Lectura 2. Física 1. Representación cuantitativa de cambios físicos. 2016-1Profesor Arturo López Cuevas.

2. Representación cuantitativa de cambios físicos.2.1 Introducción.

El Universo no puede estudiarse en su totalidad, para ello es conveniente dividirlo en porciones o sistemas observables desde diversas perspectivas de la realidad, de acuerdo al objeto de estudio de las diferentes disciplinas: física, química, biología, psicología, sociología, economía, etcétera. Cualquiera que sea el punto de vista elegido, en todos los sistemas hay elementos comunes.

Los sistemas tienen partes que lo componen, fronteras naturales o impuestas que permiten establecer lo que pertenece al sistema y lo que está fuera de él. Lo que no pertenece al sistema es el medio ambiente del sistema o resto del Universo.

Dentro de los límites del sistema se efectúan cambios o procesos en los que cada parte realiza alguna función. El sistema como un todo también cambia al ofrecer respuestas a los estímulos del medio ambiente. Las partes tienen propiedades cuya combinación proporciona al sistema otras propiedades y funciones distintas a las de las partes.

Lo que ocurra en alguna parte del sistema afecta a otra, esto implica que hay interacción entre los elementos y en esas interacciones cambian sus propiedades.

Los cambios permiten detectar propiedades. Si éstos en el sistema se deben a la presencia de otros sistemas de su medio ambiente, entonces el sistema interacciona con los demás, permitiendo la entrada o salida de materia y energía (sistemas abiertos) o solamente de energía (sistemas cerrados).

Este intercambio de energía es el origen del cambio. En una interacción cambian los sistemas interactuantes, pues la transferencia de energía de uno a otros implica que algunos ceden energía y otros la reciben. El sistema que cede energía cambia sus propiedades y las cambia también el que la recibe, en el proceso no se pierde energía. Algo similar ocurre con la materia. La energía se redistribuye y se manifiesta en diferentes formas.

Los sistemas pueden sufrir cambios, éstos son de dos tipos: de movimiento y de estructura, los cuales pueden ser estudiados por la energía. La energía cinética está asociada al movimiento mientras que la energía potencial está asociada a la estructura. La energía que no es cinética es potencial.

La estructura de los sistemas está relacionada con la forma, es decir, con la posición que guardan sus elementos, con la distribución o separación de ellos. El tipo de interacción entre los componentes del sistema determina el tipo de sistema y la energía asociada a ellos, así los hay gravitacionales, elásticos, electromagnéticos, nucleares o mecánicos.

En los procesos, la energía manifiesta la capacidad de: transferencia (pasar de un lugar a otro), transformarse de una forma a otras (conversión), de almacenarse como energía potencial (gravitacional, electromagnética, química, molecular, atómica y nuclear). Gran parte del trabajo de los científicos, ingenieros y técnicos está orientado a saber cómo detectar la presencia, transferencia y transformación de la energía mediante máquinas, instrumentos y dispositivos adecuados y buscar los modos de utilización económica y eficiente de la energía.

Resumen tomado del Libro para el alumno de Física 1. Colección 99-1. Área de Ciencias Experimentales. CCH. UNAM. 1Autores: Virginia Astudillo, Rolando Mercado, et al.

Lectura 2. Física 1. Representación cuantitativa de cambios físicos. 2016-1Profesor Arturo López Cuevas.

Como la materia o energía que se intercambia y transforma puede tener valor económico, social, científico y tecnológico, ha surgido la necesidad de medir y controlar los cambios de materia, de energía y de las propiedades asociadas a estos cambios.

Las estimaciones subjetivas de los cambios son poco confiables e inciertas. Se ha convenido en efectuar objetivamente las mediciones haciendo uso de escalas, instrumentos, técnicas y procedimientos estandarizados para asignar números a las propiedades, a sus cambios y a las relaciones entre éstos.

Aunque algunas propiedades pueden medirse directamente por comparación con otra que se considera como unidad, la mayoría de las cantidades físicas se determinan de manera indirecta, es decir, para cuantificar esa propiedad se hacen determinados cálculos.

Los datos o mediciones pueden compararse básicamente a través de dos procesos: diferencias y razones. Por medio de las primeras sabremos dónde hay mayor o menor cantidad y por medio de las segundas podremos comparar la relación que hay entre esas magnitudes, qué tan grande o pequeña es una con respecto a la otra.

La medición es importante porque nos permite identificar y obtener mayor información del fenómeno de estudio. Utilizar técnicas para procesar datos, seleccionar modelos matemáticos para expresar relaciones entre las magnitudes medidas, interpretar los procesos de cambio, explicar el comportamiento de los sistemas, generalizar las conclusiones a otros ámbitos del Universo y buscar aplicaciones, son procesos mentales que nos permiten profundizar en el conocimiento de los fenómenos.

2.1 Cuantificación de magnitudes físicas y de sus cambios.

Un sistema se describe por sus propiedades. La descripción de un sistema en cierto instante es un estado del mismo. Si el sistema cambia es porque cambian sus propiedades. El cambio en su estado está determinado por las diferencias entre las propiedades en momentos diferentes. En la descripción del estado de un sistema hay un mínimo de propiedades mediante las cuales podemos hacer una descripción adecuada: su posición, masa, tiempo, temperatura, carga eléctrica, intensidad luminosa y cantidad de materia.

