¿Cómo se desarrolla una “intuición” sobre la física?

La intuición, como en todas partes, necesita experiencia en ejercicios, problemas teóricos y prácticos. Pero no hay intuición física universal . Contaría al menos cinco intuiciones físicas:
Mecánica, electromagnetismo, relatividad, física cuántica, termodinámica.

Mecánica
La intuición mecánica crece de alguna parte de la intuición de la vida cotidiana, junto con la comprensión de la geometría euclidiana y algunas cosas como fuerzas y leyes de conservación.

Electromagnetismo
Alguna experiencia con circuitos eléctricos puede ayudar. Las cosas avanzadas (electrodinámica) también necesitan comprender el cálculo vectorial; sin ellos, la intuición de un ingeniero eléctrico no ayudará.

Relatividad
No es tan difícil como sugieren grandes multitudes de estudiantes confundidos y errantes. Ciertamente, no es más difícil de entender que las ondas electromagnéticas. La mayoría de los conceptos erróneos resultan de la negación a pensar el espacio-tiempo, de la renuencia a aprender el verdadero lenguaje (el espacio-tiempo, las líneas del mundo y la simetría de Lorentz-Poincaré) y la lectura sobre la relatividad en las traducciones al lenguaje newtoniano. Olvídate de las velocidades. Tire los libros de texto de la década de 1960, aprenda primero la geometría pseudoeuclidiana. La relatividad es geometría , no una fórmula de adición de velocidad.

Física cuántica
No hay cantidades que cambian continuamente con el tiempo, solo hay observables. Los sistemas no tienen estados objetivos : dependen de las mediciones realizadas y de la información que se conoce. Los estados que se excluyen mutuamente en la vida ordinaria pueden existir en superposición (es decir, tienen diferentes grados de existencia en la misma realidad). No es algo muy difícil adquirir cierta intuición, pero uno debe alterar su fe, dejar de creer en cantidades y desarrollar cierta confianza en los observables. Y uno absolutamente necesita álgebra. Al igual que la relatividad es geometría, la física cuántica es álgebra (lo más importante, basado en números complejos). Pero la intuición enfrentará muchos desafíos de todos modos.

Termodinámica
Tiene algo que ver con la mecánica (fricción y viscosidad), pero difiere del resto de la física en la irreversibilidad fundamental del tiempo. Comprender que los sistemas tienen una dirección de evolución naturalmente preferida es un desafío. Posiblemente, las personas inclinadas a la química y la biología pueden desarrollar más fácilmente la intuición sobre la termodinámica que los físicos acostumbrados a los modelos deterministas.

Palabras que incluyen
La simetría juega un papel importante en la física: desde las leyes de conservación hasta el análisis dimensional. Aprenda la teoría de grupos (especialmente los grupos de Lie), las matemáticas de la simetría.

Esta no es una respuesta general, pero una cosa que personalmente encontré útil fue la práctica de relacionar una función de dos variables con su gráfico y viceversa. Estudie una gráfica y descubra qué puede decir sobre la ecuación que la generaría. Mire una ecuación y descubra lo que puede decir sobre su gráfico (sin representarlo en una computadora). ¿Cuántos máximos o mínimos hay? ¿Dónde están las intersecciones x e y? ¿El gráfico aumenta sin límite? ¿Va a una asíntota?

Sé que esto puede sonar como intuición matemática, no como intuición física, pero las ecuaciones básicas de dos variables están en todas partes en la física. Las características significativas en el gráfico generalmente se asignan a las características significativas del sistema físico que describe. La capacidad de visualizar el gráfico facilita la comprensión del comportamiento físico. Sé que ese ha sido el caso para mí, al menos.

