El siglo XX estuvo marcado por el desarrollo de la física como ciencia capaz de promover el desarrollo tecnológico.
A principios de este siglo los físicos consideraban tener una visión casi completa de la Naturaleza. Sin embargo pronto se produjeron dos revoluciones conceptuales de gran calado: El desarrollo de la teoría de la relatividad y el comienzo de la mecánica cuántica.
Albert Einstein es considerado frecuentemente como el icono más popular de la ciencia en el Siglo XX.
En 1905 Albert Einstein formuló la teoría de la relatividad espacial, en la cual el espacio y el tiempo se unifican en una sola entidad, el espacio-tiempo. La relatividad formula ecuaciones diferentes para la transformación de movimientos cuando se observan desde distintos sistemas de referencia inerciales a aquellas dadas por la mecánica clásica. Ambas teorías coinciden a velocidades pequeñas en relación a la velocidad de la luz. En 1915 extendió la teoría espacial de la relatividad para explicar la gravedad, formulando la teoría general de la relatividad, la cual sustituye a la ley de la gravitación de Newton.
En 1911 Ernest Rutherford dedujo la existencia de un núcleo atómico cargado positiva mente a partir de experiencias de dispersión de partículas. A los componentes de carga positiva de este núcleo se les llamó protones. Los neutrones, que también forman parte del núcleo pero no poseen carga eléctrica, los descubrió James Chadwick en 1932.
En los primeros años del Siglo XX Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr y otros desarrollaron la teoría cuántica a fin de explicar resultados experimentales anómalos sobre la radiación de los cuerpos. En esta teoría, los niveles posibles de energía pasan a ser discretos. En 1925 Werner Heisenberg y en 1926 Erwin Schrödinger y Paúl Dirac formularon la mecánica cuántica, en la cual explican las teorías cuánticas precedentes. En la mecánica cuántica, los resultados de las medidas físicas son probabilísticos; la teoría cuántica describe el cálculo de estas probabilidades.
La mecánica cuántica suministró las herramientas teóricas para la Física de la materia condensada, la cual estudia el comportamiento de los sólidos y los líquidos, incluyendo fenómenos tales como estructura cristalina, semiconductividad y superconductividad. Entre los pioneros de la física de la materia condensada se incluye Felix Bloch, el cual desarrolló una descripción mecano-cuántica del comportamiento de los electrones en las estructuras cristalinas (1928).
La teoría cuántica de campos se formuló para extender la mecánica cuántica de manera consistente con la teoría especial de la relatividad. Alcanzó su forma moderna a finales de los 1940 gracias al trabajo de Richard Feynman, Julian Schwinger, Tomonaga y Freeman Dyson. Ellos formularon la teoría de la electrodinámica cuántica, en la cual se describe la interacción electromagnética.
La teoría cuántica de campos suministró las bases para el desarrollo de la Física de partículas, la cual estudia las fuerzas fundamentales y las partículas elementales. En 1954 Yang Chen Ning y Robert Mills desarrollaron las bases del modelo estándar. Este modelo se completó en los años 1970 y con él se describen casi todas las partículas elementales observadas.
La física moderna comienza desde comienzos del siglo XX, cuando el alemán Max Planck, investiga sobre el “cuanto” de energía, Planck decía que eran partículas de energía invisibles, y que éstas no eran continuas como lo decía la física clásica, por ello nace esta nueva rama de la física que estudia las manifestaciones que se producen en los átomos, los comportamientos de las partículas que forman la materia y las fuerzas que las rigen. (También se le llama física cuántica).
En los temas anteriormente tratados, la física clásica no servia para resolver los problemas presentados, ya que estos se basan en certezas y la física moderna en probabilidades, el cual le costo adaptarse a los físicos de la época.
En 1905, Albert Einstein, publicó una serie de trabajos que revolucionaron la física de ese entonces, que trataban de “La dualidad onda-partícula de la luz” y “La teoría de la relatividad” entre otros. Además, años mas tarde se descubre por medio de telescopios la existencia de otras galaxias, así como la superconductividad, el estudio de el núcleo del átomo, y otros; los cuales logran que años mas tarde surjan avances tecnológicos como la invención del televisor, los rayos x, el radar, fibra óptica, el computador etc.
