Ramas de la física

campos de la física

La física es la parte del conocimiento humano que se dedica a estudiar y modelar los distintos fenómenos que tienen lugar en nuestro universo. Esta ciencia es muy amplia y por esta razón se ha dividido en distintas ramas. Los físicos escogen una de estas áreas cuando acaban la carrera y se especializan en ella. 

Cuáles son las ramas de la física

La física se divide en distintas ramas para poder facilitar el proceso de aprendizaje. Es importante remarcar que hemos hecho una selección de las áreas de la física más relevantes. No obstante, muchas de ellas conviven entre si. Es decir, no existe una separación total.

Seguramente, a medida que vayamos profundizando más y más en nuestro universo irán saliendo nuevas ramas de la física. Muchos de los campos existentes hoy en día en las ciencias físicas surgieron durante el siglo XX, es decir, no tienen más de un siglo de antigüedad.

Mecánica clásica

El campo de la mecánica clásica se basa en las leyes que postuló Newton en su libro Principia Mathematica en el año 1687. Estas famosas leyes físicas describen el movimiento de los cuerpos y las fuerzas que se ejercen sobre estos. 

En este campo de las ciencias físicas también se incluyen las reformulaciones de la mecánica clásica conocidas como mecánica Hamiltoniana y mecánica Lagrangiana que generalizan las leyes de Newton y en muchos casos, estas reformulaciones son más útiles ya que facilitan los cálculos.

Dentro de esta rama de la física se incluyen subramas que también son necesarias mencionar ya que han sido vitales para la formulación moderna de la física. Estas son:

Cinemática

La cinemática es el estudio de las leyes de movimiento de los cuerpos. Su objetivo es predecir la posición, velocidad y aceleración de los cuerpos de estudio. Algunos ejemplos de leyes que estudia la cinemática son el movimiento rectilíneo uniforme (MRU), movimiento rectilíneo uniforme acelerado (MRUA), trayectorias parabólicas o el movimiento armónico simple, básico en el estudio de resortes o péndulos. 

Dinámica

Hemos visto que la cinemática estudia el movimiento de los cuerpos, pero sin entender que es lo que genera este desplazamiento de los cuerpos. La dinámica es el campo de la física clásica que estudia las fuerzas que se generan sobre los cuerpos. La ecuación principal es la que nos proporciona la segunda ley de Newton, la famosa F=ma. A partir de esta expresión podemos analizar las fuerzas sobre objetos y las aceleraciones necesarias para generar dicha fuerza. 

Estática

La estática es la rama de la mecánica de sistemas clásicos que estudia las fuerzas que actúan sobre sistemas rígidos que se encuentran en equilibrio, es decir, que su aceleración es nula al no actuar sobre ellos fuerzas externas.

Mecánica cuántica

La mecánica cuántica es la parte de la física que estudia el mundo más pequeño del universo, es decir, al mundo atómico y subatómico. Para ello, utiliza la famosa ecuación de Schrödinger que describe la evolución temporal de un sistema cuántico. 

La física cuántica tiene muchas aplicaciones dentro de las mismas ciencias físicas y de la tecnología. Es esencial en la mecánica cuántica relativista, en teoría cuántica de campos, en química cuántica y en el estudio de la materia condensada.

En el mundo de la tecnología también tiene una gran utilidad. Es esencial en computación cuántica o en diversas áreas de la nanotecnología.

Relatividad

La relatividad es el campo de la física que incluyen dos de las aportaciones más importantes de la física moderna hecha por el famoso físico Albert Einstein.

En esta se incluyen la relatividad especial y la relatividad general.

Relatividad especial

La relatividad especial nos dice que dos observadores pueden presenciar realidades distintas. Por lo tanto, magnitudes físicas que se creían absolutas, como, por ejemplo, el tiempo pasan a ser relativas. 

Esta disciplina de la física también estudia las relaciones matemáticas entre observadores con distintos puntos de coordenadas a través de lo que se conocen como transformaciones de Lorentz. Las leyes físicas de dos observadores con diferente punto de vista de la realidad, no cambian bajo estas transformaciones matemáticas. Son invariantes Lorentz.

Por ejemplo, las leyes de Newton no dependen de las coordenadas del observador, son universales e independientes del punto de vista de la persona.

Relatividad general

La relatividad general generaliza la relatividad especial y añade a la ecuación el tiempo. Nos dice que el tiempo y el espacio forman parte del mismo conjunto que se conoce como espacio-tiempo.

La base de la relatividad general son las ecuaciones de campo de Einstein que relacionan la densidad de un objeto con la deformación que causa en el espacio tiempo.

Da explicación a la gravedad, que la trata como la consecuencia geométrica de la curvatura del tejido del espacio-tiempo.

Para comprender esta disciplina es necesario conocimientos matemáticos avanzados de geometría diferencial, álgebra tensorial y topología.

Termodinámica

La termodinámica estudia las transferencias de energía y más concreto de calor y el trabajo que se puede generar con esta. La termodinámica estudia los sistemas a nivel macroscópica y de su estudio deriva las tres famosas leyes de la termodinámica.  

