LES 13 BRANQUES DE LA FÍSICA CLÀSSICA I MODERNA - FÍSICA - 2025

Entre les branques de la física clàssica i moderna podem destacar l'acústica, òptica o mecànica en el camp més primitiu, i la cosmologia, mecànica quàntica o relativitat en les de més recent aplicació.

La física clàssica descriu teories desenvolupades abans de 1900, i la física moderna els esdeveniments esdevinguts després de 1900. La física clàssica tracta sobre la matèria i l'energia, a una macro-escala, sense aprofundir en els estudis més complexos dels quantums, tema de la física moderna.

Max Planck, un dels científics més importants de la història, va marcar el final de la física clàssica i el començament de la física moderna amb la mecànica quàntica.

Branques de la física clàssica

1- Acústica

L'oïda és l'instrument biològic per excel·lència per rebre determinades vibracions d'ona i interpretar-les com a so.

L'acústica, que s'ocupa de l'estudi de el so (ones mecàniques en els gasos, líquids i sòlids), es relaciona amb la producció, el control, la transmissió, la recepció i els efectes de so.

La tecnologia acústica inclou la música, l'estudi de fenòmens geològics, atmosfèrics i submarins.

La psicoacústica, estudia els efectes físics del so en els sistemes biològics, present des que Pitàgores va sentir, per primera vegada, els sons de les cordes vibrants i dels martells que colpejaven les encluses al segle VI a. C. Però el desenvolupament més impactant en medicina, és la tecnologia d'ultrasò.

2- Electricitat i Magnetisme

L'electricitat i el magnetisme provenen d'una sola força electromagnètica. L'electromagnetisme és una branca de la ciència física que descriu les interaccions de l'electricitat i el magnetisme.

El camp magnètic és creat per un corrent elèctric en moviment i un camp magnètic pot induir el moviment de càrregues (corrent elèctric). Les regles de l'electromagnetisme també expliquen fenòmens geomagnéticos i electromagnètics, descrivint com interaccionen les partícules carregades d'àtoms.

Antigament, l'electromagnetisme era experimentat sobre la base dels efectes de l'llampec i de la radiació electromagnètica com a efecte lumínic.

El magnetisme ha estat utilitzat, durant molt de temps, com a instrument fonamental per a la navegació guiada per la brúixola.

El fenomen de les càrregues elèctriques en repòs, va ser detectat pels romans antics, que van observar la forma en què una pinta fregat atreia partícules. En el context de càrregues positives i negativa, les càrregues iguals es repel·leixen, i les diferents s'atrauen.

Potser t'interessa saber més sobre aquest tema descobrint els 8 tipus d'ones electromagnètiques i les seves característiques.

3- Mecànica

Es relaciona amb el comportament de cossos físics, quan es sotmeten a forces o desplaçaments, i els efectes subsegüents dels cossos en el seu ambient.

En les albors de l'modernisme, els científics Jayam, Galileu, Kepler i Newton, van asseure les bases per al que ara es coneix com mecànica clàssica.

Aquesta sub-disciplina s'ocupa de el moviment de les forces sobre els objectes i de les partícules que estan en repòs o movent-se a velocitats significativament menors que la de la llum. La mecànica descriu la naturalesa dels cossos.

El terme cos inclou partícules, projectils, naus espacials, estrelles, parts de maquinària, parts de sòlids, parts de fluids (gasos i líquids). Les partícules són cossos amb poca estructura interna, tractats com a punts matemàtics en la mecànica clàssica.

Els cossos rígids tenen mida i forma, però conserven una senzillesa propera a la de la partícula i poden ser semirígids (elàstics, fluids).

4- Mecànica dels fluids

La mecànica de fluids descriu el flux de líquids i gasos. La dinàmica de fluids és la branca de la qual es desprenen sub-disciplines com l'aerodinàmica (l'estudi de l'aire i altres gasos en moviment) i la hidrodinàmica (l'estudi dels líquids en moviment).

La dinàmica dels fluids s'aplica àmpliament: per al càlcul de forces i moments en els avions, la determinació de la massa de el fluid de l'petroli a través dels oleoductes, a més de la predicció de patrons climàtics, la compressió de les nebuloses en el espai interestel·lar i el modelatge de la fissió d'armes nuclears.

Aquesta branca ofereix una estructura sistemàtica que abasta lleis empíriques i semi-empíriques derivades del mesurament de l'flux i utilitzades per resoldre problemes pràctics.

