La física clàssica és la idònia per resoldre tots els problemes tècnics de caràcter humà, així com també ho és per explicar les estructures del sistema solar i de l'univers oferint respostes que no satisfan completament tots els dubtes cosmològics.
Avui vam voler donar-te informació molt completa sobre la física clàssica perquè puguis tenir una noció molt més real sobre els diferents qüestionaments que sorgeixen al voltant d'aquesta meravellosa ciència, com es diferencia de la física moderna i quines són les principals branques d'estudi, aplicacions i límits.
física clàssica
Aquest terme s'empra per anomenar la física existent abans de l'aparició de la mecànica quàntica. Inclou diferents branques essencials d'estudi com la termodinàmica, l'òptica, l'acústica, l'electromagnetisme i la mecànica, entre d'altres. També se sol anomenar física clàssica a la desenvolupada abans de la consolidació dels grans canvis conceptuals de la física moderna; en termes històrics, molts autors consideren que la física clàssica abasta els desenvolupaments anteriors a 1900, mentre que la física moderna comprèn els avenços des de 1900 en endavant. L'arribada de la mecànica quàntica i de la teoria de la relativitat va fer que la considerada física clàssica tingués una nova perspectiva i quedés delimitada a determinats rangs de velocitat, mida i energia.
Des d'un punt de vista més tècnic, la física clàssica es basa en principis deterministes : si coneixem l'estat actual d'un sistema físic (posició, velocitat, forces que actuen, etc.) podem predir amb precisió el seu estat futur mitjançant lleis matemàtiques. En aquest marc, el comportament dels cossos no depèn de l‟atzar, sinó de causes ben definides.
Es distingeixen dos grans enfocaments dins de la física clàssica:
- Física clàssica newtoniana (prerelativista), basada en les lleis de Newton, adequada per descriure el moviment de cossos a velocitats baixes en comparació amb la velocitat de la llum ia escales quotidianes.
- Física clàssica relativista, que incorpora la teoria de la relativitat especial i general, però que segueix sent clàssica en el sentit que no utilitza conceptes quàntics. Descriu amb precisió fenòmens a velocitats properes a la de la llum i camps gravitatoris intensos, tot mantenint una visió contínua de l'espai i del temps.
En síntesi, quan parlem de física clàssica ens referim a les teories que descriuen amb gran precisió fenòmens a velocitats menors que la de la llum ia escala macroscòpica (planetes, màquines, fluids, estructures, etc.), i que continuen sent imprescindibles en enginyeria, construcció, acústica, òptica tradicional i multitud de processos.
física moderna
Per fer un parèntesi abans de procedir a explicar les diferents branques de la física clàssica cal diferenciar-la de la física moderna. Aquesta darrera sorgeix quan els models clàssics resulten insuficients per explicar certs fenòmens, com ara la radiació emesa pels cossos calents, l'efecte fotoelèctric o el comportament dels àtoms i les partícules elementals.
Max Planck comença les seves investigacions del “quant” energètic en estudiar com l'energia no s'emet de manera contínua, sinó en paquets discrets anomenats quants. Aquestes idees obren el camí a la mecànica quàntica, que explica que l'energia i la matèria presenten un comportament dual (de vegades com a partícules i de vegades com a ones) i que hi ha límits a la precisió amb què podem mesurar certes magnituds físiques.
És aleshores que neix aquesta nova branca de la física que busca estudiar les variacions que hi ha als àtoms, els diferents comportaments que li succeeixen a la matèria i les forces que regeixen a totes dues. La física moderna estudia els fenòmens que succeeixen a escales extremes: velocitats properes a la de la llum, dimensions microscòpiques o subatòmiques i energies molt altes o molt baixes.
Així mateix, les problemàtiques emergents no podien ser resoltes amb plantejaments de la física clàssica, per la qual cosa calia el replantejament de les investigacions i premisses clàssiques . La física moderna adopta conceptes com probabilitat, incertesa i espai-temps corb per adaptar l'estudi de la natura a aquestes noves escales.
Tot i que la física clàssica i la moderna es diferencien, no se n'exclouen. En els rangs de velocitat i mida habituals a la vida diària, les equacions clàssiques segueixen sent altament precises i pràctiques ; la física moderna es reserva per a aquells fenòmens on les teories clàssiques deixen de funcionar.
Diferències entre física clàssica i física moderna
Per comprendre millor què estudia la física clàssica, convé comparar-la amb la física moderna des de diversos aspectes clau:
- Escala d'estudi: La física clàssica se centra en sistemes macroscòpics, com ara planetes, fluids, màquines, estructures o projectils. La física moderna, en canvi, posa el focus a àtoms, partícules elementals i el cosmos a gran escala, així com en fenòmens subatòmics.
- Rang de velocitats: La física clàssica descriu moviments a velocitats molt inferiors a la velocitat de la llum. La física moderna, amb la relativitat, analitza situacions on les velocitats s'acosten a la llum i on els efectes relativistes són significatius.
