Introducción a la Física

La palabra Física viene del griego physis, que quiere decir naturaleza. Hasta el siglo pasado, la Física formaba parte de la entonces llamada Filosofía Natural, cuyo objeto era el estudio de los fenómenos y las leyes de la Naturaleza. De esta antigua Filosofía Natural se desglosaron las que hoy llamamos Ciencias Experimentales, concretamente: Física, Química, Biología y Geología. Estas ciencias utilizan el método científico, y para ellas las Matemáticas son una poderosa herramienta, en los estudios teóricos y en los cálculos prácticos. Especialmente importante es la relación entre la Física y las Matemáticas.

De forma sencilla, podemos decir que la Física estudia los fenómenos físicos, aquellos en que no hay cambio de naturaleza en las sustancias que intervienen. Por ejemplo: un movimiento, un cambio de temperatura, un cambio de estado, el paso de la corriente eléctrica por un metal, el campo magnético, la reflexión de la luz en un espejo, etc.. En los fenómenos químicos sí hay cambio de naturaleza en las sustancias. Por ejemplo: una oxidación o una combustión, el ataque de un metal por un ácido, etc..

Una definición más completa dice que la Física estudia los componentes de la materia y sus interacciones, para explicar las propiedades de los cuerpos, y los fenómenos naturales que observamos ( fenómenos físicos ). Objetivos básicos de estudio de la Física son pues la materia y la energía.

La curiosidad del ser humano por conocer y explicar todo lo que nos rodea es el motor básico de la Ciencia. La información que recibimos del exterior nos llega primariamente a través de los sentidos, especialmente el tacto, el oído, y la vista. Con ello, a lo largo de la historia de la Física, ésta se dividió en una serie de partes correspondientes a diferentes tipos de fenómenos percibidos por dichos sentidos:

- Por otra parte, el Electromagnetismo estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos ( relacionados con las cargas en reposo o en movimiento ), cuyo estudio detallado comenzó en el siglo XIX.

Debe resaltarse el importante papel histórico de la Mecánica, que es desde el siglo XVII con NEWTON un pilar fundamental de la Física, y referencia para todas las ramas de esta ciencia. En concreto, el estudio de la Gravitación se realizó dentro del marco de la Mecánica, pues los movimientos relacionados con la atracción gravitatoria ( caída de los cuerpos, movimientos de los astros ) se explicaban cómodamente dentro del marco de las leyes mecánicas.

Suele llamarse Física Clásica al conjunto de las ramas relacionadas previamente, Mecánica, Termología, Electromagnetismo, Acústica y Óptica, tal como se conocían hasta poco antes del inicio del siglo XX.

A finales del siglo XIX, cuando las leyes de esta ciencia parecían sólidamente establecidas, comenzó una profunda revolución en el progreso histórico de la Física y la Química, revolución iniciada a través de la investigación de la estructura de la materia en sus componentes básicos, los átomos, y en la profundización de los estudios experimentales y teóricos sobre la luz y la gravitación.

Los resultados de estas investigaciones llevaron a comienzos del siglo XX al desarrollo de dos nuevas ramas de la Física, con las que nació la llamada Física Moderna:

- la Física Cuántica, que estudia la materia y la energía a escala atómica.

- la Física Relativista, referida a velocidades cercanas a la de la luz, y para el estudio de la gravitación a escala astronómica.

Ambas tienen base en teorías que rompen con los conceptos de la Física Clásica: la Mecánica Cuántica, y las Teorías Especial y General de la Relatividad. La aceptación global de estas nuevas teorías no fué fácil, tanto por su propio carácter revolucionario como por su difícil comprensión inicial, dificultad derivada por una parte de su complejidad, y por otra debido a las nuevas ideas desarrolladas, que parecían en contradicción con el sentido común. Pero no es el sentido común de la especie humana quien tiene la última palabra sobre la explicación de los fenómenos naturales, sino la propia realidad, estudiada a través del método científico. Así, los hechos experimentales, explicados por las nuevas teorías pero no por la Física Clásica, fueron y siguen siendo la confirmación de la validez de la Física Moderna.