El primer principio de la termodinámica postula que la energía ni se crea ni se destruye solo se transforma. Es el principio de conservación de la energía o que es lo mismo, la energía interna de un sistema cerrado no varia.

La segunda ley de la termodinámica trata uno de los términos más difíciles de entender, la entropía. Este principio dice que la energía total del universo siempre crece. Es posible que localmente la entropía disminuya gracias a la aportación de energía externa. No obstante, la entropía total del universo siempre aumenta.

La tercera ley de la termodinámica dice que es imposible alcanzar el cero absoluto (-273.15 ºC).

El campo de la termodinámica utiliza estos principios como base para derivar el resto de ecuaciones.

Física estadística

La física estadística es el estudio de los sistemas físicos des de un punto de vista microscópico y estadístico. Podríamos decir que es la versión microscópica de la termodinámica.

Como hemos visto previamente, la termodinámica estudia las magnitudes a nivel macroscópico. En la física estadística vemos estas magnitudes como un promedio de lo que sucede a nivel molecular.

Por ejemplo, la temperatura la podemos ver como una media de la velocidad cinética que tienen las partículas. Por lo tanto, haciendo un promedio de esta energía podemos obtener la variable macroscópica que seria la temperatura.

Otro ejemplo es la entropía. A nivel molecular la entropía se define como una magnitud proporcional al numero de microestados de un sistema. Por lo tanto, haciendo uso de la mecánica estadística podemos calcular todos los microestados de un sistema y obtener la variable macroscópica, que en este caso es la entropía.

Si a la física estadística le aplicamos las leyes de la mecánica cuántica entonces tenemos la mecánica estadística cuántica.

Óptica

La óptica es el campo de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de la luz en diferentes situaciones. 

Algunos de estos fenómenos son la refracción, la reflexión o la dispersión de los fotones al interaccionar con la materia.

La óptica tiene muchas aplicaciones en nuestro día a día. Por ejemplo, nuestras gafas o los microscopios que se usan en los laboratorios de todo el mundo son posibles gracias a esta rama de la ciencia.

También es fundamental para que yo pueda escribir esta publicación y tu leerla ya que sus principios son los que hacen posible la transferencia de información a través de la fibra óptica.

Acústica

La acústica es el estudio de la propagación de ondas mecánicas a través de diferentes medios. Básicamente consiste en entender el comportamiento de los sonidos y los ultrasonidos y cómo afectan a los cuerpos.

Dentro de esta rama de la física existen distintas subramas dependiendo del área de la ciencia donde se apliquen las leyes de la acústica. Algunas de ellas son:

Bioacústica

Estudia los distintos mecanismos por los cuales los animales utilizan los sonidos para interactuar con su medio. Por ejemplo, los murciélagos utilizan ultrasonidos para orientarse, los delfines emisiones sonoras de baja y alta frecuencia para la ecolocalización o los perros ladridos para comunicarse. 

Aeroacústica

La aeroacústica investiga los sonidos generados por flujos de fluidos turbulentos. Una aplicación habitual es intentar reducir el sonido generado en aeropuertos por los aviones y disminuir el estrés que pueden generar dichos sonidos a los habitantes de lugares cerca de los aeropuertos. 

Electroacústica

La rama de la electroacústica estudia la transformación de impulsos eléctricos en sonidos y viceversa. Es esencial para poder diseñar altavoces o micrófonos de calidad. 

Acústica musical

La acústica musical intenta comprender la física de los sonidos. Entender como estos se propagan a través de los instrumentos o de las voces humanas. De esta forma se pueden mejorar los instrumentos musicales y conseguir mejor calidad de sonido.

Mecánica de fluidos

Esta área de la ciencia se encara de estudiar el comportamiento de los líquidos y gases en movimiento y en reposo. El movimiento de los fluidos puede ser descritos utilizando las famosas ecuaciones de Navier-Stokes. 

Con estas ecuaciones se pueden describir fenómenos de alta complejidad como la dinámica de la atmosfera, de las corrientes oceánicas o el flujo de aire generado por los aviones.

Las ecuaciones de Navier-Stokes son muy complejas y no existen soluciones analíticas para ella. Es por eso que se debe hacer uso de cálculos numéricos para aproximar las soluciones de dichos problemas.

Meteorología

La meteorología es el campo de la física que estudia el tiempo a través de la física de fluidos aplicada a la atmosfera. A través de complicados cálculos, muchas veces realizados en superordenadores, se puede aproximar el comportamiento del viento o las nubes pudiendo predecir con bastante acierto el tiempo que hará en los próximos días. 

Biofísica

La biofísica es el área del conocimiento que combina los conocimientos de la biología y de la física para comprender distintos fenómenos que ocurren en los seres vivos.

Los expertos en esta rama de la física tienen que entender muy bien la relación entre estas dos disciplinas científicas para llegar a comprender al detalle los procesos bioquímicos que tienen lugar en los organismos vivos. Existen diferentes ramas dentro de la biofísica. Veamos algunos ejemplos.

