Física

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Caída libre

Es el movimiento de un cuerpo bajo la acción exclusiva de un campo gravitatorio. Esta definición formal excluye a todas las caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia aerodinámica del aire, así como a cualquier otra que tenga lugar en el seno de un fluido.

Caída libre ideal. En la caída libre ideal, se desprecia la resistencia aerodinámica que presenta el aire al movimiento del cuerpo, analizando lo que pasaría en el vacío. En esas condiciones, la aceleración que adquiriría el cuerpo sería debida exclusivamente a la gravedad, siendo independiente de su masa.

Por lo tanto, si partimos de un cuerpo que se mueve en caída, sometido solamente a la fuerza gravitacional v tendríamos:

– g : constante.

considerando vertical el eje y, con el sentido positivo hacia arriba, la aceleración de la gravedad es vertical hacia abajo, por lo que la señalamos con signo negativo:

la velocidad que alcanza el móvil tiempo cb0768c0bd659f2f84fb5ef9f4b74f336123d915 Caída libre es igual a la velocidad inicial 60faad24775635f4722ccc438093dbbfe05f34ae Caída libre que el cuerpo tenía aceleración 02d3006c4190b1939b04d9b9bb21006fb4e6fa4a Caída libre mas la aceleración de la gravedad ecc456e58b207759836214cb501a1aa1af3be5bd Caída libre por el incremento de tiempo, si 129dee73708133aabd89cd4adf5f38ebcaf23a86 Caída libre entonces:d1ca30324c28ae9f680010734abf5403c5d0c127 Caída libre

si el cuerpo se deja caer desde el reposo 75c1edc4b0940bd796b52760429c00f84be1a76a Caída libre, entonces:

73ed3f5ef9c448d90eb0535b8d5fd7b7c4e8d1df Caída libre

Ecuación del movimiento.

De acuerdo a la segunda ley de Newton, la fuerza “F” que actúa sobre un cuerpo es igual al producto de su masa “M” por la aceleración que adquiere. En caída libre sólo intervienen el peso “p” (vertical, hacia abajo) y el rozamiento aerodinámico “v” en la misma dirección, y sentido opuesto a la velocidad. Dentro de un campo gravitatorio aproximadamente constante, la ecuación del movimiento de caída libre.

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La velocidad

La velocidad es una magnitud física de carácter vectorial que expresa la distancia recorrida por un objeto en la unidad de tiempo. Se representa por 4f9a0b99f33337761cdf1577409d136ec3719a50 La velocidado a34b5a95c7be71f5808f48b570cef9177096701b La velocidad(en la escritura manuscrita). En análisis dimensional sus dimensiones son [L]/[T].​ Su unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el metro por segundo (símbolo, m/s).

La velocidad que experimenta un movimiento se puede estudiar de la siguiente forma:

  • Velocidad en mecánica clásica.

Velocidad media. La velocidad media se define como el cambio de posición durante un intervalo de tiempo considerado. Se calcula dividiendo el vector desplazamiento (Δr) entre el escalar tiempo(Δt) empleado en efectuarlo.

De acuerdo con esta definición, la velocidad media es una magnitud vectorial (ya que es el resultado de dividir un vector entre un escalar).

Por otra parte, si se considera la distancia recorrida sobre la trayectoria durante un intervalo de tiempo dado, tenemos la velocidad media sobre la trayectoria o celeridad media, la cual es una magnitud escalar.

El módulo del vector velocidad media, en general, es diferente al valor de la velocidad media sobre la trayectoria. Solo serán iguales si la trayectoria es rectilínea y si el móvil solo avanza (en uno u otro sentido) sin retroceder.

Velocidad instantánea. 

La velocidad instantánea es un vector tangente a la trayectoria, corresponde a la derivada del vector posición respecto al tiempo.

Permite conocer la velocidad de un móvil que se desplaza sobre una trayectoria cuando el intervalo de tiempo es infinitamente pequeño, siendo entonces el espacio recorrido también muy pequeño, representando un punto de la trayectoria. La velocidad instantánea es siempre tangente a la trayectoria.

