Curso de Inducción de Física

CAPÍTULO 1

Introducción al estudio

de la Física

M.I. ISIDRO I. LÁZARO

CASTILLO

Programa del Curso

1. Magnitudes Físicas y su medición.

2. Conversión de unidades.

3. Vectores.

4. Movimiento en una sola dimensión.

Forma de Evaluación del Curso de Inducción

Asistencias

Tareas

Examen de diagnóstico

Examen

Material didáctico y tareas disponibles en:

http://isidrolazaro.com

Ver sección de blog académico

Dudas: ilazaro@ieee.org

RECOMENDACIONES EN CLASE

NUNCA QUEDARSE CON DUDAS,

SIEMPRE PREGUNTAR.

LLEGAR TEMPRANO A CLASE.

ENTREGAR TAREAS SIEMPRE.

APAGAR O PONER EN VIBRADOR SU

CELULAR.

Porque estudiar Física?

La física ha tenido un gran desarrollo gracias

al esfuerzo de científicos, porque han

inventado y perfeccionado varios instrumentos

que han conseguido que el hombre agudice

sus sentidos y pueda detectar, observar y

analizar varios fenómenos que se dan en el

Universo.

Gracias a la física disfrutas de la

Mayoría de los aparatos y

construcciones tecnológicas

Aportaciones de la física

Construcción de enormes rascacielos

Puentes larguísimos

Carreteras y edificios, casas y escuelas.

Puertos y presas

Rayo láser

Horno de microondas

Computadoras y naves espaciales que nos

permiten conocer un poco sobre este vasto

Universo.

Que es la física

La física es, ni más ni menos, la ciencia cuya

tarea es descubrir las leyes fundamentales

de la naturaleza, es decir, las leyes que rigen

el comportamiento del espacio, del tiempo,

de la luz, de las partículas elementales, de

los átomos, etc.

Porque estudiar Ingeniería?

http://www.metacafe.com/watch/6397638/ieee_solutionists_drive_innovation/

http://solutionists.ieee.org/

Magnitudes físicas y su medición

Uno de los métodos de

cuantificación más sencillos es

contar.

Otro principio de cuantificación es

medir. A diferencia de contar, el

proceso de medición es, en

principio, inexacto. Al medir ya no se

emplean enteros para determinar la

cantidad, sino se emplean las

marcas de una regla o un

termómetro, cronómetro,

anemómetro, etc.

Las unidades fundamentales

Al medir una cantidad física, lo primero que

hay que identificar es qué tipo de propiedad

se está midiendo.

La incertidumbre de medir

Como la abuela decía “Eres más bajo

cuando estas de pie que cuando estas

acostado”

Ver video de Walter Lewin (Libro “Por amor a

la física”)

https://www.youtube.com/watch?v=GtOGurrUP

mQ

Min 5:26 a 11:05

Cantidades físicas, patrones y unidades

Ciertas cantidades pueden ser más fáciles

de establecer como patrones.

El problema básico es por lo tanto, elegir el

número más pequeño de cantidades físicas

como fundamentales y estar de acuerdo con

los patrones para su medición.

Estos patrones deben ser:

Accesibles

Invariantes

Sistema internacional vs sistema Inglés

Las diferencias entre los sistemas de

medidas métrico e inglés son vastos.

Aunque el sistema inglés es mucho más

antiguo que el sistema métrico, más antiguo,

en este caso, no significa necesariamente

mejor. El sistema métrico tiene muchas

ventajas sobre el inglés.

Sistema Internacional vs Sistema Inglés

Es mucho más fácil convertir medidas

usando el sistema métrico, que el sistema

inglés. Debido a que el sistema métrico se

basa en potencias de 10, cambiar de metros

a kilómetros o centímetros es tan simple

como mover la coma decimal a la izquierda o

derecha.

Conversiones en el sistema inglés

Con el sistema inglés, un complicado conjunto de

reglas gobierna las conversiones. Hay tres pies en

una yarda y 5280 pies en una milla.

Una pinta son 2 tazas, un galón son 8 pintas. En

lugar de mover una coma decimal, la gente debe

memorizar las conversiones.

