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Física clásica: la energía y la materia como entidades separadas

A modo de introducción,  empecemos definiendo lo que es la física.

La física es la  ciencia que se ocupa de los componentes fundamentales del Universo, de las fuerzas que éstos ejercen entre sí y de los efectos de dichas fuerzas. Está ligada con las demás ciencias naturales, y en cierto modo las engloba a todas. Incluso los sistemas vivos están constituidos por partículas fundamentales que siguen el mismo tipo de leyes que las partículas más sencillas estudiadas tradicionalmente por los físicos.

física clásica

¿Y qué es la  Física Clásica?

La física clásica o física newtoniana es una disciplina que se basa en las leyes básicas del movimiento sobre los objetos cotidianos. Se conoció como tal en el año 1.687 con la publicación de Las Leyes de Newton, donde el científico Isaac newton hace su formulación matemática. Estas leyes  son la base fundamental de la física y de la mecánica clásica. La física clásica se divide en las siguientes disciplinas:

  1. Cinemática
  2. Mecánica clásica
  3. Hidrostática e hidrodinámica
  4. Termodinámica
  5. Ondas y óptica
  6. Electricidad y magnetismo (posterior electromagnetismo)

Los orígenes de la física clásica se remontan a la antigüedad. Ya en la antigua Babilonia, en el antiguo Egipto y en la Grecia antigua se desarrollaron ciertos aspectos en el campo de la astronomía, la óptica y la mecánica. Sin embargo, es de la civilización greco-romana que surgen los trabajos primordiales de Arquímedes, Ptolomeo y Tales de Mileto. De  Arquímedes podemos destacar su trabajo en la mecánica de las palancas, la astronomía, y en el campo de la hidrostática, el famosísimo “Eureka”.

Sin embargo es en la época del renacimiento que la física clásica tiene un desarrollo considerable  especialmente en el área de la astronomía con el abandono de la teoría geocéntrica y con la “llegada” por decirlo así,  de la teoría heliocéntrica (el movimiento de los planetas alrededor del Sol) con las obras de Copérnico, Galileo (el desarrollo del telescopio) y Johannes Kepler (Leyes de Kepler).

Luego se reconoce el trabajo de Leonardo Da Vinci en el campo de la mecánica, donde se hace énfasis en el movimiento del cuerpo (la anatomía) y su famoso proyecto de maquina voladora, que siglos más tarde dio lugar a la aparición del helicóptero. Luego vendría el trabajo de Descartes sobre la Teoría Cartesiana del Movimiento y sus consideraciones sobre la Mecánica Gravitacional.

El padre de la física clásica: Sir Isaac Newton

Gracias a Isaac Newton (1642 – 1727), conocemos lo que hoy se denomina física clásica, este físico considerado uno de los más grandes genios de la historia de la ciencia, formulo tres Leyes Fundamentales que actualmente conocemos como “Las Leyes de Newton”, la Ley de Inercia, proporcionalidad de fuerza y aceleración y Ley de Acción y Reacción, deduciendo de ellas la Ley de Gravitación Universal.

Isaac Newton impresiono a la comunidad científica de entonces, ya que la clarificación y formulación matemática de la relación entre fuerza y movimiento, permitía explicar y predecir sin equívocos, tanto la trayectoria de una flecha como la órbita de Marte, unificando así la mecánica terrestre y la celeste.

Sistematizando de esta manera las leyes del movimiento, Newton elimino,- por decirlo así- el aristotelismo, que había estado presente durante casi dos mil años y creo un nuevo paradigma: la Física Clásica, que estuvo vigente hasta principios del siglo XX, cuando otro genio Albert Einstein formulo la Teoría de la Relatividad.

Hablando un poco de Las Leyes de Newton

  • Primera Ley de Newton o Ley de Inercia

La Primera Ley de Newton afirma que un objeto se mantendrá en reposo o en Movimiento rectilíneo uniforme (M.R.U.) a no ser que una fuerza externa actúe sobre él. Esta ley solo se aplica a los problemas estándares de los objetos que tienen una fuerza interna neta de 0.  Además, los objetos también se caracterizan por sufrir acción  de dos fuerzas: la fuerza de movimiento circular y la fuerza de gravedad.

Ejemplo: Imaginemos a una persona girando sobre sí misma con los brazos estirados sosteniendo una cuerda con una pelota en su extremo. La pelota tendrá una órbita circular en torno a la persona. Si la cuerda se rompe, la pelota seguirá en la línea recta donde la cuerda dejó a la pelota, dibujando un movimiento rectilíneo uniforme.

Segunda Ley de Newton o Principio fundamental de la Dinámica

La Segunda Ley de Newton o Principio fundamental de la dinámica fue un avance el estudio del movimiento, ya que, no se enfocaba solamente a describir el movimiento sino a determinar sus causas mediante la siguiente fórmula: Donde F representa la fuerza neta del objeto, m es la masa del objeto y a es la aceleración. Esta fórmula ayuda a estudiar los resultados que una misma fuerza ejerce sobre objetos de diferente masa.

