FÍSICA

Este libro está diseñado para el curso introductorio de física para estudiantes de ingeniería y ciencias. Trata el tema desde un punto de vista contemporáneo y coherente, integrando, en la medida de lo posible, las descripciones newtoniana, relativista y cuántica de la naturaleza. En este sentido, el planteamiento puede considerarse "moderno".

El objetivo principal del texto es proporcionar a los estudiantes un firme entendimiento de cómo se analizan los fenómenos físicos, ejemplificados con aplicaciones a situaciones específicas. El tema general consiste en hacer ver cómo las propiedades macroscópicas de la materia se pueden relacionar con su estructura microscópica. Siempre que haya oportunidad se traerán a colación las propiedades moleculares y atómicas de la materia, sin que sea necesario esperar que se dé un tratamiento formal de sus bases experimentales y de la teoría cuántica, que vienen en partes más avanzadas del texto. Esperamos que esta metodología ofrezca a los estudiantes una visión general, integrada y coherente de la física que deberá ser una sólida base para el entendimiento de los cursos más avanzados que siguen.

Se espera que cuando los estudiantes completen el curso sean capaces de reconocer que existen:

(1) Dos niveles de descripción de la naturaleza. Uno macroscópico y, por tanto, global y fenomenológico, correspondiente al mundo que percibimos de manera directa. El otro microscópico, es decir, estructural; és el dominio de los átomos y de la teoría cuántica.

(2) Dos descripciones complementarias de los fenómenos naturales. Una de ellas emplea partículas, es decir, bolas, moléculas, átomos, etcétera. La otra hace uso de campos (gravitacional, electromagnético, etcétera), incluyendo ondas.

(3) Dos amplios niveles de energía. Uno es bajo, que corresponde al mundo con el que tratamos normalmente, descrito por la física newtoniana-maxwelliana. El otro es alto, y se trata del mundo de la relatividad de Einstein y de las fuerzas nucleares.

(4) Dos tipos de leyes físicas. Uno es fundamental, como los principios de conservación, las leyes de la gravitación y el electromagnetismo, la ley de la entropía, etcétera. El otro es estadístico y corresponde a las leyes de fricción y viscosidad, de los gases, de Ohm, etcétera.

Por necesidad lógica, el texto comienza con el desarrollo de los fundamentos conceptuales y el vocabulario básico de la física, y para ello la mecánica newtoniana proporciona el marco de referencia natural. No obstante, cuando el contexto es apropiado se introducen conceptos no newtonianos, como la relatividad y la cuantización de la energía y el momentum angular (movimiento de electrones en átomos, oscilador armónico simple y vibraciones moleculares, cuerpo rígido y rotaciones moleculares, procesos de alta energía, etcétera). La mecánica cuántica se desarrolla de una manera gráfica e intuitiva que minimiza los requisitos matemáticos del lector y resalta el contenido físico. Este método muestra que la mecánica cuántica no es una teoría abstracta sino un marco teórico que explica las propiedades de la materia de manera complementaria al esquema de partícula "clásica". Los temas "modernos" se presentan siempre que la ocasión es propicia.

El libro está organizado de forma tal que ofrece gran flexibilidad con respecto a las necesidades del profesor de un curso general de física. Por ejemplo, aquellos que prefieran enseñar ondas en la primera parte del curso pueden ver el capítulo 28 inmediatamente después del 10 o del 17.

Cada capítulo consiste en el texto principal (en el que se ven los conceptos fundamentales y se analizan los resultados experimentales), ejemplos (que son aplicaciones de la teoría o simplemente manejo de datos) y notas (que, en general, son explicaciones más detalladas o extensiones del texto, y pueden incluirse u omitirse a criterio del profesor). Se espera que muchos estudiantes se interesen por avanzar más allá del material del texto principal y lean las notas. Las demostraciones que no son parte esencial del análisis han sido separadas del texto principal; esto facilitará al estudiante el repaso de un tema cuando sea necesario. Al final de cada capítulo se incluyen los acostumbrados conjuntos de preguntas y problemas.

Los primeros 23 capítulos están dedicados principalmente a los aspectos "corpusculares" de la física; en ellos se ven los sistemas de una sola partícula y de muchas partículas, termodiná- mica y mecánica estadística, relatividad, teoría de Bohr de la estructura atómica y las interacciones gravitatorias y electromagnéticas. Los siguientes doce capítulos tratan los aspectos de "campo" u "ondulatorios" de la física, poniendo énfasis en el campo electromagnético. Los restantes seis capítulos se dirigen hacia la frontera partícula-campo, con una consideración especial de la mecánica cuántica y sus aplicaciones a la estructura de la materia, fenómenos nucleares y partículas elementales. Hemos seguido las recomendaciones de la Comisión sobre Símbolos, Unidades y Nomenclatura (Commission on Symbols, Units, and Nomenclature) de la IUPAP y hemos usado de manera consistente el sistema internacional de unidades, SI. Todas las constantes físicas se presentan hasta con cuatro decimales.

El libro ha sido pensado para un curso de alrededor de cien horas de exposición. En un curso más corto, de unas 80 horas, el instructor puede emplear del capítulo 1 hasta el 19 y del 21 al 36, dejando fuera algunas secciones. Algunos capítulos (por ejemplo 1, 2 y 12) tomarán cuan- do mucho una sesión, ya que pueden ser vistos independientemente por el estudiante. Otros requerirán tres o cuatro horas de exposición, mientras que la mayoría se pueden discutir cómodamente en dos.

Se supone que el estudiante ha tomado un curso de física de nivel preuniversitario o, al menos, uno general sobre ciencia, que es lo acostumbrado. En cualquier caso, resulta seguro suponer que los estudiantes no son totalmente ignorantes en ciencias y tienen un cierto grado de información sobre algunos conceptos de la física. Los requisitos matemáticos están completa- mente al alcance de la capacidad de la mayoría de los estudiantes y son los normales para cualquier curso de física general; se refieren básicamente al cálculo elemental y al manejo del álgebra y la trigonometría. El apéndice A proporciona la información necesaria para los estudiantes que no están familiarizados con el álgebra vectorial. Se utilizan algunas ecuaciones diferenciales sencillas para resaltar las características básicas de ciertos fenómenos (p. ej., el movimiento ar- mónico simple y ondas). No esperamos que los estudiantes encuentren una solución formal a tales ecuaciones, ya que no es necesario y, lo que es más probable, está más allá de su alcance matemático. En lugar de ello, se dan las soluciones (que normalmente son funciones seno, coseno o exponenciales) y lo único que se pide es la verificación de que éstas, de hecho, satisfagan la ecuación.