¿QUÉ es la física?

¿QUÉ ES LA FÍSICA?

La palabra "Física" significa naturaleza y proviene del griego. El nombre de esta ciencia se le atribuye a Aristóteles.

La Física en un sentido moderno, se estableció a mediados del siglo XIX como síntesis de otras ciencias como la mecánica, la óptica, la acústica, la electricidad, el magnetismo, el calor y las propiedades físicas de la materia, al reconocer que las distintas fuerzas que aparecen en la naturaleza están relacionadas entre si.
Actualmente entendemos por Física la ciencia que estudia las propiedades de la materia y de la energía, considerando aquellos fenómenos que son susceptibles de medida y de los cuales se pueden deducir leyes generales.
El físico español Julio Palacios Martínez (1891-1970) escribía: "La Física es la ciencia que trata de descubrir y dar forma matemática a las leyes universales que relacionan entre sí las magnitudes que intervienen en los fenómenos reales".
Existen multitud de definiciones, para nosotros, la Física es el estudio sistemático de las propiedades básicas del universo, estando cada una de ellas relacionada con las interacciones entre los objetos que se encuentran en él.
En la ramas más comunes de la Física se supone que cualquier cuerpo puede interactuar con otros cuerpos. De este modo, se puede estudiar una propiedad considerando las interacciones entre un grupo de objetos "cercanos". Este grupo, sobre el que enfocamos nuestra atención se llama sistema.
Los sistemas físicos que se estudian abarcan desde los más pequeños, tratados en la física de partículas, hasta los más grandes analizados en astrofísica.
La metodología que se utiliza en el estudio de los sistemas físicos, es una de las más poderosas invenciones de la mente humana. Sus frutos han cambiado completamente el modo de vivir de la sociedad, su modo de pensar y hasta el mundo que habita. (Método científico).
En el estudio de los sistemas físicos, hay que distinguir tres aspectos significativos: El primer aspecto, está determinado por el análisis que el físico realiza separadamente de cada uno de los factores que influyen en el comportamiento del sistema en estudio. Para ello, recurre a sistemas más sencillos, cuyas propiedades son muy similares a las del sistema original, extendiendo más tarde las conclusiones obtenidas a éste. El segundo aspecto estriba en que la experimentación es la base fundamental en que se apoya la Física, poniéndose de manifiesto durante la misma, los fenómenos físicos que determinan el comportamiento del sistema. El tercer aspecto es bien conocido, la utilización de las matemáticas. Las matemáticas se emplean en la Física, porque ofrecen la mejor forma, más o menos compleja para expresar las relaciones lógicas que se presentan en el análisis de los sistemas físicos.
En pocas palabras, la Física es una ciencia basada fundamentalmente en la experimentación, que estudia las interacciones entre sistemas, y que se sirve de las matemáticas para la proposición de sus leyes.
En la medida que conozcamos estas leyes, podremos afirmar, que comprendemos el mundo que nos rodea y que sabemos cómo funciona y se comporta la naturaleza, para ser conscientes de la extraordinaria simetría y racionalidad que existe en el universo físico.

ORÍGENES Y DOMINIOS DE LA FÍSICA

Los comienzos de la Física se pierden en el pasado junto con los correspondientes a otras ciencias pioneras, como fueron, la geometría y la astronomía. Entre los pueblos de la antigüedad destacan preferentemente, por sus inquietudes en temas científicos, los griegos cuyos conocimientos netamente empíricos (basado en la experiencia), fundamentalmente en el campo de la geometría hacen que sean considerados como los precursores en los que se fundamenta la civilización occidental.

