Los Reinos de la Fisica y el Sistema de Medidas y Unidades

Si vas al televisor y piensas en científicos, o en físicos específicamente, que han contribuido al desarrollo de la sociedad y ciencias, de seguro que pensaras en personajes como los siguientes.

Aunque la televisión ha popularizado las ciencias para todo el mundo, no todos entienden de que se tratan. En este espacio vamos a explorar una de las consideradas mas difíciles de las ciencias, la Física. 

La física es la ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía y establece las leyes que explican los fenómenos naturales (materia: sustancia de la que están hechas todas las cosas en el universo conocido). Con la inclusión de la astronomía la física se ha convertido en la más antiguas de las ciencias. En su forma pura, la física se extiende desde lo más pequeño (longitud de Planck ~10^-35 m) hasta lo más grande (cúmulo de galaxias ~10²⁵ m) y abarca todo lo concerniente con el comportamiento de la materia y sus propiedades lo que la hace bastante grande, por lo que es difícil estudiarla en un solo paso y por lo general es mejor estudiarla en secciones para asegurar su entendimiento. Estas secciones son conocidas como los reinos de la física y cada uno  se enfoca en diferentes aspectos de la física.

• Mecánica Clásica: estudia el movimiento de los objetos y las fuerzas que lo dominan. Establecida por Isaac Newton, es usada como el principio de la física moderna.
• Ondas, oscilaciones y fluidos: estudia el movimiento y propagación de las ondas y fluidos
• Termodinámica:  estudia la transferencia de energía calorífica
• Electromagnetismo: estudia las partículas con carga eléctrica y sus propiedades.
• Óptica:  estudia el comportamiento de la luz y sus propiedades.
• Física moderna: la mas reciente de los reinos, esta compuesta de la mecánica cuántica, relatividad especial, relatividad general y teoría del campo cuántico.

Estudiaremos todos estos reinos en el orden que aquí se presenta y lo expandiremos desde la idea general hasta lo mas intrínseco. 

La física del día a día

Tal ves has escuchado la expresión de que la física esta en todo lo que hacemos diario como cepillarnos los dientes, usar la ducha, conducir, escuchar música y hasta ver una película y la realidad es que si, la física se encuentra en todo lo que nos rodea de una forma u otra, como la electricidad, o los lentes de una cámara, el movimiento de nuestra mano, la combustión de la gasolina para impulsar un vehículo. Todo esto se debe a un principio de la física y a través de esta serie veremos estos aspectos y como son usados.

Medidas y unidades 

Si le preguntas a una persona por el tiempo te dirá que es tal hora y tantos minutos. Si ves un juego de béisbol por la tele veras que el lanzador o pitcher lanza la pelota a ciertas millas por hora. Si preguntas que tan lejos esta algo te dirán que se encuentra a tantos kilómetros. Todos estos y muchos mas son ejemplos de medidas y unidades. Como seres humanos hemos creado sistemas de medidas que nos ayudan a saber cuanto es cuanto. Imagínate un mundo donde no existiera el concepto de medida; como sabríamos la diferencia de estatura entre dos personas, o quien pesa mas, o que tal si dos personas compran el mismo producto en el mismo lugar, al mismo tiempo pero pagan diferentes precios porque no existe medida para saber. Parece algo absurdo pero el concepto de medidas y unidades nos ayuda a saber que las cosas están siendo tratadas de la misma manera consistentemente (si te gusta cocinar ya estas expuesto a la idea de medir ingredientes) y aunque existen muchos sistemas de medidas el sistema convencional escogido por científicos es el sistema métrico, comúnmente abreviado SI (aunque en este blog no exploraremos mucho la idea del sistema de medidas, es importante que la persona conozca como usarla). En este sistema existen 7 medidas que son consideradas únicas y que todas las demás se derivan de ellas, estas son:

 

• Longitud: se mide en metros (m) 

• Tiempo: se mide en segundos (s, sec) 

• Temperatura: se mide en kelvin (K) 

• Corriente eléctrica: se mide en amperes (A) 

• Intensidad Luminosa: se mide en candela (cd) 

• Cantidad de una sustancia: se mide en mol (mol) 

• Masa: se mide en kilogramos (kg) 

 

Es importante denotar que algunas unidades de medidas son nombradas en honor a la persona que las descubrió. Esto puede causar problemas al diferenciarlas del nombre del creador, por ejemplo la unidad de medida de la fuerza es en newtons (N) en honor a Isaac Newton. La forma convencional de diferenciarlas es que el nombre del creador siempre empieza en mayúscula pero las unidades nunca serán mayúscula. También cabe denotar que en la abreviación de unidades en honor a una persona siempre sera en letra mayúscula (kelvin-K en honor a Sir William Thomson 1st Baron Kelvin, joule-J en honor a James Prescott Joule, watt-W en honor de James Watt, …, etc).  

