LA FÍSICA AL ALCANCE DETODOS: 2016

domingo, 8 de mayo de 2016

MÉTODO CIENTÍFICO Y SUS ETAPAS

Conocimiento científico

Es aquel conocimiento que esta guiado por principios lógicos, estructurado por conclusiones, fundamentos y leyes. Se caracteriza por ser verifica ble, metódico, sistemático y capaz de elaborar predicciones en el campo de lo comprobable. En el desarrollo de Ingeniería, el conocimiento científico también es importante, ya que si algo es importante en este campo es la base teórica. Además las características de este conocimiento (metódico y sistemático) dan estructura a la solución de problemas.

Las características de la explicación científica son:

Explicar es responder a la(s) pregunta(s) ¿por qué?

La explicación consta de un explanandum y un explanans, que es necesario distinguir de los términos explicandum y explicans, los cuales se reservan para el ámbito de la explicación de significado y análisis.

El explanandum es un enunciado que describe el fenómeno a explicar (es una descripción y no el fenómeno mismo).

El explanans consta de al menos dos conjuntos de enunciados utilizados con el propósito de dilucidar el fenómeno.

El fenómeno en proceso de explicación será explicado demostrando que se produjo dé acuerdo con las leyes generales y en virtud de las condiciones antecedentes especificadas.

La explicación también puede formularse respecto a leyes generales. Es decir, la explicación de una regularidad general puede subsumirse dentro de otra regularidad más inclusiva (una ley más general). Dicho de otra manera, las leyes generales son cubrientes, ya que pueden subsumir otras leyes o un conjunto de hecho

“Es un método imperfecto pero lo suficientemente exitoso como para que todos los campos lo hayan adoptado excluyendo prácticamente cualquier otro método de solución de problemas”

Antecedentes

El método científico fue desarrollado por Galileo para estudiar los fenómenos naturales llevando un registro detallado de sus observaciones. Su método se basaba fundamentalmente en la observación y en la experimentación; aspectos que en la actualidad para la Ingeniería son muy importantes en la solución de problemas.

Método científico

Se basa en una experimentación sistemática por medio de medidas y análisis cuidadosos. El Método científico es una serie de pasos ordenados que sirven para determinar todas las características de los sucesos estudiados. A partir de los análisis se deducen conclusiones. Posteriormente estas conclusiones se prueban para determinar si son válidas.

Etapas del Método científico

Observación: Consiste en examinar atentamente a simple vista o con auxilio de ciertos instrumentos y herramientas la naturaleza de los objetos. En Ingeniería la observación es fundamental para detectar necesidades en un problema determinado.

Hipótesis: Consiste en hacer una serie de suposiciones y pronóstico formulando un aseveración o bien enunciado que antecede a otros constituyendo su fundamento. En Ingeniería la Hipótesis es parte de la planeación, fundamentando lo que se espera.

Experimentación: Consiste en probar y examinar llevando a nivel de laboratorio el problema en estudio. En Ingeniería la experimentación es fundamental, para dar una correcta solución a un problema de Ingeniería es necesario desarrollar repetidamente la propuesta de solución al problema, para poder llegar a conclusiones.

Comprobación: Consiste en proponer pruebas para llegar a la respuesta del problema con certeza y claridad, involucrando toda la información que de solución a la situación que se desarrolló a nivel de laboratorio. En Ingeniería la comprobación es decisiva, ya que por medio de indicadores se evalúa si el proyecto procede o no.

Teoría: Es el conocimiento especulativo considerado con independencia de toda aplicación. En Ingeniería la teoría es una solución conceptual sin tomar en cuenta el desarrollo del proyecto en su ejecución.

Ley: Es la regla o norma constante e invariable de las cosas. En Ingeniería es imposible llegar a una ley, ya que siempre está abierta al cambio y se adapta a él, por lo tanto el proyecto de ingeniería depende de muchos factores que influyen en su desarrollo y la Ingeniería constantemente tiene que dar soluciones.

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¿QUE ES UNA INVESTIGACIÓN?

La investigación es un proceso de descubrimiento de nuevo conocimiento. En el Código de Reglamentos Federales (45 CFR 46.102(d)) relacionado con la protección de sujetos humanos, se define investigación como “una investigación sistemático (por ejemplo, recolección y análisis de información) diseñada con el fin de desarrollar o contribuir en un conocimiento generalizable.” La Academia Nacional de Ciencias establece que el objetivo de la investigación es “extender el conocimiento humano acerca del mundo físico, biológico o social más allá de lo ya conocido.” La investigación es diferente a otras formas de descubrimiento de conocimiento (como la lectura de un libro) porque utiliza un proceso sistemático llamado método científico.

