INTRODUCCIÓN. Christopher Paredes Departamento de Ciencias Físicas Universidad de La Frontera
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- María Rosario Camacho Vargas
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1 INTRODUCCIÓN Christopher Paredes Departamento de Ciencias Físicas Universidad de La Frontera Temuco, marzo de 2013
2 Que es la Física? La física es una rama de la ciencia que se ocupa de estudiar las propiedades y comportamiento de la naturaleza. La Física es una de las disciplinas científicas mas antiguas existen. Durante miles de años el hombre a tratado de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que lo rodean.
3 La física y la ingeniería La física y las matemáticas son las herramientas básicas que todo ingeniero debe manejar. Algunos ejemplos de aplicación de la física en la ingeniería: Conocimiento Físico Fuerza Electromagnetismo Energía Termodinámica Óptica Aplicación en la Ingeniería - Calculo de estructuras - Esfuerzos mecánicos - Telecomunicaciones - Elaboración de motores eléctricos. - Parques eólicos - Energía solar - Hidroeléctricas - Maquinas a vapor - Motores - Refrigeradores - Diseño de telescopios - Diseño de lentes ópticos En estos tiempos también se debe añadir la informática a la lista de herramientas.
4 Relación de la física con otras disciplinas Medicina Agronomía Física medica, rayos X, escaners... Economía movimiento de aguas, estudio atmosférico Justicia Econofísica Física Forense, balística,.. Y muchas mas.
5 Medición El concepto de medición es fundamental en la física. Esto se debe a que los resultados de los modelos físicos deben ser comparados con las mediciones que se realizan a los sistemas naturales que son objeto de estudio. Algunas cantidades físicas que se miden comúnmente: - Fuerza - Tiempo - Velocidad - Densidad - Temperatura Conoces otras cantidades físicas?...
6 Cantidades físicas, patrones y unidades Las cantidades físicas se clasifican a menudo en cantidades fundamentales y derivadas Cantidades Fundamentales No se definen en función de otras cantidades físicas. Ejemplos de este tipo de cantidades son: Longitud y tiempo. Cantidades Derivadas Son aquellas cuyas operaciones de definición se basan en otras Cantidades. Ejemplo: Velocidad = [longitud]/[tiempo] Volumen = [longitud]x[longitud]x[longitud]
7 Cantidades físicas, patrones y unidades Las cantidades fundamentales requieren escoger un patrón y establecer sus unidades de medida. Un patrón ideal tiene dos características principales: es accesible y es invariante. En un comienzo se daba mayor importancia a la accesibilidad, mientras que ahora son cada vez mayores los requisitos respecto a la invariabilidad. Ejemplo: Las unidades tan usuales como la yarda,el pie, la pulgada, son descendientes directos del brazo humano, del pie y del pulgar. Actualmente la unidad de longitud(metro) se mide como la distancia que viaja la luz en el vacío 1/ segundos.
8 Cantidades físicas, patrones y unidades Patrones de medición Unidad de medida Longitud Masa Tiempo Temperatura Patrón Un metro se define como la distancia que viaja la luz en 1/ segundos. Un kilogramo se define como la masa del Kilogramo Patrón, un cilindro compuesto de una aleación de platino-iridio. Este se encuentra en la oficina de pesos y medidas, Francia. Un segundo (s) es el tiempo requerido por ciclos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133. En otras palabras la frecuencia de radiación de un oscilador de cesio 133. El kelvin (K) se define como la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
9 Cantidades físicas, patrones y unidades Sistemas de unidades Son conjuntos de unidades de medición. Definen un conjunto básico de unidades de medidas a partir de la cual se deriva el resto. Sistema internacional de unidades: Sistema utilizado en la mayoría de los países, también se conoce como sistema métrico por descender del sistema Métrico decimal. Sistema anglosajón de unidades: Conjunto de unidades no métricas que se utilizan Principalmente en países con influencia anglosajona. Es oficial en 3 países del mundo: EEUU, Liberia y Birmania.
10 Análisis dimensional Dimensión significa la naturaleza física de una cantidad o magnitud. Si mido una distancia en metros, pulgadas o codos, se trata de una Magnitud distancia cuya dimensión es longitud. Las dimensiones básicas que utilizaremos y sus respectivos símbolos son: Dimensión Longitud Masa Tiempo Símbolo [L] [M] [T]
11 Operaciones entre cantidades dimensionales Suma: Solo tiene sentido entre cantidades dimensionales del mismo tipo. [A] + [B] = [A+B]=[C] [A]=[B]=[C] Resta Al igual que la suma solo tiene sentido entre cantidades dimensionales del mismo tipo. [A] + [B] = [A+B]=[C] [A]=[B]=[C] Multiplicación Las cantidades dimensionales pueden ser de diferente tipo [A]x[B]=[AxB]=[C] La cantidad resultante de la multiplicación no necesariamente es igual a la de los factores involucrados División Las cantidades dimensionales pueden ser de diferente tipo [A] / [B]=[A/B]=[C] La cantidad resultante de la división no necesariamente es igual a la de los cantidades que están involucradas.
