La física es una ciencia natural responsable del estudio de los fenómenos físicos, por lo cual, para comprender el concepto de física primero debemos tener claro que es un fenómeno físico.
Un fenómeno físico es una transformación de la materia que no cambia su naturaleza, por ejemplo, el hielo al derretirse cambia de estado (fenómeno físico), sin embargo, la composición de la materia sigue siendo la misma (sigue siendo H2O ), otros ejemplos de fenómenos físicos son la evaporación del agua , que es un cambio de estado líquido a gaseoso, el movimiento de un objeto , que es un cambio en su posición espacial , etc.
Definición de Física: “La ciencia natural que estudia las propiedades, el comportamiento y las interacciones entre la energía, la materia (sin alterar su naturaleza o composición), el tiempo y el espacio.”
La física es una de las ciencias más antiguas, y debido a lo amplio de su campo de estudio muchas veces los fenómenos que estudia la física también son estudiados por otras disciplinas científicas, por lo que sus límites de investigación son difíciles de identificar debido a que colindan con investigaciones de otras ramas científicas, como la química, la biológica y la electrónica, por este motivo a la física se le conoce como la ciencia central.
Principales Teorías de la Física
La física se apoya en teorías para brindar una explicación a los fenómenos, estas se apoyan en leyes y modelos que nos permiten predecir cómo se comportan los fenómenos bajo ciertas circunstancias.
La física ha ido evolucionando y con esto sus teorías se fueron perfeccionando a lo largo del tiempo, actualmente existen muchas teorías que explican una gran variedad de fenómenos, las cuales se agrupan dentro de cinco teorías o ramas principales.
Mecánica Clásica
También conocida como Física Mecánica, esta rama de la física estudia el movimiento de los objetos, con la salvedad de que deben ser velocidades muy por debajo de la velocidad de la luz (299’792’458 m/s )
Esta rama de la física tiene dos formulaciones distintas, la mecánica newtoniana (que se basa en las tres leyes de Newton) también conocida como mecánica vectorial, esta formulación utiliza sistemas de referencia inerciales privilegiados para realizar sus cálculos, la otra formulación es la mecánica analítica, la cual se diferencia de la mecánica vectorial en que no utilizan sistemas de referencia inerciales privilegiados.
Electromagnetismo
Esta rama de la física estudia los fenómenos eléctricos y los campos magnéticos, se trata de una teoría que se basa en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales conocidas como las ecuaciones de Maxwell, estas ecuaciones relacionan los campos eléctricos y campos magnéticos con las fuentes que las producen, que son la corriente eléctrica y la polarización eléctrica y magnética.
La teoría del electromagnetismo se basa en los campos, y utiliza magnitudes vectoriales que dependen de una posición en el espacio y un tiempo determinado, además es una teoría macroscópica, y estudia los efectos de grandes grupos de partículas, por lo cual, si bien las partículas atómicas también presentan campos magnéticos y cargas eléctricas, estos efectos y fenómenos no son estudiados por el electromagnetismo, para esto se tendría que aplicar la mecánica cuántica.
El electromagnetismo se divide en tres ramas, la electrostática, la magnetostática y la electrodinámica.
Electrostática
La electrostática estudia los fenómenos que se deben a cargas estacionarias de la materia, conocidas como cargas estáticas que son independientes del tiempo, los cuerpos adquieren carga cuando los átomos que los componen tienen un exceso de electrones, en ese caso, como los electrones tienen una carga negativa, el cuerpo adquiere una carga negativa, cuando el cuerpo tiene un defecto o falta de electrones, entonces el cuerpo adquiere carga positiva.
Cuando dos cuerpos se encuentran cargados, ya sea positiva o negativamente, aparece entre ellos una fuerza, que puede ser de atracción o de repulsión, por ley, ante cuerpos con cargas iguales (positivo con positivo o negativo con negativo) se presenta una fuerza de repulsión y los cuerpos se repelen y cuando tienen cargas distintas (positivo con negativo) se presenta una fuerza de atracción, y los cuerpos se atraen.
