1.2 El alcance de la Física

Puede parecer que las galaxias y átomos están muy alejados de tu vida diaria, pero a medida que comienzas a explorar este vasto tema, pronto te darás cuenta de que la física juega un papel mucho más importante de lo que creías, sin importar los objetivos de tu vida, o elección de carrera.

La física está dedicada a la comprensión de todos los fenómenos naturales. En la física, tratamos de comprender los fenómenos físicos en todas las escalas, desde el mundo de las partículas subatómicas hasta el universo entero. A pesar de la amplitud del tema, los diversos subcampos de la física comparten un núcleo común. La misma formación básica en física te preparará para trabajar en cualquier área de la física y las áreas relacionadas de ciencia e ingeniería. En esta sección, investigamos el alcance de la física; las escalas de longitud, masa y tiempo durante las cuales las leyes de la física han demostrado ser aplicables; y el proceso por el cual opera la ciencia en general, y la física en particular. Dale otro vistazo a la imagen de apertura de capítulo. La galaxia Whirlpool contiene miles de millones de estrellas individuales y enormes nubes de gas y polvo. Su galaxia compañera también es visible a la derecha. Este par de galaxias se encuentran en un asombroso billón de billones de millas (1.4 × 1021 mi) de nuestra propia galaxia (que se llama la Vía Láctea). Las estrellas y los planetas que componen la Galaxia Whirlpool pueden parecer lo más alejado de la vida cotidiana de la mayoría de la gente, pero la Whirlpool es un gran punto de partida para pensar en las fuerzas que mantienen unido al universo. Se cree que las fuerzas que causan que la Galaxia Whirlpool actúe como lo hace, son las mismas fuerzas con las que lidiamos aquí en la Tierra, ya sea que planeemos enviar un cohete al espacio o simplemente levantar las paredes para un nuevo hogar.

Se cree que la gravedad que causa que las estrellas de la Galaxia Whirlpool giren y giren es la misma que hace que el agua fluya sobre las represas hidroeléctricas aquí en la Tierra. Cuando miras hacia las estrellas, date cuenta de que las fuerzas que existen son las mismas que aquí en la Tierra. A través de un estudio de física, puedes obtener una mayor comprensión de la interconexión de todo lo que podemos ver y conocer en este universo. Piensa, ahora, sobre todos los dispositivos tecnológicos que usas regularmente. Podrían venir a la mente computadoras, teléfonos inteligentes, sistemas de posicionamiento global (GPS), reproductores de MP3 y radio satelital. Luego, piensa en las tecnologías modernas más interesantes de las que has oído hablar en las noticias, como los trenes que levitan por encima de las vías, las "capas de invisibilidad" que doblan la luz a su alrededor y los robots microscópicos que combaten las células cancerosas en nuestros cuerpos. Todos estos avances revolucionarios, comunes o increíbles, se basan en los principios de la física. Además de jugar un papel importante en la tecnología, profesionales como ingenieros, pilotos, médicos, fisioterapeutas, electricistas y programadores de computadoras aplican conceptos de física en su trabajo diario. Por ejemplo, un piloto debe comprender cómo las fuerzas del viento afectan una trayectoria de vuelo; un fisioterapeuta debe comprender cómo los músculos en el cuerpo experimentan fuerzas a medida que se mueven y se doblan. Como aprenderás en este texto, los principios de la física están impulsando nuevas y emocionantes tecnologías, y estos principios se aplican en una amplia gama de carreras. El orden subyacente de la naturaleza hace que la ciencia en general, y la física en particular, sean interesantes y agradables de estudiar. Por ejemplo, ¿qué tienen en común una bolsa de papas fritas y una batería de automóvil? Ambos contienen energía que se puede convertir a otras formas.

