Escalares y Vectores

Los escalares y vectores son magnitudes que permiten medir fenómenos físicos diversos. Son totalmente aplicables al estudio de las ciencias según su naturaleza.

Las magnitudes escalares son aquellas que quedan totalmente determinadas dando un solo número real y una unidad de medida. Ejemplos de este tipo de magnitud son la longitud de un hilo, la masa de un cuerpo o el tiempo transcurrido entre dos sucesos. Se las puede representar mediante segmentos tomados sobre una recta a partir de un origen y de longitud igual al número real que indica su medida. Otros ejemplos de magnitudes escalares son la densidad; el volumen; el trabajo mecánico; la potencia; la temperatura.

A las magnitudes vectoriales no se las puede determinar completamente mediante un número real y una unidad de medida. Por ejemplo, para dar la velocidad de un móvil en un punto del espacio, además de su intensidad se debe indicar la dirección del movimiento (dada por la recta tangente a la trayectoria en cada punto) y el sentido de movimiento en esa dirección (dado por las dos posibles orientaciones de la recta). Al igual que con la velocidad ocurre con las fuerzas: sus efectos dependen no sólo de la intensidad sino también de las direcciones y sentidos en que actúan. Otros ejemplos de magnitudes vectoriales son la aceleración; la cantidad de movimiento; para representarlas hay que tomar segmentos de recta cada uno de ellos determinado entre dos puntos extremos dados en un cierto orden.

Por lo tanto, estos segmentos de recta se denominan vectores, que tienen la particularidad de tener un origen, un módulo, una dirección y un sentido. Ejemplo:

En este vector el punto a es el origen, el módulo viene a ser la medida de longitud desde el origen al punto b o extremo, la dirección es la orientación en el espacio y el sentido lo da la punta de la flecha como en este caso es hacia la derecha.

Así como en los escalares se pueden realizar operaciones de suma, resta y multiplicación, con los vectores se pueden realizar las mismas operaciones. Ejemplo:

Para sumar dos vectores a y b se procede de la siguiente manera: a partir del extremo de a se lleva el vector b; el vector cuyo origen es el origen de a y cuyo extremo es el extremo de b, es el vector suma a + b.

Para restar dos vectores b y a, se haya el opuesto de a que es –a con solo cambiar el sentido del vector y luego se procede como en el caso de la suma.

Para la multiplicación de un vector por un escalar como por ejemplo: el escalar 10 y el vector (-2,5) basta con multiplicar el escalar con cada valor del vector: 10 (-2,5)= (-20,50) y representarlo en un plano cartesiano con valor en x=-20 y en y=50, obteniéndose el vector producto de la multiplicación.

Cantidades Físicas Fundamentales y Derivadas. Magnitudes y Errores

Las cantidades físicas fundamentales son aquellas que se definen por si solas y no se pueden medirse en función de otras. Son ejemplos de cantidades físicas fundamentales: el tiempo, la temperatura, el espacio (longitud) y la masa. Estas cantidades pueden describirse conceptualmente y pueden ser medidas experimentalmente.

El tiempo es la medida de dos sucesos cualquiera, es decir, la duración de dos sucesos. La temperatura se define como el grado de calor de un cuerpo. El espacio es la distancia que separa a dos puntos. La masa es la cantidad de materia de un cuerpo. Estas cantidades físicas tienen unidades de medida regulados por el sistema internacional de medidas (SI), las cuales son: el segundo (s) para el tiempo; grados Kelvin (°K) para temperatura; el metro (m) para el espacio y el kilogramo (Kg) para la masa.

Por otro lado, las cantidades físicas derivadas como su nombre lo indica son aquellas que se expresan en función de las cantidades físicas fundamentales (longitud, masa y tiempo), mediante leyes válidas en cada dominio. Por ejemplo: volumen, densidad, fuerza, entre otros.

El volumen o metro cúbico (m3), resultado de combinar tres veces la longitud, una de las magnitudes fundamentales. La densidad o cantidad de masa por unidad de volumen, resultado de combinar la masa (magnitud fundamental) con el volumen (magnitud derivada). Se expresa en kilogramos por metro cúbico (Kg/m3). La fuerza magnitud que se define a partir de la segunda ley de Newton (Fuerza=masa x aceleración), la masa es una de las magnitudes fundamentales pero la aceleración es derivada. Por tanto, la unidad resultante (kg × m/s2) es derivada. Esta unidad derivada tiene nombre propio, el newton.

