Física: Conceptos Fundamentales

Ciencia que investiga los conceptos fundamentales de la materia, la energía y el espacio, así como la relación entre ellos.

Mecánica

Estudia el movimiento de los objetos y se subdivide en Dinámica, Estática y Cinemática.

El Método Científico

Es el camino sistemático para obtener nuevos conocimientos.

1. OBJETIVO: Se delimita el tema a estudiar.
2. OBSERVACIÓN: Se plantea la forma de recolección de datos. Aplica los cinco sentidos a un objeto o fenómeno.
3. INDUCCIÓN: Por observación o experiencias particulares, se extrae el principio general de situaciones de la realidad y se identifican las variables a trabajar.
4. HIPÓTESIS: Planteamiento de los supuestos a los que se pretende llegar o comprobar (mediante observación).
5. METODOLOGÍA: Plantear los pasos a seguir para llegar al resultado (¿Cómo se va a resolver la hipótesis?).
6. EXPERIMENTACIÓN: Probar la hipótesis por diferentes métodos con varias repeticiones hasta obtener resultados contundentes.
7. COMPROBACIÓN: Demostración o rechazo de la hipótesis.

Físicos Destacados y sus Aportes

• ARISTÓTELES: Desarrolló el concepto de movimiento como cambio de lugar, tamaño o número.
• ARQUÍMEDES: Padre de la hidrostática. Formuló el principio de flotación.
• GALILEO GALILEI: Precursor de la mecánica clásica.
• ISAAC NEWTON: Formuló las leyes del movimiento y el principio de gravitación universal.
• JAMES MAXWELL: Unificó los conceptos de electricidad y magnetismo en la teoría del electromagnetismo.
• ALBERT EINSTEIN: Desarrolló la teoría de la relatividad, el efecto fotoeléctrico y contribuyó a la teoría cuántica.

Mediciones y el Sistema Internacional (SI)

El Sistema Internacional de Unidades (SI) define 7 cantidades fundamentales a las cuales se han asignado 7 unidades básicas y sus símbolos correspondientes.

Magnitudes Fundamentales del SI

• LONGITUD: metro (m)
• MASA: kilogramo (kg)
• TIEMPO: segundo (s)
• CORRIENTE ELÉCTRICA: ampere (A)
• TEMPERATURA: kelvin (K)
• CANTIDAD DE SUSTANCIA: mol (mol)
• INTENSIDAD LUMINOSA: candela (cd)

Unidades Antropométricas

Medidas basadas en partes del cuerpo humano (brazo, pie, codo).

Prefijos del SI

Ventajas del SI sobre otros sistemas, utilizando prefijos para indicar múltiplos y submúltiplos de las unidades básicas.

• TERA (T): 10¹²
• GIGA (G): 10⁹
• MEGA (M): 10⁶
• KILO (k): 10³
• CENTI (c): 10^-2
• MILI (m): 10^-3
• MICRO (µ): 10^-6
• NANO (n): 10^-9
• PICO (p): 10^-12

Tipos de Errores en la Medición

• SISTEMÁTICO: Se debe a desajustes o desgaste del instrumento de medida y ocurre frecuentemente.
• ALEATORIO: Ocurre cuando la magnitud varía de forma aleatoria, no es frecuente y es difícil de anticipar.
• ABSOLUTO: Es la diferencia entre el valor real de una magnitud y el valor medio obtenido.
• RELATIVO: Es el cociente del error absoluto y la magnitud media. Se expresa generalmente en porcentaje.

Conceptos Clave en Sistemas de Unidades y Medición

CANTIDAD FÍSICA

Propiedad cuantificable adscrita a un fenómeno, cuerpo o sustancia particular. Se mide comparándola con un patrón previamente conocido (ej: masa, peso).

PATRÓN

Registro físico permanente y fácil de determinar de la cantidad que implica una unidad de medición determinada.

MAGNITUD

La magnitud de una cantidad física se define con un número y una unidad de medida.

UNIDAD

Cantidad física particular con la que se comparan otras cantidades del mismo tipo.

MEDICIÓN

Proceso de comparar una cantidad con una unidad estándar.

MEDICIÓN DIRECTA

Se realiza comparando con un solo instrumento una sola vez.

MEDICIÓN INDIRECTA

Se necesita comparar con dos instrumentos o más, o se calcula a partir de mediciones directas.

Procedimiento para la Conversión de Unidades

1. Escribimos la cantidad que queremos convertir en forma de fracción.
2. Se multiplica por su factor de conversión, poniendo siempre de forma cruzada la unidad que queremos eliminar.
3. Multiplicamos (numerador por numerador y denominador por denominador).
4. Eliminamos las unidades repetidas.

Diferencia entre Cantidad Escalar y Vectorial

CANTIDAD ESCALAR

Son las cantidades que se definen únicamente con su magnitud (número + unidad).

Ejemplos: Peso = 70 kg, la mesa mide = 2 metros, la temperatura es de 36.7 °C.

CANTIDAD VECTORIAL

Son las cantidades que requieren magnitud, dirección y sentido para su completa definición.

Representación de un Vector

VECTOR:

Escalas de Representación

• ESCALA 1:1: Es la relación donde el valor de la magnitud (ej. Newtons) es igual al valor asignado en la representación (ej. cm, m). Ejemplo: 5 N = 5 cm (relación 1:1).
• ESCALA 10:1: Es la relación donde el valor de la magnitud y el valor asignado son diferentes. Ejemplo: Si 10 N se representan como 1 cm (relación 10:1).

Coordenadas Vectoriales

Forma Polar

Se define por la magnitud y el ángulo. Ejemplo: 2 N, 30° al norte del sur.

Forma Rectangular (Componentes)

Se define por sus componentes F_x y F_y.

Fórmulas de Conversión

• Polar a Rectangular:
  F_x = F (cos θ)
  F_y = F (sin θ)
• Rectangular a Polar (Magnitud):
  F = √(F_x² + F_y²)

Operaciones Vectoriales

Métodos de Suma de Vectores

MÉTODO GRÁFICO

Utiliza el Paralelogramo (para 2 vectores) o el Polígono (para 3 o más vectores).

MÉTODO ANALÍTICO (Componentes)

Es el método más preciso.

Descripción de Métodos Gráficos

• PARALELOGRAMO: Se colocan los dos vectores con origen común. Se trazan paralelas para formar un paralelogramo. La resultante es el vector que va del origen a la esquina opuesta.
• POLÍGONO: Se coloca un vector y, desde la punta de este, se coloca el origen del siguiente vector, y así sucesivamente. La resultante es el vector que cierra el polígono, yendo del origen del primer vector a la punta del último.

Procedimiento del Método Analítico (Componentes)

1. Se construye una tabla. En una columna se registran los resultados de las componentes horizontales (F_x = F cos θ) para todos los vectores.
2. En la columna siguiente se registran los resultados de las componentes verticales (F_y = F sen θ).
3. En la última fila de la tabla, se suman todos los resultados para obtener la Fuerza Resultante en X (ΣF_x) y la Fuerza Resultante en Y (ΣF_y).
4. La magnitud de la Fuerza Resultante (F_R) se calcula con el teorema de Pitágoras: F_R = √(ΣF_x² + ΣF_y²).
5. Por último, se calcula el ángulo (θ) de ese nuevo vector resultante con la fórmula: θ = tan^-1 (ΣF_y / ΣF_x).