Relaciones básicas Sistema Internacional vs Sistema inglés

1 metro = 39.37 plg 3.281 pie 6.214x10-4 millas

1 Kilogramo = 2.205 lbm 6.852x10-2 slug 35.27 oz

1 m3 = 106cm3

1pie3 7.481 galones

1 galón 3.786 L 231 pulg3

Patrones de medición

Un patrón de medición es una

representación física de una unidad de

medición. Una unidad se realiza con

referencia a un patrón físico arbitrario o a un

fenómeno natural que incluye constantes

físicas y atómicas.

Patrón de tiempo

Patrón de tiempo: en 1967, la vigesimatercera

Conferencia General de Pesas y Medidas adoptó una

definición de “segundo” basada en la frecuencia

característica de la radiación que emite un átomo de

cesio. En concreto estableció lo siguiente:

“un segundo es la duración de 9,192,631,770

vibraciones de una radiación emitida por un

isótopo de átomo de cesio”.

Patrón de longitud

Patrón de longitud: la decimoséptima

Conferencia General de Pesas y Medidas

adoptó una definición de “metro”

“el metro es la longitud de la trayectoria

recorrida por la luz en el vacío durante un

intervalo temporal de 1/299,792,458 de

segundo”.

Patrón de masa

Patrón de masa: el patrón de masa en el SI es un

cilindro de platino e iridio que se conserva en la

oficina Internacional de Pesas y Medidas, al que por

convención internacional se le asignó una masa de

1 kg.

Conversión de unidades

1.-Escriba la cantidad que desea convertir.

2.- Defina cada una de las unidades incluidas en la

cantidad que va a convertir, en términos de la

unidad o las unidades buscadas.

3.- Escriba dos factores de conversión para cada

definición, uno de ellos recíproco del otro.

4.- Multiplique la cantidad que desea convertir por

aquellos factores que cancelen todas las unidades,

excepto las buscadas.

Ejemplos de conversión de unidades

Usando los factores de conversión aplicados

halle:

a) La velocidad en metros/segundo equivalente

a 55millas por hora.

1milla =1609 m

Ejemplo Conversiones Cont.

b) El volumen en cm3 de un tanque que

contiene 16 galones de gasolina.

1galón = 2 pulgadas cúbicas

1pulgada = 2.54cm

Ejemplo: Una pirámide tiene una altura de

481 pies, y su base cubre un área de 13.0

acres.

Si el volumen de una pirámide está dado por la

expresión

donde B es el área de la base y h es la altura.

Encuentre el volumen de esta pirámide en

metros cúbicos. Un acre = 43560 pies2.

1

3V Bh

Ejemplos Cont.

Ejemplo: Un cierto reloj de péndulo (con una

carátula de 12 horas) se adelanta un

min/día. Después de poner el reloj en la hora

correcta, ¿cuánto debemos esperar hasta

que indique nuevamente la hora correcta?

Dado que el reloj se adelanta 1 hora cada 60 días

entonces en 12x60 días estará nuevamente a la

hora correcta, es decir en 720 días.

Ejemplos Cont.

Ejemplo: El concorde era el avión comercial

más rápido, con una velocidad de crucero de

1450 mi/hr. Exprese la velocidad de crucero

del concorde en Km/Hr.

Ejemplos Cont.

Ejemplo: Conduciendo en un país extranjero,

ve un letrero que indica el límite de velocidad

como 180,000 Furlongs/quincena. ¿Cuánto

es esto en Km/hr y b. m/s. Un furlong o

estadio es 1/8 de milla y una quincena son

14 días.

Ejemplos Cont.

Ejemplo: Un salón de clases mide 40.0m x

20.0m x 12.0m. La densidad del aire es de

1.29 Kg/m3. ¿Cuál es el volumen del salón

en pies cúbicos?, ¿el peso en libras del aire

en el cuarto?

Ejemplos Continua

Ejemplo: Un galón de pintura (volumen =

3.78x10-3 m3) cubre un área de 25.0 m2.

¿Cuál es el espesor de la pintura en el

muro?

