El alcance de la física es extraordinariamente amplio y puede incluir estudios tan diversos como la mecánica cuántica, la física teórica o la óptica.7 La física moderna se orienta a una especialización creciente, donde los investigadores tienden a enfocar áreas particulares más que a ser universalistas, como lo fueron Albert Einstein o Lev Landau, que trabajaron en una multiplicidad de áreas.8[cita requerida]
Esta disciplina incentiva competencias, métodos y una cultura científica que permiten comprender nuestro mundo físico y viviente, para luego actuar sobre él. Sus procesos cognitivos se han convertido en protagonistas del saber y hacer científico y tecnológico general, ayudando a conocer, teorizar, experimentar y evaluar actos dentro de diversos sistemas, clarificando causa y efecto en numerosos fenómenos. De esta manera, la física contribuye a la conservación y preservación de recursos, facilitando la toma de conciencia y la participación efectiva y sostenida de la sociedad en la resolución de sus propios problemas.10[cita requerida]
La física es significativa e influyente, no solo debido a que los avances en la comprensión a menudo se han traducido en nuevas tecnologías, sino también a que las nuevas ideas en la física resuenan con las demás ciencias, las matemáticas y la filosofía.11[cita requerida]
La física no es solo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental. Como toda ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante experimentos y que la teoría pueda realizar predicciones de experimentos futuros basados en observaciones previas. Dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico con relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos.12
La física, en su intento de describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado a límites impensables: el conocimiento actual abarca desde la descripción de partículas fundamentales microscópicas hasta el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso el poder conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo, por citar unos pocos campos.13
Los avances en física a menudo permiten avances en nuevas tecnologías. Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo, la física del estado sólido y la física nuclear llevaron directamente al desarrollo de nuevos productos que han transformado drásticamente la sociedad actual, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares; los avances en termodinámica llevaron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo.14
Un sistema de telecomunicaciones está compuesto por el emisor de información, el canal de transmisión y el receptor de la información. El emisor es un dispositivo que transforma o codifica el mensaje en un fenómeno físico: la señal. El canal o medio transmite dicha señal, y el receptor hace el proceso inverso al emisor para obtener la información.
Las funciones del emisor siempre implican de uno u otro modo la codificación de la información y su adaptación al canal. El canal de transmisión, por razones físicas, modifica o degrada de algún modo la señal en su trayecto. El receptor ha de realizar las funciones de detectar la señal, recomponerla y decodificarla con el fin de extraer la información. En este proceso siempre existe una posibilidad de error, que la ingeniería de telecomunicación trata de minimizar.
A modo de ejemplo familiar de un sistema de telecomunicación podemos considerar la comunicación vocal entre personas. Este caso podemos descomponerlo así:
El emisor: persona que habla. La consciencia de una persona quiere transmitir un mensaje (idea o concepto), el cerebro lo codifica en palabras de un idioma y se lo «envía» a la boca para que lo pronuncie, quedando finalmente codificado en una serie de sonidos producidos por las cuerdas vocales y órganos de fonación.
El medio está compuesto por la capa de aire que existe entre los dos intervinientes. Por él transcurren las vibraciones emitidas, que pueden ser afectadas de distintas maneras por ruido ambiente, ecos, otras conversaciones…
El receptor está compuesto por el conjunto oído/cerebro. El oído convierte las vibraciones a impulsos eléctricos, que son procesados por el [cerebro] con el fin de extraer el mensaje, del que informa a la «conciencia».
En otros casos, a modo de ejemplo, la comunicación se puede realizar entre faxes, teléfonos, teclado-impresora, cámara-pantalla… y el canal de comunicación puede estar compuesto por hilos, ondas de radio, fibra óptica, satélite…
Según el sentido de la transmisión, puede clasificarse la comunicación en unidireccional (del emisor al receptor) u bidireccional (comunicación en ambos sentidos).
El problema intrínseco de la comunicación se presenta cuando queremos transmitir información de manera rápida o entre dos puntos lejanos, o ambas cosas a la vez. Ese es el caso que ha hecho desarrollar la ingeniería de telecomunicación
Los principales ámbitos generales desarrollados por ingenieros mecánicos incluyen el desarrollo de proyectos en los campos de la ingeniería que tengan por objeto la construcción, reforma, reparación, conservación, demolición, fabricación, instalación, montaje o explotación de: estructuras, equipos mecánicos, instalaciones energéticas, instalaciones y plantas industriales.
