¿Qué estudia la física?

Vamos a hablar un poco sobre una de las ciencias más importante y emocionantes del mundo, una que trata de explicar hasta nuestra propia existencia. Veremos qué estudia la física, también miraremos cuáles son sus ramas y la importancia de cada una y, por supuesto, las aplicaciones en nuestra vida cotidiana.

La Física se deriva del término griego «physis», que significa naturaleza. Los primeros «físicos» (personas que fundamentan sus investigaciones estudiando la naturaleza) aparecieron en Grecia en la ciudad de Miletos. Con referencia a los milesios, también llamados «físicos», se preocupaban por determinar el principio, o «arjé» de la naturaleza. La física es un logro en el conocimiento humano, grandes físicos han contribuido con teorías, leyes y principios que expliquen los fenómenos que suceden a nuestro alrededor.

¿Qué estudia la física?

La física es la ciencia que estudia las propiedades de la naturaleza relacionadas entre la materia, energía, espacio-tiempo y sus interacciones. Junto a las matemáticas forman el cimiento de muchas otras ciencias como: la ingeniería, medicina, biofísica, biología, geología, meteorología, astrofísica, astronomía, química, entre otras. 

Su alcance es extraordinariamente amplio, ya que abarca el estudio del inicio del universo hasta su posible final. Explica el funcionamiento de las cosas, tanto desde una perspectiva microscópica (como las partículas) hasta una perspectiva macroscópicamente (como el funcionamiento de un cohete espacial o el movimiento de los planetas).

Como toda ciencia, se asegura que las hipótesis puedan ser verificables a través de experimentos. Y que la teoría pueda realizar predicciones de eventos futuros. Así, la física encuentra soluciones, pero también crea muchas preguntas que nos cuestan comprender, esto la hace emocionante y única.

¿Cuál es su importancia?

La gran importancia de la física radica en la explicación que pueda ofrecer a distintos fenómenos de nuestro mundo y universo. Nos ayuda a encontrar respuestas a grandes misterios y nos ayuda a comprender lo que sucede en nuestro alrededor.

Prácticamente la física está presente en todos lados, desde lo más pequeño hasta lo más inmenso. Esta se apoya en las matemáticas para realizar teorías y principios.

La física explica los colores de arcoíris, el funcionamiento de las lentes de unas gafas, incluso hasta actividades diarias como correr, saltar, nadar, etc. Está detrás de la luz, de las ondas sonoras, en el calor, trabajo y energía. Así como en las estrellas, la gravedad y los agujeros negros.

Ramas de la física: su clasificación se da en 6 grandes campos 

Mecánica clásica

En primer lugar, la mecánica estudia y analiza el estado de movimiento o reposo de un objeto bajo la acción de fuerzas, y su evolución en el tiempo a velocidad bajas comparadas con la de la luz.

En otras palabras, la mecánica ve todo lo relacionado con el equilibrio (estática), las cuestiones sobre la trayectoria (cinemática) y el por qué se mueve un objeto (dinámica). A continuación, veremos cómo se divide la mecánica: 

• Estática: estudia los cuerpos en estado de equilibrio (ya sea esté en reposo o se muevan a una velocidad constante), bajo la acción de fuerzas.
• Cinemática: estudia el movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo originan, es decir, las fuerzas. 
• Dinámica: estudia el movimiento de los cuerpos, considerando las fuerzas.

La mecánica está estrechamente relacionada con las tres leyes de Newton, estas últimas son la base de la ingeniería, de hecho, la corroboración experimental de las leyes de Newton se pueden observar aplicándolas en las distintas ingenierías, como civil, mecánica, industrial, aeroespacial, entre otras.

Termodinámica y mecánica estadística 

Una de las ramas de la física más importante es la termodinámica, no solo porque hemos podido comprender como se transfiere el calor, sino, también por el gran papel que tiene dentro del avance de la humanidad.

Así, la termodinámica se encarga de estudiar la relación entre el calor y el trabajo desde un punto de vista macroscópico, mientras que la termodinámica estadística, se encarga de estudiar esta relación a niveles microscópico. Las 4 leyes de la termodinámica ofrecen una serie de principios y reglas que definen las interacciones de la energía y el calor. Por ejemplo, explican la termodinámica de un refrigerador, el funcionamiento de un termómetro, hasta el por qué no podemos obtener una máxima eficiencia en un motor

Sin la termodinámica, no tuviéramos todas las máquinas que realizan trabajo como, los motores de automóviles, las neveras, los aires acondicionados, los calefactores, en fin, la termodinámica junto con la segunda ley de Newton tuvo un papel crucial en la revolución industrial.

Electromagnetismo

El electromagnetismo es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. La misma unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos y estudia la interacción entre ellos, es decir, la interacción de las cargas eléctricas con los campos magnéticos.