Donde 59434a6d5cff544b93f9ccaf33ba477c26e4646f La velocidad es un vector (vector de módulo unidad) de dirección tangente a la trayectoria del cuerpo en cuestión y eca0f46511c4c986c48b254073732c0bd98ae0c1 La velocidad es el vector posición, ya que en el límite los diferenciales de espacio recorrido y posición coinciden.

Velocidad promedio. La velocidad promedio es el promedio de la magnitud de la velocidad final e inicial concluyendo a la aceleración constante.

Celeridad instantánea.  La celeridad o rapidez instantánea es una magnitud escalar definida como el módulo de la velocidad instantánea, esto es, el módulo del vector velocidad en un instante dado.

Velocidad relativa. El cálculo de velocidades relativas en mecánica clásica es aditivo y encaja con la intuición común sobre velocidades; de esta propiedad de la actividad surge el método de la velocidad relativa. La velocidad relativa entre dos observadores A y B es el valor de la velocidad de un observador medida por el otro. Las velocidades relativas medidas por A y B serán iguales en valor absoluto pero de signo contrario. Denotaremos al valor la velocidad relativa de un observador B respecto a otro observador A como 995685ae97397d70e2e7ea7200631c15c8e23e95 La velocidad.

Dadas dos partículas A y B, cuyas velocidades medidas por un cierto observador son 46663a5b9ae2536f2137d3f90b58233cc4d34c89 La velocidad y 728893ee122e9ecdcfca8c9cdbea58455315929c La velocidad, la velocidad relativa de B con respecto a A se denota como 995685ae97397d70e2e7ea7200631c15c8e23e95 La velocidad.

Velocidad angular. La velocidad angular no es propiamente una velocidad en el sentido anteriormente definido, ya que no se refiere al desplazamiento de un cuerpo sobre una trayectoria a un movimiento de rotación.

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Gravedad

La gravedad es un fenómeno natural por el cual los objetos con masa son atraídos entre sí, efecto mayormente observable en la interacción entre los planetas, galaxias y demás objetos del universo. Es una de las cuatro interacciones fundamentales que origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico. También se denomina interacción gravitatoria o gravitación.

  • Un ejemplo cotidiano.
    Si un cuerpo pesado está situado en las proximidades de un planeta, un observador a una distancia fija del planeta medirá una aceleración del objeto dirigida hacia la zona central de dicho planeta, si el objeto no está sometido al efecto de otras fuerzas. En la superficie de la Tierra, la aceleración originada por la gravedad es 9,80665 m/s², aproximadamente.
  • Otro de los ejemplos que podemos ver en nuestro día a día esta en el momento que saltamos, es eminente que volveremos a caer, esto se debe a la atracción de la tierra hacia el centro de esta propiciada por la gravedad.

 

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El sistema internacional de unidades

Se conoce como ” Sistema internacional de unidades o SI”, es el sistema de unidades que se usa en todos los países del mundo, a excepción de tres —Birmania, Estados Unidos y Liberia — que no lo han declarado prioritario o único. Es el heredero del antiguo sistema métrico decimal y por ello también se conoce como «sistema métrico».

Las unidades pueden llevar prefijos del Sistema Internacional: múltiplos (ejemplo: kilo indica mil; 1 km = 1000 m), o submúltiplos (ejemplo: mili indica milésima; 1 mA = 0.001 A).

  • Múltiplos (en mayúsculas a partir de Mega): deca (da), hecto (h), kilo (k), mega (M), giga (G), tera (T), peta (P), exa (E), zetta (Z), yotta (Y).
  • Submúltiplos (en minúsculas): deci (d), centi (c), mili (m), micro (μ), nano (n), pico (p), femto (f), atto (a), zepto (z), yocto (y).

En el caso de la masa, la unidad básica es el kilogramo en lugar del gramo, siendo esta la única unidad básica que lleva un prefijo.

