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Newton, el gran científico
Isaac Newton nació en Inglaterra el 25 de diciembre de 1642 y es considerado uno de los más grandes e importantes científicos de la historia. Aportó a varios campos de la ciencia, sirviendo de base a la mayor parte de avances científicos de la época. Físico y matemático, recibió el título de profesor en 1668, dedicándose al estudio e investigación de los últimos avances matemáticos; en 1666 desarrolló lo que hoy conocemos como cálculo, un método matemático muy novedoso. Sin embargo, hay algo que dejó una profunda huella en la historia de la física: los llamados principios o leyes de Newton, que profundizaremos a continuación. Los principios de la mecánica En 1665, cuando Newton tenía 23 años, comenzó a desarrollar los principios de lamecánica, que terminaron siendo la base teórica de todo el desarrollo de la física dinámica (fuerza y movimiento) desde el siglo XVIII. El principio de inercia Si pensamos en todo lo que hacemos diariamente, no es difícil entender que para mover un cuerpo debemos aplicar una fuerza, y para detenerlo, también. La inercia es la resistencia de un cuerpo en reposo al movimiento, o de un cuerpo en movimiento a la aceleración, al retardo en su desplazamiento o a un cambio de dirección del mismo. Para vencer la inercia debe aplicarse una fuerza. Un ejemplo de inercia es cuando vamos en el auto y frenamos bruscamente; entonces nuestro cuerpo tiende a irse hacia adelante. Por el contrario, cuando el vehículo parte nos vamos hacia atrás. Esto demuestra que todos los cuerpos que están en movimiento tienden a seguir en movimiento; los cuerpos que están en reposo, tienden a seguir en reposo. Esta es la primera Ley de Newton, que se enuncia así: “Todo cuerpo permanece en reposo o se desplaza con movimiento rectilíneo uniforme, siempre que no actúe sobre él una fuerza exterior que cambie su estado”. Definición de masa En un comienzo, Newton definió la masa como la cantidad de materia de un cuerpo. Sin embargo, con el tiempo, esto quedó mejor explicado como la medida de la inercia de un cuerpo; es decir, la resistencia del cuerpo a cambiar su estado. Es importante tener claro que a mayor masa, mayor inercia. Esto no tiene nada que ver con el peso, ya que la masa es la medida de la inercia de un cuerpo; por el contrario, el peso se refiere a la fuerza de gravedad sobre un cuerpo y es igual al producto de su
masa y la aceleración de gravedad. El peso variará dependiendo del lugar donde se encuentre, mientras que la masa será siempre constante. Por ejemplo, si tenemos dos automóviles iguales, y uno es tirado por un hombre y el otro por un caballo (dos fuerzas distintas), el segundo va a adquirir mayor aceleración, comprobando que la aceleración es directamente proporcional a la fuerza: a mayor fuerza, mayor aceleración. Por el contrario, si tenemos dos caballos iguales (igual fuerza), el primero tira de un auto más pequeño que el segundo (distintas masas), el primero adquirirá mayor aceleración, concluyendo que la aceleración es inversamente proporcional a la masa: a menor masa, mayor aceleración. Esta es la segunda Ley de Newton, que formalmente se enuncia así: “Cualquier variación del movimiento es proporcional a la fuerza que la produce y tiene lugar en la dirección en que dicha fuerza actúa, siendo el aumento o la disminución de la velocidad proporcional a la misma”. Principio de acción y reacción La tercera Ley del Movimiento de Newton es el principio de acción y reacción. Este postula que a cada acción corresponde una reacción igual y contraria. Es decir, si un cuerpo A ejerce una acción sobre un cuerpo B, el cuerpo B reacciona y ejerce una fuerza igual y contraria sobre el cuerpo A.
Los cohetes funcionan en base al mismo principio, ya que se aceleran al ejercer una gran fuerza sobre los gases que expulsan. Estos gases ejercen una fuerza igual y opuesta sobre el cohete, lo que finalmente lo hace avanzar. Cada material, sin importar cuán duro sea, es elástico. Esto hace que al ejercer una fuerza sobre él, este también lo haga. Por ejemplo, si empujamos una mesa estamos ejerciendo una fuerza sobre ella; si miramos nuestras manos, podremos ver qué están deformadas por la fuerza y sentimos dolor. Eso quiere decir que la mesa también ejerció una fuerza sobre nuestras manos.
