El espectro de la mecánica
El estudio general de las relaciones entre el movimiento, las fuerzas y la energía se denomina mecánica. Es un campo muy amplio y su estudio es esencial para la comprensión de la física, por lo que estos capítulos aparecen en primer lugar. La mecánica puede dividirse en subdisciplinas combinando y recombinando sus diferentes aspectos. Algunos de ellos reciben nombres especiales.
El movimiento es la acción de cambiar de lugar o posición. El estudio del movimiento sin tener en cuenta las fuerzas o energías que puedan estar implicadas se denomina cinemática. Es la rama más sencilla de la mecánica. La rama de la mecánica que se ocupa del movimiento y las fuerzas conjuntamente se denomina dinámica y el estudio de las fuerzas en ausencia de cambios en el movimiento o la energía se llama estática.
El término energía hace referencia a una cantidad física abstracta que el ser humano no percibe fácilmente. Puede existir en muchas formas simultáneamente y sólo adquiere significado mediante el cálculo. Informalmente, un sistema posee energía si tiene la capacidad de realizar trabajo. La energía del movimiento se llama energía cinética.
Siempre que un sistema se ve afectado por un agente externo, su energía total cambia. En general, una fuerza es cualquier cosa que provoca un cambio (como un cambio de energía, de movimiento o de forma). Cuando una fuerza provoca un cambio en la energía de un sistema, los físicos dicen que se ha realizado un trabajo. El enunciado matemático que relaciona las fuerzas con los cambios de energía se llama teorema trabajo-energía.
Cuando se determina el total de las diferentes formas de energía, se comprueba que permanece constante en los sistemas que están aislados de su entorno. Esta afirmación se conoce como la ley de conservación de la energía y es uno de los conceptos realmente importantes de toda la física, no sólo de la mecánica. El estudio de cómo la energía cambia de forma y ubicación durante los procesos físicos se denomina energética, pero la palabra es más utilizada por los científicos de campos ajenos a la física que por los de dentro.
Tipos de movimiento
El movimiento puede dividirse en tres tipos básicos: de traslación, de rotación y de oscilación.
Movimiento de traslación
El movimiento que da lugar a un cambio de ubicación se denomina traslacional. Esta categoría puede parecer ridícula al principio, ya que el movimiento implica un cambio de ubicación, pero un objeto puede estar en movimiento y, sin embargo, no ir a ninguna parte. Me levanto por la mañana y me voy a trabajar (un cambio de ubicación evidente), pero por la noche vuelvo a casa, a la misma cama donde empecé el día. ¿Se trata de un movimiento de traslación? Bueno, depende. Si el problema consiste en determinar la distancia que recorro en un día, hay dos respuestas posibles: o bien he ido al trabajo y he vuelto (22 km en cada sentido para un total de 44 km) o bien no he ido a ninguna parte (22 km en cada sentido para un total de 0 km). La primera respuesta invoca el movimiento de traslación, mientras que la segunda invoca el movimiento oscilatorio.
Movimiento oscilatorio
El movimiento que es repetitivo y fluctúa entre dos lugares se dice que es oscilatorio. En el ejemplo anterior de ir de casa al trabajo y de casa al trabajo me estoy moviendo, pero al final no he ido a ninguna parte. Este segundo tipo de movimiento se observa en los péndulos (como los que se encuentran en los relojes del abuelo o en el Big Ben), en las cuerdas que vibran (la cuerda de una guitarra se mueve pero no va a ninguna parte) y en los cajones (se abren, se cierran, se abren, se cierran… todo ese movimiento y nada para demostrarlo). El movimiento oscilatorio es interesante porque a menudo tarda un tiempo fijo en producirse. Este tipo de movimiento se denomina periódico y el tiempo que dura una oscilación completa (o un ciclo) se llama período. El movimiento periódico es importante en el estudio del sonido, la luz y otras ondas. Gran parte de la física se dedica a este tipo de movimiento repetitivo. Hacer lo mismo una y otra vez sin llegar a ninguna parte es muy importante. Lo que nos lleva a nuestro siguiente tipo de movimiento.
