Libro Fisica Basica PDF

Preview

Summary

Libro de teoría ...

Description

PROLOGO A pesar de que pocos ignoran la importancia de la física, de que sabemos que es un instrumento básico para la comprensión de la naturaleza, la mayoría la ven como un conjunto de saberes y técnicas que con dificultad salen de su hábitat tradicional, poblado por “objetos” como átomos y partículas, niveles energéticos, campos electromagnéticos, planetas, estrellas o galaxias. Mostrar que esto no es así es objetivo de este libro. Nosotros hemos procurado, en la medida de lo posible, darle a la exposición una forma interesante y hacer amena esta asignatura. Para ello hemos partido del axioma psicológico que presupone, que el interés por una asignatura aumenta la atención, facilita la comprensión y, por consiguiente, hace que su asimilación sea más sólida y consciente. Para la realización de este libro hemos intentado seguir la orientación dada por V. Lenin en las siguientes palabras: «El escritor popular lleva al lector a un pensamiento profundo, a una doctrina profunda, partiendo de los datos más sencillos y notorios señalando - mediante razonamientos simples o ejemplos escogidos con acierto - las conclusiones principales que se deducen de esos datos y empujando al lector que piensa a plantear nuevas y nuevas cuestiones. El escritor popular no presupone un lector que no piensa, que no desea o no sabe pensar; al contrario, en el lector poco desarrollado presupone el serio propósito de trabajar con la cabeza y le ayuda a efectuar esa seria y difícil labor, le conduce ayudándole a dar los primeros pasos y enseñándole a seguir adelante por su cuenta.» Este libro de Física Básica está destinado a los alumnos que cursan el ciclo básico en la UASD y en cualquier institución universitaria. Durante su elaboración se ha pretendido la consecución de dos objetivos principales que entendemos deben orientar la docencia de la asignatura de Física: familiarizar al alumno con el conjunto de los conceptos y leyes básicas que constituyen la esencia de la Física y desarrollar en el estudiante la habilidad para manejar esas ideas y para aplicarlas a situaciones concretas. Además, nos hemos enfocado en la cimentación y estructuración de los conocimientos adquiridos en los cursos de enseñanza media. Por último es nuestro mayor deseo dar al estudiante una visión unificada de la Física a través de la compresión de los conceptos, leyes y principios que constituyen el aspecto más fundamental de esta ciencia.

INDICE

1. Física, Mediciones y Vectores 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

1.8

1.9 1.10

Breve Historia de la Física La Física en las Ciencias Naturales Leyes y Cantidades Físicas Notación Científica (NC)  Operaciones Matemáticas con Notación Científica Sistemas de Unidades y Medidas Prefijos y Conversión de unidades de medidas  Prefijo de unidad de medida  Conversión de unidades de medida Cifras Significativas (CS) y Redondeo  Cifras significativas  Redondeo  Operaciones matemáticas considerando las cifras significativas Relaciones entre Variables  Proporcionalidad Directa  Variación Lineal  Proporcionalidad Directa con el Cuadrado  Proporcionalidad Inversa Cantidades Escalares y Cantidades Vectoriales  Sistemas de Coordenadas  Escalares y Vectores Suma Vectorial

2 6 6 7 10 13 14 16 16 17 20 20 21 22 23 25 25 26 28

2. Cinemática 2.1 2.2 2.3

2.4

Mecánica Clásica Elementos de la Cinemática Movimiento Rectilíneo  Movimiento Rectilíneo Uniforme  Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado  Caída libre de los Cuerpos Movimiento Curvilíneo (en el plano)  Movimiento Circular Uniforme  Movimiento de Proyectiles i

38 38 43 49 50 54 56 59

3. Dinámica 3.1 3.2 3.3

Dinámica Fuerza Leyes de Movimiento de Newton  Primera Ley de Newton, y Marcos de Referencia inercial  Segunda Ley de Newton  Tercera Ley de Newton Tipos de Fuerzas  Fuerzas a Distancia  Fuerzas de Contacto Fuerza Centrípeta Equilibrio de una Partícula Impulso  Impulso debido a una Fuerza Constante  Impulso debido a una Fuerza Variable Cantidad de Movimiento Lineal o Ímpetu  Relación del Impulso y la Cantidad de Movimiento Lineal  Principio de Conservación de la Cantidad de Movimiento

