3. Sistemas físicos, entorno y elección de límites

3.1 ¿Qué parte de la situación vamos a estudiar?

Una persona empuja un carrito que transporta una caja. En la escena también están el suelo, la Tierra y el aire. Si queremos describir el movimiento del carrito, ¿debemos incluir todos esos elementos en nuestro programa?

La respuesta depende de la pregunta. Podemos estudiar solo el carrito, el conjunto formado por carrito y caja, o un sistema más amplio. Cada elección organiza de una manera diferente la descripción de la misma situación física.

En este tema aprenderemos a definir sistema, entorno y frontera. Todavía no calcularemos fuerzas ni energía: primero necesitamos reconocer qué pertenece al sistema y qué actúa desde afuera.

3.2 Sistema físico y entorno

Un sistema físico es la parte del mundo que elegimos estudiar. Puede ser un cuerpo, varios cuerpos, una cantidad de materia o el contenido de una región del espacio.

El entorno es lo que queda fuera del sistema. Para un problema concreto, nos interesan especialmente las partes del entorno que interactúan de manera relevante con él.

El sistema no tiene que coincidir con un único objeto visible. Una taza y su bebida pueden estudiarse juntas, aunque también podamos analizarlas por separado.

3.3 La frontera o límite del sistema

La frontera separa lo que consideramos parte del sistema de lo que dejamos en el entorno. Puede coincidir con una superficie física, como la pared de un recipiente, o ser una superficie imaginaria elegida para el análisis.

Por ejemplo, podemos imaginar un límite alrededor del carrito y la caja. Ese límite no agrega una pared ni una barrera al mundo real: solo indica qué incluimos en nuestra descripción.

También podemos elegir límites que se mueven con los objetos, o una región fija del espacio por la que entra y sale materia. Un tramo de tubería es un ejemplo de región fija; una porción de agua que seguimos mientras avanza es una elección distinta.

3.4 La misma escena admite distintos sistemas

Volvamos al carrito con una caja. La persona lo empuja y el conjunto se encuentra sobre el suelo.

• Solo el carrito: la caja, la persona y la Tierra forman parte del entorno.
• Carrito y caja: el contacto entre ambos queda dentro del sistema; la persona y la Tierra permanecen afuera.
• Carrito, caja y Tierra: las interacciones del carrito y de la caja con la Tierra pasan a ser internas al sistema elegido.

Incluir la Tierra puede resultar útil para estudiar intercambios de energía asociados a la gravedad. Para otras preguntas alcanza con dejarla en el entorno y representar su acción mediante una regla. La elección más amplia no es siempre la más conveniente.

Cambiar el límite no cambia el fenómeno. Cambia cómo agrupamos los elementos y cómo registramos sus relaciones.

3.5 Interacciones internas y externas

Una interacción interna relaciona partes que están dentro del sistema. Una interacción externa relaciona una parte del sistema con una parte del entorno.

Si la caja está fuera del sistema, su contacto con el carrito es una interacción externa para el carrito. Si incluimos ambos cuerpos, ese mismo contacto es interno. La interacción no desaparece: cambia su clasificación.

Cuando los dos participantes quedan fuera del sistema, el vínculo pertenece al entorno. Esa interacción puede ser relevante para un modelo más amplio, pero no conecta directamente con el sistema que acabamos de elegir.

No es necesario que los cuerpos se toquen para interactuar. La gravedad entre la Tierra y la caja sigue siendo relevante aunque no exista contacto directo entre ellas.

3.6 Simulación interactiva: cambiar el límite

Elegí qué elementos forman el sistema y observá el contorno discontinuo. Las líneas muestran algunos vínculos físicos de la escena; su clasificación cambia al modificar el sistema. En el esquema, «Tierra» incluye también el suelo.

• Agregá la caja: el vínculo entre carrito y caja pasa de externo a interno.
• Incluí la Tierra: sus vínculos con el carrito y la caja también pasan a ser internos.
• Incluí los cuatro elementos: todos los vínculos dibujados quedan dentro, pero eso no demuestra que el sistema real esté aislado: hay elementos e interacciones no representados.
• Usá el resaltado: permite seguir un tipo de vínculo sin cambiar el sistema ni los recuentos.

Esta es una simulación conceptual: no calcula movimiento, fuerzas ni energía. La disposición de los elementos es esquemática, las líneas no representan trayectorias y el contorno expresa la elección del sistema.

3.7 Sistemas abiertos, cerrados y aislados

Otra clasificación considera qué puede intercambiar el sistema con su entorno. Aquí hablaremos de materia y energía; estudiaremos los cálculos de energía más adelante.

Un recipiente cerrado con tapa no queda necesariamente aislado: puede transferir energía a través de sus paredes. Un termo real puede aproximarse a un sistema aislado durante un intervalo si sus intercambios son suficientemente pequeños para el objetivo del estudio.