Movimiento de rotación
El movimiento que se produce cuando un objeto gira se dice que es de rotación. La Tierra está en constante movimiento, pero ¿a dónde la lleva ese movimiento? Cada veinticuatro horas da una vuelta completa alrededor de su eje. (En realidad, es un poco menos que eso, pero no nos entretengamos con los detalles). El sol hace lo mismo, pero en unos veinticuatro días. También lo hacen todos los planetas, asteroides y cometas, cada uno con su propio periodo. (Obsérvese que el movimiento de rotación también suele ser periódico). En un nivel más mundano, las bolas de boccia, los discos de fonógrafo y las ruedas también giran. Son suficientes ejemplos para mantenernos ocupados durante un tiempo.
Movimiento aleatorio
El movimiento aleatorio se produce por una de estas dos razones.
La teoría del caos
Algunos movimientos son predecibles en teoría pero imprevisibles en la práctica, lo que los hace parecer aleatorios. Por ejemplo, una molécula en un gas se mueve libremente hasta que choca con otra molécula o con una de las paredes que la contienen. La dirección que toma la molécula tras una colisión de este tipo es completamente predecible según las teorías actuales de la mecánica clásica.
Toda medición lleva asociada una incertidumbre. Todo cálculo realizado a partir de los resultados de una medición lleva asociada esa incertidumbre. Ahora imagine que intenta predecir el movimiento de mil millones de átomos de gas en un recipiente. (Después de medir la posición y la velocidad de cada uno de ellos con la mayor precisión posible, introduces los datos en un monstruoso ordenador y dejas que haga los cálculos por ti. Como las mediciones asociadas a cada molécula están un poco fuera de lugar, la primera ronda de cálculos será un poco errónea. Esos números erróneos se utilizarán en la siguiente ronda de cálculos y los resultados serán un poco más erróneos. Después de mil millones de cálculos, el error compuesto hará que los resultados sean inútiles. La molécula podría estar en cualquier parte del contenedor. Este tipo de aleatoriedad se llama caos.
La teoría cuántica
Algunos movimientos son imprevisibles en teoría y son verdaderamente aleatorios. Por ejemplo, el movimiento del electrón en un átomo es fundamentalmente impredecible debido a una extraña conspiración de la naturaleza descrita por la mecánica cuántica. Cuanto más se intente localizar el electrón, menos se sabrá de su velocidad. Cuanto más se intente medir su velocidad, menos se sabrá sobre su ubicación. Esta es una cualidad fundamental de los objetos pequeños como los electrones y no hay forma de evitarla. Aunque a menudo se dice que el electrón “orbita” el núcleo de un átomo, en sentido estricto, esto no es cierto. La probabilidad de encontrar el electrón en un punto concreto del espacio es predecible, pero cómo ha llegado desde el primer lugar en el que se ha observado hasta el segundo es, en realidad, una cuestión sin sentido. No hay nombre para este tipo de movimiento porque el concepto de movimiento ni siquiera se aplica.
La física
Física
La física es el estudio de la naturaleza fundamental de todas las cosas.
Antes del Renacimiento, las obras más significativas de la mecánica fueron las escritas en el siglo IV a.C. por el filósofo griego Aristóteles de Estagira (384-322 a.C.): se trata de Mecánica, Sobre los cielos, y La naturaleza o en griego Μηχανικά (Mekhanika), Περί ουρανού (peri uranu), y Φυσικῆς ἀκροάσεως (Fysikes akroasis). Aunque la primera sección de todo libro de texto de física general trata de la mecánica, la Mecánica de Aristóteles probablemente no fue escrita por él y no será discutida aquí. Sobre los cielos se hablará más adelante en este libro.
