¿Por qué se usan modelos en la ciencia?

En el terreno de la ciencia aplicada, los modelos son muy usados por los investigadores y expertos para ayudarlos a explicar sus ideas y teorías de manera práctica y demostrar o refutar hipótesis mucho antes de llegar siquiera a gastar dinero o recursos en la construcción de un equipo que pudiera fallar por un problema de diseño o a dar por segura una teoría que no está adecuadamente sustentada.

El uso de modelos se aplica en muchas áreas y pueden ser desde objetos a tamaño real de un prototipo de equipo en desarrollo hasta modelos a pequeña escala, pero también complejas creaciones matemáticas o conceptos abstractos.

Si el modelo funciona bien, facilita a los desarrolladores del mismo el garantizar el financiamiento para construir un prototipo y posiblemente iniciar la producción en serie del equipo.

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También es muy útil la construcción de un modelo en tamaño grande cuando se trata de representar sistemas, equipos o incluso teorías químicas o físicas cuya escala es sumamente pequeña.

El uso de modelos también es indispensable para quienes hacen predicciones a futuro, tanto de fenómenos climatológicos, astrofísicos o incluso de ingeniería social, entre muchos otros análisis predictivos.

¿Qué es un modelo?

Un modelo es un aparato, demostración, ecuación, imagen o réplica de otra cosa. Una palabra que se utiliza a menudo para describir un modelo es "análogo" y el modelo realiza o predice cómo se comporta su análogo, la cosa real.

Existen modelos físicos, modelos matemáticos, modelos estadísticos, modelos informáticos y dibujos que también pueden funcionar como modelos.

En el campo de las ciencias aplicadas, se usa el término modelo científico, que se define como una representación conceptual, abstracta, gráfica o visual cuyo objetivo es facilitar el análisis, explicación o simulación de un proceso o fenómeno.

En este caso, a través de un modelo los científicos pueden determinar, predecir o incluso calcular con exactitud el resultado final de una ecuación, operación o actividad basada en datos que ya poseen.

Por lo tanto, está universalmente aceptado que la creación de un modelo es fundamental para toda la actividad científica.

Características de un modelo

Algunos modelos físicos están construidos para ser réplicas exactas de un prototipo más grande o más pequeño, como las representaciones a escala de aviones, ferrocarriles o vehículos, que se construyen para determinar sus características aerodinámicas, proporciones y medidas ideales para cumplir con eficiencia con premisas como un menor consumo de combustible, mayor velocidad o espacio de almacenamiento, etc.

En la industria naval la construcción de modelos de las embarcaciones permite determinar sus características de navegabilidad, flotabilidad y estabilidad en todo tipo de condiciones ambientales.

Otra aplicación es en la ingeniería civil. Supongamos que un ingeniero diseña un puente y debe comprobar si será lo suficientemente fuerte para soportar el peso de todos los autos que en un momento dado pudieran estar sobre él, o determinar los efectos del viento lateral sobre su estabilidad.

El ingeniero puede construir un modelo a escala del puente, una réplica que se verá y actuará lo más parecido posible a la estructura final. Esta maqueta se someterá a todo tipo de pruebas en un laboratorio para detectar si es necesario hacer alguna modificación en su diseño, reforzar alguna parte de su estructura o incluso evaluar si cumplirá con las expectativas de costos o incluso evaluar su aspecto estético y durabilidad.

Uso de modelos para simular funciones de la física

No todos los modelos tienen que parecerse a un proceso natural, objeto o equipo que será construido posteriormente. De hecho, muchos modelos se realizan solo para simular la función o principio físico sobre el cual se construirá este equipamiento.

Por ejemplo, si tenemos que demostrar cómo se forman las nubes en la atmósfera terrestre, no sería posible construir todo un sistema hidrológico que represente este proceso. Pero sí sería muy fácil armar un modelo con unos cubitos de hielo, un frasco grande con unos centímetros de agua y una almohadilla térmica.

Este modelo permitirá fácilmente apreciar el proceso de evaporación de agua en la superficie y su condensación al llegar a las capas más frías de la atmósfera, lo que degenera en una precipitación hacia la superficie para repetir nuevamente este ciclo una y otra vez.

Este tipo de modelo se utiliza a menudo para enseñar a los estudiantes sobre la ciencia. También puede ser útil para explorar una hipótesis en el laboratorio de un científico.

Otro tipo de modelo físico es el que ayuda a los científicos a demostrar o descartar una hipótesis o para evaluar qué puede pasar si se presenta una condición que altere el experimento.

En pocas palabras, permiten explorar preguntas que comienzan con la palabra condicionante "Si". Por ejemplo, antes de que el primer hombre fuera enviado al espacio los científicos debían aprender qué pasaría si una persona necesitara caminar en gravedad cero.

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Usaron modelos para comprobar y mejorar sus predicciones y teorías y así fueron diseñando técnicas y procesos que les permitieron entrenar a los astronautas para la experiencia de la “caminata espacial”.

Clasificación de los modelos

Los modelos se clasifican principalmente por su estructura interna, más que por sus detalles exteriores o la forma en que son representados. En base a esta estructura interna existen las siguientes categorías de modelos:

• Modelos físicos: Son una representación o copia a escala de un objeto o equipo, que permite apreciar su funcionamiento o características bajo diferentes condiciones.

• Modelos matemáticos: Estos modelos representan fenómenos o relaciones entre ellos a través de una formulación matemática. Algunos pueden basarse en fórmulas y datos bien conocidos, como la Ley de Gravedad, o en fórmulas experimentales cuyo resultado será tomado como probabilístico y no como un un resultado exacto. Un ejemplo es el cálculo de la posible propagación de un virus entre la población o incluso la predicción del clima.

• Modelos numéricos: En estos la realidad física y las condiciones iniciales se representan mediante un conjunto de números, a partir de los cuales se obtienen otros resultados numéricos que reflejan cierto efecto de las condiciones iniciales. Este tipo de modelos se usa mucho en la simulación por computadora, donde variando los números que representan las condiciones iniciales se pueden medir posibles variaciones en el resultado.

• Modelos gráficos: Se basan en la representación de datos, generalmente numéricos, a través de símbolos, líneas, superficies, vectores u otros recursos gráficos. Permiten apreciar visualmente la relación entre estos datos y los factores que pueden relacionarlos o alterarlos.

• Modelos análogos: Utiliza las analogías y semejanzas entre procesos físicos diferentes pero basados en fórmulas matemáticas iguales para representar una realidad o una hipótesis. Un ejemplo es el uso que hasta mediados del siglo XX se hizo de los conceptos usados en las redes eléctricas para hacer maquetas que simularan el flujos de aguas subterráneas.

• Modelos conceptuales: Utilizan mapas de conceptos y sus relaciones, así como suposiciones sobre la naturaleza de los fenómenos que esos conceptos representan y sus posibles relaciones. Implican un alto nivel de abstracción y el manejo de conceptos muy complejos. Se usan mucho en la astronomía para plantear teorías que expliquen la relación de los sistemas planetarios o en la química para explicar cómo una molécula u átomo está conformado.

En general, todas las clases de modelos existen para ayudar a la gente a pensar, predecir, diseñar y entender cómo funcionan realmente las cosas científicamente o cómo se comportan normalmente.