Física: magnitudes, análisis dimensional, cinemática, vectores y leyes de Newton

La física como ciencia

La física es una ciencia experimental que tiene por objetivo el estudio de los fenómenos de la naturaleza, los componentes de la materia y sus interacciones mutuas, con el fin de poder explicar las propiedades generales de los cuerpos y los fenómenos naturales que observamos a nuestro alrededor.

Magnitud y medida

Magnitud: es todo aquello que puede ser medido.

Medida: es la comparación de una magnitud con otra de la misma especie que, arbitrariamente, se toma como unidad.

Magnitudes fundamentales

• Longitud: metro (m) — símbolo dimensional: L
• Masa: kilogramo (kg) — símbolo dimensional: M
• Tiempo: segundo (s) — símbolo dimensional: T
• Temperatura: kelvin (K) — símbolo dimensional: Θ
• Cantidad de sustancia: mol (mol) — símbolo dimensional: N
• Intensidad luminosa: candela (cd)
• Corriente eléctrica: amperio (A)

Magnitudes derivadas

• Rapidez: metro por segundo (m·s^-1) — dimensiones: L T^-1
• Aceleración: metro por segundo al cuadrado (m·s^-2) — dimensiones: L T^-2
• Fuerza: newton (N) = kg·m·s^-2 — dimensiones: M L T^-2
• Densidad: kilogramo por metro cúbico (kg·m^-3) — dimensiones: M L^-3
• Energía: julio (J) = kg·m²·s^-2 — dimensiones: M L² T^-2

Análisis dimensional

Existen tres principios básicos del análisis dimensional que permiten trabajar con expresiones físicas y verificar la coherencia de fórmulas.

Principios

• Principio de existencia: consiste en expresar las magnitudes derivadas en función de las magnitudes fundamentales mediante símbolos dimensionales.
• Principio de homogeneidad: una ley física que rige un fenómeno está bien planteada únicamente cuando se igualan dos magnitudes de la misma especie o de la misma naturaleza. Este principio permite verificar si una fórmula está correctamente planteada.
• Obtención de una expresión física: procedimientos para deducir la dependencia dimensional entre variables y obtener una posible forma de la expresión física, respetando la homogeneidad dimensional.

Movimiento y conceptos básicos de cinemática

• Móvil: es todo cuerpo que realiza movimiento. A partir de ahora será representado por un punto material.
• Trayectoria: es la línea que describe el móvil.
• Distancia recorrida: es la medida de la longitud de la trayectoria.
• Desplazamiento: es el vector que representa el cambio de posición; se traza desde el punto inicial hasta el punto final.
• Rapidez: hace referencia solamente a la medida de qué tan rápido se mueve el objeto (magnitud escalar).
• Velocidad: se usa para representar tanto la magnitud como la dirección en la que se mueve el objeto (magnitud vectorial).

Tipos de movimiento

• MRU (Movimiento Rectilíneo Uniforme): un MRU es aquel que tiene su velocidad constante y su trayectoria es una línea recta.
• MRUV (Movimiento Rectilíneo Uniformemente Variado): un cuerpo describe un movimiento rectilíneo uniformemente variado cuando su trayectoria es una recta y, a la vez, su aceleración es constante.

Movimiento en el plano y vectores

Vector: un vector es un segmento de recta que tiene magnitud, dirección y sentido.

Métodos para sumar y restar vectores

Método del paralelogramo: a partir de un punto cualquiera del plano se trazan dos vectores y se forma un paralelogramo; la diagonal del paralelogramo que va desde el origen al vértice opuesto representa el vector resultante o suma.

Método cabeza a cola (o método gráfico): a partir de un punto cualquiera del plano se trazan los vectores uno a continuación de otro, manteniendo iguales sus módulos y direcciones; el vector que une el origen del primero con el extremo del último es la suma vectorial.

Método algebraico: para sumar algebraicamente dos o más vectores en el plano, éstos deben estar expresados en función de sus vectores base o componentes (por ejemplo, componentes en x e y).

Diferencia de vectores: la diferencia de vectores es un caso particular de la suma de vectores; en consecuencia, todos los métodos de suma vectorial son aplicables a la diferencia vectorial (por ejemplo, sumar el primero con el inverso del segundo).

Leyes de Newton

• Primera ley de Newton (inercia): todo cuerpo continúa en un estado de reposo o de MRU a menos que se le obligue a cambiar ese estado por medio de fuerzas que actúen sobre él.
• Segunda ley de Newton: la aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional al valor de su masa. Matemáticamente: a = F / m.
• Tercera ley de Newton: cuando dos cuerpos interactúan, la fuerza que el primero ejerce sobre el segundo (acción) es igual en módulo y opuesta en sentido a la fuerza que el segundo ejerce sobre el primero (reacción).