLAZAMIENTO VELOCIDAD ACELERACION, ETC 2012/04/07 Elaboró: Yovany Londoño 13

14 SISTEMA METRICO DECIMAL (MKS) SISTEMA INTERNACIONAL (SI) SISTEMA INGLÉS SISTEMAS DE MEDIDAS 14

15 SISTEMA DE UNIDADES SISTEMA INTERNACIONAL MAGNITUDES FUNDAMENTALES LONGITUD, L MASA, M TIEMPO, T INTENSIDAD DE CORRIENTE ELECTRICA, I TEMPERATURA TERMODINAMICA CANTIDAD DE SUSTANCIA INTENSIDAD LUMINOS UNIDADES BÁSICAS METRO KILOGRAMO SEGUNDO AMPERE GRADOS KELVIN MOL CANDELA SIMBOLO m kg s A K mol Cd 15

16 LONGITUD, L TIEMPO, T MASA, M MAGNITUDES FUNDAMENTAL ES 16

17 Las unidades SI derivadas se definen de forma que sean coherentes con las unidades básicas y suplementarias, es decir, se definen por expresiones algebraicas bajo la forma de productos de potencias de las unidades SI básicas y/o suplementarias con un factor numérico igual 1. Varias de estas unidades SI derivadas se expresan simplemente a partir de las unidades SI básicas y suplementarias. Otras han recibido un nombre especial y un símbolo particular. Si una unidad SI derivada puede expresarse de varias formas equivalentes utilizando, bien nombres de unidades básicas y suplementarias, o bien nombres especiales de otras unidades SI derivadas, se admite el empleo preferencial de ciertas combinaciones o de ciertos nombres especiales, con el fin de facilitar la distinción entre magnitudes que tengan las mismas dimensiones. Por ejemplo, el hertz se emplea para la frecuencia, con preferencia al segundo a la potencia menos uno, y para el momento de fuerza, se prefiere el newton metro al joule. 17

18 Magnitud Nombre Símbolo Superficie,S metro cuadrado m 2 Volumen, V metro cúbico m 3 Velocidad, v metro por segundo m/s Aceleración, a metro por segundo cuadrado m/s 2 Número de ondas, k metro a la potencia menos uno m -1 Densidad volumetrica, ρ kilogramo por metro cúbico kg/m 3 Velocidad angular, ω radián por segundo rad/s Aceleración angular, α radián por segundo cuadrado rad/s 2 18

19 LONGITUD m AREA (A) O SUPERFICIE (S) LONGITUD m 2 m 19

20 LONGITUD m LONGITUD m VOLUMEN (V) O CAPACIDAD m 3 LONGITUD m 20

21 LONGITUD m VELOCIDAD O RAPIDEZ m/s TIEMPO s 21

22 VELOCIDAD m/s ACELERACION m/s 2 TIEMPO s 22

23 Magnitud Nombre Símbolo Expresión en otras unidades SI Expresión en unidades SI básicas Frecuencia hertz Hz s -1 o 1/s Fuerza newton N m kg s -2 o m.kg/s 2 Presión pascal Pa N m -2 o N/m 2 m -1 kg s -2 o kg/m.s 2 Energía, trabajo, joule J N m m 2 kg s -2 o kg.m 2 /s 2 cantidad de calor Potencia watt W J s -1 o J/s m 2 kg s -3 o m 2 kg/s 3 Cantidad de electricidad carga eléctrica Potencial eléctrico fuerza electromotriz Resistencia eléctrica coulomb volt ohm C V W W A -1 V A -1 o o W/A V/A m 2 kg s -3 A -1 m 2 kg s -3 A -2 s A O o m 2.kg/s 3.A m 2.kg/s 3.A 2 Capacidad eléctrica farad F C V -1 O C/V m -2 kg -1 s 4 A 2 o kg.s 4.A 2 /m 2.kg Flujo magnético weber Wb V s m 2 kg s -2 A -1 o m 2 kg/s 2 A Inducción magnética tesla T Wb m -2 O Wb/m 2 kg s -2 A -1 o kg/s 2.A Inductancia henry H Wb A -1 O Wb/A m 2 kg s -2 A -2 o m 2.kg/s 2.A 2 23

24 MASA kg FUERZA (masa x aceleracion) NEWTON, N kg.m/s 2 ACELERACION m/s 2 24

25 Magnitud Nombre Símbolo Expresión en unidades SI básicas Viscosidad dinámica pascal segundo Pa s m -1 kg s -1 o kg/m.s Entropía joule por kelvin J/K m 2 kg s -2 K -1 o m 2.kg/K.s 2 Capacidad térmica másica joule por kilogramo kelvin J/(kg K) m 2 s -2 K -1 o m 2 /K.s 2 Conductividad térmica watt por metro kelvin W/(m K) m kg s -3 K -1 o m.kg/s 3.K Intensidad del campo eléctrico volt por metro V/m m kg s -3 A -1 o m.kg/s 3.A 25

