fundamentos de física teórica aminta mendoza of. 352 edif. física y matemáticas...
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Fundamentos de física teórica
Aminta MendozaOf. 352 Edif. Física y Matemáticas
gamendozab@unal.edu.co
Atención a estudiantes10 a 12 am
Miércoles y jueves
4 sesiones de parcial. (20% cada uno) 80%
Talleres y cuaderno 20%
Cuál es la primera tarea?
Hacer una lista de los términos que hoy escuchen por primera vez, o de los cuales no tengan claro su significado.
Hacer un glosario para la próxima clase!
Qué es la física?
Qué palabras vienen a su mente?
Qué es la física?
CienciaMideCalculaAnalizaNaturalezaInvestigaObjetivaMatemáticasObjetivaModeloTeorías
Qué es la ciencia?
Qué es ciencia:
Para el científico:a.Proceso para descubrir propiedades de la naturalezab.El conjunto de conocimiento que resulta del proceso.
Para la gente del común:La autoridad que provee información , la cual pueden usar para mejorar sus condiciones de vida
Qué es la ciencia?
Método científico
Es un proceso en el cual las ideas se desarrollan y chequean es desordenado y mucho más interesante que una descripción cerrada de hacer ciencia
Qué es la ciencia?
La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).
LA CIENCIA ES MUY LOGICA PERO NO PUEDE TENER UNA DIRECCION DE ACCION PREDEFINIDA!!
EJEMPLOPregunta: Desde qué altura debo soltar un objeto para que tarde un segundo en llegar al suelo?
Hipótesis: Si los libros no se equivocan….. Uso la ecuación
22
19.8
2 como y t=1s
entonces
mh gt g
sh
Qué es la ciencia?
La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).
Pregunta: Desde qué altura debo soltar un objeto para que tarde un segundo en llegar al suelo?
Hipótesis: Si los libros no se equivocan….. Uso la ecuación
Paso a medir este resultado:
22
19.8
24.9
como y t=1s
entonces
mh gt g
sh m
La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).
Paso a medir este resultado: utilizo los siguientes objetos:
Qué es la ciencia?
La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).
Paso a medir este resultado:
Qué es la ciencia?
La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).
Paso a medir este resultado:
Mientras el objeto no sea plano la hipótesis funciona!!!
Qué es la ciencia?
La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).
Paso a medir este resultado:
Bueno, si esta lleno de un gas que pese menos que el aire tampoco… o es un problema de densidad?
Qué es la ciencia?
La densidad es una cantidad que mide la cantidad de materia que está contenida en un volumen dado…
Cómo es la densidad de los gases?está fuertemente afectada por la presión y la temperatura. La ley de
los gases ideales describe matemáticamente la relación entre estas tres magnitudes:
donde R es la constante universal de los gases ideales, P es la
presión del gas, m su masa molar, y T la temperatura absoluta.Podríamos soltar un globo y ver cómo cambia su volumen a medida
que sube por los cielos… cómo variará el volumen?
o en otras palabras: mP
VP nRTRT
Qué es la ciencia?
Como la presión atmosférica disminuye a mayor altura, y la presión interna y la externa son iguales observaríamos lo que sigue:
Menor h mayor h
Si medimos cómo cambia el volumen del globo a cada altura tendremos información sobre cómo es la presión externa e interna del globo!
Usando podríamos construir el incremento en la presión obteniendo la siguiente gráfica.
VP nRT
Qué es la ciencia?
Podríamos hacer estas medidas alrededor del mundo obteniendo las curvas isobáricas y haciendo un mapa como este,
Hemos encontrado resultados muy interesantes… aunque recordemos que partimos de una pregunta simple: Desde qué altura debo soltar un objeto para que tarde un segundo en llegar al suelo?
Qué es la ciencia?
Recordemos que:La ciencia es un proceso que se basa en la interpretación de datos
experimentales usando modelos y teorías dentro de una estructura fuertemente lógica (la matemática).
La restricción en la interpretación de los resultados surge de la necesidad de explicar de manera autoconsistente múltiples fenómenos. La contradicción entre teorías o modelos, entre evidencia o teoría o entre diferentes fuentes de evidencia deben ser examinados y explicados.
Hacer preguntas es una parte fundamental de hacer ciencia e ir buscando respuestas ayuda a conformar lo que es un campo.
Qué es la ciencia?
