Sistemas y objetos

Nuestro mundo es extraordinariamente complicado. Así que en física vamos a tener que hacer  simplificaciones. Incluso las cosas de   nuestro entorno que parecen simples  son extraordinariamente complicadas. Por ejemplo, una pelota de baloncesto parece  sencilla, pero está compuesta por un número   extraordinariamente grande de moléculas  de aire que rebotan en su interior y que   chocan con la membrana exterior de cuero  y caucho, que a su vez está compuesta por   un número extraordinariamente grande  de átomos y moléculas, todos unidos   y apretados entre sí para tratar de evitar  romperse o explotar por la presión interior. Entonces, ¿tenemos que seguir la pista de cada   átomo y molécula de esta pelota para  incluirla en un problema de física? Por lo general, no; ni queremos hacerlo. Es  decir, no podemos llevar la cuenta de toda   esa información, no todavía, ni queremos  hacerlo para la mayoría de los escenarios. Así que, por ejemplo, si fueras un astronauta  que va la luna y que deja caer la pelota de   baloncesto. Y solo quisieras saber cuánto tiempo  tardará la pelota en golpear la superficie lunar,   entonces no necesitas saber sobre la  ley de los gases ideales, ni tampoco   sobre la integridad estructural  de la membrana de cuero de goma. Se podría resolver esto tratando la pelota de  baloncesto como si no tuviera estructura interna. Como si dejaras caer una piedra que no tuviera  ninguna estructura interna interesante. Así que,   en la física, la buena noticia es  que normalmente podemos salirnos   con la nuestra haciendo muchas  simplificaciones e ignorando la   estructura interna si no es relevante  para el problema que nos planteamos. Sin embargo, a veces es relevante. Digo, aquí planteamos un caso en el que  no era relevante. La estructura interna   no es relevante para este problema.  Así que podríamos ignorarla, pero,   si yo fuera un astronauta, y estuviera  llevando mi pelota de baloncesto a la luna,   sería como… ¡¿espera un minuto?!,  no hay atmósfera en la luna. Eso significa que no hay presión empujando desde  el exterior, mientras que toda esta presión   del aire sigue empujando desde el interior,  entonces, ¿va a explotar mi pelota de baloncesto? Me gustaría saber esto antes de llevarla a la  luna. No quiero llevar una pequeña bomba que   me explote en la cara y además no quiero  perder un balón de baloncesto. Así que,   si quieres saber si tu pelota  de baloncesto va a explotar,   entonces, esta vez, esta pregunta  dependerá de la estructura interna. Dependerá de la presión interior que está  fundamentalmente relacionada con la fuerza   de las colisiones entre estas moléculas  de aire y la membrana de goma y cuero;   luego también dependerá de qué tan fuertes son  los enlaces entre las moléculas de la membrana,   y de cuánta fuerza pueden  soportar antes de explotar. Así que, para esta pregunta debemos  considerar la estructura interna. Es decir, en algunas preguntas puedes  ignorar la estructura interna y en otras no. Todo depende del contexto y de la pregunta.  Y en la física tenemos una terminología para   entender esto y la terminología que usamos  es la idea de sistema o la idea de objeto. Así que la idea de sistema es sólo una  colección de objetos, esa es la definición   de sistema en la física. Pero eso nos lleva  a preguntarnos qué entendemos por objeto. Por objeto, entendemos cualquier cosa que se pueda  tratar como si no tuviera estructura interna. No queremos decir que los objetos no tengan  estructura interna. Lo normal es que la tengan,   las únicas cosas que no tienen realmente  una estructura interna, por lo que sabemos,   son las partículas fundamentales como los  electrones o los neutrinos. Estas partículas   fundamentales de la física de partículas, por  lo que sabemos, no tienen estructura interna. Así que a menos que estés  haciendo física de partículas,   probablemente no tengas un verdadero objeto,  pero puedes tratar las cosas como un