El método científico consiste en la observación del mundo alrededor de uno, creando hipótesis acerca de las relaciones en este. Una hipótesis es una predicción informada y educada o una explicación sobre algo. Parte del proceso de investigación implica probar la hipótesis y luego examinar los resultados de estas pruebas, que se relacionan tanto con la hipótesis como con el mundo. Cuando un investigador formula una hipótesis, funciona como una guía a través del estudio de investigación. Esto le hace saber al investigador qué factores son importantes de estudiar y cómo pueden relacionarse entre ellos o pueden estar causados por una manipulación que el investigador introduce (es decir, un programa, tratamiento o cambio en el medio ambiente). Con esta guía, el investigador puede interpretar la información que recolecta y llegar a conclusiones sólidas acerca de los resultados.

La investigación puede llevarse a cabo con seres humanos, animales, plantas, otros organismos o materia inorgánica. Cuando se realiza investigación con seres humanos y animales, deben seguirse las reglas específicas sobre el tratamiento de humanos y animales que han sido creadas por el gobierno federal de los Estados Unidos. Estas aseguran que tanto humanos como animales sean tratados digna y respetuosamente, y que la investigación cause el mínimo daño posible.

Sin importar qué tema se estudie, el valor de una investigación depende de que esta esté bien diseñada y llevada a cabo. Por ello, una de las consideraciones más importantes en la realización de una buena investigación es seguir el diseño o plan que es desarrollado por un investigador con experiencia, llamado investigador principal (PI). El PI está a cargo de todos los aspectos de la investigación y genera lo que se denomina protocolo (el plan de investigación), que todas las personas que llevan a cabo la investigación deben seguir. Al hacerlo, el PI y la gente en general pueden estar seguros que los resultados de la investigación son reales y útiles para otros científicos.

Diseño de la investigación

Según Trochim (2005), el diseño de la investigación “es el pegamento que mantiene el proyecto de investigación cohesionado. Un diseño es utilizado para estructurar la investigación, para mostrar cómo todas las partes principales del proyecto de investigación funcionan en conjunto con el objetivo de responder a las preguntas centrales de la investigación.” El diseño de la investigación es como una receta. Así como una receta ofrece una lista de ingredientes y las instrucciones para preparar un platillo, el diseño de la investigación ofrece los componentes y el plan para llevar a cabo el estudio de manera satisfactoria. El diseño de la investigación es la “columna vertebral” del protocolo de investigación.

Los estudios de investigación son diseñados de una manera particular para incrementar las oportunidades de recolectar la información necesaria para responder a una pregunta en particular. La información recolectada durante una investigación sólo es útil si el diseño de investigación es sólido y sigue el protocolo de investigación. El seguir cuidadosamente los procedimientos y las técnicas delineadas en el protocolo de investigación incrementará la probabilidad de que los resultados de la investigación sean exactos y significativos para otras personas. Seguir el protocolo de investigación y, por lo mismo, el diseño del estudio, es también importante porque los resultados pueden ser repetidos posteriormente por otros investigadores. Cuanto más a menudo se reproducen los resultados, mayores posibilidades hay de que los investigadores y las personas en general acepten estos resultados como ciertos. Además, el diseño de la investigación debe clarificar los procedimientos utilizados para asegurar la protección de los sujetos de investigación, sean humanos o animales, y de mantener la integridad de la información recolectada en el estudio.

Hay muchas maneras de diseñar un estudio para probar una hipótesis. El diseño de la investigación es elegido dependiendo del tipo de hipótesis (Ej. ¿X causa Y? O ¿Cómo puedo describir X e Y? O ¿Cuál es larelación entre X e Y?), cuanto tiempo y dinero se llevará el estudio y si es posible encontrar participantes. El PI considera estos puntos cuando diseña el estudio y escribe el protocolo de investigación.

Hay muchos tipos de investigación, sin embargo la mayoría de ellos corresponden a dos categorías:descriptivos y experimentales.

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IMPORTANCIA DE LA FÍSICA

¿Que importancia tiene la física en la vida cotidiana?