Algunas respuestas cuando son verificadas hacen surgir nuevas respuestas. Elproceso científico continua refinando ambos: la teoría o el modelo y las preguntas que se hagan se van examinando. Las interrelaciones con otros fenómenos son escenciales porque el proceso es desordenado, y pueden haber puntos de partida falsos e interpretaciones erróneas, conduciendo a veces a la ciencia a un callejón cerrado durante un tiempo.
Los científicos pueden ser francos hacerca de los fiteos y partida dela investigación explicando las inconsistencias, y es lo que confiere mucha de la autoridad delos resultados.
Qué es la ciencia?
Sería un gran error negar las observaciones que salen de lo esperado o conocido… ello entorpecería el conocimiento del fenómeno
Muchas de las ciencias buscan explicar observaciones de la naturaleza desarrollando evidencias de como sucedió la situación análogamente a cómo un detective reconstruye un crimen.
El Big Bang habría sucedido antes de la existencia del hombre pero podemos medir las evidencias actuales y reconstruir el proceso!!!
Qué es la ciencia?
Programas de computación que simulan la progresión de un sistema sobre un tiempo son herramientas importantes en la ciencia y pueden ser herramientas muy importantes para predecir comportamientos futuros.
La historia que se desarrolla debe ser consistente con todo lo que se conoce sobre el sistema en cuestion y con todos los procesos que ocurren en el sistema.
Qué es la ciencia?
Geociencias, el clima, arstrofísica cosmologia y biologia evolutiva todos usan un importante edificacion historica sobre la construcción de sus teorías.
Las teorías y los modelos se reconstruyen en el tiempo basados en datos que requieren mucho tiempo de procesamiento y tiempo antes de ser aceptados mediante explicaciones cientificas o herramientas para un dominio dado.
Esto contrasta con la descripción del método científico, el cual reduce el edificio de una teoría continua e iterativa a la idea que uno hace y chequea hipótesis, el uso de un punto de referencia teorico amplio dentro del cual cada hipótesis debe ser verificada y que se logra el refinamiento por cada chequeo generalmente falta en los textos.
Qué es la ciencia?
Las teorías científicas aun cuando generalmente aceptadas después de muchos chequeos y refinamientos son aun incompletas, estas puede ser con seguridad aplicado en un dominio limitado, o en un rango de condiciones o limitaciones en las cuales ha sido chequeada ó verificada.
La verdad es completamente una noción. Tenemos que enfatizar que la incompletez de la teoría, lo cual no compromete la estabilidad en el tiempo en que ha sido bien establecida y entendida en ciencia, una noción bien importante que a menudo no se explicita.
LA CIENCIA NO TIENE LA VERDAD ABSOLUTA, PROPONE TEORIAS QUE SE CUMPLEN SOLO A ESCALAS BIEN DEFINIDAS Y SE BASA EN MODELOS ACTUALES A SU TIEMPO, PERO SIEMPRE ES SUSCEPTIBLE DE SER MEJORADA
Qué es la ciencia?
Clasificación de las ciencias
Ciencias formales:Estudian ideasDemuestran con base en principios lógicos o matemáticosNo confirman experimentalmente.
Ciencias empírica:El conocimiento proviene de fenómenos observables y capaces de ser evaluados por otros investigadores que trabajen bajo las mismas condicionesEstudian hechos naturales o socialesComprueban mediante la observación y la experimentación.Crean hipótesisFormulan teorías o leyes.
Ciencias naturales
Ciencias sociales
Las matemátic
as, la estadística
Ciencias naturales
Geología
Física
Química
Biología
Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.
Astrofísica
Ciencias naturales
Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.
Geología
Física
Química
Biología
Astrofísica
Ciencias naturales
Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.Física: se ocupa del estudio de las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, teniendo en cuenta sus interacciones.
Geología
Física
Química
Biología
Astrofísica
Ciencias naturales
Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.Física: se ocupa del estudio de las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, teniendo en cuenta sus interacciones.Geología: se ocupa del estudio de la forma interior del globo terrestre, la materia que lo compone, su mecanismo de formación, los cambios o alteraciones que ésta ha experimentado desde su origen, y la textura y estructura que tiene en el actual estado.
