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1. Introducción a la Física

2. Cómo estudiar física APRENDER A APRENDER: trabajar con otros, hacer problemas. Es importante entender y desarrollar buenos hábitos de estudio. Programar de manera regular, el tiempo adecuado en un ambiente libre de distracciones. TRABAJAR CON OTROS LAS CLASES Y LOS APUNTES: toma notas, SOLO IDEAS! Repásalo en casa, haz preguntas, no estudies con las ppts , acudir a tutorías EXÁMENES

3. Objeto de la asignatura ¿Por qué se estudia Física en un grado en Bioquímica ? La sociedad moderna tiene bases científicas: Desde el s. XVIII, la ciencia ha cambiado radicalmente la tecnología, la industria y hasta las relaciones humanas (¡por eso es importante estudiar ciencias!): la idea de la ciencia asociada al progreso de la humanidad es característica de la sociedad occidental Física: puede que la más fundamental de todas las ciencias; salvo las matemáticas, todas estudian fenómenos que obedecen a leyes físicas generales Ejemplo: la Bioquímica Fenómenos a nivel celular: física de fluidos, transferencia de calor, intercambio iónico, y por supuesto reacciones químicas (física cuántica)

4. Objeto de la asignatura Ejemplo : la Bioquímica Comprender los procesos biofísicos : La física explica fenómenos esenciales como difusión, ósmosis, transporte de electrones o dinámica molecular, que son la base de muchas funciones celulares. Instrumentación y técnicas experimentales : Muchas herramientas de laboratorio (espectrofotometría, resonancia magnética, microscopía, centrifugación) se basan en principios físicos. Entenderlos permite usarlas de manera crítica y correcta. Modelado y cuantificación : La física aporta métodos matemáticos para describir procesos bioquímicos con ecuaciones y modelos, ayudando a predecir el comportamiento de sistemas complejos. Conexión interdisciplinaria : La bioquímica no existe aislada; se nutre de la física, la química y la biología. Un buen dominio de la física abre la puerta a comprender mejor campos como la biofísica, la farmacología y la biotecnología.

5. Schrödinger, un cuántico tras el secreto de la vida F ue el físico que inspiró una revolución en la biología , al anticipar ideas tan importantes como la existencia de un ‘código genético’, diez años antes del gran descubrimiento de  Watson y Crick  sobre el ADN Schrödinger  fue el primero en sugerir claramente la idea de un código genético. El libro  “¿Qué es la vida?”  (1944), que recopiló aquellas conferencias de Schrödinger, fue una gran inspiración para James Watson y Francis Crick. Sobre esa estructura en doble hélice de Watson y Crick fue tomando forma la revolución que culminó en los años 1960, cuando  la ciencia logró descifrar el código genético  

6. Física: naturaleza y definición Física: ciencia experimental Puede que la más fundamental de las ciencias: Posible definición: “La Física consiste en el estudio de la materia, sus interacciones y cambios a través del espacio y del tiempo (ej.: energía)”. Objeto de estudio de la Física: Muy amplio: desde partículas subatómicas hasta cúmulos de galaxias y el conjunto del Universo Considerando la escala de tamaños: Entre 10 -18 m (quarks) y 10 27 m (tamaño estimado del Universo)

7. Escalas de tamaño 10 20 m: 10 16 m: 10 12 m: 10 8 m: 10 7 m: 10 m: galaxias. nebulosas; cúmulos estelares sistema solar sistema Tierra- Luna Tierra homo sapiens; objetos de la vida cotidiana 10 - 8 m: 10 - 10 m: 10 - 15 m: 10 - 18 m: ADN átomos núcleos atómicos quarks

8. Escalas de tamaño e interacciones En cada escala dominan distintos tipos de interacciones. Gravitatoria Electromagnética Nuclear débil Nuclear fuerte A una escala de tamaños pequeñísima sólo existe una interacción: GRAN UNIFICACIÓN En este curso: fenómenos relacionados con las interacciones gravitatoria y electromagnética

9. Física y Bioquímica Los procesos biológicos ocurren en la escala entre 10 - 8 m (ADN) y 10 m (ballenas: 30 m). Bioquímica: ciencia que estudia la Química de la vida. Común con la Física: estudia la materia y la energía. Diferencia: La Física aplica sus leyes fundamentales a sistemas y modelos físicos lo mas sencillos posible (ej.: movimiento planetario) La materia viva es mucho más compleja que los sistemas que estudia la Física (ej: fenómenos a escala uni- o multicelular)

10. Física y Bioquímica Escala microscópica (atómica y molecular): la materia viva obedece las leyes fundamentales de la Física, universales e inmutables Escala macroscópica (uni- y multicelular): intervienen otro tipo de leyes, más complejas y cambiantes, como las que rigen las mutaciones y la evolución ¿Cómo se entrelazan estos dos tipos de leyes? Problema complejo e interesante

11. Física y Bioquímica E. Schroedinger N. Bohr, M. Born y M. Delbruck, padre de la genética molecular (1934) Rosalind Franklin Espectro de difracción de rayos X del ADN

