MODULO I - INTRODUCCION
La física y el método experimental, experimentos y observaciones. Teorías físicas.
La física parte de observaciones experimentales y de mediciones cuantitativas. Su principal objetivo es encontrar el limitado número de leyes que gobiernan los fenómenos naturales para desarrollar teorías que puedan predecir los resultados de futuros experimentos.¿Qué estudia la Física? La palabra Física proviene del griego “fisis” y se traduce por naturaleza. Por eso cuando hablamos de la Física hablamos de la ciencia que estudia la naturaleza en su aspecto más amplio y general; es decir, el estudio de aquellos fenómenos asociados a los cuerpos y que provocan modificaciones en su estado, en su movimiento o en la energía que almacenan, pero que no alteran su estructura interna. El interés de la humanidad por su entorno físico está presente desde las primeras civilizaciones, cuando empiezan a interesarse por la periodicidad de ciertos fenómenos astronómicos, como las diferentes fases de la Luna o la regularidad de la estaciones del año. Sin embargo, el salto cualitativo más significativo en el estudio de los fenómenos físicos se produce en el siglo XVI y su principal representante es Galileo Galilei (1564 – 1642).
Galileo defiende que sólo con el uso de la razón y el estudio experimental de los fenómenos naturales se puede obtener un conjunto de leyes universales formuladas matemáticamente, que nos permite conocer mejor el mundo que nos rodea y descubrir el funcionamiento del Universo. Con esa propuesta, revolucionaria para la época, está negando que al autoridad tradicional y las doctrinas religiosas puedan ser la única fuente de conocimiento; por eso podemos decir que con él nace la Física moderna. En la actualidad, la Física ya no se limita al estudio de los fenómenos naturales elementales, como el movimiento de los cuerpos, las fuerzas que los provocan o la energía puesta en juego en esos procesos, sino que su interés abarca un gran número de campos de investigación: el electromagnetismo, la termodinámica, la óptica, la electrónica, la física nuclear, la astrofísica, etc.
El método científico
La Física es una ciencia experimental, por lo que su avance es sobre todo empírico, es decir, basado en verificaciones experimentales de cualquier conjetura o hipótesis formulada. Aunque existen muchas formas de investigar en el campo de la Ciencias de la Naturaleza, todas ellas tienen en común la utilización de un método riguroso y sistemático al que se denomina método científico.
Ciertas características del modo en que trabaja la comunidad científica es lo que hoy denominamos método cientifico, este no es un conjunto de reglas o de etapas que siguen los científicos rigurosamente. Mas bien se trata de una serie de procesos comunes, un modo de acercarnos a la realidad en que debemos cumplir ciertos acuerdos preestablecidos que permiten discernir si una afirmación relativa a la naturaleza es aceptable o no.
En los últimos siglos se han desarrollado métodos para estudiar sistemáticamente la naturaleza. Entre ellos se deben incluir las técnicas de observación, reglas para el razonamiento y la predicción.
La idea sobre la experimentación planificada y los modos de comunicar los resultados experimentales y teóricos todo ello englobado en lo que se llama método científico.
Es en el renacimiento cuando Galileo introduce el cambio drástico en el modo de proceder. Considera que la experimentación controlada es la base para decidir si son válidos o no los supuestos iniciales. Esto fue lo que dio origen a lo que hoy llamamos CIENCIA, y a la forma particular que tiene esta para avanzar en el conocimiento de la naturaleza.
OBSERVACION: se observan determinados fenómenos
El planteamiento de un problema o una pregunta: el origen del problema puede estar en tener que resolver una necesidad creada dentro del contexto social o Galileo Galilei simplemente, responde a la curiosidad de conocer la explicación de un fenómeno observado.
El análisis de la situación: se recurre a modelos simplificados de las situaciones que se quieren estudiar reduciendo las variables de las que dependa el fenómeno, se aíslan del entorno. La recopilación, el análisis y el estudio de la información constituyen la mayor parte del tiempo de trabajo científico. Cualquier problema que se plantee, por nuevo que sea, lleva asociada gran cantidad de información que puede ser útil para su resolución.
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HIPOTESIS: se forman conjeturas. La formulación de la hipótesis: una vez planteado el problema, se enuncia una explicación coherente con los conocimientos que se tienen y que se pueda comprobar experimentalmente.
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EXPERIMENTOS: se ponen a prueba las hipótesis y es aceptada o rechazada. La experimentación de la hipótesis: los experimentos son observaciones cuantitativas del fenómeno en condiciones controladas, de manera que se pueden reproducir en otros lugares y por otras personas.
La ordenación y el análisis de datos experimentales: con este fin se emplean tablas y gráficas, de forma que se puedan buscar y encontrar relaciones entre las distintas magnitudes estudiadas. Si los experimentos confirman la hipótesis o permiten reformularla de forma adecuada, se pueden enunciar leyes, que son hipótesis confirmadas que muestran una relación cuantitativa entre dos o más variables.
