Saltar al contenido principal
LibreTexts Español

1.1: Los fundamentos de la física

  1. Última actualización
  2. Guardar como PDF
  • Page ID
    128550

    • Boundless
    • Boundless

    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

    \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)

    \( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    ( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)

    \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)

    \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)

    \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)

    \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    \( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)

    \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

    \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)

    \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)

    \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)

    \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)

    \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)

    \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)

    \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    \( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}}      % arrow\)

    \( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}}      % arrow\)

    \( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

    \( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)

    \( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)

    \( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)

    \( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)

    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

    \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)

    Introducción: Física y Materia

    La física es un estudio de cómo se comporta el universo.

    objetivos de aprendizaje

    • Aplicar la física para describir la función de la vida diaria

    La física es una ciencia natural que involucra el estudio de la materia y su movimiento a través del espacio y el tiempo, junto con conceptos relacionados como la energía y la fuerza. De manera más amplia, es el estudio de la naturaleza en un intento de entender cómo se comporta el universo.

    ¿Qué es la Física? : El señor Andersen explica la importancia de la física como ciencia. La historia y los ejemplos virtuales se utilizan para dar contexto a la disciplina.

    La física utiliza el método científico para ayudar a descubrir los principios básicos que rigen la luz y la materia, y para descubrir las implicaciones de esas leyes. Se supone que hay reglas por las que funciona el universo, y que esas leyes pueden ser entendidas al menos parcialmente por los humanos. También se cree comúnmente que esas leyes podrían usarse para predecir todo sobre el futuro del universo si se dispuso de información completa sobre el estado presente de toda la luz y la materia.

    Generalmente se considera que la materia es cualquier cosa que tenga masa y volumen. Muchos conceptos integrales al estudio de la física clásica involucran teorías y leyes que explican la materia y su movimiento. La ley de conservación de la masa, por ejemplo, establece que la masa no puede crearse ni destruirse. Otros experimentos y cálculos en física, por lo tanto, toman en cuenta esta ley a la hora de formular hipótesis para tratar de explicar los fenómenos naturales.

    La física tiene como objetivo describir la función de todo lo que nos rodea, desde el movimiento de pequeñas partículas cargadas hasta el movimiento de personas, automóviles y naves espaciales. De hecho, casi todo lo que te rodea puede ser descrito con bastante precisión por las leyes de la física. Considera un teléfono inteligente; la física describe cómo la electricidad interactúa con los diversos circuitos dentro del dispositivo. Este conocimiento ayuda a los ingenieros a seleccionar los materiales adecuados y el diseño del circuito al construir el teléfono inteligente. A continuación, considere un sistema GPS; la física describe la relación entre la velocidad de un objeto, la distancia sobre la que viaja y el tiempo que lleva recorrer esa distancia. Cuando usas un dispositivo GPS en un vehículo, utiliza estas ecuaciones físicas para determinar el tiempo de viaje de una ubicación a otra. El estudio de la física es capaz de hacer contribuciones significativas a través de los avances en las nuevas tecnologías que surgen de los avances teóricos.

    gps.jpeg

    Sistema de Posicionamiento Global: El GPS calcula la velocidad de un objeto, la distancia sobre la que viaja y el tiempo que tarda en recorrer esa distancia usando ecuaciones basadas en las leyes de la física.

    Física y Otros Campos

    La física es la base de muchas disciplinas y contribuye directamente a la química, la astronomía, la ingeniería y la mayoría de los campos científicos.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar por qué el estudio de la física es parte integral del estudio de otras ciencias

    Física y Otras Disciplinas

    La física es la base de muchas disciplinas importantes y contribuye directamente a otras. La química se ocupa de las interacciones de átomos y moléculas, por lo que tiene sus raíces en la física atómica y molecular. La mayoría de las ramas de la ingeniería son la física aplicada. En la arquitectura, la física está en el corazón de la estabilidad estructural y está involucrada en la acústica, la calefacción, la iluminación y la refrigeración de edificios. Partes de la geología dependen en gran medida de la física, como la datación radiactiva de rocas, el análisis sísmico y la transferencia de calor en la Tierra. Algunas disciplinas, como la biofísica y la geofísica, son híbridos de la física y otras disciplinas.

    covalent-bond-hydrogen.png

    Física en Química: El estudio de la materia y la electricidad en la física es fundamental para la comprensión de conceptos en química, como el enlace covalente.

    La física tiene muchas aplicaciones en las ciencias biológicas. A nivel microscópico, ayuda a describir las propiedades de las paredes celulares y las membranas celulares. A nivel macroscópico, puede explicar el calor, el trabajo y el poder asociados con el cuerpo humano. La física está involucrada en diagnósticos médicos, como rayos X, imágenes por resonancia magnética (MRI) y mediciones ultrasónicas del flujo sanguíneo. La terapia médica a veces involucra directamente la física: la radioterapia del cáncer usa radiación ionizante, por ejemplo. La física también puede explicar fenómenos sensoriales, como cómo los instrumentos musicales hacen sonido, cómo el ojo detecta el color y cómo los láseres pueden transmitir información.

    El límite entre la física y las demás ciencias no siempre es claro. Por ejemplo, los químicos estudian átomos y moléculas, que son de lo que se construye la materia, y hay algunos científicos que estarían igualmente dispuestos a llamarse físicos químicos o físicos químicos. Podría parecer que la distinción entre física y biología sería más clara, ya que la física parece tratar con objetos inanimados. De hecho, casi todos los físicos estarían de acuerdo en que las leyes básicas de la física que se aplican a las moléculas en un tubo de ensayo funcionan igualmente bien para la combinación de moléculas que constituye una bacteria. Lo que diferencia a la física de la biología es que muchas de las teorías científicas que describen a los seres vivos resultan en última instancia de las leyes fundamentales de la física, pero no pueden derivarse rigurosamente de los principios físicos.

    No es necesario estudiar formalmente todas las aplicaciones de la física. Lo más útil es el conocimiento de las leyes básicas de la física y la habilidad en los métodos analíticos para su aplicación. El estudio de la física también puede mejorar tus habilidades de resolución de problemas. Además, la física ha conservado los aspectos más básicos de la ciencia, por lo que es utilizada por todas las ciencias. El estudio de la física facilita la comprensión de otras ciencias.

    Modelos, teorías y leyes

    Los términos modelo, teoría y ley tienen significados exactos en relación con su uso en el estudio de la física.

    objetivos de aprendizaje

    • Definir los términos modelo, teoría y ley

    Definición de términos: Modelo, Teoría, Derecho

    En el uso coloquial, los términos modelo, teoría y ley a menudo se usan indistintamente o tienen diferentes interpretaciones que en las ciencias. En relación con el estudio de la física, sin embargo, cada término tiene su propio significado específico.

    Las leyes de la naturaleza son descripciones concisas del universo que nos rodea. No son explicaciones, sino declaraciones humanas de las reglas subyacentes que siguen todos los procesos naturales. Son intrínsecos al universo; los humanos no los crearon y no podemos cambiarlos. Sólo podemos descubrirlos y entenderlos. La piedra angular del descubrimiento de las leyes naturales es la observación; la ciencia debe describir al universo tal como es, no como nos imaginemos que es. Las leyes nunca pueden conocerse con absoluta certeza, porque es imposible realizar experimentos para establecer y confirmar una ley en cada escenario posible sin excepción. Los físicos operan bajo el supuesto de que todas las leyes y teorías científicas son válidas hasta que se observe un contraejemplo. Si un experimento de buena calidad y verificable contradice una ley bien establecida, entonces la ley debe ser modificada o derrocada por completo.

    Modelos

    Un modelo es una representación de algo que a menudo es demasiado difícil (o imposible) de mostrar directamente. Si bien el diseño de un modelo se justifica utilizando información experimental, solo es preciso en situaciones limitadas. Un ejemplo es el “modelo planetario” comúnmente utilizado del átomo, en el que los electrones se representan orbitando el núcleo, análogo a la forma en que los planetas orbitan el Sol. No podemos observar órbitas de electrones directamente, pero la imagen mental ayuda a explicar las observaciones que podemos hacer, como la emisión de luz de los gases calientes. Los físicos utilizan modelos para una variedad de propósitos. Por ejemplo, los modelos pueden ayudar a los físicos a analizar un escenario y realizar un cálculo, o pueden ser utilizados para representar una situación en forma de simulación por computadora.

    imagen

    Modelo planetario de un átomo: El modelo planetario del átomo en el que los electrones se representan orbitando el núcleo, análogo a la forma en que los planetas orbitan el Sol

