Temario Acceso Tedax Nrbq 2024, Tema 1: Física General y Magnitudes

Física General: Definición de Magnitudes y Unidades

Introducción a la Física

Los adelantos de la ciencia han provocado muchos cambios en el mundo. Por ejemplo, desde Aristóteles en el 350 AC y hasta hace 500 años se creía que la Tierra era plana y que estaba en el centro del universo, hace 70 años no se conocía la televisión, los aviones jet ni la forma de prevenir las picaduras dentales, hace pocos años se descubrió la clonación de seres vivos, recientemente se descifró el código del genoma humano.

La ciencia no es nueva, data de la prehistoria. El ser humano ha estado sobre la Tierra desde hace 100 mil años y desde entonces ha empezado a hacer ciencia. Por ejemplo, en el comienzo se descubrieron las primeras regularidades y relaciones en la naturaleza.

Una de las regularidades era la forma de los patrones de las estrellas que aparecían en el cielo nocturno. Otra evidente era el ciclo del clima a lo largo del año, distinguiéndose claramente el comienzo de la temporada de lluvias o, la de calor. La gente aprendió a usar estos ciclos para hacer predicciones y surgieron los primeros pronósticos del tiempo.

De este modo fueron aprendiendo más y más acerca del comportamiento de la naturaleza. Todos estos conocimientos forman parte de la ciencia, pero la parte principal está formada por los métodos que se usan para adquirir esos conocimientos.

La ciencia es una actividad humana, formada por un conjunto de conocimientos.

La ciencia es el equivalente contemporáneo de lo que se llamaba filosofía natural. La filosofía natural era el estudio de las preguntas acerca de la naturaleza que aún no tenían respuesta. A medida que se iban encontrando esas respuestas, pasaban a formar parte de lo que hoy llamamos ciencia.

La ciencia hizo sus mayores progresos en el siglo XVI, cuando se descubrió que era posible describir la naturaleza por medio de las matemáticas. Cuando se expresan las ideas de la ciencia en términos matemáticos no hay ambigüedad, es más fácil verificarlos o refutarlos por medio del experimento.

La ciencia contemporánea se divide en el estudio de los seres vivos y en el estudio de los objetos sin vida, es decir, en ciencias de la vida y en ciencias físicas.

Las ciencias de la vida se dividen en áreas como la biología, zoología y la botánica. Las ciencias físicas se dividen en áreas como la física, geología, astronomía y química.

Definición de Magnitudes Físicas

En Física no basta con describir cualitativamente los fenómenos, sino que, además deben ser estudiados cuantitativamente; ello implica que los fenómenos deben caracterizarse por entes que posean algún efecto observable.

Así se denomina magnitud a aquellas cualidades (entes observables) de los cuerpos o de los fenómenos que se puedan medir. Cada magnitud estará correctamente expresada por un número y una unidad. Ejemplos son: fuerza, masa, velocidad, campo eléctrico, etc., pero la belleza, el sabor, el olor, etc., son entes observables que no constituyen magnitudes físicas ya que no se pueden medir. Existen algunas magnitudes que no poseen unidad, son las magnitudes relativas, que representan cocientes de magnitudes de la misma especie.

Se denomina cantidad de una magnitud al estado de esa magnitud en un objeto o fenómeno determinado. Por ejemplo, una distancia recorrida, la altura de una casa, el ancho de una clase, etc .; son cantidades de una misma magnitud, la longitud. Vemos así, que la magnitud representa un conjunto de cantidades.

Para poder trabajar físicamente con las cantidades de una magnitud, estas deben ser susceptibles de comparación y dicha comparación se produce cuando puede darse una definición operacional y universal del cociente entre ellas; si tenemos dos cantidades A y B puede definirse:

B A =n

Siendo "n" un número que expresa que la cantidad "A" es "n" veces mayor que la cantidad "B".

Que la definición de cociente sea operacional, es que, se indique la técnica utilizada en la comparación (instrumento, operaciones) y universal, es decir, cuando el número que se obtiene es independiente del instrumento con el que se realiza la comparación, de quien lo haga y de donde se haga.

Si al comparar varias cantidades de una misma magnitud, elegimos arbitrariamente una de ellas, y comparamos a todas las demás siempre con la misma cantidad fija elegida por nosotros, a esta última cantidad la denominaremos unidad. Y al número que se obtiene de comparar la cantidad de una magnitud con la unidad de dicha magnitud se conoce con el nombre de medida.

De esta manera, tomando una misma unidad, podemos comparar y ordenar las diferentes cantidades según sean sus medidas.

Podemos establecer si dos cantidades son iguales o no; podemos decir si una cantidad es mayor o menor que otra. Nos basta con comparar los valores de sus medidas, hechos con la misma unidad.

Lógicamente para que se pueda efectuar una medida es necesario disponer del elemento o sistema que se pretende medir y un instrumento de medida que lleve incorporada la unidad (patrón) a utilizar.

Conviene destacar la diferencia conceptual entre cantidad y medida. La cantidad de una magnitud no depende de la unidad utilizada para medirla, en cambio, la medida si depende de la unidad.

Las magnitudes físicas se pueden clasificar, de una forma general, en magnitudes escalares y magnitudes vectoriales.