En líneas generales, el pensamiento de los helenos tuvo como meta general lograr una unificación del conocimiento a través de la filosofía, mediante la cual se intentaba explicar las distintas realidades que componen el universo: ética, lógica y física, siendo esta última la encargada de dar explicación al mundo que nos rodea, en términos de procesos naturales ordinariamente observables.
Esta es la época de los siete sabios de la antigüedad clásica, de los que Tales de Mileto fue considerado como el primero. Frente a las concepciones mitológicas sobre el origen del mundo, considera el agua como el elemento originario de todas las cosas, además de ser el primero que en occidente explica mediante su teoría de la animación de la materia, las fuerzas de atracción que tienen su origen en los imanes y en el ámbar cuando se frota.
Dentro del mundo helénico, hay que hacer mención especial a dos hombres de gran influencia en la evolución posterior de la ciencia: Platón y Aristóteles. Este último asumió que el movimiento constante necesitaba una causa constante, es decir, mientras que un cuerpo esté en movimiento necesita que una fuerza concurra sobre él. Es Aristóteles quien introduce un concepto de la ciencia basado fundamentalmente en la deducción y que permaneció hasta el siglo XVII, conocido como concepto Aristotélico.
Otros hombres como Leucipo, Demócrito y Epicuro contribuyeron notablemente al avance de las ciencias de la naturaleza, cabe destacar a Arquímedes, que formuló la ley de la palanca y la de los cuerpos que flotan. A Estratón que explicó la compresibilidad de los gases y dedujo a partir de ella la existencia del vacío.
En esta época tan fructífera también se estudiaron las perturbaciones sonoras, se establecieron las primeras leyes de la óptica geométrica y de la refracción de la luz, se conocieron los mecanismos de torsión, el concepto de presión hidrostática, y la presión que existe en los gases y vapores comprimidos. También se crearon ingeniosos mecanismos para medir el tiempo y los ángulos.
Simultáneamente a la desaparición de Aristóteles, también se produce la de Atenas como centro del saber, pasando a ser Alejandría la capital intelectual del mundo mediterráneo, dando lugar en el período comprendido entre el año 300 a.C. y 200 d.C. a la aparición de algunos de los más grandes matemáticos y astrónomos de todos los tiempos, destacando entre ellos a Euclides, Erastóstenes, Hiparlo, etc.
Con la obra de Herón y Tolomeo, finaliza la Escuela de Alejandría y con ella la hegemonía cultural griega, dando paso a la cultura romana. Los romanos propiciaban el saber, pero de alguna manera, les interesaban más las realizaciones prácticas que la adquisición de nuevos conocimientos, así la ciencia se limitó al nivel de manuales y enciclopedias. Con motivo de diversas causas sociales y políticas, los pocos científicos griegos que quedaban buscaron refugio en oriente y la mayoría de libros griegos se tradujeron al árabe: éstos no alteraron el mensaje de los griegos e incluso hicieron algunas contribuciones, en particular, en el campo de la Óptica donde cabe destacar las aportaciones de Alhacén de Basora.
Con la caída de Roma, la situación empeoró, dando paso a un largo período donde el oscurantismo se apodera de las creencias, las letras y el arte.
Fueron los escolásticos (perteneciente a las escuelas medievales), los encargados de hacer resurgir de nuevo a Aristóteles como la autoridad suprema en asuntos de ciencia y filosofía, siendo éstos los encargados de impartir la docencia en las universidades, llegando su influencia hasta el siglo XVI.

Durante los siglos XII y XIII con el resurgimiento del interés por todo el saber griego hubo una gran afluencia de estudiosos a la España islámica en busca de textos helénicos. El torrente de traducciones coincidió con el nacimiento de las universidades y es en esta época donde comienzan a asentarse las bases de la revolución científica que tuvo lugar en los siglos XVI y XVII.

