bloque i introduccion fisica

FUNDAMENTOS FÍSICOS APLICADOS A LA INGENIERÍA

¿QUÉ ES LA FÍSICA?

Fundamentos Físicos Aplicados a la Ingeniería, curso 2014-15

Pitágoras

Arquímedes Copérnico Galileo

Kepler

Newton

Faraday Tesla Einstein M. Curie

Ciencia.

Del latín conocer o saber. Aparece dividida en ramas:

- Biología: Estudia los organismos vivos.

- Geología: Estudia la Tierra.

- Astronomía: Estudia los astros.

- Física

Física.

Del griego naturaleza. Estudio de fenómenos naturales.

En el s. XIX aparecía dividida en ramas independientes relacionadas con la forma de obtener la información del mundo

- Óptica: Relacionada con la luz y sentido de la vista.

- Acústica: Relacionada con sonido y sentido del oído.

- Termodinámica: Relacionada con calor-frío y sentido del tacto.

- Mecánica: Relacionada con el movimiento.

- Electromagnetismo: Última en desarrollarse. No relacionada con los sentidos.


La Física es la ciencia que estudia como se comportan, se mueven, seestructuran e interactúan entre si todas las cosas de este mundo, a todas lasescalas de espacio, de tiempo y complejidad.


La Física es la más autónoma (establece sus conceptos y leyes sinnecesidad de otras ciencias) y fundamental (otras ciencias se valen de susconocimientos) de todas las ciencias.

La Física está estrechamente relacionada con la Ingeniería y la Tecnología.

- Física: Conocimiento de la naturaleza y saber por si mismo.

- Tecnología: Fin práctico y dominio de la naturaleza.

Ciencia y Tecnología se influyen mutuamente:

- Leyes del electromagnetismo →→→→ Desarrollo de la radio, teléfono,..

- Pulido de lentes e invención del telescopio →→→→ Mejora en lasmediciones astronómicas y desarrollo de la teoría de la Gravitación.

La Física es una ciencia experimental y para lograr sus metasdepende de:

-La Observación: Examen cuidadoso y crítico de un fenómeno através de la identificación, medición y análisis de los factoresque influyen en el fenómeno.

- La Experimentación: Observación de los fenómenos encondiciones controladas. Importancia del laboratorio.

- La construcción de Teorías: Conjunto de conceptos yrelaciones que explican los resultados de las observaciones yexperimentos. Estos se expresan a través del lenguajematemático.

Es importante en Física el concepto de modelo →→→→ Versiónsimplificada de un sistema físico.

La Física es una ciencia cuantitativa y se basa en la medición.


INTRODUCCIÓN (2 semanas)

1. Magnitudes físicas. Sistemas de unidades.2. Magnitudes fundamentales y derivadas.

3. Análisis dimensional. Principio de homogeneidad.


1- MAGNITUDES FÍSICAS. SISTEMAS DE UNIDADES


Magnitud: Propiedad o cualidad que es susceptible de sermedida y por lo tanto puede expresarse cuantitativamente.

Unidades o Sistema de Unidades: Conjunto de referencias(Unidades) elegidas arbitrariamente para medir todas lasmagnitudes.

• El ser Humano por naturaleza mide, define, compara. Por lo tantodesde sus orígenes se estableció la necesidad de medir.

• Las primeras magnitudes empleadas fueron la longitud y la masa (lasmás intuitivas).

• Para la longitud se estableció como unidad el tamaño de los dedos(pulgadas) y la longitud del pie (pie), entre otros. Algunas sociedadessiguen utilizando esta forma de medir.

• Para la masa, se compararon las cantidades mediante piedras, granos,conchas, etc.

• Ventajas: Cada persona llevaba consigo su propio patrón de medida

• Inconvenientes: Las medidas variaban de un individuo a otro, sinpoder realizar equivalencias.

Cronología


• Los esfuerzos realizados por Carlomagno, para unificar el sistema deunidades fracasaron debido a que cada señor feudal fijaba porderecho sus propias unidades.

