La física es la ciencia encargada del estudio de las propiedades e interacciones de la materia y de la energía desde sus componentes más básicos. Esto incluye: las propiedades generales de los cuerpos, las fuerzas que los modifican, la transferencia de la energía y la interacción entre partículas.
La física se divide en dos partes de acuerdo a la época de su desarrollo. La primera está basada en los principios establecidos antes de la aparición de la mecánica cuántica, y la segunda se refiere a concepciones post-newtonianas de la física, iniciadas a inicios del siglo XX, por lo que es considerada como física moderna.
Como la física es una ciencia muy amplia, tanto la clásica como la moderna se dividen en varias ramas de acuerdo a su especialidad. En este artículo de GEOenciclopedia, te explicamos cuáles son las ramas de la física clásica y moderna.
Ramas de la física clásica
Acústica
Es la rama que se especializa en el estudio del sonido, del infrasonido y las ondas mecánicas propagadas a través de la materia sólida, líquida y gaseosa. Se relaciona con la producción, control, transmisión, recepción y efectos de sonido.
El estudio de la acústica está presente en varios ámbitos de la vida, como el arte de la música y el estudio de fenómenos geológicos, atmosféricos y los suscitados en el fondo marino.
La acústica también tiene especialidades aún más centradas en un propósito; algunos ejemplos son la aeroacústica y la bioacústica. La primera se refiere al estudio del sonido que se transmite gracias a los movimientos del aire y la segunda se enfoca a los sonidos producidos por el reino animal, ya sea dentro de entornos marinos o terrestres.
Mecánica clásica
La mecánica clásica estudia cuerpos en movimiento a consecuencia de fuerzas ejercidas o como parte de un ciclo o evolución. Esto aplica para objetos simples, para objetos tecnológicos y para cuerpos celestes como planetas y cometas.
En la astronomía, a través de las leyes de la mecánica clásica se puede predecir la manera en la que se moverá un objeto en el futuro, con base al comportamiento de desplazamiento o movimiento que ha tenido en el pasado.
Las bases de la mecánica clásica fueron sentadas por Newton, Galilei y Kepler principalmente.
Electricidad y magnetismo o electromagnetismo
En física, el electromagnetismo es el nombre que se ha asignado al cuerpo de estudio que encapsula la investigación, observación y experimentación de las fuerzas ejercidas en el espacio, junto con las diversas propiedades asociadas con las cargas actuales.
Estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos, pero no por separado sino como unicidad. Se basa en las magnitudes físicas vectoriales de acuerdo a la posición en el espacio y del tiempo. Por mucho tiempo, la navegación utilizó el magnetismo a través de la brújula.
Junto con la fuerza gravitatoria, la fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte, el electromagnetismo forma parte de las cuatro fuerzas fundamentales del universo.
Óptica
Estudia las propiedades de la luz y su interacción con la materia, además de su propagación y comportamiento, ya sea con luz visible, radiación ultravioleta o radiación infrarroja.
La óptica es una rama antigua, pero muy vigente en nuestros días a través de diferentes aplicaciones tecnológicas y de uso cotidiano. Tiene relación con la ingeniería, con la medicina, con la astronomía, e incluso con la fotografía, pues, la vemos desarrollada en lentes de diversos aumentos o potencias, en telescopios y microscopios en todas sus variedades, en fibras ópticas, etc.
Mecánica de fluidos
La mecánica de fluidos describe el flujo de líquidos y gases. Permite calcular las propiedades de un fluido, como la velocidad de flujo, la presión, densidad, temperatura, así como funciones del espacio y el tiempo.
Es un enfoque macroscópico y estadístico para analizar estas interacciones a gran escala, ver los fluidos como un continuo de materia y, en general, ignorar el hecho de que el líquido o el gas está compuesto de átomos individuales.
Termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que se encarga del estudio del calor y la temperatura y cómo se relaciona con la energía.
La termodinámica clásica es la descripción de los estados (especialmente los estados de equilibrio) y los procesos de los sistemas termodinámicos, utilizando propiedades empíricas y macroscópicas que se pueden medir directamente en el laboratorio. Se utiliza para modelar los intercambios de energía, trabajo, calor y materia, según las leyes de la termodinámica.
El calificador clásico refleja el hecho de que representa el nivel descriptivo en términos de parámetros empíricos macroscópicos que pueden medirse en el laboratorio, que fue el primer nivel de comprensión en el siglo XIX. El desarrollo de la termodinámica estadística proporcionó una interpretación microscópica de estos conceptos.
- La primera ley de la termodinámica es una expresión del principio de conservación de la energía. Establece que la energía se puede transformar (cambiar de una forma a otra), pero no se puede crear o destruir.
- Segunda ley de la termodinámica: el calor no puede fluir espontáneamente desde una ubicación más fría a una ubicación más caliente.
