El Libro de Física: Volumen 1

Por Simone Malacrida

En este libro se traza la gran historia de los descubrimientos de la física, desde la revolución científica de Galileo y Newton hasta la física de hoy y del futuro próximo.
La comprensión de la física se aborda tanto desde un punto de vista teórico, exponiendo las definiciones de cada campo en particular y los supuestos que subyacen a cada teoría, como a nivel práctico, llegando a resolver más de 350 ejercicios relacionados con problemas de física de todo tipo.
El acercamiento a la física está dado por el conocimiento progresivo, exponiendo los distintos capítulos en un orden lógico para que el lector pueda construir un camino continuo en el estudio de dicha ciencia.
Todo el libro está dividido en cinco secciones bien diferenciadas: la física clásica, las revoluciones científicas que tuvieron lugar a principios del siglo XX, la física del microcosmos, la física del macrocosmos y, finalmente, los problemas actuales que son el punto de partida de la física del futuro. .
El documento se erige como un trabajo integral sobre física, sin dejar de lado ningún aspecto de las muchas facetas que puede asumir.

• Idioma: Español
• Editorial: Simone Malacrida
• Fecha de lanzamiento: 21 ene 2023
• ISBN: 9798215708774

Simone Malacrida

Simone Malacrida (1977) Ha lavorato nel settore della ricerca (ottica e nanotecnologie) e, in seguito, in quello industriale-impiantistico, in particolare nel Power, nell'Oil&Gas e nelle infrastrutture. E' interessato a problematiche finanziarie ed energetiche. Ha pubblicato un primo ciclo di 21 libri principali (10 divulgativi e didattici e 11 romanzi) + 91 manuali didattici derivati. Un secondo ciclo, sempre di 21 libri, è in corso di elaborazione e sviluppo.

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El Libro de Física: Volumen 1

SIMONE MALACRIDA

En este libro se traza la gran historia de los descubrimientos de la física, desde la revolución científica de Galileo y Newton hasta la física de hoy y del futuro próximo.

La comprensión de la física se aborda tanto desde un punto de vista teórico, exponiendo las definiciones de cada campo en particular y los supuestos que subyacen a cada teoría, como a nivel práctico, llegando a resolver más de 350 ejercicios relacionados con problemas de física de todo tipo.

El acercamiento a la física está dado por el conocimiento progresivo, exponiendo los distintos capítulos en un orden lógico para que el lector pueda construir un camino continuo en el estudio de esa ciencia.

Todo el libro está dividido en cinco secciones bien diferenciadas: la física clásica, las revoluciones científicas que tuvieron lugar a principios del siglo XX, la física del microcosmos, la física del macrocosmos y, finalmente, los problemas actuales que son el punto de partida de la física del futuro. .

El documento se erige como un trabajo integral sobre física, sin dejar de lado ningún aspecto de las muchas facetas que puede asumir.

ÍNDICE ANALÍTICO

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INTRODUCCIÓN _

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PRIMERA PARTE : FÍSICA CLÁSICA

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1 – EL MÉTODO CIENTÍFICO

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2 – SISTEMAS DE MEDICIÓN

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3 – MECÁNICA CLÁSICA: K INEMATI CS

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4 – MECÁNICA CLÁSICA : DINÁMICAY ESTÁTICA _

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5 – MECÁNICA CLÁSICA : TEORÍA DE LA GRAVITACIÓN

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6 – TEORÍA DE FLUIDOS Y DINÁMICA DE FLUIDOS

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7 - ÓPTICA

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8 – ONDAS Y FENÓMENOS DE OSCILACIÓN

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9 – TERMODINÁMICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR

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10 – FÍSICA ESTADÍSTICA

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11 - E TISMO ELE CTRO MAGNÉTICO

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12 – CRISIS DE LA FÍSICA CLÁSICA

INTRODUCCIÓN

Este libro nació de la necesidad de reconciliar, en un solo texto, todas las teorías físicas estudiadas hasta la fecha, completo con su marco teórico y experimental.

No hay duda de que la física, tal como la entendemos hoy, se originó a partir de la introducción del método científico, primero a nivel filosófico, luego a nivel experimental y práctico.

Cuando el método científico entró en la práctica del razonamiento en el que basar suposiciones y deducciones, se produjo un enorme salto de calidad con respecto a todos los conocimientos anteriores.