• A medida que aumentó el intercambio entre los pueblos, se presentóel problema de la diferencia de patrones y surgió la necesidad deunificar criterios.

• El primer patrón de medida de longitud lo estableció Enrique I deInglaterra, llamó “YARDA” a la distancia entre su nariz y el dedopulgar.

• Le sigue en importancia la “TOESA” creada en Francia, consistía enuna barra de hierro con una longitud aproximada de dos metros.


• Posteriormente, con la revolución francesa se crea el sistema métricodecimal, lo cual permitió unificar las diferentes unidades , y crear unsistema de equivalencias con numeración decimal.

• También existen otros sistemas métricos como el Sistema métricoinglés, Sistema técnico, y el Sistema usual de unidades en Estadosunidos (SUEU) que usan otras unidades de medida.

• Entre ellos tienen equivalencias.

• El sistema métrico más actual corresponde al Sistema Internacionalde Unidades (S.I.) y gran parte de las unidades usadas con frecuenciase han definido en término de las unidades estándar del S.I.


• Los orígenes del S.I. se remontan al s. XVIII cuando se diseñó el S.Métrico Decimal basado en parámetros relacionados con fenómenosfísicos y notación decimal.

• En 1798 se celebró una conferencia científica incluyendorepresentantes de los Países Bajos, Suiza, Dinamarca, España e Italia,además de Francia, para revisar los cálculos y diseñar prototiposmodelos. Se construyeron patrones permanentes de platino para elmetro y el kilogramo.

• La Conferencia General de Pesas y Medidas, que ya en 1948 habíaestablecido el Joule (J) como unidad de energía (1 Cal = 4,186 J), enla 10a Conferencia (1954) adoptó el Sistema MKSA (metro,kilogramo masa, segundo, ampere), preexistente (originado en lapropuesta del Profesor G. Giorgi de 1902), en el cual se incluyó elKelvin (K) y la Candela (cd), como unidades de temperatura eintensidad luminosa respectivamente.


Sistema Internacional de Unidades S.I.• Permite unificar criterios respecto a la unidad de medida que se

usará para cada magnitud.

• Es un conjunto sistemático y organizado de unidades adoptado porconvención

• Está compuesto por varios tipos de magnitudesi. Magnitudes fundamentales: son las que se pueden definirdirectamente a partir de patrones de medidas (Tiempo, Masa,Longitud, Carga eléctrica, etc…)ii. Magnitudes derivadas: El producto o cociente de dos o másmagnitudes fundamentales da como resultado una magnitudderivada que se mide en unidades derivadas.


2- MAGNITUDES FUNDAMENTALES Y DERIVADAS

Magnitudes fundamentales (sólo siete)


• Cada una de las unidades que aparecen en la tabla tiene unadefinición medible y específica, que puede replicarse en cualquierlugar del mundo.

• De las siete magnitudes fundamentales sólo el “kilogramo” (unidadde masa) se define en términos de una muestra física individual.Esta muestra estándar se guarda en la Oficina Internacional dePesas y Medidas (BIMP) en Francia (1901) en el pabellón Breteuil,de Sévres.

• Se han fabricado copias de la muestra original para su uso en otrasnaciones.


Definición de “metro”

• Originalmente se definió como la diezmillonésima parte de unmeridiano (distancia del Polo Norte al Ecuador). Esa distancia seregistro en una barra de platino iridiado estándar. Actualmente esabarra se guarda en la Oficina Internacional de Pesas y medidas deFrancia.

• Se mantiene en una campana de vacío a 0°C y una atmósfera dePresión

• El nuevo estándar de longitud del S.I. se definió (1983) en base a unvalor estándar para la velocidad de la luz como:

• La longitud de la trayectoria que recorre una onda luminosa en elvacío durante un intervalo de tiempo igual a 1 / 299 792 458 s.

