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Concepciones de la física

Física clásica

La física que impera hasta finales del siglo XIX se fundamenta en la relación causa-efecto (todo efecto es producido por una causa de existencia previa), en la creencia de que el único límite al conocimiento de las cosas reside en la sofisticación del aparato de medida necesario para obtenerlo y en que las leyes de la física son expresables mediante una ecuación matemática, más o menos sencilla, cuya solución es única y determinista. Concibe la transmisión del efecto con velocidad infinita (relación causa-efecto instantánea). Las herramientas de que dispone son la concepción galileana del espacio, las leyes de Newton de la dinámica y el cálculo infinitesimal.

Esta física explica en términos de ecuaciones sencillas y fenómenos bien conocidos la mayoría de los efect

s naturales observables a simple vista, dando una descripción adecuada y muy útil de ellos.

Física relativista

Tras los trabajos de A. Einstein, en los que el tiempo pasaba de ser una variable independiente del espacio a ser una variable más, acoplada a las variables espaciales, el concepto de simultaneidad de sucesos dejó de tener sentido como absoluto y pasa a depender explícitamente de la posición y estado dinámico del observador, es decir, se relativiza. Esta concepción de relatividad obligó a revisar conceptos clave como masa y energía.

La física clásica es deducida de la física relativista cuando la velocidad de los observadores es mucho menor que la velocidad de la luz, que se toma como constante universal.

Física cuántica

El estudio experimental de ciertos fenómenos atómicos entró en conflicto con las teorías clásicas de la dinámica, lo que produjo la sorprendente revelación de que los fenómenos físicos no ocurren de manera continua sino en cantidades discretas. Se debió de abandonar conceptos tales como posición, sustituido por probabilidad de presencia, y se puso un límite a la precisión del conocimiento. Asimismo, se concluyó que los fenómenos físicos sólo se pueden tratar mediante el cálculo estadístico a escala microscópica, aunque sus efectos pueden ser observables a escalas mayores (incluso cósmicas).

Para la física clásica, la materia se toma como un continuo, infinitamente divisible. Esta visión clásica de la naturaleza se recupera en los postulados de la física cuántica cuando el tamaño de la partícula estudiada es mucho mayor que su longitud de onda asociada, que viene dado por el cociente entre la constante de Planck y el producto de su masa y su velocidad.

Física caótica

A mediados de los años 70 surgen de varias disciplinas distintas (meteorología, informática, matemática) una serie de resultados, tanto teóricos como experimentales, que indican que la regularidad de las soluciones de las ecuaciones que describen los sistemas dinámicos presentan el curioso aspecto de ser impredecibles. Las importantes consecuencias de este hecho (el abandono de toda regularidad de las soluciones a las ecuaciones dinámicas) aún no han podido valorarse adecuadamente, aunque sin duda constituirán una nueva revolución en la concepción física del mundo.

Ramas de la física

Suele dividirse la física en diferentes disciplinas, dependiendo del tipo de fenómenos que éstas estudien. No obstante, se encuentran muy a menudo interrelacionadas. Todas ellas contemplan su campo de acción tanto clásica como cuántica y relativistamente.

Con el desarrollo y la evolución de las grandes áreas de la Física clásica aparecen nuevas ramas de la Física más especializadas, que a menudo comparten sus campos de acción con la Química como: Física del estado sólido; Física de las altas energías; Física relativista; Física cuántica; Física Química; Física nuclear; Electrónica.

Mecánica

Parte de la Física que estudia las fuerzas y los movimientos que éstas originan. La Mecánica es la más antigua de las ciencias físicas y se suele dividir en dos áreas: la Mecánica estática que estudia el equilibrio de los cuerpos, y la Mecánica cinética, que trata del movimiento y de las fuerzas que actúan, tanto en una partícula como en un sistema de partículas. La Cinética es una ciencia física que incluye la Cinemática y la Dinámica. La Dinámica estudia los movimientos y las fuerzas que los provocan, mientras que la Cinemática prescinde de éstas.

Dependiendo del sistema que se esté estudiando se puede hablar de la Mecánica de Sistemas, que estudia el movimiento de un sistema constituido por un conjunto de partículas; de la Mecánica del sólido rígido, que estudia el movimiento de un cuerpo indeformable; y la mecánica de cuerpos deformables.

