Introducción a la Física

1. INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA Julio César Tovar Cardozo IngenieroenElectrónica y Telecomunicaciones Especialistaen Alta Gerencia EspecialistaenGestión de la InformáticaEducativa Magister enTecnología de la InformáticaEducativa julio.tovar@hotmail.com julio.tovarc@gmail.com

2. El Cosmo La primera hipótesis que hacemos al construir Ciencia es la hipótesis del Universo como Cosmos: Por ejemplo, que el Universo es comprensible. Lo fantástico es que todo parece indicar que esta es la hipótesis correcta. Si bien hay muchas cosas que no comprendemos completamente por ahora, todo parece indicar que incluso ellas son comprensibles, y que sólo es cosa de tiempo para que las descifremos. Gif animado de olg.vasilyeva2015 de dominio público Con comprensible, queremos decir calculable. No nos contentaremos con una comprensión vaga e imprecisa, si no sólo con una comprensión cabal, cuantitativa, de los fenómenos. Este tipo de comprensión nos permite hacer predicciones hasta construir máquinas, cuando nuestro dominio de las leyes que rigen el Universo ha llegado a un nivel tan profundo que hasta podemos utilizarlas en nuestro provecho.

3. El amanecer de la ciencia El protagonista de nuestro curso será el concepto de fuerza, la causa del movimiento. Este concepto es tan importante, que para poder formularlo en forma precisa se requirió no solamente que observásemos las cosas que cotidianamente tenemos en las manos, sino que eleváramos la mirada hacia las estrellas. Ése fue el amanecer de la Ciencia. Fotografía de Наталья Жорова de dominio público Cada cultura reflejó sus anhelos, temores y dioses en las estrellas. Sin embargo, el gran problema que preocupaba a todas las culturas era ¿por qué las estrellas no caen sobre nosotros? ¿qué las sujeta en su lugar?. En el mundo occidental, se pensaba que las estrellas y planetas estaban adheridas a esferas de cristal. La tribu de los !Kung del desierto del Kalahari pensaba que la Vía Láctea era el espinazo de una enorme bestia cósmica dentro de la cual vivíamos. Este "espinazo" sujetaría la piel de la noche, a la que estaban adheridas las estrellas.

4. Para avanzar, hubo que crear un nuevo método para conocer el Universo. El método requiere que cada vez que supongamos algo, debemos comparar las consecuencias de nuestras ideas con evidencia experimental. Si la evidencia contradice nuestras hipótesis, debemos tener el coraje para abandonarlas, sin importar cuánto nos gusten, cuánto las queramos o cuánto nos haya costado llegar a ellas. La Naturaleza debe ser el juez último de nuestras ideas. Ácido Desoxirribonucleico DNA Imagen de Richard Wheelerbajo licencia CreativeCommons Este método es llamado Ciencia. Una de las primeras personas que tuvo el coraje para preferir la evidencia frente a sus ilusiones más queridas fue Johannes Kepler. Usando el método científico descubrió que los cielos no eran perfectos, que los planetas no estaban atados a esferas de cristal y que muy a su pesar, seguían "imperfectas" órbitas elípticas en torno al Sol.

5. Hasta ese entonces, se había pensado que los cielos eran perfectos, prístinos y cristalinos, en contraposición con la tierra, pesada, oscura y pecaminosa. Eso cambió definitivamente con Isaac Newton, el cual planteó otra idea, unificadora y revolucionaria: No hay diferencia entre la tierra y el cielo. Las leyes que gobiernan el vuelo de un grano de polvo en una habitación son las mismas que las que rigen los movimientos de los planetas y las estrellas. Imagen de Arthur Shusterde dominio público Mientras el joven Newton pensaba en el viejo problema de qué sujetaba a la Luna y los planetas en sus órbitas elípticas, vio caer una manzana, atraída hacia el centro de la Tierra. Si las leyes de la Física rigen igualmente en todo el Universo, todas las masas, no sólo las manzanas, deberían atraerse entre sí. Eso significaría que la Luna debería caer hacia la Tierra, lo cual parece contrario a la experiencia.