Podemos decir que todos los descubrimientos y aplicaciones que tuvieron lugar en el pasado con respecto a ese evento son en realidad el resultado de enfoques semi-empíricos y no exactamente de la ciencia como la entendemos hoy.

Ese punto de no retorno fue tal como para determinar un parteaguas histórico, del mismo modo que estamos acostumbrados a considerar hechos del calibre de la Revolución Francesa, la caída del Imperio Romano o el descubrimiento de América.

Desde entonces, la investigación científica ha tenido una aceleración impresionante, abarcando todos los campos del conocimiento y ha impreso en la sociedad, en términos de aplicaciones y consecuencias cotidianas, una impronta decididamente distinta a la del pasado, llegando a crear esas condiciones y esos prerrequisitos necesarios. para la Revolución Industrial, que ocurrió sólo menos de dos siglos después de esos primeros movimientos científicos.

Una primera cesura de este camino se produce con fines del siglo XIX y con el reconocimiento de que, en el abanico de saberes de todos los sectores, se había llegado a tales contradicciones que los esquemas teóricos anteriores debían ser revisados por completo.

De ese período, históricamente conocido como la crisis de la física clásica, surgen las dos teorías revolucionarias del siglo XX que son la base de la física contemporánea, la que utilizamos hoy para describir la Naturaleza y lo que nos rodea.

En este período de tiempo, que duró unos buenos dos siglos, la física ha logrado explorar científicamente diversas disciplinas como la mecánica en todas sus formas (estática, dinámica y cinemática), la astronomía, la teoría de la gravitación, la óptica, los fenómenos y las oscilatorias. , dinámica de fluidos, termodinámica, transmisión de calor, estadística aplicada a la física, fenómenos eléctricos y magnéticos.

Como puede verse en esta pequeña lista, la elaboración de teorías que predicen y explican los resultados experimentales ha sido tan penetrante que no ha dejado nada sin explorar, con las limitaciones que los equipos de la época podían tener (es evidente que estaban completamente fuera de lugar pensar en sondear las características del átomo y del núcleo atómico, no disponiéndose de los medios materiales adecuados para detectar los datos experimentales esenciales).

Lo recién descrito se trata en la primera parte de este libro que coincide con el tratamiento de la física clásica.

La segunda parte del libro está inspirada en las grandes revoluciones de principios del siglo XX, a saber, la física cuántica y la relatividad especial.

Han jugado un papel tan extraordinario en el desarrollo de la física que se decidió dedicarles una parte entera.

La tercera parte del libro trata de la física del microcosmos, es decir, la física que se desarrolla a escala molecular, atómica, nuclear y de partículas fundamentales.

Veremos hasta dónde ha llegado la investigación científica y cuáles son los problemas de estos desarrollos en la actualidad.

La cuarta parte en cambio, como contrapartida, trata de la física del macrocosmos y tiene como piedra fundacional la teoría de la relatividad general.

Es todo lo relacionado con la astronomía, la astrofísica y la cosmología.

También en este caso los resultados recientes de estas teorías serán tangibles.

La quinta y última parte tiene la tarea más difícil en comparación con las demás.

De hecho, si por un lado la teoría de la relatividad ha generado especulaciones sobre el macrocosmos y la física cuántica las del microcosmos, existen numerosas evidencias de su posible (y deseable) encuentro en una sola teoría.

La última parte del libro trata de este peculiar aspecto.

El libro está dividido en capítulos, cada uno de los cuales puede muy bien ser tratado independientemente del anterior y del posterior (de hecho, en la literatura existen numerosos escritos relacionados precisamente con cada uno de los capítulos expuestos).

Sin embargo, hay una correlación lógica en el orden de los capítulos, una especie de conocimiento progresivo hacia lo que antes se desconocía.

El lector atento se dará cuenta y podrá seguir este hilo conductor que no es otro que la re-proposición de la historia de la física.

Se debe hacer una nota sobre la ejecución de los ejercicios.

Es cierto que en la primera parte, la dedicada a la física clásica, se presentan ejercicios realizados en el nivel secundario (precisamente porque en el bachillerato uno comienza a estudiar esos sectores específicos de la física), pero es igualmente cierto que los El formalismo teórico se centra, casi desde el principio, en las matemáticas de nivel universitario que suponen conocimientos de análisis matemático avanzado, geometría avanzada y otras disciplinas matemáticas.

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¿De qué sirve estudiar física?

Vamos a intentar dar una breve explicación (totalmente personal, por supuesto).

