¿QUE ES UNA PARTICULA? (REVISION)

Afectuosos saludos cordiales vayan para todos los integrantes de la inmensa comunidad de HIVE, en particular para mis seguidores y para la comunidad de #stem-espanol. Con el presente post regreso a interactuar con la comunidad después de varios años sin publicar. Impartir clases Física a nivel universitario y escribir textos educativos de este mismo nivel son parte de mi gran pasión (pueden ver y descargar borradores de mis textos desde mi página web www.tsoldovieritsweb.ihostfull.com). Mi otra gan pasión es la investigación en esta área del conocimiento. Especial interés tengo por lo relacionado con la Mecánica Clásica, Mecánica Cuántica y Relatividad, sin embargo, incursiono en distintas áreas de la Física.

En cualquier área del conocimiento, es indispensable conocer bien los términos que se utilizan en cada área. En Física, el conocimiento a profundidad de tales términos hace que uno comprenda con mayor facilidad lo que ocurre en un fenómeno físico y permite avanzar con pié firme en las distintas investigaciones (teóricas o experimentales). En el presente post les hablaré de la definición de Partícula, en el caso específico de la Mecánica Clásica.

La definición de partículaEn la Mecánica Clásica es de gran importancia. Es necesaria una buena comprensión de este término para así poder entender toda la teoría donde esta definición esté involucrada. Se debe tener presente que la Mecánica Clásica abarca a la Mecánica Newtoniana o Mecánica Vectorial, la Mecánica Lagrangiana y la Mecánica Hamiltoniana.

Cuando a los estudiantes de Física (y a personas del común) se les pregunta ¿qué es una partícula? Suelen responder que es algo muy pequeño. En realidad, es cierto ¡es algo muy pequeño! Sin embargo, en la Mecánica Clásica se debe tener mayor cuidado, pues el ser muy pequeño es algo muy relativo. En la gran variedad de textos que es posible encontrar en esta área, a la partícula también se le da el nombre de Partícula Material, Punto Material, Cuerpo Puntual, Masa Puntual y Masa Puntiforme.

Mi objetivo, a partir de aquí, es tratar de darle respuesta a la pregunta: ¿qué es una partícula? en el contexto de la Mecánica Clásica.

En muchos cursos de Mecánica Clásica y de Física General en las universidades la definición de partícula suele ser imprecisa, cursos que son fundamentales para la buena formación de todo Físico e Ingeniero. Es posible encontrar, incluso, docentes en esta área que tienen una imagen imprecisa de la misma.

Como mencioné antes, cuando escuchamos la palabra partícula inmediatamente pensamos en algo muy pequeño, algo que es realmente minúsculo, algo cuyas dimensiones son tan pequeñas que no son posibles de determinar a simple vista. Pensaríamos en algo así como un punto ¿verdad?. Bien, esto es también cierto para la partícula en la Mecánica Clásica, pero no es suficiente.

Detalles y condiciones importantes faltan. Se debe establecer primero que no es exactamente un punto matemático, ya que éste es un ente que carece de dimensiones y que, por lo tanto, no pertenece al mundo físico. En la Mecánica Clásica, la partícula tiene dimensiones sólo que son tan pequeñas que pueden ser despreciadas, además, posee masa que es una propiedad muy importante, ya que sin presencia de materia no hay Física.

Mis estimados Hive-Lectores, en un cielo nocturno (ver figura 2) y despejado una persona puede observar (que en Física a esta persona se le denomina Observador) muchos puntos brillantes que denominamos estrellas. En realidad son cuerpos materiales que se encuentran en el espacio. Algunos de ellos emiten luz propia, mientras que otros "reflejan" la luz de otros. En la Física, sólo aquellos cuerpos que emiten luz propia son considerados estrellas. Algunos de ellos pueden ya no existir e igual pueden ser observados, pero eso constituye harina de otro costal. Estos cuerpos materiales pueden ser, en una gran cantidad de casos, de mucho mayor tamaño que nuestro Sol que tiene un radio promedio de 696340 kms (el Sol es una estrella pues emite luz propia). Sin embargo, debido a su lejanía de la Tierra sólo podemos ver puntos brillantes. Nuestro mismo Sol, aunque podemos ver una imagen con dimensiones bien apreciables, éstas se presentan bastante reducidas con respecto a las reales debido a la gran distancia que lo separa de la Tierra (unos 150 millones de kilómetros en promedio).

Un automóvil es un cuerpo de dimensiones bien apreciables, sin embargo cuando vemos uno de ellos alejarse de nosotros (ver figura 3), cada vez lo veremos más y más pequeño hasta que, finalmente, se observa una imagen minúscula cuyas dimensiones son despreciables. También lo podemos observar en un avión de pasajeros (ver figura 4) que se aleja pues, a medida que lo hace, lo vamos viendo cada vez más pequeño hasta que únicamente se ve un pequeño punto.

Los fenómenos antes descritos también los podemos observar en los cruceros, que son barcos de gran tamaño (realmente muy grandes) en los que una gran cantidad de personas realizan viajes de placer en los océanos y mares del mundo. Alejémonos mentalmente, cada vez más y más, de un gran crucero que se encuentra anclado cerca de las costas de un paradisíaco lugar del mundo ¿qué le irá pasando al buque? ¿cómo lo veremos? Lo vamos viendo cada vez más y más pequeño hasta que llega un momento en el que vemos sólo una muy pequeña imagen en la que no podemos apreciar el largo, el ancho, ni la altura del crucero, pues sus dimensiones se hacen realmente pequeñas.