Prefijos

En algunas ocasiones, es muy difícil

expresar cifras enteras muy grandes, o

decimales muy pequeños; en estas

ocasiones tenemos la opción de simplificar

dicha cifra y la mejor manera de hacerlo es

usando la notación científica. La notación

científica es llevada a cabo por una

exponenciación basada en múltiplos y

súbmúltiplos de 10.

Tabla de Prefijos

Ejemplo

Convierta la potencia de salida de una planta

Hidroeléctrica de 10 MegaWatts a su

equivalente en el sistema inglés Btu/hr.

1 Btu/hr=0.292875 W

Solución de examen de diagnóstico

1.- Una unidad de área común en la medición

de la tierra es la hectárea, definida como 104

m2. Una mina de carbón consume 75

hectáreas de tierra con una profundidad de

26 m cada año. ¿Que volumen de tierra, en

km3 se remueve en un año?

Análisis Dimensional

Una ecuación no puede

ser correcta a menos

que sea consistente en

cuanto a sus

dimensiones. Esto

significa que ambos

miembros de la

ecuación deben ser

expresados en las

mismas dimensiones.

Ejemplos

El radio de un circulo inscrito en cualquier

triángulo cuyos lados son: a, b y c está dado

por:

Donde

Comprobar la consistencia dimensional de la

fórmula.

s a s a s ar

s

2

a b cs

Solución

La dimensión de las variables son:

s – L

a – L

b – L

c – L

Por lo que

L L L L L LL

L

En análisis dimensional debemos cuidar que en los

términos de una suma o resta produzcan términos

que sean de las misma dimensiones.

En la ecuación obsérvese que por ejemplo si S tiene

como dimensión la Longitud y se le resta otra, en

este caso a también de Longitud, entonces se tiene

una nueva dimensión de longitud

s a s a s ar

s

L L L L L L LLLL

L L

Simplificando

Por lo que

Con lo cual se demuestra la validez de la

fórmula.

LLLL

L

2L L

L L

Ejemplo Cont.

Demuestre que la expresión de la velocidad

de un objeto con aceleración constante es

correcta. f ov v at

Solución

Usando análisis dimensional, sustituimos las

dimensiones de cada variable.

Simplificando

Por lo tanto

2

L L LT

T T T

L L L

T T T

L L

T T

Ejemplo

El periodo de un péndulo simple se mide en

unidades de tiempo y se escribe por:

donde es la longitud del péndulo

y g es la aceleración en caída

libre en unidades de longitud

dividida entre el cuadrado del

tiempo.

Demuestre que esta ecuación

es dimensionalmente correcta.

2l

Tg

Solución

Sustituyendo las dimensiones de cada

variable, tenemos:

Realizando operaciones

simplificando

2/

Lt

L T

2LTt

L

t t

La ecuación del péndulo

Hemos demostrado que la ecuación de un

péndulo es dimensionalmente correcta.

Pero TIENE ALGO EXTRAÑO QUE CONTRADICE

LA INTUICIÓN.

1. El periodo de oscilación es independiente d de la

amplitud (si no se usan valores extremos)

2. No importa el peso del péndulo, puede ser de (1kg

ó 500 kg)

2l

Tg

Probemos la ecuación con un sencillo

experimento, usando un péndulo con una

amplitud de 5º y luego con 10º con diferentes

pesos.

Considerando L=5.21 m, entonces:

Y probando un objeto de 15.5 kg

5.212 2 4.58 0.02

9.81

lT seg

g

Video de péndulo simple

Proyectar el video de Walter Lewin (Profesor

de física del MIT), del libro “Por amor a la

Física”

https://www.youtube.com/watch?v=RXhxD_Gy7Ig&list=PL9oYUyqv-

bvFtwsMJXvlX_Yt1Yv1W8SNa

Tarea

Realizar los ejercicios de Conversión de

unidades y Análisis dimensional.

Fecha de entrega: 24 de Junio en la hora de

clases

Bibliografía

Notas de Física del Curso de Inducción.

Dr. Antonio Ramos Paz

Física para Ingeniería y Ciencias Vol 1

Wolfgang Bauer

McGraw Hill

2011

Por Amor a la Física

Walter Lewin

Ed. Debate

2013