La física es considerada una ciencia. Recordaremos que ciencia puede
ser definida como “El estudio coherente y sistematizado de un conjunto de
fenómenos que puede ser fundamentado” precisamente, en esta sección nos daremos
cuenta de que la física cabe perfectamente en la definición anterior y por lo
tanto es una ciencia.
IMPORTANCIA DE
LA FÍSICA.
La física es una de las
ciencias más importantes, presente prácticamente en todas nuestras actividades
cotidianas. Desde que nos levantamos por la mañana hasta al acostarnos por la
noche, utilizamos u observamos muchos mecanismos que, sin el apoyo de la
física, no hubiese sido posible su construcción: el teléfono, el televisor, la
radio, a la licuadora, el refrigerador, la estufa, el automóvil, el autobús,
los semáforos, etc.
OBJETIVO DE LA
FÍSICA.
El principal objetivo de la
física es mostrar al ser humano cómo por medio de unas cuantas leyes podemos
relacionar las propiedades medibles de la materia y la energía. Con ello,
podemos darnos cuenta de la realidad que vivimos en este mundo físico y
percatarnos del lugar que ocupamos en el universo.
La física, en combinación con
otras ciencias, también tiene por objeto producir los elementos necesarios para
el desarrollo tecnológico de un país.
Pensemos por un momento que
seria de nuestra civilización si el hombre no hubiese desarrollado la física
como hasta ahora lo ha hecho. Por un instante, pensemos en un día sin
electricidad o sin transporte urbano, nuestra vida seria un caos.
QUE ES LA
MATERIA?.
Cuando observamos a nuestro
alrededor, nos damos cuenta de la gran cantidad de objetos que nos rodean, unos
visibles y otros, que a pesar de que ocupan un lugar en el espacio, no los
vemos como el aire. Todo lo que nos rodea esta formado de materia pero, ¿Qué es
la materia? Pretender dar una respuesta sastifactoria a esta pregunta aun no es
posible, pues de la materia únicamente conocemos su estructura y las formas en que se manifiesta.
Observando la gran variedad de
fenómenos físicos que se presentan ante nuestros ojos, nos damos cuenta de que
la materia se manifiesta como sustancia o campo. Como sustancia la podemos
encontrar en tres estados;
solidó,
líquido y gaseoso; pero también percibimos que las sustancias pueden cambiar de
estado. Cuando el hielo se calienta se convierte en agua, y si ésta se calienta
hasta llegar a la ebullición se
convierte en vapor.
El campo, como manifestación
de la materia, lo observamos en las interacciones de las cargas eléctricas,
entre un imán y un trazo de hierro y entre las interacciones gravitatorias.
Estructuralmente hablando, las
sustancias se encuentran formadas por tres particular bascas que son: protones,
neutrones y electrones; pero entonces, si las sustancias están formadas por las
mismas partículas, ¿Cómo es que existen diferentes tipos de sustancia? La
diferencia estriba en el numero de partículas que se agrupan para formar un
átomo los cuales a su vez se agrupan para constituir moléculas, las que pueden
estar formadas de un solo átomo (como el gas helio) o hasta de varios miles,
como en las proteínas que se encuentran entre las sustancias que constituyen
los seres vivos.
PROPIEDADES DE
LA MATERIA.
Para conocer y comprender los
fenómenos físicos, debemos tener presente que ocurren gracias a la interacción
de la materia y la energía, además de que los cuerpos poseen un conjunto de
propiedades que los caracterizan y nos permite definirlos. Estas propiedades
son:
a. Propiedades generales. Son aquellas
propiedades comunes a todos los cuerpos, como volumen, masa, peso, inercia,
impenetrabilidad, porosidad, divisibilidad y elasticidad.
b. Propiedades particulares. Son aquellas
propiedades que tienen sólo algunos cuerpos, por ejemplo, dureza, ductibilidad,
maleabilidad, etcétera.
c. Propiedades específicas. Son las que
permiten diferenciar a los cuerpos. Entre ellas encontramos el estado de una
sustancia, color, sabor, olor, solubilidad, punto de fusión, punto de
ebullición, calor específico, densidad, etcétera.