La intuición es lo que la naturaleza te otorga para tu supervivencia. Te da una ‘sensación’ de las cosas que te rodean. Por ejemplo, puede decir intuitivamente el punto de aterrizaje de una pelota lanzada por usted.
La física, por otro lado, tiene que lidiar con la mecánica clásica en la que su intuición puede ayudar, pero también tiene que lidiar con cosas que nuestros cerebros primitivos nunca tuvieron la oportunidad de tratar, como la mecánica cuántica o la mecánica relativista.
La intuición son estructuras matemáticas en nuestro cerebro que sacrifican la precisión por la velocidad para obtener algún resultado. Nuestro cerebro puede desarrollar intuiciones para las cosas que aprendemos a lo largo de nuestra vida. Para desarrollar la intuición en un área tan especializada, la única forma es estudiar mucho y comprender los conceptos básicos .
Recuerdo haber leído a Richard Feynman (físico) hablando sobre intuición científica.

Ahora, todas estas cosas que puedes sentir . No tienes que sentirlos; puede resolverlos haciendo diagramas y cálculos, pero a medida que los problemas se vuelven cada vez más difíciles, y cuando intenta comprender la naturaleza en situaciones cada vez más complicadas, más puede adivinar, sentir y comprender sin calcular realmente , mucho mejor de ti! Entonces, eso es lo que debe practicar haciendo en los diversos problemas: cuando tenga tiempo en algún lugar y no esté preocupado por obtener la respuesta para un cuestionario o algo, revise el problema y vea si puede entender la forma en que se comporta, aproximadamente , cuando cambias algunos de los números.
Ahora, cómo explicar cómo hacerlo, no lo sé. Recuerdo que una vez intenté enseñarle a alguien que tenía muchos problemas para tomar el curso de física, a pesar de que le fue bien en matemáticas. Un buen ejemplo de un problema que le resultó imposible de resolver fue este: “Hay una mesa redonda sobre tres patas. ¿Dónde deberías apoyarte para que la mesa sea la más inestable?
La solución del estudiante fue: “Probablemente en la parte superior de una de las piernas, pero déjame ver: calcularé cuánta fuerza producirá qué levantamiento, y así sucesivamente, en diferentes lugares”.
Entonces dije: “No importa calcular. ¿Te imaginas una mesa de verdad?
“¡Pero esa no es la forma en que se supone que debes hacerlo!”
“No importa cómo se supone que debes hacerlo; tienes una mesa real aquí con varias patas, ¿ves? Ahora, ¿dónde crees que te apoyarías? ¿Qué pasaría si empujaras directamente sobre una pierna?
“¡Nada!”
Yo digo: “Eso es correcto; ¿Y qué pasa si empujas hacia abajo cerca del borde, a medio camino entre dos de las piernas?
“Se voltea!”
¡Yo digo ok! ¡Eso es mejor!”
El punto es que el estudiante no se había dado cuenta de que estos no eran solo problemas matemáticos; describieron una mesa real con patas. En realidad, no era una mesa real , porque era perfectamente circular, las patas eran rectas arriba y abajo, y así sucesivamente. Pero casi describió, en términos generales , una tabla real, y al saber lo que hace una tabla real , puede tener una muy buena idea de lo que hace esta tabla sin tener que calcular nada; usted sabe muy bien dónde debe inclinarse para hacer la mesa se voltea.
Entonces, ¿cómo explicar eso, no lo sé! Pero una vez que se tiene la idea de que los problemas no son matemáticos, sino físicos , ayuda mucho.

Este universo funciona con un conjunto de leyes y es Física, expresada en el lenguaje de las matemáticas. La intuición es un entendimiento que nos ayuda a predecir. Si eres experto en física, tendrás ese poder de predicción basado en sus leyes. Por lo tanto, luchar por la excelencia en la parte teórica primero. Luego aplique, aplique en todas partes y en cualquier momento porque todo el universo está allí para que vea la practicidad de las leyes. Solicite hasta obtener el SENTIMIENTO de las leyes y que sean lógicamente correctas. ¡Entonces tienes esa intuición tuya!

Parece que estás bastante temprano en tu estudio de física. Desafortunadamente, lo que describiste es bastante estándar para algunos primeros cursos de física. No te preocupes! La intuición física no se puede construir apresuradamente, al final del día viene con la práctica.

