Capítulo 1

Física para entender el mundo

En este capítulo

Reconocerás la física que hay en tu mundo

Entenderás el movimiento

Dominarás la fuerza y la energía de tu alrededor

Te acalorarás con la termodinámica

La física consiste en el estudio del mundo y del universo. Por suerte, el comportamiento de la materia y la energía (todo lo que compone el universo) no es un descontrol absoluto; por el contrario, obedece a leyes estrictas que los físicos van revelando paso a paso mediante la aplicación atenta del método científico, el cual se basa en hechos experimentales y en un razonamiento riguroso. Siguiendo ese procedimiento, la física ha ido desentrañando más y más la belleza que subyace en los entresijos del universo, desde lo infinitamente pequeño hasta lo más grandioso.

La física es una ciencia que lo engloba todo. Si estudias distintos aspectos del mundo natural (de hecho, la palabra física deriva del vocablo griego fysicós, que significa ‘cosas naturales’), tratas con diferentes áreas de la física: la física de los objetos en movimiento, la física de la energía, de las fuerzas, de los gases, del calor y la temperatura, etc. En este libro disfrutarás con el estudio de todas esas materias y muchas más. Este capítulo es un resumen de los conocimientos que necesitas para empezar: qué es la física, de qué se ocupa y por qué las operaciones matemáticas son importantes en ella.

De qué va la física

Mucha gente se pone un poco nerviosa al pensar en la física. Ven esta materia como algo sesudo que se saca números y reglas de la manga. Pero lo cierto es que se trata de una ciencia que te permite tomar conciencia del mundo. La física es una aventura humana que se emprende en beneficio de todos para explorar el funcionamiento del mundo.

En el fondo, la física no es más que observar el mundo que habitamos y emplear modelos mentales y matemáticos para explicarlo. La base de la física es esta: partes de una observación, creas un modelo para simular esa situación, después añades algo de matemáticas para rellenarlo y, ¡voilà!, ya tienes el poder de predecir lo que ocurrirá en el mundo real; y en ese contexto, las matemáticas te ayudan a ver qué sucede y por qué.

En este apartado explico cómo encajan las observaciones del mundo real con las matemáticas. En apartados posteriores haré un recorrido breve por los temas clave de la física básica.

La observación del mundo

A tu alrededor suceden un montón de cosas observables, que conforman este mundo complejo. Las hojas de los árboles se agitan, el sol brilla, las bombillas alumbran, los coches se mueven, las impresoras cumplen su función, la gente camina o va en bici, los ríos fluyen... Cuando te detienes a examinar esos fenómenos, la curiosidad humana te lleva a plantearte infinidad de preguntas:

Toda ley física responde a la observación atenta del mundo; y toda teoría que se formule debe ser sometida a la prueba de los datos experimentales. La física va más allá de las afirmaciones cualitativas sobre las cosas físicas, por ejemplo: “Si empujo el columpio con más fuerza, el niño llega más alto”. Las leyes de la física permiten pronosticar con precisión qué altura alcanzará.

Formular predicciones

La física no es más que la creación de modelos del mundo (aunque hay otra manera de entenderla, que sostiene que, en realidad, la física desentraña la verdad sobre los mecanismos del mundo y no se limita solo a elaborar modelos). Esos modelos mentales se pueden usar para describir cómo funciona el mundo: cómo se deslizan los bloques por las rampas, cómo se forman y cómo brillan las estrellas, cómo atrapan la luz los agujeros negros sin dejarla escapar, qué sucede cuando chocan los coches, etcétera.

A veces, cuando esos modelos se crean por primera vez, tienen poco que ver con los números; se limitan a la esencia de los hechos. Por ejemplo, esta estrella se compone de esta capa y después de otra capa y, como consecuencia, se produce esta reacción seguida por tal otra y ¡zas!, aparece una estrella. Con el paso del tiempo, esos modelos se hacen más precisos y es ahí donde algunos estudiantes de física empiezan a tener problemas. Las clases de física serían pan comido si pudiéramos decir sin más: “El carrito va a descender por esa colina y a medida que se acerque a la base irá ganando velocidad”. Pero el asunto es más enrevesado porque la física no solo te permite afirmar qué irá más deprisa sino que, mostrando tu dominio sobre el mundo físico, puedes decir a qué velocidad irá.