Con esta Física Moderna nuestra visión del mundo natural cambió profundamente, desde lo más pequeño ( las partículas subatómicas ) hasta lo más grande ( el Universo ). Se dispuso de herramientas más poderosas para explicar la gran cantidad de nuevos descubrimientos experimentales que el siglo XX iba ofreciendo en muy diversos campos.

En concreto, un importante logro de la Física del siglo XX ha sido el comprender que la gran variedad de fenómenos físicos observados en la naturaleza pueden explicarse mediante cuatro tipos de fuerzas o interacciones fundamentales: las interacciones gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y la interacción débil.

De todo lo dicho no debe entenderse que la Física Clásica es cosa inútil del pasado. En su mayoría, sigue siendo totalmente operativa, y concretamente para los fenómenos más " normales ", a escala del hombre. La Física Moderna es pues complementaria, no sustitutiva, de la Física Clásica. Por ello, el estudio de la Física debe comenzarse por la Mecánica Clásica newtoniana, cercana a nuestra vida diaria, y finalizarse por las teorías modernas, cuánticas y relativistas.

Finalmente, debemos recordar que la Física sigue su evolución, como cualquier rama del conocimiento humano. Nuevos descubrimientos pondrán a prueba las teorías ahora firmemente establecidas, y éstas deberán, si es necesario, revisarse, tal como ocurrió en el cambio del siglo XIX al XX. La palabra " Moderna " en ciencia es relativa al presente, y el presente cambia.

La aplicación del método científico al estudio de los fenómenos físicos se realiza a través de la medida de magnitudes.

MAGNITUD FÍSICA es todo lo que se puede medir en un fenómeno físico. Por ejemplo: longitud, masa, tiempo, velocidad, fuerza, energía, temperatura, intensidad de corriente eléctrica, etc.

Medir es comparar una cantidad de una magnitud con otra cantidad de la misma magnitud que tomamos como unidad.

- La unidad correspondiente ( aunque algunas magnitudes no tienen unidades ).

El número por sí solo, sin la unidad, normalmente no dice nada. Por ejemplo, si decimos que la duración de un fenómeno es 50, pueden ser 50 segundos, minutos, horas, días, años, etc.. De ahí la enorme importancia de las unidades, que deben acompañar siempre al valor numérico de la medida. Hay algunas excepciones: ciertas magnitudes, por su definición, no tienen unidades, por lo que su medida proporciona solamente un valor numérico. En el llamado Análisis Dimensional, estas magnitudes sin unidades se llaman magnitudes adimensionales. Por ejemplo: el índice de refracción del agua es 1,33: un número sin unidades.

Medidas directas son las que se realizan comparando directamente la cantidad a medir con la unidad utilizando un aparato. Por ejemplo: medir la longitud de una cuerda con una cinta métrica, medir la masa de un cuerpo con una balanza, etc..

Medidas indirectas son las que se realizan mediante el cálculo en una fórmula, donde está despejada la magnitud que buscamos, y se sustituyen los valores medidos directamente de las magnitudes de que depende la magnitud buscada. Por ejemplo: calcular la densidad de un cuerpo mediante la fórmula d = m / V, en la que sustituimos los valores medidos de su masa y su volumen.

Los fenómenos físicos son muy diversos, y las magnitudes que intervienen en ellos son a su vez muy variadas, siendo posible clasificar a las magnitudes de diferentes formas.

Una importante clasificación de las magnitudes físicas es la que distingue entre magnitudes escalares y magnitudes vectoriales. Pero aquí consideraremos otra clasificación diferente: magnitudes fundamentales y magnitudes derivadas.

Magnitudes fundamentales son aquellas magnitudes sencillas que escogemos en un Sistema de unidades para definir a partir de ellas todas las demás, que llamamos magnitudes derivadas.

Por ejemplo, la velocidad es una magnitud derivada del espacio ( o longitud ) y el tiempo como magnitudes fundamentales: v = e / t.

Como se estudia en el Análisis Dimensional, cualquier magnitud física puede definirse a través de una sucesión más o menos larga de fórmulas a partir de las magnitudes fundamentales escogidas.

Un Sistema de Unidades es un conjunto de unidades escogidas para las magnitudes fundamentales de dicho sistema. Por ejemplo: el antiguo Sistema M.K.S. tiene las siguientes unidades fundamentales: metro ( longitud ), kilogramo ( masa ) y segundo ( tiempo ).

Como sabemos, el uso de unidades proviene de la antigüedad, como por ejemplo la medida del tiempo en días. Con el avance de la civilización, las unidades fueron cada vez más utilizadas en el comercio, la industria, y más modernamente, la ciencia.

A lo largo de la historia ha habido numerosas unidades en los diferentes países, y varios sistemas de unidades. Por ejemplo: como unidades de longitud utilizadas en el pasado o presente tenemos: pulgada, pie, codo, braza, vara, legua, toesa, versta, milla terrestre, milla marina, metro, unidad astronómica, año-luz, parsec, etc.. Múltiples unidades, como el pie, tenían distinto valor en diferentes países o regiones.

Un importante avance histórico fué el establecimiento del Sistema Métrico Decimal tras la Revolución Francesa. En 1799, se declararon en Francia unidades legales de longitud y masa al metro y kilogramo, respectivamente. A lo largo de los siglos XIX y XX, este Sistema fué adoptado progresivamente por los diversos países, aunque en Gran Bretaña, U.S.A., y países de la Commonwealth todavía se sigan empleando sus propias unidades ( sistema práctico inglés: f.p.s.: foot, pound, second o pie, libra, segundo ).

En el campo científico, se desarrollaron varios sistemas a partir del Sistema Métrico, siendo los principales el C.G.S. y el M.K.S., sistemas mecánicos con los que se relacionan otros sistemas eléctricos.

Para el intercambio de información fué un importante problema la gran variedad de unidades y sistemas, creando confusiones y dificultades, que los científicos han intentado resolver en sucesivas Reuniones y Congresos. Hoy parece que la solución definitiva a este problema es el Sistema Internacional ( S.I. ), aceptado legalmente en la mayoría de países, y que es una expansión del Sistema Métrico Decimal al que se han incorporado los modernos avances científicos. Fué establecido en la XI Conferencia Internacional de Pesos y Medidas celebrada en París en 1960, y desarrollado posteriormente con detalle.

El S.I. es una ampliación del eficaz antiguo sistema mecánico M.K.S. ( metro - kilogramo - segundo, también llamado Sistema Práctico, propuesto en 1901 por el italiano Giorgi ), añadiéndole unidades fundamentales de otras partes de la Física y la Química: kelvin, amperio, candela y mol. Con estas unidades fundamentales, y sus magnitudes correspondientes, pueden definirse todas las demás unidades y magnitudes derivadas de la Física y la Química.

SISTEMA INTERNACIONAL ( S.I. )

F y Q

Mecánica

Termología

Electromagnetismo

Óptica

Química

Magnitudes Fundamentales

Longitud

Masa

Tiempo

Temperatura termodinámica (absoluta)

Intensidad de corriente eléctrica

Intensidad luminosa

Cantidad de sustancia

Unidades Fundamentales

metro

( m )

kilogramo

( kg )

segundo

( s )

kelvin o grado kelvin

( K ó ºK )

amperio

( A )

candela

( cd )

mol

Existen unas reglas para la correcta escritura de los símbolos y nombres de las unidades, siendo algunas de las principales:

- Los símbolos de las unidades S.I. se expresan en general con minúsculas: m, kg, s, etc..