Conforme se
avanza en el estudio de la física, se puede comprender cada una de estas
propiedades, algunas son estudiadas en cursos de nivel medio, otras en el nivel
medio superior y algunas más en el nivel superior.
QUE ES LA
FÍSICA?.
Hemos señalado que uno de los
objetivos de la física es determinar la naturaleza de las interacciones entre
la materia y la energía para que en función de ellas se pueda explicar las
propiedades de los átomos, las moléculas y en forma general, todos los cuerpos.
Pero ahora cabe hacernos una pregunta ¿Qué
es la física? La palabra física se deriva del vocablo griego Physis que
significa “naturaleza” por lo tanto, podríamos decir que la física es la
ciencia que estudia los fenómenos que ocurren en la naturaleza, en los cuales
no hay cambios en la composición de la
materia. Pero ¿Qué es un fenómeno natural? Entendemos por fenómeno natural al
cambio que presenta la materia, que puede o no, modificar su estructura
molecular.
Los fenómenos naturales podemos
clasificarlos en tres tipos: físicos, químicos y biológicos.
a. Fenómenos físicos. Estos se
caracterizan por que no provocan cambios en la estructura molecular de las
sustancias que intervienen en el fenómeno. Por ejemplo, el movimiento mecánico
de un cuerpo, la fusión del hielo, la vaporización del agua, el sonido, el eco,
la formación del arco iris.
b. Fenómenos quimica. Son fenómenos que se
caracterizan por que afectan de manera permanente la estructura molecular de
las sustancias que intervienen en ellos. Por ejemplo, la combustión, oxidación,
la descomposición del acido sulfúrico en sus elementos constitutivos (azufre,
oxigeno e hidrogeno9 la fermentación, etcétera.
c. Fenómenos Biológicos. Son aquellos
fenómenos que suceden en los seres vivos
(plantas, animales, personas, bacterias) Por ejemplo, la fecundación, la
digestión, la respiración, la fotosíntesis.
Según las definiciones anteriores, podemos definir a la física como: “La ciencia que estudia las interacciones
entre la materia y la energía con la finalidad de explicar los fenómenos
naturales que no cambian la estructura molecular de las sustancias.”
Breve historia de la Física.
A medida que el hombre primitivo
desarrolló su inteligencia, sintió la necesidad de explicarse el por qué de las
cosas que sucedían a su alrededor y encontrar respuestas a las siguientes
interrogantes: ¿Por qué el día y la noche? ¿Por qué el frío y el calor?¿Por qué
llueve?¿Qué son los truenos?¿Qué es el viento?¿Por qué vuelan los pájaros?¿Qué
es la luna?¿Qué es el Sol?¿Por qué tiembla?¿Qué son los eclipses?¿Qué son las
estrellas? Estas y otras cuestiones eran un verdadero misterio antes de que la
Física contribuyera, gracias a su estudio, a dar respuesta a las mismas. Sin
embargo, no todo está resuelto, pues aún en nuestros días no se tiene absoluta
certeza sobre:¿Qué es la materia?¿Qué es la luz?¿Existe vida en otros
planetas?¿Qué somos?¿De dónde prevenimos?¿A dónde vamos? Pero confiamos que con
los avances de la Física y de la ciencia en general algún día el hombre podrá
responder satisfactoriamente a estas preguntas.
Para comprender el desarrollo de
la Física es necesario mencionar brevemente algo de su historia:
La Física tiene sus orígenes con
los antiguos griegos, quienes trataron de explicarse el origen del Universo y
el movimiento de los planetas. 500 años antes de la era cristiana, mientras
Leucipo y Demócrito pensaban que todas las cosas que nos rodean, es decir, la
materia, estaban constituidas por pequeñas partículas, otros explicaban que la
materia estaba constituida por cuatro elementos básicos: tierra, aire, fuego y
agua.
Hacia el año 300 a.C. Aristarco
ya consideraba el movimiento de la Tierra alrededor del Sol; sin embargo,
durante cientos de años predominó la idea de que la Tierra, carente de
movimiento, era el centro del Universo con todos los planetas y estrellas
girando en torno a ella.