Entre la teoría, formulada con matemáticas, y los datos experimentales se da una interacción sutil. Por lo general, los datos experimentales no solo confirman las teorías, sino que además dan lugar a teorías nuevas, lo que a su vez inspira experimentos nuevos. Ambos ámbitos se alimentan entre sí y generan nuevos descubrimientos.

Tal vez muchas de las personas que abordan esta materia consideren las matemáticas como algo tedioso y demasiado abstracto. Sin embargo, en su relación con la física, las matemáticas cobran vida. Una ecuación de segundo grado quizá parezca un tanto árida, pero si la usas para calcular el ángulo correcto para lanzar un cohete con la trayectoria perfecta, la encontrarás más jugosa. El capítulo 2 explica todas las matemáticas que necesitas saber para efectuar cálculos de física elemental.

Los frutos de la física

Entonces, ¿qué sacarás de la física? Si quieres hacer carrera dentro de esta disciplina o en un campo relacionado con ella, como la ingeniería, la respuesta está clara: necesitarás estos conocimientos continuamente. Pero, aunque no planees embarcarte en este tipo de estudios, el análisis de la materia te reportará mucho porque buena parte de lo que descubras en un curso introductorio de física te servirá para aplicarlo a la vida real:

La observación de objetos en movimiento

Algunos de los interrogantes esenciales que tal vez te plantees sobre el mundo guardan relación con los objetos en movimiento. ¿Llegará a pararse esa piedra que cae rodando hacia ti? ¿A qué velocidad tienes que moverte para apartarte de su camino? (Espera un momento, voy a sacar la calculadora...). El movimiento fue una de las primeras exploraciones de la física.

Cuando miras a tu alrededor ves que el movimiento de los objetos cambia sin cesar. Ves una moto que se detiene ante una señal de stop. Ves caer una hoja hasta el suelo y que vuelve a alzarse con el viento. Ves que una bola de billar choca mal contra otras bolas y las desplaza hacia donde no deben ir. La parte I de este libro trata de los objetos en movimiento, desde bolas hasta vagones de tren y la mayoría de los objetos intermedios. En este apartado te presento el movimiento en línea recta, el movimiento de rotación y el movimiento cíclico de muelles y péndulos.

Cómo medir la celeridad, la dirección, la velocidad y la aceleración

La velocidad hace furor entre los físicos: ¿A qué velocidad se mueve un objeto? ¿No son suficientes 50 km/h? ¿Qué tal 5.000? No hay ningún problema cuando tratas con la física. Para describir el movimiento de un objeto, además del valor de la velocidad (su módulo o celeridad), es importante la dirección en la que se desplaza. Si tu equipo de fútbol controla el balón dentro del campo, lo que te importa es que lo haga en la dirección correcta.

Al unir el valor numérico de la velocidad (la celeridad) con la dirección se obtiene un vector: el vector velocidad. Los vectores son instrumentos matemáticos muy útiles. Todo lo que posee magnitud y dirección se describe mejor con un vector. Los vectores suelen representarse como flechas cuya longitud indica la magnitud (el tamaño) y cuya orientación indica la dirección. En un vector que represente la velocidad, la longitud se corresponde con la celeridad del objeto y la flecha apunta en la dirección en que se desplaza el objeto. (Para saber cómo usar vectores consulta el capítulo 4.)

Todo tiene una velocidad, así que la velocidad es muy útil para describir el mundo que te rodea. Aunque un objeto se encuentre en reposo con respecto al suelo, está en la Tierra, la cual tiene una velocidad. (Y, si todo tiene una velocidad, no es de extrañar que los físicos sigan recibiendo subvenciones: alguien tiene que medir todo ese movimiento.)

Si has viajado alguna vez en coche, sabrás que la velocidad no lo es todo. Los coches no empiezan a andar a 100 km/h así de golpe, sino que tienen que acelerar hasta alcanzar esa rapidez. Al igual que la velocidad, la aceleración no solo se expresa mediante una cantidad, sino también con una dirección, así que la aceleración también es un vector en física. La velocidad y la aceleración se tratan en el capítulo 3.

Dale mil vueltas: el movimiento de rotación

Gran cantidad de cosas giran y giran en el mundo cotidiano: los CD, los DVD, los neumáticos, los brazos de una lanzadora de martillo, la ropa dentro de la lavadora, los bucles de una montaña rusa, o los niños cuando se ponen a dar vueltas por mera diversión bajo su primera nevada. Del mismo modo que mueves un coche y lo aceleras en línea recta, las ruedas del vehículo pueden girar y acelerar, pero en círculo.