6. ¿Qué es la ciencia? CIENCIA: En latín cinister que significa “Conocimiento”. Es un conjunto de conocimientos. “ Ciencia es el conjunto de conocimientos sistematizados que se encarga de estudiar cualquier campo”. ALQUIMISTA: Científico, brujo, mago, buscadores de oro, trataban de encontrar la fuente de la eterna juventud. Alquimista viene del griego Khumus que significa ciencia.

7. ¿Qué es la física? Physic: naturaleza. Es la ciencia que se encarga de estudiar los fenómenos naturales en los que no hay cambios en la composición de la materia. Solo hay 2 tipos de física: Física Clásica  Física de Newton Física Moderna  Física de Einstein

8. La Física • La física (griego φύσισ (phisis), « naturaleza ») actualmente se entiende como la ciencia de la naturaleza o fenómenos materiales. Estudia las propiedades de la materia, la energía, el tiempo, el espacio y sus interacciones (fuerza). Los sistemas físicos se caracterizan por: • Tener una ubicación en el espacio-tiempo. • Tener un estado físico definido sujeto a evolución temporal. • Poderle asociar una magnitud física llamada energía. • La física estudia por lo tanto un amplio rango de campos y fenómenos naturales, desde las partículas subatómicas hasta la formación y evolución del Universo así como multitud de fenómenos naturales cotidianos, caracterizados por cierta geometría o topología y cierta evolución temporal y cuantificados mediante magnitudes físicas como la energía.

9. Dentro del campo de estudio de la Física Clásica se encuentran: • Mecánica • Termodinámica • Mecánica Ondulatoria • Óptica • Electromagnetismo: Electricidad | Magnetismo • Dentro del campo de estudio de la Física Moderna se encuentran: • Relatividad • Mecánica cuántica: Átomo | Núcleo | Física Química | Física del estado sólido • Física de partículas • Gravitación • Dentro del campo de estudio de la Física Contemporánea se encuentran: • Termodinámica fuera del equilibrio: Mecánica estadística • Dinámica no lineal: Turbulencia| Teoría del Caos | Fractales • Sistemas complejos: Sociofísica | Econofísica | Criticalidad auto-organizada| Redes Complejas • Física mesoscópica: Puntos cuánticos • Nano-Física: Pinzas ópticas

10. Clásica (Newton) Solo hay 2 tipos de física: -- 1900 Moderna (Einstein) Acústica (estudia los fenómenos relacionados con el sonido) Óptica (estudia los fenómenos relacionados con la luz) RAMAS DE LA FISICA: Termodinámica (estudia los fenómenos relacionados con la temperatura de los cuerpos y las relaciones entre calor y trabajo) Magnetismo (estudia las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas) Electricidad (estudia el flujo de los electrones) Estática Mecánica dinámica cinemática

11. División de la Física Física Clásica: • Mecánica – Estudio de las fuerzas. • Termología y termodinámica – Estudio de los fenómenos términos. • Hidrostática e Hidrodinámica – Equilibrio de líquidos y gases. • Ondas (Acústica) – Sonido y fenómenos de la audición. • Óptica – Fenómenos relacionados con la luz. • Electromagnetismo – Interacción de campos eléctricos y magnéticos. Física Moderna: • Física Atómica – Propiedades y comportamiento de los átomos. • Física Nuclear – Propiedades y comportamiento de los núcleos atómicos. • Física de Partículas – Componentes elementales de la materia. • Física del estado sólido – Estudio de la materia condensada. • Astrofísica – Propiedades de los astros, su origen y evolución. • Nanotecnología – Manipulación de la materia a nivel atómico o molecular.