El físico James Clerk Maxwell, realizó en sus trabajos un compendio de las teorías y ecuaciones de Gauss, Ampère y Faraday para obtener las famosas ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo. Las mismas describen la interacción entre la electricidad y los campos magnéticos como una misma teoría.

Este trabajo ha sido uno de los más trascendentales de la historia de la ciencia, puesto que, también se estableció la naturaleza electromagnética de la luz. Así, las partículas cargadas interactúan electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones.

Óptica

Por otro lado, la óptica: estudia la luz, los procesos de propagación y los fenómenos observados durante la interacción de la luz con las sustancias. 

Se divide en óptica geométrica y óptica ondulatoria. Primeramente, la óptica geométrica es la que se encarga de estudiar las leyes de propagación de la luz sobre la base de la propagación rectilínea de los rayos luminosos, sin tomar en cuenta su naturaleza ondulatoria. Mientras que, la óptica ondulatoria se encarga de estudiar la naturaleza de la luz y sus fenómenos. 

Relatividad

La relatividad estudia el espacio-tiempo y la relación entre energía y materia. La misma tiene dos campos de investigación: la relatividad especial y la relatividad general. Esta teoría la llevó adelante el físico Albert Einstein, publicando primero la relatividad especial en 1905, que habla sobre el movimiento de los objetos cuando no hay fuerzas gravitatorias.

En ella propuso que el tiempo no es absoluto y la equivalencia entre energía y masa E=mc² (energía equivalente (E); masa (m); velocidad de la luz al cuadrado c²). Por otro lado, publicó la teoría de la relatividad general en el año 1915, donde redefinió la gravedad y se establecieron conceptos como la curvatura del espacio tiempo y el principio de equivalencia.

Así, en la relatividad especial se estudian los objetos que se mueven a velocidades cercana a la luz. Y, por otro lado, la relatividad general estudia cómo se curva el espacio-tiempo por la presencia de una masa.

En resumen, gracias a la relatividad especial y general sabemos que el tiempo no es algo absoluto, que el movimiento es relativo y que la velocidad de la luz no cambia, siempre viaja a la misma velocidad (300 000 000 m/s).

También, sabemos que ahora el tiempo y el espacio, no son cosas separadas, se unen y forman un solo ente, las tres dimensiones espaciales y la temporal se combinan en un tejido o cuadrícula espacio-temporal de cuatro dimensiones.

La gravedad como se conocía, «fuerza que atrae a otro cuerpo» (Mecánica Newtoniana), ahora pasa a ser conocida como la deformación del espacio tiempo causada por la distribución de la materia o energía.

Mecánica cuántica

Finalmente, pero no menos importante, la mecánica cuántica. La misma estudia el comportamiento de la materia a niveles atómico y subatómico. Por consiguiente, rige toda la electrónica que vemos a nuestro alrededor, la computadora que estás utilizando, tu celular, las comunicaciones, etc.

Al igual que la relatividad es pilar de la física moderna, es asombrosa y a la vez misteriosa. Cabe decir que, las propiedades de la física cuántica son totalmente diferentes a la física clásica, por ejemplo, la mecánica cuántica es probabilística y la energía se transmite en cuantos, mientas que, la mecánica clásica es determinista y la energía se transmite de forma continua.

En esta rama de la física se encuentran teorías y conceptos impresionantes como:

• El principio de incertidumbre de Heisenberg: nos indica que no podemos saber con precisión al mismo tiempo la posición y cantidad de movimiento de la partícula que se mide.
• Dualidad ondas y partículas: quizás lo más impresionante de la física cuántica es esta propiedad. En ella, las partículas como la de la luz (fotones) pueden tener comportamientos ondulatorios o corpusculares.
• Ecuación de Schrodinger: como las leyes de Newton y el principio de conservación de energía de la física clásica, la ecuación de Schrodinger es la que se utiliza en la mecánica cuántica. La misma mide la probabilidad de encontrar una partícula en un tiempo y espacio determinado. A través, de una función de ondas (?) describe el comportamiento temporal de una partícula con propiedades ondulatorias y no relativista.
• El efecto fotoeléctrico: resuelto por Albert Einstein, donde propuso que los fotones de la luz de alta frecuencia podían arrancar electrones de una placa de metal.

Ejemplos y aplicaciones de la física en la vida cotidiana

Las aplicaciones de la física en nuestra vida diaria son inmensamente numerosas. Está en las naves espaciales, también al momento realizar una radiografía, en el vuelo de un avión, en el diseño y construcción de puentes y edificios; así como en los láseres que usamos para los eventos o el que se utiliza para las cirugías en los hospitales.

De hecho, también, está en esa pantalla que ves (ya sea de tu computadora o celular) porque, en ella se encuentran miles de electrones formando imágenes para ti. Por otro lado, mientras lees este artículo, tu sangre se mueve siguiendo las leyes de la Hemodinámica (en medicina: estudio del movimiento de la sangre dentro de los vasos sanguíneos, venas y arterias).