- Excepciones: unidades derivadas de nombres de científicos ilustres, en cuyo caso la letra inicial del símbolo es mayúscula ( de Newton: N, de Hertz: Hz, etc. ), o unidades derivadas con letras griegas (

para Ohm, etc ).

- Los símbolos no van seguidos de punto, ni se escriben en plural con la letra "s" ( ejemplo: 10 gramos se escribe 10 g , siendo incorrectos 10 g . , 10 gs , 10 grs ).

- Los nombres de las unidades derivadas de nombres de científicos ilustres se escriben con la misma ortografía que tienen, recomendándose la letra inicial en minúscula ( newton, hertz, joule, watt, etc. ), aceptándose sus denominaciones castellanizadas de uso habitual ( julio, voltio, etc. ). El plural de los nombres se forma con la letra "s" , salvo que la unidad termine en s, x o z ( ejemplo: 10 newtons, 3 lux ).

- El producto de los símbolos de dos o más unidades se indica preferentemente con un punto para indicar la multiplicación, o sin el punto si no hay confusión ( ejemplo: el producto del Newton por el metro se escribe N.m , o también Nm , pero no se escribe mN , que significa milinewton ).

- El cociente de los símbolos de dos unidades derivadas puede indicarse por la barra horizontal ( _ ) o la barra oblicua ( / ) entre numerador y denominador, o con potencias negativas. Ejemplos:

- Los exponentes que acompañan a los múltiplos o submúltiplos de las unidades afectan al conjunto del prefijo y la unidad correspondiente.

Como se ha expuesto, todavía se utilizan frecuentemente otros dos antiguos sistemas:

El kilogramo-fuerza o kilopondio se define como el peso del kilogramo-masa a nivel del mar: 1 kg pesa 1 kp.

Al igual que para los símbolos, existen recomendaciones para la escritura de números, siendo algunas de las principales:

- Para las cantidades con numerosas cifras, y con el fin de facilitar la lectura, se recomienda agrupar las cifras en grupos de tres, tanto hacia la derecha como hacia la izquierda de la coma decimal, si ésta existe ( como por ejemplo en 29 812, 051 y se ve en otros ejemplos de estas páginas ).

- Por la confusión creada por la utilización del punto o de la coma, se recomienda utilizar la coma para los decimales ( 9,8 y no 9.8 ), y no utilizar el punto para indicar millares ( 96 500 y no 96.500 ).

- Los símbolos de la multiplicación ( punto . y aspa x ) se recomienda sean utilizados:

Para cantidades muy grandes o muy pequeñas, y especialmente cuando no hay prefijos de múltiplos o submúltiplos, se utiliza la notación científica en potencias de 10, por las ventajas que ello conlleva.

Las ventajas de la utilización de la notación científica son considerables, principalmente:

- La comparación directa de cantidades, a través de sus órdenes de magnitud, como en el ejemplo expuesto.

Los cambios de unidades sencillos pueden realizarse directamente, conociendo la equivalencia de unidades.

En general, y especialmente en cambios de unidades complicados, conviene utilizar los llamados factores de conversión. Un factor de conversión es una fracción cuyo valor es igual a 1, por lo que puede multiplicarse sin alterar el resultado, cuyo numerador y denominador contienen la equivalencia de unidades, de tal forma que al simplificarse con las unidades iniciales nos proporcionen las unidades finales.

*SISTEMA INTERNACIONAL ( S.I. )*
*F y Q*	Mecánica			Termología	Electromagnetismo	Óptica	Química
*Magnitudes Fundamentales*	Longitud	Masa	Tiempo	Temperatura termodinámica (absoluta)	Intensidad de corriente eléctrica	Intensidad luminosa	Cantidad de sustancia
*Unidades Fundamentales*	metro ( m )	kilogramo ( kg )	segundo ( s )	kelvin o grado kelvin ( K ó ºK )	amperio ( A )	candela ( cd )	mol