- Caràcter determinista o probabilista: La física clàssica és fonamentalment determinista: el futur d'un sistema tancat depèn únicament del seu estat present. La física moderna, especialment la quàntica, introdueix la incertesa i la probabilitat com a elements bàsics en descriure els estats dun sistema.
- Noció despai i temps: A la física clàssica, l'espai i el temps es consideren independents i absoluts. En la física moderna, es conceben com a relatius i units en una entitat anomenada espai-temps, que es pot corbar en presència de massa i energia.
- Tipus de fenòmens que explica: La física clàssica aborda amb èxit fenòmens com la gravetat a escala humana, l'electricitat, el magnetisme i el comportament de fluids. La física moderna s'ocupa de interaccions fonamentals expressades a través de camps i partícules (com fotons, bosons o fermions) i aprofundeix en lestructura íntima de la matèria.
- Aplicacions principals: Els models clàssics són la base de la enginyeria, construcció, mecànica, acústica i òptica tradicional. Els models moderns fan possible la electrònica, els semiconductors, l'energia nuclear, la física de partícules i la cosmologia avançada.
Quines són les branques de la física clàssica?
Per a un millor estudi de la ciència, s'ha classificat al llarg del temps quines en són les branques principals. Així, l'ésser humà s'ha pogut exercir millor en aquestes àrees de manera òptima i comunicar al món els nous avenços en aquests estudis. Dins la física clàssica, les branques més importants són: acústica, mecànica, electromagnetisme, mecànica de fluids, òptica i termodinàmica.
acústica
L'orella humana està dissenyada per percebre ones, ones que han de ser sotmeses a un procés d'estudi que en demostri les longituds i les capacitats. És per això que neix l'acústica, aquesta branca de la física clàssica està encarregada d' estudiar totes les vibracions d'ona mecànica que es propaguen a través d'un medi material (aire, aigua, sòlids) per ser interpretades finalment com a sons.
L'estudi de l'acústica involucra la música, els fenòmens geològics, els submarins i els atmosfèrics; en línies generals, aquesta branca de la física està encarregada d'estudiar els sons que s'emeten al camp terrestre , incloent-hi l'infrasò (freqüències més baixes que les que l'oïda humana pot percebre) i l'ultrasò (freqüències més altes).
A més, l'acústica s'aplica a àmbits tan diversos com:
- Enginyeria acústica per al disseny de sales de concerts, auditoris i estudis d'enregistrament amb una qualitat sonora òptima.
- Acústica arquitectònica, encarregada de controlar la propagació del so en edificis, escoles, habitatges i oficines.
- Acústica subaquàtica, clau en la comunicació entre submarins, en l'exploració de l'oceà i l'estudi de la vida marina.
- Acústica ambiental, que s'ocupa de la contaminació acústica i de la regulació del soroll en entorns urbans.
D'altra banda, hi és present la psicoacústica , que s'encarrega d'estudiar els efectes a nivell físic i psicològic que sorgeixen en els sistemes biològics davant de la percepció del so, analitzant com el cervell interpreta la intensitat, el to, el timbre i la localització espacial de les fonts sonores.
Mecànica
Aquesta branca està relacionada amb els cossos físics quan es veuen sotmesos a les forces de desplaçament i, per descomptat, amb els efectes que sorgeixen en ser sotmesos a les forces esmentades. S'ocupa de descriure com i per què es mouen els objectes o per què romanen en repòs.
És considerada una subdisciplina que s'ocupa de l'estudi dels fenòmens físics que ocorren als objectes que són sotmesos a les forces físiques, tant de les partícules que es troben en estat de repòs com d'aquelles que estan en moviment, sempre que la velocitat sigui significativament menor a la de la llum.
Dins la mecànica clàssica es distingeixen diverses àrees:
- Mecànica estàtica: estudia els cossos en equilibri, és a dir, quan la suma de forces i moments és nul·la.
- Mecànica cinemàtica: descriu el moviment sense considerar-ne les causes, analitzant trajectòries, velocitats i acceleracions.
- Mecànica dinàmica: relaciona el moviment amb les forces que ho produeixen, utilitzant principalment les lleis de Newton.
Les seves aplicacions comprenen l' enginyeria mecànica, el disseny de maquinària, la predicció de trajectòries de projectils i vehicles , així com l'anàlisi d'estructures i l'estudi de moviments a l'esport oa la biomecànica del cos humà.
electromagnetisme
El magnetisme i lelectricitat són provinents de forces electromagnètiques; aleshores l'electromagnetisme és la branca de la física clàssica que descriu com és el procés d' interacció entre l'electricitat i el magnetisme en forma de camps i forces.
Per conèixer a profunditat aquesta branca cal recalcar que el camp magnètic es crea a través d'un corrent elèctric en moviment, i aquest camp magnètic és capaç d' induir corrent elèctric o, si no, el moviment de càrrega. Aquesta interrelació es formalitza a les equacions de Maxwell, que unifiquen la descripció dels fenòmens elèctrics, magnètics i òptics clàssics.
Principalment, en els seus orígens, l'electromagnetisme era considerat com l'estudi dels fenòmens que passaven al voltant dels llampecs i de la radiació que es produïa com un efecte lumínic. Amb el temps es va entendre que la llum és una ona electromagnètica que es propaga a través de lespai, relacionant així electricitat, magnetisme i òptica.