objeto. Podemos tratar esta pelota de baloncesto como  un objeto. Es decir, podemos actuar como si no   tuviera estructura interna si esa estructura  interna no es relevante para el problema. Para que esto tenga un poco más de sentido,  imaginemos otro ejemplo. Digamos que haces   que dos objetos colisionen, así  que mueves una masilla por aquí,   y digamos que este es un objeto de tres kilogramos  y que viene a una cierta velocidad y colisiona   con un objeto de cinco kilogramos. Si todo  lo que quieres es saber cuándo chocarán,   digamos que ellos chocan y se  mueven con cierta velocidad común. Y si todo lo que quieres saber es cuál es  esa velocidad común con la que se mueven   después de chocar, entonces observa  en lo que no necesitamos saber. No   necesito decirte que esto estaba hecho  de oro o que esto estaba hecho de cobre.   Ya que siempre y cuando sepas las masas  y que colisionarán, entonces la física   te permitirá resolver la velocidad común  con la que se moverán después de chocar. Así que si eso es todo lo que quieres saber  no importa cuál es la estructura interna. Sin embargo, para otras preguntas, por ejemplo,  si quisiéramos saber si esto va a desencadenar   alguna explosión nuclear, entonces para este caso,  realmente sí importaría saber de qué están hechos   estos objetos, saber si están hechos de oro, de  cobre, de arcilla o de uranio, por así decirlo.  Es decir, para resolver esa pregunta sí  necesitamos saber sobre la estructura interna. Por lo tanto, la idea de sistema y la idea de  objeto es importante en la física y no sólo   es importante conceptualmente o en abstracto,  sino que puede ayudarte a resolver problemas. Así que, te voy a mostrar un ejemplo más  tangible de cómo esto podría ayudarte   a resolver un problema que podrías  encontrar en tus cursos de física. Digamos que hay dos cajas que son  demasiado grandes y difíciles de   manejar. Así que vas a empujarlas  por el suelo. No son pesadas,   sólo tienen una forma extraña, digamos  que el suelo está recién encerado.  Así que es muy resbaladizo y las cajas  también se resbalan fácilmente, es decir,   hay una fricción insignificante. Podrías  ignorar la fricción entre las cajas y el suelo. Entonces vamos a decir que te  acercas y empujas estas cosas.  Y vas a empujarlas hacia la  esquina de algún almacén,   estás trabajando en el almacén por  aquí, ganando tu paga del día y al   empujar estas cosas vas a ejercer… digamos  nueve newtons de fuerza en esta caja de un   kilogramo y entonces eso empuja a la caja de  dos kilogramos y se mueven hacia la derecha. Entonces, ¿podemos tratar este sistema de cajas  como si fuera un solo objeto? Bueno, como hemos   dicho, depende de la pregunta. Si la pregunta  que queremos hacer es, ¿cuál es la aceleración   de estas cajas al deslizarse hacia la derecha? Entonces se van a mover a la misma velocidad   porque al empujar esta caja de un kilogramo  esa caja de un kilogramo empuja a la caja   de dos kilogramos y se van a mover juntas. Mientras sigo empujando con nueve newtons,   la velocidad de ambas cajas va a ser la misma  hacia la derecha y la aceleración de las cajas   va a ser la misma hacia la derecha. Nunca se van a separar.  Lo que significa es que el hecho de  que hubiera dos cajas no importa,   puedo tratar este sistema de dos cajas  como si fuera una sola caja de tres kilos. Ni siquiera necesito saber que en  realidad estaban divididas aquí,   porque nunca se van a separar para  esta pregunta que estoy haciendo aquí.  