Hasta el año 1500 de nuestra era
se desarrolló un gran interés por la ciencia. Galileo Galilei, científico
italiano, llegó a comprobar que la Tierra giraba alrededor del Sol tal como
sostenía Copérnico, astrónomo polaco. Además, Galileo construyó su propio
telescopio y demostró que las estrellas estaban a distancias fabulosas y debido
a ello la mayoría resultaba invisible al ojo humano. También descubrió manchas
en el Sol, las cuales, al desplazarse lentamente, demostraron el giro de éste
sobre su propio eje. Sin embargo, en Roma, la Santa Inquisición obligó a Galileo a retractarse de estas
afirmaciones, pues chocaban
completamente con las ideas
religiosas contenidas en las Sagradas Escrituras. Galileo pasó sus últimos días
en el retiro y murió en 1642, año del nacimiento de Isaac Newton.
Newton, científico inglés,
describió el movimiento de los cuerpos celestes por medio de su Ley de la
Gravitación Universal. Explicó que la fuerza de atracción llamada gravedad,
existente entre dos cuerpos cualesquiera, ocasiona la caída de las cosas al
suelo y su permanencia sobre él, de la misma forma como el Sol tiene a los
planetas girando a su alrededor en lugar de permitirles flotar en el espacio.
A principios del siglo XIX, John
Dalton consideró que todas las cosas estaban formadas por pequeñas partículas
llamadas átomos, su idea fue aceptada por otros científicos constituyéndose la
Teoría Atómica: consideraron también que los átomos se combinan para formar
moléculas. Posteriormente, en 1896, Becquerel
descubrió el desprendimiento de partículas más pequeñas en los átomos
del elemento uranio, por lo cual se pensó que el átomo no era la partícula más
pequeña, sino que estaba constituido por otras partículas. Esto motivó la
realización de más experimentos atómicos como los de Thomson, Rutherford y
Bohr, quienes concluyeron en describir al átomo como un pequeño Sistema Solar,
así como los planetas giran alrededor del Sol, en el átomo los electrones de
carga negativa giran alrededor del núcleo, el cual está compuesto de protones
con carga positiva y de neutrones sin carga eléctrica.
Los descubrimientos de la
radiactividad abrieron un nuevo campo para la Física: el estudio de la
constitución del átomo. Aparecieron las teorías: Cuántica de Planck, de la
Relatividad de Einstein y de la Mecánica Ondulatoria de De Broglie. Actualmente
el descubrimiento de nuevas partículas de vida media muy corta ha originado la
Física Nuclear, cuyo objetivo es descubrir totalmente la constitución del
núcleo atómico.
División y relación con
otras Ciencias
Al ser la física una de las ciencias más importantes del saber humano,
su relación con otras ciencias es básica y determinante en el desarrollo
científico y tecnológico de la humanidad.
Su relación con la química la vemos reflejada en otra
ciencia llamada fisicoquímica. De la misma manera, podemos darnos cuenta de la
relación que guarda con disciplinas científicas tales como: biología
(biofísica) geología (geofísica) astronomía (astrofísica).
Una de las disciplinas que
mayor relación tienen con la física, son las matemáticas, sin la cual, la
física no podría desarrollar el aspecto cuantitativo de sus leyes. Por ello, se
recomienda que para comenzar el estudio de este primer curso de física, el
estudiante ya ha aprendido al menos, los principios básicos de los números
reales y las leyes de la igualdad.
La Física,
para su estudio, se divide en dos grandes grupos: Física Clásica y Física
Moderna. La primera está constituida por todas aquellas teorías que fueron formuladas
hasta finales del siglo XIX, es decir, todos aquellos conocimientos basados en
la Mecánica de Newton. Y estudia todos aquellos fenómenos en los cuales la
velocidad es muy pequeña comparada con la velocidad de propagación de la luz;
la segunda son aquellas teorías que han surgido en el siglo XX, desde las
Teorías Especial y general de la Relatividad hasta los últimos adelantos de la
Mecánica Cuántica,
DIVISIÓN DE LA FÍSICA
Mecánica.
Rama de la física que estudia el movimiento de los cuerpos.