La mecánica fue una de las ciencias más desarrolladas. El filósofo francés Jean Buridan habla por primera vez del ímpetu como una magnitud posible de medir mediante la velocidad inicial del proyectil y de la cantidad de materia que este contenía, este concepto también explicaba el movimiento eterno de los cielos.
Con el inicio del Renacimiento, el influjo escolástico toca a su fin y el pensamiento científico se revolucionó. Entre los siglos XV y XVII surge una nueva visión de la naturaleza distinta a la griega que había permanecido durante 2000 años, la ciencia llegó a ser una disciplina autónoma, distinta de la filosofía y además útil para el hombre.
Durante el período de tiempo que nos ocupa, se ponen las bases en las que se va a sustentar la mecánica moderna, en otras palabras, el soporte de la Física.
La revolución científica comenzó con la astronomía. El astrónomo polaco Nicolás Copérnico elaboró su teoría heliocéntrica en la que supone a la Tierra y los demás planetas moviéndose alrededor del Sol, acabando con la tesis de Tolomeo sobre el sistema geocéntrico que considera cada planeta moviéndose en un círculo alrededor de la Tierra. Su teoría fue tan revolucionaria que no se publicó hasta después de su muerte.
A comienzos del siglo XVII, el astrónomo alemán Johannes Kepler, en base a las minuciosas observaciones del astrónomo danés Tycho Brahe, sentenció definitivamente el sistema geocéntrico de Copérnico y postuló las tres leyes sobre el movimiento planetario que llevan su nombre. El último cambio de mentalidad en la cosmología tradicional lo introdujo Galileo Galilei quien utilizando un telescopio (invento de unos talladores de lentes holandeses) anunció en 1610 que la superficie de la Luna no era lisa, que reflejaba la luz del Sol y que Júpiter tenía satélites, además dedujo, a partir de las fases de Venus que éste giraba alrededor del Sol.
Se introduce en las ciencias el método experimental de la mano de Galileo y Bacon.
Galileo sitúa la inducción por encima de la deducción, en un intento de acabar con el concepto aristotélico de la ciencia. Según Galileo ninguna generalización se puede mantener a menos que sea comprobada una y otra vez por los experimentos, es decir, una teoría debe resistir un proceso de inducción siempre renovado. Con Galileo y Bacon la investigación y la inducción toman prestigio y se unen a la deducción en lo que hoy denominamos Método Científico.
Se inician las primeras publicaciones periódicas de las obras científicas y aparecen las academias de ciencias de Roma, Londres y París.
En el siglo XVII se inicia lo que hoy conocemos como mecánica clásica. Se estudian los péndulos, la caída de los cuerpos, se establecen los conceptos de inercia y trabajo, se considera al éter como el responsable de las interacciones entre los cuerpos, y Huygens formula las leyes de conservación del momento y de la energía cinética.
Con la llegada de Newton, se produce el nacimiento de una de las primeras gestas científicas más espectaculares en el mundo de la Física, Ls "Ley de la Gravitación Universal", que vino a poner orden dentro del mundo de Galileo, Huygens y Kepler. Con sus "Principia", en los que se ilustra el método científico, acabó de forma coherente la mecánica clásica. La importancia de Newton es tal, que su Ley de Gravitación, ha sido fundamental para el progreso de la Física. Prácticamente, todos los hechos conocidos relativos al movimiento de os cuerpos celestes, tiene su origen en dicha ley.
En el siglo XVIII se producen los grandes avances en la mecánica. Nace la Física Matemática, con el desarrollo de la herramienta matemática apropiada (cálculo diferencial e integral) para que la mecánica llegue a su máximo esplendor, debido a que un numeroso grupo de matemáticos acometió problemas relacionados con el movimiento de los astros, entre ellos cabe destacar a Leibniz, Euler, Bernouille, D´Alambert, Lagrange y Laplace.

Los fenómenos térmicos se estudiaron sistemáticamente a partir de las propiedades de los gases.