Geología
Física
Química
Biología
AstrofísicaIntrusión de rocas ígneas
Ciencias naturales
Astronomía: se ocupa del estudio de los cuerpos celestes, sus movimientos, los fenómenos ligados a ellos, su registro y la investigación de su origen.Biología: se ocupa del estudio de los seres vivos y, más específicamente, de su origen, su evolución y sus propiedades.Física: se ocupa del estudio de las propiedades del espacio, el tiempo, la materia y la energía, teniendo en cuenta sus interacciones. Geología: se ocupa del estudio de la forma interior del globo terrestre, la materia que lo compone, su mecanismo de formación, los cambios o alteraciones que ésta ha experimentado desde su origen, y la textura y estructura que tiene en el actual estado. Química: se ocupa del estudio de la composición, la estructura y las propiedades de la materia, así como de los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas.
Geología
Física
Química
Biología
Astrofísica
División de la Física
Física Clásica:Mecánica
Termología y termodinámicaHidrostática e Hidrodinámica
Ondas (Acústica)Óptica
Electromagnetismo
Física Moderna:Física AtómicaFísica Nuclear
Física de Partículas Física del estado sólido
Astrofísica* Nanotecnología
•Mecánica•Electrodinámica•Cuántica •Estadística •Relatividad•Termodinámica•Matemática
Física
AcústicaAstrofísica Astronomía-AstrofísicaBiofísicaFísica de la complejidadComputación cuánticaCuántica Electromagnetismo EspintrónicaEstadística Estado sólido Física AtómicaFísica del caosFísica del Medio ambienteFísica de satélites y comunicaciones
Física de los MesonesFísica AeronáuticaFísica ForenseFísica MatemáticaFísica Médica Física NuclearFísico QuímicaGeofísicaHistoria y Epistemología Mecánica y cinemáticaNanomateriales y NanotecnologíaNeurofísica Optica y Fotónica RelatividadTeoría de CampoTeoría de la Unificación Teoría de partículas Termodinámica
Fuerzas y energía son indistinguibles (especulativo) Los Q son
responsables por la aparición de Fuerzas fuertes, débiles y la electromagnéticas
El universo crece desde la escala atómica a la cósmica en milésimas
de segundo
Se desacoplan las fuerzas débiles y las electromagnéticas
Aparecen protones y neutrones, electrones,
Emerge la primera luz del Big-Bang
Primera supernova y elementos pesados
Presente
Formación de estrellas y galaxias
Desacoplamiento materia-radiación
Era de las partículas
Electrodébil y era del quark
Era de la gran unificacion (GUT) e inflación cósmica
Supercuerdas/era supergravedad
Era dominada por la radiación Era dominada por la materiaTiempo Hoy dia
10-4
3 s
300
s
300.
000
años
1 bi
llón
años
13 b
illon
es a
ños
10-1
0 s
10-3
4 s
Big-Bang
p
pn
e
n
p
pnn Hueco
negro
Q
zw
Q
?
Nuestro Universo
Los objetos no se separan porque hay particula fundamentales que interactúan con las demás.
Una interacción es un intercambio de algo.
? Pero que intercambian las partículas?Intercambian un tipo especial de partículas! Llamadas partículas de fuerza (Bosones intermediarios).
Una analogía burda de interacción:Dos jugadores de tenis intercambian la pelota de tenis
Una analogía burda de interacción:Dos jugadores de tenis intercambian la pelota de tenis
Qué hace que las partículas estén juntas?
InteracciónInteracción Partículas interc.Partículas interc. Quienes sienten la fuerza?Quienes sienten la fuerza?
FuerteGluon (g) Quarks y gluones
Electromagnetica Foton () Toda particula cargada
DébilW y Z Quarks, leptones, fotones, W, Z
Gravitacional Graviton (?) Todas
Gravitacional
Débil
Electromagnética
Fuerte
Gravitacional
Electrodébil
Fuerte
Gravitacional
Débil
Eléctrica
Magnética
Fuerte
70´s
Maxwell1850
Salam Glashow Weinberg
Teoría de la unificación
Única interacciónSupergravedad
?
Interacción gravitacional
Proceso típico: Atracción
Nunca se satura (Ej: Huecos negros)
Objetos: Objetos con masa
Alcance: Infinito
Constante :G = 6.67428X10-11 m3/Kg.s2
Interacción gravitacional
El Modelo Estándar no incluye la gravedad porque no se sabe cómo hacerlo.
No afecta el modelo estándard, porque los efectos de la gravedad son minúsculos en comparación con los de fuerte, electomagnética, y las interacciones débiles.
