La Física es la ciencia que se ocupa de describir los principios fundamentales de la naturaleza, de explicar por qué las cosas se comportan de cierta manera y no de otra en el universo. Pero para encontrar explicaciones acertadas, es preciso realizar mediciones.
Las medidas
o mediciones son el objetivo de la ciencia, porque con ellas se pueden
construir modelos que predicen el comportamiento de los sistemas. ¿Y qué es un
sistema? Pues es una porción del universo en la que fijamos nuestra atención para
ser estudiada.
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La Física se ocupa de crear modelos que expliquen el comportamiento del universo. Fuente: Pixabay. |
El tamaño del sistema elegido no importa: puede ser una galaxia, un átomo, un automóvil, una pelota… La Física busca establecer relaciones entre magnitudes que pueden ser observadas y medidas, tales como distancia, tiempo, fuerza y otras.
Cuando se
encuentran estas relaciones, los científicos construyen modelos, que les
permiten acercarse más o menos a la realidad y predecir el comportamiento del
sistema. Los modelos no son perfectos, se van construyendo poco a poco,
agregando más detalles a medida que se van incorporando más hechos.
El
movimiento rectilíneo uniforme es un ejemplo de modelo físico. Supone que el
objeto en movimiento se desplaza a lo largo de una línea recta con velocidad
constante. Pero sabemos que no siempre es así, que los objetos se mueven de
muchas maneras diferentes, entonces para describir estas situaciones hay que
aplicar modelos diferentes.
El modelo de partícula
Con este
modelo iniciamos nuestro estudio de la Física. Cuando estudiemos un sistema como
una pelota, un planeta o un carro, vamos
a suponer que el tamaño es irrelevante.
Entonces el
objeto puede ser representado como un punto donde está toda la masa
concentrada, pero carente de dimensiones. Esto, como sabemos todos, no es cierto
en el caso de la mayor parte de los objetos que nos rodean. Pero es un modelo
que funciona muy bien para muchas situaciones, porque simplifica numerosos aspectos.
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| La Física puede revelar muchos aspectos del movimiento planetario suponiendo que los planetas son partículas, es decir, sin tomar en cuenta su tamaño o su forma. Fuente: Memebase. |
Las
magnitudes físicas
Son las
propiedades medibles de los sistemas físicos. Se clasifican de varias formas,
por ejemplo en magnitudes fundamentales y magnitudes derivadas. También hay
magnitudes escalares y magnitudes vectoriales.
En
mecánica, que es nuestro primer objetivo de estudio, las magnitudes
fundamentales son tres: masa, longitud y tiempo.
La magnitud
tiempo es muy importante para
describir los eventos, ya que al estudiar un fenómeno cualquiera, siempre
conviene responder la pregunta: ¿Cuánto
dura?
Por otra
parte, las cosas ocupan el espacio. Como nos interesa saber la forma en que el
espacio está ocupado, nos preguntamos ¿Cuánto
mide? De allí que la longitud
sea considerada una magnitud fundamental.
Y
finalmente, las cosas están hechas de materia, por lo tanto, nos preguntamos
también ¿Cuánta materia hay? Por eso la masa también es una magnitud
fundamental.
De estas
tres magnitudes derivan todas las demás que usamos en el estudio de la
Mecánica, el cual por cierto incluye la Cinemática y la Dinámica.
Entre las
primeras magnitudes derivadas que estudiamos está la velocidad, que es longitud
/ tiempo, y también está la aceleración, que es longitud/ tiempo2. Con
ellas y otras más, podemos describir el movimiento de un cuerpo.
Magnitudes escalares y
magnitudes vectoriales
En cuanto a
las magnitudes escalares y las vectoriales, las primeras se expresan mediante
un valor numérico y la unidad correspondiente. Con eso basta. Ejemplos de
magnitudes escalares son el tiempo, la temperatura, el volumen y la distancia.
Si decimos
que una clase dura 90 minutos, esa información es suficiente para caracterizar
la duración de la misma. Los minutos serán los mismos independientemente de si
la clase se recibe en el salón o se dicta en línea.
Pero las
magnitudes vectoriales son distintas. Requieren el aporte de más información, de
tipo geométrico y espacial, para quedar completamente definidas.
Ejemplo de
magnitud vectorial es la velocidad. Para especificar completamente la velocidad
no basta con decir que un automóvil se mueve a 90 km/h. Es preciso indicar en
que dirección lo hace y cuál es el sentido que lleva.
Estos tres
atributos:
- Magnitud o valor numérico
- Dirección
- Sentido
Son
necesarios para describir adecuadamente el vector. ¿Y de qué manera podemos
expresarlos?
Una forma
puede ser con palabras:
Diríamos que un automóvil va a 90 km/h en la carretera
66 en sentido oeste. La magnitud de esta velocidad es 90 km/h, la dirección es
la carretera 66 y el sentido es oeste.
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| La ruta 66 es una conocida vía de los Estados Unidos en dirección Este-Oeste. Fuente: Pixabay. |
Por
supuesto, veremos más adelante formas alternativas compactas de expresar este y
cualquier otro vector, pero para comenzar, una descripción verbal o con
palabras es suficiente.