De la misma manera, tus ojos siguen las leyes de la óptica; tu café se enfría llegando a un equilibrio térmico con el ambiente, ya que siguen las leyes de la termodinámica, en fin, en cada cosa que veas o hagas estará la física envuelta.

A continuación, se describen las leyes y áreas de la física involucradas junto con sus respectivos ejemplos, para que tengas una noción de como se relacionan con nuestro diario vivir.

Leyes de Newton en nuestras actividades diarias: el uso del cinturón de seguridad

Un ejemplo de las leyes de Newton en la vida cotidiana está en la importancia del uso del cinturón de seguridad. El mecanismo de este equipo de seguridad emplea la segunda ley de Newton (F=ma) para desacelerar cada cinturón y retener el pasajero de manera que, no salga «disparado» y la bolsa de aire lo proteja.

También, se encuentra relacionada la tercera ley de Newton (acción y acción) que nos dice que, si una persona no se coloca el cinturón de seguridad, durante una colisión por atrás, entonces, la misma recibirá una fuerza igual a la del golpe, pero en sentido contrario, en otras palabras, golpeará contra el tablero.

Relacionado con lo anterior, está la primera ley de Newton, si el golpe es muy fuerte, la persona podría salir volando, hasta que algo lo detenga, que probablemente sea el pavimento, recibirá golpes de consideración y quizás hasta muera.

Física médica: diagnóstico y tratamiento del cáncer

La física se combina perfectamente con la medicina para mejorar la calidad de vida de los pacientes. Esta sinergia entre ambas áreas se conoce como física médica.

La física médica la podemos ver en el diagnóstico de enfermedades. Donde se utilizan principios físicos como los Rayos X (ondas electromagnéticas capaces de atravesar el cuerpo humano) para ver regiones específicas de nuestro organismo y que el médico pueda determinar un diagnóstico.

Consecuentemente, podemos verla también en diferentes aplicaciones físicas médicas para el tratamiento de enfermedades. Por ejemplo, en las cirugías con rayos láser y tratamientos de quimioterapia con radiación para tratar tumores.

A continuación, se puede apreciar una imagen por resonancia magnética del encéfalo de una persona (cerebro), donde se le ha detectado un tumor (letra T). Esto forma parte de la aplicación de los conocimientos físicos a la medicina.

Termodinámica: control de temperatura

Quizás, su uso más común está en los aires acondicionados y en el funcionamiento de los refrigeradores o neveras. Gracias a estas invenciones podemos tener nuestros hogares y centros de trabajos con temperaturas adecuadas para convivir. De igual manera, podemos tener nuestros alimentos frescos, sin temor alguno que se nos dañen por mala temperatura.

También, la termodinámica, se aplica en áreas de la ingeniería química, ingeniería mecánica, biología, medicina, incluso está en la teoría de la Radiación de Hawking de los agujeros negros.

Física nuclear: generación de energía eléctrica

Esta rama de la física estudia las propiedades de los núcleos de los átomos; la cual está formado por protones, neutrones y los electrones que orbitan alrededor del mismo. Las propiedades que se estudian son: la disposición de las partículas, las fuerzas nucleares (fuerza débil y fuerte), los mecanismos por el cual los núcleos liberan grandes cantidades de energía (radiactividad).

Así, se han podido desarrollar diferentes aplicaciones, como las plantas nucleares y la medicina nuclear. Las centrales nucleares están diseñadas para generar energía eléctrica a partir de la energía liberada por los núcleos atómicos de elementos radiactivos como el Uranio-235 y el Plutonio-239.

Las plantas nucleares pueden generar grandes cantidades de energía eléctrica, sin contaminar la atmosfera por gases de combustión. Sin embargo, sí generan residuos radiactivos que se deben guardar en lugares seguros para evitar contaminación. Como todo, tiene sus ventajas y desventajas.

Electromagnetismo: microondas para hacernos la vida más fácil

Casi todo el mundo ha utilizado un microondas para calentar sus comidas, es un aparato que nos ha hecho la vida más fácil ahorrándonos tiempo.

Este aparato tiene un magnetrón que genera ondas electromagnéticas de tipo microondas (alrededor de los 2450 MHz). Las cuales al interactuar con las moléculas de la comida o líquido que está rotando dentro del mismo causa que se caliente.

Los hornos de microondas, no son perjudiciales para el humano, ya que, generan bajos niveles de radiación. Sin embargo, en ocasiones, pueden generan interferencias con equipos electrónicos cercanos, si están en la misma frecuencia.

