Problemas y Ejercicios de Física para Resolver

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Temas de Física

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Introducción a la Física

Las ciencias estudian las leyes del desarrollo del mundo material, pero cada una de ellas abarca un determinado campo de la realidad.

El primer campo lo constituye la naturaleza, formada por los objetos inanimados y los organismos vivos cuyas leyes y fenómenos son estudiados por las ciencias naturales como la Física, la Química, la Biología, la Geología, la Astronomía, etc. Estas ciencias son experimentales y están relacionadas con la tecnología y la producción material, contribuyendo tanto al progreso como al desarrollo del hombre.

El segundo campo de la realidad lo constituyen los objetos y sistemas de la sociedad humana, formado por las personas con todos sus productos de su actividad laboral; las leyes y fenómenos que en ella se presentan son estudiados por las ciencias sociales, que se caracterizan por no ser experimentales y son históricamente muy importantes para entender a la sociedad en la que nos desenvolvemos.

Por ultimo, las ciencias del pensamiento, tratan de explicar como la inteligencia le permite al hombre aprender e interpretar la realidad y ala vez plantear alternativas para transformarla; se caracterizan por ser teóricas y no experimentales.

Estos tres campos de la realidad están estrechamente ligados entre si, y en su conjunto constituye la ciencia.

 

 

La Física y su Relación con otras Ciencias

La ciencia apareció en forma incipiente (conocimiento pre-científico), desde el momento en que el hombre empezó a sistematizar sus conocimientos alcanzados. Inicialmente, esta sistematización estaba compuesta de datos obtenidos a través de los sentidos (sensaciones), llamado “conocimiento empírico”, característico del mundo Antiguo (sociedad esclavista) y de la edad media (sociedad feudal). En esta etapa del conocimiento y de la sociedad germinaron algunas ciencias tales como:

• La Matemática

Las primeras referencias de matemática avanzada y organizada datan del tercer milenio a.n.e., en Babilonia y Egipto. Esta matemática estaba dominada por la aritmética, con cierto interés en medidas y cálculos geométricos relacionados con la agricultura y la ganadería.

• La Astronomía

Se inicia con la descripción del movimiento de los astros y la construcción de mapas estelares y calendarios. La astronomía solucionó los problemas que inquietaron a las primeras civilizaciones (Egipto, Mesopotamia), acerca de la necesidad de establecer con precisión las épocas adecuadas para sembrar, cosechar, realizar las celebraciones, así como para orientarse en los viajes.

• La Mecánica

Actualmente forma parte de la Física. Nace con la construcción de grandes estructuras y canales para el regadío (Egipto, Mesopotamia). Asimismo se hizo necesaria para la navegación y la guerra. El problema del movimiento ya ocupaba a los antiguos filósofos de Grecia.

Por ejemplo:

• El filósofo griego Aristóteles pensaba que una piedra cae porque su posición natural está en el suelo; el Sol la Luna y las estrellas describen circunferencias alrededor del planeta Tierra, porque los cuerpos celestes se mueven por naturaleza.
• Arquímedes realizó estudios de hidrostática y descubrió el principio de flotación de los cuerpos, además fue inventor de numerosos ingenios mecánicos.

• La Biología

El término Biología apareció a principios del siglo XIX, pero el estudio de los seres vivos es muy anterior. Comienza con la descripción de plantas y animales, y rudimentos de fisiología humana que se remontan a la antigua Grecia. Surgió de manos de naturalistas como Hipócrates, Aristóteles, Galeno y Teofrasto.

• La Geografía

Se inicia la descripción de la forma de la superficie de la Tierra. Fue una importante fuente de información para los jefes militares y los administradores públicos del imperio grecorromano.

• La Química

Desde los primeros tiempos, y más aun luego de descubrir el fuego, los seres humanos observaron la transformación de las sustancias: la carne cocinándose, la madera quemándose, la obtención de los metales a partir de la fundición de minerales, la preparación de tintes para los distintos tipos de tejidos, los alfareros aprendieron a preparar barnices y más tarde a fabricar vidrio.

Siguiendo la tradición aristotélica, los artesanos pensaban que los metales de la Tierra tendían a ser cada vez más perfectos y a convertirse gradualmente en oro, esta idea dominaba el pensamiento de los filósofos y los trabajadores del metal, y se escribió un gran número de tratados sobre el arte de la transmutación que empezaba a conocerse como alquimia (precursora de la química actual).

A pesar de que nadie consiguió hacer oro, en la búsqueda de la perfección de los metales se descubrieron muchos procesos químicos.

 

¿Qué es la física?

La física es una rama de las ciencias naturales que se encarga de estudiar entre otras cosas: el equilibrio, el movimiento, el calor, la electricidad, el magnetismo, la luz, el micro y el macrocosmos; con el propósito de comprenderlos y aplicarlos en beneficio del hombre.

En general, podemos afirmar que la física permite comprender, emplear, transformar y pronosticar los fenómenos de la naturaleza

Física Clásica y Moderna

Se denomina Física Clásica a las pautas y conceptos básicos desarrollados en esta ciencia hasta antes del año 1900, porque este es el año en el que se postulan la Teoría de la Relatividad y la Teoría Cuántica, estas ideas dieron lugar a cambios profundos en los conceptos tradicionales denominándose a esta parte “Física Moderna”.

La Física Moderna no invalida de ningún modo a la Física Clásica, sino que demuestra que la Física Clásica tiene límites, por ejemplo en la Mecánica Clásica las leyes conocidas hasta antes del año 1900 no pueden describir los fenómenos cuando las velocidades de las partículas son cercanas a la velocidad de la luz.

En conclusión: La Física Moderna es la Física de las altas velocidades, mientras que la Física Clásica es aplicable a las partículas cuyas velocidades son pequeñas en comparación con la velocidad de la luz.

