Usando el modelo de sistemas en la ciencia

Observando el mundo real

El mundo real es un lugar complicado. Cualquier fenómeno en particular que se observe se verá afectado por factores ambientales e intrínsecos a su alrededor y dentro de él, y a menos que podamos encontrar una manera de observar los patrones que parecen regir su comportamiento, siempre será un misterio para nosotros. Los científicos crean modelos de sistemas para caracterizar estos fenómenos o sistemas particulares y darnos una mejor comprensión de ellos.

¿Qué es un modelo de sistemas?

Un modelo de sistemas es una especie de representación artificial de un conjunto real de eventos o procesos. Los científicos usan modelos de sistemas porque es imposible considerar muchas cosas que suceden en la naturaleza o en otras áreas sin descomponerlas en pedazos que de alguna manera puedan definirse y entenderse. Por ejemplo, los átomos y las partículas subatómicas son tan pequeños que los humanos no pueden verlos. Por esa razón, para explicar cómo interactúan entre sí, o cómo se suman para formar materia visible, los científicos utilizan algún tipo de modelo de sistemas. A mayor escala, un ingeniero en una refinería de petróleo puede utilizar un modelo de sistemas, para optimizar el proceso de refinación del petróleo de modo que, sea lo suficientemente puro como para ser un combustible útil y al mismo tiempo producir una contaminación mínima.

Elementos del modelo de sistemas

Para ser útil, un modelo de sistemas debe poder explicar cómo funciona o debería funcionar algo. También debe ser coherente y predictivo para que la forma en que explique el funcionamiento de un sistema, sea la misma cada vez que se ejecute el sistema. Un modelo de sistemas generalmente tiene al menos cuatro elementos básicos. Éstas incluyen:

• Entrada: la entrada es lo que se pone en el sistema. En el ejemplo de la refinería de petróleo, esto sería petróleo sin refinar. En otros ejemplos, esto podría ser energía, materiales, información u otras cosas similares.
• Salida: la salida es lo que sale del sistema. En el ejemplo de la refinería de petróleo, esto sería petróleo refinado y desechos resultantes del proceso.
• Proceso: el proceso es lo que se hace con las entradas. En una refinería de petróleo, el proceso o procesos son la eliminación de elementos indeseables del aceite sin refinar.
• Retroalimentación: la retroalimentación representa lo que se aprende de toda la entrada, el proceso y la salida. Esto incluye problemas que se encuentran con el proceso, impactos ambientales o similares. La retroalimentación se utiliza para cambiar la entrada y el proceso para optimizar la salida.

Tipos de modelos de sistemas

Los modelos de sistemas no son representaciones exactas de la realidad, sino ideas sobre lo que es la realidad. Hay muchos tipos diferentes de modelos de sistemas en diferentes campos de actividad. En las ciencias, un modelo de sistemas puede usarse para enseñar a otros sobre la representación de algún aspecto de un fenómeno, o puede usarse simplemente para ayudar a alguien a visualizarlo. Los modelos de sistemas pueden ser simples o muy complejos. Pueden ser un modelo independiente de un sistema dado, o pueden ser sistemas dentro de otros sistemas. Algunos de los tipos más comunes de modelos de sistemas incluyen:

• Modelo conceptual: se crea un modelo de sistemas conceptuales para enseñar a otros sobre un fenómeno. Este tipo de modelo generalmente se usa dentro de una comunidad específica con un cuerpo de conocimiento específico, como químicos o biólogos. Un ejemplo de modelo conceptual es la Ley de los gases ideales. Esta ley se utiliza para explicar el comportamiento de los gases a temperatura y presión estándar, o STP.
• Modelo mental: un modelo mental es un modelo de sistemas que se utiliza para ayudar a las personas a visualizar un fenómeno en sus mentes. Por ejemplo, los átomos son tan pequeños que nadie puede verlos directamente. Con la llegada del microscopio electrónico, los átomos se hicieron visibles, pero los científicos han estado teorizando sobre ellos durante muchos años antes de que se inventara este microscopio. Lo hicieron creando modelos mentales del átomo. Estos modelos provienen de hacer preguntas sobre la naturaleza de las cosas en su nivel más pequeño y proponer respuestas y explicaciones lógicas.
• Modelo matemático: un modelo matemático es un modelo de sistemas en el que los fenómenos físicos o el comportamiento se expresan en forma matemática, generalmente mediante una ecuación. Un ejemplo de modelo matemático es la Segunda Ley del Movimiento de Newton. Esto se expresa por F = ma donde:

F = fuerza m = masa a = aceleración (en la Tierra, esta es la aceleración debida a la gravedad) Esta ley es un modelo de cómo funciona el movimiento. La fórmula F = ma muestra que cuanto más pesado es un objeto, más fuerza se requiere para acelerarlo, ya que a es una constante en la Tierra.

