¿Qué es la física? – Definición, ramas, fundamentos y temas

Orígenes de la física y definición

¿Alguna vez se ha preguntado cómo su microondas calienta la comida que contiene, o cómo es posible que esté hablando con alguien a cientos de millas de distancia por su teléfono celular? Estos dispositivos modernos no surgieron de la nada. Todos se basan en las propiedades del mundo que nos rodea. Al estudiar y aprender sobre estas propiedades, podemos aprovecharlas para nuestro uso en dispositivos como microondas y teléfonos celulares.

El proceso de estudiar estas propiedades del mundo que nos rodea es lo que hacemos con la física. Ambos ejemplos funcionan debido a nuestra comprensión de las ondas electromagnéticas que hemos aprendido de la física. Gracias a la física, hemos aprendido a usar diferentes propiedades de las ondas electromagnéticas para cocinar alimentos, enviar nuestras voces a través de la Tierra para que otros las escuchen y muchos otros usos en la sociedad moderna.

La física, sin embargo, no es una ciencia que se esté utilizando ahora para invenciones recientes. De hecho, es una de las ciencias naturales más antiguas. La palabra «física» en sí se remonta a la palabra griega phusika , que significa «cosas naturales». Fue en el estudio de la filosofía y el mundo natural que los rodeaba por los antiguos griegos donde nació la ciencia de la física. Hacer preguntas filosóficas sobre por qué el mundo funciona de la manera en que lo hace condujo a la investigación del mundo para determinar esas respuestas. Desde entonces, la definición de físicaha cambiado desde los comienzos filosóficos más vagos como un estudio de la naturaleza al estudio de la materia y la energía y cómo interactúan entre sí. Si bien esta es una definición más concreta, aún permite que una gran cantidad de temas caigan dentro de su ámbito, como la mecánica, la óptica, la electricidad, el magnetismo y muchos otros.

Ramas de la física

Como se dijo anteriormente, la definición de física permite que muchos temas se incluyan en ella. Los campos de la física pueden estudiar cosas tan grandes como el propio universo, o partículas tan pequeñas que no se pueden ver en un microscopio óptico tradicional. Aquí repasaremos algunos de los campos de la física en los que los científicos están trabajando hoy.

Comencemos con la gran escala, examinando aquellos campos que miran más allá de nuestro planeta y hacia las profundidades del espacio. La cosmología es el campo de la física que estudia la totalidad del universo como una sola entidad. Los cosmólogos se esfuerzan por comprender el origen de nuestro universo, cómo ha cambiado con el tiempo y qué le depara el futuro.

Luego está la astrofísica , que también busca entender cómo funciona el universo. En lugar de verlo como un todo, los astrofísicos suelen dividir el universo en trozos más pequeños. Un astrofísico podría estudiar las propiedades de todo, desde cúmulos completos de galaxias hasta estrellas individuales, planetas o incluso cuerpos más pequeños que se mueven por el espacio. Un ejemplo de algo que podría hacer un astrofísico es calcular de manera preventiva la trayectoria de vuelo de grandes asteroides en nuestro sistema solar para ver si la Tierra está en peligro de ser golpeada por uno.

Ahora nos trasladaremos del espacio a nuestro propio planeta con la geofísica . Los geofísicos estudian las propiedades físicas de la Tierra y su entorno inmediato. Estudian partes de la Tierra, como la tectónica de placas, el campo magnético o la mecánica de fluidos de los océanos y la atmósfera. Los geofísicos pueden usar estos datos que han recopilado para fines tales como determinar dónde se pueden extraer metales y minerales valiosos, o para asegurarse de que el terreno de un proyecto de construcción sea seguro para construir.

Mientras que la geofísica analiza de qué está hecha la Tierra, la biofísicase centra en las criaturas que viven en la Tierra. Los biofísicos investigan cualquier cosa, desde ecosistemas completos hasta los procesos internos y las células individuales de un solo organismo vivo. La biofísica nos ha ayudado a desarrollar tecnologías como las tomografías computarizadas y las resonancias magnéticas que obtienen imágenes del interior de nuestro cuerpo, sin procedimientos quirúrgicos invasivos, con el fin de ayudar a los médicos en su trabajo. Como se puede adivinar por sus nombres, la geofísica y la biofísica son campos multidisciplinarios. La geofísica también incorpora elementos de la geología y la meteorología, y la biofísica utiliza conceptos de la biología. Lo que distingue a la geofísica y la biofísica de los campos no basados ​​en la física es que tienen un gran enfoque en el uso de un enfoque cuantitativo con métodos computacionales y matemáticos para respaldar su investigación.