 

Ramas de la Física

 Para su mejor estudio de los fenómenos físicos la física se divide en ramas:

1. Mecánica: Estudia el movimiento
2. Acústica: Estudia el sonido
3. Calor: Estudia los fenómenos térmicos
4. Electricidad: Estudia los fenómenos eléctricos
5. Magnetismo: Estudia los fenómenos magnéticos
6. Electromagnetismo: Estudia la interacción entre la electricidad y el magnetismo.
7. Óptica: Estudia la luz y sus fenómenos.
8. Física nuclear: Estudia el átomo.
9. Física moderna: Estudia la teoría de la relatividad y las características ondulatorias de las características subatómicas.

 

 

¿De qué se ocupa la Física?

La Física estudia los fenómenos mecánicos, acústicos, térmicos, electromagnéticos, luminosos, etc. en resumen a todos aquellos que son considerados fenómenos físicos, los cuales se llevan a cabo en la naturaleza, descubriendo las leyes que los rigen, a fin de utilizarlas en aplicaciones prácticas para que éstas, luego satisfagan las necesidades del hombre y la sociedad. Pues bien, siendo amplio el espectro de los fenómenos físicos, el contenido lo podemos fraccionar y resumir en las siguientes partes:

Mecánica

Estudia el movimiento mecánico de una partícula, de los cuerpos rígidos y de los fluidos (sobre todo los líquidos), incluye el estudio de las ondas mecánicas, como el sonido, que es una parte de la acústica y el análisis de las condiciones de equilibrio, etc.

Termodinámica

Estudia el calor y las leyes que gobiernan los procesos de transformación de la energía de una forma a otra.

Física Molecular

Estudia las propiedades de los cuerpos considerando que están formados por una gran cantidad de moléculas en movimiento e interacción.

Mecánica Estadística 

Explica y predice teóricamente las propiedades macroscópicas y el comportamiento de un sistema de muchos componentes como es el caso de cualquier sustancia, cuando se le analiza a nivel molecular, para ello se basa en las características ya conocidas de la forma cómo interactúan sus componentes microscópicos.

Electromagnetismo y Óptica

Estudia y describe los fenómenos eléctricos y magnéticos, demostrando que son fenómenos de una misma naturaleza así como también estudia el comportamiento de las ondas electromagnéticas, usadas actualmente en un sinnúmero de aplicaciones como las telecomunicaciones, mientras que la óptica estudia la propagación, el comportamiento y los fenómenos que experimenta la luz.

 

Campos de estudio de la Física Actual

Existen 2 importantes avances producidos durante el primer tercio del siglo XX, la Teoría Cuántica y la Teoría de la Relatividad, explicaron estos hallazgos, llevaron a nuevos descubrimientos y cambiaron el modo de comprender la Física, así como también de la realidad; obligaron a replantear muchas de las concepciones dando lugar al surgimiento de nuevas ramas, agrupadas usualmente bajo el nombre genérico de Física Moderna. Estas ramas son:

• Mecánica Cuántica

Estudia el comportamiento de sistemas extremadamente pequeños (moléculas, átomos, núcleos, etc.) y establece las propiedades que caracterizan el comportamiento del micromundo.

• Física Atómica

Estudia la estructura y las propiedades del átomo, las características de los electrones y otras partículas elementales de que se compone el átomo. Asimismo establece la disposición de los estados de energía del átomo y los procesos de transición electrónica implicados en la radiación de la luz y de los rayos X.

• Física Nuclear

Analiza las propiedades y estructura del núcleo atómico. Nos permite comprender los fenómenos de fisión y fusión nuclear, así como también la radiactividad natural y artificial. Así mismo el desarrollo de la Física nuclear hace que hoy en día tenga múltiples aplicaciones, más allá del uso bélico, como por ejemplo en medicina, ingeniería, agricultura, etc.

• Física de Partículas

Se dedica a la investigación de las propiedades, comportamiento y estructura de las partículas a nivel subatómico, especialmente mediante el estudio de las colisiones o desintegraciones acompañadas de una liberación de una gran cantidad de energía. Para ello se hace uso de los llamados aceleradores de partículas, cámaras de niebla que no sólo han permitido conocer más de las partículas ya conocidas sino también mediante él se han descubierto nuevas partículas.

• Física del estado sólido

Estudia las propiedades físicas de los materiales sólidos; trata usualmente de las propiedades de los materiales cristalinos, pero algunas veces se extiende para que incluya las propiedades de los polímeros. La física del estado sólido ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales ya conocidos y el descubrimiento de nuevos materiales que han sido la base para el vertiginoso desarrollo de la tecnología actual.

Esto permitió el descubrimiento de los denominados materiales semiconductores como son: el silicio, germanio, etc. que dieron el impulso en la construcción de transistores, diodos, chips, microchips, etc. los cuales son usados en las computadoras, celulares, etc.

• Criogenia

Estudia el comportamiento de la materia a temperaturas extremadamente bajas, e incluso actualmente se investiga la posibilidad de conservar seres vivos mediante esta técnica para luego revivirlos en un futuro, al cual no podrían llegar de forma natural (aunque esto presenta ciertas limitaciones).

• Física del Plasma

Estudia el comportamiento de los gases altamente ionizados (con carga eléctrica), tener en cuenta que, como plasma, es como más abunda la sustancia en el universo (sol, estrellas, etc.).

Los campos de actividad de la física actual, se puede ampliar aún más, por ejemplo, podemos mencionar a la astrofísica, la relatividad, la óptica no lineal, etc.

Como vemos los campos de estudio son diversos y dentro de ellos mismos el contenido es cada vez más amplio. Esto es consecuencia de nuestro acelerado desarrollo y cambiante conocimiento sobre la naturaleza.

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