La Física está Presente en Todas nuestras actividades diarias, es Parte de todos los Sucesos naturales y de aquellos inventos del hombre que le han ayudado a lograr Importantes Niveles de Progreso Tecnológico. Desde los simples Movimientos De Una palanca Hasta las sofisticadas Operaciones ejecutadas Por Una Máquina, la Física ha Permitido al hombre mejorar sus Condiciones de vida, a Través de Procesos Complejos Que aprovechan los Conocimientos de los Físicos Modernos para facilitar la Elaboración de los Productos necesarios para la Humanidad. La Física nos ha Permitido ir a la luna, colocar satélites en órbita de Comunicaciones, mejorar el Desempeño de los Automóviles, estudia con Anticipación la Formación de Huracanes y en general el Estado del Tiempo, nos Ayuda a fabricar Electrodomésticos para facilitar las Labores del Hogar, Construir barcos, aviones, Maquinarias Pesadas y en general Todos los artefactos Que el hombre ha Puesto un su Servicio en la Industria.

LA FÍSICA Y ALGO MAS

La física es la ciencia que estudia el comportamiento y las relaciones entre la materia, la energía, el espacio y el tiempo, podemos decir que la física investiga los fenómenos que ocurren en la naturaleza y en el universo con el objeto de establecer leyes matemáticas que puedan predecir su comportamiento.
La física abarca todo, por un lado estudia lo infinitamente pequeño como son las partículas fundamentales conocidas como quarks que componen los átomos, mientras que en el otro extremo también se ocupa de los lejanos y gigantescos fenómenos astronómicos como son los quásares, los agujeros negros o los movimientos que se producen entre las galaxias del universo. Por otro lado la física trata de dar una respuesta científica a las grandes preguntas de la humanidad, gracias a la física disponemos de teorías como el Big Bang que explican el origen del universo, la teoría de cuerdas nos explica la composición en última instancia de la materia y la energía, mientras otras teorías nos abren la puerta a la existencia de universos paralelos al nuestro que vivimos.
Por otro lado la física es el pilar básico y fundamental de otras ciencias como la ingeniería, la electrónica o la astronomía, sería imposible diseñar un televisor sin tener conocimientos de las leyes electromagnéticas, fabricar un motor de combustión sin los conocimientos de la termodinámica o disponer de la fibra óptica sin tener los conocimientos de la mecánica ondulatoria, gracias a la física tenemos satélites que orbitan alrededor de la tierra permitiéndonos enviar y recibir señales de radio, disponemos de telescopios que analizan la composición de otros planetas y galaxias, hemos desarrollado sistemas de transporte como el coche, el avión, el barco, el ferrocarril o los transbordadores espaciales, sin la física la tecnología actual que disponemos no sería un realidad.La física es una ciencia práctica que se apoya en la experimentación con la finalidad de comprobar y validar leyes y teorías, a través de los siglos la tecnología empleada en la experimentación ha avanzado de la mano de los conocimientos físicos que se descubrían, al inicio Galileo Galilei disponía de una maqueta de madera por dónde deslizaba esferas a distintas inclinaciones que el propio se había fabricado, hoy en día disponemos de complejos y tecnológicos aceleradores de partículas que investigan las interacciones y partículas fundamentales que componen la materia así como telescopios y sondas espaciales que nos permiten obtener información sobre otros planetas, estrellas o galaxias.

DIVISIÓN DE LA FÍSICA

Podemos clasificar las diferentes materias o disciplinas que componen la ciencia de la física en 2 grandes familias, la física clásica y la física moderna.

Física clásica

La física clásica abarcar todos los conocimientos físicos adquiridos por la humanidad a lo largo de todo el tiempo hasta el siglo XX, durante este tiempo se desarrollaron las siguientes materias o disciplinas.

Mecánica clásica

Abarca el estudio de las fuerzas y movimientos que ocurren en cuerpos macroscópicos tanto sólidos como fluidos a velocidades sensiblemente inferiores a la velocidad de la luz. La estática, dinámica y cinemática son partes de esta disciplina.

Mecánica ondulatoria

Estudia todos los fenómenos y propiedades relacionadas con las ondas, la óptica que estudia los fenómenos ondulatorios de la luz y la acústica que estudia los fenómenos ondulatorios del sonido forman parte de esta disciplina.

Electromagnetismo

Es la disciplina física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos unificándolos en una sola teoría.

