introducción a la física y movimiento rectilíneo uniforme

Profesor: Sergio Mirazo (2020) [LECTURAS DE INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA: ARJÉ CLUB DE CIENCIAS]

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Introducción a la Física y Movimiento Rectilíneo Uniforme

1. Método científico

El conocimiento humano está basado en el estudio de las acciones físicas sobre el

entorno, ya sean intencionales o accidentales. Este método se ha perfeccionado y

sistematizado a lo largo de los siglos y, hoy en día se conoce como método científico.

Si bien el método científico, no cuenta con reglas estrictas que dicten lo que hay

que hacer para obtener información, existe el acuerdo de que debe seguirse los siguientes

pasos:

1. Planteamiento del problema: Responde a qué se va estudiar y qué problema se

desea resolver.

2. Elaboración de un marco teórico y descripción del fenómeno que se analiza:

Investigación en diversas fuentes (bibliográficas, electrónicas, etcétera) sobre el

problema de interés. La descripción puede ser cualitativa o cuantitativa. Es

cualitativa o verbal si se expresa mediante palabras. Es cuantitativa o numérica

cuando la descripción incluye números.

3. Planteamiento de la hipótesis: Con base en el marco teórico, se hace una

predicción acerca de la posible solución.

4. Desarrollo teórico o del experimento: Se pone a prueba la hipótesis, mediante la

observación o desarrollo teórico de ideas y conceptos, o bien, por la realización de

diversas actividades que requieran la medición y comparación de diferentes

atributos del fenómeno u objeto sobre cual se ha planteado la hipótesis. Su

objetivo es explicar el fenómeno planteado.

5. Obtención y registro de conclusiones: Después del análisis, se determinan los

hechos que confieren validez o invalidez a la hipótesis. Asimismo, se presentan los

nuevos problemas surgidos durante el desarrollo del experimento.


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RAMAS DE ESTUDIO DE LA FÍSICA:

Mecánica clásica

• Cinemática: Del griego kinein. Esta rama estudia el movimiento de los sólidos sin considerar las causas que lo originan.

• Dinámica: Rama de la física que estudia el movimiento de sólidos considerando las causas que lo originan.

Mecánica de fluidos

• Hidrostática: Estudia líquidos en reposo.

• Hidrodinámica: Estudia líquidos en movimiento.

• Aerostática: Estudia gases en reposo.

• Aerodinámica: Estudia gases en movimiento.

Termología

Termometría: Rama que mide la temperatura (energía térmica promedio molecular).

Termodinámica: Rama que estudia el intercambio de energía térmica en un sistema físico.

Electromagnetismo

• Electrostática: Estudia cargas eléctricas en reposo.

• Magnetostática: Estudia fenómenos magnéticos en reposo.

• Electrodinámica: Estudia cargas eléctricas en movimiento.

Óptica

Difracción: Estudia la propagación de luz.

Interferencia: Estudia la interacción de la luz con distintas fuentes de luz.

Física moderna

Mecánica relativista: Estudia el movimiento considerando la curvatura del espacio y tiempo.

Mecánica cuántica: Estudia las interacciones al nivel atómico y molecular.


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2. Unidades de medición en la Física

Al terminar este apartado aprenderás:

1. Escribir las unidades fundamentales de masa, longitud y tiempo en el Sistema

Internacional (SI) y en el Sistema Británico.

2. Definir y aplicar los prefijos del SI que indican múltiplos de unidades básicas.

3. Convertir la misma cantidad, de una a otra unidad cuando se haya establecido una

equivalencia.

4. Definir la masa y el peso.

Magnitud: Es una cantidad física se especifica completamente por medio de un número y

una unidad, por ejemplo: 20 m, 40 L, o 250 g. El sistema internacional es:

Cantidad Unidad Símbolo

Longitud Metros m

Masa Kilogramos kg

Tiempo Segundos s

Corriente eléctrica Amperios A

Temperatura Grados Centígrados ºC

frecuencia Hertzio Hz

Cantidad de sustancia Mole mol

Ángulo Radián rad

Ángulo sólido Esterradián sr

Tabla 1. Unidades básicas del SI.

PREFIJOS Y SUFIJOS: Son múltiplos y se usan para expresar magnitudes de números muy

grandes o números muy chicos en una escala más ajustada para su lectura. Por ejemplo el

prefijo kilo [k] multiplica por 1000 la magnitud. Mientras que el prefijo mili [m] multiplica

por 0.001. En la siguiente tabla se muestran todos los prefijos y sufijos más usuales:

Sistema Internacional

mks (Metros, kilogramos,

segundos)

[m, kg, s]

cgs (centímetros, gramos,

segundos)

[cm, g, s]


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Símbolo Multiplicador

Sufi

jos

Nano [ ] Micro [ ] Mili [m]

Centi [c]

Pre

fijo

s Deca [d]

Kilo [k] Mega [M] Giga [G]

Tabla 2. Prefijos y sufijos más usuales.