No podemos ocultar que la interpretación de las leyes físicas, llevada al máximo nivel, sólo puede conducir a cuestiones especulativas propias de la filosofía, especialmente cuando se trata de lo infinitamente grande (como en el caso de la cosmología) o lo infinitamente pequeño (como es el caso de la cosmología). en física de partículas).

Las leyes físicas, precisamente por tener la particularidad de explicar la naturaleza, el universo y todo lo que nos rodea, no sólo deben estar de acuerdo con los datos experimentales, sino constituir un modelo teórico para la simulación de la realidad misma.

Su estructura e interpretación influyen, por tanto, en la forma de describir la realidad, como ya sucedió con la llegada del relativismo y el indeterminismo a principios del siglo XX.

Las leyes físicas están escritas con un simbolismo que es matemático. La gran fuerza de las matemáticas reside en al menos tres puntos distintos.

En primer lugar, gracias a ella es posible describir la realidad en términos científicos, es decir, previendo algunos resultados incluso antes de tener la experiencia real.

Predecir resultados significa también predecir las incertidumbres, los errores y las estadísticas que necesariamente surgen cuando el ideal de la teoría se lleva a la práctica más extrema.

En segundo lugar, las matemáticas son un lenguaje que tiene propiedades únicas.

Es artificial, como construido por los seres humanos.

Existen otros lenguajes artificiales, como el alfabeto Morse; pero la gran diferencia de las matemáticas es que es un lenguaje artificial que describe la naturaleza y sus propiedades físicas, químicas y biológicas.

Esto lo hace superior a cualquier otro idioma posible, ya que hablamos el mismo idioma que el Universo y sus leyes.

En esta coyuntura, cada uno de nosotros puede traer sus propias ideologías o creencias, ya sean seculares o religiosas.

Muchos pensadores han destacado cómo Dios es un gran matemático y cómo las matemáticas son el lenguaje preferido para comunicarse con este ente superior.

La última propiedad de las matemáticas es que es un lenguaje universal.

En términos matemáticos, la Torre de Babel no podría existir.

Todo ser humano que tiene algunos rudimentos de matemáticas sabe muy bien lo que significan algunos símbolos específicos, mientras que se necesitan traductores y diccionarios para entenderse con palabras escritas o discursos orales.

Sabemos muy bien que el lenguaje es la base de todo conocimiento.

El ser humano aprende, en los primeros años de vida, una serie de informaciones básicas para el desarrollo de la inteligencia, precisamente a través del lenguaje.

El cerebro humano se distingue precisamente por esa peculiaridad específica de articular una serie de lenguajes complejos y esto nos ha dado todas las conocidas ventajas sobre cualquier otra especie del reino animal.

El lenguaje es también uno de los presupuestos del conocimiento filosófico, especulativo y científico y Gadamer lo ha destacado, de manera inequívoca y definitiva.

Pero hay una tercera propiedad de las matemáticas que es mucho más importante.

Además de ser un lenguaje artificial y universal que describe la naturaleza, la matemática es propiamente resolución de problemas , por lo tanto es concreción hecha ciencia, ya que el hombre siempre ha tenido como objetivo la solución de los problemas que lo atenazan, basta ver lo discutido en este trabajo. sobre la superación de las teorías físicas.

La textura de la realidad está, por tanto, marcada por leyes físicas que subyacen a las ecuaciones matemáticas y que, con el tiempo, tienden a generalizarse cada vez más en la ola de nuevos descubrimientos e inconsistencias de viejas teorías.

Hoy nos encontramos ante uno de esos pasos fundamentales.

Por un lado sabemos que existen problemas de congruencia de las dos teorías principales (relatividad general y teoría cuántica de campos), por otro aún no hemos definido un nuevo lienzo teórico que supere estos puntos oscuros hacia un conocimiento más amplio.

Como siempre, es un desafío constante y, de alguna manera, eternamente inherente a la naturaleza humana.

Esta característica forma parte de una eterna carrera hacia una mejor descripción de lo que nos rodea y una mejor comprensión de todos los fenómenos existentes, a raíz de una derivación del mito de Ulises, que encarna la eterna propensión del hombre al conocimiento.

PRIMERA PARTE: FÍSICA CLÁSICA

1

EL MÉTODO CIENTÍFICO

Introducción

El inicio de la física moderna coincide con la formulación y aplicación del método científico, que tuvo lugar de manera sistemática a principios del siglo XVII sobre todo por Galileo y con aportes decisivos de los filósofos Bacon y Descartes.