La clasificación depende del sistema elegido y de las condiciones. No se deduce de que su dibujo tenga un contorno cerrado ni del nombre de una variable en el código.

3.8 Representar la pertenencia en JavaScript

Podemos guardar los identificadores de los cuerpos incluidos en un Set, una colección que permite comprobar si contiene un elemento mediante has.

const sistema = new Set(["carrito", "caja"]);
const elementos = ["persona", "carrito", "caja", "tierra"];

for (const elemento of elementos) {
  const ubicacion = sistema.has(elemento) ? "dentro" : "fuera";
  console.log(elemento + ": " + ubicacion);
}

El resultado ubica al carrito y a la caja dentro; a la persona y a la Tierra, fuera. La lista de cuatro elementos es una selección del escenario, no una enumeración de todo el entorno real.

Este conjunto describe una decisión de análisis. No aplica fuerzas, no detiene objetos y no construye una pared física.

3.9 Clasificar una interacción con código

Para decidir dónde queda una interacción, comprobamos si cada uno de sus dos participantes pertenece al sistema. En este ejemplo representamos las interacciones mediante pares de identificadores.

function clasificarInteraccion(sistema, a, b) {
  const aDentro = sistema.has(a);
  const bDentro = sistema.has(b);

  if (aDentro && bDentro) return "interna";
  if (aDentro || bDentro) return "externa";
  return "del entorno";
}

const sistema = new Set(["carrito", "caja"]);
console.log(clasificarInteraccion(sistema, "carrito", "caja"));
console.log(clasificarInteraccion(sistema, "persona", "carrito"));
console.log(clasificarInteraccion(sistema, "tierra", "persona"));

Los resultados son interna, externa y del entorno. Los operadores && y || permiten preguntar si ambos participantes están dentro o si al menos uno lo está, después de haber descartado el primer caso.

La función clasifica un vínculo que nosotros ya identificamos. No decide si ese vínculo existe en la naturaleza ni qué intensidad tiene.

3.10 Elegir un límite útil para programar

La elección del sistema debe ayudar a responder la pregunta sin introducir detalles innecesarios. Un sistema más grande convierte algunos vínculos externos en internos, pero también puede exigir representar más componentes.

1. Escribí la pregunta: por ejemplo, describir el movimiento del carrito y su carga.
2. Elegí los componentes: indicá si la carga forma parte del sistema o si actúa desde afuera.
3. Identificá el entorno relevante: persona, suelo, Tierra y, si es importante, aire.
4. Registrá los intercambios e interacciones: distinguí lo interno de lo externo.
5. Justificá las omisiones: especificá bajo qué condiciones podés simplificar algún efecto.

Dejar la Tierra fuera no permite ignorar automáticamente la gravedad. Podemos representar su acción sin simular todos sus componentes. Del mismo modo, excluir el aire del código requiere justificar por qué su efecto no es relevante para ese modelo.

La frontera física elegida y la organización del software son decisiones diferentes: separar el código en dos objetos o módulos no convierte por sí solo a dos cuerpos en sistemas independientes.

3.11 Ejercicio propuesto

Una persona empuja un carrito que lleva una caja. Analizá primero el sistema formado solo por el carrito y luego el sistema formado por carrito y caja.

1. Indicá dónde queda la caja en cada elección.
2. Clasificá el contacto carrito–caja, el empuje persona–carrito y la gravedad Tierra–caja.
3. Explicá si cambia el movimiento real por cambiar nuestra elección del sistema.
4. Indicá si dejar a la Tierra fuera del sistema permite eliminar la gravedad del modelo.

const elecciones = [
  { nombre: "Solo carrito", cuerpos: new Set(["carrito"]) },
  { nombre: "Carrito y caja", cuerpos: new Set(["carrito", "caja"]) }
];
const vinculos = [
  ["carrito", "caja"],
  ["persona", "carrito"],
  ["tierra", "caja"]
];

for (const eleccion of elecciones) {
  console.log(eleccion.nombre);
  for (const [a, b] of vinculos) {
    const cantidadDentro = Number(eleccion.cuerpos.has(a))
      + Number(eleccion.cuerpos.has(b));
    const tipo = ["del entorno", "externa", "interna"][cantidadDentro];
    console.log(a + " - " + b + ": " + tipo);
  }
}

3.12 Ideas para recordar

• El sistema es la parte del mundo que elegimos estudiar; el resto pertenece al entorno.
• La frontera puede ser física o imaginaria, fija o móvil.
• Una misma interacción puede ser interna o externa según qué cuerpos incluyamos.
• Un sistema cerrado puede intercambiar energía; uno aislado no intercambia materia ni energía.
• La elección del límite debe responder a la pregunta y conservar las interacciones relevantes.

En el próximo tema estudiaremos modelos físicos: supuestos, idealizaciones y límites, para aprender a precisar qué simplificaciones usamos y hasta dónde podemos confiar en ellas.