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En esta página encontrarás todas las guías de aprendizaje, la teoría, los talleres, los instrumentos de evaluación y los laboratorios del curso de Física Mecánica; esto con el firme propósito de brindarle al educando una herramienta útil y eficaz para la consecución de las competencias que el curso plantea.


NOCIONES GENERALES

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El maravilloso mundo de la física


¿QUÉ ES LA FÍSICA?


La física, es la ciencia que estudia las propiedades de la materia, los agentes naturales que influyen en ella sin alterar su composición, los fenómenos derivados de esta influencia y las leyes por las que se rigen. En otras palabras, la física estudia las interacciones de la materia con la materia y con la energía.

Estas interacciones, son los fenómenos, hechos y comportamientos que pueden presentar un determinado cuerpo bajo ciertas condiciones en donde quiera que se encuentre, por lo que se habla de un mundo físico. Esto debido a que la física se cataloga como ciencia que se relaciona con los fenómenos, especialmente del mundo que nos rodea. La física parte del análisis de un elemento real de estudio, que presenta algún tipo de comportamiento y despierta el interés de los sentidos.


Subdivisiones de la física


Debido al gran campo de aplicación que tiene la física, se ha dividido en varias ramas, cada una de ellas se encarga del estudio de una parte, como se ve a continuación:

La mecánica



Es la encargada del estudio de la acción recíproca que conduce a un cambio de movimiento. La mecánica a su vez está subdividida en otras ramas como son:
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La cinemática: estudio de las características del movimiento en función del tiempo sin tener en cuenta sus causas.

La dinámica: estudio de las leyes del movimiento con relación a las fuerzas que lo producen.

La hidrostática: estudia el equilibrio de los líquidos y de muchos gases, y de los cuerpos que están sumergidos en ellos.

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La hidrodinámica: estudia el movimiento de los líquidos, se aplica en el diseño de submarinos, buques y turbinas.
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La termodinámica:
trata de las relaciones entre el calor y otras formas de energía.

La termoelectricidad: estudia la producción de energía eléctrica por acción del calor y de producción de calor por medio de la energía eléctrica.
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La acústica: estudia la producción y propagación del sonido, además se encarga del análisis de los fenómenos que ocurren en acción del movimiento periódico.
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La óptica: se encarga del estudio de los fenómenos producidos por la luz, las leyes que los rigen y sus interacciones con la materia.
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La electricidad:
estudia las cargas eléctricas, tanto en reposo como en movimiento, así como los fenómenos asociados a ellas.

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Física atómica: estudia las interacciones en la parte interior del átomo.
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Física nuclear:
se encarga del estudio en el interior del núcleo del átomo.
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Hasta hace un tiempo, la física se desarrollaba a partir de las propiedades macroscópicas de la materia. Actualmente, se trata de llegar a las mismas leyes a partir de sus constituyentes elementales, como el átomo y los elementos que se encuentran en su interior. Cabe anotar que la física siempre está en proceso de construcción y superación, por consiguiente se han podido escapar algunas de sus divisiones.


ORIGEN DE LA FÍSICA

En el transcurso de la historia se ha desarrollado la física en pro o en contra de la humanidad, pues sus aplicaciones se pueden dar desde la invención de armas cada vez más destructivas, como la bomba de hidrógeno, hasta adelantos en la tecnología aplicables en sus distintos frentes de acción, como las fotografías que se consiguen por medio de los satélites.

El objetivo principal del estudio científico es desarrollar teorías físicas basadas en leyes fundamentales, que permitan predecir los resultados de algunos experimentos. Por fortuna, es posible explicar el comportamiento de muchos sistemas físicos con un número limitado de leyes fundamentales, dichas leyes se expresan en lenguaje matemático que forma un puente entre el experimento y la teoría.


fisicabuiles Home - fisicabuiles Algunas veces una teoría es limitada. Un ejemplo típico es el de las leyes del movimiento de Newton, en ellas se describen con exactitud el movimiento de los cuerpos con una rapidez "normal", pero no es posible aplicarlas a cuerpos que se mueven con una rapidez comparable con la de la luz.