Ahora bien, a partir de las cantidades físicas surgen las magnitudes, entendiéndose por magnitud toda aquella propiedad de los sistemas físicos que se puede medir o estimar por un observador. Se expresan por un número y la respectiva unidad de medida.

Existen diferentes tipos de magnitudes, entre las cuales tenemos: escalares, vectoriales y tensoriales. Las magnitudes escalares son caracterizadas por un valor fijo independiente del observador y carecen de dirección y sentido, como por ejemplo, la masa. En física clásica la masa, la energía, la temperatura o la densidad de un cuerpo son magnitudes escalares que contienen un valor fijo para todos los observadores. Las magnitudes vectoriales, son aquellas que cuentan con cantidad, dirección y sentido como por ejemplo, la velocidad, la fuerza, la aceleración. Las magnitudes tensoriales, caracterizan propiedades o comportamientos físicos modelizables mediante un conjunto de números que cambian tensorialmente al elegir otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento o de orientación.
Las mediciones exactas son parte importante de la física.

Pero ninguna medición tiene precisión absoluta, hay una incertidumbre asociada con cada medición. Esta incertidumbre permite conocer el error de la medición. Por lo tanto, la medición se debe realizar varias veces con el fin de minimizar el error experimental, e igualmente calcular la media de las mediciones para obtener el valor más cercano a la realidad.

Con estos valores, se puede calcular el error absoluto y relativo: la diferencia entre la medida y el valor real da el valor absoluto; mientras que el cociente entre le valor absoluto y el valor real da el error relativo expresado en porcentaje.

Leyes de Newton

Primera ley. Ley de la inercia: esta ley nos explica que un cuerpo cuando está en reposo o en movimiento a velocidad constante sobre el no actúa ninguna fuerza, o en su defecto las fuerzas que actúan sobre están en equilibrio. Ejemplo: un vehículo estacionado y otro en movimiento a velocidad constante.

Segunda ley. Principio fundamental de la dinámica: esta ley afirma que la fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional a su aceleración. Se identifica con la siguiente fórmula: F=m.a.

En otras palabras, para que un cuerpo cambie su movimiento es necesario que una fuerza actúe sobre el. Ejemplo: la fuerza que se le aplica a un cuerpo que está en reposo o en movimiento constante lo que ocasiona un cambio en su movimiento inicial.

Tercera ley. Principio de acción y reacción: cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce sobre el primero una fuerza igual y de sentido opuesto.

Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.

Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.

Ley de gravitación universal: la ley de gravitación universal de Newton dice que un objeto atrae a los demás con una fuerza que es directamente proporcional a las masas. La gravedad se ejerce entre dos objetos y depende de la distancia que separa sus centros de masa.

Newton demostró que la fuerza de la gravedad tiene la dirección de la recta que une los centros de los astros y el sentido corresponde a una atracción. Es una fuerza directamente proporcional al producto de las masas que interactúan e inversamente proporcional a la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad, G, se denomina constante de gravitación universal.

Fórmula: F= -G.M.m.u/r2

Los Modelos Físicos y su Utilidad en la Vida Diaria

Los modelos físicos han permitido representar fenómenos muy complejos para lograr su comprensión. Por lo tanto, todo modelo físico es la representación visual a escala o no, de un fenómeno, elemento microscópico, máquina, construcciones, entre otros.

La utilidad radica explícitamente en poder representar la realidad que no vemos directamente, o en otro plano en poder representar visualmente lo que queremos lograr o construir. Esto se aplica a todas las ciencias, permitiendo el desarrollo tecnológico actual, debido a la planificación y proyección a largo plazo de lo que se ha querido lograr.

Como ejemplos de modelos tenemos: maquetas de construcciones civiles, máquinas, sistemas electrónicos y eléctricos, modelos del átomo, modelos de moléculas, modelo del sistema solar, entre otros.

Átomos, Moléculas y Materia

Es válido afirmar que comemos átomos, bebemos átomos y respiramos átomos. Como se sabe sin la materia no existiría nada, al considerarla como todo lo que ocupa un espacio y se puede ver y tocar.