Relatividad: GPS para saber nuestra ubicación

Una de las grandes aplicaciones que nos dejó la teoría de la relatividad de Einstein, fue el sistema de posicionamiento global (GPS). El mismo está formada por una red de 24 satélites que orbitan la Tierra a una altitud de 20 200 km. Su utilidad se basa en poder determinar con gran precisión en (órdenes del metro) la ubicación de un objeto o persona, ya sean fijos o móviles alrededor del mundo en un tiempo determinado.

El GPS forma parte de nuestra vida diaria; se utiliza en las fábricas, en la industria automotriz, en estamentos de seguridad, en la navegación marina, aérea y terrestre, etc. Cuando deseamos llegar a un lugar y no estamos muy seguros, lo primero que hacemos es encender nuestro GPS de nuestro celular; para que nos indique la dirección a tomar.

Así, debido a que los satélites están en constante movimiento relativo con respecto a los receptores GPS terrestres, entonces, es necesario sincronizar todos sus relojes atómicos. Porque se presentan dos efectos: la dilatación del tiempo y la curvatura del espacio-tiempo. Los relojes de la Tierra serían más lentos que los de los satélites causando grandes fallas mundiales.

Si no se tomara en cuenta la relatividad especial y general, habría errores en la medición del tiempo y en la posición de un objeto. Estos errores podrían causar desviaciones en la medida de la ubicación de hasta varias decenas de kilómetros.

Física cuántica en nuestras vidas

La física cuántica nos ha hecho cuestionarnos nuestra propia existencia y lo que vemos. ¿Sabías que ese cuaderno o lápiz que tienes allí a un lado en tu escritorio, está prácticamente formado por espacio vacío y que los átomos están unidos por fuerzas nucleares? ¿Cómo es posible esto, si lo estás viendo físicamente y palpable?

Aunque no lo creas es así, la cuántica nos ha abierto un mundo de infinitas posibilidades. Te sorprenderás saber que toda la electrónica que ves hoy a tu alrededor está hecha a base de física cuántica.

De hecho, esos mensajes que envías por WhatsApp o Telegram a otra persona al otro lado del mundo, viajan por ondas electromagnéticas; invisibles para nosotros, pero visibles para los átomos y nuestros aparatos electrónicos. También, está en los láseres y en el mecanismo por el cual las puertas de los ascensores, se abren y cierran, para tal caso se habla entonces del efecto fotoeléctrico.

¿La luz puede comportarse como ondas y partículas? Pues sí, esa misma pregunta tenía a los científicos desconcertados entre los siglos XVII y XIX, y bien, ahora sabemos que la luz tiene propiedades duales, puede ser onda y partícula. Por supuesto que, la mecánica cuántica tiene muchas más sorpresas, es cuestión de adentrarse a ese fascinante mundo, y descubrir los grandes misterios que esperan ser descubiertos.

Conclusiones

Como ves, la física es la ciencia sobre la cual se construyen otras ciencias naturales y de ingeniería. Todos debemos saber sobre las nociones básicas de la física, porque en la vida, todos los días se nos presentan situaciones desde un punto de vista muy básicas. Sin embargo, muchos caemos en el error de hacer lo incorrecto, por el simple hecho de no saber un poco sobre física.

Básicamente, esta ciencia tiene lugar en cada cosa que nos rodea. Desde lo más básico como, un movimiento de un objeto hasta lo más complejo como la desviación de un rayo de luz por la acción de la gravedad de un cuerpo; desde lo más pequeño cómo los quarks (partículas fundamental e indivisible) hasta lo más grande como las estrellas y galaxias.

La física moderna es impresionante, compuesta por dos principales pilares, la relatividad y la cuántica. Los avances en estos campos nos han ayudado a desarrollar mejores tecnologías para seguir haciendo descubrimientos en muchas otras áreas de las ciencias y desarrollándonos como especie; como ves, la ciencia y la tecnología están estrechamente relacionadas.

Sin duda, el buen entendimiento de la física, te dará un cimiento sólido, para construir un conocimiento completo en todas las demás ciencias. Y así, poder estudiar los fenómenos que se dan en nuestro diario vivir y comprender mejor como fue nuestro pasado, como es nuestro presente y como podría ser nuestro futuro. 

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Infografía de la física y sus ramas

Bibliografía

1. Flores, E., Moreno, J., y Rosales, N. (2010). Ciencias físicas o filosofía de la naturaleza. Panamá, Panamá: Imprenta Articsa.

2. Wolfgang, B & Westfall, G. (2014). Física para ingenierías y ciencias. 2da edición. México: Mc Graw Hill.

3. Baker, J. (2007). 50 physics ideas you really need to know. Editorial: Banshee

4. Villegas, F. (2020). Relatividad y el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Revista de investigación de Física, volumen 23, 1.

5. Fórmula de física. (2021). ¿Qué es la física? ¿Por qué debo aprenderla? Recuperado de: https://formuladefisica.com/que-es-la-fisica-por-que-debo-aprenderla/

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