La física es una ciencia exacta, teórica y experimental que estudia las propiedades de la materia, de la energía, el tiempo y el espacio y la interacción entre ellos. Busca la exactitud y precisión en sus conclusiones y que estas puedan ser verificables a través de experimentos.
Explica mediante leyes los fenómenos naturales, sin incluir los que modifican la estructura molecular de los cuerpos. Está estrechamente relacionada con las matemáticas, se apoya en ella para expresar el estudio de la realidad que le ocupa. Por otra parte, incluye dentro de
su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos.
La física estudia los fenómenos de la materia basando sus teorías en la mecánica clásica desde donde estudia las leyes que rigen el movimiento, en la electrodinámica clásica para el estudio de las cargas electromagnéticas, en la termodinámica para el estudio del calor y las formas de energía, en la mecánica cuántica que estudia la naturaleza a escalas espaciales pequeñas y en la estadística para estudiar frecuencias y probabilidades de ocurrencia de los fenómenos físicos.
Ramas de la física clásica
La física, para el estudio de la realidad se divide en tres grandes ramas que le permiten estudiar los fenómenos naturales desde un aspecto específico de la realidad, ellas son:
- Física clásica
- Física moderna y
- Física contemporánea.
¿A qué se le considera física clásica?
Física clásica comprende los estudios y teorías anteriores al surgimiento de la mecánica cuántica. También se le suele llamar física newtoniana por apoyarse en las leyes de Newton referentes al movimiento sobre los objetos.
La Física Clásica estudia los fenómenos que tienen velocidad más pequeña que la velocidad de la luz y que sus escalas espaciales son inferiores al tamaño de los átomos y moléculas.
La física clásica comprende las siguientes disciplinas:
Mecánica clásica:
Ciencia que estudia las leyes del movimiento de Newton, referente al comportamiento de cuerpos físicos muy pequeños en reposo y a velocidades pequeñas en relación a la velocidad de la luz.
Tanto la mecánica clásica como la física clásica en general se sustentan en las leyes de Newton, particularmente en las referentes al movimiento de los cuerpos en el universo.
La termodinámica:
Es la ciencia que se encarga de la descripción de los estados de equilibrio termodinámico a nivel macroscópico. La termodinámica se encarga de estudiar la interacción entre el calor y otras formas de energía. Las variables que utiliza para describir diferentes situaciones son temperatura, presión, volumen y número de moles.
Se entiende por equilibrio térmico aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, con diferentes temperaturas iniciales y que una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico.
Como ejemplo tenemos el uso del termómetro, instrumento que determina su propia temperatura. Así que para saber la temperatura de otro cuerpo o sustancia se ponen ambos en equilibrio térmico. Conociendo que en el equilibrio térmico tanto el cuerpo como el termómetro se encuentra a la misma temperatura, la temperatura que indique el termómetro será también la temperatura del cuerpo sometido a comparación.
El estudio de la reacción de los sistemas ante los cambios en su entorno es útil en una gran variedad de ramas de la ciencia y la ingeniería… A continuación citaremos algunas de las aplicaciones de la termodinámica:
En la ingeniería de materiales se ejecutan transferencias de calor y energía a las materias primas para la fabricación de nuevos materiales. Como ejemplo tenemos el proceso de cocción a altas temperaturas de una pieza de cerámica cuyas propiedades finales dependerán precisamente de la temperatura a la que fue sometida.
A nivel industrial tenemos el proceso de pasteurización y fabricación de queso y mantequilla mediante transferencia de calor. En la industria siderúrgica, se obtienen diferentes tipos de acero fusionando diversas sustancias en hornos de altísimas temperaturas.
El electromagnetismo:
Los fenómenos eléctricos y magnéticos son estudiados y unificados en una sola teoría mediante el electromagnetismo. Michael Faraday y James Clerk Maxwell fueron los primeros exponentes de su fundamento.
El electromagnetismo se basa en las cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales de Maxwell, que relacionan los campos eléctrico y magnético con sus respectivas fuentes materiales.
En la teoría electromagnética se incluyen la corriente eléctrica, la polarización eléctrica y polarización magnética. Los fenómenos físicos macroscópicos que involucran cargas eléctricas en reposo y en movimiento y los efectos de campos magnéticos y eléctricos sobre sustancias líquidas, sólidas y gaseosas son objetos de descripción del electromagnetismo.
Ejemplos del uso del electromagnetismo se evidencia en los motores y generadores eléctricos, que son aparatos usados para la conversión de energía mecánica en eléctrica o viceversa.
Generador, alternador o dinamo es el nombre que se le da al aparato que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Motor es el aparato que transforma energía eléctrica en energía mecánica.
Como ejemplo de electromagnetismo tenemos la brújula. El movimiento de las agujas está basado en los principios magnéticos de los polos terrestres y en principios eléctricos debido a la interacción y fricción que genera.
La óptica:
De la generación de radiación electromagnética, sus propiedades, y su interacción con la materia, especialmente su manipulación y control es de lo que se encarga de estudiar la óptica física.
La luz es el rango de longitudes de ondas electromagnéticas que el ojo humano puede percibir y es precisamente la óptica la que se encarga de su estudio. Está orientada al descubrimiento y aplicación de fenómenos nuevos. Basados en ella los investigadores utilizan y desarrollan fuentes de luz en todo el espectro electromagnético.
La óptica ha tenido incidencia en la instrumentación, las comunicaciones y la metrología.
La acústica:
La acústica es una rama de la física que se ocupa de estudiar las ondas mecánicas propagadas a través de la materia en cualquiera de sus estados (sólida, liquida o gaseosa) por medio de modelos físicos y matemáticos.
La acústica estudia todo lo concerniente a la producción, transmisión, almacenamiento, percepción o reproducción del sonido. De las aplicaciones tecnológicas de la acústica se ocupa la ingeniería acústica.
Como ejemplos de de la física acústica podemos citar:
1. Aparatos electrónicos para hacer más efectiva la comunicación.
2. En el campo de la medicina ha sido efectivo en la creación de imágenes
del cuerpo humano por ultrasonido.
3. Los micrófonos
La dinámica de fluidos:
La mecánica de los fluidos es una sub-rama de la mecánica de medios continuos que se ocupa del estudio del movimiento de los fluidos (líquidos y gases) y las fuerzas que los provocan.
En la ingeniería química, civil, industrial, la aeronáutica, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía, es de fundamental importancia la intervención de la mecánica de fluidos.
Física moderna
Esta rama también llamada física cuántica, se inició a principios del siglo XX. Con la propuesta de del físico alemán Max Planck (1858-1947) en el cual explicaba que en un cuerpo oscuro la radiación se mide por luz cuanta. Se basa en la teoría cuántica surgida en 1900 y teoría de la relatividad en 1905.
Albert Einstein, en 1905 reforzó la teoría cuántica y en el año 1920 se denominó mecánica cuántica como una rama de la física. Se ocupa de los fenómenos que se dan a velocidades cercanas a la de la luz, o cuyas escalas espaciales son del orden de los átomos y las moléculas.
Estudia las características, el comportamiento y las radiaciones de partículas a nivel atómico y subatómico. La mecánica cuántica junto con la Teoría de la relatividad compone lo que hoy en día llamamos física moderna.
Física contemporánea
Su inicio se ubica a finales del siglo XX y principios del siglo XXI, es decir que estamos viviendo en la era de la física contemporánea. La física contemporánea se ocupa de estudiar la complejidad de la naturaleza, de los fenómenos a escala nanóscopica y de los procesos fuera del equilibrio termodinámico. Es la teoría del caos y la turbulencia.