CAPÍTULO I

GENERALIDADES

1.1. INTRODUCCION

El ser humano desde tiempos remotos siempre se interesó por lo que ocurría a su

alrededor. El hombre primitivo sentía temor de los tiempos naturales que observaba, porque

ignoraba sus causas. Luego, el hombre empieza el estudio de dichas causas, iniciándose de

este modo el desarrollo y por ende la civilización. Acumula una gran cantidad de datos, las

agrupa en teoría cuantitativas - leyes, que lo conducen a efectuar descubrimientos

posteriores. Al proceso de sistematización de los hechos experimentales en teorías o leyes

en las que basan predicciones de estudios y sucesos futuros, se considera la esencia o la

naturaleza de ciencia.

La ciencia es el conjunto de conocimiento en forma exacta, ordenada y formado

metódicamente por medio del cual el ser humano no puede explicar todo lo que le rodea. El

principio de la ciencia es “la comprobación de todo conocimiento es el experimento”.

El gran caudal de conocimientos reunidos a lo largo de siglos de estudios

experimentales condujo a una división general de las ciencias, relacionándose entre ellas.

Una de esas divisiones es la Física, considerada como la más fundamental de las ciencias

naturales y factor importante para el desarrollo de las técnicas en ingeniería y en la

investigación, y por lo tanto para el progreso de la humanidad.

1.2 MATERIA

Una definición clásica de la materia nos la da Lenin: “la materia es una categoría

filosófica para designar la realidad objetiva, dada al hombre en sus sensaciones, y existente

independientemente de ellas”. De lo dicho observamos que la materia se refleja en nuestras

sensaciones (es cognoscible) y existe independientemente de la conciencia.

Según la teoría moderna se conocen dos formas de materia:

a) La sustancia , la que se refiere a los átomos, las moléculas y todos los cuerpos

formados por ellos. Bajo esta forma, la materia se encuentra “concentrada,

localizada”. Se tiene los sólidos, líquidos, gases y plasma (mezcla gaseosa de

iones positivos y negativos o partículas cargadas).

b) El campo , tales como el campo electromagnético, gravitacional. Bajo esta forma

la materia está como “esparcida”en el espacio, “no localizado” y desempeña el

papel de transmisor de las interaciones entre cuerpos.

Una forma de materia puede transformarse en la otra, así tenemos que el electrón

y positrón (sustancias) pueden convertirse en fotones (campo electromágnetico).

La propiedad inalienable de la materia, su carácter esencial, es que no puede ser

creada ni destruída y se halla en movimiento permanente.

1.3. FISICA-OBJETIVO. FISICA CLASICA Y MODERNA

Antigüamente, a la Física se le denominaba la filosofía de la naturaleza (Física en

griego significa naturaleza).

La Física, en términos generales, es una ciencia que se encarga del estudio de la

materia, sus componentes y sus interacciones para dar explicación acerca de las

propiedades de la materia y los diversos fenómenos que ocurren a nuestro alrededor.

Denominaremos fenómeno al cambio que sufre la materia. Si dicho cambio es

reversible, sin alterar la estructura interna de la materia, sólo modificando su modo de estar,

será un fenómeno físico; pero si el cambio es irreversible, alterando la estructura interna de

la materia, modificando su modo de ser, será un fenómeno químico.

Los fenómenos que se presentan en la naturaleza son el resultado de interacciones y

éstas se analizan en función de campos.

Mediante el estudio de la Física, tendremos la posibilidad de adquirir la facultad de

pensar en términos racionales, para poder aplicar los principios fundamentales de la Física a

problemas prácticos, en la investigación y el desarrollo. Además, nos va a proporcionar

técnicas que se usan en diferentes áreas de la investigación.

El método fundamental de investigación en la Física es el experimento, esto es la

observación del fenómeno en estudio bajo de terminadas condiciones, repitiéndo cada vez

que se tienen las mismas condiciones. Para explicar el fenómeno, que requiere

comprobación, se hace uso de la hipótesis, esto es una suposición científica, con el fin de

convertirse en teoría o ley científica.

Los primeros cursos de física universitaria, son correspondientes a la física clásica,

esto es a la que se conocía antes del año 1900. El comienzo de la física clásica se debe a

Newton, que enunció las leyes fundamentales de la mecánica clásica.

Podemos decir que la Física Clásica se divide en:

a) Mecánica, en la que se estudia el equilibrio de los cuerpos, debido a la acción de

fuerzas, y al movimiento de los cuerpos como resultado del efecto que producen

las fuerzas sobre estos cuerpos. Comprende la Estática, que se encarga del

equilibrio de los cuerpos, y la Dinámica, que estudia el movimiento de los

cuerpos.

b) Calor y termodinámica, que estudia los fenómenos térmicos, termodinámicos, la

energía interna y la temperatura.

c) Electricidad y Magnetismo, que se estudia los efectos de las cargas eléctricas y la

intensidad de la corriente eléctrica.

d) Óptica y Ondas, que trata del estudio de la luz y de los fenómenos ondulatorios,

como consecuencia del concepto de campo.

El desarrollo de las ciencias ha establecido los límites en los que la física clásica es

válida, y en los que se aplica los conceptos de la física moderna o cuántica y la relatividad.

En el presente texto desarrollaremos los conceptos de la mecánica clásica.

1.4. MEDICIÓN. SISTEMA DE UNIDADES. SISTEMA INTERNACIONAL DE

UNIDADES.

Medir es comparar una magnitud cualquiera con otra tomada como unidad, pero de

la misma especie. La medición es un técnica consistente en asignar un valor cuantitativo,

determinado en forma experimental a una propiedad física, como resultado de comparar la

cantidad por medir con algún patrón o estándar, la cual se ha adoptado como unidad.

La medición de una propiedad física nos da la información cuantitativa de la

observación de un fenómeno, constituyéndose así en buena parte de la rutina del físico

experimental. Para obtener una mayor precisión de lo que se mide, se debe tomar varias

lecturas con diferentes medidores para luego dar una interpretación de dichas lecturas.

Muchas unidades de medida pueden estar relacionadas en cierta forma. Uniendo

estas unidades relacionadas se forman los sistemas de medida.

Sistema de Unidades

Denomínase así al conjunto de unidades relacionadas entre sí bajo determinadas

características. Las unidades casi siempre pueden expresarse en función de cuatro unidades

fundamentales que son: masa, longitud, tiempo y carga eléctrica, las cuales son

independientes. Los sistemas técnicos o gravitacionales en vez de emplear la masa, utilizan

la fuerza como unidad fundamental.

Sistema Internacional de Unidades (SI)

El nombre de Systéme International d’unites (Sistema Internacional de Unidades),

con la abreviación SI fue adoptada en la onceava Conferencia Internacinal de Pesos y

Medidas que se desarrolló en París (1960). Elaborado tomando como base al sistema

métrico decimal se constituye en el “Idioma Internacional de la Medida”. En Estados

Unidos de Norteamérica desde Julio de 1974 se obliga a utilizar el SI en todos los trabajos

publicados por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). El SI para la ex-

Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas, esta considerado dentro de las normas

soviéticas GOST 9867-61, siendo introducido esas normas desde el 01/01/1963. Como se

aprecia los diferentes países vienen adoptando en forma progresiva el SI; en el Perú dicho

sistema está considerado dentro de las Normas Técnicas dadas por el “Instituto de

Investigación Tecnológica Industrial y de Normas Técnicas” (ITINTEC), recomendándose

referirse a las siguientes normas para obtener información completa:

a) ITINTEC 821.004, principios de escritura de los números, unidades, símbolos y

magnitudes,

b) ITINTEC 821.003, sistema internacional de unidades, recomendaciones para el uso, sus

múltiplos y de algunas otras unidades.