Las propiedades que tiene un sistema pueden cuantificarse por medio de magnitudes. Si éstas cambian cuando el sistema pasa de un estado a otro entonces se denominan variables del sistema; las magnitudes que no cambian se denominan constantes.

Magnitudes fundamentales y derivadas.

Para solucionar problemas relacionados con las mediciones de las operaciones comerciales, en los procesos industriales y en las necesidades de comunicar y reproducir investigaciones, el hombre ha diseñado un sistema de mediciones; para determinarlo se ha seleccionado el conjunto mínimo de magnitudes que no pueden definirse ni expresarse en función de otras, pero con ellas puede expresarse cualquier otra magnitud, ellas se denominan magnitudes fundamentales y, junto con las relaciones que entre ellas pueden establecerse, permiten determinar cualesquiera otras llamadas magnitudes derivadas, todas ellas se denominan sistema de magnitudes.

Para cuantificar estas magnitudes se selecciona una unidad; el conjunto que éstas forman y sus reglas de relación forman un sistema de unidades.

Resumen tomado del Libro para el alumno de Física 1. Colección 99-1. Área de Ciencias Experimentales. CCH. UNAM. 2Autores: Virginia Astudillo, Rolando Mercado, et al.

Lectura 2. Física 1. Representación cuantitativa de cambios físicos. 2016-1Profesor Arturo López Cuevas.

En la elección de las unidades fundamentales se procura que sean fácilmente definibles y reproducibles, accesibles y de manejo sencillo. El Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) dispone que sean siete las magnitudes fundamentales, adoptadas también por México: longitud, masa, tiempo, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, intensidad luminosa y cantidad de sustancia.

Las magnitudes que no se encuentran en esta lista se llaman derivadas. Estas se definen en función de una o varias magnitudes fundamentales. Ejemplos de derivadas son: velocidad, área, volumen, aceleración, carga eléctrica, fuerza, trabajo y energía.

Las unidades para cuantificar estas magnitudes son diversas. Ante el problema de cuantificar la misma magnitud con diversas unidades, desde 1670 se hicieron los primeros intentos por establecer un sistema común. Es hasta 1875 cuando 17 países, durante la Convención de las Medidas, llegaron a un acuerdo y crearon la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. En 1981, en México se estableció el carácter obligatorio del Sistema Internacional de Unidades.

El criterio adoptado para resolver las dificultades que origina la diversidad de unidades es que para medir una cantidad física debe existir una y sólo una unidad internacional.

Con este criterio se aceptan solamente siete unidades fundamentales, una para cada magnitud fundamental, ellas son:

Magnitudes fundamentales. Unidades fundamentales. Símbolo.

longitud metro m

masa kilogramo kg

tiempo segundo s

temperatura Kelvin K

intensidad de corriente eléctrica Ampere A

intensidad luminosa candela cd

cantidad de sustancia mol mol

Todas ellas tienen sus múltiplos y submúltiplos y las unidades que surgen de las relaciones entre ellas se denominan unidades derivadas.

2.2 Razones de cambio.

Se denomina razón de cambio al cociente obtenido de dividir los cambios presentados en dos magnitudes que se comparan.

En muchas ocasiones la comparación es entre una magnitud con el tiempo, así, la razón de cambio será la rapidez con que algo cambia o bien el cambio de esa magnitud por unidad de tiempo o, dicho operacionalmente, el cociente que se obtiene de dividir el cambio de una magnitud entre el tiempo que tarda ese cambio.

2.3 Gráficas que describen relaciones entre magnitudes físicas.

Los cambios entre las variables de un fenómeno se pueden representar mediante tablas, gráficas, enunciados o expresiones matemáticas.

Resumen tomado del Libro para el alumno de Física 1. Colección 99-1. Área de Ciencias Experimentales. CCH. UNAM. 3Autores: Virginia Astudillo, Rolando Mercado, et al.

Lectura 2. Física 1. Representación cuantitativa de cambios físicos. 2016-1Profesor Arturo López Cuevas.

Una forma relativamente sencilla de conocer la relación entre dos variables es la gráfica, pues nos ofrece una visión global del comportamiento de las variables que intervienen en el fenómeno de estudio y nos permite hacer algunos análisis con mayor facilidad. También, a través de ella, es posible obtener el modelo matemático o fórmula que indica la relación entre las variables, aun cuando sea solamente una relación empírica.

La gráfica se construye trazando dos rectas perpendiculares, formando así un sistema de coordenadas cartesianas, denominada así debido a que fue una aportación del matemático y filósofo francés René Descartes.

La recta horizontal se denomina eje de las x o de las abscisas, en ella se suelen representar los valores de la variable independiente.

La recta vertical se denomina eje de las y o de las ordenadas, en ella se suelen representar los valores de la variable dependiente.

Resumen tomado del Libro para el alumno de Física 1. Colección 99-1. Área de Ciencias Experimentales. CCH. UNAM. 4Autores: Virginia Astudillo, Rolando Mercado, et al.