Así que podría tratar todo este sistema como  si fuera sólo un gran objeto de tres kilogramos   y esta es una idea importante. Las propiedades de un sistema,   como la masa del sistema, están determinadas por  las propiedades de los objetos en ese sistema. Así que pongo un tres aquí y esto es legal, esto  está permitido. Las propiedades de esta masa   total de mi sistema están determinadas por la  masa de los objetos individuales de mi sistema. Así que realmente puedes sumar estas masas para  determinar la masa total del sistema que vas a   tratar como un solo objeto. Y ahora que puedo  tratar esto como un solo objeto. No solo eso,   estoy de suerte, ya que puedo  usar la segunda ley de Newton. La aceleración va a ser igual  a la fuerza neta sobre la masa,   y vamos a hacer esto para la dirección horizontal. Y voy a poner una masa de tres. Podría ignorar  el hecho de que esto era un uno y dos ya que   la masa total de mi sistema va a ser tres  kilogramos y la única fuerza en mi sistema,   que estoy tratando como un objeto por  aquí, es la fuerza de nueve newtons. En otras palabras, puedo ignorar las fuerzas  internas entre estas cajas. No me importa si   la primera caja empuja a la segunda o  si la segunda caja empuja a la primera,   ya que estoy tratando el sistema  como un objeto y estoy ignorando   esa estructura interna que hace que  este problema sea realmente fácil. Por lo tanto, cuando resuelvo la aceleración  sólo obtengo tres metros por segundo al cuadrado. Así que para esta pregunta podría  tratar el sistema como un solo objeto. ¿Para qué pregunta no podría tratar  el sistema como un solo objeto? Bueno, si la pregunta fuera: ¿cuánta fuerza ejerce  la caja de un kilo sobre la caja de dos kilos? Y podrías pensar, oh, es  solo nueve, pero no es así. Así que mantente atento, espera. Es  contraintuitivo, lo sé, pero la idea   principal que estoy tratando de enfatizar aquí  es que esta fuerza en la caja dos ejercida por   la caja uno es fundamentalmente una  pregunta sobre una fuerza interna. Así que, si la pregunta que haces  es sobre la estructura interna,   claramente no puedes ignorar  la estructura interna. Así que para esta pregunta no podemos tratar el  sistema de dos cajas como si fuera una sola masa.  Tendremos que enfocarnos en la estructura interna. Así que, de nuevo, considera esto como  dos cajas separadas y utilizaremos la   misma fórmula. La aceleración va a ser  igual a la fuerza neta sobre la masa,   pero esta vez tenemos que  centrarnos en una sola masa. Así que nos centraremos solo en la  masa de dos kilogramos y la única   fuerza horizontal sobre esta masa de  dos kilogramos, si no tenemos fricción,   es esta fuerza que queremos encontrar, la  fuerza en la caja dos ejercida por la caja uno. Y esa es la única fuerza que se ejerce sobre la masa de dos kilogramos. Estos   nueve newtons se ejercen directamente  sobre la caja uno, y no se ejercen   directamente sobre la caja dos. No es  necesario ponerlo aquí, en la fórmula,   no debemos incluirlo. Estas son sólo las fuerzas  que se ejercen directamente sobre la caja dos,   además tendríamos que sustituir la aceleración de  la masa de dos kilogramos, pero ya encontramos que   este 3 era la aceleración de la caja uno, de la  caja dos y de todo el sistema. Todo obtiene la   misma aceleración. Así que puedo poner aquí mis  tres metros por segundo al cuadrado y con ello   encontramos que la fuerza ejercida en el objeto  dos ejercida por el objeto uno es de 6 newtons. Así que no es tan grande y esto no  es sorprendente. Se necesitan más   newtons aquí a la izquierda, 9 newtons,  para acelerar todo el sistema de tres   kilogramos que los que necesitamos para  acelerar solo la masa de dos kilogramos. Así que el hecho de que esta fuerza  está acelerando menos masa significa   que no tiene que ser tan grande. Pero la idea  clave es que para encontrar esta fuerza aquí,   no debemos tratar todo este  sistema como una sola masa. Así que, recapitulando, si la pregunta que se  hace no depende de la estructura interna, podemos   simplificarnos la vida al pensar esa estructura y  ese sistema como si fuera un solo objeto, en cuyo   caso, sus propiedades estarán determinadas por  las propiedades de los objetos que lo componen. Pero si la pregunta que se hace depende de la  estructura interna, entonces no puedes tratar   ese sistema como un objeto único. Y por lo tanto  debemos enfocarnos en la estructura interna.