La Naturaleza es la obra de Aristóteles más relevante para este libro. Eso es porque es el origen de la palabra física. El nombre completo Φυσικής ακρόασις (Fysikes akroasis) se traduce literalmente como “Lección sobre la naturaleza”, pero probablemente sea más fiel “La lección sobre la naturaleza de las cosas”. La Naturaleza adquirió gran estatura en el mundo occidental y fue identificada casi con reverencia por los académicos como Τὰ Φυσικά (Ta Fysika) – La Física. En este libro Aristóteles introdujo los conceptos de espacio, tiempo y movimiento como elementos de una filosofía más amplia del mundo natural. En consecuencia, la persona que estudiaba la naturaleza de las cosas se llamaba “filósofo natural” o “físico” y la materia que estudiaba se denominaba “filosofía natural” o “física”. Por cierto, éste es también el origen de las palabras “médico” (el que estudia la naturaleza del cuerpo humano) y “físico” (la naturaleza o el estado del cuerpo humano).
Palabras que indican movimiento
mecánica, dinámica, estática, cinemática
Las palabras mecánica, dinámica, estática y cinemática se utilizan a lo largo de todo el libro y de forma muy intensa en el primer tercio. Cada una de ellas hace referencia a una disciplina o rama de la física, de ahí el sufijo común -ics. Cada palabra puede pasar también de sustantivo a adjetivo. De este modo se obtienen palabras como dinámico, estático, cinemático, mecánico, dinámico y físico. También podemos crear adverbios como “dinámicamente” y “físicamente”. Aquí están los sustantivos relevantes, cada uno de ellos seguido de una breve definición y una historia semilarga sobre su origen. Para muchos lectores, las definiciones breves serán suficientes.
Mecánica
Rama de la física que se ocupa del movimiento y las fuerzas.
El origen de la palabra se remonta a las palabras griegas antiguas para máquina, μηχανή (mekhane), un dispositivo inteligente para realizar un trabajo; y mecánico, μηχανικός (mekhanikos), una persona experta en máquinas. La palabra mecánica no adquirió su significado actual hasta algún momento del siglo XVII – probablemente por el químico irlandés Robert Boyle (1627-1691).
La mecánica puede dividirse en las subdisciplinas de cinemática, estática y dinámica. Históricamente, la estática fue lo primero (antigüedad), luego la cinemática (1638 para el tema, 1834 para la palabra), después la mecánica (1663 como palabra) y finalmente la dinámica (década de 1690 como palabra). Conceptualmente, la mecánica contiene la dinámica, que se solapa con la estática y la cinemática.
Dinámica
El estudio del movimiento y las fuerzas en conjunto. (Suena demasiado informal.) El estudio del efecto que tienen las fuerzas en el movimiento de los objetos. (Es mejor.)
La palabra dinámica se inventó a finales del siglo XVII sólo para ser una palabra que significara lo contrario de la palabra estática. El mérito es del matemático y filósofo alemán Gottfried Leibniz (1646-1716). Leibniz es conocido sobre todo por ser el cocreador del cálculo junto con el científico y matemático inglés Isaac Newton (1642-1727). Puede que Leibniz y Newton discutieran sobre la prioridad, pero hay más de Leibniz en el cálculo que de Newton. La d minúscula (d) para la derivada y la s larga loca (∫) para la integral fueron ideas de Leibniz. También acuñó el término ejes de coordenadas y llamó a los ejes abscisa y ordenada. Leibniz adaptó la palabra dinámica de la palabra griega que significa fuerza, vigor o poder – δύναμης (dynamis) – que a su vez viene de la palabra griega que significa “puedo” o “soy capaz” – δύναμαι (dynamai). La palabra no saltó inmediatamente a la lengua inglesa porque Leibniz pensaba en alemán, escribía en francés y en latín, y escribía para un público europeo continental.