3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

68 68 69 70 72 76 77 79 81 82 83 84 85 87 88

4. Trabajo y Energía 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11

Trabajo Trabajo Realizado por Fuerza Constante Trabajo Neto Trabajo Realizado por Fuerza Variable Trabajo por Fuerzas Conservativas y No Conservativas Energía Energía Cinética Energía Potencial Teorema del Trabajo y la Energía Cinética Sistemas Conservativos Potencia

ii

96 97 100 103 103 106 107 108 111 113 115

5. Mecánica de los Fluidos 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

La Materia Estática de los Fluidos Presión Presión Atmosférica (La Experiencia de Torricelli) Principio de Pascal y Vasos Comunicantes Principio de Arquímedes y Flotabilidad Dinámica de los Fluidos Ecuación de Continuidad y Principio de Bernoulli

122 123 129 132 137 139 142 144

6. Oscilaciones y Ondas 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Fenómenos Periódicos Movimiento Armónico Simple Sistemas con Movimiento Armónicos Simples  Sistema masa – resorte  Péndulo Simple Movimiento Ondulatorio Ondas Transversales en una Cuerda Ondas Mecánicas Longitudinales Comportamiento Generales de las Ondas  Reflexión y Refracción  Efecto Doppler  Superposición de Ondas  Difracción  Resonancia

152 153 157 157 158 161 163 167 172 172 173 173 175 175

7. Calor y Temperatura 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

Termodinámica Temperatura Termómetro Calor Temperatura de Equilibrio de una Mezcla Dilatación Térmica Modelo del Gas Ideal iii

182 183 184 188 192 193 194

FISICA BASICA

FÍSICA, MEDICIONES Y VECTORES

Capítulo 1. Física, Mediciones y Vectores Contenido: 1.1. Breve Historia de la Física. 1.2. La Física en las ciencias naturales. 1.3. Leyes y Cantidades Físicas. 1.4. Notación Científica (NC). 1.5. Sistemas de Unidades y Medidas. 1.6. Prefijos y Conversión de unidades de medidas. 1.7. Cifras Significativas (CS) y Redondeo . 1.8. Relaciones entre variables. 1.9. Cantidades Escalares y Cantidades Vectoriales. 1.10. Suma de vectores. ** Las imágenes fueron seleccionada de la galería de imágenes de google.

