16 de octubre de 2013

Introducción a la Física 1 - Magnitudes físicas

Hasta ahora, rara ha sido la ocasión en que hemos hablado de la física en el blog. Aunque con mayor frecuencia he tocado la astrofísica, ahora lo haré mucho más con esta introducción. Pronto quiero hablar de muchos conceptos de física, y para entenderlos, hace falta saber lo principal, sobre lo que todo se basa. En el caso de la astrofísica, comenzaremos con las unidades de medida de distancia (año-luz, pársec, UA...), pero para eso, primero debemos saber qué es una magnitud física.


¿Qué significa Magnitud física?  

Una magnitud física es toda propiedad de un sistema físico (cualquier ejemplo que pongamos en física) que puede medirse. Dentro de cualquier ejemplo se pueden medir muchas propiedades, como su área, volumen, su longitud (...) y con muchas unidades (kilogramo, Metro...). A esto se refiere la magnitud, a la capacidad de medir cualquier propiedad mediante una unidad determinada. Las magnitudes pueden ser de dos tipos: Fundamentales y Derivadas. Y dentro de ambas, encontraremos dos subclases: escalares o vectoriales. Veremos primero las fundamentales y derivadas:



Magnitudes fundamentales y derivadas

Llamamos Magnitud Fundamental a toda aquella que es independiente dimensionalmente y tiene su propia definición, y por el contrario, Magnitud Derivada a toda aquella que deriva de una Magnitud Fundamental. Como la explicación en sí es insulsa, pondré un ejemplo:

- Magnitudes fundamentales hay 7, aceptadas por el Sistema Internacional



- Magnitudes derivadas hay tantas como puedan formarse a partir de las fundamentales.



Es por ejemplo la masa una mangitud fundamental dado que no depende de otra para medirse. La cantidad de masa de un objeto por ejemplo no depende de las otras 6 magnitudes existentes (la masa no depende de la cantidad de sustrato, o de la longitud, por ejemplo), la masa es independiente, y su medición se puede definir como una sola: Medir la cantidad de materia del objeto.

Sin embargo, la velocidad es derivada ya que depende de dos magnitudes fundamentales: longitud y tiempo, de las que deriva. No podemos hablar de velocidad en metros por segundo o kilómetros por hora sin tiempo o sin espacio. No podemos decir "la velocidad del objeto es de 5 metros", o "la velocidad del objeto es de 5 segundos". Por tanto no podemos definir su medición como "Cronometrar la velocidad" o "Medir la velocidad". No se puede hacer una sin la otra. Para medirla, tendríamos que cronometrar el tiempo y medir la distancia, es decir, su definición deriva de las del tiempo y la longitud por lo que es una magnitud derivada.


Tipos de magnitudes según el observador

Magnitud escalar es toda aquella magnitud que se expresa con un único número y sus unidades. En la mayoría de casos, las magnitudes escalares son independientes del observador (masa, temperatura, densidad...), aunque pueden ser también dependientes, como por ejemplo, la energía cinética. Magnitud vectorial es toda magnitud que se caracterizan por un módulo, dirección o sentido. Pongamos un ejemplo:

La masa (no confundir erróneamente con peso), es una magnitud escalar, dado que podemos decir que nuestra masa es de 50 kilogramos. No podemos decir que pesamos "50 kilos Norte", dado que el peso se mide en una escala y no en una dirección o sentido.

La velocidad por ejemplo, es una magnitud vectorial, ya que es distinta para todos los observadores y se caracteriza por tener un sentido y dirección propios. Es decir, dependiendo de la posición del observador, el cuerpo llevará una dirección o un valor distinto. Esto posiblemente nos suene un poco extraño, así que lo explicaré:


La velocidad del viento es de 17 metros por segundo y su dirección es Sur. Esto demuestra que la velocidad es una magnitud vectorial, ya que el viento lleva una dirección (Sur) y una velocidad (+17 metros por segundo).  Por ello, un observador desde el Sur, verá que el viento se acerca a éla 17 metros por segundo, mientras que un observador desde el Norte, verá que el viento se aleja de él a -17 metros por segundo. Para los observadores en el Oeste y el Este, ni siquiera habrá habido viento. Como vemos, todo depende del observador en cada caso. En esto consisten, en resumidas cuentas y a rasgos generales, las magnitudes vectoriales.