12. Objetivo de la Física Descubrir las diferentes interacciones entre las partículas elementales (gravitacionales, electromagnéticas, nucleares). Fotografía de Fernando de Gorocicabajo licencia CreativeCommons Cuantificar dichas interacciones (matemáticas) Fotografía de Ani Ortizbajo licencia CreativeCommons Formular reglas generales del comportamiento de la materia en conjunto. (estadística) Fotografía de geralt de dominio público

13. Relación con otras ciencias • Biofísica: Procesos vitales (átomos, electrones y otros.) • Fisicoquímica: Interacciones entre átomos y moléculas. • Geofísica: Interacciones de las partes componentes de nuestros planeta. • Astrofísica: La constitución física de los cuerpos celestes. • Ingeniería y Matemáticas. • Óptica: Estudia los fenómenos relacionados con la luz. • Termodinámica: Estudia los fenómenos relacionados con la temperatura de los cuerpos y las relaciones entre calor y trabajo.

14. Historia Hombre primitivo desarrolló su inteligencia para tratar de explicar fenómenos. Antes era un misterio  Gracias a la Física podemos entender o dar respuestas y todavía algunos están en investigación Su origen inicia: • En los antiguos griegos  Explicación sobre el origen del universo y el movimiento de los planetas. • 500 años antes, Leucipo y Demócrito  Pensaban que las cosas estaban constituidas por pequeñas partículas. • Otros que la materia  constituida por 4 elementos básicos : ? • En el año 300 A.C. Aristarco consideraba el movimiento de la tierra alrededor del sol. Hombre primitivo Imagen de Pennz de dominio público

15. Hasta el año 1500 de nuestra era se desarrolla un gran interés por la ciencia. Galileo Galilei comprueba que la tierra gira alrededor del sol. Crea un telescopio: demuestra que las estrellas están a distancias fabulosas. En Roma la Santa Inquisición obligó a Galileo a retractarse de esas afirmaciones. Galileo muere en 1624, año del nacimiento de Isaac Newton científico Ingles. Newton Descubre el movimiento de los cuerpos celestes por medio de su “Ley de la Gravitación Universal” A principios del siglo XIX John Dalton consideró que todas las cosas estaban formadas por pequeñas partículas  ATOMOS, contribuye a la Teoría Atómica. Galileo Galilei Imagen de Moral Creatorsbajo licencia CreativeCommons

16. En el año 1896, Becquerel descubre el desprendimiento de partículas más pequeñas que el átomo. Aparecen los experimentos atómicos: Thomson, Rutherford y Bohr, (describen al átomo como un pequeño sistema solar). El descubrimiento de la radiactividad abre un nuevo campo: • La Física atómica y aparecen las teorías: • Cuántica de Planck, La de la Relatividad de Einstein y Mecánica Ondulatoria de Broglie. Actualmente el descubrimiento de nuevas partículas fundamentales de vida corta  Física Nuclear. Modelo atómico de Bohr Imagen de Aalejandro1995bajo licencia CreativeCommons

17. Método de estudio sistemático de la naturaleza que incluye las técnicas observación, reglas para el razonamiento y la predicción, ideas sobre la experimentación planificada y los modos de comunicar loa resultados experimentales. Etapas del método científico: Observación. Planteamiento del problema. Hipótesis. Experimentación (análisis, síntesis y confrontación). Conclusión (Informe de la investigación). Teoría: Es una explicación de algo en la naturaleza, que la evidencia ha apoyado repetidas veces. Ley: es la descripción de algún aspecto de la naturaleza. Método científico Imagen de Aalejandro1995bajo licencia CreativeCommons

18. Pasos del método científico 1.-) OBSERVACIÓN: Consiste en establecer los límites de un nuevo problema basados en la experiencia, es decir, en conocimientos anteriores, de modo tal que los factores poco importantes, no sean considerados. 2.-) HIPÓTESIS: Se postula una teoría que explica el problema. Imagen de Pixabay de dominio público Hipótesis para la continuidad Imagen de kismalacbajo licencia CreativeCommons