La solució a un problema de dinàmica de fluids implica el càlcul de propietats de el fluid, com ara la velocitat de l'flux, la pressió, la densitat i la temperatura i funcions de l'espai i de el temps.

5- Òptica

L'òptica s'ocupa de les propietats i fenòmens de la llum visible i invisible i de la visió. Estudia el comportament i les propietats de la llum, incloent les seves interaccions amb la matèria, a més de construir instruments apropiats.

Descriu el comportament de la llum visible, ultraviolada i infraroja. Atès que la llum és una ona electromagnètica, altres formes de radiació electromagnètica com raigs X, microones i ones de ràdio presenten propietats similars.

Aquesta branca és rellevant per a moltes disciplines relacionades com astronomia, enginyeria, fotografia i medicina (oftalmologia i optometria). Les seves aplicacions pràctiques es troben en una varietat de tecnologies i objectes quotidians, incloent miralls, lents, telescopis, microscopis, làsers i fibra òptica.

6- Termodinàmica

Branca de la física que estudia els efectes de la feina, la calor i l'energia d'un sistema. Va néixer al segle XIX amb l'aparició de la màquina de vapor. S'ocupa només de l'observació i resposta a gran escala d'un sistema observable i mesurable.

Les interaccions de gas a petita escala es descriuen per la teoria cinètica dels gasos. Els mètodes es complementen entre si i s'expliquen en termes de termodinàmica o per la teoria cinètica.

Les lleis de la termodinàmica són:

• Llei d'entalpia: relaciona les diverses formes d'energia cinètica i potencial, en un sistema, amb la feina que el sistema pot realitzar, més la transferència de calor.
• Això condueix a la segona llei, ia la definició d'una altra variable d'estat anomenada llei d'entropia.
• La llei Zeroth defineix equilibri termodinàmic a gran escala, de la temperatura en contraposició a la definició a petita escala relacionada amb l'energia cinètica de les molècules.

Branques de la física moderna

7- Cosmologia

És l'estudi de les estructures i dinàmiques de l'Univers a escala més gran. Investiga sobre el seu origen, estructura, evolució i destí final.

La cosmologia, com a ciència, es va originar amb el principi de Copèrnic -els cossos celestes obeeixen lleis físiques idèntiques a les de la Terra- i la mecànica newtoniana, que va permetre comprendre aquestes lleis físiques.

La cosmologia física va començar el 1915 amb el desenvolupament de la teoria general de la relativitat d'Einstein, seguida de grans descobriments observacionals en la dècada de 1920.

Els avenços dramàtics en la cosmologia observacional des de la dècada de 1990, incloent el fons de microones còsmic, les supernoves distants i els aixecaments de corriment a l'vermell de la galàxia, van conduir a el desenvolupament d'un model estàndard de cosmologia.

Aquest model s'adhereix a el contingut de grans quantitats de matèria fosca i energies fosques contingudes en l'univers, la naturalesa no està ben definida encara.

8- Mecànica quàntica

Branca de la física que estudia el comportament de la matèria i de la llum, en l'escala atòmica i subatòmica. El seu objectiu és descriure i explicar les propietats de les molècules i els àtoms i els seus components: electrons, protons, neutrons i altres partícules més esotèriques com quarks i gluons.

Aquestes propietats inclouen les interaccions de les partícules entre si i amb radiació electromagnètica (llum, raigs X i raigs gamma).

Múltiples científics van contribuir a l'establiment de tres principis revolucionaris que gradualment van guanyar acceptació i verificació experimental entre 1900 i 1930.

• Propietats quantificades. La posició, la velocitat i el color, de vegades només poden ocórrer en quantitats específiques (com clicar nombre a nombre). Això es contraposa amb el concepte de la mecànica clàssica, que diu que tals propietats han d'existir en un espectre pla i continu. Per descriure la idea que algunes propietats clickean, els científics van encunyar el verb quantificar.
• Partícules de llum. Els científics van rebatre 200 anys d'experiments a l'postular que la llum pot comportar-se com una partícula i no sempre "com les ones / ones en un llac".
• Ones de matèria. La matèria també pot comportar-se com una ona. Així ho demostren 30 anys d'experiments que afirmen que la matèria (com els electrons) pot existir com a partícules.

