LOS MODELOS EN LA
CIENCIA
¿Qué es un modelo científico?
♠ Hay varias maneras de definir un modelo
científico.
♠ Esencialmente, un modelo es una idea
comprobable, creada por la mente
humana, que nos expone un aspecto de lo
que ocurre en la naturaleza.
♠ Pero el modelo nos da asimismo una
descripción capaz de predecir qué ocurrirá
en muchas situaciones semejantes.
Explicación y predicción
Un modelo debe ayudar a explicar el
comportamiento de una parte del universo
reduciéndolo a los hechos fundamentales,
los más básicos.
Y, al mismo tiempo, debe servir para hacer
predicciones del comportamiento de
determinado sistema del universo y
ponerlas a prueba en circunstancias
diversas.
El valor de los modelos
Los modelos se elaboran cuando la
creatividad y perspicacia de un científico se
combinan con datos y observaciones de
muchas condiciones parecidas.
Los científicos tratan de identificar y
generalizar pautas en dichas observaciones.
El valor de un modelo es que podemos
confiar en sus predicciones acerca de
situaciones semejantes aun si no conocemos
cada una de ellas.
Variedad de modelos
En todas las ramas de la ciencia, incluida
por supuesto la física, empleamos
modelos para representar nuestras ideas
de cómo funciona una parte determinada
del universo.
La representación puede ser conceptual
(por ejemplo, una ecuación) o puede ser
material (por ejemplo, una maqueta o un
mapa).
Modelos conceptuales y
materiales
Dos modelos de la Tierra
Veamos un ejemplo
sencillo. A fines del siglo
XV el común de la gente
creía que la Tierra era
plana; las personas
instruidas sabían que la
Tierra es una esfera. La
diferencia entre el modelo
plano y el modelo esférico
de la Tierra conducía a
predicciones diferentes.
Colón
Cristóbal Colón sabía que no
se iba a caer por la orilla de
la Tierra, porque entendía
que ésta es esférica.
Además, conociendo el radio
de dicha esfera, se puede
calcular su circunferencia y
planear una expedición con
vituallas suficientes para
llegar a un derrotero lejano.
Aplicación de modelos
Un buen modelo debe poder explicar
fenómenos aparentemente diferentes de los
que usamos para elaborarlo en un principio.
Por ejemplo, aun cuando el modelo esférico
de la Tierra se ideó para explicar hechos de
la navegación, la gente instruida aplicó la
idea para entender los eclipses lunares.
Los modelos cambian
Nunca ha habido un modelo científico
absolutamente completo.
Cuando las observaciones creíbles de una
nueva situación entran en conflicto con las
predicciones de un modelo, algo tiene que
cambiar, porque o la información o el
modelo es incorrecto.
Modelo correcto pero…
Así, cuando Colón usó el modelo esférico de
la Tierra para predecir lo largo de su viaje al
subcontinente indio, creyó que el radio de la
Tierra es mucho más pequeño de lo que
ahora sabemos que es.
De manera que Colón subestimó la
circunferencia de la Tierra y lo largo del viaje
a la India.
¡Fiuu!
Por fortuna para Colón, se topó con América
antes de que se le acabaran las vituallas.
Corrección de datos
Más adelante, el modelo esférico de la Tierra
se refinó para incluir un mejor cálculo de su
radio y, con ello, hacer mejores predicciones
de las distancias entre los puntos de su
superficie. El modelo era correcto, pero sus
parámetros se tuvieron que refinar.
Limitaciones
Todos los modelos tienen limitaciones. No
hay modelo que capaz de explicar cada
detalle de un fenómeno.
Por ejemplo, si queremos predecir la
distancia que debemos recorrer para ir de un
lado de Nepal al otro, podemos usar para
ello el modelo esférico de la Tierra, pero
nuestro cálculo resultará bastante inexacto.
¿Por qué?
Esférica, pero arrugada
Porque, aunque la
Tierra es una esfera,
hay muchos rasgos
topográficos en su
superficie, incluidos los
Montes Himalayas, que
abarcan Nepal. El
modelo tendría que
incluir la orografía.
Modelos de la materia
Desde la Antigüedad se han propuesto varios
modelos para explicar cómo está constituida
la materia.
Los primeros modelos, propuestos por los
filósofos griegos clásicos, estaban basados
solamente en razonamientos.
Merced al desarrollo de la ciencia, se han
buscado nuevos modelos que describan los
resultados experimentales.
Unidades indivisibles
Uno de los primeros
pensadores que consideró
la cuestión de cómo
estaría constituida la
materia fue el filósofo
griego Pitágoras, nacido
en 522 a. de C.