Para su análisis se ha dividido en: cinemática y dinámica.
a) Cinemática.
Es la parte de la mecánica que se encarga de estudiar las propiedades y
características de los diferentes tipos de movimiento mecánico.
b)
Dinámica. Es parte de la mecánico que analiza
las causas del movimiento mecánico.
Termodinámica.
Rama de la física que se encarga de estudiar los fenómenos
relacionados con el calor.
Electricidad.
Parte del electromagnetismo que
estudia lo referente a las cargas eléctricas en reposo y en movimiento.
Magnetismo.
Otra parte del electromagnetismo
que trata lo referente a los imanes y
los campos magnéticos ocasionados por
cargas eléctricas en movimiento.
Óptica.
Esta rama de la física se encarga
de analizar todos los fenómenos relacionados con la luz.
Acústica.
En esta rama de la física se
encarga de analizar todos los fenómenos relacionados con el sonido, su origen y
su propagación.
Algunas aportaciones a la ciencia y tecnología.
1) La primera y más importante y algo que la humanidad nunca deberá olvidar. Los físicos fueron los primeros en darse cuenta de que una serie de divisiones de nucleos de plutonio o de uranio da lugar a una reacción en cadena y se podía generar una explosión tan grande como lo que ahora es la bomba atómica. La historia la encuentras en la red pero este es el ejemplo del impacto más grande.
2) La electricidad. No fué hasta que se logró entender la natufalexa de las ondas electromagnéticas que fue posible generar electricidad y transportarla (por eso es que usamos corriente alterna que fue investigada por Faraday).
3) El descubrimiento del lásser dió lugar a la tecnología médica para operaciónes quirúrgicas y tecnología de dispositivos digitales como el disco compacto (esta tecnología se ganó el premio nobel en física 2008)
4) El descubrimiento del spin de electrones tiene una aplicación directa en las resonancias magnéticas de materiales y médicas. Cuando se aplica un campo magnético a los electrones de tus huesos estos se alinean y cuando se apaga el campo magnético estos regresan a su posición original emitiendo radiación que es distinta para tus huesos o para tus musculos o para un tumor o para una veta de oro (si te tragaste una hehehe!).
5) La radiación. Los esposos Curie descubrieron y contribuyeron a la teoría de radiación que fue el principio para explorar detectores y los rayos X de los hospitales.
6) Todas las lentes de cámaras, las pantallas de computadoras y las cámaras digitales tuvieron su origen en la tecnología desarrollada para detectores de partículas y telescopios. A ellos se les debe el origen de las camaras CCD (principio de camara digital) y toda la óptica de camaras.
7) La teoría atómica, dominada fundamentalmente por interacciones electromagnéticas, generó una teoría cuántica para todas las reacciones químicas con lo cual la química básica se convirtió en una aplicación de la física teórica.
2) La electricidad. No fué hasta que se logró entender la natufalexa de las ondas electromagnéticas que fue posible generar electricidad y transportarla (por eso es que usamos corriente alterna que fue investigada por Faraday).
3) El descubrimiento del lásser dió lugar a la tecnología médica para operaciónes quirúrgicas y tecnología de dispositivos digitales como el disco compacto (esta tecnología se ganó el premio nobel en física 2008)
4) El descubrimiento del spin de electrones tiene una aplicación directa en las resonancias magnéticas de materiales y médicas. Cuando se aplica un campo magnético a los electrones de tus huesos estos se alinean y cuando se apaga el campo magnético estos regresan a su posición original emitiendo radiación que es distinta para tus huesos o para tus musculos o para un tumor o para una veta de oro (si te tragaste una hehehe!).
5) La radiación. Los esposos Curie descubrieron y contribuyeron a la teoría de radiación que fue el principio para explorar detectores y los rayos X de los hospitales.
6) Todas las lentes de cámaras, las pantallas de computadoras y las cámaras digitales tuvieron su origen en la tecnología desarrollada para detectores de partículas y telescopios. A ellos se les debe el origen de las camaras CCD (principio de camara digital) y toda la óptica de camaras.
7) La teoría atómica, dominada fundamentalmente por interacciones electromagnéticas, generó una teoría cuántica para todas las reacciones químicas con lo cual la química básica se convirtió en una aplicación de la física teórica.