El paso del mundo lineal al mundo de la rotación resulta sencillo porque existen analogías físicas muy prácticas para todo lo lineal en el universo de la rotación. Por ejemplo, la distancia recorrida se convierte en el ángulo girado. La velocidad en metros por segundo se transforma en velocidad angular expresada en ángulo girado por segundo. Hasta la aceleración lineal pasa a ser aceleración angular.

Por tanto, si entiendes cómo funciona el movimiento lineal, el movimiento de rotación caerá rendido a tus pies. Se usan las mismas ecuaciones tanto para el movimiento lineal como para el de rotación, solo que con símbolos diferentes, cuyo significado es ligeramente distinto (el ángulo sustituye a la distancia, por ejemplo). Cerrarás el círculo en un visto y no visto. El capítulo 7 contiene los detalles.

Muelles y péndulos: el movimiento armónico simple

¿Has visto alguna vez moverse una cosa sobre un muelle? Ese movimiento desconcertó a los físicos durante mucho tiempo hasta que se pusieron a trabajar en él. Descubrieron que al presionar un muelle, la fuerza no es constante. El muelle se resiste y, cuanto más se presiona, más resistencia opone.

Entonces, ¿qué relación hay entre la fuerza que opone el muelle y la distancia que se ha recorrido presionándolo? La fuerza es directamente proporcional a la cantidad de aplastamiento que ha experimentado el muelle: al duplicar la cantidad de aplastamiento del muelle se duplica la fuerza con la que se resiste.

Los físicos se quedaron encantados: aquel era el tipo de matemáticas que entendían. ¿Fuerza proporcional a distancia? Magnífico. Esa relación se puede introducir en una ecuación, y la ecuación se puede utilizar para describir el movimiento del objeto unido al muelle. Los resultados revelaron cómo se mueven los objetos sujetos a un muelle: otro triunfo de la física.

Este logro concreto recibió el nombre de movimiento armónico simple. Es simple porque la fuerza es directamente proporcional a la distancia, así que el resultado es simple. Es armónico porque se repite sin fin a medida que el objeto se desplaza arriba y abajo sobre el muelle. Los físicos consiguieron deducir ecuaciones sencillas que te permitirán conocer con exactitud dónde se encontrará el objeto en cualquier momento dado.

Pero eso no es todo. El movimiento armónico simple se aplica a muchos objetos del mundo real, no solo a las cosas sujetas a un muelle. Por ejemplo, los péndulos también siguen un movimiento armónico simple. Imagina que tienes una piedra que se balancea colgada de una cuerda. Mientras el arco que describa en su balanceo no sea demasiado amplio, la piedra atada a la cuerda formará un péndulo y, por tanto, su movimiento será armónico simple. Si conoces la longitud de la cuerda y la amplitud del ángulo que describe en el balanceo, puedes predecir en qué lugar se hallará la piedra en cualquier instante. El movimiento armónico simple se describe en el capítulo 13.

Por si necesitas un empujón: las fuerzas

La física tiene una predilección especial por las fuerzas. Hacen falta fuerzas para poner en movimiento cosas que están en reposo. Imagina una piedra del suelo. Muchos físicos (excepto, tal vez, los geofísicos) la mirarían con recelo. Ahí quieta, sin más. ¿Qué gracia tiene eso? Después de medir su tamaño y su masa, perdería todo el interés para ellos.

Pero dale un puntapié (es decir, aplícale una fuerza), y ya verás cómo acuden corriendo los físicos. Ahora ya sí que está pasando algo, la piedra empezó en reposo, pero ahora está moviéndose. Encontrarás toda suerte de números asociados a ese movimiento. Por ejemplo, puedes relacionar la fuerza aplicada a un objeto con su masa y deducir la aceleración. Y a los físicos les encantan los números porque ayudan a describir lo que está ocurriendo en el mundo físico.

Los físicos son expertos aplicando fuerzas a los objetos y prediciendo los resultados. ¿Tienes una nevera que hay que subir por una rampa y no sabes si vas a poder? Pues pregúntale a un físico. ¿Tienes que lanzar un cohete? Haz lo mismo.