Magnetostática
Esta rama del electromagnetismo estudia los fenómenos asociados a campos magnéticos estáticos (de magnitud constante durante el tiempo).
En el año 1820, Hans Christian hizo un importante descubrimiento, se percató de que los campos magnéticos están ligados a los flujos eléctricos, en pocas palabras, un flujo eléctrico genera un campo magnético, a esto se le conoce como campo magnético inducido.
Algunos cuerpos, en presencia de un campo magnético experimentan una fuerza, a los que son atraídos hacia el campo magnético se les denomina “Paramagnéticos”, y a los que son repelidos por él se les denomina “Diamagnéticos”.
Electrodinámica
La electrodinámica estudia la relación entre los campos magnéticos y eléctricos durante el tiempo, así como los campos magnéticos y eléctricos variables, esto se debe a que un campo eléctrico en movimiento genera un campo magnético, y la existencia de un campo magnético implica la existencia de un campo eléctrico.
Entre sus principales efectos tenemos el magnetismo, la radiación electromagnética y la inducción electromagnética.
Teoría de la Relatividad
Esta teoría fue formulada por el destacado físico Albert Einstein, a inicios del siglo XX, fue una teoría que revoluciono la física en su momento y se divide en dos ramas, la teoría de la relatividad especial y la teoría de la relatividad general.
Relatividad Especial
En esta teoría trabajaron varios físicos, entre los que resaltan Einstein, Minkowski y Lorentz. En esta teoría se unifican los conceptos de espacio y tiempo, además se considera que el tiempo deja de ser absoluto para pasar a ser relativo.
Determinan que las leyes de Newton son solo un caso particular de la teoría de la relatividad especial, considerando que los objetos se mueven a velocidad muy pequeñas comparadas a la velocidad de la luz , debido a esto no existe transformación de masa en energía y al analizar sistemas con estas características se puede considerar que el tiempo es absoluto.
Relatividad General
La relatividad general estudia principalmente los campos gravitatorios como si fueran una deformación del espacio-tiempo, se introducen conceptos como la curvatura del espacio-tiempo como causante de la gravedad y el movimiento de las partículas por las líneas geodésicas, es la teoría que ha logrado explicar de mejor manera los efectos de la gravedad y explica de forma correcta fenómenos como la curiosa desviación en la órbita del planeta Mercurio. Esta teoría es ampliamente utilizada en la astrofísica y la cosmología.
Termodinámica
La termodinámica estudia la transferencia de calor mediante el estudio de los estados de equilibro de sistemas macroscópicos, para esto toma en cuenta la energía interna del sistema, el nivel de entropía, la temperatura, la presión y otros atributos.
Consta de cuatro leyes fundamentales que no son aplicables a nivel microscópico, las leyes de la termodinámica son las siguientes:
- Ley cero de la termodinámica – Equilibrio termodinámico.
- Primera ley de la termodinámica – Principio de conversación de la energía.
- Segunda ley de la termodinámica – Aumento temporal de la entropía.
- Tercera ley de la termodinámica – Imposibilidad del cero absoluto.
Mecánica Cuántica
También conocida como física cuántica, estudia sistemas de escalas microscópicas, específicamente sistemas atómicos y subatómicos.
El enfoque de esta teoría considera que las trayectorias de las partículas realmente no existen de forma definida, sino que para el movimiento de una partícula existe una probabilidad asociada de que la partícula se encuentre en determinado punto del espacio en un determinado momento. Además considera que existen unidades o paquetes mínimos de energía, denominados cuantos, por lo cual la energía no se intercambia de forma continua como en la mecánica clásica, sino de forma discreta.
La mecánica cuántica se desarrolló a inicios del siglo XX, y responde a la necesidad de explicar fenómenos imposibles de explicar con las teorías anteriores, como la dualidad de comportamiento de los objetos microscópicos, que se comportan tanto como ondas y como materia.
Clasificación de la Física
La física se clasifica de la siguiente forma.
Principales Áreas de Investigación
Como toda ciencia se siguen desarrollando investigaciones y aportes científicos dentro del campo de la física, a continuación vamos a listar las principales áreas de investigación donde se vienen realizando estas investigaciones.
Física Teórica
Debido a la amplitud del campo de estudio de la física se ha producido una especialización en los estudios e investigaciones, por lo que algunos se dedican a la física teórica y otros a la física experimental, la física teoría propone las teorías que deberían ser confirmadas con los experimentos, sin embargo , puede darse el caso de que los resultados de algunos experimentos no sean coherentes con la teoría, esa es una oportunidad para que se produzca un avance en la ciencia física, porque la física teórica debe revisar los modelos y teorías para buscar un nuevo modelo o teoría que pueda explicar estos fenómenos.
Astrofísica y Astronomía
La astrofísica y la astronomía aplican los conceptos, métodos y teorías de la física al estudio del universo y los diversos cuerpos que lo conforman, como las estrellas, planetas, agujeros negros, cometas, etc. La astronomía estudia principalmente el movimiento de los cuerpos en el universo, mientras que la astrofísica hace un énfasis especial en el origen de los mismos.
Biofísica
La biofísica aplica los conocimientos, teorías y modelos físicos a la rama de la biología, de esta forma se puede obtener una explicación física para fenómenos biológicos, el cual es un punto de vista distinto al de la biología, pero con resultados completamente válidos. El conocimiento obtenido en este campo enriquece y complementa a la biología.
Física Atómica y de Moléculas
Estudian las interacciones de los cuerpos en una escala atómica o en pequeños grupos de átomos y moléculas aplicando los conceptos de física clásica y moderna.
Materia Condensada
Se estudian las propiedades físicas de la materia macroscópica cuando se encuentra en estado condensado (en gran cantidad), normalmente corresponde a los estados líquidos y sólidos de la materia. Esta área de investigación es importante porque ha permitido una gran cantidad de descubrimientos muy útiles, como materiales conductores, aislantes, ferromagnéticos y otros. El descubrimiento de mejores materiales impacta directamente en el desarrollo de la industria y en la calidad de vida de las personas.
Magnitudes Físicas
Las magnitudes físicas nos permiten medir o cuantificar una determinada propiedad, para lo que se utilizan patrones de comparación que ya están definidos. Por ejemplo, para conocer el largo de algún objeto se utiliza una magnitud física de longitud, como el metro (m), el cual ya se ha definido como la distancia que recorre la luz en el vacío en un intervalo de 1/299’792’458 de segundo.
Las magnitudes físicas se clasifican de dos formas, por su expresión matemática y por su actividad.
Magnitudes Físicas por su Expresión Matemática
Escalares
Quedan definidas con un número y su unidad de medida, por ejemplo, el metro (m) , basta con indicar que algún objeto mide un metro ( 1 m ) para que su longitud quede definida perfectamente.
Vectoriales
Quedan definidas con un numero o modulo, una dirección y un sentido, por ejemplo la fuerza, en física se expresa mediante una flecha (que representa al vector fuerza), además necesita una dirección (hacia donde apunta la flecha) y el modulo corresponde a la cantidad de fuerza.
Tensoriales
Para definirlas es necesario un grupo de números que cambiaran de forma tensorial cuando se cambia el observador por otro que se encuentra en movimiento.
Magnitudes Físicas por su Actividad
Extensivas
Estas magnitudes físicas dependen de la cantidad de materia o sustancia en el sistema, por ejemplo, si se quiere medir la cantidad de agua en una piscina se utiliza el volumen, y a más agua, mayor volumen.
Intensivas
Estas magnitudes físicas no dependen de la cantidad de materia o sustancia en el sistema, por ejemplo, si queremos medir la densidad del agua en una piscina, no importa si hay mucha o poca agua, la densidad del agua será la misma.
Democracia, educación, ciudadanía
