Homogeneidad (física)

En física, un material o sistema homogéneo tiene las mismas propiedades en todos los puntos; es uniforme sin irregularidades. Un campo eléctrico uniforme (que tiene la misma intensidad y la misma dirección en cada punto) sería compatible con la homogeneidad (todos los puntos experimentan la misma física). Un material construido con diferentes constituyentes puede describirse como efectivamente homogéneo en el dominio de los materiales electromagnéticos, cuando interactúa con un campo de radiación dirigido (luz, frecuencias de microondas, etc.).

Matemáticamente, la homogeneidad tiene la connotación de invariancia, ya que todos los componentes de la ecuación tienen el mismo grado de valor, ya sea que cada uno de estos componentes esté escalado o no a valores diferentes, por ejemplo, mediante multiplicación o suma. La distribución acumulada se ajusta a esta descripción. "El estado de tener valores o funciones de distribución acumulativa idénticas".

Contexto

La definición de homogéneo depende en gran medida del contexto utilizado. Por ejemplo, un material compuesto está formado por diferentes materiales individuales, conocidos como "constituyentes" del material, pero puede definirse como un material homogéneo cuando se le asigna una función. Por ejemplo, el asfalto pavimenta nuestras carreteras, pero es un material compuesto formado por aglomerante asfáltico y áridos minerales, que luego se deposita en capas y se compacta. Sin embargo, la homogeneidad de los materiales no significa necesariamente isotropía. En el ejemplo anterior, un material compuesto puede no ser isotrópico.

En otro contexto, un material no es homogéneo en la medida en que está compuesto de átomos y moléculas. Sin embargo, en el nivel normal de nuestro mundo cotidiano, un panel de vidrio o una lámina de metal se describe como vidrio o acero inoxidable. En otras palabras, cada uno de ellos se describe como un material homogéneo.

Algunos otros ejemplos de contexto son: homogeneidad dimensional (ver más abajo) es la calidad de una ecuación que tiene cantidades de las mismas unidades en ambos lados; homogeneidad (en el espacio) implica conservación del impulso; y homogeneidad en el tiempo implica conservación de energía.

Aleación homogénea

En el contexto de los metales compuestos es una aleación. Una mezcla de un metal con uno o más materiales metálicos o no metálicos es una aleación. Los componentes de una aleación no se combinan químicamente sino que están muy finamente mezclados. Una aleación puede ser homogénea o contener pequeñas partículas de componentes que se pueden observar con un microscopio. El latón es un ejemplo de aleación, siendo una mezcla homogénea de cobre y zinc. Otro ejemplo es el acero, que es una aleación de hierro con carbono y posiblemente con otros metales. El propósito de la aleación es producir las propiedades deseadas en un metal que naturalmente carece de ellas. El latón, por ejemplo, es más duro que el cobre y tiene un color más parecido al oro. El acero es más duro que el hierro e incluso puede fabricarse a prueba de óxido (acero inoxidable).

Cosmología homogénea

La homogeneidad, en otro contexto, juega un papel en la cosmología. Desde la perspectiva de la cosmología del siglo XIX (y antes), el universo era infinito, inmutable, homogéneo y, por tanto, lleno de estrellas. Sin embargo, el astrónomo alemán Heinrich Olbers afirmó que si esto fuera cierto, entonces todo el cielo nocturno estaría lleno de luz y brillante como el día; esto se conoce como Olbers' paradoja. Olbers presentó un artículo técnico en 1826 que intentaba responder a este enigma. La premisa errónea, desconocida en la novela de Olbers. tiempo, fue que el universo no es infinito, estático y homogéneo. La cosmología del Big Bang reemplazó este modelo (universo en expansión, finito y no homogéneo). Sin embargo, los astrónomos modernos ofrecen explicaciones razonables para responder a esta pregunta. Una de al menos varias explicaciones es que las estrellas y galaxias distantes están desplazadas hacia el rojo, lo que debilita su luz aparente y oscurece el cielo nocturno. Sin embargo, el debilitamiento no es suficiente para explicar realmente la actitud de Olbers. paradoja. Muchos cosmólogos piensan que el hecho de que el Universo sea finito en el tiempo, es decir, que el Universo no haya existido desde siempre, es la solución a la paradoja. El hecho de que el cielo nocturno esté oscuro es, por tanto, una indicación del Big Bang.