Las personas han especulado que la mediación de las interacciones gravitacionales de partículas es el graviton - pero aún no ha sido observado.
Interacción gravitacional
De acuerdo con Newton, la ley que gobierna las interacción de la gravedad es expresada matemáticamente como:
G= 6.67428X10-11 m3/Kg.s2
Esta masa se llama masa gravitacional, la cual es a la gravitación lo que la carga eléctrica es al electromagnetismo. La diferencia entre la masa inercial y la gravitacional se verá más adelante.
1 22
mmF G r
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x
y
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r
Interacción gravitacional
Por lo tanto la gravitación sería una acción a distancia: una masa actúa directamente e instantáneamente sobre otra masa aunque no estén en contacto directo. Para Newton esto trajo dudas sobre este comportamiento “fantasmal” y sugirió que la interacción era transmitida por algún medio material (el éter).
Interacción gravitacional
Por lo tanto la gravitación sería una acción a distancia: una masa actúa directamente e instantáneamente sobre otra masa aunque no estén en contacto directo. Para Newton esto trajo dudas sobre este comportamiento “fantasmal” y sugirió que la interacción era transmitida por algún medio material (el éter).
Interacción gravitacional
El punto de vista moderno es que la gravitación actúa localmente mediante campos: una masa en un punto produce un campo y este campo actúa sobre cualquier masa que este en contacto con él. Este campo sería el medio material pensado por Newton.
Ésta teoría tiene la ventaja de conducir a la teoría dela relatividad en la cual los efectos de la gravitación se propagan a una velocidad finita. Acción a distancia instantánea no tiene sentido en una teoría relativística debido a la ausencia de tiempo absoluto: lo que es propagación instantánea en un punto de referencia no es instantáneo en otro punto de referencia.
Interacción gravitacional
“Es inconcebible que la materia inanimada sin la mediación de algo más que no sea material opere y afecte otra
materia sin un contacto mutuo… La gravedad debe ser innata inherente y esencial a la materia de tal manera que
pensar que un cuerpo actúe sobre otro a una distancia mediante un vacio sin la mediación de algo mas sería
ABSURDO”
A pesar de que la formulación de newton sugiere acción a distancia Newton consideró que no era correcto
Interacción gravitacional
Actualmente las observaciones fundamentales se consideran como campos locales, la interacción de dos partículas ampliamente separadas es considerada como una acción por contacto de una partícula con el campo originado por la acción por contacto del campo con la segunda partícula.
Por que debemos preferir campos a acción a distancia? La respuesta es muy importante: nosotros necesitamos campos para poder garantizar la ley de conservación de energía y momentum.
Masa – gravitón - masa
Interacción fuerte
Objetos: nucleón-nucleón y nucleón-mesón
Nucleon – meson – nucleon
Quark – gluones – quark
Radio del núcleo: 10-13 cm
NO PUTUAL!!
Radio del átomo: 10-8 cm
La interacción fuerte mantiene juntos los quarks en los neutrones y protones.
Es muy fuerte, es como si los quarks estuvieran super-glued unos con otros! Asi que las partículas que los unen se llaman gluones.
Esta fuerza es inusual en el sentido de que se vuelve más fuerte a medida que intenta separa los quarks
Interacción fuerte
Objetos: nucleón-nucleón y nucleón-mesón
Nucleon – meson – nucleon
Quark – gluones – quark
Radio del núcleo: 10-13 cm
NO PUTUAL!!
Radio del átomo: 10-8 cm
Interacción fuerte
Origen Adrones (neut y prot)
Objetos: nucleón-nucleón y nucleón-mesón
Alcance: 10-13 cm
Constante : 1
La diferencia es de 100000 veces mas grande el Átomo que el núcleo!!
Si el nucleo midiera 1 cm, entoncesEl átomo mediría 100.000 cm Es decir 1000 metros o 1 kilómetro
Radio del núcleo: 10-13 cm
Radio del átomo: 10-8 cm
Interacción electromagnética
Proceso: la producción de fotones
Leptones: electrones
Electrón – foton - electrón
Objetos: con carga eléctrica
Alcance: Infinito
Duración del proceso 10 -10 s
Constante: 8.99X109 Nm2/C2
La interacción electromagnética es la razón por la cual los átomos se mantienen juntos en las moléculas.
La partícula que media la I nteracción electromagnética es el fotón.
