La física, como cualquier otra asignatura académica, tiene reglas y conceptos clave.

Hay reglas e ideas básicas que proporcionan la base sobre la que se construye cualquier subcampo de la física, por lo que estos conceptos deben interiorizarse por completo antes de pasar a un estudio más exhaustivo de esta materia.

Para ayudarte a comprender los conceptos clave de la física, en Superprof te los explicamos todos.

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Conceptos de física: información básica

cuatro fuerzas fundamentales
Una tormenta eléctrica muestra dos fuerzas fundamentales: la gravedad y el electromagnetismo.

Las cuatro fuerzas fundamentales

Hay cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que gobiernan cada interacción física, ya sea a nivel atómico o subatómico. Las fuerzas fundamentales son la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares, tanto las débiles como las fuertes.

En primer lugar, hablemos de la gravedad. De todas las fuerzas, la gravedad es la más prevalente pero la más débil en magnitud. La fuerza de la gravedad actúa entre todos los cuerpos y su impacto depende de si la masa o masas son grandes o pequeñas.

La órbita de nuestro planeta alrededor del Sol y la órbita de la Luna alrededor de la Tierra son impulsadas por la gravedad. Las reglas y propiedades de esta fuerza se describen en la Teoría de la Relatividad de Einstein.

En segundo lugar, la interacción débil está relacionada con las fuerzas nucleares y describe la propensión a crear desintegración beta. La desintegración beta ocurre cuando un protón se transforma en un neutrón o viceversa.

Ganar o perder una carga eléctrica es vital porque permite que el átomo gravite hacia una proporción óptima de protones y neutrones, lo que le permite estar y permanecer estable, siempre que la reacción esté controlada. El fenómeno se controla a través del electromagnetismo.

En tercer lugar, el electromagnetismo es la fuerza más prevalente en nuestro mundo; es decir, podemos notar sus efectos sin tener que recurrir necesariamente a equipos de prueba para verlos. Las fuerzas electrostáticas actúan sobre las partículas en reposo, lo que significa que no se mueven. Tanto el magnetismo como la electricidad actúan sobre las partículas en movimiento.

El término electromagnetismo se acuñó a mediados del siglo XIX cuando el físico escocés James Clerk Maxwell demostró (mediante ecuaciones) que la luz, la electricidad y el magnetismo existen en el mismo medio. Además, estableció que las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz.

La última de las cuatro fuerzas, la fuerza nuclear fuerte, mantiene unidos los protones y los neutrones. Es tan fuerte que, en lugar de permitir la repulsión de partículas cargadas de manera similar, las mantiene juntas, a pesar de que se están alejando unas de otras. 

Muchos físicos creen que estas cuatro fuerzas son, de hecho, manifestaciones de una fuerza unificadora más grande aún por descubrir y nombrar.

La electricidad, el magnetismo y la fuerza débil se han fusionado en la fuerza electrodébil, pero incorporar la gravedad es todo un desafío; es la gravedad cuántica. Hasta ahora, ninguna de las teorías que podrían abordar la gravedad cuántica ha funcionado.

Las ondas transportan energía

¿Has oído hablar alguna vez de las ondas sonoras? ¿Y de las ondas sísmicas?

Estas y otras ondas tienen un efecto directo y mensurable. Las ondas sonoras se pueden escuchar, las ondas sísmicas viajan a través del suelo provocando terremotos e ¡incluso la luz viaja en ondas! Quizás un ejemplo más visible son las olas que se pueden ver desde la playa: golpean el fondo del océano, reduciendo la materia a arena fina.

¡Las ondas gravitacionales son particularmente emocionantes! Las ondas del espacio-tiempo son causadas por los procesos energéticos más explosivos de nuestro cosmos. Einstein las predijo hace más de cien años, a través de su teoría de la relatividad general.

¿Puedes imaginarte el asombro que sintieron los cosmólogos cuando se probó su existencia tras décadas de ser una mera idea?

¿De qué está compuesto el universo?

Sí, los planetas, las estrellas y la materia oscura son de lo que está hecho el universo, pero en un nivel más fundamental, está compuesto de materia y energía. 

La materia en el espacio puede ser tan pequeña como partículas de polvo o tan grande como una galaxia, y la energía toma muchas formas diferentes, como la energía gravitacional y la energía oscura postulada más recientemente. De hecho, es esta energía oscura la que se cree que causa la expansión de nuestro universo...

Tenemos materia y tenemos energía. ¡Ahora añadimos fuerza y ​​esa es la receta para cada acontecimiento cósmico! Toda evolución del universo, desde el nacimiento de una estrella hasta la explosión de una gigante roja, se reduce a esos tres factores. 

bases de la fisica
Nuestro sol se convertirá en una gigante roja en unos cuantos miles de millones de años.

Conceptos de física relacionados con la medición

El objetivo principal de la física es comprender cómo funciona nuestro universo, a nivel subatómico, en nuestro planeta y dentro del cosmos.

Esos estudios incluyen conceptos fundamentales, como la forma en la que se mueve la materia a través del espacio y el tiempo, su energía y el efecto de las fuerzas sobre esa materia.

Para explicar cómo y por qué cambia la materia, se deben realizar cálculos exactos. Sin embargo, no se puede usar la misma escala de medición para registrar la órbita de un planeta (kilómetros) que para medir una diferencia de temperatura (Kelvin, Rankin, Celsius y Fahrenheit).