La teoría de la gravitación universal Una de las contribuciones más específicas de Isaac Newton fue esta teoría. Pero,
¿sabes cómo llegó a ella? Un día del año 1665, Newton estaba muy concentrado tratando de entender el movimiento de los planetas en el jardín de la casa de su madre, cuando vio que desde un árbol caía una manzana. Al observar esto, la teoría vino a él como una luz: si el efecto de gravedad actúa en la copa de los árboles o en lugares de altura, tal vez sucedía los mismo con la Luna. Luego de esto, llegó a la conclusión de que la fuerza de gravedad sobre un objeto no solo depende de la distancia, sino también de su masa. Entonces, la teoría dice: “cada partícula del Universo atrae a todas las demás con una fuerza proporcional al producto de su masa, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, fuerza que actúa a lo largo de la línea que une las dos partículas”.
Primera Ley de Newton Fuerza y Movimiento Desde la antigüedad la relación entre fuerza y movimiento fue objeto de estudio. En el siglo IV (a. C), el filósofo griego Aristóteles , fundamentándose únicamente en la “observación”, manifestaba que para poner un cuerpo en movimiento, o para mantenerlo en dicho estado una vez iniciado, era necesario que sobre el cuerpo actuara de manera constante una fuerza. Si ésta dejaba de actuar, el cuerpo adquiría su “estado natural”, es decir, el “reposo”. El estado natural de todos los cuerpos es el “reposo” Aristóteles
No se preocupó Aristóteles de hacer la comprobación experimental de sus ideas y, debido a su enorme prestigio, las mismas se mantuvieron hasta el siglo XVI, sin que Si se suponen nulas las fuerzas de fricción nadie se animara a contradecirlas, ya que o roce, puede un cuerpo moverse sin que tales comportamientos se consideraban exista ninguna fuerza aplicada sobre el como “naturales” y sin ninguna discusión, mismo. hasta que surge el físico italiano Galileo Galileo Galilei , quien enfrentó el pensamiento aristotélico basado en una serie de razonamientos lógicos.
Galileo, que introduce el método experimental en el estudio de los fenómenos físicos realizó una serie de experimentos que lo llevaron a conclusiones diferentes de las de Aristóteles Como en el universo todos los objetos están sometidos a interacciones mutuas es muy importante establecer que relación existe entre fuerza y movimiento. El estudio del movimiento tomando en cuenta las fuerzas de interacción entre el objeto que se mueve y los demás objetos que lo rodean recibe el nombre de Dinámica . La Dinámica comprende tres leyes que generalmente reciben el nombre de Leyes del movimiento de Newton:
1. Ley de Inercia 2. Ley de la Fuerza o Ley de la Masa 3. Ley de Acción y Reacción Aunque estas leyes son llamadas comúnmente Leyes de Newton, por haber sido este físico quien primero las enunció en forma correcta y la aplicó a casos concretos. Debe tenerse presente que el descubridor de la Ley de Inercia fue el físico italiano Galileo Galilei, y la Ley de la Fuerza era conocida por el astrónomo alemán Johannes Kepler.
Primera Ley de movimiento de Newton (Ley de Inercia) Newton complementó los trabajos realizados por Galileo en lo referente a la relación entre fuerza y movimiento. Galileo trabajó sobre el movimiento que realizaban los cuerpos en una superficie horizontal, una vez se les daba cierto impulso. Newton repitió dichos experimentos y descubre que cuanto más lisas son las superficies, tanto más lejos se deslizará el cuerpo antes de llegar al reposo ( V = 0), una vez que se hubiese dado el mismo impulso. O sea, cuanto más lisas son las dos superficie en contacto tanto menos se desacelera el objeto y tanto más débil es la fuerza de fricción que actúa sobre él. La primera ley de Newton o Principio de Inercia de Galileo como también se le conoce es un enunciado de un experimento idealizado (Porque no existe roce). Primera ley de Newton En ausencia de la acción de fuerzas (si existen, su resultante es nula), un cuerpo en reposo continuará en reposo, y uno en movimiento se moverá en línea recta y con velocidad constante, es decir Movimiento rectilíneo uniforme (MRU). Si un cuerpo está en reposo o MRU, su aceleración es nula. Esta ley indica que si la fuerza resultante es nula o en ausencia de fuerzas que se ejercen sobre el cuerpo, éste no podrá acelerar. O también Si un cuerpo se acelera (No está en reposo ni a velocidad constante en línea recta) entonces las fuerzas que actúan sobre él son diferentes de cero. En términos matemáticos quiere decir, que si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas y éste permanece en reposo o a velocidad constante, la suma vectorial de las fuerzas es nula, es decir:
Las situaciones de reposo y velocidad constante físicamente son equivalentes y en ambas situaciones se dice que la partícula está en equilibrio, es decir; una partícula está en equilibrio cuando se encuentra en una de estas dos condiciones; o está en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme. Esto quiere decir que la fuerza resultante de varias fuerzas que actúan sobre una partícula es nula, todo ocurrirá como si no existiera ninguna fuerza actuando sobre ella. En virtud de la descomposición de un vector en sus componentes rectangulares, se puede escribir:
y se conoce con el nombre de ecuaciones de equilibrio de traslación (Primera condición). Lo anterior significa que para un cuerpo esté en reposo o en MRU, las sumas de las fuerzas en las que han descompuesto individualmente en el eje X y en el eje Y, respectivamente, son nulas. Si está en reposo, continúa en ese estado. Si se está moviendo, continúa haciéndolo sin cambiar de dirección ni de rapidez. La ley establece que un cuerpo no se acelera por si mismo; la aceleración debe ser impuesta contra la tendencia de un cuerpo a conservar su estado de movimiento. La tendencia de un cuerpo a oponerse a un cambio en su movimiento, es lo que Galileo denominóInercia. La inercia de la materia en “estado de reposo” es evidente, pues un objeto en estado de reposo respecto a un marco de referencia, no puede ponerse por si mismo en estado de movimiento.
La inercia de la materia en “estado de movimiento” es más difícil de comprender, pues si a un objeto en estado de reposo se le da un impulso inicial de tal manera que adquiera cierta velocidad, ésta disminuye progresivamente hasta que finalmente el objeto se detiene. Sin embargo, lo que ocurre es que el objeto que se mueve interactúa con los demás objetos que lo rodean, por lo que se encuentra constantemente sometidos a fuerzas exteriores que se oponen al movimiento, tales como el roce y la resistencia del aire.
Esto demuestra que todos los cuerpos que están en movimiento tienden a seguir en movimiento; los cuerpos que están en reposo, tienden a seguir en reposo. Esta es laprimera Ley de Newton , que se enuncia así: “Todo cuerpo permanece en reposo o se desplaza con movimiento rectilíneo uniforme, siempre que no actúe sobre él una fuerza exterior que cambie su estado”.
Esta condición equivale a admitir que el objeto no interactúa con ninguno de los objetos que lo rodean, lo cual es una condición que no se da en realidad, pues todos los objetos están sometidos a interacciones mutuas. Por consiguiente, sobre un objeto en reposo o en movimiento están actuando constantemente fuerzas exteriores. Sin embargo, si en un momento dado todas las fuerzas que actúan sobre el objeto se equilibran, la fuerza resultante que actúa sobre el objeto es nula, lo cual equivale a la condición exigida por la Primera Ley de Newton.
Un objeto permanece en reposo o se mueve indefinidamente con velocidad constante, cuando las fuerzas que actúan sobre el objeto se equilibran, dando una resultante nula. Aunque Galileo fue quien introdujo el concepto de inercia, fue Newton quien valoró su importancia. La ley de la inercia define el movimiento natural e indica que clases de movimiento son el resultado de las fuerzas aplicadas.
Si piensa en todo lo que hace diariamente, no es difícil entender que para mover un cuerpo debe aplicar una fuerza, y para detenerlo, también. La inercia es la resistencia de un cuerpo en reposo al movimiento, o de un cuerpo en movimiento a la aceleración, al retardo en su desplazamiento o a un cambio de dirección del mismo. Para vencer la inercia debe aplicarse una fuerza. Todo cuerpo posee inercia. Depende de la cantidad de materia en la sustancia de un cuerpo; a mayor cantidad de materia, mayor inercia. Al hablar de cuánta materia tiene un cuerpo, se emplea el término masa. La masa es una medida de la inercia de un cuerpo. La masa guarda una correspondencia con la noción intuitiva del peso. ¿Cómo determinar cuál de dos cuerpos es el más pesado? Al hacerlo, se juzga cuál de los dos es más difícil de mover, para apreciar cuál opone más resistencia a un cambio en su movimiento. Lo que realmente se hace con ello es comparar la inercia de los objetos. Ejemplos donde se pone de manifiesto la Ley de Inercia: Cuando un caballo se detiene de repente con toda seguridad el jinete seguirá moviéndose y se caerá si no se agarra con fuerza .