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LEY EMPÍRICA si se aceptó la hipótesis se construyen las denominadas leyes empíricas, las cuales se basan en hechos experimentales.
Las leyes se suelen escribir mediante expresiones matemáticas, y su rango de validez queda definido dentro del marco del modelo seguido y de las condiciones en las que se realizaron los experimentos.
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TEORIAS, Un conjunto de leyes coherentes entre sí forman una teoría.
La comunicación de los resultados: se deben de hacer públicos de forma que la comunidad científica tenga acceso a ellos, pueda refrendarlos y, si son aceptados, añadirlos al conjunto de conocimientos que se tengan en ese momento.
Su requisito fundamental es el de ser capaz de realizar predicciones sobre distintos hechos de los observados inicialmente. Estas predicciones son puestas nuevamente a prueba para rechazar o aceptar la teoría, de este modo la experimentación es la prueba máxima para validar una afirmación de forma científica.
Hay que destacar que son muchas las ocasiones en las que el trabajo del científico no se inicia a partir de la observación de un hecho, sino que puede empezar en cualquier otra parte del esquema, de ahí el carácter circular del mismo.
Observación: en esta etapa de observación y recolección de datos nos encontramos con la MEDIDA. Dado que la experiencia va a ser la clave para dilucidar la validez de toda afirmación científica, el proceso de medida se convierte en el proceso central del método experimental.
Asociado al proceso de medición encontramos el concepto de ERROR o INCERTIDUMBRE de una medida.
El aceptar o rechazar una u otra hipótesis depende en muchas ocasiones del resultado de una medida y de la certeza que se tiene de ella.
La palabra teoría tiene su origen en el vocablo de origen griego theorein (“observar”). Este término solía emplearse para hacer mención a la visualización de una obra de teatro, lo que puede explicar porque, en la actualidad, la noción de teoría permite hacer referencia a un asunto provisional o que no es cien por ciento real.
En la actualidad, una teoría se entiende como un sistema lógico que se establece a partir de observaciones, axiomas y postulados, y persigue el propósito de afirmar bajo qué condiciones se llevarán a cabo ciertos supuestos. Para esto, se toma como punto de referencia una explicación del medio idóneo para que las predicciones puedan ser desarrolladas. En base a estas teorías, es posible deducir o postular otros hechos mediante ciertas reglas y razonamientos.
La teoría científica está basada en el planteo de un sistema abstracto hipotético-deductivo, que fija una descripción científica en base a un conjunto de observaciones o experimentos. La teoría científica se rige por hipótesis o supuestos que los científicos se encargan de verificar.
Cabe resaltar que existen dos clases de ideas que pueden desarrollarse hasta lograr establecer una teoría: las conjeturas (suposiciones que no cuentan con el respaldo de las observaciones) y las hipótesis (que sí se apoyan en múltiples observaciones). Estas ideas, dicen los expertos, pueden ser falsas, razón por la cual no evolucionan y no llegan a desembocar en una teoría.
Una teoría está formada por el conjunto de conceptos, proposiciones y definiciones que se encuentran relacionadas entre sí y que son recogidas desde un punto de vista sistemático de fenómenos con el objetivo de explicar o poder predecir un determinado fenómeno.
¿Para qué sirve la teoría? sirve para explicar la realidad (por qué, cómo, cuándo ocurre el fenómeno que se estudia), para ordenarla en una serie de conceptos e ideas; es el fin definitivo de cualquier investigación científica..
Primero la teoría debe presentarse, luego explicar por qué es necesario analizar el fenómeno y por último explayar sus ideas de forma clara y concisa. Puede analizarse un fenómeno complejo que guarde en su esencia otros fenómenos puntuales, por ej: la teoría de la relatividad puede explicarse en grandes rasgos o hacerlo de forma descriptiva en cada uno de los fenómenos que la forman. Es común que para explicar o predecir cualquier fenómeno de la realidad sea necesario analizar detenidamente varias teorías que se interceptan, para poder encontrar las diferentes características del fenómeno y revisar cada uno de sus aspectos adecuadamente.
El término también puede hacer referencia a las ideas que alguien tiene acerca de una determinada cosa, o al conjunto de conocimientos o razonamientos que se hayan realizado sobre un asunto, los cuales no han sido llevados a procedimientos empíricos para probar su veracidad.
MAGNITUDES FISICAS (Magnitudes físicas, las 7 del SI, su medición directa.)
Las propiedades de los objetos cuya naturaleza se establece de forma objetiva y que pueden ser cuantificadas se denominan magnitudes físicas.Magnitud física es cualquier propiedad observable de los cuerpos susceptible de ser cuantificada de forma objetiva mediante un proceso de medida.
Las magnitudes físicas nos permiten describir los fenómenos naturales en términos científicos, sin ambigüedad, con independencia del observador que los estudia. Son ejemplos de magnitudes físicas la longitud, la masa, el volumen, la densidad, la temperatura o la velocidad.
