Cada año, el 26 de septiembre se celebra el Día de la Dinámica, una fecha simbólica dedicada a reconocer la importancia de esta rama de la física que estudia el movimiento y sus causas. La elección del día no es casual: un 26 de septiembre de 1905, Albert Einstein presentó uno de los artículos más influyentes de su Annus Mirabilis, relacionado con el movimiento de partículas y la teoría del movimiento browniano, un fenómeno explicado mediante bases dinámicas. Aunque oficialmente no existe esta efeméride, en la comunidad académica se utiliza esta fecha para reflexionar sobre la influencia de la dinámica en el desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas.
Un recorrido por la historia de la dinámica
La dinámica nació con los estudios de Galileo Galilei, quien investigó la caída de los cuerpos y formuló principios que más tarde servirían a Isaac Newton para plantear sus tres leyes del movimiento en 1687. Estas leyes marcaron un antes y un después en la comprensión de la naturaleza, explicando cómo fuerzas externas producen aceleraciones, cómo cada acción tiene una reacción y cómo la inercia domina los sistemas físicos.
Posteriormente, científicos como Leonhard Euler y Joseph-Louis Lagrange ampliaron la disciplina con nuevos métodos matemáticos, fundamentales aún hoy para resolver problemas complejos de mecánica aplicada, desde el movimiento de un péndulo hasta la trayectoria de un satélite artificial.
Aplicaciones reales de la dinámica en la actualidad
En la ingeniería automotriz, se usa para diseñar sistemas de suspensión, frenos y chasis que garanticen seguridad y estabilidad.
En la aeronáutica, las leyes dinámicas permiten calcular fuerzas aerodinámicas en aviones y cohetes.
En la biomecánica, ayudan a entender cómo se mueven los músculos y articulaciones, lo que permite desarrollar prótesis y exoesqueletos.
En la robótica, la dinámica es esencial para programar movimientos precisos en brazos industriales y robots humanoides.
En la exploración espacial, permite planificar maniobras orbitales y trayectorias interplanetarias, como las usadas en misiones a Marte.
Actividades propuestas para este 26 de septiembre
En este Día de la Dinámica, universidades y centros de investigación suelen organizar talleres y demostraciones:
Experimentos en vivo con péndulos, proyectiles y autos a escala para mostrar cómo las leyes de Newton se cumplen en la práctica.
Charlas divulgativas sobre la dinámica de fluidos aplicada al deporte, explicando por qué los ciclistas usan cascos aerodinámicos o cómo la natación se beneficia del estudio de la resistencia del agua.
Concursos de prototipos: catapultas hechas por estudiantes, puentes con estructuras dinámicas y vehículos impulsados por energía potencial.
Mensaje central del día
El 26 de septiembre, Día de la Dinámica, nos recuerda que el movimiento está en todas partes: desde una simple pelota lanzada en el patio hasta las galaxias en expansión. Gracias a los aportes de grandes científicos y a la aplicación práctica en la ingeniería, hoy disfrutamos de transporte más seguro, tecnología médica avanzada y exploración del espacio. La dinámica no es solo teoría: es el motor invisible que conecta la ciencia con la vida cotidiana.
Diferentes enfoques de la dinámica química Al tratar de responder a la pregunta ¿Cómo ocurren las reacciones?, la dinámica química adopta diferentes puntos de vista.Chemical dynamics: a current review; National Research Council (U.S.). Panel on Chemical Dynamics. Washington, 1966.
Enfoque microscópico Se encarga del estudio de los átomos y moléculas en el curso de una transformación químicaQuímica teórica y computacional. Juan Andrés y Juan Bertrán (editores). Univ. Jaime I. Castellón, 2000. y del análisis sistemático de las reacciones y la reactividad: velocidad, energía, mecanismos de reacción y equilibrio en las transformaciones químicas.Chemical dynamics. Joseph B. Dence, Harry B. Gray, George S.Hammond.California Institute of Technology. Nueva York, 1968.
Se divide a su vez en tres grandes áreas de estudio: termodinámica química, cinética química y mecánica estadística.Dynamique chimique - Thermodynamique, cinétique et mécanique statistique. Grégoire Nicolis. Editeur Dunod, 2005.
Algunos de los temas de estudio desde este enfoque son: Termodinámica de los procesos irreversibles. Cinética química Teoría del transporte y difusión. Procesos no lineales. Sistemas ideales y sistemas de partículas en interacción. Química de superficies. Métodos de cálculo de la Dinámica molecular semiclásica y de Monte Carlo. Mecánica estadística de sistemas en equilibrio y no-equilibrio thumb|200px|right|Dinámica del metano en la atmósfera, un ejemplo de dinámica química a nivel macroscópico.
Enfoque macroscópico Se ocupa del estudio del transporte y evolución de sustancias químicas en el medio ambiente, generalmente a gran escala.Dinámica química: transporte y comportamiento de sustancias químicas en el ambiente; un problema en salud ambiental. Freed, Virgil H. Centro Agronómico Tropical de Investigación y Enseñanza. Control integrado de plagas en sistemas de producción de cultivos para pequeños agricultores. Turrialba, CATIEUC/USAID/OIRSA, 1976. p.48-64.
Son ejemplos típicos de este enfoque los siguientes: Evolución de contaminantes. Procesos físico-químicos que sufren los plaguicidas en la naturaleza; su persistencia, actividad específica y destino final.Chemical dynamics in fresh water ecosystems. Frank A. P. C. Gobas, John Alex McCorquodale. Lewis Publishers, 1992. Distribución e impacto de las sustancias químicas vertidas en ecosistemas acuáticos o en la atmósfera.