En el siglo XVII Torricelli y Pascal desarrollaron el concepto de presión atmosférica y Boyle y Mariotte descubre la relación presión-volumen. El primer calorímetro es obra de Lavoisier y Laplace en el siglo XVIII. En los experimentos llevados a cabo se consideraba el calor como un fluido, esta hipótesis fue cuestionada por Thompson y con los trabajos de Meyer (S. XVIII) y Joule (S. XIX) se estableció que el calor es otra forma de energía.
El principio general de conservación de la energía fue considerado como la piedra angular de la termodinámica. Se enunciaron los dos principios, Carnot generaliza los resultados obtenidos en las máquinas de vapor, a cualquier sistema de la naturaleza, gracias a la aparición del concepto de la entropía en 1865. Claussius inició la teoría cinética de los gases, que continuó Maxwell y que condujo al desarrollo de la mecánica estadística. En 1878, Bolzmann da la interpretación estadística de la entropía, con lo que establece la conexión entre la termodinámica y la mecánica estadística.
Otra parcela importante dentro de la Física, la electricidad y el magnetismo, vienen a adquirir su formulación moderna en el período que abarcan los siglos XVIII y XIX. Así, en el intervalo comprendido entre 1729 y 1736, Gray y Desaguliers, desarrollan el concepto de conducción, llegando a una clasificación de las sustancias en conductores y aislantes. En la siguiente década, es Benjamín Franklin el que elabora la teoría del fluido eléctrico, introduciendo los conceptos de "positivo" y "negativo" para indicar que un cuerpo se encuentra con exceso o defecto del mismo.
Las aportaciones anteriores sobre este campo, junto con las de Michel y Priestley, sientan las bases para la síntesis de la electricidad, llevada a cabo por Coulomb a partir de 1785, quien utilizando una balanza de torsión que Cavendish había desarrollado para medir la fuerza gravitacional, demostró la ley del inverso del cuadrado de la distancia para la atracción y repulsión de cargas.
Todo lo relacionado con circuitos eléctricos, se empieza a gestar de la mano de Galvani y Volta que con su pila dispone de un dispositivo capaz de almacenar carga, lo que originó nuevas áreas de investigación para poder producir corrientes eléctricas. Ampere, Ohm y Joule publican las leyes para la corriente eléctrica.
El desarrollo del electromagnetismo, también tiene lugar en estos años de las manos de Ampere, Oersted y Faraday. El físico danés Oersted descubrió el efecto magnético que lleva asociado una corriente eléctrica, lo que condujo a las leyes cuantitativas del electromagnetismo y la electrodinámica. En 1831 Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética, aunque la aportación de Faraday de la idea de "línea de fuerza" es la que da pie al importantísimo concepto de "campo" elaborado matemáticamente por Maxwell, quien desarrolló la teoría electromagnética a partir de 1855 y que demostró avalado por los resultados de Weber y del propio Faraday que la luz era una onda electromagnética. En 1886 el alemán Hertz demostró experimentalmente que la luz es una onda electromagnética.
Contemporáneos a los trabajos de Faraday, aparecen los de tipo experimental de Young, Fresnel y otros, que vienen a evidenciar el carácter ondulatorio de la luz.
Como consecuencia de la madurez que va tomando la Física, se comienza a notar su influencia en la tecnología. Se empieza por hacer un uso sistemático de la mecánica con fines al diseño de maquinarias, en tanto que los conocimiento de magnetismo da pie a la creación de una nueva tecnología en motores y generadores. También se mejoran las máquinas de vapor con los conocimientos de termodinámica.
Tras la aparición del concepto de campo y la formulación de las ecuaciones de Maxwell se abandona la interpretación mecanicista de la naturaleza y a principios del siglo XX comienza a desarrollarse la física moderna.

La revolución científica del siglo XX que muchos consideran similar a la que tuvo lugar en los siglos XVI y XVII cambió las ideas que se tenían sobre el espacio, el tiempo, la masa, la energía, los átomos, la luz, la fuerza, el determinismo y la casualidad que se habían establecido firmemente por las científicos newtonianos en los siglos XVIII y XIX. Se vio que el mundo tenía una existencia real que era independiente e iba más allá de la observación humana.