12 Algunos ejemplos de operaciones con cantidades dimensionales
13 Ejemplo 1 Cuales son las dimensiones de la magnitud Fuerza? Fuerza = masa x aceleración De acuerdo a la simbología vista anteriormente, la dimensión de la masa se puede escribir como [M] [masa] = [M] Las dimensiones de la aceleración son: [aceleración] = [ L] [T ] 2 Entonces [fuerza ]=[ M ] x [ L] [T ] 2
14 Ejemplo 2 Determinar las unidades dimensionales de la constante de gravitación universal F=G m 1 m 2 r 2 Solución: [G ]= [ L]3 [M ][T ] 2
15 Ejemplo 3 Determinar los valores de x e y en la siguiente expresión: P= 1 2 Dx V y P: Presión D: Densidad V: Velocidad [P] = [Fuerza] / [Área] [D] = [masa] / [volumen] [V]= [distancia]/[tiempo] Solución: x = 1 y = 2
16 Ejemplo 4 Determinar los valores de x e y en la siguiente expresión: Y = DV 2 sen(α) g D: Densidad V: Velocidad g: Aceleración [D] = [masa] / [volumen] [V]= [distancia]/[tiempo]^2 [g]= [distancia]/[tiempo]^2 Solución: [Y ]= [M ] [ L] 2
17 Ejemplo 5 Dada la siguiente expresión: E= AV KX 2 E: Energía V: Velocidad X: Distancia [E] = [fuerza] x [distancia] [V]= [distancia] / [tiempo]^2 Encontrar la siguiente cantidad dimensional [ A K ] Solución: [ A K ]=[T ]2
18 Cifras significativas, redondeo, truncado y notación científica
19 Cifras significativas Están relacionadas con el error de las mediciones Ej: m ± 0.01m La reglas asociadas a las cifras significativas son: - Cualquier dígito diferente de cero es significativo Ej: 951 (3 cifras) 18,945(5 cifras) - Los ceros entre números son significativos Ej: 104 (3 cifras) 50,096 (3 cifras) - Los ceros a la izquierda no son significativos Ej: 0,09 (1 cifra) 0, (2 cifras) - Los ceros a la derecha de la coma de números mayores que 1 son significativos. Ej: 2,00 (3 cifras) - En números enteros las cifras significativas son variables y dependen de lo que se desea medir Ej: 600 (3 cifras) 60(2 cifras) 6(1 cifras)
20 Redondeo y truncado Redondeo Se utilizada para aproximar valores decimales Reglas de redondeo: - Si el ultimo decimal termina en un numero mayor o igual que 5, se debe aumentar en una unidad el valor anterior. - Si el ultimo decimal termina en un numero menor que 5, se debe mantener el numero anterior. Truncado El truncado consiste en reducir el numero de dígitos decimales de un Numero, sin aplicar las reglas de redondeo. Ejemplo: redondeado queda mientras que truncado a tres cifras Queda 2.564
21 Notación Científica Utilizada principalmente para expresar numero muy grandes de una forma mas compacta y rápida de operar utilizando potencias de 10. Ej: 0,00456=4,56 x =3,45 x10 5
22 Factores de conversión Podemos pasar de un sistema de unidades a otro utilizando Factores de conversión
23 Sistema de Referencia La misma cantidad física puede tener diferentes valores al ser Medida observadores que se estén moviendo uno con respecto al otro. En general, el valor que se mide de una cantidad física depende Del marco de referencia del observador que efectúa la medición. Por ejemplo: la velocidad de un tren tiene un valor distinto para un observador en terreno, otro diferente para un observador en un automóvil y un valor cero para un observador que vaya en el mismo tren. Sin embargo, existen sistemas de referencia inerciales para los Cuales existe equivalencia entre las mediciones de los fenómenos Físicos. En estos marcos de referencia se pueden obtener valores numéricos diferentes, sin embargo, las leyes físicas, serán las mismas para todos los observadores. Un sistema de referencia inercial se puede entender como: Todo sistema que esté en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme respecto de un objeto material.
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