Termodinámica

Es la rama de la física que estudia los procesos de intercambio de energía calorífica y como pueden ser utilizados para realizar trabajo, analizando y describiendo los estados de equilibrio de los sistemas.
Física moderna
La física moderna inicia sus orígenes con el descubrimiento a principios del siglo XX del cuanto de energía por parte del físico alemán Max Planck. Las 2 principales materias de la física moderna son la relatividad y la física cuántica presentando ambas una visión totalmente diferente del concepto del espacio, tiempo y la materia presentados por la física clásica.
Relatividad – Disciplina de la física que estudia y analiza los fenómenos físicos que ocurren a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.
Mecánica cuántica – Rama de la física que estudia el comportamiento y los fenómenos que ocurren a escalas microscópicas entre átomos y las partículas que los componen.

EVOLUCIÓN DE LA FÍSICA

Los antiguos griegos intentaban dar una explicación a fenómenos físicos mediante el uso de un razonamiento lógico, pero en muchas de las ocasiones sus teorías eran erróneas dado el secretísimo que tiene la naturaleza en desvelar las leyes que le rigen.
Podemos datar el origen de la física clásica en el siglo XVII cuando en 1632; Galileo Galilei demostró experimentalmente que dos esferas de diferente peso lanzadas simultáneamente desde una misma altura llegaban al suelo al mismo tiempo, el mismo Galileo pronuncio ” el libro del universo está escrito en el lenguaje de las matemáticas” a partir de este momento la física experimento un punto de inflexión utilizando la experimentación para la obtención de datos que confirmarán las teorías físicas que describían los fenómenos que ocurrían en la naturaleza.
El salto del conocimiento físico se produjo de la mano de Isaac Newton, cuando en el año 1687 pública su libro “Principios matemáticos de la filosofía natural” presentando en dicho escrito las 3 leyes de la dinámica o de los movimientos constituyendo la base de la mecánica clásica, por otro lado Newton dedujo la existencia de una fuerza de atracción entre 2 cuerpos con masa, Newton presentó la ley de la gravitación universal, explicando mediante una fórmula matemática la fuerza de la gravedad siendo la misma fuerza responsable de hacer que las manzanas caigan al suelo y que los planetas se mantengan en órbita, una fuerza que se aplica indistintamente a lo pequeño y a lo gigante.
El siglo XIX la física se centró en el estudio de los fenómenos magnéticos y eléctricos, gracias los estudios de Michael Faraday, Luigi Galvani y de Charles Coulomb hasta que en 1855 otra de las revoluciones de la historia de la física vino de la mano de Maxwell cuando relaciono las fuerzas magnéticas y eléctricas unificándola en unas sola fuerza conocida como el electromagnetismo.
Durante este mismo siglo XIX otros científicos de la talla de Thomas Young, Augustin Fresnel, Nicolas Sadi Carnot o Rudolf Clauisious impulsaron las ramas de la mecánica ondulatoria y la termodinámica.
En 1905 Einstein presentó la teoría de la relatividad especial enunciado que el tiempo no es absoluto sino relativo y la velocidad de la luz en el vacío es invariante independientemente de la velocidad de la fuente emisora, diez años más tarde en 1915 se presento la relatividad general descubriendo el verdadero origen de la gravedad, Newton descubrió su existencia pero desconocía su origen y funcionamiento hasta que Einstein descubrió que la gravitación es el resultado de la deformación del tejido formado por el espacio tiempo, descubriendo que el tiempo formaba la cuarta dimensión presente en todo el universo.
En los inicios del siglo XX se gesta el desarrollo de la física cuántica, descubriendo que las leyes de la física clásica no se cumplían cuando se estudiaba los fenómenos que ocurrían entre átomos, en este mismo siglo gracias a los aceleradores de partículas se descubrió la composición íntima de los átomos y la materia, descubriendo una gran variedad de partículas subatómicas a la que el modelo estándar ordeno y clasifico permitiendo conocer otras formas de materia y energía así como teorizar el origen de nuestro universo a los pocos segundos de ocurrir la gran explosión o Big Bang.Actualmente el reto de la física es la demostración y descubrimiento de una ley universal que unifique las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza, la gravitación, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil y fuerte, una sola teoría que se convierta en el santo grial de la física resultando una ley que explique el origen y funcionamiento que rige todos los fenómenos que ocurren en el universo.