Unidades derivadas.

Mediante esta denominación se hace referencia a las unidades utilizadas para expresar magnitudes físicas que son resultado de combinar magnitudes físicas básicas.

Si estas son longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de substancia o intensidad luminosa, se trata de una magnitud básica. Todas las demás son derivadas.

Ejemplos de unidades derivadas

  • Unidad de volumen o metro cúbico, resultado de combinar tres veces la longitud.
  • Unidad de densidad o cantidad de masa por unidad de volumen, resultado de combinar masa (magnitud básica) con volumen (magnitud derivada). Se expresa en kilogramos por metro cúbico. Carece de nombre especial.
  • Unidad de fuerza, magnitud que se define a partir de la segunda ley de Newton (fuerza = masa × aceleración). La masa es una de las magnitudes básicas; la aceleración es derivada. Por tanto, la unidad resultante (kg · m · s−2) es derivada, de nombre especial: newton.
  • Unidad de energía. Es la energía necesaria para mover un objeto a una distancia de un metro aplicándole una fuerza de un newton; es decir, fuerza por distancia. Se le denomina julio (unidad) (en inglés, joule). Su símbolo es J. Por tanto: J = N · m.
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La gran unificación de la física

La gran unificación de la física (TGU o GUT:​ Grand Unification Theory), es una teoría que unificaría tres de las cuatro fuerzasfundamentales en la naturaleza: La fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La fuerza de gravedad no es considerada en las teoría de Gran Unificación, pero sí en una eventual Teoría del Todo (TOE), que consideraría las cuatro interacciones fundamentales.

Steven Weinberg y Abdus Salam elaboraron en 1967-1968, una teoría relativista del campo cuántico, que permitía expresar las interacciones electromagnéticas y débiles de una manera unificadas (la interacción electrodébil), y que predijo hechos que luego fueron comprobados experimentalmente.

Posteriormente, Howard Georgi y Sheldon Lee Glashow desarrollaron una nueva teoría, que aportaba nuevas características y corregía algunos errores y omisiones de la anterior teoría. Sin embargo de las ecuaciones se desprendía el decaimiento del protón. Esto llevó a algunos famosos experimentos para detectar este efecto: pero como el tiempo de vida de un protón es muy largo, en el orden de 1031 años, no es posible observar la partícula el tiempo suficiente como para presenciar la descomposición. En reemplazo de esto, quizás el efecto podría ser observado si se examinan suficientes protones.

Algo relevante que ledio bastante sentido a esta teoría de la gran unificación de la fisica se encuentra en Steven Weinberg y Abdus Salam, los cuáles  elaboraron en 1967-1968, una teoría relativista del campo cuántico, que permitía expresar las interacciones electromagnéticas y débiles de una manera unificadas (la interacción electrodébil), y que predijo hechos que luego fueron comprobados experimentalmente.

Posteriormente, Howard Georgi y Sheldon Lee Glashow desarrollaron una nueva teoría, que aportaba nuevas características y corregía algunos errores y omisiones de la anterior teoría. Sin embargo de las ecuaciones se desprendía el decaimiento del protón. Esto llevó a algunos famosos experimentos para detectar este efecto: pero como el tiempo de vida de un protón es muy largo, en el orden de 10 años, no es posible observar la partícula el tiempo suficiente como para presenciar la descomposición. En reemplazo de esto, quizás el efecto podría ser observado si se examinan suficientes protones.

 

Las fórmulas matemáticas aplicables a esta teoría son:

El modelo estándar de la física de partículases una teoría de campo de gauge que describe a fermiones elementales (leptones y quarks) en interacción mutua mediante una serie de campos de Yang-Mills de bosones intermediarios. Puesto que el modelo electrodébil (que describe la interacción electromagnética y débil) está basado en una teoría de gauge con grupo gauge de simetría SU(2)xU(1) y la cromodinámica cuántica (que describe la interacción fuerte) está basada en una teoría con grupo gauge SU(3); los físicos han encontrado prometedor describir todas estas interacciones mediante una teoría gauge con un grupo de simetría que tenga como subgrupos a los grupos gauge mencionados.