Ahora hemos escalado en tamaño desde estudiar la totalidad del universo con cosmología hasta células individuales con biofísica, pero aún no hemos terminado. Vayamos aún más pequeños a los átomos individuales que componen nuestro universo con la física atómica . La física atómica cubre las propiedades físicas de los átomos individuales, así como las interacciones atómicas con otros átomos, campos eléctricos y campos magnéticos.

Sin embargo, podemos ser incluso más pequeños que los átomos individuales en el campo de la física nuclear . La física nuclear no mira a todo el átomo, sino que sólo se ocupa del núcleo del átomo. La física nuclear cubre temas como la desintegración radiactiva, la fusión nuclear y la fisión nuclear. Es conocido que este es el campo de la física que nos trajo la bomba atómica y aprovechó la energía nuclear en las centrales eléctricas.

Finalmente, terminaremos nuestra reducción con la fotónica . Un fotón es un cuanto único de energía electromagnética, que en aras de la simplicidad a menudo se trata como una partícula de luz, aunque claramente no es una partícula. Es una de las cosas existentes más pequeñas conocidas en el universo. La fotónica estudia las propiedades físicas de estos fotones con un enfoque en usarlos como transmisores de información de una manera similar a como los electrones se usan actualmente en los dispositivos modernos.

Estas ramas de la física que hemos analizado ciertamente no son todas las que existen. Solo por nombrar algunos más, hay física teórica, física del plasma, física de la materia condensada, etc. Pero las que hemos revisado deberían darle una idea de cuán amplio es el campo de la física. Abarca tanto las cosas más grandes como las más pequeñas que puedas imaginar.

Las áreas temáticas fundamentales

Si bien las diferentes ramas de la física son muy diversas, hay una serie de temas fundamentales fundamentales que todo físico aprende independientemente del campo en el que termine trabajando. Aquí vamos a tener una breve descripción general de esos temas.

La mecánica clásica es la base sobre la que se basa la física moderna. Se centra en el movimiento de partículas en un sistema tridimensional y tiene su base en las tres leyes del movimiento definidas por Isaac Newton. De todas las áreas temáticas fundamentales, la mecánica clásica es la más fácil de relacionar con el mundo que nos rodea. Se trata en gran parte de las propiedades físicas de los objetos sólidos que se pueden ver a simple vista, tocar y sostener en la mano.

Puede aprender qué tan lejos volará una pelota después de ser golpeada por un bate de béisbol, cuántas veces un péndulo se balanceará hacia adelante y hacia atrás antes de detenerse, cómo funcionan las roturas en su automóvil o bicicleta, y mucho más. Aquí es donde todos comienzan su viaje hacia la física y en lo que se enfocará la mayor parte de su primer curso de física. Aprenderá sobre el movimiento y la interacción de partículas grandes en una, dos y tres dimensiones, explorando temas como velocidad, aceleración, masa, fuerza, trabajo, energía e impulso.

La termodinámica es un campo basado en la física del calor. Esto puede abarcar temas como la transferencia de calor, la entropía, la energía interna de un sistema, la presión, los motores y los refrigeradores. A menudo, cuando se trabaja con termodinámica, se trabaja con un sistema que contiene un número desconocido de partículas. Este sistema puede ser gaseoso, sólido o líquido e incluso puede cambiar entre esas fases con el tiempo.

Cuando trabaje con un número desconocido de partículas, debe utilizar una aproximación. Para las aproximaciones, necesita estadísticas y distribuciones de probabilidad. En otras palabras, necesitas el campo de la mecánica estadística . Es por eso que estos dos casi siempre están emparejados en física. Algunos ejemplos de cosas que puede aprender en esta área temática incluyen cómo funcionan los refrigeradores, calentadores y motores, qué sucede cuando abre la puerta en un día frío de invierno y el aire fresco del exterior entra en contacto con el aire caliente de su hogar. casa, o cómo funciona el proceso en el que el hielo en su taza enfría su bebida.

La relatividad es más conocida como el campo de la física desarrollado por Albert Einstein. Se puede dividir en los dos subtemas de la relatividad general y especial. La relatividad especial se desarrolló para describir cómo se comportan los objetos a velocidades extremadamente rápidas, es decir, aquellos que se acercan a la velocidad de la luz. Entre las conclusiones más interesantes que se desprenden de la relatividad especial es que ni la distancia ni el tiempo son constantes, y ambos cambian dependiendo de la velocidad a la que te muevas.

Sin embargo, la relatividad especial solo tiene en cuenta los objetos que se mueven a una velocidad constante. Pero no es así como funciona el universo. Los objetos pueden cambiar su velocidad; pueden acelerar y desacelerar según la influencia de la gravedad de otros objetos a su alrededor. Entonces, Einstein necesitaba una teoría que tuviera en cuenta la gravedad. Esta teoría se conoce como relatividad general. La observación más importante obtenida de la relatividad general es la comprensión geométrica de la gravedad. En lugar de ser una fuerza de tracción intrínseca de los objetos, puede verse como una deformación geométrica del espacio y el tiempo alrededor de un objeto. Es esta visión de la gravedad la que permite que la relatividad funcione para todos los casos, y es a partir de la cual se basa nuestra comprensión actual de los agujeros negros y la teoría del Big Bang.

La electricidad y el magnetismo se combinan en física porque ambos son propiedades de una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, la fuerza electromagnética. En este tema, aprenderá sobre las propiedades eléctricas y magnéticas básicas de los materiales, incluidas las cargas eléctricas, los aislantes y conductores, la corriente eléctrica, el flujo eléctrico y las fuerzas y campos que surgen tanto de la electricidad como del magnetismo, entre otros.

También aprenderá el funcionamiento básico de los circuitos eléctricos, incluido el funcionamiento de transistores, resistencias y condensadores, así como las diversas configuraciones en las que se pueden combinar. Con esto, puede comprender mejor cómo funcionan todos los dispositivos electrónicos que posee, como teléfonos celulares y computadoras. Sin embargo, no se trata solo de inventos hechos por el hombre; También puede saber qué sucede cuando recibe una descarga estática o por qué la electricidad viaja más fácilmente a través de algunos materiales, como el cobre, que otros, como la madera. Hay muchas aplicaciones de la electricidad y el magnetismo tanto en los dispositivos que usamos como en los fenómenos naturales que ocurren a nuestro alrededor.

La mecánica cuántica significa simplemente la física de cosas muy pequeñas. De hecho, estudia cosas tan minúsculas que están a escala atómica o incluso más pequeñas. Un ejemplo de algo que podría estudiar en mecánica cuántica serían los fotones de los que hablamos antes y cómo a menudo se tratan como una partícula por simplicidad. La mecánica cuántica es donde dejamos caer esa simplicidad y miramos la verdadera naturaleza de los cuantos, como fotones que exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas. Fenómenos extraños como este se discuten a menudo en mecánica cuántica. Otros ejemplos de lo que se cubre incluyen la radiación de cuerpo negro, el efecto fotoeléctrico, la dispersión de Compton, el principio de incertidumbre y más.

En un curso de introducción o de física general, cada uno de estos temas se abordará de alguna manera. Si decide continuar su educación en física, estos temas se convertirán en su propio curso o serie de cursos separados y se ampliarán.

Resumen de la lección

Los orígenes de la física se remontan a los estudios de filosofía de los antiguos griegos y al mundo que los rodea. Con el paso del tiempo, la física se solidificó de un vago estudio de la naturaleza al estudio más concreto de la materia y la energía, así como de cómo interactúan entre sí. Si bien esta es una definición más concreta, aún permite que una gran cantidad de temas y campos caigan dentro de su alcance. Los físicos estudian todo lo que varía en tamaño y escala, desde la totalidad del universo dentro de la cosmología hasta algunas de las cosas más pequeñas que podemos imaginar con la fotónica.

Incluso con la física como un campo tan diverso, hay varios temas centrales que todos los físicos deben aprender. Estos temas consisten en mecánica clásica, termodinámica y mecánica estadística, relatividad, electricidad y magnetismo y mecánica cuántica. Los cursos de introducción a la física abordarán todos estos temas.

Los resultados del aprendizaje

Cuando haya terminado, debería poder:

• Recuerda los orígenes de la física.
• Nombrar y describir las ramas de la física.
• Discutir los temas fundamentales de la física.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador