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La Física estudia los procesos naturales mediante la medición de magnitudes, el uso de unidades, el análisis dimensional y la estimación de órdenes de magnitud para comprender y predecir fenómenos.

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Al terminarlo, el lector sea capaz de:

Reconocer las unidades del Sistema Internacional (SI) para distancia, tiempo y masa.

Utilizar la notación científica y los prefijos del SI.

Realizar conversiones entre diferentes sistemas de unidades.

Aplicar el análisis dimensional.

Expresar los resultados de las mediciones con el número correcto de cifras significativas.

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La Física se basa en tres magnitudes fundamentales: distancia, tiempo y masa.

La distancia y el tiempo son la base para estudiar el movimiento (por ejemplo, para calcular la velocidad).

La masa se relaciona con la cantidad de materia de un objeto.

Estas magnitudes están interrelacionadas y son esenciales para comprender el movimiento y otros fenómenos físicos.

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El Sistema Internacional de Unidades (SI) se creó para superar la falta de estándares coherentes que obstaculizaban el comercio y la ciencia. Su desarrollo comenzó después de la Revolución Francesa (finales del siglo XVIII) con el objetivo de establecer un sistema racional y natural.

Sus unidades básicas para las magnitudes fundamentales son:

Distancia: Metro (m), Tiempo: Segundo (s), Masa: Kilogramo (kg)

(Estas definiciones modernas se basan en constantes físicas, como la velocidad de la luz, para garantizar su precisión y reproducibilidad).

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La conversión de unidades es una habilidad esencial en física, ya que, aunque el Sistema Internacional (SI) es el estándar, a menudo se utilizan otras unidades por conveniencia o contexto.

Las razones para usar unidades que no sean parte del SI son más intuitivas en la vida cotidiana (ej: km/h), más prácticas en ciertas áreas (ej: litros en química) o más manejables para magnitudes extremadamente grandes o pequeñas. El propósito de esto es no dejar que las conversiones obstaculicen el aprendizaje de los conceptos físicos fundamentales, por lo que es crucial dominar esta técnica.

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La notación científica y los prefijos del SI son herramientas para manejar números muy grandes o muy pequeños en física.

Notación científica: Expresa números usando potencias de 10. Por ejemplo:

(6.371.000 m = 6,371 x 10 ⁶ m).

Prefijos del SI: Simplifican la escritura reemplazando las potencias de 10 con abreviaturas. Por ejemplo:

(1.25 x 10 ⁵ m = 125 k).

Estas herramientas son esenciales para trabajar con la amplia gama de escalas en el universo, desde el tamaño de un átomo (10 ⁻¹⁰ m) hasta el de una galaxia (10 ²⁰ m).

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Como se mencionó anteriormente, no solo existe el SI, sino que dependiendo del contexto también se pueden utilizar otros. Los sistemas mencionados son:

Sistema CGS: Usa centímetros, gramos y segundos. Es común en química (ej: densidad en g/cm³). Las conversiones a SI suelen implicar potencias de 10.

Sistema Británico: Se usa principalmente en EE.UU. (millas, Fahrenheit). Sus factores de conversión con el SI no son potencias de 10.

Unidades Especializadas: Como el año luz en astronomía.

La idea central es la consistencia. Se destaca el caso del Mars Climate Orbiter, que se perdió en 1999 debido a que dos equipos usaban sistemas de unidades diferentes (SI y británico) sin realizar la conversión, lo que demuestra que un error en este paso básico puede tener consecuencias graves.

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21. Se define una tonelada métrica como 1000 kg. ¿Cuántos kilogramos hay en una megatonelada?

1 tonelada métrica = 1000 kg

1 Megatonelada = 10 ⁶ x 1000 kg = 10 ⁹ kg.

“La solución del ejercicio muestra cómo se expresó el peso en kilogramos, toneladas y megatoneladas y con la ayuda de conversiones pudimos expresar una megatonelada en kilogramos y al resultado lo pudimos simplificar usando notación científica. Este ejemplo solo refuerza la importancia del SI, de las conversiones y el uso de notación científica”.

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Entre las constantes fundamentales podemos citar la velocidad de la luz, c, y las masas de las partículas subatómicas, como los electrones y protones.

El análisis dimensional es una herramienta fundamental en física y mecánica utilizada principalmente para verificar cálculos. Si el resultado de una operación matemática no tiene las dimensiones correctas para la magnitud que se está calculando, significa que hay un error en la fórmula o el cálculo.

En mecánica, las dimensiones básicas. En mecánica, las tres dimensiones básicas son longitud (L), masa (m) y tiempo (T). Cualquier otra magnitud se expresa a base de estas tres.

Se pueden emplear diferentes unidades para describir una magnitud con las mismas dimensiones, estas unidades son de gran importancia pues nos revelan las dimensiones de una magnitud física.

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En física a menudo es necesario combinar dos o más magnitudes mediante una operación matemática, hay que saber cómo manejar los números en dicho tipo de cálculos.

Las medidas de las magnitudes físicas implican una cierta incertidumbre, Los científicos indican que la exactitud hace referencia a lo próxima que esta una medida al valor verdadero o aceptado mientras que la precisión hace referencia a la incertidumbre de las medidas individuales, y suele ser el resultado de la dispersión de una serie de medidas repetidas, tomadas todas ellas mediante un mismo procedimiento. Se puede ser muy preciso pero muy poco exacto.

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Por otro lado, las cifras significativas de una medida expresan el grado de confianza o la precisión con la que se conoce un valor. Su número está directamente relacionado con la precisión del instrumento. La cantidad de cifras puede ser ambigua, especialmente cuando hay ceros, los ceros que aparecen al inicio de un número no son significativos, ya que su única función es indicar la posición del punto decimal. Por el contrario, los ceros que están al final de un número y se encuentran después de la coma decimal si son significativos, ya que demuestran la precisión de la medida.

En este tema podemos encontrar reglas principales para el uso de cifras significativas en los cálculos.

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El resultado final debe expresarse con un número de cifras significativas igual al de la medida que tenga la menor cantidad de cifras significativas entre todas las utilizadas en el cálculo

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El resultado debe redondearse de modo que el número de posiciones decimales sea igual al término con la menor cantidad de posiciones decimales de todos los valores involucrados en la operación.

Para evitar la pérdida de información, no redondees los cálculos intermedios, Mantén todas las cifras que te de la calculadora y redondea el resultado final solo una vez, al número correcto de cifras significativas.

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La estimación del orden de magnitud es una técnica que los físicos usan para aproximar un valor a la potencia de 10 más cercana. Es una herramienta útil para verificar si un cálculo es razonable, especialmente cuando no se dispone de valores exactos.

La clave de este método es que no se necesita conocer cada valor con precisión; en su lugar, se pueden usar estimaciones razonables. A pesar de que la estimación no arroje un resultado exacto, proporciona una idea general de la escala del resultado, lo que permite confirmar si el cálculo está en el rango correcto.

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Imagina que quieres calcular la energía (E) producida a partir de una masa (m) de 0.051 kg que se convierte completamente en energía, usando la velocidad de la luz en el vacío (c).

1. Análisis dimensional: Verificación de la fórmula

● La energía (E) tiene dimensiones de masa por longitud al cuadrado sobre tiempo al cuadrado (ML2/T2). Esto se deriva de la definición de energía como trabajo (F⋅d), donde F=ma.

● Ahora, analicemos las dimensiones del lado derecho de la ecuación (mc2):

● La masa (m) tiene dimensión M.

● La velocidad de la luz (c) tiene dimensión de longitud sobre tiempo (L/T).

● Por lo tanto, mc2 tiene dimensiones de M⋅(L/T)2, lo que resulta en ML2/T2

Como las dimensiones de ambos lados de la ecuación coinciden (ML2/T2=ML2/T2), confirmamos que la fórmula es dimensionalmente correcta.

2. Cálculo y cifras significativas

Ahora, apliquemos la fórmula y las reglas de cifras significativas.

● Valores dados:

○ Masa (m) = 0.051 kg (con 2 cifras significativas).

○ Velocidad de la luz (c) = 299.792.458 m/s (una constante fundamental).

● Paso 1: Cálculo intermedio

○ Primero, eleva la velocidad de la luz al cuadrado: c2=(299.792.458)2 ≈8.98755179×1016 (m/s)2

○ Según el consejo, mantenemos este valor completo en la calculadora para evitar errores de redondeo.

● Paso 2: Aplicación de la regla de multiplicación

○ Ahora, multiplica la masa por el valor de c2: E=(0.051 kg)⋅(8.98755179×1016 (m/s)2)≈ 4.5836514×1015 J

○ La masa (0.051 kg) es el valor con el menor número de cifras significativas (2), por lo que nuestra respuesta final debe redondearse a 2 cifras significativas.

● Paso 3: Redondeo del resultado final

○ Redondeamos el resultado a dos cifras significativas: E ≈ 4.6×1015 J

Este ejemplo demuestra cómo la velocidad de la luz es una constante crucial, cómo el análisis dimensional válida la ecuación y cómo las reglas de cifras significativas determinan la precisión del resultado final.