Es posible describir infinidad de casos en las que se den situaciones análogas a las desdritas anteriormente. Ahora bien mis estimados Hive-Lectores, obviamente ninguno de los cuerpos antes mencionados parecen ser una partícula pues son grandes. Sin embargo, cuando los observamos de lejos, sus dimensiones se hacen despreciables pudiendo así ser considerados como una partícula.

Mis curiosos Hive-Lectores, pero no sólo la distancia de un cuerpo con respecto a una persona que lo observa puede hacer que el mismo, a partir de algún momento, pueda ser considerado como una partícula. Si un tren de 500 metros de longitud, se desplaza sobre una vía férrea desde un punto A hasta un punto B una distancia de 2000 metros, no podrá ser considerado como partícula puesto que su longitud no se puede despreciar con respecto a la distancia recorrida. Sin embargo, si el mismo tren se desplaza desde el punto A hasta el punto B una distancia de 9000 kilómetros, la longitud del tren ahora sí que es despreciable con respecto a dicha distancia. En este caso el tren podrá ser considerado como una partícula que se mueve del punto A al punto B.

En el caso del vuelo de una pelota de béisbol (ver figura 5) que fue bateada por un jugador, mis estimados Hive-Lectores, la misma puede ser considerada como una partícula, puesto que la longitud de su trayectoria es bastante mayor que su tamaño.

Si consideramos el estudio de la atracción gravitacional entre el planeta Marte y el Sol, Marte podrá ser considerado como una partícula ya que su tamaño es ínfimo con respecto al tamaño del Sol. Igual si se estudia el movimiento de Marte alrededor del Sol (ver figura 6), pues la trayectoria recorrida por Marte alrededor del Sol es inmensa con respecto a su tamaño.

En los anteriores casos, el cuerpo involucrado es de tamaño apreciable (no se pueden despreciar sus dimensiones), pero el mismo es pequeño con respecto a las dimensiones de los caminos por él recorridos o el tamaño de otros cuerpos involucrados, pudiendo así ser considerados como una partícula.

Cuando se analiza el movimiento de un cuerpo, el mismo podrá ser considerado o no como una partícula, no solamente dependiendo de su tamaño observado o de su tamaño comparado con sus desplazamientos, sino también dependiendo de las condiciones físicas del fenómeno que se estudia. A un cuerpo que es considerado como una partícula, sólo es posible estudiarle su eventual movimiento de traslación y no el de rotación, ya que sus dimensiones son despreciables. Para estudiar el movimiento de rotación ya las dimensiones del cuerpo no son despreciables.

A esta altura del presente post hemos comprendido que una partícula no es únicamente un cuerpo que es realmente muy pequeño, sino que existen otras condiciones bajo las cuales un cuerpo puede ser considerado como una partícula, no importando que su apreciable tamaño real.

En conclusión:

¿Qué tan buena es la representación de un cuerpo como una partícula? Esto sólo puede determinarse cuando consideramos una representación más complicada del cuerpo y podemos estimar los efectos debido a las características despreciadas en su tratamiento como partícula. Las partículas en la Mecánica Clásica no son electrones, nucleones, átomos o moléculas. El movimiento de tales cuerpos va más allá del alcance de la Mecánica Clásica. Las partículas de la Mecánica Clásica son, en general, de mayor tamaño comparado con el de los cuerpos antes mencionados.

Para la elaboración del presente post consulté 10 textos universitarios de distintos niveles en el área, los cuales muestro en la siguiente lista indicando la página consultada:

1. Giancoli, D. C. FISICA PARA CIENCIAS E INGENERIA, volume 1. Pearson Educación de México, S.A. de C.V., 4ta edition, 2008. Página 8.

2. Finn, J. M. CLASSICAL MECHANICS. Infinity Science Press LLC., 2008. Página 1.

3. Serway, R. A. & Jewett, J. W. FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA, volume 1. Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., 2008. Página 19.

4. Taylor, J. CLASSICAL MECHANICS. University Science Books, 2005. Página 13.

5. Fowles, G. R. & Cassiday, G. L. ANALYTICAL MECHANICS. Holt, Rinehard and Winston, 7th edition, 2005. Página 5.

6. Kibble, T. W. B. & Berkshire, F. H. CLASSICAL MECHANICS. Imperial College Press, London, 5th edition, 2004. Página 5.

7. Londoño V., M. F. INTRODUCCION A LA MECANICA. Medellín, Colombia, 2003. Página 1.

8. Baruh, H. ANALYTICAL DYNAMICS. McGraw-Hill, 1998. Página 26.

9. Yavorski, B. M. & Detlaf, A. A. MANUAL DE FISICA. Editorial MIR, Moscú, 1977. Página 17.

10. Hauser, W. INTRODUCCION A LOS PRINCIPIOS DE MECANICA. Unión Tipográfica Editorial Hispano-Americana (UTEHA), 1969. Página 36.

Espero que el presente post, estimados Hive-Lectores y comunidad de #stem-espanol, sea de gran provecho. Si tienen preguntas, no duden en hacérmelas llegar pues, con mucho gusto, les atenderé. Igualmente, si tienen detalles que puedan nutrir o mejorar la anterior información, por favor, háganmelos llegar. Hasta mi próximo post ¡Saludos para todos!

En esta página web podrás conseguir los borradores de los libros de texto que estoy escribiendo y varias listas de problemas con respuestas de: Optica, Mecánica Clásica, Mecánica Cuántica, Física General 1, Física General 2 y Física General 3. También encontrarás enlaces a otras páginas web de interés.

Mis amigos Hive-Lectores,