Los ingenieros informáticos de hardware aplican los principios de la ingeniería a los ordenadores. A diferencia de los desarrolladores de software, que se centran en programas y aplicaciones, los ingenieros de hardware trabajan en los componentes físicos de los sistemas informáticos. Desarrollan las placas de circuito, los procesos y los dispositivos de memoria utilizados en dispositivos individuales, así como las redes y enrutadores utilizados para conectar estos ordenadores. Su labor es muy importante para el éxito de cualquier misión espacial y del programa en general ya que la mayoría de las máquinas en la NASA funcionan con ordenador. Deben corregir errores existentes y encontrar formas de hacerlos funcionar de manera más eficiente además de estar en continuo aprendizaje con los nuevos y rápidos desarrollos tecnológicos.
La ingeniería aeroespacial es una rama de la ingeniería que estudia las aeronaves; engloba los ámbitos de la actual ingeniería aeronáutica, relacionada con el diseño de sistemas que vuelan en la atmósfera, y de la ingeniería astronáutica, entendiendo por esta última aquella que se ocupa del diseño de los vehículos impulsores y de los artefactos que serán colocados en el espacio exterior. Mientras que la ingeniería aeronáutica fue el término original, el término más amplio «aeroespacial» lo ha sustituido en el uso.1
La ingeniería aeroespacial consiste en la aplicación de la tecnología al diseño, construcción o fabricación y la utilización de artefactos capaces de volar o aerodinos —principalmente aviones o aeronaves, misiles y equipos espaciales— y en los aspectos técnicos y científicos de la navegación aérea y los instrumentos de los cuales se sirve ésta.
La ingeniería aeroespacial se ocupa de diseñar y construir las aeroestructuras de los aviones y helicópteros tomando en consideración las leyes de la aerodinámica, los fundamentos de la mecánica de fluidos y la ingeniería estructural. Además se encargan de la integración de los elementos motores (alternativos, turbofanes, turborreactores y turboejes) en las aeroestructuras para construir la aeronave. Otros campos de actividad de los ingenieros aeronáuticos son la construcción de aeropuertos, el diseño y operación de redes de transporte aeronáutico y la fabricación de equipos y materiales especiales como armamento, satélites o cohetes espaciales los cuales posteriormente serán enviados en misiones de reconocimiento al exterior de nuestro planeta
Los vehículos de vuelo están sujetos a condiciones exigentes como las causadas por cambios en la presión atmosférica y la temperatura, con carga estructural aplicada a los componentes del vehículo. En consecuencia, suelen ser productos de diversas disciplinas tecnológicas y de ingeniería, incluidas la aerodinámica, propulsión aérea, aviónica, ciencia de los materiales, análisis estructural y fabricación. La interacción entre estas tecnologías se conoce como ingeniería aeroespacial. Debido a la complejidad y la cantidad de disciplinas involucradas, la ingeniería aeroespacial la llevan a cabo equipos de ingenieros, cada uno con su propia área especializada de experiencia.
El origen de la ingeniería aeroespacial se remonta a los pioneros de la aviación de finales del siglo xix y principios del xx, aunque el trabajo de Sir George Cayley data de la última década del siglo xviii hasta mediados del siglo xix. Una de las personas más importantes en la historia de la aeronáutica4 y pionero en ingeniería aeronáutica,5 a Cayley se le acredita como la primera persona en separar las fuerzas de elevación y resistencia, que afectan a cualquier vehículo de vuelo atmosférico.6
El conocimiento temprano de la ingeniería aeronáutica fue en gran parte empírico, con algunos conceptos y habilidades importados de otras ramas de la ingeniería.7 Algunos elementos clave, como la dinámica de fluidos, fueron entendidos por científicos del siglo xviii.
Una nave espacial es un vehículo o máquina diseñada para volar en el espacio exterior. Las naves espaciales, un tipo de satélite artificial, se utilizan para una variedad de propósitos, que incluyen comunicaciones, observación de la Tierra, meteorología, navegación, colonización espacial, exploración planetaria y transporte de humanos y carga. Todas las naves espaciales, excepto los vehículos de una etapa a órbita, no pueden ingresar al espacio por sí mismas y requieren un vehículo de lanzamiento (cohete portador).
En un vuelo espacial suborbital, un vehículo espacial ingresa al espacio y luego regresa a la superficie, sin haber ganado suficiente energía o velocidad para hacer una órbita completa de la Tierra. Para los vuelos espaciales orbitales, las naves espaciales entran en órbitas cerradas alrededor de la Tierra o de otros cuerpos celestes. Las naves espaciales utilizadas para vuelos espaciales humanos llevan a las personas a bordo como tripulación o pasajeros desde el inicio o en órbita (estaciones espaciales) solamente, mientras que las utilizadas para misiones espaciales robóticas operan de forma autónoma o telerrobótica. Las naves espaciales robóticas utilizadas para apoyar la investigación científica son sondas espaciales. Las naves espaciales robóticas que permanecen en órbita alrededor de un cuerpo planetario son satélites artificiales. Hasta la fecha, solo un puñado de sondas interestelares, como Pioneer 10 y 11, Voyager 1 y 2, y New Horizons, están en trayectorias que salen del Sistema Solar.
