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Mecánica clásica
A partir de Galileo Galilei (1564-1642), genial italiano nacido en Florencia, la historia de la Física va unida
directamente a la descripción de los fenómenos y las leyes que obedecen. Éste tuvo como mérito principal el
destacar la importancia del método experimental. Le corresponde el honor de luchar denodadamente
contra las ideas de su época, dominadas aún por la filosofía aristotélica. Sir Isaac Newton (1642 - 1727)
descubrió la Ley de Gravitación Universal, que revolucionó la concepción del Cosmos, y estableció las bases
de la Mecánica Clásica mediante las leyes que llevan su nombre. La mecánica clásica es una formulación que
sirve para describir el movimiento de sistemas de partículas físicas de sistemas macroscópicos y a
velocidades pequeñas comparadas con la velocidad de la luz.
Existen dos tipos de formulaciones de ésta mecánica conocidas como mecánica vectorial y mecánica
analítica.
La mecánica vectorial, deviene directamente de las leyes de Newton, por eso también se le conoce como
“newtoniana”. Fue construida en un principio para una sola partícula moviéndose en un campo gravitatorio.
Se basa en el tratamiento de dos magnitudes vectoriales bajo una relación causal: la fuerza y la acción de la
fuerza, medida por la variación del momento (cantidad de movimiento). El análisis y síntesis de fuerzas y
momentos, constituye el método básico de la mecánica vectorial. Requiere del uso privilegiado de sistemas
de referencia inercial.
La mecánica analítica (analítica en el sentido matemático de la palabra y no filosófico). Sus métodos son
poderosos y trascienden de la Mecánica a otros campos de la física. Se puede encontrar el germen de la
mecánica analítica en la obra de Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 - 1716) que propone para solucionar los
problemas mecánicos otras magnitudes básicas (menos oscuras según Leibniz que la fuerza y el momento de
Newton), pero ahora escalares, que son: la energía cinética y el trabajo. Estas magnitudes están relacionadas
de forma diferencial. La característica esencial es que, en la formulación, se toman como fundamentos
primeros principios generales (diferenciales e integrales), y que a partir de estos principios se obtengan
analíticamente las ecuaciones de movimiento.
Electromagnetismo
El electromagnetismo estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos
fundamentos fueron sentados por Michael Faraday (1791 - 1867), André-Marie Ampère (1775 – 1836) y Karl
Friedrich Gauss (1777 - 1855) y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell
(1831-1879). La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo
eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica
y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se
basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El
electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas
en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las
sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número
muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el Electromagnetismo
no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la Mecánica Cuántica.
Se puede dividir en la electrostática y la electrodinámica.
La electrostática es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en reposo. Como se
describe por la ley de Charles Coulomb (1736 - 1806), estos cuerpos ejercen fuerzas entre sí. Su
comportamiento se puede analizar en términos de la idea de un campo eléctrico que rodea cualquier cuerpo
cargado, de manera que otro cuerpo cargado colocado dentro del campo estará sujeto a una fuerza
proporcional a la magnitud de su carga y de la magnitud del campo en su ubicación. El que la fuerza sea
atractiva o repulsiva depende de la polaridad de la carga. La electrostática tiene muchas aplicaciones, que
van desde el análisis de fenómenos como tormentas eléctricas hasta el estudio del comportamiento de los
tubos electrónicos.
La electrodinámica es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en movimiento y a los
campos eléctricos y magnéticos variables. Dado que una carga en movimiento produce un campo
magnético, la electrodinámica se refiere a efectos tales como el magnetismo, la radiación electromagnética,
y la inducción electromagnética, incluyendo las aplicaciones prácticas, tales como el generador eléctrico y el
motor eléctrico. Esta área de la electrodinámica, conocida como electrodinámica clásica, fue
sistemáticamente explicada por James Clerk Maxwell, y las ecuaciones de Maxwell describen los fenómenos
de esta área con gran generalidad.
Termodinámica y mecánica estadística
La termodinámica es la Ciencia que estudia la conversión de unas formas de energía en otras. En su sentido
etimológico, podría decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas
propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo. Su precursor fue Nicolas
Léonard Sadi Carnot (1796 - 1832), fue desarrollada por Julius von Mayer (1814 - 1878), Rudolf Emanuel
Clausius (1822 - 1888) y William Thomson Kelvin ( 1824 - 1907), entre otros. La misma ocupa de la energía y
sus transformaciones en los sistemas desde un punto de vista macroscópico. Sus leyes son restricciones
generales que la naturaleza impone en todas esas transformaciones. En esta área se describe como la
materia en cualquiera de sus estados (sólido, líquido, gaseoso) va transformándose. Desde un punto de vista
macroscópico de la materia se estudia como ésta reacciona a cambios en su volumen, presión, temperatura
entre otros. La termodinámica se basa en cuatro leyes principales: el equilibrio termodinámico (o ley cero),
el principio de conservación de la energía (primera ley), el aumento temporal de la entropía (segunda ley) y
la imposibilidad del cero absoluto (tercera ley).