Estática
El estudio de las fuerzas sin tener en cuenta el movimiento. Técnicamente, la estática es el estudio de las fuerzas en ausencia de aceleración. Una forma de no estar acelerando es no moverse. En ese caso especial, tanto la velocidad como la aceleración son cero. Como no hay forma de distinguir entre el movimiento a velocidad constante (v ≠ 0, a = 0) y el estado de reposo (v = 0, a = 0), la estática abarca ambas situaciones.
El origen de la palabra se remonta a la antigua frase griega τέχνη στατική (tekhne statike), que ahora significa literalmente “arte de la estática”, pero en su momento significaba algo más como “el arte de pesar”. Básicamente, la frase describe las habilidades que necesitaría un ingeniero de estructuras. Un conocimiento de la forma en que se distribuye el peso de un edificio, un puente o una torre para que se mantenga en pie. Aunque en un principio todo giraba en torno al peso, la estática, como rama de la mecánica, abarca ahora todas las fuerzas y la estática, como parte de la ingeniería estructural, incluye temas como las cargas del viento en los edificios altos y las fuerzas de flotación de las aguas subterráneas en los sótanos. La estática y la ingeniería estructural van más allá del peso.
Cinemática
Estudio del movimiento sin tener en cuenta las fuerzas que lo afectan.
Los conceptos de distancia, desplazamiento y tiempo son antiguos, si no primitivos. Los conceptos de rapidez, velocidad y aceleración también parecen serlo, pero no parece existir ninguna definición formal anterior al siglo XVI. Casi todo el mérito se debe al científico italiano Galileo Galilei (1564-1642) y a su innovador trabajo sobre el tema, conocido en inglés por el nombre abreviado de Two New Sciences. Galileo escribió en forma de diálogo (y de forma brillante) sin ecuaciones. En parte porque la notación matemática no existía como la conocemos ahora, pero sobre todo porque quería que su libro fuera accesible. Sólo tres sabios que pasan el tiempo hablando de los últimos avances de la ciencia.
Sin embargo, Galileo no habría utilizado la palabra cinemática (o incluso física). El mérito de la invención de esa palabra corresponde al científico y matemático francés André-Marie Ampère (1775-1836). Ampère es más conocido por sus trabajos fundamentales en electrodinámica (palabra que también inventó) y por haber dado nombre a la unidad de corriente eléctrica en su honor. Ampère no es en absoluto famoso por lo que yo estoy haciendo ahora: organizar y asignar nombres a las disciplinas y subdisciplinas de la física. Sin embargo, Ampère llevó esto al extremo e intentó la clasificación de todo el conocimiento humano (subdisciplinas de subdisciplinas de subdisciplinas de…). Antes de los trabajos de Ampère, esta rama de la mecánica no tenía nombre. Es posible que ni siquiera se considerara una rama que necesitara un nombre. Sin embargo, adaptó la palabra griega para el movimiento, κίνημα (kinema), a la palabra francesa cinématique, que se convirtió en la palabra inglesa kinematics. No inventó la palabra cine, ya que la tecnología cinematográfica no se convirtió en un negocio hasta unos 60 años después de su muerte, aunque su trabajo puede haber inspirado la palabra.
energética
En mi opinión, este esquema organizativo está incompleto. Le falta un concepto clave, posiblemente el más importante de toda la mecánica, posiblemente de toda la física, posiblemente de toda la ciencia: la energía. Como la energía surgió como concepto después de la creación de este esquema, nunca se asignó un nombre a la rama de la mecánica que se ocupa de la energía. Existe la palabra energética, pero no parece ser popular en los libros de texto de física general. El concepto equivalente en la física general se denomina termodinámica, que comenzó como el estudio del trabajo realizado por los procesos térmicos, pero se expandió hasta convertirse en la ley más general de conservación de la energía.
Energética
Estudio de la transformación y distribución de la energía durante los procesos en los sistemas.
