Ramas de la física clásica y moderna
Entre las ramas de la física clásica y moderna podemos destacar la acústica, óptica o mecánica en el campo más primitivo, y la cosmología, mecánica cuántica o relatividad en las de más reciente aplicación.
La física clásica describe teorías desarrolladas antes de 1900, y la física moderna los acontecimientos acaecidos después de 1900. La física clásica trata sobre la materia y la energía, a una macro-escala, sin profundizar en los estudios más complejos de los quantums, tema de la física moderna.
Max Planck, uno de los científicos más importantes de la historia, marcó el final de la física clásica y el comienzo de la física moderna con la mecánica cuántica.
Ramas de la física clásica
1- Acústica
El oído es el instrumento biológico por excelencia para recibir determinadas vibraciones de onda e interpretarlas como sonido.
La acústica, que se ocupa del estudio del sonido (ondas mecánicas en los gases, líquidos y sólidos), se relaciona con la producción, el control, la transmisión, la recepción y los efectos del sonido.
La tecnología acústica incluye la música, el estudio de fenómenos geológicos, atmosféricos y submarinos.
La psicoacústica estudia los efectos físicos del sonido en los sistemas biológicos, presente desde que Pitágoras oyó, por primera vez, los sonidos de las cuerdas vibrantes y de los martillos que golpeaban los yunques en el siglo VI a. C. Pero el desarrollo más impactante en medicina, es la tecnología de ultrasonido.
2- Electricidad y magnetismo
La electricidad y el magnetismo provienen de una sola fuerza electromagnética. El electromagnetismo es una rama de la ciencia física que describe las interacciones de la electricidad y el magnetismo.
El campo magnético es creado por una corriente eléctrica en movimiento y un campo magnético puede inducir el movimiento de cargas (corriente eléctrica). Las reglas del electromagnetismo también explican fenómenos geomagnéticos y electromagnéticos, describiendo cómo interaccionan las partículas cargadas de átomos.
Antiguamente, el electromagnetismo era experimentado sobre la base de los efectos del relámpago y de la radiación electromagnética como efecto lumínico.
El magnetismo ha sido utilizado, durante mucho tiempo, como instrumento fundamental para la navegación guiada por la brújula.
El fenómeno de las cargas eléctricas en reposo, fue detectado por los romanos antiguos, que observaron la forma en que un peine frotado atraía partículas. En el contexto de cargas positivas y negativa, las cargas iguales se repelen, y las diferentes se atraen.
3- Mecánica
Se relaciona con el comportamiento de cuerpos físicos, cuando se someten a fuerzas o desplazamientos, y los efectos subsecuentes de los cuerpos en su ambiente.
En los albores del modernismo, los científicos Jayam, Galileo, Kepler y Newton, sentaron las bases para lo que ahora se conoce como mecánica clásica.
Esta sub-disciplina se ocupa del movimiento de las fuerzas sobre los objetos y de las partículas que están en reposo o moviéndose a velocidades significativamente menores que la de la luz. La mecánica describe la naturaleza de los cuerpos.
El término cuerpo incluye partículas, proyectiles, naves espaciales, estrellas, partes de maquinaria, partes de sólidos, partes de fluidos (gases y líquidos). Las partículas son cuerpos con poca estructura interna, tratados como puntos matemáticos en la mecánica clásica.
Los cuerpos rígidos tienen tamaño y forma, pero conservan una sencillez cercana a la de la partícula y pueden ser semirrígidos (elásticos, fluidos).
4- Mecánica de los fluidos
La mecánica de fluidos describe el flujo de líquidos y gases. La dinámica de fluidos es la rama de la cual se desprenden sub-disciplinas como la aerodinámica (el estudio del aire y otros gases en movimiento) y la hidrodinámica (el estudio de los líquidos en movimiento).
La dinámica de los fluidos se aplica ampliamente: para el cálculo de fuerzas y momentos en los aviones, la determinación de la masa del fluido del petróleo a través de los oleoductos, además de la predicción de patrones climáticos, la compresión de las nebulosas en el espacio interestelar y el modelado de la fisión de armas nucleares.
Esta rama ofrece una estructura sistemática que abarca leyes empíricas y semi-empíricas derivadas de la medición del flujo y utilizadas para resolver problemas prácticos.
La solución a un problema de dinámica de fluidos implica el cálculo de propiedades del fluido, tales como la velocidad del flujo, la presión, la densidad y la temperatura y funciones del espacio y del tiempo.
5- Óptica
La óptica se ocupa de las propiedades y fenómenos de la luz visible e invisible y de la visión. Estudia el comportamiento y las propiedades de la luz, incluyendo sus interacciones con la materia, además de construir instrumentos apropiados.
Describe el comportamiento de la luz visible, ultravioleta e infrarroja. Dado que la luz es una onda electromagnética, otras formas de radiación electromagnética como rayos X, microondas y ondas de radio presentan propiedades similares.
Esta rama es relevante para muchas disciplinas relacionadas como astronomía, ingeniería, fotografía y medicina (oftalmología y optometría). Sus aplicaciones prácticas se encuentran en una variedad de tecnologías y objetos cotidianos, incluyendo espejos, lentes, telescopios, microscopios, láseres y fibra óptica.
6- Termodinámica
Rama de la física que estudia los efectos del trabajo, el calor y la energía de un sistema. Nació en el siglo XIX con la aparición de la máquina de vapor. Se ocupa sólo de la observación y respuesta a gran escala de un sistema observable y mensurable.
Las interacciones de gas a pequeña escala se describen por la teoría cinética de los gases. Los métodos se complementan entre sí y se explican en términos de termodinámica o por la teoría cinética.