Unidades indivisibles
Para él, la naturaleza del universo está
determinada por los números. Así que la
materia debe estar formada de unidades
indivisibles.
El átomo
Otro griego, Demócrito, piensa que la materia
debe estar formada de unidades eternas e
indivisibles. De ahí la palabra átomo, es decir,
que no puede dividirse.
Las diferentes propiedades de las sustancias
dependerían del tamaño, la posición y los
movimientos de dichos átomos.
Aristóteles
Las ideas de Demócrito, sin embargo,
perdieron interés entre los griegos.
El filósofo Aristóteles retomó entonces otras
ideas más antiguas sobre la conformación de
la materia y propuso el modelo de los cuatro
elementos, según el cual, todo cuanto hay en
el mundo estaría formado de agua, aire,
fuego y tierra, en diferentes proporciones.
La alquimia
Con base en las ideas aristotélicas y bajo la
influencia de otras ideas de culturas
antiguas, como la egipcia, durante la Edad
Media europea se desenvuelve la práctica de
la alquimia.
Los alquimistas creían poder manipular el
poder creador de Dios para llegar a curar
todas las enfermedades y fabricar metales
preciosos.
¿Magia o ciencia?
Los alquimistas escribieron libros llenos
de símbolos, con textos que parecen
describir experimentos químicos, pero no
es así. La mayor parte es magia.
Varios contienen recetas absurdas para
transmutar el cobre y el plomo en oro.
Algunos buscaban la “piedra filosofal”,
que obraría este milagro.
LIBRO DE ALQUIMIA
Al Jabir
En el siglo VIII hubo un alquimista, Al Jabir,
que declaró que buscar la transmutación de
los metales era una pérdida de tiempo.
Propuso hacer un análisis detallado de la
composición de la materia. Fue sobre todo
gracias a su influencia que varios alquimistas
hicieron hallazgos valiosos y sentaron las
bases de la química.
Nuevos modelos
En el siglo XVII renace la idea atomista de
Demócrito.
Tanto Galileo como Newton, al estudiar el
comportamiento de los gases, llegaron a la
misma conclusión: la materia está formada de
pequeñas partículas. Sólo así se podía
explicar la compresión de los gases, que no
sería posible si la materia fuera continua.
¿Quietas o en movimiento?
Pero Newton se equivocó en una cosa. Según
él, la presión que ejercen los gases se debe a
que las partículas que los forman están
quietas y se rechazan con una fuerza casi
igual a la distancia que las separa.
Las pruebas experimentales, no obstante,
demostraron que ocurre lo opuesto: las
partículas de los gases se mueven.
Movimiento incesante
El matemático suizo Daniel Bernoulli fue el
primero en proponer la idea de que los
gases están formados de partículas en
movimiento incesante y al azar.
Explicó que las moléculas del gas están
muy alejadas entre sí por lo que no ejercen
fuerzas entre ellas, salvo cuando chocan.
Cuando esto ocurre, además, no hay
pérdida de energía cinética. Son colisiones
elásticas.
Difícil progreso
El trabajo de Bernoulli, base de la teoría
cinética de las partículas moderna, fue
ignorado durante más de cien años.
Todavía en 1845, cuando John Waterston
presentó un artículo ante la Real Sociedad de
Inglaterra en el que exponía correctamente
muchos de los conceptos de la teoría cinética,
el artículo fue rechazado por “absurdo”.
Daniel Bernoulli
¿A qué velocidad?
Una de las preguntas que faltaba responder
era ésta: si las partículas se mueven, ¿a qué
velocidad lo hacen?
James Clark Maxwell y Ludwig Boltzmann,
grandes defensores de la teoría cinética de las
partículas, demostraron a fines del siglo XIX
que, aunque cada partícula se mueva a
velocidad diferente, el promedio de todas es
igual.
El modelo cinético de partículas
A partir de la teoría cinética de los gases se
ha elaborado un modelo aplicable a otros
estados de agregación de la materia.
Este modelo considera cómo cambia el
comportamiento de las moléculas, por
ejemplo, cuando un gas se condensa y se
hace líquido, o cómo se comportan en un
sólido.
Modelos cambiantes
Las teorías cinéticas evolucionan desde la
teoría cinética del gas ideal, pasando por
modificaciones, hasta llegar a a la teoría
cinética moderna.
Los estados de agregación de la materia y sus
propiedades son consecuencia del
movimiento de los átomos y las fuerzas de
atracción entre ellos.
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