- Tercera ley de la termodinámica: cuando un sistema se acerca al cero absoluto, todos los procesos cesan y la entropía del sistema se aproxima a un valor mínimo.
Ramas de la física moderna
Cosmología
La cosmología estudia el universo en el sentido de su origen, evolución y destino final. Aunque todo se basa en teorías, la cosmología es una rama importante de la física moderna.
Al experto en cosmología se le denomina cosmólogo y sus explicaciones parten de años de trabajo de investigación y de los registros que satélites espaciales hacen alrededor del universo.
Gracias a la cosmología, hoy sabemos que la Tierra no es el centro del universo y que los planetas no la rodean. También sabemos que algún día el Sol quedará reducido a una enana blanca, que no es más que una estrella caliente y pequeña.
Algunos personajes importantes en la cosmología son:
- El matemático, físico y astrónomo holandés Willem de Sitter, especialista en cosmología y especialmente en todo lo relacionado al planeta Júpiter.
- El matemático y meteorólogo ruso Aleksandr Fridman, destacado en cosmología relativista que es el estudio de la evolución de nuestro universo en expansión.
- El astrónomo estadounidense Edwin Hubble muy conocido por descubrir que el universo se expande, además de dar un estimado de su tamaño y edad.
Mecánica cuántica
También conocida como teoría cuántica, es una rama de la física moderna que describe la naturaleza de escalas muy pequeñas de nivel atómico y subatómico. Fue desarrollada por Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, y otros alrededor de 1925-1926.
Es muy importante dentro del estudio del universo y es la única rama o teoría que revela los comportamientos de partículas subatómicas individualmente. Esto incluye electrones, protones, neutrones, etc.
La teoría cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein forman la base de la física moderna. Los principios de la física cuántica se aplican en un número cada vez mayor de áreas, que incluyen la óptica cuántica, la química cuántica, la computación cuántica y la criptografía cuántica.
Relatividad
Albert Einstein revolucionó los fundamentos de la física con la introducción de su Teoría de la Relatividad Especial en 1905 y su Teoría de General de la Relatividad en 1915. En esta última mostró que la Ley de Gravitación de Newton también era aproximadamente correcta y se rompió en presencia de campos gravitacionales muy fuertes.
La Teoría de la Relatividad Especial o Teoría de la Relatividad Restringida explica cómo se vinculan el espacio y el tiempo para los objetos que se mueven a una velocidad constante en una línea recta. Uno de sus aspectos más famosos se refiere a los objetos que se mueven a la velocidad de la luz.
La Teoría General de la Relatividad le tomó siete años de trabajo a Albert Einstein. Nos dice que la curvatura del espacio-tiempo está directamente determinada por la distribución de materia y energía que contiene. Esto conduce a nociones sorprendentes: los agujeros negros, otros universos y los puentes a ellos, e incluso la posibilidad de viajar en el tiempo.
Física atómica
La física atómica es la rama de la ciencia o el estudio científico de la estructura del átomo, sus estados energéticos y sus interacciones con otras partículas y con campos eléctricos y magnéticos.
Lo básico del estudio de física atómica es la energía atómica. La energía atómica es la fuente de energía tanto para los reactores nucleares como para las armas nucleares. Esta energía proviene de la división (fisión) o unión (fusión) de los átomos.
Física nuclear
La física nuclear se encarga del estudio de las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos, o en otras palabras, estudia a los protones y neutrones en el centro de un átomo y las interacciones que los mantienen unidos.
Con la física nuclear, se han realizado investigaciones sobre cómo el Sol genera la energía que necesitamos para la vida en la Tierra y que sucede con las estrellas cuando mueren.
La física nuclear experimental impulsa la innovación en la instrumentación científica y tiene un impacto de gran alcance en la investigación en otros campos de la ciencia y la ingeniería. Desde medicina (rayos X y resonancia magnética, radioterapia para el tratamiento del cáncer) hasta ciencia de materiales (litografía de rayos X y dispersión de neutrones), propulsión y producción de energía, los físicos nucleares han cambiado nuestro mundo.
La investigación de hoy en física nuclear no solo está resolviendo cuestiones fundamentales sobre materia y energía, sino que también permite una gran cantidad de nuevas tecnologías en ciencia de materiales, biología, química, medicina y seguridad nacional.
Física molecular
Estudia las propiedades físicas de las moléculas y de los enlaces químicos entre los átomos. Es decir, en esta rama de la física podemos tener una idea de las propiedades físicas de las moléculas y la interacción química entre los átomos y sus movimientos dentro de una molécula.
La física atómica y molecular es de importancia fundamental en la educación en física. Para empezar, es la aplicación más directa y concreta de la mecánica cuántica.
Algunos de los problemas de investigación de frontera de la física molecular son:
- ¿Podemos predecir las propiedades de los cristales y líquidos moleculares a partir de los primeros principios?
- ¿Podemos diseñar otras moléculas para que sean tan eficientes como las que la naturaleza ha optimizado?
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