Aplicaciones de modelos de sistemas

Existe un número infinito de aplicaciones de los modelos de sistemas en la ciencia. Un modelo de sistemas popular que ya hemos mencionado es la Ley de los gases ideales. Esta ley podría considerarse tanto un modelo conceptual como matemático, tal como se expresa en la ecuación PV = nRT Donde: P = presión V = volumen n = la cantidad de gas en moles R = la constante universal de los gases T = temperatura La ecuación de la ley de los gases ideales muestra que, a temperatura y presión estándar (STP), aumentar la temperatura de un gas dentro de un sistema aumentará su presión y aumentar el volumen de un gas disminuirá su presión si otras variables son constantes. Otros ejemplos de aplicaciones de modelos de sistemas incluyen el modelo de doble hélice de la estructura de una molécula de ADN en biología y el Modelo del Sistema Terrestre del MIT, o MESM. Este modelo complejo engloba varios submodelos de fenómenos que ocurren en la atmósfera y los océanos de la Tierra con el fin de obtener información sobre los impactos de la actividad humana en el medio ambiente. El modelo MESM está disponible para el público en forma de software de computadora.

Limitaciones de un modelo de sistemas

Los modelos de sistemas nunca son perfectos y no son el final del camino para expresar cómo funciona algo realmente. Por ejemplo, la Ley de los gases ideales se refiere a un gas ideal, que no existe en la realidad. Un gas ideal no tiene partículas de gas que se atraigan entre sí, pero un gas en el mundo real tiene partículas que se atraen entre sí. A medida que un gas real se enfría a una cierta temperatura, las partículas de gas se mueven lo suficientemente lento como para que se atraigan entre sí y el gas se condensa en un líquido. Cuando eso sucede, la Ley de los gases ideales ya no se aplica. Sin embargo, la Ley de los gases ideales sigue siendo un modelo excelente para representar el comportamiento de los gases a temperaturas más cálidas que aquella a la que se condensan. Casi todos los modelos de sistemas son similares en este sentido y funcionan mejor para representar una idea solo bajo ciertas condiciones.

Resumen de la lección

Un modelo de sistemas es una representación de un conjunto real de eventos o procesos. Los científicos utilizan modelos de sistemas para crear una mejor comprensión de los procesos reales que son difíciles o imposibles de ver directamente. Los modelos de sistemas deben ser consistentes y predictivos, y tener cuatro elementos, que son:

• Entrada: qué entra en el sistema
• Salida: lo que sale del sistema
• Proceso: acciones tomadas en la entrada
• Comentarios: información obtenida del proceso que se puede utilizar para ayudar a optimizarlo

Hay muchos tipos de modelos de sistemas. En ciencia, tres tipos de uso común son:

• Modelo conceptual: los modelos conceptuales se utilizan para enseñar a otros sobre un fenómeno
• Modelo mental: los modelos mentales se utilizan para ayudar a las personas a visualizar un fenómeno en sus mentes.
• Modelo matemático: los modelos matemáticos expresan el comportamiento físico de un fenómeno en forma matemática. La Segunda Ley del Movimiento de Newton, o F = ma, es un ejemplo de un modelo de sistemas matemáticos.

Hay un número infinito de formas de aplicar modelos de sistemas en la ciencia. Un modelo de sistemas popular es la Ley de los gases ideales, que describe el comportamiento de un gas ideal con variaciones de temperatura, presión y volumen. Otros modelos de sistemas son el modelo de doble hélice de la estructura de una molécula de ADN en biología y el Modelo del Sistema Terrestre del MIT (MESM), que está diseñado para examinar los impactos humanos en el medio ambiente de la Tierra. Todos los modelos de sistemas tienen limitaciones en su capacidad para representar fenómenos reales. Por ejemplo, no existe tal cosa como un gas ideal, pero la ley de los gases ideales todavía representa con bastante precisión el comportamiento de los gases a temperatura y presión estándar, o STP.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador