sábado, 28 de julio de 2012

Física Elemental-Unidades

Física Elemental
Concepto

Es la rama de la ciencias naturales que estudia las leyes de los fenómenos que ocurren en la naturaleza,
es el estudio organizado y sistematizado de las leyes, principios y causas que gobiernan las materias y la energía.Es una ciencia natural que estudia el espacio la materia y la energía y la interrelación de los fenómenos naturales con el hombre.


En general un concepto físico es interpretable sólo en virtud de la teoría física donde aparece. Así la descripción clásica de un gas o un fluido recurre al concepto de medio continuo aún cuando en realidad la materia está formada por átomos discretos, eso no impide que el concepto de medio continuo en el contexto de aplicación de la mecánica de fluidos o la mecánica de sólidos deformables no sea útil. Igualmente la mecánica newtoniana trata el campo gravitatorio como un campo de fuerzas, pero por otra parte la teoría de la relatividad general considera que no existen genuinamente fuerzas gravitatorias sino que los fenómenos gravitatorios son una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo.

 La física no es sólo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental. Como toda ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante experimentos y que la teoría pueda realizar predicciones de experimentos futuros. Dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico en relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos.



La física, en su intento de describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado a límites impensables: el conocimiento actual abarca la descripción de partículas fundamentales microscópicas, el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo, por citar unos pocos campos.
Esta tarea comenzó hace más de dos mil años con los primeros trabajos de filósofos griegos como DemócritoEratóstenesAristarcoEpicuro o Aristóteles, y fue continuada después por científicos comoGalileo GalileiIsaac NewtonWilliam Rowan HamiltonJames Clerk MaxwellAlbert EinsteinNiels BohrMax PlanckWerner HeisenbergPaul Dirac y Richard Feynman, entre muchos otros.


La Física Elemental para su estudio se subdividen para su estudio en sub-ramas:

Acústica: estudio de las propiedades del sonido

Física atómica: estudia la estructura y las propiedades del átomo

Criogenia: estudia el comportamiento de la materia a temperaturas extremadas

Electromagnetismo: estudia los campos eléctricos y magnéticos las cargas eléctricas que las generan

Física de partículas: se dedica a la investigación de las partículas elementos, sus propiedades y su comportamiento

Dinámica de fluidos: estudia el comportamiento de los ácidos y gases en movimiento

Geofísica: es la aplicación de la física al estudio de la tierra, incluye los campos de la hidrología, la meteorología, la oceanografía, la sismología y la vulcanología

Física matemática: estudia las matemáticas en relación con los fenómenos naturales

Mecánica: estudia el movimiento de los objetos materiales sometidos a la acción de fuerzas

Física molecular: estudia las propiedades y estructura de las moléculas

Física nuclear: analiza las propiedades y estructura del núcleo atómico, las reacciones nucleares y su aplicación

Óptica
: estudia la propagación y el comportamiento de la luz

Física cuántica: estudia el comportamiento de sistemas extremadamente pequeños y la actualización de la energía

Física de la materia condensada: estudia las propiedades físicas de los sólidos y los líquidos

Mecánica estadística: aplica principios estadísticos para predecir y describir el comportamiento de sistemas 
compuestos de múltiples partículas

Termodinámica: estudia el calor y la conversión de energía de una forma a otra

Unidades 
Llamamos unidad de una magnitud, a la cantidad elegida de forma aleatoria que servirá como elemento de comparación. Las unidades de todas las magnitudes físicas las podemos expresar en función de las siete unidades fundamentales del Sistema Internacional (SI) : segundo,kilogramo, metro, amperio, kelvincandela y mol.
Magnitud
Unidad
Símbolo
Longitud
Metro
m
Tiempo
Segundo
s
Masa
Kilogramo
kg
Intensidad Luminosa
Candela
cd
Cantidad de Sustancia
Mol
mol
Intensidad Eléctrica
Amperio
A
Temperatura
Kelvin
K
Tb1-T2: Magnitudes, Unidades y Símbolos del SI
Las unidades de magnitudes derivadas, se pueden nombrar de dos formas: a partir de las fundamentales (m/s) o mediante nombres específicos (Pa, N, Hz,...)
EJEMPLO 1: Pa (Pascal) = N/m2 (Pa: "Nombre específico"; N/m2: "A partir de las fundamentales")
EJEMPLO 2: N (Newton) = kg m/s2 (N: "Nombre específico"; kg m/s2: "A partir de las fundamentales")

 Instrumentos de medida
A) CONVERSIÓN DE UNIDADES
  • CASO A: Múltiplos y Submúltiplos
Cuándo las medidas son muy grandes o muy pequeñas, resulta incómodo utilizar la unidad patrón (m, kg,...) por lo que se utilizan múltiplos (km, Tm,...) o submúltiplos (cm, mg,...).
Múltiplos
Factor
Símbolo
Prefijo
101dadeca-
102hhecto-
103kkilo-
106Mmega-
1012Ttera-
Submúltiplos
Factor
Símbolo
Prefijo
10-1ddeci-
10-2ccenti-
10-3mmili-
10-6µmicro-
10-9nnano-
Tb2-T2: Múltiplos y Submúltiplos adoptados por el SI
  • CASO B : Pasar unidades al Sistema Internacional
Cuándo tenemos que realizar cálculos y operaciones resulta mucho más cómodo utilizar solo unidades del Sistema Internacional. Para realizar los cambios de unidad se utilizan las siguientes equivalencias:
Unidad
Símbolo
Conversión al SI
Caballo de VaporCV1CV = 735,75 w
Atmósferaatm1 atm = 101325 Pa
Barbar1 bar = 100000 Pa
Minutom1 m = 60 s
Horah1 hora= 3600 s
ÁngstromÅ1Å = 10-10 m
LitroL1 L = 10-3 m3
Caloríacal1 cal = 4,18 J
Tb3-T2: Equivalencias más utilizadas
* Para pasar de grados Kelvin a centígrados y viceversa se utiliza esta fórmula especial: ºC + 273 = ºK