La palabra energía en inglés se ha utilizado para representar conceptos como fuerza, eficacia, persuasión, acción, ingenio y habilidad. No adquirió su significado físico actual hasta el siglo XIX. Su origen en el griego antiguo es el prefijo εν+ (en+, dotar de cierta cualidad) y el sustantivo εργον (ergon, trabajo). Pensemos en palabras como habilitar (hacer posible), enamorar (inspirar amor), codificar (traducir en código) y poner en peligro (poner en peligro). Estos cuatro ejemplos son verbos que comienzan con el sufijo en+, pero energía es un sustantivo. Esto hace que energía sea literalmente algo así como “la capacidad de convertirse en trabajo”. El científico inglés Thomas Young (1773-1829) fue el primero en utilizar la palabra energía en el sentido moderno. Su definición es casi la misma que nuestra definición actual de energía cinética. También fue el primero en definir formalmente el trabajo como una cantidad física. También determinó que la luz es una onda.
El antiguo filósofo y científico griego Aristóteles de Estagira (384-322 a.C.) podría haber inventado la palabra que finalmente se convirtió en energía, pero su ἐνέργειά (energeia) era un término de filosofía, no de ciencia. El sentido de la palabra de Aristóteles se traduce a menudo como “actividad” o “estar trabajando en”. Se contraponía a ἕξις (exis), que significaba “posesión” o “estar en estado de”. Energeia significaba hacer. Exis significaba tener. Para asegurar la felicidad, argumenta Aristóteles, las virtudes positivas deben realizarse a través de acciones y no sólo mantenerse como creencias. Sin embargo, esto no tiene nada que ver con su significado científico actual.
El término energético es más popular fuera de la física que dentro de ella. He aquí algunos ejemplos de energética en otras ramas de la ciencia.
Energética química
El estudio de la energía en relación con las reacciones químicas. Los términos de este campo con los que algunos de ustedes pueden estar familiarizados incluyen endotérmico, exotérmico, entalpía, energía de activación y coordenadas de reacción.
Energética biológica (bioenergética)
El estudio de los intercambios de energía dentro de la célula. Los procesos de este campo con los que algunos de ustedes pueden estar familiarizados incluyen la fotosíntesis, la respiración celular, el transporte de membrana, el plegado de proteínas y la transducción de señales.
Energética fisiológica (bioenergética animal)
Estudio de las tasas de gasto energético y de las eficiencias de las transformaciones energéticas en los organismos completos. Algunos ejemplos de procesos tratados en este campo son el aumento y la pérdida de peso, el crecimiento, la curación y la termorregulación.
Energética ecológica
Estudio de la transferencia de energía de un nivel trófico a otro. El estudio de cómo la energía se mueve a través de la cadena alimentaria, la red alimentaria o el ciclo alimentario, desde los productores a los consumidores (primero los herbívoros y luego los carnívoros) y luego a los descomponedores y viceversa.
Cinética
En mecánica, es una palabra obsoleta y redundante que significa lo mismo que dinámica. La cinética es la rama de la mecánica que se ocupa del efecto que tienen las fuerzas sobre el movimiento. La forma adjetiva cinética persiste en mecánica en los términos fricción cinética y energía cinética; y en termodinámica en los términos teoría cinética del calor, teoría cinética de los gases y teoría cinética molecular.
En química, es una palabra que podría haber sido obsoleta, pero no lo fue. La cinética es la rama de la química que se ocupa de las velocidades de las reacciones químicas. Sin razón aparente, la palabra cinética química es preferida a la dinámica química (que es como creo que debería llamarse).
El sustantivo cinética y el adjetivo cinético son neologismos acuñados en algún momento del siglo XIX, derivados de la palabra griega κινητικός (kinetikos), que es una forma del sustantivo de movimiento, κίνησις (kinesis), con el doble sufijo -ικ-ός (-ik-os) para convertirlo en objeto de estudio.