Algunos ejemplos de unidades con prefijos y sufijos son los kilómetros (km), donde

1 km es igual a 1000 metros (m). De igual manera, 1 kilogramo (kg) es igual a 1000 gramos

(g). Otro ejemplo son los milímetros donde 1 milímetro (mm) es igual a 0.001 metros (m).

De la misma manera, 1 miligramo (mg) es igual a 0.001 gramos (g), o bien, 1 mililitro (mL)

es igual a 0.001 litros (L), etc.

Cantidad Unidad británica Unidad SI

Longitud 1 Pulgada [1 in] 2.54 cm = 0.025 m

1 Pie [1 ft] 30.48 cm = 0.305 m

1 Yarda [1 yd] 91.44 cm = 0.914 m

1 Milla [1 mi] 1609 m = 1.609 km

Masa 1 Onza [1 Oz] 28.35 g = 0.028 kg

Libras [1 Lb] 453.6 g = 0.453 kg

Temperatura 1 grado Fahrenheit [1°F] Tabla 3. Unidades británicas y su equivalente en el SI.

EJEMPLOS DE CONVERSIÓN DE UNIDADES:

1. Convertir 28 millas a metros.

El primer paso es establecer la equivalencia, en este caso, de la tabla 3 sabemos que 1

milla (mi) es igual a 1609 metros (m), es decir:

El segundo paso es identificar qué unidades se quieren convertir, en este caso 28

millas a metros, entonces, como no sabemos cuántos metros corresponden 28 millas le

asignamos un símbolo de interrogación:

El tercer paso es escribir las equivalencias respetando las columnas, es decir, del

lado izquierdo de la igualdad deben ir las millas y del lado derecho los metros para este

caso:


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Por último hacemos la regla de tres y multiplicamos cruzado 28 por 1609 y

dividimos entre 1 (siempre se divide entre el número opuesto al signo de interrogación):

2. Convertir 58 Onzas a gramos.

De la tabla 3 sabemos que 1 Onza es igual a 28.35 gramos. Hacemos directamente la regla

de tres:

Multiplicamos cruzado y dividimos entre 1 Oz:

3. Convertir 21,000 metros a millas.

Sabemos que 1 milla son 1609 metros. Hacemos la regla de tres:

Ahora multiplicamos cruzado y dividimos entre 1,609 m:

4. Convertir 4.5 kilogramos a libras:

De la tabla 3 notamos que 1 Libra es igual a 0.453 kilogramos. Hacemos la regla de tres:

Multiplicamos cruzado y dividimos entre 0.453 kg


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Existen unidades de medición más complejas como lo son las unidades de velocidad y

densidad. La velocidad, en el subsistema mks se mide en metros sobre segundos ( ),

mientras que en el sistema británico se mide en millas por hora (mph). La densidad se

mide en kilogramos sobre metro al cubo ( ) en el mks, y en gramos sobre mililitro

( ) en cgs.

NOTACIÓN CIENTÍFICA: La notación científica permite expresar números exageradamente

grandes o exageradamente pequeños sin necesidad de escribir todas sus cifras. Por

ejemplo, la masa del Sol son . Esto quiere decir que a partir del punto

decimal se cuentan 30 cifras, es decir 1989 y 27 ceros:

1989000000000000000000000000000 kg. Otro ejemplo de notación científica para un

número exageradamente pequeño es el valor de la longitud de onda del color azul, el cuál

es igual a 450 nanómetros (450 nm). Anteriormente vimos que los nanómetros son un

prefijo con valor multiplicativo de . Por lo tanto:

Para tener una idea de cuán pequeño es este número, contamos 7 cifras hacia la izquierda

a partir del punto decimal, ésto lo hacemos así debido a que un número con exponente

negativo indica que está dividiendo a la unidad (al 1):

3. Concepto de velocidad y aceleración

La velocidad se define como la distancia recorrida en cierto tiempo transcurrido. Es decir,

para calcular la velocidad promedio simplemente dividimos la distancia recorrida entre el

tiempo que se tarda en recorrer la distancia:

o bien, la velocidad instantánea es:

Por ejemplo, si queremos calcular la velocidad promedio a la cual se desplaza un

carro desde Hermosillo hasta Bahía de Kino. La distancia entre Hermosillo y Kino es de

115.3 km. Suponiendo que se tardó en recorrer 72 minutos, ¿Cuál es la velocidad en

kilómetros por hora?