Invariancia de traducción

Por invariancia de traducción, se entiende independencia de posición (absoluta), especialmente cuando se hace referencia a una ley de la física o a la evolución de un sistema físico.

Las leyes fundamentales de la física no deberían depender (explícitamente) de la posición en el espacio. Eso los haría bastante inútiles. En cierto sentido, esto también está relacionado con el requisito de que los experimentos sean reproducibles. Este principio es válido para todas las leyes de la mecánica (leyes de Newton, etc.), electrodinámica, mecánica cuántica, etc.

En la práctica, este principio suele ser violado, ya que sólo se estudia un pequeño subsistema del universo, que por supuesto "siente" la influencia del resto del universo. Esta situación da lugar a "campos externos" (eléctricos, magnéticos, gravitacionales, etc.) que hacen que la descripción de la evolución del sistema dependa de su posición (pozos potenciales, etc.). Esto sólo se debe al hecho de que los objetos que crean estos campos externos no se consideran parte (dinámica) del sistema.

La invariancia traslacional como se describió anteriormente es equivalente a la invariancia de cambio en el análisis de sistemas, aunque aquí se usa más comúnmente en sistemas lineales, mientras que en física no se suele hacer la distinción.

La noción de isotropía, para propiedades independientes de la dirección, no es consecuencia de la homogeneidad. Por ejemplo, un campo eléctrico uniforme (es decir, que tiene la misma intensidad y la misma dirección en cada punto) sería compatible con la homogeneidad (en cada punto la física será la misma), pero no con la isotropía, ya que el campo selecciona uno "preferido" dirección.

Consecuencias

En el formalismo lagrangiano, la homogeneidad en el espacio implica conservación del momento, y la homogeneidad en el tiempo implica conservación de la energía. Esto se muestra, utilizando cálculo variacional, en libros de texto estándar como el texto de referencia clásico de Landau & Lifshitz. Ésta es una aplicación particular del teorema de Noether.

Homogeneidad dimensional

Como se dijo en la introducción, la homogeneidad dimensional es la cualidad de una ecuación que tiene cantidades de las mismas unidades en ambos lados. Una ecuación válida en física debe ser homogénea, ya que la igualdad no puede aplicarse entre cantidades de diferente naturaleza. Esto se puede utilizar para detectar errores en fórmulas o cálculos. Por ejemplo, si uno está calculando una velocidad, las unidades siempre deben combinarse en [longitud]/[tiempo]; Si se calcula una energía, las unidades siempre deben combinarse en [masa]•[longitud]²/[tiempo]², etc. Por ejemplo, las siguientes fórmulas podrían ser expresiones válidas para alguna energía:

Ek=12mv2; E=mc2; E=pv; E=hc/λ λ {displaystyle E_{k}={frac {2}mv^{2};~E=mc^{2};~E=pv;~E=hc/lambda }

si m es una masa, v y c son velocidades, p es un momento, h es la constante de Planck, λ una longitud. Por otro lado, si las unidades del lado derecho no se combinan para [masa]•[longitud]²/[tiempo]², no puede ser un valor válido. expresión de algo de energía.

Ser homogénea no necesariamente significa que la ecuación será verdadera, ya que no toma en cuenta factores numéricos. Por ejemplo, E = m•v² podría ser o no la fórmula correcta para la energía de una partícula de masa m que viaja a velocidad v, y no se puede saber si h•c/λ debe dividirse o multiplicarse por 2π.

Sin embargo, esta es una herramienta muy poderosa para encontrar unidades características de un problema determinado, consulte análisis dimensional.

Los físicos teóricos tienden a expresar todo en unidades naturales dadas por constantes de la naturaleza, por ejemplo tomando c = ħ = k = 1 ; una vez hecho esto, se pierde en parte la posibilidad de realizar la comprobación anterior.