RELACIÓN DE LA FÍSICA CON OTRAS CIENCIAS

Física con Astronomía :
Desde el principio del conocimiento , el hombre , siempre ha sentido curiosidad por los fenómenos que ocurren a su alrededor.
Esta curiosidad, llevó a que surgiera el llamado método científico, que intentaba explicar de modo racional el porqué o como de las cosas.
Galileo Galilei, físico y astrónomo italiano nacido en Pisa en 1,564 efectuó grandes contribuciones al desarrollo de las ciencias .
Como gran experimentador, logró construir el primer telescopio para sus observaciones, logrando con lentes amplificar las imágenes .
Eran los pasos fundamentales para unir la Astronomía con la rama de la Física llamada ÓPTICA.

Física con Biología .
Los aportes de la física a el estudio de los seres vivos, ha permitido desentrañar los misteriosos antiguos secretos, de la unidad fundamental de la vida : La célula .
Por medio de los descubrimientos de la posibilidad de amplificar las imágenes de los cuerpos celestes, surgió en la rama de la Óptica un avance que permitió a los biólogos y médicos de la antigüedad, acceder a poder observar el mundo de lo diminuto.
Por medio de los microscopios oculares de lentes, fueron posibles los análisis de numerosas muestras de tejidos .
Se aislaron y descubrieron organismos que no podían ser vistos de otra manera. Así de esta forma se combatieron numerosas enfermedades que se consideraban pestes incurables.

Microscopio

Con los avances de la técnica fue posible poco a poco conseguir mayores aumentos y descubrir nuevos organismos tales como bacterias .
Por medio de ondas de radio , la medicina ha logrado importantes avances.
Los Rayos X descubiertos por la emisión de electrones en un tubo de vacío, ayudan hoy en día a la obtención de radiografías de nuestro esqueleto.
Es importantísimo para los médicos el poder observar a través de esas imágenes , las fracturas de los huesos y malformaciones.
También la RADIOTERAPIA y la QUIMIOTERAPIA son importantes aportes de los descubrimientos de los físicos.
La radioterapia ayuda mediante ondas electromagnéticas de frecuencias bajas al alivio de las personas que sufren de artritis, o sea la inflamación de los tejidos que rodean las articulaciones.

Física con Deportes .
Las leyes físicas quedan relacionadas con los deportes y la gimnasia desde el punto de vista que nuestros movimientos están regidos por la gravedad.
En efecto, la atracción que ejerce sobre nuestro cuerpo, la atracción gravitatoria de la tierra .
La estructura ósea de nuestro organismo, desde nuestros primeros pasos en la infancia , debe luchar por conseguir una posición de equilibrio cuando estamos parados o nos desplazamos.
El peso que nos da la balanza es el fiel reflejo de la masa que constituye nuestro organismo y la aceleración de la gravedad 9.81 m/s 2 .
Estudiando dicha fuerza, vemos que dependiendo de este parámetro, si estuviéramos en la Luna “pesaríamos menos” pues allí la aceleración de la gravedad sería menor.
Esto lo pudieron comprobar los primeros astronautas que pisaron la Luna, los cuales llevaban zapatos de plomo para evitar que flotaran en el vacío y no se pudieran desplazar.
La principal manifestación de la fuerza de la gravedad es cuando pretendemos saltar hacia arriba.
Nuestro impulso nos eleva hasta cierto punto y luego la tierra nos atrae hacia ella.
Los gimnastas olímpicos utilizan técnicas que le permiten mediante la utilización del principio del equilibrio .

Física con Química

La Química es una de las ciencias que mas afinidad tiene con la Física.
En efecto, los fenómenos físicos ocurren generalmente en conjunción con los químicos.
Basta ver las manifestaciones de nuestro entorno para poder aplicar esta situación.
No olvidemos que química + física = Biología , o sea la manifestación de la vida y los seres vivos.
Muchos físicos también contribuyeron a descubrir fenómenos químicos dado que en sus experimentos utilizaban reacciones químicas que originaban reacciones físicas.
Un claro ejemplo de ello ha sido la búsqueda de la estructura y funcionalidad del átomo .
Recordemos que de una reacción en cadena, cuando un átomo radiactivo inestable es bombardeado por un neutrón se produce un estallido del núcleo del mismo y sus componentes a su vez rompen otros núcleos generando más colisiones.
Esto es una reacción química y su manifestación física es la generación de una inmensa cantidad de energía en forma de calor .

Llamamos a esto reacción de fusión nuclear.e la física en 2 grandes familias, la física clásica y la física moderna.