Primero tenemos que verificar que las unidades que da el problema como datos

sean correspondientes con las unidades en que pide el problema expresar. En este caso el

problema nos pide expresar velocidad en kilómetros por hora, entonces la distancia debe


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estar en kilómetros y el tiempo en horas. Sin embargo el tiempo que nos proporcionan

está en minutos, habrá que convertirlo en horas. Para ello, sabemos que 1 hora es igual a

60 minutos. Hacemos la regla de 3:

Multiplicamos cruzado y dividimos entre 60 min (porque está opuesto al signo de

interrogación):

Con esto, ya cumplimos el primer requisito. Ahora podemos sustituir los datos correctos

en la fórmula para velocidad:

La velocidad promedio es de 96.083 kilómetros por hora. Ahora, ¿Cómo

convertimos de kilómetros por hora (km/h) a metros sobre segundo (m/s)? Para ello

tenemos que asignar fracciones equivalentes para la regla de 3. Es decir, sabemos que 1 h

= 3,600 s y 1 km = 1,000 m. Hacemos la regla de 3:

Multiplicamos cruzado y dividimos entre 1 km/h:

GRÁFICA DE POSICIÓN CONTRA TIEMPO:

El estudio del movimiento requiere analizar el comportamiento de la distancia que recorre

el objeto en determinado tiempo. En el plano cartesiano, se acostumbra a poner en el eje

Y a la variable dependiente (la función) y en el eje X a la variable independiente. Es decir,

que la distancia puede variar con el tiempo. Por ejemplo, si un objeto viaja con una

velocidad uniforme de 30 m/s, esto quiere decir que recorre 30 metros con cada segundo

que pasa. Por lo tanto, si pasan 2 segundos, entonces se recorren 60 metros, y así

sucesivamente. Entonces la gráfica es una línea recta, porque habíamos encontrado que


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la distancia es d = v*t , mientras que la ecuación de la línea recta es y = m*x cuando ésta

pasa por el origen. Dado que las dos ecuaciones tienen la misma forma, aún con

diferentes letras, entonces sus gráficas son iguales:

EJERCICIOS PROPUESTOS SOBRE CONVERSIÓN DE UNIDADES Y VELOCIDAD:

1. Convertir 592 yardas a metros.

2. Convertir 9 pies a metros.

3. Convertir 48 pulgadas a centímetros.

4. Convertir 180 minutos a horas.

5. Convertir 240 minutos a horas.

6. Convertir 2 horas a segundos.

7. Convertir 13 millas a kilómetros.

8. Convertir 120 kilómetros por hora a metros por segundo.

9. Convertir 85 millas por hora a kilómetros por hora

10. Convertir 105 millas por hora a metros por segundo.

11. Convertir 61 metros por segundo a kilómetros por hora.

12. Convertir 15 millas por hora a metros por segundo.

13. Convertir 67 kilómetros por hora a metros por segundo.

0

30

60

90

120

1s 2s 3s 4s

Distancia vs tiempo

Distancia vs tiempo


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VELOCIDAD PROMEDIO:

De la siguiente gráfica, tenemos el comportamiento de un cuerpo moviéndose respecto al

tiempo. Para calcular la velocidad en cada intervalo, necesitamos la fórmula para

velocidad promedio:

Por ejemplo, la velocidad en el intervalo A, que es desde 0s hasta 4s recorre 4m. Entonces,

su velocidad promedio es:

Ahora, la velocidad en el intervalo B, que es desde 4s hasta 8s, vemos que la posición es la

misma, quiere decir que su velocidad es cero (porque está en reposo durante ese tiempo).

Después, en el intervalo C, que va desde los 8s hasta los 12s, la velocidad promedio es:

De estos resultados podemos concluir que el objeto incrementa su velocidad en el

intervalo C, y que permanece en reposo durante el intervalo B.

Fig. 1. Gráfica de distancia sobre tiempo del objeto


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Bibliografía recomendada

[1] Slisko Josip. (2018). "Física 1". Editorial Pearson. Quinta Edición: México. 240p.

[2] Tippens Paul E. (1991). "Física Básica". Editorial Mc Graw Hill. Primera Edición: México. 580p.

[3] Pérez-Montiel Héctor. (2018). "Física 1". Editorial Patria. Segunda edición: México. 228p.

[4] Landau, L. y A. Kitaigorodsky. (1975). "Física para todos". Editorial Mir: Moscú Rusia.

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