Otro importante factor de las unidades de medidas es que se pueden convertir de una a otra. En forma general estas tienen un enlace linear que les permite ser intercambiadas pero en otros casos, como la temperatura, la relación no es tan directa. Para esto muchas personas usan tablas de conversión. Aquí les pondré algunos ejemplos, y ejercicios para que practiquen. Es importante conocer como transformar las unidades ya que esto puede resolver muchos problemas en el día a día, como convertir kilómetros en millas, o pulgadas en metros, o galones en litros, o litros en onzas. Es imposible recordar todas las relaciones pero entender como hacer el cambio es la parte donde nos enfocamos. Aquí hay algunas unidades y su equivalencia en otras y mostraremos dos ejemplo de como convertir de un sistema a otro.

Longitud
unidades	metro	pulgadas	pie	yarda	milla
metro	1	39.3701	3.28084	1.09361	0.000621371
pulgadas	0.0254	1	0.08333	0.027778	0.000015783
pies	0.3048	12	1	0.3333	0.000189394
yarda	0.9144	36	3	1	0.000568182
milla	1609.34	63360	5280	1760	1
Masa
unidades	gramos	toneladas	libras	onzas
gramos	1	1.1023E-06	0.00220462	0.035274
toneladas	907185	1	2000	32000
libras	453.592	0.0005	1	16
onzas	28.3495	0.00003125	0.0625	1

Ejemplo 1. vamos a convertir 200 yardas en metros. Esto podemos hacerlo usando la conversión directa o podemos hacerlo por pasos a unidades que conocemos.

 

Ejemplo 2. vamos a convertir 45 onzas en libras.

 

Es importante notar como en cada ejemplo dividimos la unidad que queremos cambiar y multiplicamos la unidad que queremos poner. este método es para asegurar que las unidades han sido reemplazadas correctamente.

¿Por qué la importancia de la conversión?

En septiembre de 1999, el Mars Climate Orbiter fue destruido cuando la nave espacial pasó a través de la atmósfera de Marte y experimentó tensiones y calentamiento que no fue diseñado para tolerar. La construcción de la nave espacial costó $125 millones de dólares, y la gente preguntó por qué la nave espacial entró en la atmósfera marciana cuando se suponía que permanecería en el vacío del espacio. La NASA identificó la "causa raíz" como una falla al convertir las unidades inglesas que un equipo usó para especificar el empuje de cohetes a las unidades SI que otro equipo esperaba. un error simple que costó $125 millones de dólares.

Notación científica

El rango de la medida de cantidades en el universo es enorme. La longitud solamente puede abarcar desde 1/1,000,000,000,000,000 m para el radio de un proton hasta 1, 000,000,000,000,000,000,000 m para el tamaño de una galaxia. Números como este son muy grande para expresarlo y mucho mas difícil para usarlos en operaciones matemáticas. Por esta razón usamos la notación científica donde un número de tamaño razonable se multiplica por una potencia de 10. por ejemplo, el numero 4815 es  ó el numero 0.000015 es donde la regla importante a seguir es el numero de cifras significativas (si quieren aprender mas de cifras significativas les dejare un enlace al final que pueden visitar, algunos sistemas también sustituyen la potencia diez por la letra E, ex.).

Esto es todo con respecto al sistema de medidas y unidades por ahora. aqui es dejo algunos ejercicios para practicar. Pueden buscar los resultados en la siguiente publicación.

1. Una planta eléctrica produce 1500 mega-watts de poder (MW). Expresa este resultado en W, kW y GW.

2. Un átomo de hidrógeno tiene aproximadamente 0.1 nm de diámetro. ¿Cuántos átomos de hidrógeno alineado uno al lado del otro formarían una línea de 1 cm de largo?

3. ¿Cuántos segundos hay en un año?

4. Un automóvil se mueve a 47 mph (millas por hora). Exprese su velocidad en km/h, m/s y ft/s

5. ¿Cuántos centímetros cubico hay en un metro cubico?