Enfoque teórico cuántico Estudia el comportamiento de las partículas (átomos, moléculas, ion) durante las reacciones químicas, especialmente el análisis del estado de transición y el camino de reacción, empleando para ello métodos teóricos y experimentales.An introduction to theoretical chemistry. Jack Simons. Cambridge University Press, 2003. También recibe por ello el nombre de Dinámica molecular.
1. Métodos teóricos en Dinámica química: Métodos cuánticos y cuasiclásico de trayectorias.Principios básicos de química. Harry B. Gray, Gilbert P. Haight. Reverté, Barcelona, 1981 (reimpresión 2003) Teorías sobre el Estado de Transición: Teorías convencionales: teoría canónica, teoría termodinámica y teoría microcanónica. Teorías variacionales: camino de reacción de mínima energía
2. Técnicas experimentales: Espectroscopía y Dinámica de estados altamente excitados vibracionalmente. Hacia 1950, John C. Polanyi estudió la transición de las moléculas durante una reacción desde un estado de alta excitación hasta un estado de menos excitación. Los cambios afectaban al grado de vibración y rotación de las moléculas. Si los productos de la reacción pasaban de estados de vibración extremadamente alta a estados de vibración extremadamente baja, se producían radiaciones de alta frecuencia. En 1958 Polanyi observó pequeños cambios vibracionales con radiación de baja frecuencia, introduciendo átomos de hidrógeno en una corriente de cloro gaseoso a baja presión. La reacción generó cloruro de hidrógeno en un estado de vibración excitado a muy alta temperatura y podía ser observada por un detector de emisión de infrarrojos. Esta luz se puede utilizar para producir un láser químico. Tras años de experimentos, Polanyi midió los estados de energía de transición, tanto los de vibración como los de rotación, de las moléculas del producto.
Excitación de sobretonos en IR. Fotoextracción de electrones. Empleo de láser químico, desarrollados en 1965 por Kasper y George Claude Pimentel tras el desarrollo teórico de John C. Polanyi. Espectroscopía de moléculas transitorias en matrices inertes.
3. Métodos multivariacionales para cálculo teórico de estados excitados electrónicos: Método CASSCF Método CASPT2 Técnicas de simulaciones por ordenador basadas en métodos estadísticos: método de dinámica molecular, método Monte Carlo.
Al estar involucrados trillones de partículas, los cálculos en el campo de la Dinámica molecular son muy complejos y requieren el uso de métodos aproximados, cálculos repetitivos y simulaciones por ordenador, y el empleo de orbitales simplificados como los orbitales moleculares de tipo Slater (OTS) los orbitales tipo Gaussianos (OTG).
Conceptos importantes en dinámica química
Potenciales de interacción thumb|200px|right|Potencial de Lennard-Jones para dos átomos que forman un enlaceProceden de la superposición entre las energías cinética y potencial de las partículas. La energía cinética tiende a dispersar las partículas formando un gas desordenado. La energía potencial eléctrica muestra las atracciones entre partículas y, por tanto, la tendencia al orden y la formación de estados condensados de la materia.
El potencial de Lennard-Jones es un ejemplo de estudio de esos potenciales.Dinámica Molecular 2D con un Potencial de Interacción tipo Lennard-Jones. Jerónimo Terrones Portas, 2007. Tomado de
Los potenciales de interacciónEstudios en Dinámica química. Interacciones entre átomos de Capa Cerrada. Humberto Palza C. entre átomos y moléculas parten de las siguientes hipótesis simplificadoras:
- Si interactúan dos átomos o moléculas entre sí, supondremos que no hay distorsión en las densidades electrónicas de esas partículas.
- Las fuerzas de Coulomb entre los electrones y núcleos se calculan usando las densidades electrónicas, dejando aparte otros fenómenos que contribuyen a la energía total como los efectos del intercambio electrónico, y la energía cinética, cuyos efectos se evalúan mediante una aproximación de un gas de electrones libres.
- Para el estudio de las densidades electrónicas de cada átomo se eligen las funciones de onda de Hartree-Fock.
thumb|300px|La velocidad de reacción aumenta con la concentración según explica la teoría de colisiones.
Dinámica de colisiones o choques La teoría de colisiones explica cómo se acercan e interaccionan las partículas implicadas en una reacción química. Por simplicidad se escoge una reacción bimolecular con la formación del complejo activado.Teoría de las reacciones bimoleculares. Tomado de
Funciones de partición En mecánica estadística, la función de partición es una magnitud que reúne las propiedades estadísticas de un sistema en equilibrio termodinámico. Es una función de la temperatura y otros parámetros, como el volumen de un gas. La mayoría de las variables termodinámicas agregadas del sistema tales como la energía total, energía libre de Gibbs, entropía, y presión, pueden expresarse en términos de la función de partición o de sus derivadas.
Hay realmente varios tipos de funciones devpartición. La función de partición canónica se aplica a un conjunto canónico para el que suponemos que está en contactotérmicocon elexterior, tiene una temperatura T y posee a la vez un volumen y un número de partículas fijos. Si llamamos s (s = 1, 2, 3, ...) a los estados (microestados o estados cuánticos discretos) que elsistema puede ocupar y llamamos Es la energía total del sistema cuando está en ese microestado.
La función de partición es
donde definimos la "temperatura inversa" β como
siendo kB la constante de Boltzmann.
La función de partición está relacionada con las propiedades termodinámicas y tiene un significado estadístico importante.
thumb|300px|Energía de activación y Estado de transición para una reacción catalizada y para otra reacción no catalizada
Teoría del estado de transición