1

FISICA BASICA

FÍSICA, MEDICIONES Y VECTORES

1.1 BREVE HISTORIA DE LA FÍSICA

Aristóteles

Tales de Mileto

Demócrito de Abdera

Galileo Galilei

Desde la antigüedad el hombre se vio interesado en conocer la razón de los sucesos naturales que lo rodean. Debemos recordar que todo lo que rodea al hombre, existiendo de modo independiente de la conciencia humana, se llama materia, y los cambios que ésta experimenta se llaman fenómenos. En la Grecia antigua se iniciaron las escuelas filosóficas, las cuales estaban constituidas por pensadores interesados en dar respuesta a los fenómenos que se observaban. Con el tiempo los temas de sus conversaciones fueron aumentando, lo que los lleva a un primer punto de especialización, a este punto donde las ramas del saber humano se separan se le denominó desmembración de las ciencias. Muchos de los filósofos griegos se interesaron en las ciencias naturales, e hicieron sus aportes al desarrollo de la física. Entre los primeros en tratar de explicar los fenómenos que los rodeaban están Aristóteles, Tales de Mileto y Demócrito de Abdera. Muchas de las teorías planteadas por los filósofos antiguos no eran totalmente verdaderas, porque estaban muy dominadas por las posibilidades experimentales de la época (que eran muy limitadas). Aunque eran erradas las teorías plasmadas por los primeros observadores de la historia, se mantuvieron consideradas como válidas, por el dominio de la Iglesia, durante casi dos mil años. Esta etapa llamada oscurantismo termina en el 1531 cuando Nicolás Copérnico (padre de la astrología moderna), finaliza su obra fundamental “De Revolutionibus Orbium Coelestium” (Sobre el movimiento de las esferas celestiales), aunque no fue publicada hasta después de su muerte. A finales del siglo XVI Galileo Galilei, quien era catedrático de matemáticas en la universidad de Pisa, fue pionero en el uso de experiencias para validar las teorías de la física. Se interesó en el movimiento de los astros y cuerpos. Usando el plano inclinado descubrió la ley de la inercia de la dinámica, y con el uso de uno de los primeros telescopios observó que Júpiter tenía satélites girando a su alrededor y las manchas solares del sol. Estas observaciones demostraban el modelo heliocéntrico de Nicolás Copérnico, y el hecho de que los cuerpos celestes no son perfectos e inmutables. En la misma época las observaciones Ticho Brahe y los cálculos de Johannes Kepler permitieron establecer las leyes que gobiernan el movimiento de los planetas en el sistema solar.

Nicolás Copérnico

** Las imágenes fueron seleccionada de la galería de imágenes de google.

2

FISICA BASICA

FÍSICA, MEDICIONES Y VECTORES

En 1687 (siglo XVII), Sir Isaac Newton publico “Philosophiae Naturalis Principia Matemática”, una obra en la que se describen las leyes clásicas de la dinámica conocidas como: Leyes de movimiento de Newton y la Ley de Gravitación universal de Newton. El primer grupo de leyes permitía explicar el movimiento y equilibrio de los cuerpos, haciendo predicciones valederas acerca de estos. La segunda permitía demostrar las leyes de Kepler del movimiento planetario y explicar la gravedad terrestre. El desarrollo por Newton y Leibniz del cálculo matemático, proporcionó las herramientas matemáticas para el desarrollo de la física como ciencias capaz de realizar predicciones concordante con los experimentos. En esa época realizaron sus trabajos en física Sir Robert Hooke y Christian Huygens estudiaron las propiedades básicas de la materia y de la luz. A partir del siglo XVIII se desarrollaron otras disciplinas, tales como: termodinámica, óptica, mecánica de fluidos, mecánica estadística. En estas se destacaron en la termodinámica Thomas Young, Daniel Bernoulli desarrollo la mecánica estadística, Evangelista Torricelli, entre otros En el siglo XIX, se producen avances fundamentales en la electricidad y el magnetismo, principalmente con los aportes de Charles – Augustin de Coulomb, Luigi Galvani, Michael Faraday, Georg Simon Ohm. En 1855 James Clerk Maxwell unificó las leyes conocidas sobre el comportamiento de la electricidad y el magnetismo en una sola teoría, con un marco matemático común, a lo que se denominó electromagnetismo. Los trabajos de Maxwell en el electromagnetismo se consideran frecuentemente equiparables a los descubrimientos de Newton sobre la gravitación universal, y se resumen con las conocidas ecuaciones de Maxwell, un conjunto de cuatro ecuaciones capaces de predecir y explicar todos los fenómenos electromagnéticos clásicos. Una de las predicciones de esta teoría era que la luz es una onda electromagnética. Este descubrimiento de Maxwell proporcionaría la posibilidad del desarrollo de la radio unas décadas más tarde por Heinrich Hertz en 1882. En 1895 Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos x (Rx), ondas electromagnéticas de frecuencia muy alta. Casi simultáneamente Henri Becquerel descubría la radiactividad en 1896. Este campo se desarrollo rápidamente con los trabajos posteriores de Pierre Curie, Marie Curie y muchos otros, dando comienzo a la física nuclear, y al comienzo del estudio de la estructura microscópica de la materia. En 1897 Joseph Jhon Thomson descubre el electrón, la partícula elemental asociada a la corriente en los circuitos eléctricos, y en 1904 propuso un modelo del átomo.