La ley de la conservación de la energía (que dice que la energía puede cambiar de forma pero nunca se pierde) vincula temas tales como calorías de alimentos, baterías, calor, luz y muelles de observación. Comprender esta ley hace que sea más fácil aprender sobre las diversas formas que toma la energía y cómo se relacionan entre sí. Aparentemente, temas no relacionados están conectados a través de leyes físicas ampliamente aplicables, lo que permite una comprensión más allá de la mera memorización de listas de hechos. La ciencia consiste en teorías y leyes que son las verdades generales de la naturaleza, así como el cuerpo de conocimiento que abarcan. Los científicos intentan continuamente expandir este cuerpo de conocimiento y perfeccionar la expresión de las leyes que lo describen. La física, que proviene del griego phúsis, que significa "naturaleza" , se refiere a describir las interacciones de la energía, la materia, el espacio y el tiempo para descubrir los mecanismos fundamentales que subyacen a cada fenómeno. Esta preocupación por describir los fenómenos básicos en la naturaleza define esencialmente el alcance de la física. La física tiene como objetivo comprender el mundo que nos rodea en el nivel más básico. Hace hincapié en el uso de un pequeño número de leyes cuantitativas para hacer esto, lo que puede ser útil para otros campos que impulsan los límites de rendimiento de las tecnologías existentes. Considera un teléfono inteligente (Figura 1.2). La física describe cómo la electricidad interactúa con los diversos circuitos dentro del dispositivo. Este conocimiento ayuda a los ingenieros a seleccionar los materiales adecuados y el diseño del circuito al construir un teléfono inteligente. El conocimiento de la física subyacente a estos dispositivos es necesario para reducir su tamaño o aumentar su velocidad de procesamiento. O piense en un GPS. La física describe la relación entre la velocidad de un objeto, la distancia sobre la que viaja y el tiempo que lleva recorrer esa distancia.

Cuando usas un GPS en un vehículo, se basa en ecuaciones de física para determinar el tiempo de viaje de un lugar a otro.

Figura 1.2. El iPhone de Apple es un teléfono inteligente común con una función de GPS. La física describe la forma en que la electricidad fluye a través de los circuitos de este dispositivo. Los ingenieros usan sus conocimientos de física para construir un iPhone con características que los consumidores disfrutarán. Una característica específica de un iPhone es la función de GPS. Un GPS usa ecuaciones de física para determinar el tiempo de conducción entre dos ubicaciones en un mapa.

El conocimiento de la física es útil en situaciones cotidianas, así como en profesiones no científicas. Puede ayudarte a comprender cómo funcionan los hornos de microondas, por qué no deben colocarse metales y por qué podrían afectar los marcapasos. La física te permite comprender los peligros de la radiación y evaluar estos peligros de forma racional y más fácil. La física también explica la razón por la cual un radiador de automóvil negro ayuda a eliminar el calor en el motor de un automóvil, y explica por qué un techo blanco ayuda a mantener fresco el interior de una casa.

Del mismo modo, la operación del sistema de encendido de un automóvil y la transmisión de señales eléctricas a través del sistema nervioso de nuestro cuerpo son mucho más fáciles de entender cuando se piensa en ellos en términos de física básica. La física es un elemento clave de muchas disciplinas importantes y contribuye directamente a las demás. La química, por ejemplo, que se ocupa de las interacciones de átomos y moléculas, tiene estrechos vínculos con la física atómica y molecular. La mayoría de las ramas de la ingeniería se preocupan por el diseño de nuevas tecnologías, procesos o estructuras dentro de las limitaciones establecidas por las leyes de la física. En arquitectura, la física está en el corazón de la estabilidad estructural y está involucrada en la acústica, el calentamiento, la iluminación y el enfriamiento de los edificios. Algunas partes de la geología dependen en gran medida de la física, como la datación radioactiva de rocas, el análisis de terremotos y la transferencia de calor dentro de la Tierra. Algunas disciplinas, como la biofísica y la geofísica, son híbridos de la física y otras disciplinas. La física tiene muchas aplicaciones en las ciencias biológicas. En el nivel microscópico, ayuda a describir las propiedades de las células y sus entornos. En el nivel macroscópico, explica el calor, el trabajo y la potencia asociados con el cuerpo humano y sus diversos sistemas orgánicos. La física participa en diagnósticos médicos, como radiografías, imágenes de resonancia magnética y mediciones de flujo sanguíneo ultrasónico. La terapia médica a veces involucra la física directamente; por ejemplo, la radioterapia contra el cáncer utiliza radiación ionizante. La física también explica los fenómenos sensoriales, como la forma en que los instrumentos musicales hacen el sonido, cómo el ojo detecta el color y cómo los láseres transmiten información. No es necesario estudiar todas las aplicaciones de la física formalmente.