26 Magnitud Nombre Símbolo Relación Volumen litro l o L 1 dm 3 = 10-3 m 3 Masa tonelada t 10 3 kg Presión y tensión bar bar 10 5 Pa 26

27 Magnitud Nombre Símbolo Relación Ángulo plano vuelta 1 vuelta= 2 p rad grado º (p/180) rad minuto de ángulo ' (p /10800) rad segundo de ángulo " (p /648000) rad Tiempo minuto min 60 s hora h 3600 s día d s 27

28 Los símbolos de las Unidades SI, con raras excepciones como el caso del ohm (Ω), se expresan en caracteres romanos, en general, con minúsculas; sin embargo, si dichos símbolos corresponden a unidades derivadas de nombres propios, su letra inicial es mayúscula. Ejemplo, A de ampere, J de joule. Los símbolos no van seguidos de punto, ni toman la s para el plural. Por ejemplo, se escribe 5 kg, no 5 kgs Cuando el símbolo de un múltiplo o de un submúltiplo de una unidad lleva exponente, ésta afecta no solamente a la parte del símbolo que designa la unidad, sino al conjunto del símbolo. Por ejemplo, km 2 significa (km) 2, área de un cuadrado que tiene un km de lado, o sea 10 6 metros cuadrados y nunca k(m 2 ), lo que correspondería a 1000 metros cuadrados. El símbolo de la unidad sigue al símbolo del prefijo, sin espacio. Por ejemplo, cm, mm, etc. El producto de los símbolos de de dos o más unidades se indica con preferencia por medio de un punto, como símbolo de multiplicación. Por ejemplo, newton-metro se puede escribir N m Nm, nunca mn, que significa milinewton. Cuando una unidad derivada sea el cociente de otras dos, se puede utilizar la barra oblicua (/), la barra horizontal o bien potencias negativas, para evitar el denominador. 28

29 No se debe introducir en una misma línea más de una barra oblicua, a menos que se añadan paréntesis, a fin de evitar toda ambigüedad. En los casos complejos pueden utilizarse paréntesis o potencias negativas. m/s 2 o bien m s -2 pero no m/s/s. (Pa s)/(kg/m 3 ) pero no Pa s/kg/m 3 Los nombres de las unidades debidos a nombres propios de científicos eminentes deben de escribirse con idéntica ortografía que el nombre de éstos, pero con minúscula inicial. No obstante, serán igualmente aceptables sus denominaciones castellanizadas de uso habitual, siempre que estén reconocidas por la Real Academia de la Lengua. Por ejemplo, amperio, voltio, faradio, culombio, julio, ohmio, voltio, watio, weberio. Los nombres de las unidades toman una s en el plural (ejemplo 10 newtons) excepto las que terminan en s, x ó z. En los números, la coma se utiliza solamente para separar la parte entera de la decimal. Para facilitar la lectura, los números pueden estar divididos en grupos de tres cifras (a partir de la coma, si hay alguna) estos grupos no se separan por puntos ni comas. Las separación en grupos no se utiliza para los números de cuatro cifras que designan un año. 29

30 30

31 Magnitud física Símbolo Unidad SI tiempo t s posición x m velocidad v m s -1 aceleración a m s -2 ángulo plano q rad velocidad angular ω rad/s aceleración angular α rad s -2 radio r m longitud de arco s m área A, S m 2 volumen V m 3 ángulo sólido W sr frecuencia f Hz frecuencia angular (=2pf ) w s -1, rad s -1 31

32 Magnitud física Símbolo Unidad SI masa m kg momento lineal p kg m s -1 fuerza F N (= kg m s -2 ) momento de una fuerza M N m momento de inercia I kg m 2 momento angular L kg m 2 s -1 rad (= J s) energía E J energía potencial E p, V J energía cinética E k J trabajo W J potencia P W densidad (masa) r kg m -3 presión p Pa 32

33 Magnitud física Símbolo Unidad SI calor Q J trabajo W J temperatura termodinámica T K temperatura Celsius t energía interna U J entropía S J K -1 capacidad calorífica C J K -1 razón C p / C v g 1 o C 33

34 Magnitud física Símbolo Unidad SI carga eléctrica Q C densidad de carga r C m -3 corriente eléctrica I, i A densidad de corriente eléctrica j A m -2 potencial eléctrico V V diferencia de potencial, voltaje DV V campo eléctrico E V m -1 capacidad C F permitividad eléctrica e F m -1 permitividad relativa e r 1 momento dipolar eléctrico p C m flujo magnético F Wb campo magnético B T permeabilidad µ H m -1, N A -2 permeabilidad relativa µ r 1 resistencia R W resistividad r W m autoinducción L H inducción mutua M H constante de tiempo t s 34