• Las magnitudes escalares son aquellas que necesitan un número real para quedar completamente determinadas. Por ejemplo, la masa, la densidad, la temperatura, etc.
• Las magnitudes vectoriales son aquellas que necesitan para su determinación un número real o módulo, una dirección y un sentido sobre la dirección. Por ejemplo, la fuerza, la velocidad, etc.

Por supuesto, en ambos casos, acompañadas de la unidad elegida para medirlas.

Magnitudes Fundamentales y Sistema de Unidades

En Física constantemente se trabaja con fórmulas y expresiones matemáticas que relacionan entre si cantidades de distintas magnitudes. Con objeto de trabajar coherentemente con las magnitudes físicas, se han escogido un conjunto de magnitudes que no están relacionadas entre sí por ninguna ley física, es decir, son independientes. A estas magnitudes se las denomina fundamentales o básicas.

Cualquier otra magnitud se podrá expresar en función de las magnitudes fundamentales mediante una ecuación de definición, de ahí, que se las denomine magnitudes derivadas.

Las magnitudes fundamentales en Física son:

• Longitud.
• Masa.
• Tiempo.
• Corriente eléctrica.
• Temperatura termodinámica.
• Cantidad de sustancia.
• Intensidad luminosa.

Nos limitaremos al conocimiento intuitivo que de ellas se tiene. Por ejemplo, la velocidad es una magnitud derivada.

velocidad = longitud tiempo V = dr dt

Elegidas las magnitudes fundamentales se escoge la cantidad como unidad de cada magnitud fundamental y por último las ecuaciones de definición de las magnitudes derivadas y los valores de las constantes de proporcionalidad de estas ecuaciones.

En la XI Conferencia General de Pesas y Medidas celebrada en París en 1960 se aceptó el sistema propuesto a principio de siglo, por Giorgi, que ampliado a otros campos de la Física forman el Sistema Internacional de unidades de medida (SI).

El 8 de noviembre de 1967, España se adhirió a dicho sistema, por lo que será el que se utilice en lo sucesivo.

Magnitudes y Unidades Fundamentales del Sistema Internacional

• El metro, es la longitud recorrida en el vacío por un rayo de luz en 1/299792458 segundos.
• El kilogramo, es la masa igual a la masa del prototipo de platino iridiado, que se conserva en el pabellón de Bretuil en Sévres.
• El segundo, es la duración de 9192631770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cesio 133.
• El amperio, es la intensidad de corriente constante que circulando por dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados a una distancia de un metro el uno del otro en el vacío, se atraen mutuamente con una fuerza de 2 10-7 newton por metro de longitud de los conductores.
• El kelvin, es la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

• El mol, es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0.012 kilogramos de carbono 12. Cuando se emplea el mol, las entidades elementales deben ser especificadas y pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o agrupamientos especificados de tales partículas.
• La candela, es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de 548 1012 Hz. de frecuencia y cuya intensidad energética en esa dirección es de 1/683 w sr-1.

En ocasiones para expresar las cantidades de una magnitud es más cómodo utilizar múltiplos y submúltiplos de la unidad cuyo símbolo y factor se ven en la tabla siguiente:

Múltiplos y Submúltiplos de Unidades

Magnitudes y Unidades Suplementarias

Para algunas unidades del Sistema Internacional, todavía no se ha decidido de qué tipo de magnitud se trata.

Por ello, estas magnitudes se colocan en una tercera clase, denominadas magnitudes derivadas sin dimensiones. Actualmente son dos las magnitudes existentes y con carácter puramente geométrico.

Ángulo Plano

Angulo plano (0). Es el ángulo formado por el arco de circunferencia AB, con centro en O, que intercepta a dos rectas que se unen en el punto O (Fig.1.1).

B Luego la medida del ángulo es R Jo 1 0 A Fig. 1.1 R 0 = 1 (1.1)

siendo l la longitud del arco y R el radio de la circunferencia. Se basa en el hecho de que, dado un ángulo, la relación l/R es constante e independiente del radio.

El ángulo plano completo es 2T radianes.

La unidad del ángulo plano en el SI es el radián (rad) que se define como el ángulo plano que, teniendo su vértice en el centro de un círculo, intercepta sobre la circunferencia de este círculo un arco de longitud igual a la del radio. Considerando que la longitud de la circunferencia es 2TR, vemos que un ángulo completo alrededor de un punto equivale a 2Tt radianes.

Ángulo Sólido

Angulo sólido (22). Se denomina ángulo sólido al espacio comprendido dentro de una superficie cónica o piramidal. Su valor se obtiene trazando con radio arbitrario R y centro en el vértice O, una superficie esférica - (Fig.1.2) y aplicando la relación R -S 0 Fig. 1.2 S R 2 (1.2)

donde S es el área del casquete esférico interceptado por el ángulo sólido. Como el área de una esfera es 4TR2, el ángulo sólido completo alrededor de un punto es 4Tt estereoradianes (se define más adelante).

Cuando el ángulo es muy pequeño, se toma un dS y no necesariamente debe ser un casquete esférico, si no que puede ser una pequeña superficie plana (fig.1.3.a), perpendicular a OP de modo que (1.2) se expresa

do= ds R 2 (1.3)