SU(5)

Un candidato obvio para grupo de simetría es SU(5) en el que se basa el modelo de Georgi-Glashow de 1974. En ese modelo se incluía un mecanismo de ruptura espontánea de la simetría por el cual la simetría original completa, se volvía una simetría menos general U(1)xSU(2)xSU(3) a bajas energía por fenómenos que rompían la simetría. Aunque a grandes energías los factores de ruptura se vuelven irrelevantes y los tres tipos de interacción debían aparecer como manifestaciones del mismo campo. Una de las predicciones de este modelo es que existirían interacciones que transformarían quarks en leptones violando la conservación de número bariónico (aunque aún se conservaría la suma del número bariónico más el número leptónico).

Una de esas interacciones mencionadas permitiría la desintegración del protón en otras partículas leptónicas. Como la propia teoría permite calcular la tasa de desintegración en principio es más o menos directo someter a prueba la teoría. Desgraciadamente la desintegración del protón no ha sido observada y los límites de error experimental permiten descartar la teoría, razón por la cual se han buscado otros grupos de simetría gauge que den lugar a predicciones de acuerdo con lo observado.

Aunque la elegancia de esta teoría ha hecho que sea la base de muchas otras propuestas posteriores algo más complicadas.

Otras propuestas matemáticas son:

Se han propuesto muchas teorías de gran unificación con grupo gauge que tiene como subgrupos al grupo gauge del modelo estándar (U(1)xSU(2)xSU(3)), aunque ninguna de ellas tiene aceptación general.

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El origen de la física

Es conocido que la mayoría de las civilizaciones de la antigüedad trataron desde un principio de explicar el funcionamiento de su entorno; miraban las estrellas y pensaban cómo ellas podían regir su mundo. Esto llevó a muchas interpretaciones de carácter más filosófico que físico; no en vano en esos momentos a la física se le llamaba filosofía natural. Muchos filósofos se encuentran en el desarrollo primigenio de la física, como Aristóteles, Tales de Mileto o Demócrito, por ser los primeros en tratar de buscar algún tipo de explicación a los fenómenos que le rodeaban.​ A pesar de que las teorías descriptivas del universo que dejaron estos pensadores eran erradas, estas tuvieron validez por mucho tiempo, casi dos mil años, en parte por la aceptación de la Iglesia católica de varios de sus preceptos, como la teoría geocéntrica o las tesis de Aristóteles.

La física es una de las más antiguas disciplinas académicas, tal vez la más antigua, ya que la astronomía es una de sus subdisciplinas. En los últimos dos milenios, la física fue considerada parte de lo que ahora llamamos filosofía, química, y ciertas ramas de la matemática y la biología, pero durante la Revolución Científica en el siglo XVII surgió para convertirse en una ciencia moderna, única por derecho propio. Sin embargo, en algunas esferas como la física matemática y la química cuántica, los límites de la física siguen siendo difíciles de distinguir.

Sin embargo, Galileo es considerado el padre de la Física y, sobre todo, junto con Roger Bacon, el padre del Método Científico moderno.

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El calibrador o vernier

El calibre, también denominado calibrador, cartabón de corredera o pie de rey, es un instrumento de medición, principalmente de diámetros exteriores, interiores y profundidades, utilizado en el ámbito industrial. El vernier es una escala auxiliar que se desliza a lo largo de una escala principal para permitir en ella lecturas fraccionales exactas de la mínima división. Para lograr lo anterior, una escala vernier está graduada en un número de divisiones iguales en la misma longitud que n-1 divisiones de la escala principal; ambas escalas están marcadas en la misma dirección.

Es un instrumento sumamente delicado y debe manipularse con habilidad, cuidado, delicadeza, con precaución de no rayarlo ni doblarlo (en especial, la colisa de profundidad). Deben evitarse especialmente las limaduras, que pueden alojarse entre sus piezas y provocar daños.