9- Relativitat

Aquesta teoria comprèn dues teories d'Albert Einstein: la relativitat especial, que s'aplica a les partícules elementals i als seus interaccions -describiendo tots els fenòmens físics excepte la gravetat- i la relativitat general que explica la llei de la gravitació i la seva relació amb altres forces de la natura.

S'aplica a el regne cosmològic, astrofísic i astronomia. La relativitat va transformar els postulats de la física i l'astronomia al segle XX, desterrant 200 anys de teoria newtoniana.

Va introduir conceptes com l'espai-temps com una entitat unificada, relativitat de simultaneïtat, dilatació cinemàtica i gravitacional de el temps, i contracció de longitud.

En el camp de la física, va millorar la ciència de les partícules elementals i les seves interaccions fonamentals, juntament amb la inauguració de l'era nuclear.

La cosmologia i l'astrofísica van predir fenòmens astronòmics extraordinaris com les estrelles de neutrons, els forats negres i les ones gravitatòries.

10-Física nuclear

És un camp de la física que estudia el nucli atòmic, les seves interaccions amb altres àtoms i partícules, i els seus constituents.

11-Biofísica

Formalment és una branca de la biologia, tot i que està estretament relacionada amb la física, ja que estudia la biologia amb principis i mètodes físics.

12-Astrofísica

Formalment és una branca de l'astronomia, encara que molt relacionada amb la física, ja que estudia la física dels astres, la seva composició, evolució i estructura.

13-Geofísica

És una branca de la geografia, tot i que està molt relacionada amb la física, ja que estudia la Terra amb els mètodes i principis de la física.

Exemples d'investigació de cada branca

1- Acústica: investigacions de la UNAM

El laboratori d'acústica de el Departament de Física de la Facultat de Ciències de la UNAM realitza investigacions especialitzades en el desenvolupament i implementació de tècniques que permetin estudiar fenòmens acústics.

Els experiments més comuns inclouen diferents mitjans amb estructures físiques dissemblants. Aquests mitjans poden ser fluids, túnels de vent, o l'ús d'un jet supersònic.

Una investigació que té lloc actualment a la UNAM és l'espectre de freqüències d'una guitarra, depenent de el lloc en el qual ha premut. També s'estan estudiant les senyals acústics emeses pels dofins (Forgach, 2017).

2- Electricitat i magnetisme: efecte dels camps magnètics en sistemes biològics

La Universitat Distrital Francisco José Caldas, avança investigacions sobre l'efecte dels camps magnètics en els sistemes biològics. Tot això amb la finalitat d'identificar totes les investigacions prèvies que s'han fet sobre el tema i emetre nou coneixement.

Les investigacions assenyalen que el camp magnètic de la Terra és permanent i dinàmic, amb una alternança de períodes tant d'alta com de baixa intensitat.

Parlen també de les espècies que depenen de la configuració d'aquest camp magnètic per orientar-se, com ho són les abelles, les formigues, els salmons, balenes, taurons, dofins, papallones, tortugues, entre d'altres (Fuentes, 2004).

3- Mecànica: cos humà i gravetat zero

Durant més de 50 anys, la NASA ha avançat investigacions sobre els efectes de la gravetat zero en el cos humà.

Aquestes investigacions han permès que nombrosos astronautes puguin desplaçar-se de forma segura sobre la Lluna, o viure per més d'un any a l'Estació Espacial Internacional.

Les investigacions de la NASA analitzen els efectes mecànics que la gravetat zero té sobre el cos, amb l'objectiu de disminuir-los i assegurar-se que els astronautes puguin ser enviats a llocs més remots de sistema solar (Strickland & Crane, 2016).

4- Mecànica de fluids: efecte de Leidenfrost

L'efecte d'Leidenfrost és un fenomen que té lloc quan una gota d'un fluid toca una superfície calenta, a una temperatura major que el seu punt d'ebullició.

Els estudiants de doctorat de la Universitat de Lieja van crear un experiment per conèixer els efectes de la gravetat en el temps d'evaporació d'un fluid, i el comportament d'aquest durant aquest procés.

La superfície va ser inicialment escalfada i inclinada quan fos necessari. Les gotes d'aigua utilitzades van ser rastrejades per mitjà d'una llum infraroja, activant uns servomotors cada vegada que s'allunyaven de centre de la superfície (Investigació i ciència, 2015).

5- Òptica: observacions de Ritter

Johann Wilhelm Ritter ser un farmacista i científic alemany, qui va realitzar nombrosos experiments mèdics i científics. Entre els seus més destacables contribucions a el camp de l'òptica es troba el descobriment de la llum ultraviolada.