Nota: EE. UU. es el único país importante que utiliza oficialmente la escala de temperatura Fahrenheit.

Sean cuales sean los estándares oficiales de medición de cualquier país, la comunidad científica registra sus hallazgos utilizando un sistema internacional de unidades de medición llamado SI, por las siglas Système Internationale d'unités.

Este sistema incluye las bases para cada tipo de medición:

  • La longitud se expresa en metros.
  • El tiempo se divide en segundos.
  • El peso (masa) se indica en kilogramos.
  • La temperatura se mide en la escala Kelvin.
  • La corriente eléctrica se indica en amperios.
  • La sustancia se mide en moles.

Naturalmente, no todo pesa al menos un kilogramo y la corriente eléctrica no siempre comienza en un amperio, por lo que entran en juego los decimales y los exponentes.

Llegó el momento de escribir ecuaciones. En lugar de registrar, digamos, un nanómetro como un 1 y 8 ceros detrás de un punto decimal (0,000000001), esa medida simplemente se denota como «n».

Ten en cuenta que, aunque el uso de prefijos ayuda a que las ecuaciones sean manejables, cada unidad expresada por un prefijo debe volver a convertirse en un valor numérico real para resolver la ecuación.

Se puede medir fácilmente la masa de un objeto o el tiempo que tarda en recorrer una cierta distancia, pero ¿qué pasa con la medición de la fuerza que lo impulsa, la energía que gasta, la frecuencia de sus ondas o su carga eléctrica? Para eso están:

  • Los julios (J) que miden la energía.
  • Los vatios (W) que miden la potencia.
  • Los pascales (Pa) que miden la presión.
  • Los newtons (N) que miden la fuerza.
  • Los hercios (Hz) que miden la frecuencia.
  • Los ohmios (Ω) que miden la resistencia eléctrica.
  • Los voltios (V) que miden la diferencia de potencial eléctrico.
  • Los culombios (C) que miden la carga eléctrica.
  • Los teslas (T) que miden la densidad de flujo magnético.
terminos clave fisica
¿Conoces las unidades del sistema internacional?

Conceptos de física: leyes y fórmulas clave

Cada acción tiene una reacción igual y opuesta.

Esa ingeniosa frase, que utilizamos a menudo en nuestro día a día, sobre todo para referirnos al karma, es en realidad la Tercera Ley del Movimiento de Newton.

Las otras dos son:

  • Un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo a menos que una fuerza externa lo motive a moverse.
  • La aceleración del momento está directamente relacionada con la fuerza aplicada.

Sir Isaac Newton, uno de los padres de la física clásica, estableció esas leyes hace más de 300 años después de una larga observación del movimiento de la materia y las fuerzas que actúan sobre ella.

Si bien parecen obvias e incluso simplistas, en el momento en que se establecieron esas leyes, había pocas reglas fundamentales que gobernaran cualquier cosa física, y mucho menos un estándar unificador para la masa en movimiento.

Albert Einstein, otra piedra angular de la disciplina que llamamos física, originó posiblemente la ecuación más famosa de todos los tiempos en su Teoría de la Relatividad Especial: E=mc2. Tan elegante y aparentemente simple como es, alberga dos verdades físicas:

  • El principio de relatividad establece que las leyes físicas se aplican por igual en todas las situaciones.
  • En el vacío, la velocidad de la luz es constante, independientemente de cualquier movimiento de la fuente de luz.

¡Lo que es absolutamente asombroso es que estas leyes hayan resistido la prueba del tiempo y hayan sido probadas una y otra vez! ¿Qué otros grandes físicos han tenido tal impacto en la física?

leyes basicas de fisica
La ley cero de la termodinámica acepta la noción de temperatura.

Las leyes de la termodinámica son las siguientes:

  • La Ley Cero hace posible la noción de temperatura.
  • La Primera Ley establece que la energía no se crea, ni se destruye, sino que se conserva.
  • La Segunda Ley describe el flujo natural del calor en un sistema cerrado.
  • La Tercera Ley establece que cualquier proceso termodinámico creado, por su propia naturaleza, sufrirá pérdida de calor, por lo que nunca logrará una eficiencia perfecta.

Estas leyes también se originaron a mediados del siglo XVII y siguen siendo válidas hoy en día, todo un testimonio de la curiosidad humana y las mentes brillantes que las concibieron.

Leyes electrostáticas

Hay dos leyes que gobiernan la creación de campos y fuerzas electrostáticos de partículas cargadas eléctricamente:

  • La ley de Coulomb, que establece que los objetos con cargas similares se repelen entre sí y los opuestos se atraen, y describe las fuerzas expresadas a partir de dicha atracción o repulsión.
  • La ley de Gauss describe la distribución de una carga eléctrica a través del campo eléctrico que crea.

Se llaman así por sus autores: Charles Coulomb fue un físico francés y Carl Friedrich Gauss, un matemático alemán.

Extendiéndose por todas las nacionalidades y abarcando siglos, el estudio de nuestro mundo físico, incluso a nivel subatómico, debe necesariamente seguir reglas y estándares.

¡Ahora ya comprendes los conceptos clave sobre física para seguir aprendiendo!

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Marisol

Traductora y correctora. Lectora empedernida. Me encanta viajar, la música y vivir nuevas experiencias.