Isaac Newton

Robert Hooke

Thomas Young

Wilhelm C Röntgen

James C Maxwell

** Las imágenes fueron seleccionada de la galería de imágenes de google.

3

FISICA BASICA

FÍSICA, MEDICIONES Y VECTORES

El siglo XX estuvo marcado por el desarrollo de la Física como ciencia capaz de promover el avance tecnológico. A principios de este siglo los físicos, que consideraban tener una visión casi completa de la naturaleza, se encontraron con experimentos nuevos no explicados por los conceptos conocidos. Por tanto se produjeron dos revoluciones conceptuales de gran impacto: La Teoría de la Relatividad y La Teoría de la Mecánica Cuántica. Henri Becquerel

Albert Einstein

Ernest Rutherford

Erwin Schödinger

Paul Dirac

Albert Einstein es considerado como el ícono más popular de la ciencia en el siglo XX. En 1905 formuló la Teoría de la Relatividad Especial, en la cual el espacio y el tiempo se unifican en una sola entidad: el espacio-tiempo. La relatividad establece ecuaciones diferentes a las de la mecánica clásica para la transformación de movimientos cuando se observan desde distintos sistemas de referencia inerciales. Ambas teorías (Mecánica Clásica y Relativista) coinciden en sus predicciones cuando el movimiento ocurre a velocidades pequeñas (comparadas con la velocidad de la luz), pero la relatividad aporta predicciones correctas cuando el movimiento ocurre a velocidades grandes (cercanas a la velocidad de la luz). Luego, en 1915, Einstein extendió la teoría especial de la relatividad para explicar la gravedad, formulando la Teoría General de la Relatividad, la cual sustituye a la ley de gravitación universal de Newton. En 1911 Ernest Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico con cargas eléctricas positivas, realizando experimentos de dispersión de partículas. A los componentes de carga eléctrica positiva del núcleo se les llamó protones. En 1932 Chadwick descubrió los componentes del núcleo que no tienen carga eléctrica, y se les llamó neutrones. En los primeros años del siglo XX Planck, Einstein, Bohr y otros desarrollaron la “Teoría Cuántica”, a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de los cuerpos. En esta teoría los niveles posibles de energía pasan a ser discretos. Luego, en 1925 Werner Heisemberg y en 1926 Erwin Schrödinger y Paul Dirac formularon la “Mecánica Cuántica” para estudiar el movimiento cuando ocurre en dimensiones pequeñas (dentro del átomo). La mecánica cuántica suministró las herramientas teóricas para la física de la materia condensada, la cual estudia el comportamiento de los sólidos y los líquidos incluyendo modelos y fenómenos tales como la estructura cristalina, la semiconductividad y la superconductividad. Entre los pioneros de la materia condensada se incluye a Bloch, el cual desarrollo una descripción mecano – cuántica del comportamiento de los electrones en las estructuras cristalinas (1928).