19. 3.-) EXPERIMENTACIÓN: En este caso se controlan los pocos factores considerados importantes pero de una manera cuantitativa, de tal modo que se pueden variar en cantidad de un modo controlado. 4.-) COMPROBACIÓN: Se trata de determinar si los resultados del experimento encajan dentro de una ley física conocida, pero si esto no sucede, será necesario que el científico establezca una teoría que explique los resultados. Dicha teoría por lo general da lugar a nuevos experimentos que al realizarse pueden cambiar la teoría, señalar algunas modificaciones o mostrar que la teoría no es válida para su objeto de estudio. Imagen de Geralt de dominio público Imagen de Rawpixel de dominio público

20. El movimiento El movimiento ha sido siempre objeto de reflexión y análisis. Aquí vamos a ocuparnos de su estudio desde el punto de vista de la ciencia, de la Física, siguiendo básicamente la teoría precisa y potente que desarrolló Isaac Newton, pero expuesta en términos modernos y actuales. Imagen de Ereenegeebajo licencia CreativeCommons La Mecánica es el estudio del movimiento de los cuerpos en relación con las acciones que lo determinan. El estudio del movimiento de los cuerpos macroscópicos (porción de la materia que está compuesta por un número muy grande de átomos) y lentos le corresponde a la Mecánica Newtoniana, que se llama también Mecánica Clásica.

21. La Cinemática es la descripción matemática del movimiento sin atender a las causas que lo producen. En la Estática se estudian los cuerpos en equilibrio. En la Dinámica se estudia la relación existente entre el movimiento de un cuerpo y las interacciones de ese cuerpo con los demás que lo rodean. Imagen de AllenMcC.bajo licencia CreativeCommons Los postulados básicos de la mecánica son las Leyes de Newton del movimiento, cuya idea central es la siguiente: las interacciones se representan mediante las fuerzas hechas sobre un cuerpo, cuya resultante está directamente vinculada con una propiedad esencial de dicho cuerpo, su masa inercial, y con la aceleración de su movimiento. Imagen de Dominique Toussaintbajo licencia CreativeCommons

22. Leyes de Newton Imagen de Alvaro Lópezbajo licencia CreativeCommons Las leyes de Newton no son evidentes ni intuitivas y es necesario aprender paulatinamente su uso, pero su aplicación coherente y cuidadosa permite el estudio de los movimientos en la naturaleza. También es necesario saber que la correspondencia entre los modelos idealizados de la mecánica y lo s movimientos de los cuerpos reales nunca es perfecta. En algunos casos es muy precisa pero en otros la complejidad de los movimientos es muy grande y los modelos sólo son aproximados.

23. ¿Qué es la mecánica? La palabra mecánica proviene del griego μηχανή, “máquina”. Como puedes ver, a diferencia de otras partes de la Física, el nombre de esta disciplina es bastante vago y no dice demasiado sobre ella Dicho mal y pronto, la Mecánica estudia el movimiento de los cuerpos a partir de las fuerzas que sufren, asemejando el Universo a un gran mecanismo sometido a reglas que podemos conocer; mediante esas reglas es posible, por tanto, predecir en mayor o menor medida cómo será el Universo en el futuro. Imagen de Pantherbajo licencia CreativeCommons El objetivo de la Mecánica no es, en general, determinar las fuerzas que sufren los cuerpos, ni preocuparse por su origen: es establecer reglas comunes que cumplan todas esas fuerzas y, una vez conocidas éstas, a partir de ellas determinar cómo se moverán los objetos.

24. Los conceptos centrales en la Mecánica son de una naturaleza absolutamente fundamental en nuestra concepción del Universo: masa, distancia, tiempo… Por lo tanto, mientras que cuando a lo largo de la Historia ha habido cambios de paradigma en otras partes de la Física, los cambios se han propagado de manera limitada por otras partes, pero en el caso de la Mecánica, cambiar su base teórica significa cambiar nuestra idea de cómo es el Universo en sus aspectos más íntimos — de ahí que las revoluciones en Mecánica hayan significado un auténtico “antes y después” en toda la Ciencia. Al tratarse de algo tan abstracto, la Mecánica suele dividirse en muchas partes especializadas, como el estudio del movimiento en sí (cinemática), el estudio de las fuerzas por sí mismas (dinámica), el de los cuerpos en equilibrio (estática), de los sólidos rígidos, etc. Sin embargo, a lo largo de este curso intentaremos barrerla del modo más amplio posible y centrarnos en los conceptos funda-mentales.