Las
dimensiones
La
dimensión de una magnitud física es la combinación de magnitudes elementales
que la componen. Por ejemplo, la velocidad tiene dimensiones de longitud entre
tiempo, lo cual se abrevia como L /T, ya que las dimensiones se denotan con
letras mayúsculas.
Otro
ejemplo, la fuerza que es masa por aceleración tiene dimensiones de M . L /T2.
Todas las magnitudes que vemos en Mecánica tienen dimensiones dadas por alguna
de estas tres: M, L y T o sus combinaciones.
El análisis dimensional
En la
Física se manejan muchas ecuaciones, expresiones algebraicas separadas por un
símbolo de igualdad. Una ecuación conocida es la que permite calcular la
distancia en el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado:
d = vot + (1/2)a.t2
Donde d representa la distancia, vo es la velocidad inicial
del móvil, t es el tiempo y a es la aceleración.
La
distancia tiene dimensiones de longitud, por lo tanto, es preciso que los
términos que están a la derecha de la igualdad también tengan dimensiones de
longitud L.
A esto se
le conoce como homogeneidad dimensional.
Podemos
verificar las dimensiones de cada uno de los términos por separado. Como
solamente se pueden sumar términos con las mismas dimensiones, cada uno de
ellos deberá tener dimensiones de longitud L. Veamos:
- El término vot tiene
dimensiones de (L/T).T = L
- Y el término at2
tiene dimensiones de (L/T2)T2 = L
Nótese que
el coeficiente ½ no cuenta para las dimensiones, pues es un número puro y por
consiguiente carece de ellas, entonces se dice que es adimensional.
Ahora que verificamos que ambos términos tienen dimensiones
de longitud L, estamos seguros de que se pueden sumar y dar como resultado un
valor que también tiene dimensiones de longitud, tal como se exige de la
distancia.
Comprobar las
dimensiones de una ecuación es importante, ya que si existe discrepancia entre
las ellas, seguro que la ecuación no es correcta. Sin embargo, el
hecho de que las dimensiones sean adecuadas no garantiza que la ecuación esté bien (podría haber un número faltante o un signo errado, por ejemplo).
Los
sistemas de unidades
Se requiere
un patrón de comparación que todos manejen, para expresar adecuadamente una
magnitud. El proceso de medición consiste en comparar lo que queremos medir con
ese patrón.
Supongamos que se necesita establecer la longitud de determinada pieza. Lo usual en la mayoría de los países es que las
longitudes vengan dadas en metros. Pero en Estados Unidos se emplean pies y pulgadas, entre otras unidades.
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| Muchas cintas métricas ya vienen calibradas en centímetros (y milímetros) y en pulgadas también. Fuente: Pxfuel. |
Lo que
haríamos para conocer la longitud de la pieza es comparar su longitud con la de
nuestro patrón, sea en metros o pulgadas, y decir cuantas veces este patrón está contenido en dicha
longitud.
Supongamos
que nos decidimos por el metro y la pieza en cuestión mide 4 metros. Nuestro patrón de medida está contenido 4 veces en la longitud de dicha pieza. O nuestra pieza tiene 4
veces el tamaño de nuestro patrón, como queramos expresarlo.
La
comunidad científica utiliza el Sistema Internacional de Unidades, abreviado SI, basado en el
metro para las longitudes, el kilogramo para la masa y el segundo para el
tiempo. Es conveniente que todos unifiquemos el criterio de las medidas, de tal
manera que una medida tenga el mismo significado para todas las personas.
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| Las primeras unidades de longitud utilizadas por la humanidad fueron sus dimensiones corporales. Imagen tomada de Pinterest.es. |
Definición de metro
El metro se
define en función de la velocidad de la luz en el vacío, que es una constante
universal. Por lo tanto, un metro es la distancia que la luz recorre en el vacío
durante un intervalo de tiempo equivalente a 1/299 792 458 segundos.
Definición de segundo
Equivale
al tiempo que dura 1 oscilación
asociada a la transición atómica entre dos niveles del átomo de Cesio-133
multiplicado por 9 192 631 770.
Definición de kilogramo
Según la
actualización hecha en mayo del 2019, el kilogramo se define actualmente en función
de la constante de Planck, otra constante de la naturaleza.
El valor de
esta constante, denotada como h es: 6.626 070 040 x 10-34 kg
m2 s -1, con el metro y el segundo definidos como vimos
más arriba.
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| Max Planck fue un físico alemán, reconocido como uno de los creadores de la teoría cuántica. Fuente: Wikimedia Commons. |
Anteriormente, el kilogramo era una pesa hecha de aleación
iridio-platino, guardada en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en
París, Francia. Pero esta definición, de acuerdo a los científicos, hace del
nuevo patrón uno mucho más estable.
Después de todo, la pesa de iridio-platino estaba sujeta a
variaciones por cambios de temperatura y el paso del tiempo. Asimismo, se afectaban
las copias distribuidas en todos los laboratorios de metrología del mundo, a
partir de las cuales se hacían los demás patrones.
Referencias
- Figueroa, D. Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 1. Cinemática.
- Serway, R. Física para Ciencias e Ingeniería.
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