También hay otro tipo de magnitudes, las tensiorales, pero cuyo grado de complejidad es mayor y las reservaremos, ya que muy raramente por no decir nunca, hablaremos de ellas.


Errores comunes:

- Es incorrecto (y quizá te sorprendas al leerlo) hablar de peso en kilogramos. Decir "Yo peso 60 kilos" es total y absolutamente incorrecto. Peso se refiere a la cantidad de fuerza con que la gravedad actúa sobre un objeto, no mide masa, sino fuerza, y no se mide en kilogramos, sino en Newtons (N). Es correcto hablar de masa en kilogramos. No es común decir "Mi masa es de 60 kilos", pero sí correcto, ya que la masa es la cantidad de materia en un objeto. Nuestro peso en la Luna será mucho menor ya que la gravedad lunar y por ende su atracción hacia nosotros, son menores. Nuestra masa en la Luna o en la Tierra serán iguales dado que la cantidad de materia de nuestro cuerpo seguirá intacta.

- Es incorrecto excluir al tiempo como una magnitud física, ya que es algo que se puede medir con una unidad de medida, y  por otra parte, es escalar, dado que es igual para todos los observadores. A pesar de que es la única magnitud que no podemos apreciar (podemos medir y calcular el área, el volumen o cualquier propiedad de un objeto, pero no así con el tiempo), sí que es posible medirla. De hecho, otros físicos hablarán de portales, agujeros negros o del tejido espacio-temporal, incluso de Universos Paralelos. Es correcto incluir al tiempo como magnitud física, ya que es una de las 7 definidas como fundamentales por el Sistema Internacional.




- Es incorrecto hablar de litro como unidad de medida de capacidad, y es uno de los errores más cometidos y a la vez garrafales. Es correcto hablar de metro cúbico como unidad de medida de volumen. La capacidad es lo que en física se entiende por volumen. El volumen no es más que una magnitud tridimensional, ya que deriva de las 3 dimensiones: ancho-alto-largo, y dado que ambas 3 se miden en metros, su unidad es el m3   (tiene sentido), y por ello un litro es una milésima parte de un metro cúbico. El litro es la unidad más conocida pero no la principal.

- Es incorrecto decir que el grado Celsius (ºC) es la unidad principal del Sistema Internacional para medir la temperatura. Es correcto decir que el Kelvin (K) es la unidad principal del Sistema Internacional. Sí que son mucho más usadas otras unidades como ºC -grados Celsius- para la comunidad en general europea, y de ºF (Fahrenheit Degrees o Grados Fahrenheit) en la comunidad anglosajona y americana, pero no por ello son las principales del Sistema Internacional.


- Es incorrecto decir que el gramo es la unidad principal de masa y que el kilómetro, a la inversa, lo es de distancia. Muchos toman el gramo como la unidad principal, dado que es una unidad simple, pero nada más lejos de la realidad, es el Kilogramo (kg) la unidad patrón. Lo contrario con la longitud, no es el Kilómetro (km) la unidad del sistema internacional, sino el metro, aunque sí es cierto que el kilómetro en muchas ocasiones es más usado.


Y aquí acaba esta primera clase de introducción a la Física. ¡Ya sabéis todo sobre las Magnitudes Físicas! Aunque muy general, seguramente lo hayáis entendido. Ahora ya estáis listos para el siguiente tema: Las Unidades de Medida. Nuestra primera clase: el Año-Luz.

Espero que os gusten estas entradas de introducción a la Física/Astrofísica que iré publicando. Mi objetivo no es formar al público sólo en una ciencia, sino impulsar su mente y hacer que adquiera sus conocimientos en todas las ciencias relacionadas. No es sólo pasar del 0 al "algo" en Astronomía, sino del 0 al todo en la ciencia. Veréis que con más conocimiento en el apartado científico, no sólo la astronomía se entiende mejor, sino también la astrofísica, la Física, la Química incluso, o las Matemáticas. Poco a poco y durante unas semanas tendremos clases diarias de estos apartados. Si os habéis quedado con alguna duda, no seáis quienes dudéis en preguntármela. Mediante un comentario en esta entrada o en cualquiera de nuestros perfiles en las redes sociales puedes hacerlo y te contestaremos con total inmediatez.