Una consecuencia de la termodinámica es lo que hoy se conoce como mecánica estadística. Es una rama de
la física que estudia, al igual que la termodinámica, los procesos de transferencia de calor, pero contrario a
la anterior desde un punto de vista molecular. La mecánica estadística o termodinámica estadística se aplica
a la teoría de probabilidades, que contiene matemática con herramientas para hacer frente a grandes
poblaciones, para el estudio del comportamiento termodinámico de sistemas compuestos por un gran
número de partículas. La materia como se conoce esta compuesta por moléculas y el conocer el
comportamiento de una sola de sus moléculas nos lleva a medidas erróneas. Es por eso que se debe tratar
como un conjunto de elementos caóticos o aleatorios, y se utiliza el lenguaje estadístico y consideraciones
mecánicas para describir comportamientos macroscópicos de este conjunto molecular microscópico. El
principal postulado de la mecánica estadística se conoce como distribución Maxwell-Boltzmann que fue
elaborado por James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann (1844 - 1906). Esta distribución se aplica al caso
clásico, esto es, cuando las partículas se encuentran separadas distancias considerables y son distinguibles.
Relatividad
La relatividad es la teoría formulada principalmente por Albert Einstein (1879 - 1955) a principios del siglo
XX. En ella sintetizó, en un marco teórico simple y con base en postulados físicos sencillos, conceptos y
fenómenos estudiados anteriormente por Henri Poincaré (1854 - 1912) y Hendrik Lorentz Hendrik Antoon
Lorentz (1853 - 1928). Ésta teoría, se divide en dos cuerpos de investigación: la relatividad especial y la
relatividad general.
En la teoría de la relatividad especial, Albert Einstein, y Hermann Minkowski (1864 - 1909) entre otros,
unificaron los conceptos de espacio y tiempo, en un ramado tetradimensional al que se le denominó
espacio-tiempo. La relatividad especial fue una teoría revolucionaria para su época, con la que el tiempo
absoluto de Newton quedo relegado y conceptos como la invariancia en la velocidad de la luz, la dilatación
del tiempo, la contracción de la longitud y la equivalencia entre masa y energía fueron introducidos. Además
con las formulaciones de la relatividad especial, las leyes de la física son invariantes en todos los sistemas de
referencia inerciales, como consecuencia matemática se encuentra como límite superior de velocidad a la luz
y se elimina la causalidad determinista que tenía la física hasta entonces.
Por otro lado, la relatividad general estudia la interacción gravitatoria como una deformación en la
geometría del espacio-tiempo. En esta teoría se introducen los conceptos de la curvatura del espacio-tiempo
como la causa de la interacción gravitatoria, el principio de equivalencia que dice que para todos los
observadores locales inerciales las leyes de la relatividad especial son invariantes y la introducción del
movimiento de una partícula por líneas geodésicas. La relatividad general no es la única teoría que describe
a la atracción gravitatoria pero es la que más datos relevantes comprobables ha encontrado. Anteriormente
a la interacción gravitatoria se la describía matemáticamente por medio de una distribución de masas, pero
en esta teoría no solo la masa percibe esta interacción si no también la energía mediante la curvatura del
espacio-tiempo y es por eso que se necesita otro lenguaje matemático para poder describirla, el cálculo
tensorial. Muchos fenómenos, como la curvatura de la luz por acción de la gravedad y la desviación en la
órbita de Mercurio son perfectamente predichos por esta formulación.
Mecánica cuántica
La mecánica cuántica es la rama de la física que trata los sistemas atómicos y subatómicos y sus
interacciones con la radiación electromagnética, en términos de cantidades observables. Se basa en la
observación de que todas las formas de energía se liberan en unidades discretas o paquetes llamados
cuantos. Ésta idea fue desarrollada por Max Planck (1858 - 1947) a partir del estudio realizado por Einstein
sobre el efecto fotoeléctrico. Sorprendentemente, la teoría cuántica sólo permite normalmente cálculos
probabilísticos o estadísticos de las características observadas de las partículas elementales, entendidos en
términos de funciones de onda. La ecuación de Erwin Schrödinger (1887 - 1961) desempeña el papel en la
mecánica cuántica que las leyes de Newton y la conservación de la energía hacen en la mecánica clásica. Es
decir, la predicción del comportamiento futuro de un sistema dinámico, y es una ecuación de onda en
términos de una función de onda la que predice analíticamente la probabilidad precisa de los eventos o
resultados.
El formalismo de la mecánica cuántica se desarrolló durante la década de 1920. En 1924, Louis de Broglie
(1892 – 1987) propuso que al igual que las ondas de luz presentan propiedades de partículas, como ocurre
en el efecto fotoeléctrico, las partículas a su vez también presentan propiedades ondulatorias. Dos
formulaciones diferentes de la mecánica cuántica se presentaron después de la sugerencia de Broglie. En
1925, la mecánica matricial de Werner Heisenberg (1901 - 1976) no hace mención alguna de las funciones de
onda o conceptos similares, pero ha demostrado ser matemáticamente equivalente a la teoría de
Schrödinger. Un descubrimiento importante de la teoría cuántica es el principio de incertidumbre,
enunciado por Heisenberg en 1927, que pone un límite teórico absoluto en la precisión de ciertas
mediciones. La mecánica cuántica se combinó con la teoría de la relatividad en la formulación de Paul Dirac
(1902 – 1984) de 1928, lo que, además, predijo la existencia de antipartículas. Otros desarrollos de la teoría
incluyen la estadística cuántica, presentada de dos formas diferentes. Una forma porpuesta por Albert
Einstein y Agadis Chandra Bose (1858 - 1937), denominada “estadística de Bose-Einstein” y en otra forma
por Dirac y Enrico Fermi (1901 - 1954) denominada estadística de Fermi-Dirac.
Fuentes consultadas:
http://www.chu.com.es
http://www.ucm.es
http://www.itescam.edu.mx
www.sc.ehu.es
www.biopsychology.org
dspace.unav.es
http://www.biografiasyvidas.com