> Es condición de una magnitud física ser medible, permitiendo así la descripción de los fenómenos físicos.
> Se dividen en medibles y no medibles.
> Por magnitud se entiende al proceso de obtener un número llamado medida el cual expresa en cierta unidad el valor o cantidad de la magnitud.
Unidad física es cualquier cantidad arbitraria de una magnitud que se adopta por acuerdo como patrón para esa magnitud. Ej.: con una balanza determinamos que la masa de un objeto es de
10.5 g. m (magnitud) = 10.5 (valor numérico) g (unidad)
Por convenio, se escoge un cierto número de magnitudes básicas a las que se da la categoría de magnitudes fundamentales. Estas magnitudes se definen directamente a partir de propiedades observables de los cuerpos y no como combinación de otras magnitudes. El resto de magnitudes que se expresan en función de las fundamentales, se denomina derivadas. Así, la densidad es una magnitud derivada, pues se obtiene mediante la operación de dividir la masa por el volumen.
El número total de magnitudes fundamentales debe ser tan reducido como sea posible.
Por eso, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se eligen siete: longitud, tiempo, masa, temperatura, cantidad de sustancia, intensidad luminosa e intensidad de corriente.
Es muy habitual que, para el uso cotidiano, cada país utilice unidades de medida diferentes, como metros cúbicos, litros, galones o pies cúbicos. Sin embargo, la comunidad científica mundial emplea siempre las mismas unidades, las que se recogen en el SI, tal como se aprobó en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas, celebrada en París en 1960.
Un detalle importante es que la unidad que se elija para medir debe cumplir una serie de requisitos que, por supuesto, cumplen las unidades SI:
Ha de ser constante. No debe cambiar con el tiempo ni depender de quién realice la medida.
Ha de ser universal. Debe ser la misma para todos los países.
Ha de ser fácil de reproducir, aunque esa facilidad disminuya, en ocasiones, la exactitud del resultado que obtenemos al medir.
-Mediciones físicas en general, sensibilidad, precision y error en una medición. -Definición y clasificación de errores.
La SENSIBILIDAD de los aparatos de medida determina la mínima medida de una magnitud que se puede hacer con un determinado aparato. La sensibilidad de un aparato de medida está relacionada con la calidad de las medidas que se realicen con él.En cada tipo de medidas se requiere una determinada sensibilidad. Por ejemplo para medir la distancia entre dos ciudades no necesitamos un sistema de medida que aprecie los milímetros, sin embargo para medir el grosor de un conductor podríamos necesitar un aparato que apreciase 0.05 mm.
La precisión de un aparato de medida será mayor cuanto menos dispersos estén los resultados de las medidas realizadas con él.
La exactitud de una medida viene dada por la cercanía entre el valor medido y el valor real.
Errores en la medida
La Física como toda ciencia experimental se basa en las medidas de los experimentos realizados. Por supuesto que en estas medidas se cometen errores. Vamos a ver ahora qué tipos de errores hay desde todos los puntos de vista.
Los errores cometidos pueden clasificarse según se produzcan por la forma en la que se realiza la medida en:
Error accidental: Aquellos que se producen debido a un error por causas cualesquiera y que no tienen por qué repetirse. Ejemplo: Leemos en el cronómetro 35 s y escribimos en el cuaderno 36 s.
Error sistemático: Se debe a una mala realización de las medidas que se repite siempre. Ejemplos: Se hacen medidas con un aparato que tenga un defecto de fabricación, miramos siempre la probeta desde un ángulo equivocado (error de paralaje)
Por otra parte cuando realizamos una medida nos alejamos siempre algo del valor real de la magnitud.
Para determinar la precisión de una medida usamos dos tipos de errores:
Error absoluto: Desviación entre el valor medido y el valor real. Tiene las mismas unidades que la
magnitud medida.
Error relativo: Cociente entre el error absoluto y el valor real. Es adimensional. Nos da una idea más exacta de la precisión a la hora de comparar dos o más medidas.
Ejemplo de método científico
Tradicionalmente se considera que el procedimiento seguido por los científicos para llegar a resultados es el método científico.Ejemplo Deducción de la ley de Hooke
- Observación
Un resorte se alarga al ejercer sobre él una fuerza
Elaboración de hipótesis
El alargamiento del resorte puede depender de la fuerza aplicada
- Experimentación
Cogemos un muelle y lo colgamos tal y como se ve en la figura y vamos colgando de él distintas pesas y midiendo las longitudes del resorte.
- Organización y análisis de los resultados
Elaboramos una tabla con los resultados y / o representamos en un gráfico pesos frente a los alargamientos.
- Elaborar leyes
Al analizar la gráfica anterior observamos que los pesos colgados del resorte son proporcionales a los alargamientos en el muelle.
Ley de Hooke:
F = k (L - L0) = k · Δ x
(K es la constante recuperadora del resorte)