Ritter va basar la seva investigació en el descobriment de la llum infraroja per part de William Herschel en 1800, determinant d'aquesta manera que era l'existència de llums invisibles era possible i conduint experiments amb clorur de plata i diferents feixos de llum (Cool Cosmos, 2017).

6- Termodinàmica: energia solar termodinàmica a Amèrica Llatina

Aquesta investigació se centra en l'estudi de fonts alternatives d'energia i calor, com ho és l'energia solar, tenint com a principal interès la projecció termodinàmica de l'energia solar com a font d'energia sostenible (Bernardelli, 201).

Per a tal propòsit, el document de l'estudi es divideix en cinc categories:

1- Radiació solar i distribució d'energia sobre la superfície terrestre.

2- Usos de l'energia solar.

3- Antecedents i evolució dels usos de l'energia solar.

4- Instal·lacions termodinàmiques i tipus.

5- Estudi de casos a Brasil, Xile i Mèxic.

7- Cosmologia: Dark Energy Survey

L'Enquesta sobre Energia Fosca o Dark Energy Survey, va ser un estudi científic realitzat en l'any 2015, el propòsit fonamental era mesurar l'estructura a gran escala de l'univers.

Amb aquesta investigació, es va obrir l'espectre a nombroses indagacions cosmològiques, que pretenen determinar la quantitat de matèria fosca present en l'univers actual i la seva distribució.

D'altra banda, els resultats llançats per DES es contraposen a les teories tradicionals sobre el cosmos, emeses després de la missió espacial Planck, finançada per l'Agència Espacial Europea.

Aquesta investigació va confirmar la teoria que l'univers està compost actualment per un 26% de matèria fosca.

També van ser desenvolupat mapes de posicionament que van mesurar de forma precisa l'estructura de 26 milions de galàxies llunyanes (Bernat, 2017).

8- Mecànica quàntica: teoria d'informació i computació quàntica

Aquesta investigació busca indagar sobre dues noves àrees de la ciència, com ho són la informació i computació quàntica. Ambdues teories són fonamentals per a l'avanç de les telecomunicacions i els dispositius de tractament d'informació.

Aquest estudi presenta l'estat actual de la computació quàntica, suportada pels avenços realitzats pel Grup de Computació Quàntica (Group of Quantum Computation- GQC) (López), institució dedicada a donar xerrades i generar coneixement sobre el tema, basant-se en els primers postulats de Turing sobre la computació.

9- Relativitat: experiment Icarus

La investigació experimental Icarus, duta a terme al laboratori de Gran Sasso, Itàlia, va portar tranquil·litat a el món científic a l'comprovar que la teoria de la relativitat d'Einstein és certa.

Aquesta investigació va mesurar la velocitat de set neutrins amb un feix de llum atorgat pel Centre Europeu d'Investigacions Nuclears (CERN), concloent que els neutrins no superen la velocitat de la llum, com s'havia conclòs en experiment passats de el mateix laboratori.

Aquests resultats van ser oposats als obtinguts en experiments previs pel CERN, els que en anys anteriors havia conclòs que els neutrins van recórrer 730 quilòmetres de forma més ràpida que la llum.

Aparentment, la conclusió donada prèviament pel CERN es va deure a una mala connexió de l'GPS en el moment en què es va realitzar l'experiment (El temps, 2012).

referències

1. How is classical physics different from modern physics? Recuperat en reference.com.
2. Electricity and Magnetism. World of Earth Science. Copyright 2003, The Gale Group, Inc Recuperat en encyclopedia.com.
3. Mechanics. Recuperat en wikipedia.org.
4. Fluid Dinamics. Recuperat en wikipedia.org.
5. Optics. Definition. Recuperat en dictionary.com.
6. Optics. McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology (5th Ed.). McGraw-Hill. 1993.
7. Optics. Recuperat en wikipedia.org.
8. What is termodynamics? Recuperat en grc.nasa.gov.
9. Einstein A. (1916). Relativity: The Special and General Theory. Recuperat en wikipedia.org.
10. Will, Clifford M (2010). «Relativity». Grolier Multimèdia Encyclopedia. Recuperat en wikipedia.org.
11. What is the evidence for the Big Bang? Recuperat en astro.ucla.edu.
12. Planck reveals and almost perfect universe. Recuperat en esa.int.