La absorción de la energía que te rodea

No hay que mirar muy lejos para toparse con el siguiente tema. (En realidad nunca hay que hacerlo.) Al salir de casa por la mañana, por ejemplo, puede que oigas un estruendo algo más arriba en tu misma calle. Dos coches han chocado a gran velocidad, han quedado trabados el uno con el otro y bajan derrapando hacia donde te encuentras tú. Gracias a la física (y más en concreto a la parte III de este libro), podrás proceder a tomar las medidas y efectuar las predicciones necesarias para saber con exactitud cuánto deberás desplazarte para apartarte de su camino.

Dominar los conceptos de energía y cantidad de movimiento te ayudará en ese trance. Esos conceptos se emplean para describir el movimiento de objetos con masa. La energía del movimiento de denomina energía cinética, y cuando aceleras un coche de 0 a 100 km/h en 10 s, el coche acumula mucha energía cinética.

¿De dónde proviene la energía cinética? Procede del trabajo, que es lo que sucede cuando una fuerza desplaza un objeto a lo largo de una distancia determinada. También puede venir de la energía potencial, la energía almacenada en el objeto y debida al trabajo realizado por una clase particular de fuerza, como la gravedad o las fuerzas eléctricas. Así, por ejemplo, la gasolina permite al motor de un coche realizar trabajo para imprimirle velocidad. Pero hace falta una fuerza para acelerar algo y, curiosamente, la manera en que el motor de un coche realiza trabajo consiste en usar la fuerza de rozamiento estático contra la calzada. Sin rozamiento las ruedas se limitarían a girar, pero gracias a la fuerza de rozamiento estático, los neumáticos ejercen una fuerza contra el asfalto. Para toda fuerza entre dos objetos existe una fuerza reactiva de igual magnitud pero en sentido opuesto. Así que la carretera también ejerce sobre el coche una fuerza, que es la que causa su aceleración.

O supongamos que estás subiendo un piano por las escaleras hasta tu nuevo piso. Tras subir las escaleras, el piano tendrá energía potencial por la mera razón de que has realizado gran cantidad de trabajo contra la fuerza de la gravedad para subir el piano esas seis plantas. Por desgracia, tu compañero de piso detesta los pianos y tira el tuyo por la ventana. ¿Qué pasa ahora? La energía potencial del piano, debida a su altura dentro de un campo gravitatorio, se transforma en energía cinética, la energía del movimiento. Entonces decides calcular la velocidad final del piano cuando se estampe contra el suelo. (Después calcularás el precio del piano, se lo enseñarás a tu compañero y volverás a bajar las escaleras para comprarte unos timbales.)

Esto pesa: la presión en los fluidos

¿Has notado alguna vez que a 1.500 m bajo la superficie la presión es distinta que en la superficie? ¿Nunca has estado a 1.500 m por debajo de las olas del mar? Pero sí habrás notado el cambio de presión al zambullirte en una piscina. Cuanto más desciendes, más aumenta la presión debido a que el peso del agua que tienes encima ejerce fuerza hacia abajo. La presión no es más que una fuerza por unidad de área.

¿Te has comprado una piscina? Cualquier físico que se precie podrá decirte qué presión aproximada hay en la parte más baja si le dices qué profundidad tiene. El mundo de los fluidos te brindará un sinfín de cosas que medir, como la velocidad de los fluidos a través de orificios pequeños, la densidad de un fluido, etc. Una vez más, la física responde bien bajo presión. Ilústrate sobre las fuerzas en el seno de los fluidos en el capítulo 8.

Acalórate sin avergonzarte: la termodinámica

El calor y el frío forman parte de la vida cotidiana. ¿Has observado alguna vez las gotitas de condensación en un vaso de agua fría dentro de una habitación caliente? El vapor de agua que hay en el aire se enfría al entrar en contacto con el vaso y se condensa, es decir, adopta la forma de agua líquida. El vapor de agua que se condensa cede energía térmica a la bebida fría, la cual acaba calentándose como consecuencia de ello.

La termodinámica te revelará cuánto calor irradias en un día gélido, cuántas bolsas de hielo necesitas para enfriar una chimenea de lava y cualquier otra cosa relacionada con la energía calorífica. También puedes estudiar la termodinámica fuera de la Tierra. ¿Por qué está frío el espacio? En un entorno normal, emites calor hacia todo lo que te rodea; y todo lo que te rodea emite calor hacia ti. Pero en el espacio lo único que irradia calor eres tú, así que puedes llegar a helarte.

La radiación de calor no es más que una de las tres maneras posibles de transferir calor. Descubrirás mucho más acerca del calor, ya sea creado por una fuente emisora de calor (como el Sol) o mediante rozamiento, en la parte IV.