La misión final de la física actual, es comprender la relación que existe entre las fuerzas que rigen la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, la energía nuclear fuerte y la nuclear débil. Comprender y lograr una teoría de unificación, para así poder entender el universo y sus partículas.
Casi todo lo planteado en el siglo XIX, fue puesto en duda y al final fue remplazado durante el siglo XX, de esta misma manera puede ocurrir ya que existen investigaciones más complejas, y los nuevos conocimientos que se irán adquiriendo durante este nuevo siglo.
FÍSICA MODERNA Masa y energía
Se consideraba a la masa y a la energía como entidades totalmente diferentes hasta que Einstein lo cambio con su famosa relación E= mc2; donde E es la energía, m es la masa y c es la velocidad de la luz al cuadrado. Con lo que se establece que la masa y la energía son iguales y sienta las bases de la física nuclear.
Dado que la destrucción de la masa conlleva la generación de una enorme cantidad de energía. (ARP)
¿Qué es la Física?
Como en todos lo conceptos abstractos, resulta muy difícil definir que es exactamente la Física. Diferentes personas opinaran diferente según su profundidad de conocimientos específicos, según su temperamento y su cultura madre. Además, una misma persona puede cambiar de punto de vista a lo largo de su vida. Por lo tanto, siendo conscientes de que lo aquí expresado no es más que una opinión, más o menos fundamentada, La web de Física brinda a todo el mundo la posibilidad de enviar su respuesta personal a la pregunta ¿qué es la Física?. Las respuestas recibidas serán colgadas públicamente en esta misma sección.
¿Cuál es el objetivo de la Física?
Esto es lo más importante que se debe tener en mente cando se trata con la física, a todos los niveles: profesionalmente, académica mente, o como aficionado. El objetivo de la Física es explicar la realidad. Una posible explicación de la realidad, o de una parte de ella, es lo que usualmente llamamos teoría. Esto no es tan obvio como pueda parecer, no es trivial detallar en que debe consistir una explicación; y mucho menos definir que es realidad y que no lo es.
En primer lugar, la realidad es todo aquello que es medible. En este caso, con medible no queremos decir tan solo que exista un procedimiento fiable que permita cuantificar numéricamente alguna magnitud, sino que dotamos a la palabra de un sentido más amplio para incluir todas aquellas mediciones de carácter cualitativo. Ejemplos de mediciones cualitativas son: el color (percibido por nuestro cerebro), el hecho de que una determinada reacción nuclear se produzca o no, dará un proyectil al blanco o no, etc. En este sentido, no solamente el universo físico con el que estamos más familiarizados es medible (y por lo tanto real), sino que entidades más abstractas también lo son. Un ejemplo de esto son los índices bursátiles, que se pueden medir numéricamente (contando acciones) o bien de forma cualitativa (al alza o a la baja); por tanto, existe una parte de la Física encargada de estudiar la bolsa: la física financiera.
De forma objetiva, lo único que podemos obtener de la realidad es su medición. Llegados a este punto tiene sentido preguntarse si la medición es lo único que existe, o bien si la realidad existe en esencia a parte de la medición realizada. Esta duda queda justificada en el ejemplo bursátil anterior, donde se estudian entes abstractos como acciones y dinero. No obstante, esta cuestión en el contexto del estudio de la Naturaleza y el Universo toma un turbio aire filosófico, y por lo tanto de toma de posición personal. Al definirse como la explicación de la realidad, y por lo tanto de lo medible, la Física queda voluntariamente fuera de esta polémica.
La Física se divide para su estudio en dos grandes grupos: la Física Clásica y la Física Moderna.
La primera estudia todos aquellos fenómenos en los cuales la velocidad es muy pequeña comparada con la velocidad de propagación de la luz.
La segunda se encarga de todos aquellos fenómenos producidos a la velocidad de la luz o con valores cercanos a ella. Esto es debido a que la física clásica no describe con precisión los fenómenos que se suceden a la velocidad de la luz. En la física moderna también se estudian los fenómenos subatómicos.