Las leyes de la termodinámica son:
- Ley de entalpía: relaciona las diversas formas de energía cinética y potencial, en un sistema, con el trabajo que el sistema puede realizar, más la transferencia de calor.
- Esto conduce a la segunda ley, y a la definición de otra variable de estado llamada ley de entropía.
- La ley zeroth define equilibrio termodinámico a gran escala, de la temperatura en contraposición a la definición a pequeña escala relacionada con la energía cinética de las moléculas.
Ramas de la física moderna
7- Cosmología
Es el estudio de las estructuras y dinámicas del Universo a escala mayor. Investiga sobre su origen, estructura, evolución y destino final.
La cosmología, como ciencia, se originó con el principio de Copérnico -los cuerpos celestes obedecen leyes físicas idénticas a las de la Tierra- y la mecánica newtoniana, que permitió comprender esas leyes físicas.
La cosmología física comenzó en 1915 con el desarrollo de la teoría general de la relatividad de Einstein, seguida de grandes descubrimientos observacionales en la década de 1920.
Los avances dramáticos en la cosmología observacional desde la década de 1990, incluyendo el fondo de microondas cósmico, las supernovas distantes y los levantamientos de corrimiento al rojo de la galaxia, condujeron al desarrollo de un modelo estándar de cosmología.
Este modelo adhiere al contenido de grandes cantidades de materia oscura y energías oscuras contenidas en el universo, cuya naturaleza no está bien definida aún.
8- Mecánica cuántica
Rama de la física que estudia el comportamiento de la materia y de la luz, en la escala atómica y subatómica. Su objetivo es describir y explicar las propiedades de las moléculas y los átomos y sus componentes: electrones, protones, neutrones y otras partículas más esotéricas como quarks y gluones.
Estas propiedades incluyen las interacciones de las partículas entre sí y con radiación electromagnética (luz, rayos X y rayos gamma).
Múltiples científicos contribuyeron al establecimiento de tres principios revolucionarios que gradualmente ganaron aceptación y verificación experimental entre 1900 y 1930.
- Propiedades cuantificadas. La posición, la velocidad y el color, a veces solo pueden ocurrir en cantidades específicas (como clickear número a número). Esto se contrapone con el concepto de la mecánica clásica, que dice que tales propiedades deben existir en un espectro llano y continuo. Para describir la idea de que algunas propiedades clickean, los científicos acuñaron el verbo quantificar.
- Partículas de luz. Los científicos rebatieron 200 años de experimentos al postular que la luz puede comportarse como una partícula y no siempre “como las olas/ondas en un lago”.
- Ondas de materia. La materia también puede comportarse como una onda. Así lo demuestran 30 años de experimentos que afirman que la materia (como los electrones) puede existir como partículas.
9- Relatividad
Esta teoría abarca dos teorías de Albert Einstein: la relatividad especial, que aplica a las partículas elementales y a sus interacciones –describiendo todos los fenómenos físicos excepto la gravedad- y la relatividad general que explica la ley de la gravitación y su relación con otras fuerzas de la naturaleza.
Se aplica al reino cosmológico, astrofísico y astronomía. La relatividad transformó los postulados de la física y la astronomía en el siglo XX, desterrando 200 años de teoría newtoniana.
Introdujo conceptos como el espacio-tiempo como una entidad unificada, relatividad de simultaneidad, dilatación cinemática y gravitacional del tiempo, y contracción de longitud.
En el campo de la física, mejoró la ciencia de las partículas elementales y sus interacciones fundamentales, junto con la inauguración de la era nuclear.
La cosmología y la astrofísica predijeron fenómenos astronómicos extraordinarios como las estrellas de neutrones, los agujeros negros y las ondas gravitatorias.
10-Física nuclear
Es un campo de la física que estudia el núcleo atómico, sus interacciones con otros átomos y partículas, y sus constituyentes.
11-Biofísica
Formalmente, es una rama de la biología, aunque está estrechamente relacionada con la física, ya que estudia la biología con principios y métodos físicos.
12-Astrofísica
Formalmente es una rama de la astronomía, aunque muy relacionada con la física, ya que estudia la física de los astros, su composición, evolución y estructura.
13-Geofísica
Es una rama de la geografía, aunque está muy relacionada con la física, ya que estudia la Tierra con los métodos y principios de la física.
Ramas interdisciplinarias de la física
14-Agrofísica
Híbrido de la física y la agronomía. Su fin principal es resolver los problemas de los ecosistemas agrícolas (nutrición del suelo, cosechas, contaminación, etc.) utilizando métodos propios de la física.
15-Física computacional
Rama de la física enfocada en modelos algorítmicos por ordenador. Es una disciplina perfecta para la simulación en ramas de la física que trabajan con magnetismo, dinámica, electrónica, astrofísica, matemáticas, etc.
16-Física social
Rama clásica desarrollada por Auguste Comte en el siglo XIX. Se centraba en dar un concepto teórico y científico a la sociología, evitando así el contenido moral o subjetivo.
17-Econofísica
Rama encargada de aplicar conceptos físicos para resolver problemas de la economía. En este campo científico se estudian aspectos de dinámica no lineal, estocásticos o con fenómenos como el escalamiento y las transacciones.
18-Física médica
Rama que aplica los fundamentos físicos al estudio y desarrollo de la ciencia de la salud, proporcionando una nueva propuesta para las terapias y el diagnóstico. A su vez, participa en el desarrollo tecnológico de nuevas herramientas médicas.
19-Oceanografía física
Rama de la física y subárea de la oceanografía centrada en los procesos físicos que se suceden en el mar (mareas, oleaje, dispersión, absorción de distintos tipos de energía, corrientes, acústicas, etc.).