Sobre el movimiento browniano: historia, modelamiento y simulación

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Resumen

In this work, the aim is to broaden the understanding of one of the most important phenomena in statistical mechanics and thermodynamics, namely Brownian motion. Therefore, it seeks to highlight the importance of the kinetic-molecular theory of heat in the 19th and 20th centuries, considering the crucial role of debate in the development of science. Similarly, the intention is to detail the theoretical and experimental aspects that connect the Brownian motion phenomenon with the comprehension of atomic theory. Following the aforementioned, the following question arises: Is the theory established until the early 20th century adequate to accurately describe Brownian motion? Thus, the goal is to frame the Brownian motion theory from a historical, analytical, experimental, and computational perspective. This work is divided into four main parts. The first two parts focus on highlighting historical progress and analyzing in detail some of the most important articles of that time. The third part involves the execution of a scale experimental setup to confirm the ideas presented in the theory. Subsequently, a computational simulation is carried out modeling water molecules as triatomic structures instead of rigid spheres. As a result of this research, it is demonstrated that the chronological overview presented here allows for the analysis of the motion of small particles from different perspectives, within the framework of theoretical evolution. On the other hand, it is found that the mechanism proposed based on the concept described in Einstein's articles successfully replicates the random motion experienced by Brownian particles. Finally, the results obtained in the simulation demonstrate that there is no appreciable difference when modeling water molecules as rigid spheres or as triatomic structures.

Descripción

En este trabajo, pretende ampliar los conocimientos sobre uno de los fenómenos más importantes en la mecánica estadística y la termodinámica, como lo es el movimiento browniano. Por tanto, Se busca resaltar la importancia de la teoría cinético-molecular del calor en los siglos XIX y XX, considerando el papel crucial del debate en el desarrollo de la ciencia. De igual manera, se pretende detallar los aspectos teóricos y experimentales que relacionan el fenómeno del movimiento browniano con la comprensión de la teoría atómica. Siguiendo lo anteriormente mencionado, surge la siguiente interrogante. ¿La teoría establecida hasta principios del siglo XX es adecuada para describir de manera correcta el movimiento browniano? Es así como se busca enmarcar la teoría del movimiento browniano desde un punto de vista histórico, analítico, experimental y computacional. Es así como este trabajo se divide en cuatro partes principales. Las dos primeras partes se centran en resaltar el progreso histórico y analizar detalladamente algunos de los artículos más importantes de esa época. La tercera parte implica la realización de un montaje experimental a escala para confirmar las ideas expuestas en la teoría. Después se lleva a cabo una simulación computacional que modela las moléculas de agua como estructuras triatómicas en lugar de esferas rígidas. Como resultado de esta investigación, se demuestra que el recorrido cronológico acá llevado, permite analizar el movimiento de pequeñas partículas desde diferentes puntos de vista, bajo el marco de la evolución teórica. Por otro lado, se encuentra que el mecanismo planteado a partir del concepto descrito en los artículos de Einstein replica de forma exitosa el movimiento aleatorio que sufren las partículas brownianas. Finalmente, los resultados obtenidos dentro de la simulación demuestran que no existe ninguna diferencia apreciable al modelar las moléculas de agua como esferas rígidas o como estructuras triatómicas.

Palabras clave

Movimiento browniano, Historia de la ciencia, Atomismo, Historia de la ciencia, Teoría cinético-molecular, Dinámica molecular

Materias

Licenciatura en Fisíca -- Tesis y disertaciones académicas , Mecánica estadística , Teoría cinético-molecular , Simulación computacional , Historia de la ciencia

Citación