La teoría especial de la relatividad desarrollada por Albert Einstein (Ulm 1879 - Princeton, Nueva Jersey 1955), predice con éxito el movimiento de los objetos con rapidez cercana a la rapidez que describe la luz y, por lo tanto, es la teoría más gneral del movimiento.
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La física clásica, desarrollada antes de 1900, incluye las teorías, conceptos, leyes y experimentos en tres grandes disciplinas:

La mecánica clásica.

La termodinámica y.

El electromagnetismo.

PERÍODOS DE DESARROLLO DE LA FÍSICA CLÁSICA

Antiguo (4000A.N.E. - 500D.N.E) Medieval 1450 Revolución científica (1450-1800) Revolución industrial 1800 FIN de la física clásica 1890
Astronomía Movimiento del firmamento. Forma y tamaño de la Tierra. Aplicación a la navegación. Órbitas elípticas. Satélites. Solución del problema de la longitud. Sistema estelar.
Óptica Espejos
planos
y curvos.
Lentes. Velocidad de la
luz. Refracción,
interferencia.
Telescopios, microscopios.
Cristales acromáticos Polarización. Teorías ondulatoria y electromagnética. Fotografía.
Magnetismo y
electricidad
Ámbar
amarillo
y magnetita.
Brújula Electrostática. Electricidad, conducción,
condensador,
pila. Corriente.
Electromagnetismo,
telégrafo,
dínamo, ecuaciones
de Maxwell.
Dinámica Sonido como vibración, resistencia al movimiento. Movimiento de proyectiles. Péndulo, leyes
del movimiento,
ley de la caída
de los cuerpos. Gravitación universal.
Generalización de la mecánica.
Mecánica Máquinas simples, palancas, rueda, arco, polea, cuña, tornillo. Molinos de agua y viento. Relojes, bombas, paralelogramo de fuerzas. Fenómenos de elasticidad. Resistencia de materiales. Turbinas, cálculos estructurales, movimiento de los fluidos.
Matemática Aritmética y geometría. Álgebra. Geometría y cálculo infinitesimal. Ecuaciones diferenciales. Análisis armónico.
Neumática y calor Principio de Arquímedes, bombas, fuelles, tubos. Pólvora. Ley de los gases, barómetros,
termómetro, vacío.
Máquina de vapor, condensador, calor de fricción y específico. Segunda ley de la termodinámica, equivalente mecánico.


Los científicos más destacados según la época
Tales, Arquímedes, Pitágoras, Euclides, Hiparco Simón Stevin
Copérnico, Newton, Descartes, Galileo, Boyle, Kepler, Torricelli, Hooke Laplace, Grey, Rutherford, Hamilton, Franklin, Black, Coulomb, Watt, Volta Fourrier, Ampére, Faraday, Maxwell, Joule, Carnot, Heerschel


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Nicolás Copérnico
(Torún 1473 - Fromborg 1543) Astrónomo polaco. Estableció la teoría heliocéntrica en la
que aseguraba que la Tierra y los demás planetas giraban alrededor del Sol, describiendo órbitas circulares.





Galileo Galilei (Pisa 1564 - Arcetri, Toscana 1642) Astrónomo, matemático y físico italiano. Hizo las primeras contribuciones significativas a la mecánica clásica, mediante su trabajo sobre las leyes del movimiento bajo una aceleración constante. Además, es considerado el fundador de la ciencia experimental.

BIOGRAFÍA DE GALILEO GALILEI
GALILEO GALILEI

En esta misma época Johannes Kepler (Weil der Stadt, Baden-Württenberg 1571 - Ratisbona 1630), utilizó sus observaciones astronómicas para desarrollar leyes empíricas, para el movimiento de los cuerpos planetarios de nuestro sistema solar.
A principios del siglo XVII, el astrónomo y filósofo alemán Johannes Kepler escribió y verificó las tres leyes que rigen el movimiento de los planetas, conocidas como “leyes de Kepler”.
SU VIDA Nació el 27 de diciembre de 1571 en una localidad del estado de Württemberg (sureste de Alemania) en el seno de una familia humilde. Fue un joven enfermizo; a los cuatro años contrajo la viruela, que le dejó la vista dañada de por vida. Tras los años de colegio, estudió Teología en la Universidad de Tubinga. Allí le influyeron las ideas de un profesor de Matemáticas, partidario de la teoría heliocéntrica del movimiento planetario, teoría desarrollada en principio por el astrónomo polaco Nicolás Copérnico. Según dicha teoría, el Sol y las demás estrellas estaban fijas en el Universo, mientras que los planetas, como la Tierra, giraban en círculos alrededor del Sol. Kepler aceptó inmediatamente esta teoría, creyendo que esa disposición sencilla de los cuerpos celestes tenía que haber sido el plan con que Dios creó el Universo. Fue profesor de Astronomía y Matemáticas en la Universidad de Graz desde 1594 hasta 1600, cuando se convirtió en ayudante del astrónomo danés Tycho Brahe en su observatorio de Praga. A la muerte de Brahe, en 1601, Kepler asumió su cargo como matemático imperial y astrónomo de la corte del emperador Rodolfo II.
LAS TRES LEYES DE KEPLER Estudiando las observaciones que había hecho Brahe sobre el movimiento del planeta Marte, dedujo que su órbita tenía forma elíptica, y que el Sol estaba en uno de los focos de dicha elipse. Esta fue su primera ley, que se cumple no solo para Marte, sino para todos los planetas que giran alrededor del Sol. También observó que Marte se movía más deprisa cuando estaba más cerca del Sol, y más despacio cuando estaba más lejos, de manera que la superficie que describe o que “barre” la línea recta que une el Sol con Marte, es siempre proporcional al tiempo transcurrido. Esta es su segunda ley. Posteriormente descubrió su tercera ley, que es algo más complicada: el cubo de la distancia media de un planeta al Sol, es proporcional al cuadrado del tiempo que tarda dicho planeta en dar una vuelta completa alrededor del Sol (tiempo que en física se llama “período de revolución”). Este fue su mayor descubrimiento y el que más le alegró. Estas tres leyes fueron la base sobre la cual posteriormente Isaac Newton formuló su teoría de la gravitación universal, que describe la fuerza con que se atraen dos cuerpos cualesquiera, fuerza que depende de sus masas y de la distancia que haya entre ellos. Las leyes de Kepler son fundamentales para comprender la trayectoria de la Luna en su movimiento alrededor de la Tierra y las de los satélites artificiales.
OTRAS APORTACIONES Kepler también realizó aportaciones en el campo de la Óptica, interesado como estaba por su vista defectuosa. En sus trabajos explicaba cómo los anteojos ayudaban a los miopes y a las personas con vista cansada. En Matemáticas desarrolló un sistema infinitesimal que fue un antecesor del Cálculo. Murió el 15 de noviembre de 1630 en Regensburg (Alemania) mientras viajaba con su familia.
También en Mi primera Encarta
El Sistema Solar
El Sol
Los planetas
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Las contribuciones más importantes a la mecánica clásica las hizo Isaac Newton (Woolsthorpe, Lincolnshire 1642 - Kensington, Middlesex 1727), quien la desarrolló como una teoría sistemática y fue uno de los iniciadores del cálculo como una herramienta matemática. fisicabuiles Home - fisicabuiles

El famoso poeta Alejandro Pope dijo refiriéndose a Newton: “La Naturaleza y las leyes naturales se ocultaban en la noche; Dios dijo “Que nazca Newton” y se hizo la luz”.



Aunque en la antigüedad muchos fenómenos eléctricos y magnéticos ya se habían estudiado, fue James Clerk Maxwell (Edimburgo 1831 - Cambridge 1879) quien elaboró la teoría unificada del electromagnetismo.
Una nueva etapa de la física, a la que se le conoce como física moderna, se inició al final del siglo XIX y se desarrolló debido, principalmente, al descubrimiento de que muchos fenómenos físicos no podían explicarse con la física clásica.


El primer científico destacado de esta época fue Max Plank (Kiel 1858 - Gotinga 1947), quien con sus estudios sobre la radiación del cuerpo negro en 1901 dedujo la hipótesis de la discontinuidad de la energía y la existencia de los cuantos (pequeñas porciones elementales de energía emitidas por la luz y el calor).




Antoine Henry Becquerel (París 1852 - Le Croisic, Bretaña 1908) Estudiando la fluorescencia y la fosforescencia descubrió la radioactividad natural, fenómeno que se presenta en el uranio y en algunos otros materiales radioactivos.

Pierre Curie (París 1859 - Íd 1906) y Marie Curie (Varsovia 1867 - Sancellemoz 1934), realizaron trabajos sobre radioactividad. Dos años después del descubrimiento de la radioactividad por Becquerel, los esposos Curie aislaron el radio y el polonio contenidos en la plechbenda por medio de un largo y dispendioso proceso físico-químico. Este descubrimiento actualmente se utiliza en medicina por medio de los rayos X, para observar el aparato óseo.




En el año de 1905 Albert Einstein presentó su teoría de la relatividad restringida y Ernest Rutherford la demostró experimentalmente en 1911 con un modelo nuclear del átomo. A. Einstein, le tomó diez años desarrollar los diferentes conceptos y describirlos en una compleja forma matemática denominada cálculo tensorial. La relatividad general se ha probado experimentalmente con éxito notable, especialmente en experimentos con campos gravitatorios débiles, pero, en los últimos tiempos, se ha avanzado sustancialmente en comprobaciones en campos gravitatorios superpotentes, como los que se presumen y, casi se asegura, que podrían haber en los agujeros negros.
En el año de 1913, Niels Bohr propuso el modelo atómico para el hidrógeno y estableció la teoría cuántica como un nuevo concepto de la naturaleza en general. A pesar de ser una de las más revolucionarias teorías para la ciencia, los científicos de la época tardaron diez años en aceptar la Teoría Cuántica.




En 1919 Ernest Rutherford (Nelson, Nueva Zelanda 1871 - Cambridge 1937), realizó la primera desintegración de un núcleo atómico por medio de las partículas alfa obtenidas del polonio.


La producción de átomos radioactivos en el laboratorio fue lograda por primera vez por Iréne Curie (París 1897 - Íd 1956) y su esposo Frédéric Joliot (París 1900 - Íd 1958) en el año 1934.


En el año de 1939 Otto Hahn (Frankfurt 187 - Gotinga 1968), F. Strassmann y Lisa Meitner (Viena 1879 - Cambridge 1968), llevaron a cabo la fisión del uranio. Cuando los Estados Unidos entraron a la Segunda Guerra Mundial se hicieron realidad las investigaciones que se venían adelantando sobre un dispositivo explosivo atómico. En Nuevo México el 16 de junio de 1945 ocurrió, por primera vez en la historia de la humanidad, una explosión nuclear.





En el momento este descubrimiento es aprovechado en campos como en la generación de energía eléctrica o en motores de grandes barcos.

La comunidad científica constantemente está trabajando para mejorar la comprensión de las leyes fundamentales, y cada día se hacen nuevos descubrimientos. Algunos de los avances actuales son:

Las misiones espaciales no tripuladas y los viajes a la Luna con tripulación.

Los microcircuitos y los computadores de alta velocidad.

Complejas técnicas de imagen usadas en la investigación científica y en la medicina.

Genoma humano o mapa genético.
LAS IDEAS DE ALGUNOS ASTRÓNOMOS SOBRE LA ESTRUCTURA DEL UNIVERSO


Teoría Geocéntrica. Si vemos el movimiento aparente del Sol, que sale por el este y se oculta por el oeste y agregamos que los planetas, la Luna y las constelaciones también siguen esta trayectoria en la noche, nos resultará fácil y natural pensar que la Tierra está quieta y que todos los cuerpos celestes giran a nuestro alrededor.

Así pensaba el filósofo griego Aristóteles, hacia el año 340 a. de C. Las ideas de Aristóteles fueron retomadas en el siglo II d. de C. por Ptolomeo, filósofo de Alejandría (Egipto), quien desarrolló un sistema para predecir la posición de los planetas.

En el modelo de Ptolomeo, los planetas, el Sol, la Luna y las estrellas se hallan unidos sobre esferas giratorias, dispuestas en forma concéntrica alrededor de la Tierra.

Teoría Heliocéntrica. La teoría geocéntrica fue aceptada hasta 1514, cuando Nicolás Copérnico, un clérigo polaco, predijo el movimiento de los planetas y las constelaciones en forma más sencilla que la propuesta por Ptolomeo. Copérnico reflexionó que si el Sol y las estrellas giraban alrededor de la Tierra en un día, éstos deberían moverse a gran velocidad dado que se encuentran muy lejos de nuestro planeta. Era más lógico pensar que la Tierra giraba alrededor de sí misma en un día. Copérnico, además, propuso que el Sol estaba en el centro del sistema y que la Tierra y los demás planetas giraban a su alrededor, en círculos.

Hacia 1609, el italiano Galileo Galilei, quien apoyaba la teoría de Copérnico, había perfeccionado un telescopio. Gracias a sus observaciones comprobó que no todos los cuerpos celestes debían girar alrededor de la Tierra.

Leyes de Kepler. El alemán Johannes Kepler, contemporáneo de Galileo, analizó una gran cantidad de posiciones de los planetas, realizadas cuidadosamente, durante muchos años, por el astrónomo danés Tycho Brahe. Gracias a este trabajo Kepler dispuso tres principios que permiten predecir el movimiento de los planetas.
Primera ley de órbitas: las órbitas de los planetas describen una trayectoria elíptica y el Sol se ubica en uno de los focos.
Segunda ley de áreas: los planetas barren áreas iguales en tiempos iguales.

Los planetas tardan más tiempo en completar un giro alrededor del Sol cuanto más lejos se encuentren de él. Esta ley permite calcular la distancia a la que se halla un planeta, conociendo el tiempo que tarda en dar una vuelta alrededor del Sol.
A partir de estas leyes, puede explicarse por qué los planetas describen en el cielo caminos en forma de lazo y puede saberse con precisión su posición en cualquier fecha.


Gravitación universal.
Isaac Newton, uno de los científicos más destacados de la historia, se formuló una pregunta que no abandonó hasta tener la solución, ¿por qué si los planetas y la Luna se mueven, no siguen trayectorias rectas, sino las elípticas descubiertas por Kepler? Hacia 1666 Newton dispuso que debía existir una fuerza de atracción que desviara los planetas, haciendo que describieran las trayectorias encontradas por Kepler.
Lo admirable en Newton es el haber demostrado la existencia de la fuerza como causa del movimiento de los planetas y su existencia en el universo. Ésta se denomina fuerza de gravedad y es la que mantiene a los planetas girando dentro del sistema solar, este a su vez girando dentro de la Vía Láctea y a ésta dentro del conglomerado del grupo local. La misma fuerza de gravedad es la que hace que las manzanas caigan de los árboles y que no flotemos, sino que nos sostengamos sobre nuestro planeta.





Con base en las leyes propuestas por Newton debemos tener en cuenta que: "la fuerza de
atracción entre dos objetos es mayor cuanto mayor sean sus masas y disminuyen cuanto mayor sea la distancia que los separa".

En nuestro sistema solar, el Sol es el cuerpo que tiene mayor masa. Su fuerza de atracción es tan grande que mantiene a los planetas girando a su alrededor. Debido a las grandes distancias que los separan del Sol, los planetas giran cada uno en una órbita individual. Entre más lejos estén del Sol menor es la fuerza de atracción (Neptuno y Plutón).
Los planetas tienen una masa mayor que la de sus satélites. Gracias a la fuerza de atracción, los satélites giran alrededor de los planetas, cumpliendo las mismas leyes de gravitación universal.


Teoría de la relatividad general. Hacia 1915, Albert Einstein explicó el movimiento de los planetas y de todos los objetos del universo, de forma diferente a la teoría de Newton. Einstein consideró la gravedad como consecuencia de una modificación en la forma del espacio, causado por la presencia y la cantidad de materia. De acuerdo con esta teoría, el espacio cambia su forma obligando a los objetos que allí se muevan a seguir caminos curvos. Esta curvatura del espacio sólo se aprecia cuando los objetos tienen mucha masa (planetas, galaxias). Entre mayor sea la masa de un objeto, mayor es la curvatura del espacio.









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