    Teorías

    Una teoría es una explicación de patrones en la naturaleza que está respaldada por evidencia científica y verificada múltiples veces por diversos grupos de investigadores. Algunas teorías incluyen modelos para ayudar a visualizar fenómenos, mientras que otras no. La teoría de la gravedad de Newton, por ejemplo, no requiere un modelo o imagen mental, porque podemos observar los objetos directamente con nuestros propios sentidos. La teoría cinética de los gases, por otra parte, hace uso de un modelo en el que un gas es visto como compuesto de átomos y moléculas. Los átomos y las moléculas son demasiado pequeños para ser observados directamente con nuestros sentidos; así, los imaginamos mentalmente para entender lo que nuestros instrumentos nos dicen sobre el comportamiento de los gases.

    Leyes

    Una ley utiliza un lenguaje conciso para describir un patrón generalizado en la naturaleza que se sustenta en evidencia científica y experimentos repetidos. A menudo, una ley se puede expresar en forma de una sola ecuación matemática. Las leyes y teorías son similares en que ambas son afirmaciones científicas que resultan de una hipótesis probada y están respaldadas por evidencia científica. Sin embargo, la ley de designación está reservada para una declaración concisa y muy general que describa fenómenos en la naturaleza, como la ley de que la energía se conserva durante cualquier proceso, o la segunda ley del movimiento de Newton, que relaciona la fuerza, la masa y la aceleración por la simple ecuación\(F=ma\). Una teoría, en contraste, es una declaración menos concisa de los fenómenos observados. Por ejemplo, la Teoría de la Evolución y la Teoría de la Relatividad no pueden expresarse de manera suficientemente concisa como para considerarse una ley. La mayor diferencia entre una ley y una teoría es que una ley es mucho más compleja y dinámica, y una teoría es más explicativa. Una ley describe un solo punto observable de hecho, mientras que una teoría explica todo un grupo de fenómenos relacionados. Y, mientras que una ley es un postulado que forma la base del método científico, una teoría es el resultado final de ese proceso.

    Puntos Clave

    • La física es una ciencia natural que involucra el estudio de la materia y su movimiento a través del espacio y el tiempo, junto con conceptos relacionados como la energía y la fuerza.
    • Generalmente se considera que la materia es cualquier cosa que tenga masa y volumen.
    • Las leyes y teorías científicas expresan las verdades generales de la naturaleza y el cuerpo de conocimiento que engloban. Estas leyes de la naturaleza son reglas que todos los procesos naturales parecen seguir.
    • Muchas disciplinas científicas, como la biofísica, son híbridos de la física y otras ciencias.
    • El estudio de la física abarca todas las formas de la materia y su movimiento en el espacio y el tiempo.
    • La aplicación de la física es fundamental hacia contribuciones significativas en las nuevas tecnologías que surgen de los avances teóricos.
    • Los conceptos en física no pueden ser probados, solo pueden ser apoyados o desprobados a través de la observación y experimentación.
    • Un modelo es una representación basada en la evidencia de algo que es demasiado difícil o imposible de mostrar directamente.
    • Una teoría es una explicación de patrones en la naturaleza que está respaldada por evidencia científica y verificada múltiples veces por diversos grupos de investigadores.
    • Una ley utiliza un lenguaje conciso, a menudo expresado como una ecuación matemática, para describir un patrón generalizado en la naturaleza que está respaldado por evidencia científica y experimentos repetidos.

    Términos Clave

    • materia: El componente estructural básico del universo. La materia suele tener masa y volumen.
    • método científico: Un método para descubrir conocimientos sobre el mundo natural basado en hacer predicciones falsificables (hipótesis), probarlas empíricamente y desarrollar teorías revisadas por pares que expliquen mejor los datos conocidos.
    • aplicación: el acto de poner algo en funcionamiento
    • Modelo: Una representación de algo difícil o imposible de mostrar directamente
    • Ley: Una descripción concisa, generalmente en forma de ecuación matemática, utilizada para describir un patrón en la naturaleza
    • teoría: Una explicación de patrones en la naturaleza que está respaldada por evidencia científica y verificada múltiples veces por diversos grupos de investigadores

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

    This page titled 1.1: Los fundamentos de la física is shared under a not declared license and was authored, remixed, and/or curated by Boundless.