Tercera Ley de Newton o Principio de Acción-Reacción

La Tercera Ley de Newton estipula que todas las fuerzas del Universo ocurren en pares, o sea, tienen una fuerza de igual magnitud pero opuesta. Esto indica la inexistencia de fuerzas aisladas y constituye uno de los principios fundamentales sobre la simetría del Universo.

Esta Tercera Ley indica que si existe una fuerza externa, tal fuerza será contrarrestada por otra igual pero en la dirección opuesta. La Ley también aplica a las fuerzas internas que la mantienen de este modo en reposo, ya que, no conseguirá producir fuerza neta sobre la totalidad del sistema para ponerse en movimiento. Sólo la interacción con otro objeto externo podrá moverlo.

Otros genios de la Física Clásica

Boyle, Coulomb, Galvani, Volta, Faraday entre otrosEn esta etapa destacaron por su trabajo Daniel Bernoulli, autor de la Teoría de los Fluidos (hidrodinámica), Leonhard Euler, Joseph-Louis LaGrange, Pierre-Simon Laplace y Adrien-Marie Legendre (mecánica).

En termodinámica, podemos destacar el trabajo de Boyle, Lussac, Lazare Carnot, Clapeyron, de Joule, Kelvin y Helmholtz. En la mecánica y termodinámica estadística, el trabajo de Fourier, Clausius, Boltzmann y Maxwell. En electricidad y magnetismo (ondas electromagnéticas), la obra de Franklin, Coulomb, Faraday, Galvani, Volta, Oersted, Ampere, Ohm Henry, Gauss, Weber, Helmholtz, Maxwell, Edison, Siemens, Hertz, Nicholas Tesla, Bose, Marconi, y Bell.

En la radioactividad  (que actualmente forma parte de la física nuclear) podemos destacar los trabajos de Becquerel, Marie and Pierre Curie y Rutherford.

También están las investigaciones sobre  el descubrimiento del electrón de J. Thomson y los de Rayleigh en el fenómeno de difusión de la luz.

Física Clásica Vs Física Moderna

La física moderna tuvo su origen a raíz del nacimiento de la Teoría de la Relatividad de Albert Einstein  alrededor de 1905, y por la mecánica cuántica conocida como la ciencia que estudia el comportamiento de las partículas a nivel atómico y subatómico.

La física clásica describe a la mayoría de los estudios de la física antes del principio del siglo XX,  involucra conceptos físicos a gran escala, y entre sus ramas se encuentran la termodinámica, la electricidad y el magnetismo, la mecánica, luz y óptica, además del sonido.

La física moderna está más enfocada al microscópico mundo de las partículas,  incluye la mecánica cuántica, la física molecular, la física nuclear, la física de las partículas, la física atómica, la relatividad, la física de la materia condensada, la nanofísica y la cosmología.

Disciplinas de la Física Clásica

La Termodinámica

La termodinámica es una rama de la física clásica que se enfoca en el calor y la energía y la relación entre ambas, está relacionada con las reacciones a gran escala en vez de las reacciones microscópicas.

La Mecánica

La mecánica explora a los cuerpos en movimiento y las fuerzas que actúan sobre ellos. Entre las subdivisiones de la mecánica se encuentran el estudio del movimiento y las fuerzas relacionadas con él, llamado “dinámica”, el estudio de los cuerpos en reposo, llamado “estática” y el estudio de los cuerpos en movimiento sin considerar las fuerzas que ocasionan el mismo, conocido como “cinemática”.

La Electricidad y el Magnetismo

La electricidad y el magnetismo se estudian en la física clásica, tanto en movimiento como en reposo. Las subdivisiones de esta rama incluyen la magnetostática, que es el estudio de los polos magnéticos en reposo, la electrostática o el estudio de las cargas eléctricas en reposo, y la electrodinámica, que es el estudio de las cargas eléctricas en movimiento.

El Sonido

La rama de la física clásica del sonido estudia las vibraciones sonoras. El estudio de la acústica involucra la forma en la que el sonido viaja en ondas y a través de medios específicos.

La Óptica

Explora las propiedades de la luz, desde su espectro visible hasta la radiación ultravioleta e infrarroja. La óptica como ciencia es un campo muy relevante, involucra la astronomía, varios campos de la ingeniería, la fotografía y la medicina (particularmente la oftalmología y la optometría).

Disciplinas de la Física Moderna

La Mecánica Cuántica

La mecánica cuántica, una división de la física moderna, investiga las propiedades de la materia a nivel microscópico. Esta rama de la física incluye a la física atómica, la física molecular, la física nuclear, la física de las partículas, la física de la materia condensada y la nanofísica.

La Relatividad

Como parte de la física moderna, la relatividad estudia el movimiento a velocidades cercanas a la de la luz. La relatividad también abarca la gravedad y su efecto en el espacio-tiempo.

La Cosmología

La cosmología, otra rama de la física moderna, investiga acerca de los inicios y la estructura del universo. Los cosmólogos estudian, entre otras cosas: la teoría del Big Bang, la energía oscura y la materia oscura.