La fundamentación de una ciencia se realiza por medio de un método. El
método utilizado por las ciencias experimentales, entre ellas la física, se
llama Método Científico, y fue por supuesto inicialmente por Galileo
hacia el siglo XVI. Las etapas del método científico son las siguientes:
1. Observación
de un fenómeno.
2. Formulación de un problema.
3. Formulación
de una hipótesis que lo explique.
4. Comprobación
experimental o racional de la hipótesis.
5. Elaboración
de una ley, un principio, una definición o una teoría.
OBSERVACIÓN.
Es toda
percepción refinada de uno o más hechos, con la intención de integrar un
fenómeno determinado. La calidad de la observación depende de las siguientes
características: actitud positiva, espero en la atención, objetividad,
selectividad, orden, registró, auxiliares, actitud, contemplatividad y admiración.
FORMULACIÓN DE
UN PROBLEMA.
La observación científica nos conduce a la formulación de preguntas,
este cuestionamiento de la realidad observada nos conduce a la búsqueda de
respuestas que satisfagan sus preguntas. Al formular un problema debemos tener
en cuenta, entre otras reglas, las siguientes:
a. Claridad
y Precisión.
b. Contexto
del problema.
c. Verificabilidad.
d. Datos
reales.
e. Relevancia.
HIPÓTESIS.
Es una respuesta provisional al problema
planteado, que puede ser falsa o verdadera.
Toda hipótesis debe ajustarse a varias
reglas, entre ellas las siguientes:
a. Tener
carácter universal.
b. Relación
entre dos fenómenos.
c. Verificabilidad.
d. Carácter
cualitativo y cuantitativo.
e. Simplicidad.
FUNDAMENTACIÓN
DE LA HIPÓTESIS.
Comprobar una hipótesis es
aportar evidencias acerca de su veracidad, es decir, corroborar su adecuación
con la realidad que pretende explicar. Gracias a este aspecto, la ciencia es
considerada como Pragmática Fundamentado
(entendiendo el término paradigma con un modelo).
Se debe declarar que la
fundamentación de una hipótesis no necesariamente requiere la organización y la
realización de un experimento. Existen por lo menos tres procedimientos para
fundamentar una hipótesis; la experimentación, la observación y la demostración
formal.
LEYES, TEORÍAS
Y MODELOS.
Cuando una hipótesis se ha
comprobado por cualquiera de los procedimientos indicados, el resultado que se
obtiene es una ley científica. Se entiende por ley científica a la relación
constante entre dos hechos o fenómenos.
Al conjunto de leyes
científicos ordenadas y unificadas se le llama TEORÍA. Las Teorías no solo
abarcan leyes, también requieren otros elementos, como las definiciones, los
axiomas y los postulados.
Las teorías científicas y las
leyes que las componen forman una estructura abstracta, meramente conceptual y
por lo tanto, construida por la mente humana. Como tal, siempre es perfectible,
sujeta a modificaciones y afinaciones en vista de nuevas observaciones y de
hipótesis más acertadas.
De acuerdo con lo señalado anteriormente,
la física, como ciencia, no es un producto terminado, sino que está siempre en
proceso de construcción. La historia de
esta ciencia nos enseña que ese proceso no es el de un crecimiento continuo,
sino el de una búsqueda, difícil pero apasionante, que no siempre termina en un
hallazgo. Esta disciplina, cuando se
convierte en una aventura del pensamiento, enseña a los físicos a ser humildes.
La física es siempre una invitación a saber más y a entender mejor. La física
está entre la realidad y la imaginación. La física se plantea problemas reales
acerca de la naturaleza, problemas muy básicos, pero la imaginación de los
físicos es libre y puede volar muy alto. Sin embargo, las explicaciones que se
buscan son explicaciones naturales, no explicaciones mágicas o caprichosas. La
física no acepta teorías incoherentes o vagas o que recurran a explicaciones no
naturales; de igual modo, tampoco acepta teorías que no sean posibles de
confrontar con un experimento. La física es, más que nada, una manera de ver el
universo.
