Model per explicar i interpretar fenòmens físics
Digna Couso
Julià Hinojosa
La física és la part de la ciència que estudia la matèria i l’energia i les interaccions entre ambdues. Té per objectiu comprendre i aprofitar les característiques dels fenòmens físics a partir de l’estudi de les seves interaccions i de l’aplicació dels principis de conservació que se suposa que es compleixen a l’univers.
Canvis físics
La física s'aplica a tot l'univers conegut i n'estudia els canvis físics. Aquests, són canvis que es donen en els cossos en els quals no hi ha una modificació de la composició del cos que fa que deixi de ser el que era, a diferència dels canvis químics. En els canvis físics hi ha canvi, però no transformació
Són exemple de canvis físics els canvis de posició, de temperatura, de pressió, de concentració, d'estat, de compressió, d'alçada, de velocitat, d'imantació, de càrrega, etc.
Tots aquests canvis es produeixen degut a les interaccions que els cossos es fan els uns als altres, i tots segueixen unes certes regles del joc que són principis fonamentals de l'univers i depenen del paradigma i l'escala en les quals ens situem.
Model científic escolar des de la física: dues mirades
Per l’objectiu que ens ocupa, el de la física escolar bàsica, en tenim prou amb situar-nos en el paradigma clàssic o newtonià, on les escales van d’allò microscòpic fins allò cosmològic. Tot i l’interès que creiem que té reflexionar en algun moment sobre quina física s’hauria de treballar al segle XXI, també pensem que l’objectiu bàsic, especialment a l’educació primària, és compartir la forma de mirar de la física per diferenciar-la d’altres. I per això, la física clàssica és un exemple excel·lent que tracta fenòmens propers. En aquest marc, es deixen de banda els efectes relativistes, ja que les velocitats són petites comparades amb les de la llum, i podem negligir els efectes quàntics (l’escala és molt superior a l’atòmica).
La física clàssica estudia les interaccions per explicar els motius dels canvis físics que es produeixen. Així, des d’aquesta forma de mirar els canvis, s’analitzen dues de les quatre interaccions fonamentals que es donen entre els cossos: la interacció gravitatòria i l’electromagnètica. Aquestes interaccions es relacionen amb les propietats dels cossos, i de fet són la manifestació d’aquestes propietats.
Mirar els canvis des de les interaccions
GRAVITATÒRIA, Els cossos, pel fet de tenir massa, interaccionen gravitatòriament. Aquesta interacció fa que s'atreguin els uns als altres, sent només perceptibles les atraccions produïdes pels cossos molt massius. Per exemple, la Terra ens atrau a tots -el pes-.
ELECTROMAGNÈTICA, Els cossos, pel fet de tenir càrrega i depenent d’on i com estiguin configurats i com de lliures siguin, poden interaccionar electromagnèticament. Aquesta interacció es pot donar en forma d’atraccions o repulsions segons si estan carregats o imantats amb diferent o igual signe.
A nivell macroscòpic, qualsevol interacció o força entre cossos és generalment una combinació d’aquestes interaccions fonamentals. Per exemple, la força de fricció no és més que el producte de complexes interaccions electromagnètiques entre els àtoms de les superfícies d’objectes en contacte.
L’estudi de les interaccions en els fenòmens físics és molt complexa. Tots els cossos interaccionen amb tots, i s’han de fer moltes idealitzacions i menysprear moltes d’elles per, en una primera aproximació, poder predir i explicar comportaments. En algunes situacions, de fet, explicar perquè es produeix un canvi físic concret és tan complex que la justificació deixa de ser útil a nivell qualitatiu. De vegades, inclús, simplement ens interessa més saber com passa el canvi que no pas per què passa. És a dir, és suficient amb seguir la pista dels canvis, saber la magnitud de canvi possible i poder predir fins a quin punt canviarà (que sovint s’expressa per mitjà de ‘lleis’ explicitades en relacions matemàtiques).
Mirar els canvis des de la termodinàmica
Tanmateix, a la física hi ha una altra forma de mirar els canvis físics, que anomenem termodinàmica, que s’ocupa dels límits i conservacions d’aquests canvis per poder predir comportaments. En aquesta visió, es parteix de les premisses o principis que diuen que l’energia es conserva a l’Univers i en el sistemes tancats (primer principi de la termodinàmica), i que l’energia es degrada, és a dir, cada vegada és menys aprofitable (segon principi de la termodinàmica), per predir quins canvis poden passar i aprofitar-los.
Entendre quina és la mirada de la física sobre els fenòmens de canvi físic implica triar quina de les dues mirades volem aplicar. En la física escolar parlem del Model Científic Escolar (MCE) d’interaccions mecàniques (newtonianes) i el MCE d’energies (termodinàmica). A primària tots dos models s’han de començar a utilitzar.
Entendre i dominar aquesta mirada no és fàcil per als estudiants. La casuística de canvis físics és enorme. Les interaccions que es produeixen són molt variades i es treballa alhora amb moltes escales diferents. Les explicacions o interpretacions han de ser molt abstractes per poder generalitzar una casuística tan gran de fenòmens. Crèiem que no podem defugir, però, de compartir aquesta forma de mirar, ni tan sols en les seves aplicacions més senzilles, properes, quotidianes i a l’escala meso. Per fer-ho, cal un exercici de reconstrucció educativa profund, que és en el que ens embarquem. Així, des de la mirada sistèmica que compartim, les dues formes de mirar de la física, la centrada en interaccions i la que evita les interaccions, tenen aspectes en comú.