Unidades de base.- son las siguientes unidades fundamentales:

Magnitud Unidad Símbolo

Longitud

Masa

Tiempo

Intensidad de corriente eléctrica

Temperatura termodinámica

Intensidad luminosa

Cantidad de sustancia

metro

kilogramo

segundo

ampere

kelvin

candela

mol

m

kg

s

A

K

cd

mol

Nota: la temperatura Celsius (t) está relacionada con la temperatura termodinámica (T) por

la ecuación t=T-273,15. Un intervalo de temperatura puede ser expresado en kelvin o en

grados celsius (°C). En este caso 1°C=1°K (variación).

Unidades suplementarias.- son las unidades que aún no han sido clasificadas ni como

unidades de base ni como unidades derivadas, y que pueden considerarse como unidades de

base.

Magnitud Unidad Símbolo

Ángulo plano

Ángulo sólido

radián

estereoaradián

rad

sr

Unidades derivadas.- son las unidades que se forman de la combinación entre las unidades

de base y/o sumplementarias.

Magnitud Unidad Símbolo (#) Expresión

Frecuencia

Fuerza

Presión y tensión

Trabajo, energía, cantidad de calor

Potencia

Cantidad de electricidad

Diferencia de potencial

Capacidad eléctrica

Resistencia eléctrica

Flujo magnéctico

Inducción mágnetica

Inductancia

Flujo luminoso

Iluminación

Conductancia eléctrica

hertz

newton

pascal

joule

watt

coulomb

volt

faradio

ohm

weber

tesla

henry

lúmen

lux

siemens

Hz

N

Pa

J

W

C

V

F

Wb

T

H

lm

lx

S

s-1

Kg.m/s²

N/m²

N.m

J.s

A.s

J/G

C/V

V/A

V.s

Wb/m²

Wb/A

cd.sr

lm/m²

-1

(#) expresadas en función de las unidades de base o de las suplementarias.

Múltiplo y Submúltiplos.-

Múltiplos Submúltiplos

Factor Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo

1018

1015

1012

109

106

103

10²

10

Exa

Peta

Tera

Giga

Mega

Kilo

Hecto

Deca

E

P

T

G

M

k

h

da

10-1

10-²

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

10-18

Deci

Centi

Mili

Micro

Nano

Pico

Femto

Atto

d

c

m

µ

n

p

f

a

Para la formación de múltiplos y submúltiplos, se rigen de acuerdo a las siguientes

reglas:

a) Los múltiplos y submúltiplos de las unidades SI se forman uniendo uno de los prefijos

con el nombre de la unidad. Ejemplo: GIGAMETRO

b) En el caso del kilogramo, donde el nombre mantiene un prefijo, los nombres de los

múltiplos y submúltiplos se deben formar uniendo el prefijo a la palabra gramo.

Ejemplo: GIGAGRAMO.

c) El símbolo de un prefijo es considerado combinado con el símbolo de la unidad,

formando con éste un símbolo para una nueva unidad, que puede estar provisto de un

exponente positivo o negativo y que puede estar elevado a una potencia. Ejemplo:

1cm3 = (10-2 m)3 = 10-6 m3

d) No se debe usar prefijos compuestos. Ejemplo: se escribirá nm (nanómetro) en lugar

de nµm.

e) Para formar los múltiplos de una unidad SI compuesta se recomienda solamente un

prefijo. Ejemplo: Se escribirá milinewton- metro y no decinewton-centímetro.

f) Los múltiplos son generalmente escogidos de modo que los valores numéricos estén

entre 0,1 y 1000.

Ejemplo:

1,2 x 104 N puede escribirse como 12 kN

La escritura de los valores numéricos se hará utilizando las cifras arábigas. Se

separará la parte entera de la decimal mediante una coma. No se utiliza punto para separar

enteros de decimales. Para facilitar la lectura de los valores numéricos se recomienda

escribirlos en grupos de tres cifras a partir de la coma decimal hacia la izquierda.

Ejemplo: se escribe 4,8 m, 44,2 l, 0,58 N, 568 659 J, 2 757 653,21 rad/s.

En vez de escribir 0,018 metros, escribimos 18 milimetros, esto es 18mm.