La nave espacial orbital puede ser recuperable o no. La mayoría no lo son. Las naves espaciales recuperables pueden subdividirse por el método de reingreso a la Tierra en cápsulas espaciales no aladas y aviones espaciales alados.
La humanidad ha logrado el vuelo espacial, pero solo unas pocas naciones tienen la tecnología para los lanzamientos orbitales: Rusia (RSA o «Roscosmos»), los Estados Unidos (NASA), los estados miembros de la Agencia Espacial Europea (ESA), Japón (JAXA), China (CNSA), India (ISRO), Taiwán(Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Chung-Shan, Organización Nacional del Espacio de Taiwán (NSPO), Israel (ISA), Irán (ISA) y Corea del Norte (NADA).
¿Por qué el cielo es azul? ¿A qué se debe un bello atardecer rojizo? ¿Y un día gris? La respuesta está en la dispersión de la luz y los efectos Rayleigh y Mie.
La luz solar es una radiación electromagnética compuesta por distintas longitudes de onda. Nuestro ojo capta sólo la parte de luz que corresponde a determinadas frecuencias de longitud de onda. La luz blanca es la suma de todas las longitudes de onda que percibimos.
Cada color es una única longitud de onda. Siguen el orden del arcoíris: el color rojo tiene la longitud de onda más larga, y el violeta la más corta. La dispersión de la luz es su descomposición en colores. Las longitudes de onda toman ángulos distintos y los colores se separan. A mayor longitud de onda, mayor ángulo.
Cuando la luz solar entra en contacto con la atmósfera, se dispersa. Nuestra atmósfera la forman partículas pequeñas, y el grado de humedad favorece la mayor difusión de unos colores frente a otros.
Efecto Rayleigh
La luz es una forma de radiación, es decir, de energía. Al chocar con las partículas pequeñas de la atmósfera produce el efecto Rayleigh. Parte de la energía se transfiere a estas partículas, que vibran y difunden la luz en todas direcciones. Por eso la luz llena todo el cielo.
Fuera de la atmósfera el cielo es oscuro, aunque llegue la luz del Sol. Las ondas cortas son las que tienen mayor difusión. Es decir, las violetas y azules. Como la luz blanca contiene mayor cantidad de luz azul que violeta, predomina el azul. Además, nuestro ojo es más receptivo al azul. Vemos el Sol amarillo porque ya hemos restado el color azul a la blanca. Y, cuando está alto, el amarillo prevalece sobre el rojo porque su longitud de onda es más corta.
Dispersión de Mie
A las horas del crepúsculo y el atardecer el Sol está bajo. Las ondas recorren un camino más largo a través de la atmósfera. Así que las de longitud de onda corta se pierden y prevalecen las de onda larga. Por eso se difunden los colores rojizos. También influye la cantidad de polvo acumulado en la atmósfera.
El efecto Mie se produce cuando la luz choca con partículas o moléculas grandes. Las partículas absorben una parte de la luz y reflejan el resto, como pequeños espejos. Aquí el color depende de la composición de la partícula. Cuando la atmósfera está muy cargada y las nubes son espesas, el efecto Mie se acentúa y favorece los colores grises.
El efecto Mie domina la atmósfera de Marte. Su cielo no es azul sino de un plomizo rojo y amarillo. Carl Sagan describe la decepción de la prensa cuando mostraron las primeras fotos del cielo de Marte. Nada comparable a nuestro hermoso cielo azul.
¿Es el espacio «algo»? ¿O flota la materia en medio de la «nada»? ¿Qué se puede descubrir con un cubo, una cuerda y agua?
En 1689, Newton quiso demostrar que el espacio sí era algo. Lo llamó «espacio absoluto». Llenó un cubo de agua, lo ató a una cuerda y lo colgó de una barra fija. Imaginémoslo como un columpio infantil. Retorció la cuerda al máximo, y lo soltó. El cubo comienza a girar, cada vez más rápido.
Durante unos momentos el agua sigue en reposo. Gira con el cubo, pero no con respecto al cubo. No tiene movimiento independiente y su superficie permanece plana. Pero pasados unos instantes, el movimiento del cubo se transfiere también al agua. El agua comienza a girar, forma un remolino y su superficie se vuelve cóncava. ¿Por qué?
