Simulaciones en Física

La Física trata de esclarecer las fundamentos de los fenómenos naturales. Éstos se describen matemáticamente mediante ecuaciones y expresiones que interpretamos. Anticipamos sucesos, analizamos resultados, explicamos situaciones naturales con principios y leyes que se plasman en unas sencillas identidades matemáticas que esconden en su seno una ingente cantidad de información. Los científicos, a lo largo de los siglos han ido inventando conceptos que han ayudado mucho al entendimiento de la naturaleza. Magnitudes que se conservan por ley o por principio, nos dan la clave de la comprensión, temporal y mutable, de los fenómenos normales, siempre en una lenta aproximación a la realidad. Como una sucesión convergente se van dando pequeños pasos hacia un límite quizá inalcanzable. El profesor de Física expone a sus alumnos las causas de los fenómenos naturales, mediante teorías que se han ingeniado en las que se introducen esas magnitudes, donde hay establecidas unas relaciones que se expresan en ecuaciones. El alumno ve “fórmulas”, aprende a manejarlas con mayor o menor destreza, y en esa maña le va la nota. Con el tiempo, y si continúa los estudios, empezará a relacionar situaciones, a comprender explicaciones, a aprender.

Sin embargo la Física es muy rica en matices didácticos. Hay introducción de conceptos, trabajo experimental, resolución de problemas, ideas previas, etc. Si de lo que se trata es de hacer una descripción de la naturaleza se puede intentar una narración no meramente matemática, sino detallar los fenómenos físicos con modelos visuales. Idealizar los fenómenos mediante simulaciones permite manipular y dirigir las magnitudes que intervienen, observando la contribución de cada una de ellas de un modo perceptible. Sin olvidar el análisis matemático, muchas simulaciones clarificarán fenómenos de tipo mecánico, ondulatorio, óptico, etc. El estudio de formación de imágenes en dispositivos ópticos, las líneas de fuerza, la reflexión, el efecto Doppler etc son ideales para una simulación y control de variables.

El fenómeno explosivo de INTERNET, ha abierto unas expectativas insospechadas. Las páginas web contienen texto, imágenes y applets o pequeños programas interactivos escritos en lenguaje Java. La enseñanza de cualquier materia se puede beneficiar de la extraordinaria facilidad de navegación, de la posibilidad de tener a nuestra disposición inmediata la inmensa cantidad de información de todo tipo almacenada en los miles de servidores repartidos a lo largo y ancho del mundo, de la interactividad y el dinamismo que imprimen los applets a las páginas web.

El estudiante puede interaccionar con un applet del mismo modo que lo hace con cualquier otro programa Windows: introduce los valores iniciales, y controla la evolución del sistema físico, observando los resultados en forma de texto, gráficos y animaciones. Mediante el diálogo interactivo con el programa se pretende que el alumno sea un partícipe activo en el proceso de aprendizaje, en vez de un mero receptor de conocimiento.

Estos applets que circulan por la red, alojados en servidores remotos, hay que adaptarlos a nuestro entorno educativo. Los profesores pueden elaborar sus propios apuntes multimedia. No hace falta ser un diseñador ni un programador para proporcionar a nuestros alumnos un material que permite estudiar la asignatura de física desde otra perspectiva, menos convencional. No sólo facilita al alumno el estudio individual sino que permite al docente mejorar sus clases, sus exposiciones y sus explicaciones.

A corto plazo, los libros de texto incorporarán unidades didácticas en formato multimedia o HTML. Es, sin duda, una apuesta ganadora de futuro.

Para ilustrar este artículo ofrecemos de muestra un botón. Cualquier profesor de Física sabe lo tedioso que resulta explicar el principio de Huygens y deducir a partir de éste los fenómenos de la reflexión y la refracción. Véase si este material no simplifica la labor:

Alrededor de 1860 el físico danés Huygens propuso un mecanismo simple para trazar la propagación de ondas. Su construcción es aplicable a onda mecánicas en un medio material.

Un frente de onda es una superficie que pasa por todos los puntos del medio alcanzados por el movimiento ondulatorio en el mismo instante. La perturbación en todos esos puntos tiene la misma fase. Podemos trazar una serie de líneas perpendiculares a los sucesivos frentes de onda. Estas líneas se denominan rayos y corresponden a las líneas de propagación de la onda. La relación entre rayos y frente de ondas es similar a la de líneas de fuerza y superficies equipotenciales. El tiempo que separa puntos correspondientes de dos superficies de onda es el mismo para todos los pares de puntos correspondientes (teorema de Malus).

Huygens visualizó un método para pasar de un frente de onda a otro. Cuando el movimiento ondulatorio alcanza los puntos que componen un frente de onda, cada partícula del frente se convierte en una fuente secundaria de ondas, que emite ondas secundarias (indicadas por semicircunferencias) que alcanzan la próxima capa de partículas del medio. Entonces estas partículas se ponen en movimiento, formando el subsiguiente frente de onda con la envolvente de estas semicircunferencias. El proceso se repite, resultando la propagación de la onda a través del medio. Esta representación de la propagación es muy razonable cuando la onda resulta de las vibraciones mecánicas de las partículas del medio, es decir una onda elástica pero no tendría significado físico en las ondas electromagnéticas donde no hay partículas que vibren.

$16. Reflexión, refracción y Principio de Huygens$ A partir del principio de Huygens puede demostrarse la ley de la refracción. Supongamos que un frente de onda avanza hacia la superficie refractante I₁I₂ que separa dos medios en los cuales las velocidades de la luz son v y v´. Si consideramos I₁ como emisor, en el tiempo Dt en que la perturbación llega de A a I₂, la perturbación originada en I₁ habrá alcanzado la esfera de radio r´= v´Dt. En el mismo tiempo la perturbación correspondiente llega a todos los puntos de la envolvente BI₂, y tomando los rayos normales a los frentes de onda, de la figura se deduce que:

n₁ sen a_i

n₂ sen a_r

Lo cual está de acuerdo a la experiencia, no sólo en cuanto a direcciones de propagación, sino también en que en el medio de mayor índice de refracción la velocidad es menor, contrariamente a lo que suponían Descartes y Newton.

La teoría ondulatoria no pudo progresar en aquella época debido a la gran autoridad de Newton que la combatía arguyendo que dicha teoría no podía explicar la propagación rectilínea.