Així mateix, el magnetisme era capaç d'estar present en objectes com les brúixoles per fer una guia del camí, antigament era utilitzada a aquest efecte. Aquests dispositius es basen en la interacció entre imants i el camp magnètic terrestre.
El fenomen de les partícules en repòs va ser observat per cultures antigues; per exemple, la cultura romana va observar que en fregar una pinta s'atreien petites partícules, i altres pobles van notar efectes similars amb materials com l'ambre. En síntesi, es va arribar a la conclusió que les càrregues del mateix signe es repel·leixen i les de signe oposat s'atreuen , principis bàsics de l'electrostàtica clàssica.
Actualment, l'electromagnetisme clàssic és imprescindible per comprendre i dissenyar circuits elèctrics, motors, generadors, antenes, sistemes de telecomunicacions i dispositius electrònics tradicionals , entre moltes altres tecnologies.
Mecànica dels fluids
Aquesta branca de la física clàssica estudia el flux existent dels líquids i dels gasos, d'aquesta branca se'n desprenen altres subdisciplines com la hidrodinàmica i l'aerodinàmica , que analitzen respectivament el moviment de líquids i de gasos.
La mecànica de fluids s'aplica en les disciplines següents: càlcul de les forces que s'apliquen als avions (disseny d'ales, fuselatges i controls de vol), estudi del transport de petroli i gas en canonades , disseny de sistemes de ventilació i climatització, optimització de bombes i turbines, així com en la predicció de factors climàtics.
En aquesta branca s'analitzen propietats com la pressió, la viscositat, la densitat i la velocitat del flux , permetent modelar des del flux sanguini al cos humà fins al comportament de l'atmosfera.
òptica
Aquesta branca de la física clàssica s'ocupa de l'estudi dels fenòmens visuals i les propietats de la llum , incloent-hi les possibles interaccions amb la matèria. Analitza com la llum es propaga, es reflecteix, es refracta, es dispersa i s'absorbeix a diferents mitjans.
Descriu tots els processos que tenen lloc a la llum visible, la ultraviolada i la infraroja. Això és degut a que la llum principalment és una ona electromagnètica com els raigs X, el microones i les pròpies ones de ràdio, que presenten característiques comunes encara que amb diferents freqüències i energies.
L'òptica clàssica es divideix, a grans trets, en:
- Òptica geomètrica, que estudia la propagació de la llum com a raigs rectilinis i explica el funcionament de lents, miralls i sistemes de formació d'imatges.
- Òptica física, que considera la naturalesa ondulatòria de la llum i analitza fenòmens com la interferència, la difracció i la polarització.
Aquesta branca és fonamental per a moltes disciplines com ara la medicina (endoscopis, làsers quirúrgics, sistemes de diagnòstic per imatge), la fotografia, l'astronomia (telescopis i observatoris), l'enginyeria (sensors i fibres òptiques) i la comunicació (transmissió de dades a través de cables de fibra òptica).
termodinàmica
Continuem amb la termodinàmica, aquesta branca de la física estudia els efectes del treball, lenergia i la calor dun sistema en específic. És una branca de la física relativament nova dins del conjunt clàssic , ja que es desenvolupa amb força a partir de l'estudi de les màquines de vapor i dels processos de conversió de calor a treball mecànic. En síntesi, la termodinàmica s'encarrega d'observar, descriure i mesurar els fenòmens que succeeixen quan l'energia es transforma.
Les petites interaccions de gas que succeeixen a escala microscòpica són denominades o descrites per la teoria cinètica dels gasos . Són termes que es relacionen entre si per poder complementar els mètodes que descriuen la termodinàmica macroscòpica i la teoria cinètica.
Hi ha lleis fonamentals que regeixen la termodinàmica, entre les quals hi ha l'anomenada primera llei (conservació de l'energia en forma de calor i treball) , la segona llei (entropia i direcció natural dels processos) i la llei zero o llei zeroth (definició i transitivitat de la temperatura). Aquests principis permeten entendre perquè alguns processos són irreversibles, quina és la màxima eficiència teòrica d'una màquina tèrmica o com s'equilibren els sistemes en intercanviar calor.
La termodinàmica clàssica s'aplica al disseny de motors de combustió, centrals tèrmiques, sistemes de refrigeració i climatització , així com a l'estudi de canvis de fase (fusió, evaporació, condensació) i en molts processos industrials on es manipulen energia i calor.
Tot i que la física moderna hagi ampliat l'horitzó del coneixement, la física clàssica continua sent una eina imprescindible en la formació científica i tècnica, ja que proporciona els conceptes bàsics que permeten comprendre el món a escala humana i donen suport a la majoria de tecnologies quotidianes.
Després de conèixer les seves branques, queda clar que la física clàssica no és una disciplina obsoleta, sinó el pilar sobre el qual recolzen l'enginyeria, moltes ciències aplicades i també les teories modernes , oferint un llenguatge comú per descriure la matèria, l'energia i les seves interaccions.