En física, un material o sistema homogéneo tiene las mismas propiedades en cada punto; es uniforme sin irregularidades. [1] [2] 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 , al interactuar con un campo de radiación dirigida (luz, frecuencias de microondas, etc.). [3] [4]
Matemáticamente, la homogeneidad tiene la connotación de invariancia , ya que todos los componentes de la ecuación tienen el mismo grado de valor independientemente de que cada uno de estos componentes se escale a valores diferentes, por ejemplo, mediante multiplicación o suma. La distribución acumulativa se ajusta a esta descripción. "El estado de tener una función o valores de distribución acumulativa idénticos". [3] [4]
La definición de homogéneo depende en gran medida del contexto utilizado. Por ejemplo, un material compuesto está formado por diferentes materiales individuales, conocidos como " componentes " 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 que consiste en un ligante asfáltico y un agregado mineral, y luego se coloca 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 isótropo.
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 describen como vidrio o acero inoxidable. En otras palabras, cada uno de ellos se describe como un material homogéneo.
Algunos otros ejemplos de contexto son: la homogeneidad dimensional (ver más abajo) es la cualidad de una ecuación que tiene cantidades de las mismas unidades en ambos lados; la homogeneidad (en el espacio) implica conservación del momento ; y la homogeneidad en el tiempo implica conservación de la energía .
En el contexto de los metales compuestos, una aleación es una mezcla de un metal con uno o más materiales metálicos o no metálicos. Los componentes de una aleación no se combinan químicamente, sino que están mezclados de forma muy fina. Una aleación puede ser homogénea o puede contener pequeñas partículas de componentes que se pueden ver con un microscopio. El latón es un ejemplo de aleación, ya que es una mezcla homogénea de cobre y zinc. Otro ejemplo es el acero, que es una aleación de hierro con carbono y posiblemente otros metales. El propósito de la aleación es producir 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 se puede hacer resistente a la oxidación (acero inoxidable). [5]
La homogeneidad, en otro contexto, desempeña un papel en la cosmología . Desde la perspectiva de la cosmología del siglo XIX (y antes), el universo era infinito , inmutable, homogéneo y, por lo 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 la paradoja de Olbers . Olbers presentó un artículo técnico en 1826 que intentó responder a este enigma. La premisa errónea, desconocida en la época de Olbers, era 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 proporcionan 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. [6] Sin embargo, el debilitamiento no es suficiente para explicar la paradoja de Olbers. Muchos cosmólogos creen que el hecho de que el Universo sea finito en el tiempo, es decir, que no haya existido desde siempre, es la solución a la paradoja. [7] El hecho de que el cielo nocturno sea oscuro es, por tanto, un indicio del Big Bang.
Por invariancia de traducción se entiende la independencia de la 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, pues eso las haría completamente inútiles. En cierto sentido, esto también está relacionado con el requisito de que los experimentos deben ser reproducibles . Este principio es válido para todas las leyes de la mecánica ( leyes de Newton , etc.), la electrodinámica, la mecánica cuántica, etc.
En la práctica, este principio suele violarse, ya que se estudia sólo 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 de potencial , etc.). Esto se debe únicamente a que los objetos que crean estos campos externos no se consideran parte ("dinámica") del sistema.
La invariancia traslacional descrita anteriormente es equivalente a la invariancia por desplazamiento en el análisis de sistemas , aunque aquí se utiliza 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 una 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 una dirección "preferida".
En el formalismo lagrangiano , la homogeneidad en el espacio implica la conservación del momento , y la homogeneidad en el tiempo implica la conservación de la energía . Esto se demuestra, mediante el cálculo variacional , en libros de texto estándar como el texto de referencia clásico de Landau y Lifshitz. [8] Esta es una aplicación particular del teorema de Noether .
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 para [longitud]/[tiempo]; si uno está calculando una energía , las unidades siempre deben combinarse para [masa][longitud] 2 /[tiempo] 2 , etc. Por ejemplo, las siguientes fórmulas podrían ser expresiones válidas para alguna energía:
Si m es una masa, v y c son velocidades , p es un momento , h es la constante de Planck y λ es una longitud. Por otro lado, si las unidades del lado derecho no se combinan para dar [masa][longitud] 2 /[tiempo] 2 , no puede ser una expresión válida para alguna energía .
El hecho de que la ecuación sea homogénea no significa necesariamente que sea cierta, ya que no tiene en cuenta factores numéricos. Por ejemplo, E = mv 2 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 hc / λ debe dividirse o multiplicarse por 2 π .
Sin embargo, esta es una herramienta muy poderosa para encontrar unidades características de un problema dado, ver análisis dimensional .
Describe un material o sistema que tiene las mismas propiedades en cualquier dirección; es decir, uniforme sin irregularidades.(consultado el 16 de noviembre de 2009).