La Física Clásica se compone de:
1. MECÁNICA: Es la parte de la física clásica que estudia las fuerzas)
1 a.- Estática: Estudia las fuerzas en cuerpos en reposo y en equilibrio, respecto a determinado sistema de referencia.
1 b.- Dinámica: Estudia las fuerzas como causa del movimiento de los cuerpos)
1 c.- Cinemática: Estudia los movimientos de los cuerpos sin tener en cuenta la causa.
2. TERMODINÁMICA (Fenómenos térmicos)
3. ELECTROMAGNETISMO (Interacción de los campos eléctricos y magnéticos)
4. ÓPTICA (Fenómenos relacionados con la luz)
5. ACÚSTICA: (Sonido y fenómeno de la audición)
6. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO (Estudia las cargas eléctricas y magnéticas)
Física Moderna
La Física Moderna se divide en:
A. FÍSICA CUÁNTICA: (Energía formada de "cuantos")
B. FÍSICA RELATIVA :(Materia y energía son dos entidades relativas)
CINEMÁTICA
La cinemática estudia los movimientos de los cuerpos independientemente de las causas que lo producen. En este capítulo, estudiaremos los movimientos rectilíneos y curvilíneos, y circulares.
En el caso del movimiento rectilíneo, se simularán dos prácticas que realizan los estudiantes en el laboratorio, que consiste en un móvil que desliza por un carril sin apenas rozamiento. En la primera práctica simulada, se determinará la velocidad constante de un móvil, en la segunda, se determinará la aceleración de un móvil en movimiento uniformemente acelerado.
Ambas prácticas, se prestan especialmente para representar en una gráfica los datos obtenidos y aplicar el procedimiento denominado regresión lineal, trazando la recta que mejor ajusta a los resultados experimentales. Se completa aquí el capítulo primero, en la parte correspondiente a las medidas.
MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME
Un movimiento es rectilíneo cuando un objeto describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, dado que su aceleración es nula. Es indicado mediante el acrónimo MRU, aunque en algunos países es MRC, por movimiento rectilíneo constante.
El MRU se caracteriza por:
Movimiento que se realiza sobre una línea recta.
Velocidad constante; implica magnitud y dirección constantes.
La magnitud de la velocidad recibe el nombre de celeridad o rapidez.
Aceleración nula.
La distancia recorrida se calcula multiplicando la magnitud de la velocidad por el tiempo transcurrido. Esta relación también es aplicable si la trayectoria no es rectilínea, con tal que la rapidez o módulo de la velocidad sea constante. Por lo tanto el movimiento puede considerarse en dos sentidos; una velocidad negativa representa un movimiento en dirección contraria al sentido que convencionalmente hayamos adoptado como positivo.
De acuerdo con la Primera Ley de Newton, toda partícula permanece en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme cuando no hay una fuerza externa que actúe sobre el cuerpo, dado que las fuerzas actuales están en equilibrio, por lo cual su estado es de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme. Esta es una situación ideal, ya que siempre existen fuerzas que tienden a alterar el movimiento de las partículas, por lo que en el movimiento rectilíneo uniforme (MRU) es difícil encontrar la fuerza amplificada.
La representación gráfica de la distancia recorrida en función del tiempo da lugar a una recta cuya pendiente se corresponde con la velocidad.
Ecuaciones del movimiento
Sabemos que la velocidad es constante; esto significa que no existe aceleración.
La posición en cualquier instante viene dada por
.
Para una posición inicial y un tiempo inicial , ambos distintos de cero, la posición para cualquier tiempo está dada por
MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORMEMENTE ACELERADO
El movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) es el movimiento de una partícula o cuerpo por una línea recta con una aceleración constante. Es decir:
La partícula se desplaza por el eje de coordenadas.
La velocidad aumenta (o disminuye) de manera lineal respecto al tiempo. Es decir, la aceleración es constante.
En este ejemplo vemos como el objeto va aumentando su velocidaduniformemente conforme va pasando el tiempo y avanza por su trayectoria.
Posición
La posición de la partícula en el tiempo t aumenta (o disminuye) exponencial mente en función de la aceleración.