Esta estructura lógica y filosófica se convirtió en la base para la construcción del conocimiento científico en los siglos siguientes y para el primer enfoque matemático a través de la introducción del análisis por parte de Newton y Leibnitz en la segunda mitad del siglo XVII.

Antes de Galileo, el conocimiento había progresado sobre todo a través de intentos empíricos o razonamientos puramente metafísicos, apoyándose en construcciones lógicas como el silogismo o el principio de autoridad. Por lo tanto, no hubo científicos tal como los entendemos hoy y lo más cercano a nuestro concepto de ciencia lo dieron los estudiosos de la filosofía natural.

Un precursor del método científico fue Leonardo da Vinci quien, aproximadamente un siglo antes que Galileo, comprendió la importancia fundamental de la experimentación real y la demostración matemática, sin llegar, sin embargo, a la definición de un sistema y un método.

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La visión de Galileo Galilei

Galileo partió de algunos supuestos fundamentales, que aún hoy son válidos, entre los cuales:

1) La naturaleza responde a criterios matemáticos

2) Para establecer las leyes de la física es necesario realizar experimentos

3) Las hipótesis lógicas y las teorías matemáticas deben estar de acuerdo con los experimentos.

Por tanto, Galileo abandonó la búsqueda vacía de las esencias y cualidades primarias que tanto habían caracterizado al conocimiento antes del siglo XVII y fijó como piedra angular de la ciencia los hechos cuantitativos, medibles y verificables mediante experimentos y expresables mediante el lenguaje de las matemáticas.

Uno de los puntos clave viene dado por la reproducibilidad de los experimentos: en condiciones adecuadas e hipótesis a preparar, una determinada experiencia debe poder repetirse en todos los lugares dando los mismos resultados y por tanto confirmando (o desmintiendo) la teoría matemática formulada. para explicar este experimento.

En casos particulares donde no es posible realizar un experimento real, Galileo introduce el concepto de experimento mental.

Al aplicar los mismos criterios matemáticos y cuantitativos en la formulación de las hipótesis, el experimento mental tiene la misma validez que el realmente realizado. De esta manera Galileo entendió cómo la revolución copernicana del heliocentrismo (el Sol colocado en el centro del Sistema Solar y no la Tierra como afirmaba la Edad Media en lugar de la Escolástica refiriéndose a la autoridad de Aristóteles) era correcta y cómo las leyes de Kepler eran correctas a nivel astronómico.

El método científico es, por tanto, la forma en que la ciencia aumenta el conocimiento de la Naturaleza y el Universo.

Las características de tal conocimiento son la de ser objetivo, confiable y verificable.

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método inductivo

El método científico consta de dos grandes macrosectores.

Por un lado tenemos la recolección de evidencia empírica a través de experimentos que deben ser reconducidos a una lógica teórica común, por el otro tenemos las hipótesis y teorías que deben estar de acuerdo con la realidad experimental.

Este dualismo refleja de alguna manera la antigua división del razonamiento lógico entre el método inductivo y el método deductivo. Mientras que Galileo hizo un uso particular del segundo, Bacon y Newton fueron usuarios frecuentes del primero.

Veamos brevemente las características de estos dos enfoques diferentes de la ciencia y el método científico y sus implicaciones en términos físicos y filosóficos.

El método inductivo fue el verdadero motor de la física moderna y sólo entró en crisis muchos siglos después, cuando quedó claro que las teorías formuladas estaban en claro conflicto entre sí y con los datos experimentales.

El siglo XX supuso una gran transformación no sólo en las teorías elaboradas, sino también en el enfoque de la ciencia, en la explicación filosófica y lógica así como en el método empleado.

El método inductivo parte de la observación empírica y finaliza en la formalización de una teoría, realizando una serie de pasos intermedios.

La observación identifica las características del fenómeno físico y las mide con métodos reproducibles mientras que el experimento posterior programado por el observador permite detectar estas características.

Posteriormente es necesario elaborar un análisis de correlación entre las medidas, manipulando los datos experimentales para extraer de ellos el mayor contenido de información posible.

Esta correlación es el primer paso hacia la definición de un modelo físico que debe ser una abstracción del funcionamiento real dado por los resultados empíricos.

Hay que decir que los mismos experimentos pueden dar lugar a diferentes modelos físicos y la bondad