Fiscica Experimental

I CONCEPTOS BÁSICOS DE FÍSICA

1. Estudio de Fenómenos Físicos

1.1 Método de estudio de fenómenos físicos

Si se quiere describir el comportamiento de algún sistema o fenómeno de la naturaleza o de la vida real enfocados desde un punto de vista de ingeniería (en forma cuantitativa), se puede hacer por el método experimental y también por formulación matemática.

El procedimientoexperimental intenta reproducir el fenómeno en estudio bajo condiciones rigurosamente controladas, esto permite manipular una variable y así, definir cuales son significativas y estudiarlas con mayor detalle. También se usa para comprobar teorías.

Mediante la experimentación, después de varias pruebas, al considerar las limitaciones del modelo, es posible proponer una ecuación empírica o aproximadaque pueda utilizarse para análisis o diseño.

En general, en ingeniería, el método experimental es lo más cercano a la realidad, pero es muy costoso y a veces resulta complicado en algunos casos poder generalizar a partir de los resultados.

La otra forma de estudiar un fenómeno de la realidad es mediante un modelo matemático que en general lleva a plantear y resolver una ecuacióndiferencial, este tema se abordará con más detalle en el inciso 1.2.
Si se comparan los modelos matemáticos con los experimentales, los primeros requieren herramientas sencillas.

El método experimental y el método matemático se complementan para definir un proceso eficiente y fundamentado del objeto de estudio.

En un proceso de investigación de un fenómeno, mediante método experimental y métodosmatemáticos, los pasos a seguir son:

a) Se estudia el fenómeno de tal manera que sea posible conocer las variables involucradas y se propone el modelo matemático y se resuelve la ecuación propuesta.

b) Se propone un modelo representativo de las variables a considerar en estudio y se aplica la ecuación solución del problema, cambiando los valores de la variable en cuestión e interpretarestos resultados para definir el valor adecuado de dicha variable.

c) El mismo modelo, se analiza en forma experimental y se obtienen resultados.

d) El resultado experimental y el matemático se comparan y se dan conclusiones.

e) Posteriormente se tiene una fase de verificación con otro modelo que puede aceptar, rechazar o complementar las conclusiones realizadas en el inciso d).A continuación se presenta un estudio detallado de la modelación matemática, su relación con las disciplinas de la Física, las ecuaciones propuestas y su procedimiento de solución.

1.2 Modelos Matemáticos.

Al estudiar un fenómeno físico, este se puede describir con la ayuda de las leyes física y de esta manera hacer una formulación matemática, el proceso a seguir para plantear y resolver unmodelo matemático es:
a) Representar el fenómeno real por un modelo idealizado.
b) Se establece un conjunto de hipótesis razonables acerca del sistema que se quiere describir, estas hipótesis están relacionadas con la identificación de las variables que generan un cambio del sistema, las hipótesis también incluyen las leyes de conservación o leyes empíricas aplicables al sistema.
c) Una vezestablecidos los aspectos del inciso a), se plantea la ecuación diferencial que gobierna el fenómeno a estudiar, muchas de las hipótesis consideradas se pueden enunciar matemáticamente como ecuaciones en derivadas, es decir que describen la razón o tasa de cambio.
d) Una vez formulada la ecuación diferencial, según la complejidad de la ecuación, se puede optar por no incorporar todas las variablespara simplificar su solución. Esto se conoce como nivel de resolución. Se dice que es un modelo de baja resolución, si se eliminan variables significativas, que en ocasiones para los fines que se pretende puede ser suficientemente preciso..
En otras situaciones, por el enfoque que se le está dando al estudio en cuestión, se deben considerar más variables y entonces se tiene una mayor...