Cantidades Usadas En Física

Diferentes cantidades que se emplean en el estudio de la Física

Cuando la física estudia algún aspecto de la naturaleza lo primero que hace es deslindar lo más claramente posible cuál es la parte de la naturaleza que le interesa, separándola del resto. La parte que está bajo estudio se llama sistema. Qué es lo que forma parte del sistema y qué es lo que no lo integra es una cuestión que se debe decidir claramente desde el comienzo. Esta decisión está librada al criterio del estudioso y es en gran medida arbitraria. Aunque muchas veces se toma por razones prácticas o de conveniencia, una decisión juiciosa sobre esta cuestión es fundamental para que el tratamiento sea sencillo y a la vez útil. Como veremos, en muchos casos la definición del sistema queda implícita ya que es bastante obvia, pero esto no debe llevar al lector a creer que el tema se pueda soslayar: una afirmación puede ser cierta o falsa según como se haya definido al sistema. Por ejemplo si afirmamos que al chocar una bocha contra otra se conserva la energía mecánica, tal afirmación es cierta si se entiende que el sistema (cuya energía mecánica decimos que se conserva) es el conjunto de las dos bochas, pero es falsa si se considera que el sistema está formado por la primera (o la segunda) de las bochas.

Al estudiar un sistema físico estamos interesados en una o varias de sus características, a las que denominamos sus propiedades físicas, cuya descripción se hace en términos de lo que llamamos magnitudes. Por ejemplo si el sistema que consideramos es un gas encerrado en un recipiente las magnitudes físicas que lo describen serán la presión p del gas, el volumen V que ocupa, su cantidad (o sea su masa m, o bien el número n de moles), su temperatura T, etc.

El objeto de las leyes físicas es establecer relaciones entre las magnitudes que caracterizan al sistema, de modo tal que conocidos los valores de algunas de ellas se puedan calcular o predecir los valores de las otras y su evolución con el correr del tiempo. En el caso de un gas en un recipiente citado antes, p, V, T y n están relacionadas, en el equilibrio, por medio de la fórmula aproximada

pV=nRT

Donde R es una constante universal. Esta fórmula expresa una ley física, llamada ecuación de estado de los gases ideales. Otro ejemplo de ley física es la ley del resorte que presentamos en el Capítulo anterior y más adelante se verán muchas otras. La Física es una ciencia experimental y esto quiere decir que sus leyes se obtienen de la observación y la experimentación. Fue por medio de la experimentación que se encontraron las leyes que se acaban de mencionar.

Las leyes que rigen el comportamiento de sistemas complejos son lógicamente complicadas, lo que hace difícil la tarea del físico. Sin embargo hay una estrategia extraordinariamente útil y fructífera que permite atacar estas dificultades. Consiste en dividir un sistema complejo en partes más simples, estudiar cada parte por separado, y deducir las propiedades del conjunto a partir de las propiedades de las partes que lo componen y de sus interacciones. Por ejemplo, si se considera el gas de antes como un conjunto de moléculas, se puede deducir la ley (2.1) a partir de las propiedades de las moléculas

La importancia de este enfoque no es sólo práctica (porque permite abordar problemas que se presentan como sumamente complicados) sino también conceptual, ya que permite una enorme síntesis del conocimiento porque condensa muchas leyes y relaciones en pocas leyes más fundamentales referidas a sistemas simples, a partir de las cuales se deducen todas las demás mediante procedimientos lógicos y aplicando fórmulas matemáticas. Se tiene así una poderosa herramienta que permite atacar un número muy grande de problemas.

Vemos así que los elementos básicos con que trabaja el físico para construir su estructura de leyes son las magnitudes físicas. Las magnitudes físicas son los datos que vienen de la observación y la experiencia. De lo dicho se desprende que el concepto de magnitud está íntimamente relacionado con la idea de medición. Más precisamente, una magnitud física queda definida cuando se conocen las prescripciones para medirla, es decir asociarle valores numéricos comparándola con otra de la misma clase tomada como unidad. Por ejemplo la longitud (de un objeto) es una magnitud que queda definida cuando se especifica el procedimiento a seguir para medirla.

Este procedimiento puede ser, verbigracia, comparar la longitud en cuestión con una regla graduada y contar cuántas veces la unidad en que está dividida la regla entra en la longitud que se está midiendo.

Unidades y dimensiones de las magnitudes físicas

De lo expuesto debe quedar claro que hay muchas clases de magnitudes físicas, caracterizadas de diferente manera. Algunas de ellas se pueden comparar entre sí: por ejemplo todas las longitudes se pueden medir con una regla (por lo menos en principio) y se pueden expresar en términos de la misma unidad. Se dice entonces que tienen la misma dimensión, que en este caso es la dimensión de longitud y se indica con el símbolo de longitud l encerrado entre corchetes:

[l ] ≡ dimensión de longitud

La unidad de longitud, es decir la unidad en la que se expresan

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