Desde el punto de vista organizacional o estructural, establecemos unos niveles que desde el punto de vista biológico nos permite conocer de que y a partir de que estamos formados. Por lo tanto, el cuerpo humano es materia y como tal está formado inicialmente de átomos, los cuales forman las moléculas, estas dan lugar a las células, a su vez las células forman los tejidos, los tejidos constituyen los órganos y los órganos el cuerpo humano, constituyéndose así la materia, en otras palabras somos materia.

Este nivel de organización es complementado con las distintas interacciones que podemos establecer con el entorno, como por ejemplo: los alimentos de los cuales obtenemos la energía y así muchos otros procesos que nos permiten la sobrevivencia.

Aparte de esta constitución se da el flujo de energía necesario para que podamos funcionar, aplicándose esta condición a todos los seres vivos. Desde el punto de vista de la materia inanimada, está igualmente constituida por átomos y por consiguiente moléculas las cuales al estar íntimamente unidas o en movimiento le dan la forma física en que la vemos.

El Átomo: Estructura Atómica

Se sabe que la materia para que exista no está constituida como un elemento único e indivisible, al contrario, está formada por las unidades elementales más pequeñas. Estas unidades se denominan átomos.

Así como en biología se habla de las células como las unidades básicas de los seres vivos, en física y química se habla de átomos como las unidades más pequeñas que forman las moléculas y estas a su vez forman las células.

Por lo tanto, los átomos se constituyen en la base de la física como elemento fundamental y funcional. Paradójicamente, los átomos no son elementos únicos e indivisibles, ya que estos están constituidos por partículas aún más pequeñas como son los electrones, protones y neutrones.

Los protones y neutrones constituyen el núcleo del átomo y casi la masa total del mismo, mientras que los electrones se encuentran en la periferia del átomo formando una nube electrónica activa. Estas partículas conocidas como subatómicas dan las particularidades del átomo que derivan al elemento a que dan origen.

Niveles Físicos de la Materia

Desde el punto de vista físico, es decir, lo que podemos ver y que ocupa un lugar en el espacio, se pueden distinguir dos niveles en gradientes de menor a mayor significancia: el nivel microscópico y el macroscópico.

En el nivel microscópico, juegan un papel importante las moléculas las cuales son agregados de elementos químicos que a su vez están constituidos por átomos. De esta manera, partimos en este nivel al estudio de las moléculas per se.

Así mismo, como sabemos, al hablar de átomos tenemos que incluir en este aparte las partículas que los componen, como son las llamadas partículas subatómicas: los electrones, protones y neutrones como los elementos básicos o unidades elementales de la materia.

En el nivel macroscópico, tenemos la materia en los tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Estos estados condicionan la forma en que la materia está presente en el universo. Así mismo, existen dos fuerzas que actúan sobre la materia ocasionando que esta se presente en los estados anteriormente mencionados. Estas fuerzas son la energía cinética que busca la separación de las moléculas que constituyen la materia y la energía potencial que busca su unión.

Si la energía cinética es menor que la potencial la materia se encuentra en estado sólido; si la energía cinética y la potencial son iguales la materia se encuentra en líquido; si la energía cinética es mayor que la potencial la materia entonces se encuentra en estado gaseoso.

Importancia de la Física en el Acontecer Diario

Indudablemente el aporte de la física es invaluable, equiparándose quizá a la química. Uno de los aportes de la física ha sido la de dar las respuestas a los distintos fenómenos que ocurren en nuestro mundo y en nuestro entorno, desde los fenómenos terrestres hasta los que acontecen en el exterior de nuestro planeta.

Las particularidades son muchas, sin embargo, la física ha servido de base o ingrediente esencial para el desarrollo de la tecnología que hoy conocemos en todos los campos. Los aportes del estudio de la física han permitido en primera instancia el conocimiento de nuestro sistema planetario incluyendo el papel de nuestro planeta en él, lo que ha facilitado la exploración del espacio.

Por otro lado, se reconoce un aporte muy importante desde el punto de vista de la electrónica, la mecánica, la electricidad y estas en conjunto han contribuido al desarrollo de la tecnología con que hoy contamos, siendo posible cumplir con nuestras rutinas diarias, entre las que se pueden contar: conducir, usar internet, hablar por teléfono, escuchar música, cocinar, ver televisión, oír radio, usar el microondas, el avance de la medicina, entre muchos otros.

En fin como podemos observar, la física ha transformado el mundo desde sus inicios al permitir comprenderlo y estudiarlos científicamente, lo que ha generado mejorar nuestra calidad de vida.