Consta de una “regla” con una escuadra en un extremo, sobre la cual se desliza otra destinada a indicar la medida en una escala. Permite apreciar longitudes de 1/10, 1/20 y 1/50 de milímetro utilizando el nonio. Mediante piezas especiales en la parte superior y en su extremo, permite medir dimensiones internas y profundidades. Posee dos escalas: la inferior milimétrica y la superior en pulgadas.

  1. Mordazas para medidas externas.
  2. Mordazas para medidas internas.
  3. Sonda para medida de profundidades.
  4. Escala con divisiones en centímetros y milímetros.
  5. Escala con divisiones en pulgadas y fracciones de pulgada.
  6. Nonio para la lectura de las fracciones de milímetros en que esté dividido.
  7. Nonio para la lectura de las fracciones de pulgada en que esté dividido.
  8. Botón de deslizamiento y freno.
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Medición de la longitud

La longitud es un concepto métrico definible para entidades geométricas sobre la que se ha definido una distancia. Podemos calcular la longitud concretamente, dado un segmento, curva o línea fina, de la cual podemos definir su longitud a partir de la noción de distancia.

La longitud es una medida de una dimensión (lineal; por ejemplo la distancia en m), mientras que el área es una medida de dos dimensiones (al cuadrado; por ejemplo m²), y el volumen es una medida de tres dimensiones (cúbica; por ejemplo m³).

El largo o longitud dimensional de un objeto es la medida de su eje tridimensional y. Esta es la manera tradicional en que se nombraba a la parte más larga de un objeto (en cuanto a su base horizontal y no su alto vertical). En coordenadas cartesianas bidimensionales, donde solo existen los ejes xy no se denomina «largo». Los valores x indican el ancho (eje horizontal), y los y el alto (eje vertical).

Nota: Para la medición de la longitud se pueden emplear las nociones matemáticas y las físicas.

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Proceso de mediciones

El proceso de medición se requiere para determinar  caracterizaciones, el cual puede realizarse bajó algunos criterios como:

Definición 1. Determinar la magnitud de un objeto en cuanto a cantidad.

Definición 2.  Comparar la cantidad desconocida que queremos determinar y una cantidad conocida de la misma magnitud, que elegimos como unidad.

Los procesos de medición de magnitudes físicas que no son dimensiones geométricas entrañan algunas dificultades adicionales, relacionadas con la precisión y el efecto provocado sobre el sistema. Así cuando se mide alguna magnitud física se requiere en muchas ocasiones que el aparato de medida interfiera de alguna manera sobre el sistema físico en el que se debe medir algo o entre en contacto con dicho sistema. En esas situaciones se debe poner mucho cuidado, en evitar alterar seriamente el sistema observado.

Hay muchas formas de realizar la medición, para obtener una medida deseada, entré las cuáles tenemos:

  • Medición directa.

La medida o medición directa se obtiene con un instrumento de medida que compara la variable a medir con un patrón. Así, si se desea medir la longitud de un objeto, puede usarse un calibrador. Obsérvese que se compara la longitud del objeto con la longitud del patrón marcado en el calibrador, haciéndose la comparación distancia-distancia. También, se da el caso con la medición de la frecuencia de un ventilador con un estroboscopio, La medición es la frecuencia del ventilador (número de vueltas por tiempo) frente a la frecuencia del estroboscopio (número de destellos por tiempo).

  • Medición indirecta.

Medición indirecta es aquella en la que una magnitud buscada se estima midiendo una o más magnitudes diferentes, y se calcula la magnitud buscada mediante cálculo a partir de la magnitud o magnitudes directamente medidas.

Ejemplo 1: Se quiere medir la temperatura de un litro de agua, pero no existe un medidor de comparación directa para ello. Así que se usa un termopar, del cual, al ingresar los alambres de metal al agua, se dilatan y dicha dilatación se convierte en una diferencia de potencial gracias a un transductor, que es función de la diferencia de temperatura.