B) USO DEL FACTOR DE CONVERSIÓN
Es el método más utilizado y normalizado para la conversión de unidades, a continuación aparecen ejemplos para comprender su uso:
EJEMPLO 1: Pasa 10 km a m
10 km • 1000 m / 1 km = 10000 m
EJEMPLO 2: Pasa 80 km/h a m/s
80 km/h • 1000 m / 1 km • 1 h / 3600 s = 22,2 m/s
NOTA: No se debe utilizar la "regla de tres" para hacer un cambio de unidades, no es un método científico.
 A) CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA
  • Sensibilidad: un instrumento sensible acusa pequeñas variaciones en el valor de la magnitud medida. (EJEMPLO: Es más sensible una balanza que aprecia mg a una que aprecia g)
  • Precisión: es la medida más pequeña que puede ser medida con un instrumento. (EJEMPLO: El cronómetro que mide milésimas de segundo es más preciso que el que mide segundos)
  • Exactitud: un aparato es exacto si los datos que ofrece corresponden con el valor correcto. (EJEMPLO: Un dinamómetro es exacto si el valor de la fuerza medida corresponde con el valor real exacto)
  • Fidelidad: siempre obtenemos el mismo valor cuando medimos varias veces el mismo. (EJEMPLO: Si medimos varias veces la masa de un objeto, y el resultado es siempre el mismo)

B) INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE PRECISIÓN
  • Medida de Longitudes: Se utiliza el Palmer o el Calibrador.
  • Medida de Masas: Se utiliza la balanza de brazos iguales y la balanza electrónica.
  • Medida de Volúmenes: Se utilizan probetas, pipetas,...
Fot2-T2: Calibrador

Tratamiento Científico de Datos:
Cuándo realizamos experimentos en el laboratorio, debemos tratar los datos de forma científica, haciendo uso de la notación científica, de las cifras significativas, del redondeo y de las reglas de cálculo experimental.

A) NOTACIÓN CIENTÍFICA
La notación científica consiste en expresar el valor numérico de una medida determinada con una parte entera de una sola cifra seguida de una potencia de diez. Normalmente se redondea a dos cifras decimales.
EJEMPLO 1: La masa de un objeto es de: 90243784 g, aplicando la notación científica queda: 9,02 • 107 g.
EJEMPLO 2: La distancia entre A Coruña y Madrid es de: 677867026 m, aplicando la notación científica queda 6,78 • 10m.
B) CIFRAS SIGNIFICATIVAS
Las cifras significativas son el conjunto de cifras exactas que se proporcionan en una medida. Están formadas por los dígitos que se conocen que no fueron afectados por el error (cifras exactas de una medida) y por un último dígito que debe estimarse.
  • REGLAS PARA DETEMINAR LAS CIFRAS SIGNIFICATIVAS
    • Todos los dígitos excepto el cero (0) son cifras significativas. (EJEMPLO: 5,23 tiene tres cifras significativas)
    • Los ceros que aparecen entre dígitos (excepto cero) son cifras significativas. (EJEMPLO: 40003 tiene cinco cifras significativas)
    • Los ceros que aparecen al principio del número no son cifras significativas. (EJEMPLO: 0,00345 tiene tres cifras significativas)
    • Los ceros que aparecen al final, despues de la coma decimal son cifras significativas. (EJEMPLO: 45,00 tiene cuatro cifras significativas)
    • Los ceros como de 4500 son cifras significativas si aparece un punto al final (4500.) si no lleva el punto no son significativas (4500) (EJEMPLO: 5600. tiene cuatro cifras significativas)
 vídeo redondeo y cifra significativo:

C) REDONDEO
El redondeo consiste en despreciar las cifras a la derecha de la última cifra significativa de la medida. Para realizar el redondeo primero tenemos que decidir el número de cifras significativas, y a continuación aplicaremos las reglas siguientes:
  • REGLAS DEL REDONDEO
    • Si el primer dígito no significativo es menor que cinco (<5) se elimina. (EJEMPLO: 4,43 aplicando redondeo a dos cifras significativas queda 4,4)
    • Si el primer dígito no significativo es mayor o igual que cinco (>5 o =5), seguido de números distintos de cero se añade una unidad a la última cifra significativa. (EJEMPLO: 5,56 aplicando redondeo a dos cifras significativas queda 5,6) (EJEMPLO: 6,75 aplicando redondeo a dos cifras significativas queda 6,8)
    • Las cifras no significativas situadas en la parte no decimal se substituyen por ceros. (EJEMPLO: 3436 aplicando redondeo a dos cifras significativas queda 3400) (EJEMPLO: 6743 aplicando redondeo a tres cifras significativas queda 6740)
D) REGLAS PARA LOS CÁLCULOS EXPERIMENTALES
En los cálculos matemáticos con datos experimentales debemos respetar dos reglas:
  • El resultado de una suma o resta no puede tener mas dígitos a la derecha de la coma decimal que los dígitos de la medida con menor número de cifras decimales. (EJEMPLO: 5,51 g + 2,456 g + 0,456 g = 8,422 g aplicando esta regla hay que redondear a tres cifras, por lo que queda 8,42 g)
  • El resultado de una multiplicación o división no debe superar el número de cifras significativas al dato experimental con menor número de cifras significativas. (EJEMPLO: 5,56 m • 6,87655 m = 38,233618 m aplicando esta regla hay que redondear a tres cifras significativas por lo que queda 38,2 m)



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