Un ejemplo de inercia es cuando vas en la moto con tu compañero(a) y frenas bruscamente; entonces el cuerpo de tu compañero(a) tiende a irse hacia adelante. Por el contrario, cuando el vehículo arranca el o ella se va hacia atrás.
Algo muy importante acerca de esta primera ley de Newton es lo relativo a los sistemas de referencias.
Un cuerpo en reposo sólo estará en reposo en ciertos sistemas de referencia. En otros se estará moviendo. En ciertos sistemas se estará moviendo a velocidad constante, mientras que en otros se acelerará. La primera ley de Newton no se cumple en todos los sistemas de referencia. Para que ésta sea válida el movimiento del objeto debe ser referido a un sistema muy especial, llamado sistema inercial .
Una de las propiedades de un sistema inercial es que los cuerpos que están en reposo, con respecto a este sistema, no sufren ninguna acción de fuerzas.
-Las Leyes de Newton
Son tres principios que se utilizan para explicar la mayor parte de los problemas planteados por la dinámica, en particular aquellos realcionados con el movimiento de los cuerpos. Su creador Isaac Newton, experto en física y matemáticas, también era conocido por sus conocimientos de alquimia. Isaac Newton nació en Lincolnshire, Inglaterra en el año 1642. Estudio en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, donde posteriormente se desempeño como profesor altamente distinguido. Era una persona reservada, a veces críptico, enredado en riñas personales con los eruditos, concedió su atención no solo a la física y las matemáticas, sino también a la religión y la alquimia. Fue el primero en resolver los tres principales problemas que intrigaban a los científicos de esos tiempos: las leyes del movimiento, las leyes de las órbitas planetarias y la matemática de la variación continua de cantidades, un campo que se conoce actualmente como: cálculo diferencial e integral. Isaac Newton fue el primero en resolver los tres problemas. La relevancia de las leyes que presento Newton radica en dos aspectos : por un lado, constituyen, junto con la transformación de Galileo, la base de la mecánica clásica; por otro, al combinar estas leyes con la Ley de la gravitación universal, se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler sobre el movimiento planetario. Así, las Leyes de Newton permiten explicar tanto el movimiento de los astros, como los movimientos de los proyectiles artificiales creados por el ser humano, así como toda la mecánica de funcionamiento de las máquinas. Las leyes Primera Ley de Newton o principio de Inercia Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser en tanto que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado. Este principio establece que la materia es inerte, en tanto que por sí misma no puede modificar su estado de reposo o movimiento. Así, pues, constituye una definición de la fuerza como causa de las variaciones de velocidad de los cuerpos e introduce en física el concepto de sistema de referencia inercial. Por lo demás, aunque la experiencia diaria parece contradecir la segunda parte del enunciado, que un cuerpo en movimiento se mantendrá así de forma indefinida a no ser que actúe sobre él alguna fuerza, la realidad es que los cuerpos están sometidos a la acción de fuerzas de fricción o rozamiento, que los van frenando progresivamente.
Segunda Ley de Newton o Ley de Fuerza El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime. La segunda ley explica qué ocurre si sobre un cuerpo en movimiento actúa una fuerza. En ese caso, la fuerza modificará el movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; esto es, las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto, esto es, la fuerza y la aceleración están relacionadas. Tercera Ley de Newton o Ley de acción y reacción Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas. La tercera ley expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta. Este principio se aplica a toda clase de fuerzas y presupone que la interacción entre dos partículas se propaga instantáneamente en el espacio (con velocidad finita). Es importante observar que este principio de acción y reacción relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masa. Por lo demás, cada una de esas fuerzas obedecen por separado a la segunda ley. La manzana de Newton Probablemente, la manzana mas famosa de la historia, luego de la de Adan y Eva. Ambas tienen la particularidad de que su credibilidad es altamente dudosa. William Stukeley, autor de “Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life” que sitúa la conversación el 15 de abril de 1726: “ Después de cenar, la clemencia del del tiempo nos animó a tomar té en el jardín, a la sombra de unos manzanos. Charlabamos apaciblemente de diversos temas y me comentó que la idea de la gravitación se le había ocurrido en un momento muy parecido al que nos hallabamos disfrutando. Según me contó, un dia que, de humor contemplativo, se hallaba sentado en un jardín, vió caer una manzana y fue este hecho lo que le sugirió la idea.” Los biógrafos de Newton tienen grandes dudas ante esta explicación. La personalidad de Newton no era dada a explicar de manera sencilla sus teorías, esta metáfora evidentemente divulgativa no era compatible con el carácter del matemático.