25. ¿Qué es la mecánica clásica? Tras el nacimiento de la Mecánica en su sentido moderno, con Galileo y Newton, no había una “clásica” y otras, puesto que únicamente existía una sola. Tras la aparición de la Teoría especial de la Relatividad de Albert Einstein a principios del siglo XX, empezó a hablarse por un lado de Mecánica Clásica – que se refiere a la de Newton – y por otro de Mecánica Relativista – para referirse a la de Einstein–. Imagen de QWerk de dominio público Sin embargo, a pesar de que la relatividad einsteinana suponía un cambio respecto a la Mecánica de Newton, muy pronto llegaría otra revolución aún mayor – la Mecánica Cuántica, que es el verdadero cambio de paradigma en esta importantísima parte de la Física.

26. La Mecánica Clásica tal es una serie de premisas que resultan bastante intuitivas y evidentes, y que serían cuestionadas después por la cuántica y la relatividad: • Existe un espacio tridimensional, independiente del observador y de los objetos que lo ocupan, que cumple la geometría euclidiana. • Existe un tiempo, independiente del observador y los objetos que sufren su paso, que transcurre de manera idéntica en todos los puntos del Universo. • Es posible medir las magnitudes anteriores con una precisión arbitrariamente alta. Espacio y tiempo distorsionado cerca de una masa Imagen de Stigmatellaaurantiacabajo licencia CreativeCommons

27. En el Siglo XVI, Galileo fue pionero en el uso de experimentos para validar las teorías de la física. Se interesó en el movimiento de los astros y de los cuerpos. Usando el plano inclinado descubrió la ley de la inercia de la dinámica y con el telescopio observó que Júpiter tenía satélites girando a su alrededor. En el Siglo XVII, Newton (1687) formuló las leyes clásicas de la dinámica (Leyes de Newton) y la Ley de la Gravitación Universal. A partir del Siglo XVIII se produce el desarrollo de otras disciplinas tales como la termodinámica, la mecánica estadística y la física de fluidos. En el Siglo XIX se producen avances fundamentales en electricidad y magnetismo. En 1855, Maxwell unificó ambos fenómenos y las respectivas teorías vigentes hasta entonces en la Teoría del electromagnetismo, descrita a través de las Ecuaciones de Maxwell. Una de las predicciones de esta teoría es que la luz es una onda electromagnética. A finales de este siglo se producen los primeros descubrimientos sobre radiactividad dando comienzo el campo de la física nuclear. En 1897, Thompson descubrió el electrón.

28. Durante el Siglo XX la Física se desarrolló plenamente. En 1904 se propuso el primer modelo del átomo. En 1905 Einstein formuló la Teoría de la Relatividad Especial, la cual coincide con las Leyes de Newton cuando los fenómenos se desarrollan a velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. En 1915 Einstein extendió la Teoría de la Relatividad especial formulando la Teoría de la Relatividad General, la cual sustituye a la Ley de gravitación de Newton y la comprende en los casos de masas pequeñas. Planck, Einstein, Bohr y otros desarrollaron la Teoría cuántica a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de los cuerpos. En 1911 Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado positiva-mente a partir de experiencias de dispersión de partículas. En 1925, Heisenberg y en 1926 Schrödinger y Dirac formularon la Mecánica Cuántica, la cual comprende las teorías cuánticas precedentes y suministra las herramientas teóricas para la Física de la Materia Condensada. Posteriormente se formuló la Teoría cuántica de campos para extender la Mecánica cuántica de manera consistente con la Teoría de la Relatividad especial, alcanzando su forma moderna a finales de los 40 gracias al trabajo de Feynman, Schwinger, Tomonaga y Dyson. En la actualidad el modelo estándar describe todas las partículas elementales observadas así como la naturaleza de su interacción.

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