Se introduce el concepto de discontinuidad de la materia, aparecen las bases de la mecánica ondulatoria, la física atómica, se descubre la radioactividad, nace la física nuclear cuyos progresos han posibilitado una mejora en el rendimiento de obtención de energía, se descubre el electrón, la existencia de tres tipos de radiación, el protón, y el neutrón.
En esta época aparecen las dos grandes teorías que revolucionaron la Física: la teoría cuántica y la de la relatividad, Planck expresa la cuantificación de la energía y Einstein publica la teoría especial de la relatividad, la teoría cuántica de la radiación y la teoría del movimiento Browniano que condujo a la aceptación final de la estructura de la materia con Heisemberg y Schröndiger se inicia una nueva interpretación de la mecánica ondulatoria: la física cuántica.
El primero en utilizar la teoría cuántica fue Bohr con su modelo mejorado de Rutherford, y que posteriormente fue ampliado por Sommerfeld. Pauli desarrolló su principio de exclusión. En 1924 Louis De Broglie desarrolla la mecánica ondulatoria con sus valiosas aportaciones sobre la hipótesis de la dualidad onda-corpúsculo y que Schröndinger generaliza dotándola de una base estrictamente matemática. A su vez Heisenberg enuncia su principio de incertidumbre.
En esta época se reunió la Escuela de Copenhague, en la que bajo la dirección de Niels Bohr se reunieron los físicos más prestigiosos de la época y establecieron por compromiso los postulados sobre los que se debería asentar la mecánica cuántica.
A partir de entonces, la mecánica cuántica se aplica a la explicación de la materia y de todos los fenómenos asociados a ella, dejando las puertas abiertas al desarrollo tecnológico que se ha vivido a lo largo del siglo XX.
También hay que considerar el espectacular desarrollo que sufre la electrónica. En 1906 tres importantes logros contribuyen a iniciar la era de la electrónica: el descubrimiento de las propiedades rectificadoras de determinados cristales, el tubo amplificador y la invención del triodo. La gran revolución vino con el invento del transistor, el desarrollo de los primeros circuitos impresos y la construcción del primer ordenador programable de memoria flexible.
El posterior desarrollo de la electrónica es trepidante y gira en torno a la integración a gran escala de transistores. En la década de los 80 se llega a los 100.000 y actualmente se trabaja con escalas de integración de millones de unidades.
Otro descubrimiento importante es el láser, que está contribuyendo a mejorar el campo de la cirugía y de las comunicaciones, y en cuyo futuro es de esperar aplicaciones insospechadas
La Física actual se encuentra ante el reto de conseguir una teoría que unifique la fuerza gravitacional a las otras tres fuerzas conocidas: la electromagnética, la fuerte y la débil.
A nadie se le escapa el papel primordial que juega la Física, e incluso el que le queda por jugar dentro del desarrollo y transformación del mundo. El conocimiento cada vez más profundo de la materia y sus componentes, así como el descubrimiento de leyes que gobiernan un gran número de fenómenos, hace que la Física sea uno de los principales pilares en los que se sustenta la tecnología actual.

MÉTODO PARA LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS

Se trata de enseñar al alumno la forma de plantear y resolver de un modo sistemático los problemas de materias como Física, Química, Matemáticas, etc. ESTRATEGIA   

1. 
   Describir el problema - Leer el problema las veces que sea necesario. - Entender verbalmente el enunciado. - Comprender el problema antes de hacer cálculos. - Hacer un esquema y comprender los datos que nos da el enunciado. - En una hoja aparte, intentar hacer un dibujo del problema. - Asimilar físicamente lo que ocurre. - Conocer la importancia que tienen los datos para el planteamiento del problema.  
   
2. 
    2) Planificar la solución - Identificar a qué tema pertenece el problema. - Recordar los conceptos y expresiones útiles. - Tener claro cuales son los datos del problema y qué se pide en el enunciado. - Planificar el camino y si hay varios, aplicar el más sencillo. - En muchos casos el orden de las preguntas indica el camino para la resolución.   
   
3. 
   3) Resolución - Una vez planificada la resolución del problema de modo adecuado, centrarse en la aplicación de los datos en las fórmulas. - Hallar la solución siguiendo todos los pasos posibles sin sustituir las variables y parámetros por sus valores numéricos. - Repetir el cálculo con los valores numéricos.   
   
4. 
   4) Comprobación (normalmente no se hace y es lo más importante) - Analizar si la solución tiene sentido físicamente. - Revisar órdenes de magnitud. - Repasar las unidades. - Si hay tiempo, repetir o verificar todos los cálculos. - Pasar a limpio a la hoja de examen.
   