Esto es lo que recomendaría. Si encuentra el curso demasiado superficial y computacional, tendrá que tomar el asunto en sus propias manos. Compra algunos libros y no solo los leas. ¡Haz tantos problemas como puedas! No sé en qué tema te estás enfocando en este momento, pero si se trata de mecánica, hay varios textos que funcionarán bien. Aquí hay una lista de libros bastante completa para que pienses. NO es necesario leer todo esto, ¡no pierdas tu tiempo!

Una lista de libros de física

Para la mecánica, probablemente recomendaría Halliday y Resnick y tomo el volumen de una de las conferencias de Feynman. H&R lo cubre todo con un rigor lo suficientemente bueno como para que funcione en el marco de la mecánica, y las conferencias de Feynman * proporcionan un enfoque alternativo especialmente bueno para desarrollar la intuición. A menudo omite algunos de los cálculos más importantes que son importantes, pero puede ser una lectura excelente después de haber practicado o tomado un primer curso de mecánica.

No se desanime tampoco. Cuanto más avance en sus estudios, más rápido le fallará su intuición. La mecánica es casi el único tema en el que puedes apoyarte en tu intuición sin temor a volcarte, ¡e incluso hay casos en que las cosas parecen colapsarse! Descubrí que, más aún con la física que con cualquier sujeto, te ves obligado a reescribir tu propia intuición a menudo, especialmente cuando las cosas se vuelven cuánticas y difusas. Esto puede ser frustrante y desalentador para muchas personas, pero creo que es notable y emocionante. ¡Aprende a disfrutar el viaje! Buena suerte.

* ¡Estos están disponibles gratis en línea ahora!

* Hacer * física. Haz los experimentos, analiza los resultados. Repita los experimentos pero cambie una variable de control. ¿Lo que pasa? ¿Qué sabe sobre los materiales involucrados que podrían explicar el cambio? No solo leas: hazlo.

Haz muchos experimentos 🙂

Suelta globos de agua, a varias alturas, y mide cuánto tiempo lleva antes de tocar el suelo. Luego traza los resultados. Obtendrá una buena intuición de que el tiempo que lleva tocar el suelo es proporcional a la raíz cuadrada de la altura. Entonces pregúntate por qué es eso.

Para sus alturas más grandes, use gelatina en lugar de agua, y hágalo en lugares públicos donde la gente camina. (inserte el emoticón del diablo, seguido de una risa malvada).

Paso dos, aprende cálculo. La mayor parte de la física es cálculo de todos modos: Newton inventó el cálculo para explicar la física.

Haz las cosas reales. Experimenta para verificar las cosas que has aprendido. Aproveche la oportunidad de ir más allá de lo que ha aprendido también.

También es * muy * importante escribir un programa para simular ciertos fenómenos físicos. Esto es especialmente cierto cuando estudias física avanzada porque hacer experimentos no suele ser una opción factible. Por lo tanto, sugiero escribir código lo antes posible. Realmente aprenderás cómo funcionan las cosas.

Vea mi respuesta a ¿Qué esperanza hay para comprender intuitivamente futuros modelos científicos? Ver también la respuesta de Frank Heile. TL; DR: La intuición proviene de mucha experiencia. Lee el libro, haz los deberes, ejecuta los experimentos y piénsalo mucho.

Nada grande Tener una comprensión profunda de los conceptos básicos. Piensa prácticamente. Compare con la forma en que funciona la naturaleza. Y por último, pero lo mejor, tener el mayor interés en el tema y un celo por inventar.

Vea los problemas que encuentra desde múltiples perspectivas. Intenta verlos en términos de conceptos más simples que ya entiendes. Intenta enseñar lo que has aprendido a los demás. Le harán preguntas que quizás nunca haya considerado

Cuanto más sepa sobre algo, más podrá comprender algo similar o al menos tener una “intuición” sobre cómo funciona o cómo espera que funcione.

La única forma en que sé desarrollar una intuición es estudiarla como el infierno y luego esperar. Dormir ayuda.