¿Qué es la Física? Concepto y ramas de la física
La disciplina de la Física tiene como objeto de estudio los elementos esenciales que conforman el universo, las interacciones que estos tienen entre sí y los resultados que se derivan de dichas interacciones. Esta ciencia se encuentra estrechamente vinculada con otras áreas del conocimiento y de alguna manera las comprende todas. La física contemporánea en ocasiones incluye componentes de los tres aspectos mencionados, tal y como sucede con las leyes de simetría y conservación de la energía, el momento, la carga y la paridad.
Introducción
La disciplina de la física tiene su origen en la antigua Grecia, ya que los pensadores griegos se enfocaron en la meditación de los eventos naturales, la procedencia y las propiedades de la existencia, de los organismos y de los objetos. La palabra "PHISIKE" deriva del griego y se refiere a la naturaleza. En consecuencia, se considera a la física como una ciencia empírica. Dentro de los filósofos naturalistas griegos, es posible citar a Leucipo y Demócrito, quienes presentaron la teoría atomista.
La Física es una disciplina clave en la comprensión de los sucesos naturales que ocurren en el universo. Al igual que otras áreas del conocimiento, la física se basa en observaciones empíricas y mediciones cuantitativas. Debido a su estudio y exploración, la física ha contribuido significativamente al progreso y bienestar humano, ya que ha proporcionado explicaciones claras y útiles sobre los fenómenos presentes en la naturaleza y en la vida cotidiana en la mayoría de los casos.
A pesar de que las concepciones acerca del mundo físico datan de épocas ancestrales, la física como disciplina definida no se consolidó hasta el inicio del siglo XIX. En algunas oportunidades, la física contemporánea involucra componentes de los tres aspectos previamente mencionados, tal como ocurre con las leyes de simetría y conservación de la energía, el momento, la carga y la paridad.
El concepto de Física se refiere a una disciplina científica que se enfoca en el análisis y comprensión de los sucesos naturales que no implican cambios en la composición de la materia. Su objeto de estudio es vasto y abarca desde los orígenes y formación del universo hasta la materia-energía en sus partículas más fundamentales. Asimismo, se puede definir a la física como el análisis de las interacciones entre la materia y la energía, ya sea entre materiales o entre la materia y la energía en sí misma.
La física es una ciencia que se dedica tanto al estudio de las partículas subatómicas más pequeñas como a la comprensión de la formación de las estrellas, entre otros fenómenos naturales. A lo largo de la historia, diversos físicos han destacado por sus aportes al campo de estudio, entre ellos se encuentran figuras icónicas como Galileo Galilei, Isaac Newton y Albert Einstein. No obstante, los inicios del desarrollo de la física se remontan a la filosofía griega.
Se puede observar que ciertas propiedades, como la temperatura, la presión y el volumen, no tienen sentido para una sola molécula o átomo, sino que se aplican a sistemas de partículas más grandes. En este sentido, la termodinámica es una rama de la física que se encarga de estudiar y cuantificar las propiedades de un sistema en su conjunto, y que resulta fundamental para el desarrollo de otras áreas de la física, así como para la ingeniería química y mecánica. Sin embargo, la mecánica estadística es una rama que establece una conexión entre los enfoques microscópico y macroscópico al explicar cómo se relacionan la presión y la temperatura con el movimiento de las partículas, desde una perspectiva estadística.
División de la física
La física tiene como meta principal emplear un conjunto reducido de leyes que rigen los fenómenos naturales para crear teorías capaces de prever los resultados de experimentos venideros. Estas leyes fundamentales se expresan en el lenguaje matemático, siendo este un medio crucial en el desarrollo de teorías en física. En general, la física se subdivide en dos categorías: física clásica y física moderna.
La física posee una estrecha vinculación con las demás ciencias naturales, y de alguna forma las subsume en su estudio. La química, por ejemplo, se enfoca en las interacciones atómicas para la formación de moléculas; una gran parte de la geología moderna implica una comprensión de la física terrestre y se conoce como geofísica; mientras que la astronomía se ocupa de la física de las estrellas y del espacio exterior. Incluso, los sistemas biológicos están compuestos por partículas elementales que siguen las mismas leyes que las partículas más simples estudiadas tradicionalmente por los físicos.
La mayor parte de los hallazgos alcanzados y los sucesos que podemos presenciar día a día se relacionan con la física. De ahí que se pueda afirmar que la física es un elemento constante en todas las acciones cotidianas que llevamos a cabo.
La física clásica
Se refiere a la parte de la física que se fundamenta en los principios anteriores a la aparición de la mecánica cuántica. Esta categoria se subdivide en física clásica newtoniana (pre-relativista) y física clásica relativista. La física clásica abarca el estudio de la mecánica newtoniana, la mecánica relativista, la termodinámica, el electromagnetismo, la óptica, la acústica, la dinámica de fluidos y otras áreas de investigación.
La física clásica se considera determinista en el sentido de que el futuro estado de un sistema cerrado depende únicamente de su estado actual, aunque esto no necesariamente implica que sea computable o predictible computacionalmente. Cabe señalar que la definición de física clásica varía según el contexto. En general, la expresión "física clásica" se refería originalmente a la física anterior al siglo XX, mientras que "física moderna" se aplica a la física posterior a 1900 que incluye elementos de la mecánica cuántica y la relatividad. No obstante, hoy en día se opone el concepto de física clásica (newtoniana y relativista) a la física cuántica (tanto relativista como no relativista).
Es importante destacar que la física clásica ha tenido un papel fundamental en la historia de la ciencia y ha sentado las bases para la comprensión de la naturaleza del universo. Aunque ha sido superada en muchos aspectos por la física cuántica, todavía se aplica ampliamente en áreas como la ingeniería y la tecnología.
La física moderna
La física moderna se inicia a fines del siglo XIX y principios del siglo XX, y hace referencia a los progresos logrados dentro de los enfoques relativista (teoría de la relatividad) y cuántico (física cuántica). Ambos campos revolucionaron la física al cuestionar las leyes fundamentales que se creían establecidas y plantear nuevas teorías que permitieron explicar fenómenos hasta entonces desconocidos. La física cuántica, en particular, representó una ruptura con la física clásica al postular que las partículas subatómicas no se comportan de acuerdo con las leyes clásicas de la física.
Cabe destacar que durante el siglo XX también se produjeron importantes avances en otros campos de la física clásica, como la teoría del caos, que trata de la predicción del comportamiento de sistemas complejos. Asimismo, la física de altas energías, que estudia las partículas subatómicas a altas energías, tuvo un gran desarrollo durante el siglo XX y sigue siendo un área activa de investigación en la actualidad.
Por lo que podemos decir que la física moderna hace énfasis en la interacción entre partículas, lo que se conoce como enfoque microscópico. No obstante, en muchas ocasiones se requiere un enfoque macroscópico que se ocupe de elementos o sistemas de partículas más extensos. Este planteamiento macroscópico es esencial en la aplicación de la física a diversas tecnologías modernas. Por ejemplo, la termodinámica, una rama de la física que se desarrolló en el siglo XIX, se enfoca en determinar y cuantificar las propiedades de un sistema en su conjunto, y es útil en otros campos de la física, así como en las ingenierías química y mecánica, siendo la base de ambas.
Hasta principios del siglo XIX, era frecuente que los físicos fueran al mismo tiempo matemáticos, filósofos, químicos, biólogos o ingenieros. En la actualidad el ámbito de la física ha crecido tanto que, con muy pocas excepciones, los físicos modernos tienen que limitar su atención a una o dos ramas de su ciencia. Una vez que se descubren y comprenden los aspectos fundamentales de un nuevo campo, éste pasa a ser de interés para los ingenieros y otros científicos.
Por ejemplo, los descubrimientos del siglo XIX en electricidad y magnetismo forman hoy parte del terreno de los ingenieros electrónicos y de comunicaciones; las propiedades de la materia descubiertas a comienzos del siglo XX han encontrado aplicación en la electrónica; los descubrimientos de la física nuclear, muchos de ellos posteriores a 1950, son la base de los trabajos de los ingenieros nucleares.
Ramas de la Física
La mecánica clásica:
Es una rama de la física que se ocupa del estudio del movimiento de los cuerpos y de las fuerzas que los producen. Esta teoría fue desarrollada por Isaac Newton en el siglo XVII y fue el primer intento de describir el movimiento de los objetos en términos de leyes matemáticas precisas. La mecánica clásica se divide en dos ramas principales: la cinemática y la dinámica. La cinemática se ocupa del estudio de las propiedades del movimiento sin tener en cuenta las fuerzas que lo producen, mientras que la dinámica se enfoca en las causas del movimiento.
La termodinámica
es una rama de la física que se ocupa del estudio de la transferencia de energía en forma de calor y de trabajo. La termodinámica es una teoría macroscópica que describe el comportamiento de sistemas grandes, como gases, líquidos y sólidos. La termodinámica se divide en dos ramas principales: la termodinámica clásica y la termodinámica estadística. La termodinámica clásica se enfoca en el estudio de sistemas en equilibrio, mientras que la termodinámica estadística se enfoca en el estudio de sistemas fuera del equilibrio, como los gases y los líquidos.
La termodinámica es una teoría fundamental para la comprensión de procesos en la naturaleza, como la transferencia de calor y la generación de energía en máquinas térmicas. Además, la termodinámica tiene aplicaciones prácticas en la ingeniería y la tecnología, incluyendo la construcción de motores y turbinas, la producción de electricidad y la refrigeración.
La acústica
Es la rama de la física que se ocupa del estudio del sonido y su propagación a través de los medios materiales, como el aire, el agua y los sólidos. Esta disciplina se centra en el análisis de las ondas sonoras, su generación, propagación y recepción.
La acústica se divide en dos ramas principales: la acústica física y la acústica musical. La acústica física se enfoca en el estudio de los fenómenos físicos relacionados con el sonido, mientras que la acústica musical se enfoca en el estudio del sonido producido por instrumentos musicales y en la percepción del sonido por el ser humano.
La acústica se basa en un conjunto de leyes que describen la propagación del sonido a través de los medios materiales, como la ley de Hooke, que describe la relación entre la fuerza aplicada a un objeto elástico y su deformación, y la ley de Ohm acústica, que establece que la velocidad de propagación del sonido es inversamente proporcional a la densidad del medio.
La óptica
Es la rama de la física que se ocupa del estudio de la luz y su comportamiento en diversos medios, como el aire, el agua y los materiales transparentes. Esta disciplina se centra en el análisis de la naturaleza de la luz, su generación, propagación y recepción.
La óptica se divide en dos ramas principales: la óptica geométrica y la óptica física. La óptica geométrica se enfoca en el estudio de la propagación de la luz en términos de rayos, es decir, en cómo la luz se refleja, se refracta y forma imágenes en los sistemas ópticos, como lentes y espejos. La óptica física se enfoca en el estudio de la naturaleza de la luz en términos de ondas electromagnéticas, es decir, en cómo la luz se produce, se difunde, se polariza y se interacciona con la materia.
La óptica se basa en un conjunto de leyes que describen la propagación de la luz a través de los medios materiales, como la ley de Snell, que describe cómo la luz se refracta al pasar de un medio a otro, y la ley de la reflexión, que describe cómo la luz se refleja en una superficie. También existen leyes que describen la interacción de la luz con la materia, como la ley de Beer-Lambert, que describe cómo la luz se atenúa al pasar a través de un medio absorbente.
La electricidad
Es una rama de la física que se ocupa del estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos y su interacción con las cargas eléctricas en reposo o en movimiento. Esta disciplina se centra en el análisis de la naturaleza de la carga eléctrica, su generación, movimiento y almacenamiento.
La electricidad se divide en dos ramas principales: la electrostática y la electrodinámica. La electrostática se enfoca en el estudio de las cargas eléctricas en reposo y la interacción entre ellas, mientras que la electrodinámica se enfoca en el estudio de las cargas eléctricas en movimiento y la interacción entre ellas y los campos eléctricos y magnéticos.
La electricidad se basa en un conjunto de leyes y teoremas que describen la relación entre las cargas eléctricas y los campos eléctricos y magnéticos. La ley de Coulomb, por ejemplo, establece que la fuerza entre dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de sus magnitudes e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. El teorema de Gauss, por otro lado, describe cómo se distribuyen las cargas eléctricas en un conductor en equilibrio electrostático.