** Las imágenes fueron seleccionada de la galería de imágenes de google.

4

FISICA BASICA

FÍSICA, MEDICIONES Y VECTORES

Luego, se formuló la Teoría Cuántica de Campos, para extender la mecánica cuántica de forma consistente con la Teoría de la Relatividad Especial, logrando su forma moderna a finales de los 40. Gracias a los trabajos de Richard Feynman, Julian Schwinger, Sanjuro Tomonaga y Freeman Dyson, quienes formularon la Teoría de la electrodinámica cuántica. Asimismo, esta teoría suministró las bases para el desarrollo de la Física de Partículas. En 1954, Chen Ning Yang y Robert Mills, desarrollan las bases del modelo estándar de la física de partículas. Este modelo fue finalizado hacia 1970, y con éste fue posible predecir las propiedades de las partículas no observadas con anterioridad, pero que fueron descubiertas sucesivamente, siendo la última de ellas el quark top. En los albores del siglo XXI la física sigue enfrentándose a grandes retos, tanto de carácter práctico como teórico. La física teórica (que se ocupa del desarrollo de modelos matemáticos basados en sistemas complejos descritos por sistemas de ecuaciones no lineales) continúa sus intentos de encontrar una teoría física capaz de unificar todas las fuerzas en un único formulismo en lo que sería una teoría del todo. Entre las teorías candidatas debemos citar a la teoría de cuerdas y la teoría de supergravedad. En la física experimental, el gran colisionador de hadrones (que recreó en un tiempo pequeño el big bang) y la fusión nuclear con el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) por sus siglas en inglés, (que pretende ser la fuente por excelencia en generación de energía) son proyectos de vanguardia en la física contemporánea. El estudio de las propiedades cuánticas de los materiales (física de la materia condensada, antes llamada física del estado sólido, desarrollada por Philip Anderson en 1967) ha posibilitado el desarrollo de nuevos materiales con propiedades sorprendentes. La astrofísica (antes llamada Astronomía) estudia el origen, evolución y comportamiento de las estrellas, planetas, galaxias y agujeros negros, nos ofrece una visión del universo con numerosas preguntas abiertas en todos sus frentes. También la biofísica, que trata de las posibilidades de la física en los sistemas vivos (como el combate de células cancerosas con moléculas de plata) está abriendo nuevos campos de investigación en interrelación con otras ciencias como la química, la biología y la medicina.

** Las imágenes fueron seleccionada de la galería de imágenes de google.

5

Freeman Dyson

Robert Mills

Chen Ning Yang

FISICA BASICA

FÍSICA, MEDICIONES Y VECTORES

1.2 LA FISICA EN LAS CIENCIAS NATURALES Vamos a comenzar este capítulo definiendo algunos conceptos que nos servirán en lo adelante, Materia es la realidad objetiva que existe en el universo independientemente de la conciencia humana, más un Entidad real (o ente real) es cualquier porción de la materia que podemos estudiar, considerándola separada de lo que la rodea a ella, un fenómeno es cualquier cambio que experimenta la materia, la ciencia es el conjunto de conocimientos sistematizados que nos permiten deducir principios y leyes generales relativos a su objeto de estudio. A partir los conceptos antes establecidos definimos como ciencias naturales aquellas que se dedican a estudiar los fenómenos de la naturaleza (física, química y biología). Estos fenómenos son estudiados, respectivamente, por la Física, la Química y la Biología. En los fenómenos físicos no ocurren cambios en las que afecten la esencia de las sustancias que intervienen, y si lo hacen, ocurren en el núcleo de los átomos (reacciones nucleares). En los fenómenos químicos los cambios ocurren a nivel de los electrones de los átomos. En los fenómenos biológicos los cambios suceden exclusivamente en los seres vivos. Son fenómenos físicos por ejemplo: el movimiento de un objeto, la deformación de un resorte, la fusión del hielo, el sonido, la emisión y propagación de señales de radio, la separación de la sal y el agua, la transformación del Hidrógeno en Helio (fusión nuclear). Se tienen como ejemplos de fenómenos químicos: la combustión, la oxidación, la descomposición del agua en hidrogeno y oxigeno, la descomposición de la sal común en sodio y cloro, la fermentación. Y son ejemplos de fenómenos biológicos: la nutrición, la reproducción, el metabolismo, la transmisión de los caracteres hereditarios, la evolución de los seres vivos.

1.3 LEYES Y CANTIDADES DE LA FISICA La Física expresa los fenómenos que estudia a través de características particulares que asocia a la materia. Estas características se llaman cantidades físicas (antes llamadas magnitudes físicas), y con éstas se expresan las leyes físicas y se describen y explican los fenómenos. Por ejemplo, una de las leyes de la física establece que: “La fuerza neta ( ) ejercida sobre un objeto se manifiesta de

qué forma que se puede obtener por el producto de su masa (m) y la aceleración () que experimenta”. El modelo matemático que le corresponde es: 󰇍 󰇍󰇍 esta ley se le denomina “Segunda Ley de Newton”. Como puedes ver, esta ley establece la r...