Luz visible, rayos x, ondas de radio son ejemplos de fotones con diferentes energías
Interacción electromagnética
Proceso: la producción de fotones
Leptones: electrones
Electrón – foton - electrón
Objetos: con carga eléctrica
Radio del átomo: 10-8 cm
Toda carga eléctrica generaUn campo eléctrico1 2
2
q qF k r
r
12
qE k r
r
+
+
-
Interacción electromagnética
Proceso: la producción de fotones
Leptones: electrones
Electrón – foton - electrón
Objetos: con carga eléctrica
Alcance: Infinito
Duración del proceso 10 -10 s
Constante: 8.99X109 Nm2/C2
Una carga se coloca en un estado vacío no excitado, la carga excita el éter cercano a ella creando vórtices en este punto. Los vórtices excitan vórtices que giran, cada uno está en equilibrio con sus vecinos, es decir hay una cosa que rota y es una medida del campo eléctrico en ese punto.
x
y
1q
Interacción electromagnética
Proceso: la producción de fotones
Leptones: electrones
Electrón – foton - electrón
Objetos: con carga eléctrica
Alcance: Infinito
Duración del proceso 10 -10 s
Constante: 8.99X109 Nm2/C2
Cuando se coloca q2 a una distancia r de la primera ella detecta el nivel de excitación de los vórtices locales y siente una fuerza correspondiente.
x
y
r
r
1q
Interacción electromagnética
Proceso: la producción de fotones
Leptones: electrones
Electrón – foton - electrón
Objetos: con carga eléctrica
Alcance: Infinito
Duración del proceso 10 -10 s
Constante: 8.99X109 Nm2/C2
La fuerza es proporcional a la carga q2 en el lugar y a la cantidad de rotación o campo eléctrico en este punto. Las propiedades mecánicas del éter determinarían cómo se da la rotación, lo cual se da por la inercia de los vórtices y el tamaño, y se ajustan de manera que se de la ley de coulomb.
x
y
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1q
Interacción electromagnética
Proceso: la producción de fotones
Leptones: electrones
Electrón – foton - electrón
Objetos: con carga eléctrica
Alcance: Infinito
Duración del proceso 10 -10 s
Constante: 8.99X109 Nm2/C2
Introdujo campos locales como cantidades continuas definidas en todos los puntos del espacio. Si un objeto experimenta una fuerza, debe haber algo en ese lugar. Además supuso los vórtices como locales en el espacio y en el tiempo.
x
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Interacción electromagnética
Proceso: la producción de fotones
Leptones: electrones
Electrón – foton - electrón
Objetos: con carga eléctrica
Alcance: Infinito
Duración del proceso 10 -10 s
Constante: 8.99X109 Nm2/C2
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Producto vectorial!
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Interacción débil
Proceso: decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad
El neutron desintegraba en protón y emitía electrones
Objetos: neutrones
Fuerzas 10 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así ésta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias
1896 Bequerel:En los isótopos radiactivos:•Los electrones salían del núcleo del orden de MeV•El espectro era un continuo•Debía haber una tercera partícula para cumplir los
234 23491 92Pa U + Electrones (beta) cerca de c
+-
Interacción débil
Proceso: decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad
El neutron desintegraba en protón y emitía electrones
Objetos: neutrones
Fuerzas 10 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así ésta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias
Neutrón electrón
Protón
Chadwuick descubre el neutrón.El electrón surge de la transformación de un neutrón en protón!!!!!
1 partícula se conserva en 2!!!Problema: Teoremas de conservación de energía y momento
234 23491 92Pa U + Electrones (beta) cerca de c
Interacción débil
Proceso: decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad
El neutron desintegraba en protón y emitía electrones
Objetos: neutrones
Fuerzas 10 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así ésta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias
Neutrón electrón
Neutrino
Protón
Chadwuick descubre el neutrón.El electrón surge de la transformación de un neutrón en protón!!!!!
1 partícula se conserva en 2!!!Problema: Teoremas de conservación de energía y momento
234 23491 92Pa U + Electrones (beta) cerca de c
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g
gg
g
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Big Bangbosonescarga eléctricaCienciaespectroFotónfuerzagluóngravitónhipótesisisótopo
leptonesmodeloneutrinoneutronesPresiónQuarkSistema de ReferenciatemperaturateoríaVórtices
REALIZAR A MANO EL GLOSARIO
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