• De acuerdo con la Teoría de Einstein , la velocidad de la luz es unaconstante fundamental cuyo valor exacto es 2,99792458 x 10 8 m/s


• La definición original de tiempo se basó en la idea del día solar,definido como el intervalo de tiempo transcurrido entre dosapariciones sucesivas del sol sobre un determinado meridiano de latierra.

• Un segundo era 1 / 86 400 del día solar medio

Definición de “segundo”


El nuevo estándar de tiempo del S.I. se definió (1976) como:

• el tiempo necesario para que el átomo de Cesio 133 vibre 9 192 631 770 veces

(periodos de la radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos)

• Los mejores relojes de cesio son tan precisos que no se adelantan ni se atrasan más de 1 segundo en 300 000 años

Magnitudes derivadas: El producto o cociente de dos o más magnitudes fundamentales da como resultado una magnitud derivada que se mide en unidades derivadas.


Fuerza Newton kg m /s2 = N

Presión Pascal N / m2 = Pa

Trabajo y energía Joule N m = J

Potencia Watt J/s = W

Carga eléctrica Coulomb A s = C

Resistencia eléctrica

Ohm Ω

Luminosidad Candela por metro cuadrado

cd / m2


Múltiplos y submúltiplos


El 23 de septiembre de 1999, el "Mars ClimateOrbiter" se perdió durante una maniobra de entradaen órbita cuando el ingenio espacial se estrellócontra Marte. La causa principal del contratiempofue achacada a una tabla de calibración delpropulsor, en la que se usaron unidades del sistemabritánico en lugar de unidades métricas. El softwarepara la navegación celeste en el Laboratorio dePropulsión del Chorro esperaba que los datos delimpulso del propulsor estuvieran expresados ennewton segundo, pero Lockheed MartinAstronautics en Denver, que construyó el Orbiter,dio los valores en libras de fuerza segundo, y elimpulso fue interpretado como aproximadamente lacuarta parte de su valor real. El fallo fue mássonado por la pérdida del ingenio espacialcompañero "Mars Polar Lander", debido a causasdesconocidas, el 3 de diciembre

Importancia de Homogeneizar Unidades. Ejemplo:



3- ANÁLISIS DIMENSIONAL. PRINCIPIO DE HOMOGENEIDAD.

• El análisis dimensional es un procedimiento que permite resolverproblemas cuyas soluciones no son encontradas a través de procesosde cálculo usual. También facilita a la hora de verificar las unidades enla resolución de un ejercicio.

•Verificación de la homogeneidad (la homogeneidad de una fórmulaconsiste en que obligatoriamente las dimensiones del primer miembrode la ecuación sean iguales a las del segundo).

• Previsión de fórmulas físicas


Cualquier magnitud derivada se puede expresar mediante un productode unidades fundamentales, llamado ecuación dimensional queexpresa la forma en que se relacionan tales magnitudes.

Por ejemplo, la ecuación de dimensiones de una magnitud S (hipotética),en función de las magnitudes fundamentales L (longitud), M (masa) y T(tiempo) será: =+ +

En el caso del volumen podemos escribir

= x x =3 0 0

Fuerza : =· =1 1 −2

La ecuación de dimensiones es independiente del sistema deunidades que se use (SI, Inglés o técnico).


Para que la fórmula representativa de una ley que relaciona diferentesmagnitudes físicas sea correcta, debe ser homogénea, es decir: lasecuaciones dimensionales de ambos miembros deben ser idénticas

=1+C2t donde X es desplazamiento, C1 y C2 constantes y t tiempo.Utilizando las dimensiones de las magnitudes fundamentales, tenemos:

L = 1+C2T para que la ecuación sea homogénea ambas ctes debentener las siguientes dimensiones:=+-1

1(m)C2 (m/s)


Física: ciencia que estudialos fenómenos naturales encualquier escala

Magnitudesfundamentales

Magnitudes derivadas:operaciones con lasfundamentales

Modelos: debencumplir análisisdimensional yprincipio dehomogeneidad

Sistemas de unidades:SI, inglés, …

Se ordenan utilizando

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