Tema 1: Introducción

Tema 1: IntroducciónFISICA I, 1º Grado en Ingeniería CivilEscuela Técnica Superior de IngenieríaUniversidad de SevillaFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/121

¿Qué es la Física?Del griego : realidad, naturalezaEstudia las leyes que rigen el comportamiento de los fenómenosnaturalesSe basa en el método científico: observación y experimentación,hipótesis, verificaciónEs cuantitativa MatemáticasUnas pocas leyes explican toda la variedad de fenómenos de laNaturalezaFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/122

¿Para qué sirve?Comprender los fenómenos naturalesMejorar la tecnología existenteDescubrir nuevos fenómenos permite diseñar nuevastecnologías y dispositivosEstá en la base de todas las aplicaciones y diseños de laIngenieríaFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/123

Interacciones fundamentalesGravitaciónElectromagnetismoFuerza fuerteFuerza débilLargo alcanceLargo alcanceCorto alcance (10-15 m)Corto alcance (10-18 m)AtractivaAtractiva y repulsivaMasa gravitatoriaCarga eléctrica”Color” ( quarks)”Sabor” (quarks)PesoFenómenos eléctricosy magnéticosEstabilidad de losnúcleos atómicosRadioactividad Movimientode los planetasQuímicaFisión y fusión nuclearEvolucióndel UniversoFuerzas de cohesiónFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/124

HistoriaMitologías y Religiones: intento de explicar el mundoFilósofos griegos: tratan de dar una expliación racional de losfenómenos naturalesS. XVI: se establece el método científicoS. XIX : se establece el corpus de la Física Clásica (Mecánica,Termodinámica, Electromagnetismo,.)S XX (1920) : nace la Física Moderna (Cuántica, Relatividad, .)Física I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/125

Físicos relevantesAristóteles (300 a.C.): su modelo se mantuvo vigente durante casi 20 siglosGalileo Galilei (1564-1642): establece definitavamente el método científico:el experimentoIsaac Newton (1643 – 1727): Mecánica clásica y gravitación. Primera granunificaciónJames C. Maxwell (1831 – 1879) : Electromagnetismo clásico. Unificaciónde Electricidad, Magnetismo y ÓpticaAlbert Einstein (1879 – 1955): Relatividad y CuánticaFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/126

Magnitudes físicasLa Física trata de desarrollar un conocimiento cuantitativoLa base del conocimiento cuantitativo es la medida de magnitudesUna magnitud física es una propiedad susceptible de ser medida:longitud, tiempo, masa, temperatura, carga eléctrica, etcMedir es comparar la cantidad de una cierta magnitud con unpatrón esogido por consensoFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/127

Magnitudes no físicas¿Cuál es la más bonita?BurgosLeónFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/12París8

Magnitudes no físicasVan GoghL'arlésienne, Madame Ginoux28 millones Christie's, Nueva York2006MurilloCristo, el varon de los dolores3,6 millones Christie's, Londres2005Física I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/12¿Cuál es mejor?La subasta asignaun valor numérico,pero la ”medida” noes reproducible9

MedidadPatrón0cm123456d 4,1 mos un patrón (unidad) de longitud por consensoComparamos la longitud que queremos medir con el patrónObtenemos un valor numérico reproducibleFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1210

Sistema Internacional de UnidadesUnidades egundoIntensidad luminosacandelaMasakilogramoCantidad de materiamolCorriente eléctricaamperioOficina Internacional de pesas y medidasFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/12www.bipm.fr11

Sistema Internacional de UnidadesSegundoEl segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondientea la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio133 a una temperatura de 0 KMetroEl metro es la longitud recorrida por la luz en el vacío en un tiempo de 1/299 792 458de segundo*KilogramoEs la masa del cilindro patrón (aleación de platino e iridio) guardado en en la OficinaInternacional de Pesas y Medidas en Sèvres, Francia*La velocidad de la luz se define como c 299.792.458 m/sFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1212

Notación científica100 102100 x 1000 102 x 103 102 3 1051/10 10-11000/10000000 103/107 103-7 10-4100 12,345 x 10-2 m 2,345 cm6,4 x 103 m 6,4 kmFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1213

Sistema Internacional de Unidades ca I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, zeptoyoctoSímbolodcmµnpfazy14

Magnitudes derivadasVelocidadm/sAceleraciónm/s²Fuerzakg m/s² (Newton)Energíakg m²/s² (Julio)Carga eléctricaAsFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/12(Culombio)15

Conversión de unidadesUso de factores de conversiónFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1216

Análisis dimensionalExpresiones dimensionales de las magnitudesLas ecuaciones deben ser dimensionalmente coherentesA B CB y C deben tener las mismas unidadesLos dos miembros de la igualdad tambiénEs útil para detectar erroresFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1217

Análisis dimensional¿Cómo depende el período de los parámetros?Debe serSuponemos una dependencia potencialg0La fórmula debe ser dimensionalmente coherenteFórmula finalFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1218

Orden de magnitudEscalas de longitudUniverso observableGalaxia más lejanaGalaxia más cercanaEstrella más cercanaRadio órbita TierraDistancia Tierra-LunaRadio TierraAltitud EverestLong. campo fútbolAltura hombreTamaño moscaTamaño célulaÁtomo hidrógenoProtón(m)4 x 10264 x 10252 x 10224 x 10161,5 x 10113,8 x 1086,4 x 1069 x 1039,1 x 1011,7 x 1005 x 10-31 x 10-51 x 10-101 x 10-15Escalas de tiempoEdad del UniversoEdad de la TierraPrimer homínidoNacimiento de CristoEsperanza de vidaUn añoUn díaUna películaTiempo entre latidosPeríodo ondas sonorasPeríodo ondas radioVibración átomo en sólidoPeríodo luz visibleVida media piónLuz atravesando un protónFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/12(s)5 x 10171,3 x 10171,4 x 10146 x 10102,5 x 1093,2 x 1078,6 x 1047 x 1038 x 10-11 x 10-31 x 10-61 x 10-132 x 10-151 x 10-173,3x 10-2419

Orden de magnitud (II)¿Cuantas personas caben en la Feria de Sevilla?Área : 450 000 m²Densidad : 2 personas/m²Total Área x Densidad 900 000 personas¿Cuántos átomos hay en 1 cm³ de un material sólido?Radio típico átomo : 10-10 mVolumen típico átomo Va (4/3) R3 4 x10-30 m3Número de átomos 1 cm3/Va 2 x 1023Física I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1220

Orden de magnitud (III)Los resultados de un cálculo deben ser razonablesNOPeso de un avión 10 kgNOPeriodo de oscilación de un péndulo 1010sPUEDEVelocidad de un coche 100 km/hSERTambién vale con las dimensionesNOÁrea de un círculo 2 RCASiVolumen de una esfera R³( 4 R3/3)Física I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1221

ResumenBusqueda de las leyes cuantitativas básicas que rigen losfenómenos naturalesConcepto de medida de una magnitud físicaSistema internacional de unidades (SI)Análisis dimensionalÓrdenes de magnitudFísica I, GIA, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2011/1222

Long. campo fútbol 9,1 x 101 Altura hombre 1,7 x 100 Tamaño mosca 5 x 10-3 Tamaño célula 1 x 10-5 Átomo hidrógeno 1 x 10-10 Protón 1 x 10-15 Escalas de tiempo (s) Edad del Universo 5 x 1017 Edad de la Tierra 1,3 x 1017 Primer homínido 1,4 x 1014 Nacimiento de Cristo 6 x 1010 Esperanza de vida 2,5 x 109 Un año 3,2 x 107