Si la Mecánica de partículas se centra en el estudio de los astros, se tiene la Mecánica celeste; si lo hace en el estudio de los átomos y sus componentes se denomina Mecánica Cuántica.

En cuanto a la mecánica de cuerpos deformables se divide en cuatro partes: Teoría de la elasticidad, Resistencia de Materiales, Mecánica de líquidos y Mecánica de Gases.

La aplicación de fuerzas a un sistema fluido o sólido tiende a colocar este sistema en cierto estado de equilibrio, de reposo, o imprimirle determinado movimiento. El principio fundamental de la Mecánica de Newton (Mecánica Clásica) es la ley de inercia, que establece que toda partícula material libre de fuerzas persiste en su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme. La mecánica clásica supone la independencia de las medidas espaciales o temporales respecto del sistema de referencia en el que se hayan hecho.

Cuando se aplica el Principio de la Relatividad a la Mecánica, se habla de la Mecánica Relativista.

Electricidad y Magnetismo

El Magnetismo es la parte de la física que estudia las interacciones entre imanes y entre cargas eléctricas en movimiento y la Electricidad es la parte de la Física que estudia todo lo relativo a los fenómenos eléctricos.

La interacción magnética es un tipo de interacción que se observa en la Naturaleza. Ya en la Antigüedad, el hombre observó que ciertos minerales de hierro, tal como la variedad de magnetita encontrada en la región Griega de Magnesia, tenían la propiedad de atraer pequeños trozos de hierro; esta propiedad no era atribuible a las fuerzas gravitatoria o eléctrica, y se le dio el nombre de fuerza magnética. Las regiones de un cuerpo en las que el magnetismo parece concentrado se denominan polos. Un cuerpo magnetizado se llama imán. A diferencia de los campos eléctrico y gravitatorio, el campo magnético no tiene fuentes ni sumideros; además, tampoco es conservativo.

Hasta el siglo XIX no se descubrió que los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas, estableciendo así la conexión entre electricidad y magnetismo. Surgió entonces el Electromagnetismo como una ciencia que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos unificados en una sola teoría, que parte de cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan los campos eléctricos y magnéticos y son conocidas como las ecuaciones de Maxwell.

Más tarde, la introducción de los conceptos cuánticos en las ecuaciones de maxwell y la descripción de las interacciones entre partículas cargadas basándose en la emisión y absorción de fotones virtuales, que son el cuanto de campo electromagnético, condujo a una reformulación del electromagnetismo, fundamental para describir los procesos de absorción y emisión de energía a escala atómica, naciendo la llamada electrodinámica cuántica.

Termodinámica

El estudio del calor como fenómeno físico y como fuente de energía, de la energía almacenada en los átomos y moléculas y de las leyes que describen las propiedades térmicas de los gases y los sólidos se encuentran en esta rama. Se estudian aquí los distintos modelos que permiten, a partir de ciertos principios básicos, relaciones entre las distintas propiedades físicas como compresibilidad, punto de ebullición, etc.

A partir de los trabajos de Boltzmann, en el que se obtienen las propiedades térmicas de los gases en función de sus átomos, se establece la estadística como el método de análisis propio de la Termodinámica, debido al alto número de átomos siempre presente en ellos. Una descripción más detallada de ellos se realiza en la mecánica estadística, llamada así por partir de las propiedades dinámicas de las partículas (masa, cantidad de movimiento) para deducir las ecuaciones termodinámicas de un sistema formado por muchas de ellas.

Óptica

Parte de la física que estudia la luz y los fenómenos relacionados con ésta. Algunos de éstos son descritos sobre la base de conceptos de geometría, como la propagación de la luz y la reflexión y refracción; otros pueden ser explicados solamente mediante el lenguaje de propagación de las ondas, como los fenómenos de interferencia, difracción y polarización. Por ello, dentro de la Óptica cabe distinguir la óptica geométrica y la óptica física. Dentro de la óptica geométrica se estudian los fenómenos de refracción y reflexión así como las aplicaciones de las lentes. La óptica física, en cambio, pretende describir las propiedades físicas de las ondas luminosas, dejando de lado la interacción radiación-materia, que es el objeto de la óptica cuántica, y apartando el problema de su propagación, que es el objeto de la óptica geométrica. La óptica física se basa en las ecuaciones de la electrodinámica clásica y comprende la interacción entre ondas de luz, lo que da lugar a los fenómenos de interferencia y difracción, y los problemas de la percepción subjetiva de los atributos de la luz.