Biología estructural

La biología estructural hace uso de superordenadores para llevar a cabo cálculos complejos y simular la dinámica de proteínas o de material genético. Algunas aplicaciones de la biología estructural es el diseño de enzimas o fármacos. 

Bioenergética

La bioenergética tiene como objetivo estudiar la transferencia energética que tiene lugar a través de las distintas rutas metabólicas. La generación de moléculas energéticas como el ATP o la utilización de esta para llevar a cabo todas las funciones vitales son objetos de estudio de esta disciplina.

Cosmología

La cosmología es el área del conocimiento que tiene como objetivo comprender el nacimiento y la evolución de nuestro universo. La cosmología hace uso de otras ramas de las ciencias físicas como la astronomía o la astrofísica para describir el comportamiento del universo como conjunto.

Astrofísica

La astrofísica hace uso de teorías de la física teórica como la relatividad general o la mecánica estadística para describir los objetos astronómicos. La creación o muerte de las estrellas es un campo importante de la astrofísica. 

Aunque seguramente uno de los más apasionantes es el estudio de objetos tan misteriosos como los agujeros negros o la existencia de otros mundos accesibles a través de agujeros de gusano.

Física química

La física química es el área de la ciencia que utiliza los modelos físicos para estudiar los sistemas químicos. Es muy común utilizar la mecánica cuántica y la física estadística para estudiar las reacciones químicas y entender como funcionan los mecanismos de catálisis. 

Esta rama también tiene una alta aplicación en la biología estructural donde se hace uso de métodos cuánticos para el estudio y optimización de reacciones enzimáticas.

Física matemática

La física matemática es el área de la ciencia que tiene como objetivo encontrar herramientas matemáticas que sirvan para describir los fenómenos físicos

Por ejemplo, la relatividad general hace uso de herramientas complejas de las matemáticas como la geometría diferencial o el algebra de tensores.

Otros campos de la física como la teoría cuántica de campos utilizan la teoría de perturbaciones o el algebra abstracta de grupos para modelar las interacciones fundamentales de la naturaleza.

Física nuclear

La física nuclear tiene como objetivo comprender el comportamiento de los núcleos atómicos y la energía que generan. Entender la fisión nuclear permitió crear las centrales nucleares y generar energía en ellas.

Ahora, uno de las metas principales de la física de altas energías es llegar a dominar la fusión nuclear ya que es un tipo de energía mucho más limpia que la fisión nuclear que hemos usado hasta la fecha.

Física de partículas o de altas energías

La física de partículas es la rama de la física que estudia las distintas partículas fundamentales y su comportamiento. Hace uso del modelo estándar para entender la evolución de estas partículas. 

Las interacciones entre partículas se estudian utilizando la teoría cuántica de campos que describe las partículas fundamentales como excitaciones de campos cuánticos.

En el CERN se llevan a cabo experimentos para intentar entender estas partículas más fundamentales des de un punto de vista empírico y de esta forma confirmar o descartar lo modelos teóricos que existen.

Geofísica

La geofísica es la rama del conocimiento que utiliza la física para comprender los fenómenos de nuestro planeta, el planeta Tierra.

Algunas de las principales aplicaciones de la geofísica es el estudio de los terremotos y la propagación de las ondas por la capa terrestre, el estudio de la dinámica de placas o los procesos de radiación y generación de calor inducidos por eventos como los volcanes.

Electromagnetismo

El electromagnetismo es el estudio de los campos eléctricos y magnéticos y del comportamiento de las partículas que se encuentran en estos.

Las leyes de Maxwell unifican los distintos estudios sobre electromagnetismo que existían y nos permiten describe de manera clásica las fuerzas de los campos eléctricos y magnéticos y hacer predicciones de como son afectados los cuerpos que se encuentren inmersos en estos campos.

Más adelante, a partir de la versión clásica de campos se desarrolló la versión cuántica de campos naciendo la rama que estudia el electromagnetismo a nivel cuántico: la electrodinámica cuántica.

La electrodinámica cuántica es una de las teorías más precisas que tenemos hoy en día llegando a una precisión con los estudios experimentales de hasta once decimales. 

Teoría de cuerdas

La teoría de cuerdas es el área de la física que propone que todo esta formado por pequeñas cuerdas fundamentales que vibran en distintas dimensiones. Dependiendo del modo de vibración se generarían un tipo de partículas u otras.

Esta teoría intenta unificar todas las teorías existentes hasta la fecha. Es de una belleza espectacular ya que de ella salen naturalmente la relatividad general y muchos aspectos de la mecánica cuántica.

Es la candidata a ser la teoría del todo, pero aún falta mucho trabajo tanto a nivel físico como matemático para conseguir completar esta espectacular teoría.

Física de la materia condensada

La física de la materia condensada es seguramente la rama de la física con más científicos trabajando en ella.

Comprende el estudio de las propiedades y transformaciones macroscópicas de la materia tales como la densidad, la dureza o la temperatura. 

Este conocimiento es usado por los ingenieros para crear nuevas tecnologías o mejorar las ya existentes.