Esto se debe a que la fuerza del giro empuja el agua contra las paredes del cubo. Como cuando la montaña rusa toma una curva y sentimos el empuje hacia fuera. Finalmente, el cubo frena, pero el agua sigue cóncava y girando por unos instantes más. Cuando el agua frena, su superficie vuelve a ser plana.
El razonamiento de Newton fue el siguiente. ¿Cómo podemos distinguir que algo se mueve? Sólo hay una forma de saberlo, y esta consiste en tomar como referencia algo que no se mueve. El movimiento sólo existe con respecto a algo. Con cualquier referencia espacial sucede lo mismo: no hay izquierda sin derecha, ni arriba sin abajo, ni rápido sin lento…
El agua no se mueve con respecto al cubo. Sus tiempos no coinciden. Cuando el cubo ya se mueve, el agua aún no. Y cuando el cubo ya se ha parado, el agua sigue moviéndose. Y sabemos que se mueve porque su superficie cambia de forma, siente la fuerza del movimiento. Entonces, ¿con respecto a qué se mueve?
Para Newton, el agua se mueve con respecto al espacio absoluto. Si el espacio no fuera nada, no habría referencia para el movimiento y, por tanto, no habría movimiento. El espacio absoluto es la referencia absoluta del movimiento. La prueba de que es «algo». Y además, algo en reposo absoluto.
Todas las leyes del movimiento y la gravitación de Newton se basan en su idea de espacio absoluto. Otros como Huygens, Leibniz, Mach y Einstein lo niegan. Leibniz lo compara al abecedario.
El abecedario sería el espacio y las letras la materia. Sin letras, el abecedario no es nada, no existe. El movimiento es relativo y sólo existe en relación a la materia. Si no hubiera materia en el espacio, tampoco existiría el movimiento.
Einstein negó el movimiento y reposo absolutos. Todo es relativo. Unificó espacio y tiempo. El espacio ya no es algo independiente ni inmóvil. Entonces la pregunta sería: ¿qué es el espaciotiempo? Aún no tenemos respuesta definitiva.
A mediados del siglo XIX, los científicos sabían que los fenómenos eléctricos y magnéticos guardaban algún tipo de relación, pero desconocían cómo ni porqué. Buscaban la respuesta. Algunos como Morse y Marconi supieron ver su importancia para las telecomunicaciones.
Oersted demostró que las corrientes eléctricas producían campos magnéticos. Y Faraday el proceso inverso, es decir, que un campo magnético podía producir corrientes eléctricas. Pero fue el escocés James Clerk Maxwell quien unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos en una única fuerza, en 1873.
Maxwell creía que todo el espacio estaba lleno de una sustancia electromagnética invisible, una especie de éter, por el que se expandían las fuerzas. Lo imaginaba como las celdillas de un panal de abejas, y por su interior discurría la energía.
Introdujo la idea de campos de energía. La causa de todo magnetismo era un movimiento de carga eléctrica. Las corrientes eléctricas son movimientos de carga eléctrica y, por eso, producen un campo magnético (en realidad, electromagnético). Cuando dos corrientes eléctricas circulan en el mismo sentido, se atraen. Si circulan en sentido contrario, se repelen.
La unificación de Maxwell supuso una revolución en el mundo de la Física. Casi todas las herramientas que empleamos en nuestra vida cotidiana se basan en el electromagnetismo. Por ejemplo, la web. También está presente en todo nuestro entorno. Es el responsable de que no atravesemos las paredes o no nos precipitemos hasta el centro de la Tierra por efecto de la gravedad.
El electromagnetismo es millones de veces más fuerte que la gravedad, afortunadamente para nosotros. La repulsión electromagnética entre nuestros átomos y los del resto de objetos hace que podamos tocarlos sin atravesarlos. En algunos materiales los electrones se alinean de tal menera que multiplican su repulsión o atracción, y por eso podemos ver el efecto de la fuerza. Es el caso de los imanes que todo el mundo conoce.
Maxwell unificó las fuerzas eléctrica y magnética mediante cuatro ecuaciones matemáticas. También comprobó su relación con la velocidad de la luz. El porqué sigue siendo un misterio. La constante eléctrica dividida entre la constante magnética da exactamente la velocidad de la luz.
La velocidad de la luz es una constante en la Naturaleza, y también un límite hasta ahora infranqueable. Curiosamente, la velocidad de la fuerza de gravedad también es la velocidad de la luz. Estas casualidades confirmaron a Eisntein en su creencia de que todo en la Naturaleza está relacionado, y que existe una teoría unificada, una teoría del todo.
Bulan 