12. Física y Bioquímica Últimos 50 años: enorme impacto de la Física sobre la Bioquímica y la Biología. Aplicación de tecnologías físicas al estudio de los procesos bioquímicos y biológicos: Microscopias: electrónica (SEM/TEM), fluorescencia, microscopía túnel de y de fuerzas atómicas Espectroscopias: resonancia magnética nuclear (RMN), y de espín electrónico (ESR); Raman Difracción de rayos X y de neutrones: Magnetometría SQUID: campos magnéticos cerebrales Láser y electrónica: alta resolución espacial y temporal Incremento de la capacidad de computación

13. Motores moleculares modelados por física.

14. Modelo RMN liasa organomercurial https://www.uv.es/bbm/EME/P1/

15. Física: relación teoría-experimento Estudio de los fenómenos físicos: Observación y experimentación Búsqueda de patrones y principios que relacionen los resultados de las observaciones y experimentos: teorías físicas Una teoría física correcta: Explica los fenómenos ya conocidos Predice nuevos fenómenos, o el resultado de nuevos experimentos Leyes o Principios de la Física: teorías físicas bien establecidas Estas leyes se expresan en lenguaje matemático , el más apropiado para la Física

16. Física: relación teoría-experimento Los modelos juegan un papel muy importante en Física: Modelo: propuesta o hipótesis para interpretar un fenómeno físico basada en los datos empíricos. Generalmente toma en cuenta sólo las características principales del fenómeno. Ejemplo: movimiento planetario. Un modelo que funciona bien se acaba convirtiendo en una teoría física Por regla general, los modelos físicos son matemáticos

17. Magnitudes físicas y medida Magnitud física: propiedad o cualidad de la materia o de un fenómeno que puede cuantificarse experimentalmente Ejemplos: masa o longitud de un objeto Medida: comparación del valor de la magnitud estudiada con un patrón , estándar o unidad de medida Ej.: la longitud de una vara se puede medir en metros, yardas, antiguamente en “codos” o “varas castellanas” Metro: unidad de longitud en el Sistema Internacional de unidades

18. Sistemas Internacional de unidades Sistema de unidades más empleado: Sistema Internacional (S.I. o MKS): Unidades S.I.: metro, kilogramo, segundo, Kelvin, candela, mol y amperio Mecánica: las tres primeras; Termodinámica: se añade el Kelvin, unidad de temperatura absoluta; Electromagnetismo: se añade el amperio Patrones del S.I.: Metro (longitud): distancia recorrida por la luz en el vacío en un tiempo de 1/299.792.458 segundos (c = 299.792,458 m/s) Kilogramo (masa): masa del cilindro de platino iridiado que se conserva en Sèvres (Francia). Válido desde 1887 hasta 2019* Segundo (tiempo): duración de 9.192.631.770 periodos de la vibración correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental en el átomo de Cesio- 133 *Se define al fijar el valor numérico de la constante de Planck, h , como 6.62607015x10 - 34 J·s (julios por segundo = kg·m 2 ·s - 1 ), donde metro y segundo se definen en función de c (velocidad de la luz en el vacío) y de la duración del segundo atómico

19. Sistema Internacional Magnitud física fundamental Unidad básica Símbolo Longitud metro m Masa kilogramo kg Tiempo segundo s Temperatura Kelvin K Intensidad de corriente eléctrica amperio A Cantidad de sustancia mol mol Intensidad luminosa candela Cd

20. Otros sistemas de unidades: Otros sistemas de Unidades

21. Sistemas de Unidades: prefijos A veces, conviene utilizar múltiplos o submúltiplos de las unidades de una magnitud física (porque sea demasiado grande o pequeña para el fenómeno estudiado) Múltiplos Submúltiplos

22. Estructura atómica de la materia Partiendo de 1 m, y disminuyendo en la escala de longitudes, nos encontramos con objetos y organismos cada vez más pequeños 1 mm: pequeños insectos, 1-10  m (células), 1 nm (moléculas), átomos , 0.1 nm (1 Å=10 - 10 nm) Principio fundamental de la ciencia: “La materia está compuesta por entidades individuales llamadas átomos” Los átomos se organizan formando moléculas, compuestos o sólidos A su vez, están compuestos por electrones, protones y neutrones

23. Medidas: cifras significativas y errores experimentales Los instrumentos utilizados para medir magnitudes físicas tienen determinada sensibilidad: Los resultados experimentales siempre están sujetos a error Ejemplo: medimos la longitud de un objeto con una cinta métrica Comparamos el tamaño del objeto con la cinta métrica Observamos que la subdivisión más próxima corresponde a 37,4 cm (0,374 m) Realmente solo podemos asegurar que el resultado de la medida se encuentra entre 0,3735 y 0,3745 metros. Se expresa así: L  0,374  0,0005 m

24. Medida de longitud con una cinta métrica 37 38 ¡ Ojo con el error de paralaje ! Error experimental en una medida analógica: la mitad de la sensibilidad L  0,374  0,0005 m

25. Medidas: cifras significativas y errores experimentales La situación se complica para magnitudes derivadas Ejemplo: si L  1,374  0, 0005 m es el resultado de medir la longitud del lado de un cuadrado ¿qué valor toma su área? El valor A  L 2  1,88787674 m 2 no es razonable : No tiene sentido indicar 6 decimales, si el error de partida es del 0,5 por mil: hay que redondear La magnitud derivada también está sujeta a error, que se puede calcular (aprenderemos en el periodo de prácticas) Resultado correctamente expresado: A  L 2  1,888  0, 002 m 2

26. Dimensiones de una magnitud física Ejemplo: área de un rectángulo cuyos lados miden 2 y 3 m Área de 6 m 2 ; decimos que tiene dimensiones de longitud al cuadrado. Se expresa así: [A]=L 2 Cualquier distancia d que midamos tiene dimensiones de longitud: [d]=L El resultado de medir el lado largo del caso anterior (3 m) tiene dimensiones de longitud y la unidad de medida usada es el metro A continuación trataremos otro ejemplo: la velocidad

27. Dimensiones de una magnitud física Velocidad en 1- D: Si un cuerpo recorre una distancia x en tiempo t: v=x/t , y en el límite t  0: v=dx/dt [x]=L (unidad SI: metro);[t]=T (unidad SI: segundo) Longitud y Tiempo son magnitudes fundamentales Velocidad: magnitud derivada [v]=LT - 1 (unidades: ms - 1 ) Compruebe que [a]=dv/dt=LT - 2 (unidades: ms - 2 )

28. Análisis dimensional Recuerden: el resultado de una medida o de un cálculo se expresa siempre indicando sus unidades y el error experimental Analizar las dimensiones de un resultado es una buena forma de verificar su validez Ejemplo: tras estudiar teóricamente el problema de la caída de un cuerpo llegamos a esta conclusión: La energía potencial de un cuerpo de masa m sometido a la acción del campo gravitatorio terrestre es: E p  mgh

29. Análisis dimensional Si el resultado es correcto, debe tener dimensiones de energía. Comparamos con la energía cinética: Dimensiones de la energía cinética: [E c ]= [m][v 2 ]=M  L 2 T - 2 = ML 2 T - 2 Dimensiones de la energía potencial: [E p ]= [m][g][h]=M  LT - 2  L= ML 2 T - 2 ¡El resultado es correcto!

30. Magnitudes escalares y vectoriales Las matemáticas son el lenguaje de la Física: las leyes físicas son relaciones matemáticas entre distintas magnitudes físicas Dos tipos importantes de magnitudes físicas: escalares y vectoriales Escalares : determinadas especificando el número que las mide con sus unidades Vectoriales : determinadas por varias cantidades, necesarias para determinar la dirección, sentido y módulo de un vector Conociendo el punto de origen o aplicación del vector, usando coordenadas cartesianas bastan 3 cantidades, llamadas componentes

31. Componentes de un vector En un sistema de ejes de coordenadas cartesianas: Componentes del vector r: r x , r y , r z . z y x r  r x  r y  r z ; r  r Podemos expresar lo anterior en función de los vectores unitarios u x , u y , u z : z z r  r x u x  r y u y  r u ; r x r r y z r u x u y u z

32. Operaciones básicas con vectores x x y y z z  Adición: propiedades asociativa y conmutativa Se demuestra fácilmente que las componentes del vector suma de dos vectores son la suma de las respectivas componentes: a  b  c a  a x u x  a y u y  a z u z  b  b x u x  b y u y  b z u z  c x  a x  b x ; c y  a y  b y ; c z  a z  b z  c  c u  c u  c u 

33. Producto escalar Producto de dos vectores. Dos tipos: escalar y vectorial Producto escalar: el resultado es un escalar  : ángulo que forman los dos vectores Cumple las propiedades conmutativa, asociativa y distributiva (fáciles de demostrar) Producto de un vector por un escalar: Es otro vector paralelo al primero kr  R ; R  R  k r  kr ab  a b cos   ab cos  a b 

34. Producto vectorial Producto vectorial de dos vectores: el resultado es un nuevo vector a  b  c Dirección: perpendicular al plano formado por los dos vectores Sentido: regla del sacacorchos, o de la mano derecha Sacacorchos: giro contra las agujas del reloj, c hacia arriba, y viceversa Regla de la mano derecha: véase la figura Módulo: a  b  c  a b sen  b  a c

35. Producto vectorial Otras propiedades: No es conmutativo, pues es obvio que: a  b   b  a Distributiva respecto a la suma a  ( b  c )  a  b  a  c Asociativa respecto al producto por un escalar k ( a  b )  ( ka )  b  ( a  b ) k

36. Aplicaciones del producto vectorial Módulo: área del paralelogramo formado por los dos vectores Módulo del producto mixto c ( a  b ) : volumen del paralelepípedo formado por los tres vectores a  b  ab sen   ah  S c ( a  b )  c a  b cos   ( c cos  )( ab sen  )  hS  V   c b a  h a b S h

37. Ejemplos de productos vectoriales en Física Cálculo de momentos y pares de fuerzas M  r  F :momento o par de la fuerza con respecto al punto O Momento angular de una partícula de masa m, que se mueve con velocidad v: O r F O r v m L  r  mv  r  p