Sistema de referencia, magnitudes escalares y vectoriales, unidades del sistema internacional

Los sistemas de referencia proporcionan un marco desde el cual se pueden medir los fenómenos, mientras que las magnitudes permiten asignar valores numéricos a distintos fenómenos, facilitando su cuantificación.

Sistemas de referencia

Un sistema de referencia es un conjunto de convenciones establecidas que permiten a un observador medir y describir la posición y otras magnitudes físicas de un sistema en estudio. Para ello, se usa un sistema de coordenadas que le facilita identificar los puntos donde se encuentran los objetos que está analizando. Distinguimos principalmente dos tipos de coordenadas: las coordenadas cartesianas y las coordenadas polares, que permiten representar de manera precisa la ubicación de los cuerpos en el espacio. En dos dimensiones:

En el caso de un espacio tridimensional, la posición de los puntos se especifica mediante tres valores numéricos, denominados coordenadas. En el sistema cartesiano, estas coordenadas se suelen representar como . Los ejes correspondientes a este sistema se designan comúnmente con las letras , y , formando entre sí ángulos rectos de 90 grados. El punto de origen de este sistema de coordenadas es el (0, 0, 0), que actúa como referencia para medir cualquier desplazamiento en el espacio.

También se pueden usar las coordenadas polares, que son especialmente útiles en situaciones donde el movimiento o la disposición de los objetos tienen una naturaleza circular o radial.

Magnitudes escalares y vectoriales

En física, las magnitudes representan las cantidades que pueden ser medidas, y se dividen en dos grandes categorías: escalares y vectoriales.

Las magnitudes escalares son aquellas que se pueden describir completamente con un número acompañado de su unidad correspondiente. Ejemplos de magnitudes escalares incluyen la distancia, la masa, la energía y la temperatura. Cuando expresamos el valor de una magnitud escalar, simplemente mencionamos el número y su unidad, como por ejemplo: 2 metros, 6 kilogramos o 20.

Las magnitudes vectoriales son aquellas magnitudes físicas que no se pueden sumar de forma directa como las escalares. Un ejemplo claro es la fuerza. Supongamos que sobre un objeto actúan dos fuerzas: una de 3 newtons y otra de 4 newtons, y ambas fuerzas forman un ángulo de 90 grados entre sí:

La intuición podría sugerir que la fuerza total sería newtons, pero en realidad la fuerza resultante es de newtons. Esto se debe a que las magnitudes vectoriales no solo tienen un valor numérico, sino también una dirección y sentido, y la relación angular entre ellas influye en su suma.

Unidades del Sistema Internacional

El Sistema Internacional de Unidades (SI) es el sistema de medición estandarizado que se utiliza globalmente en la ciencia y la tecnología. A continuación, se presentan algunas de las principales magnitudes físicas y sus unidades correspondientes en el SI:

• Distancia: Se mide en metros (m).

• Tiempo: Se mide en segundos (s).

• Velocidad: Se expresa en metros por segundo (m/s).

• Aceleración: Se mide en metros por segundo al cuadrado (m/s²).

• Masa: Se mide en kilogramos (kg).

• Fuerza: Se mide en Newtons (N), donde 1 N es equivalente a 1 kg·m/s².

• Campo gravitatorio: Se mide en Newtons por kilogramo (N/kg) o en metros por segundo al cuadrado (m/s²).

• Energía: Se mide en joules (J), tanto para la energía cinética como para la potencial.

• Potencia: Es la energía dividida por el tiempo, se mide en vatios (W), donde 1 W es igual a 1 J/s.

• Potencial gravitatorio: Se mide en joules por kilogramo (J/kg).

• Período: Es una medida de tiempo, expresada en segundos (s).

• Frecuencia: Es la inversa del período, se mide en hercios (Hz), o en segundos a la potencia negativa uno (s⁻¹).

• Intensidad de las ondas: Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m²).

• Sensación sonora: Se mide en decibelios (dB), que es una magnitud adimensional.

• Diferencia de fase: Es adimensional, se mide en radianes.

• Índice de refracción: Es adimensional, se define como la razón entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en un medio (n = c/v).

• Potencia de una lente: Se mide en dioptrías (m⁻¹).

• Carga eléctrica: Se mide en coulombios (C).

• Campo eléctrico: Se mide en Newtons por coulombio (N/C), o a veces en voltios por metro (V/m).

• Corriente eléctrica (intensidad): Se mide en amperios (A), donde 1 A es equivalente a 1 C/s.

• Potencial electrostático: Se mide en voltios (V), donde 1 V es igual a 1 joule por coulombio (J/C).

• Campo magnético: Se mide en teslas (T).

• Flujo magnético: Se mide en webers (Wb), que también se puede expresar como teslas por metro cuadrado (T·m²).

   

Ejercicios resueltos

1. Un automóvil se desplaza a una velocidad de 90 km/h. Convierta esta velocidad en unidades del SI.

2. Dos fuerzas actúan sobre un objeto en la misma dirección: una de 8 N y otra de 5 N. Calcule la fuerza total que actúa sobre el objeto.

3. Dos fuerzas actúan sobre un cuerpo, una de 5 N hacia el este y otra de 12 N hacia el norte. Calcule la magnitud de la fuerza resultante.

4. Un cuerpo está siendo empujado con una fuerza de 50 N que forma un ángulo de 30 grados con respecto al eje x positivo. Descomponga esta fuerza en sus componentes x e y.