LA CIENCIA DE LA MEDICIÓN: MAGNITUDES, UNIDADES

Es evidente que no todas las cosas pueden medirse, cómo medir la belleza de un cuadro? o la simpatía de una persona? si es difícil definirlas, mucho más difícil es poderlas medir,……no pertenecen al campo de la ciencia.

La capacidad no sólo de definir las cosas, sino también de medirlas es un requisito de la ciencia, y en la Física, definimos cuidadosamente las cantidades que medimos, esta idea que parece tan simple ha desembocado en los más grandes descubrimientos en la historia de la humanidad.
La medida de cualquier magnitud física requiere compararla con el valor unitario de la misma o patrón de medida.
Cuando se dice por ejemplo, un cuerpo tiene una masa de 5 kilogramos, significa que equivale a 5 veces la masa de la unidad kilogramo, es decir, el patrón masa se ajusta 5 veces en dicha masa.
Es importante hablar de 5 kilogramos al expresar una masa debido a que existen otras unidades de masa. Decir que una masa es de 5 no tiene sentido. Otro ejemplo cotidiano es medir la distancia entre dos puntos, tendremos que expresarla necesariamente con un número y su unidad, 2 metros, 10 centímetros, 1 kilómetro, etc.
Por tanto, toda magnitud física debe expresarse con una cifra y una unidad.
La elección de un patrón es arbitraria y solamente viene determinada por razones de conveniencia.
Las magnitudes físicas son muchas, pero todas ellas se pueden expresar en función de un pequeño número de ellas llamadas magnitudes fundamentales.
Entonces, las magnitudes fundamentales son aquellas que para su definición no es necesario recurrir a otras magnitudes.
Por el contrario, aquellas magnitudes físicas que para su definición se tiene que recurrir a dos o más magnitudes fundamentales, se denominan magnitudes derivadas.
A cada una de las magnitudes fundamentales se le asigna una unidad fundamental.
En el estudio de la mecánica clásica todas las magnitudes físicas se pueden expresar en función de tres unidades fundamentales: longitud, masa y tiempo.
La selección de las unidades para estas magnitudes fundamentales determina un sistema de unidades, que incluye:
- patrones de medida
- un método para formar unidades mayores y menores
- y las definiciones de las magnitudes derivadas
El sistema más utilizado en el mundo y en la comunidad científica es el Sistema Internacional (SI), sin embargo en algunos países de habla inglesa como Estados Unidos de América usan el Sistema Técnico Inglés, este sistema no es decimal y por tanto menos conveniente que el SI, ya que los múltiplos comunes de sus unidades no son potencias de 10.

BIOGRAFÍAS DE FÍSICOS

Aristóteles (384-322 a. C.) Filósofo y ciéntifco griego, perteneció a la Academia de Platón, primero como discípulo y luego como investigador. Según él, la materia es continua y compacta, y la naturaleza no tolera ningún vacío. Sostuvo que la velocidad de caída de un cuerpo es proporcional a su peso. La física o "filosofía segunda" se ocupa de las sustancias de la naturaleza (physei), tanto de las terrestres o sublunares como de las celestes. El movimiento es común a todas las sustancias del universo, aunque de modo diverso: las sustancias de este mundo tienen movimiento local y de generación y corrupción; las celestes, increadas, tienen movimiento circular, continuo y eterno. Aristóteles acepta los cuatro elementos de Empédocles para la composición de las sustancias (agua, tierra, aire, fuego), los cuales no se pueden descomponer, aunque pueden combinarse unos con otros, surgiendo elementos mixtos en número infinito.
El mundo celeste está formado por esferas concéntricas en continuo movimiento, en un orden armonioso. En el centro está la Tierra. La esfera más alejada de la Tierra está animada por el Primer Motor. Los astros están formados por éter, que al contacto con el aire produce cierta incandescencia. Toda sustancia material existe en un espacio envolvente en el que no existe el vacío. El tiempo es definido como "el número del movimiento según el antes y el después"