Velocidad
La velocidad del cuerpo o partícula cambia linealmente en el transcurso del tiempo. Es decir, para un mismo incremento de tiempo se produce un mismo incremento de velocidad por la constancia de la aceleración.
En el siguiente gráfico podemos observar como el incremento de la velocidad es igual cuando transcurre el mismo tiempo por su linealidad.
Aceleración
El cuerpo que lleva un movimiento MRUA mantiene una aceleraciónconstante:
Ejemplo
Un caso particular de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA) es la caída librede un cuerpo o su lanzamiento vertical con una velocidad v0.
CAÍDA LIBRE
Se le llama caída libre al movimiento que se debe únicamente a la influencia de la gravedad.
Todos los cuerpos con este tipo de movimiento tienen una aceleración dirigida hacia abajo cuyo valor depende del lugar en el que se encuentren. En la Tierra este valor es de aproximadamente 9,8 m/s², es decir que los cuerpos dejados en caída libre aumentan su velocidad(hacia abajo) en 9,8 m/s cada segundo .
En la caída libre no se tiene en cuenta la resistencia del aire.
Enfísica, se denomina caída libre al movimiento de un cuerpo bajo la acción exclusiva de un campo gravitatorio. Esta definición formal excluye a todas las caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia aerodinámica del aire, así como a cualquier otra que tenga lugar en el seno de un fluido; sin embargo, es frecuente también referirse coloquial mente a éstas como caídas libres, aunque los efectos de la viscosidad del medio no sean por lo general despreciables.
El tiro vertical es un movimiento sujeto a la aceleración gravitacional, solo que ahora es la aceleración la que se opone al movimiento inicial del objeto. El tiro vertical comprende subida y bajada de los cuerpos u objetos.
CARACTERÍSTICAS:
Nunca la velocidad inicial es cero.
Cuando el objeto alcance su altura máxima su velocidad en este punto es cero, mientras el objeto está de subida el signo de la velocidad es positivo y la velocidad es cero en su altura máxima, cuando comienza el descenso el signo de la velocidad es negativo.
La velocidad de subida es igual a la de bajada pero el signo de la velocidad al descender es negativo.
En ambos casos se trata de un M.R.U.A cuya aceleración es la de la gravedad que es +/-9,8m/s^2 en la tierra, si es hacia arriba es con signo negativo y si es hacia abajo con signo positivo.
Las formulas que se aplican son las mismas que en el M.R.U.A.
MOVIMIENTO DE PROYECTILES
Imagina que se lanza un objeto con velocidad Vo que forma con la horizontal un Angulo x. La velocidad inicial tiene dos componentes:
Vox = Vo . cos
Voy = Vo . sen
.
El moviento de proyectil es un movimiento combinado: el proyectil tiene movimiento vertical y, además, se desplaza horizontalmente, recorriendo distancias iguales en tiempos iguales .
QUE ES UN PROYECTIL?
El movimiento de un proyectil es un ejemplo clásico del movimiento en dos dimensiones con aceleración constante. Un proyectil es cualquier cuerpo que se lanza o proyecta por medio de alguna fuerza y continúa en movimiento por inercia propia. Un proyectil es un objeto sobre el cual la única fuerza que actúa es la aceleración de la gravedad. La gravedad actúa para influenciar el movimiento vertical del proyectil. El movimiento horizontal del proyectil es el resultado de la tendencia de cualquier objeto a permanecer en movimiento a velocidad
El término proyectil se aplica por ejemplo a una bala disparada por un arma de fuego, a un cohete después de consumir su combustible, a un objeto lanzado desde un avión o en muchas actividades deportivas (golf, tenis, fútbol, béisbol, atletismo etc.). L os fuegos artificiales y las fuentes del agua son ejemplos del movimiento de proyectiles . El camino seguido por un proyectil se denomina trayectoria . El estudio del movimiento de proyectiles es complejo debido a la influencia de la resistencia del aire, la rotación de la Tierra, variación en la aceleración de la gravedad.