35 Constante Símbolo Valor Velocidad de la luz c m s -1 Carga elemental e C Masa en reposo del electrón m e kg Masa en reposo del protón m p kg Constante de Planck h J s Constante de Avogadro N A mol -1 Constante de Boltzmann k J K-1 Constante de los gases R J K -1 mol Permitividad del vacío ε 0 2 C N -1 m - Permeabilidad del vacío μ m kg C -2 Constante de gravitación G N m 2 kg Aceleración de la gravedad a nivel del mar g m s -2 Fuente: Alonso M, Finn E. Física. Fondo Educativo Interamericano (1971) 35

36 En mecánica se tratan problemas relacionados con la descripción del movimiento de un objeto en el espacio, por lo que se requiere un método para conocer la posición de ese objeto. Para esto se definen los sistemas de coordenadas y marcos de referencia. 36

37 Un punto de referencia fijo O, llamado origen. Un conjunto de ejes o direcciones con una escala apropiada. Instrucciones sobre como identificar un punto en el espacio respecto al origen y a los ejes. 37

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39 Las magnitudes físicas con las que trataremos en el curso pueden ser escalares o vectoriales. Las magnitudes físicas escalares quedan completamente definidas mediante un número y sus respectivas unidades de medida, por ejemplo la densidad del agua de 1 gr/cm3 o la temperatura del aire de 20º C, son un escalar. Para las magnitudes físicas vectoriales debe especificarse su magnitud (un número con sus unidades), su dirección (un número que puede ser un ángulo si el espacio es bi o tridimensional) y su sentido (que indica hacia adonde se dirige o apunta el vector), por ejemplo una velocidad de 80 km/h hacia el noreste. Un vector se representa gráficamente como un trazo dirigido (flecha) y se simboliza mediante letras mayúsculas o minúsculas, con una flecha sobre la letra o escrita en negrita, como V o V r, r o rr, OP o OP. La longitud de la flecha indica la magnitud relativa del vector, el punto desde donde se comienza a dibujar el vector se llama punto de aplicación, la dirección se mide desde algún eje de referencia, generalmente horizontal, el sentido esta dado por la punta de la flecha y la recta sobre la cual se ubica el vector se llama línea de acción. En la siguiente figura, el vector A tiene magnitud A, su punto de aplicación es O y su dirección es α grados sobre la horizontal. 39

40 MAGNITUDES ESCALARES UN NUMERO OSEA SU MAGNITUD UNA UNIDAD DE MEDIDA MAGNITUDES VECTORIALES SU MAGNITUD SU DIRECCION QUE ES UN ANGULO. SU SENTIDO 40

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42 Se representa como un segmento orientado, con una dirección, dibujado de forma similar a una "flecha". Su longitud representa la magnitud o el módulo del vector y la "punta de flecha" indica su sentido y la inclinación de la flecha la dirección. 42

43 Las magnitudes vectoriales se representan en los textos impresos por letras en negrita, para diferenciarlas de las magnitudes escalares que se representan en cursiva. En los textos manuscritos, las magnitudes vectoriales se representan colocando una flecha sobre la letra que designa su módulo (el cual es un escalar). 43

44 TEXTOS IMPRESOS Vector A Magnitud A TEXTOS MANUSCRITOS Vector A Magnitud A 44

45 Cuando convenga, se representan la magnitud vectorial haciendo referencia al origen y al extremo del segmento orientado que la representa geométricamente; así, se designan los vectores representados en la siguiente Figura en la forma, MN resultando muy útil esta notación para los vectores que representan el desplazamiento. 45

46 Además de estas convenciones los vectores unitarios o versores, cuyo módulo es la unidad, se representan frecuentemente con un circunflejo encima, por ejemplo. Î, ĵ 46

47 SUMA Y RESTA ( +, _) MULTIPLICACION CON ESCALAR ( * ) MULTIPLICACION ESCALAR (. ) MULTIPLICACION VECTORIAL (x) 47

48 SUMA Y RESTA DE VECTORES METODOS GEOMETRICOS METODO ANALITICO METODO DEL POLIGONO METODO DEL PARALELOGRAMO POR COMPONENTES 48

49 49

50 Las componentes vectoriales de un vector son aquellas que sumadas dan como resultado el vector original. Las componentes vectoriales de un vector en el espacio se calculan a lo largo de un conjunto de 3 líneas mutuamente perpendiculares que se cortan en un mismo punto, es decir en líneas paralelas a los ejes de un sistema de coordenadas cartesiano. 50

51 Un vector en el espacio se puede expresar como una combinación lineal de tres vectores unitarios o versores perpendiculares entre sí que constituyen una base vectorial. 51

52 En coordenadas cartesianas, los vectores unitarios se representan por,,, paralelos a los ejes de coordenadas x, y, z positivos. Las componentes del vector en una base vectorial predeterminada pueden escribirse entre paréntesis y separadas con comas: 52

53 Pueden escribirse entre paréntesis y separadas con comas a=(a x, a y, a z ) Expresarse como una combinación de los vectores unitarios definidos en la base vectorial a= a x î+a y ĵ+a z k 53

54 Dado 2 vectores libres El resultado se puede expresar asi: Ordenando las componentes 54