Astronomía

Ciencia relativa a todo cuanto se refiere a los astros; es la ciencia del universo físico. El estudio y la evolución de los astros, que se ha servido de múltiples hipótesis propuestas a lo largo de la historia, desde Ptolomeo que demostró las posiciones y movimientos relativos de los cuerpos en el siglo II a.C. hasta Newton que formuló las leyes de la gravitación universal.

La importancia que los instrumentos ópticos de exploración del cosmos tiene hace que la interrelación de la Astronomía
con la Óptica sea grande. Asimismo, las preguntas surgidas tanto del origen del universo como de sus situación actual, debido a la alta temperatura que el universo tenía en el big-bang, han obligado a interpretarlo en términos de física de partículas fundamentales.

Acústica

Parte de la Física que explica la naturaleza, producción y transmisión del sonido, los fenómenos de reflexión, refracción y las leyes que los rigen. Por tanto, la Acústica estudia desde el mecanismo de la percepción de los sonidos y todo lo relativo al órgano auditivo hasta los movimientos oscilatorios que se propagan en los sólidos, líquidos y gases y que tienen las mismas velocidades y frecuencias del sonido.

Física del estado sólido

Parte de la física que se ocupa del estudio de la descripción atómica y de las propiedades que presentan los sólidos cuando se encuentran reunidos en una cantidad notable de átomos. La moderna ciencia de materiales tiene en esta rama su fundamento, y sus contribuciones a otras ramas como la electrónica, la informática y la óptica son notables.

Debido a la naturaleza netamente estadística de los fenómenos térmicos, éstos son mucho más fácilmente observados a muy baja temperatura, donde dichos procesos ocurren en muy pocas cantidades. Así, la física de bajas temperaturas, que implica tanto el estudio del comportamiento térmico y electromagnético de distintos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto como de los distintos métodos criogénicos experimentales tiene aquí su espacio. En él se estudian fenómenos como la superconductividad, la superfluidez y los métodos de enfriamiento magnético. La mecánica estadística es la principal herramienta de análisis de esta disciplina.

También tiene su cabida el estudio de la física de superficies, de los fenómenos de adsorción de átomos y el diseño y crecimiento de materiales y dispositivos con propiedades mecánicas y electrónicas específicas.

Física atómica y Química-física

Trata del estudio de los átomos como elementos aislados y de su unión a otros formando moléculas. Basado casi únicamente en los postulados cuánticos, proporciona una descripción de los orbitales atómicos en los que se encuentran los electrones y estudia las propiedades químicas de los elementos en función de su ocupación o desocupación, así como los enlaces que dichos átomos presentan entre sí en función del solapamiento de dichos orbitales. Su interdependencia con la química es relevante.

Examinando con ayuda de la mecánica cuántica los orbitales ocupados por los electrones, se pueden deducir, con ayuda de las ecuaciones electrodinámicas (tanto clásica como cuántica) las propiedades ópticas de los elementos químicos, sus espectros de absorción y emisión.

Física nuclear

Trata del estudio del núcleo atómico, de los distintos modelos de estructura nuclear y de los fenómenos de desintegración que en ellos se producen. Fenómenos como la fisión termonuclear y fusión tienen cabida en esta disciplina, así como los estudios de los distintos tipos de radiación y la construcción de todo tipo de detectores.

Física de partículas (subatómicas)

El estudio de los constituyentes últimos de la materia, los quarks y leptones, junto con el de las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan su comportamiento y la construcción de teorías coherentes que expliquen cómo surgen las mismas se realiza en este área de la física, conocido también como física teórica. También entran dentro de esta rama el diseño y construcción de los sofisticados aparatos experimentales que el estudio de las partículas subatómicas requiere.

 

 

Fundación Educativa Héctor A. Garcia