Análisis del movimiento de proyectiles
Se examina sólo trayectorias suficientemente cortas para que la fuerza gravitacional se pueda considerar constante en magnitud y dirección. También hay que analizar no tener en cuenta los efectos de la resistencia del aire; Estas hipótesis simplificadas constituyen la base de un modelo del problema físico. Como, en este caso idealizado, la única fuerza que actúa sobre el proyectil es su peso considerado constante en magnitud y dirección, es mejor referir el movimiento a un sistema de ejes coordenadas rectangulares. Se toma el eje x horizontal y el eje y verticalmente hacia arriba.
La componente x de la fuerza que actúa sobre el proyectil es nula y la componente y es el peso del proyectil – mg. Esto es, la componente horizontal de la aceleración es nula, y la componente vertical hacia abajo, es igual a la de un cuerpo que cae libremente. Puesto que la aceleración nula significa velocidad constante, el movimiento puede definirse como una combinación de movimiento horizontal con velocidad constante y movimiento vertical con aceleración constante.
Elementos de los proyectiles:
desplazamiento
tiempo de vuelo
trayectoria.- es el camino recorrido por un proyectil
altura máxima
tiempo máximo
alcance máximo
velocidad
coordenadas de posición en el plano.
MOVIMIENTO CIRCULAR
el movimiento circular (también llamado movimiento circunferencial) es el que se basa en un eje de giro y radio constante, por lo cual la trayectoria es una circunferencia. Si además, la velocidad de giro es constante (giro ondulatorio), se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio y centro fijos y velocidad angular constante.
En el movimiento circular hay que tener en cuenta algunos conceptos básicos para la descripción cinemática y dinámica del mismo:
Eje de giro: es la línea recta alrededor de la cual se realiza la rotación, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo pero para cada instante concreto es el eje de la rotación (considerando en este caso una variación infinitesimal o diferencial de tiempo). El eje de giro define un punto llamado centro de giro de la trayectoria descrita (O).
Arco: partiendo de un centro fijo o eje de giro fijo, es el espacio recorrido en la trayectoria circular o arco de radio unitario con el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es el radián (espacio recorrido dividido entre el radio de la trayectoria seguida, división de longitud entre longitud, dimensional por tanto).
Velocidad angular: es la variación del desplazamiento angular por unidad de tiempo (omega minúscula, ).
Aceleración angular: es la variación de la velocidad angular por unidad de tiempo (alfa minúscula, ).
En dinámica de los movimientos curvilíneos, circulares y/o giratorios se tienen en cuenta además las siguientes magnitudes:
Momento angular (L): es la magnitud que en el movimiento rectilíneo equivale al momento lineal o cantidad de movimiento pero aplicada al movimiento curvilíneo, circular y/o giratorio (producto vectorial de la cantidad de movimiento por el vector posición, desde el centro de giro al punto donde se encuentra la masa puntual).
Momento de inercia (I): es una cualidad de los cuerpos que depende de su forma y de la distribución de su masa y que resulta de multiplicar una porción concreta de la masa por la distancia que la separa al eje de giro.
Momento de fuerza (M): o par motor es la fuerza aplicada por la distancia al eje de giro (es el equivalente a la fuerza agente del movimiento que cambia el estado de un movimiento rectilíneo).
Velocidad angular es la variación del arco angular o posición angular respecto al tiempo. Es representada con la letra (omega minúscula) y viene definida como:
Siendo la segunda ecuación la de la velocidad angular instantánea (derivada de la posición angular con respecto del tiempo).
Velocidad tangencial de la partícula es la velocidad del objeto en un instante de tiempo (magnitud vectorial con módulo, dirección y sentido determinados en ese instante estudiado). Puede calcularse a partir de la velocidad angular. Si es el módulo la velocidad tangencial a lo largo de la trayectoria circular de radio R, se tiene que:
es constante; esto significa que no existe aceleración.
en cualquier instante 
viene dada por
.
y un tiempo inicial 
, ambos distintos de cero, la posición para cualquier tiempo está dada por
).
).
(omega minúscula) y viene definida como:
es el módulo la velocidad tangencial a lo largo de la trayectoria circular de radio R, se tiene que:
