En esta entrada vamos a centrarnos en los experimentos de un personaje muy conocido, Isaac Newton. La mayoría de la gente le suele reconocer por esta imagen:
Pero, ¿qué es lo que expresa esa imagen? ¿Qué experimento es tan conocido, que la gente al referirse a Newton menciona la ''manzana''?La manzana lo que representa es una anécdota creada por el propio Newton que define la ley de la gravitación universal. Newton no solo elaboró esta ley, Newton elaboró muchas más leyes que fueron claves para el avance de la física. Se encargó de desarrollar el cálculo, demostró que la luz blanca estaba formada por una banda de colores, creó las leyes de la dinámica y creó un telescopio.
La vida de Newton es muy interesante y tiene muchos enigmas. Newton tuvo una infancia complicada, nació prematuro y los médicos no tenían muchas esperanzas, y no llegó a conocer a su padre ya que había fallecido tres meses antes de su nacimiento. Se dan dos fechas de su nacimiento, pero ¿por qué? Newton nació el 4 de enero de 1643 pero justamente en esa fecha el calendario utilizado era el juliano y correspondía al 25 de diciembre de 1642.
Newton para llegar a donde había llegado y crear todos esos avances en la física se basó en leyes que ya habían sido publicadas. Lo único que hizo Newton es perfeccionarlas y darles sentido. Una frase muy conocida es ''Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes''. lLo que quiere decir Newton con esta frase es que gracias a Arquímedes, a Galileo y a Kepler, ha sido capaz de elaborar todas las leyes ya que sus leyes se han basado en los avances creados posteriormente.
Dejemos a un lado a Newton y vamos a centrarnos en Aristóteles , un filósofo clásico cuyas ideas ideas sobre cinemática , dinámica , astronomía y cosmología predominaban en Europa desde la época de la Grecia clásica hasta la revolución copernicana.
¿Por qué Aristóteles es tan conocido?
Aristóteles sostuvo un sistema geocéntrico, en el cual la Tierra se encontraba inmóvil en el centro mientras a su alrededor giraba el Sol con otros planetas. Aristóteles habló del mundo sublunar, dodne existía la generación y la corrupción; y el mundo supralunar, perfecto. Esta teoría de la Tierra como centro del universo duró varios siglos hasta que Copérnico en el siglo XVI cambio este concepto e introdujo una serie de paradigmas, concebiendo el Sol como centro del universo.
¿En qué se basaba Aristóteles?
La física aristotélica es cualitativa y no cuantitativa. Lo que sucede en el mundo no puede ser matematizado porque es absolutamente heterogéneo: el mundo de los cambios, del movimiento, de la diversidad, de los fines. Sin embargo hay una región del cosmos que presenta tal armonía que no puede ser explicada de manera similar a como se hizo con la naturaleza: el cielo.
La cosmología Aristotélica va a diferenciar el cosmos entre dos regiones: el mundo sublunar y el mundo supralunar.
El mundo sublunar es la región que abarca la parte situada debajo de la luna, es decir, nuestro mundo. Este mundo es un mundo heterogéneo donde no hay quietud. Los movimientos son movimientos rectlíneos que tienen principio y fin, si el movimiento NO es rectilíneo significa que son violentos o forzados por algo del exterior que se mueve asi.
Los cuerpos que componen esta región están compuestos por 4 elementos:
-La Tierra
-El agua
-El aire
-El fuego
El mundo supralunar es la región que abarca la luna y todo lo que se halla más allá de ella: cinco planetas (mercurio, venus, marte, júpiter y saturno) , el sol y las estrellas. Este mundo es un mundo basado en el orden, la armonía y la regularidad Esto es así porque los cuerpos celestes no se componen de los cuatro elementos terrestres sino de éter. El éter otorga al cielo una homogeneidad y perfección que no poseen los cuerpos terrestres. Los movimientos son movimientos circulares uniformes eternos.
En el desarrollo de la física ha habido varios físicos muy importantes, que cada uno de ellos aportó algo para llegar a la física de hoy en día:
Después de haber creado la línea del tiempo, volvamos a centrarnos en Newton y en uno de sus miles de experimentos y descubrimientos, el telescopio reflector.
Newton diseñó el telescopio reflector ayudándose del experimento ya creado por Galileo. Galileo ya había creado un telescopio, pero el telescopio tenía algunos fallos y Newton decidió mejorarlo. ¿Qué diferencias hay entre los dos telescopios?
Galileo diseñó el primer telescopio refractor a mediados de 1609. Éste sólo ofrecía 3 aumentos. El siguiente alcanzó 8 y el tercero, ya a finales de 1609 llegó a los 20 aumentos. El telescopio estaba hecho de madera, cuero y dos lentes de cristal.
El objetivo era una lente plano-convexa de 37 mm de diámetro tenía un campo visual de sólo de 15' de arco que para que os hagáis una idea lo único que le permitía ver era el 25% de la Luna.
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Newton construyó el primer telescopio relfector en 1668. Se basó en las ideas de Galileo para construirlo e intentó mejorarlo. Newton lo que hizo fue utilizar en vez de lentes, espejos para que así a imagen se pudiera ver con mucha más nitidez y claridad.
Telescopio refractor funcionamiento:
Telescopio reflector funcionamiento:
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Newton se dio cuenta que la pobreza de las imágenes de los telescopios del tipo de los de Galileo era debida a que los bordes de las lentes actuaban como prismas y que por eso aparecían círculos y franjas coloreadas que distorsionaban los objetos. Por esto Newton diseño un nuevo telescopio utilizando espejos. Lo que hacían los espejos era simplemente reflejar la luz de un objeto alejado.
¿Qué es la teoría de la descomposición de la luz del sol?
Desde siempre uno de los fenómenos más interesantes de la naturaleza es el arco iris, el cual es una consecuencia de la descomposición de la luz.
Desde siempre el arco iris ha sido un misterio, así que Newton decidió investigar.
En 1666, Isaac Newton realizó sus primeros experimentos sobre los colores al producirlos haciendo pasar por un prisa un rayo estrecho de luz.
Newton llamó espectro al conjunto de colores desde el violeta hasta el rojo. Los colores se deben a la mezcla de luces de diferentes longitudes de ondas. Al hacer pasar la luz por un prisma de cristal, las distintas longitudes de onda que componen el haz de luz viajan dentro de él a distintas velocidades y se curvan de manera diferente al entrar y al salir, dando como resultado un haz desviado de la dirección inciial y con sus componentes separados. Estos componentes son los colores que se separan de la luz solar.
Después de haber hecho el experimento vamos a explicar un fenómeno natural que se basa en la teoría de la descomposición de la luz del sol.
El arco iris, está formado por dos arcos, el primario y el secundario. No nos solemos dar cuenta así a simple vista, pero se han realizado estudios que explican la diferencia entre estos dos fenómenos.
El arco iris único y brillante que se ve después de un chubasco o en una cascada es el arco iris primario. Su característica principal son las bandas de colores, desde el violeta en el interior, pasando por el azul, verde, amarillo, naranja, hasta el rojo en el exterior.
Por encima del arco primario se encuentra el arco secundario, en el que los colores aparecen en orden inverso, el rojo en el interior y el violeta en el exterior. En medio de los dos arcos hay una región bastante más oscura que el cielo circundante denominada banda de Alejandro, en honor al filósofo griego Alejandro de Afrodisias, quien la describió por primera vez hacia el año 200 A. C.
¿Por qué ocurre esto?
Descartes demostró que el arco iris primario está formado por los rayos que penetran en una gota refractándose, se reflejan una vez en su superficie interna y salen de la gota refractándose de nuevo. El arco iris secundario está formado por los rayos que penetran en la gota y se reflejan dos veces en su superficie interna.
Después de haber explicado la descomposición de la luz solar, nos vamos a centrar en las leyes de Newton.
Newton publicó por primera vez estas leyes en 1687 en un obra llamada ''Principios Matemáticos de Filosofía natural.
Primera ley de Newton - La inercia
Cuando lanzas una pelota, esa pelota sigue la velocidad (fuerza que has aplicado tú) hasta frenarse. Esa pelota, si no hubiese sido movida por alguien, no se habría movido. Y, ¿qué pasa al frenarse? ¿Por qué se frena? En la Tierra hay otra fuerza, llamada el rozamiento. El rozamiento hace que los cuerpos se paren. Por ejemplo, el suelo es rozamiento, el aire, o los obstáculos que te encuentres por el camino.
Esto significa que todo cuerpo se mueve o se para cuando hay una fuerza que actúa sobre él.
Si nosotros lanzamos esa pelota por el espacio, nunca se pararía y seguiría con velocidad constante (la fuerza que le hayamos aplicado), ya que en el espacio NO hay aire por lo tanto no hay rozamiento.
De este hecho y otras situaciones que seguramente conozcáis por experiencia, se deduce la siguiente conclusión: ''Todo cuerpo que se mueve tiende a seguir con la misma velocidad y si queremos modificarla o frenarla es preciso aplicar una fuerza. Si un cuerpo está en reposo, tiende a seguir en reposo. Esta tendencia es debida a una propiedad de la materia que conocemos con el nombre de inercia (resistencia al cambio).''
Si en vez de intentar mover una pelota, intentamos mover una piedra muy grande, nos costará mucho más ya que la masa de un cuerpo es la medida de la inercia. Cuanto mayor sea la masa, mayor tendrá que ser la fuerza para cambiar su estado de reposo o MRU (movimiento rectilíneo uniforme)
Si un cuerpo no cambia de velocidad es que no tiene aceleración. Esto ocurre cuando está parado o con MRU. Por esto, Newton enunció su Primera Ley del Movimiento:
''Todo cuerpo conserva su estado de reposo o de MRU a menos que esté obligado a cambiar ese estado por efecto de fuerzas que se apliquen sobre él.''
Segunda ley de Newton - Relación entre fuerzas y aceleraciones
A partir de la Ley de la inercia podemos sacar una conclusión, en ausencia de fuerzas la aceleración de un cuerpo es cero. A partir de aqui, llegamos a la conclusión de que una fuerza produce sobre un cuerpo de masa una aceleración, pero, ¿cuál es la relación entre estas magnitudes?
Si ejercemos la misma fuerza a una piedra pequeña y a una piedra grande, la piedra pequeña se moverá con más aceleración, por lo tanto a mayor masa menor aceleración.
De estas experiencias se deduce que la aceleración es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa.
La segunda ley de Newton:
''Toda fuerza aplicada sobre un cuerpo, y que no esté equilibrada, produce una aceleración que es proporcional a dicha fuerza. La constante de proporcionalidad es la masa inerte del cuerpo''
Tercera ley de Newton - Acción y Reacción
Si golpeamos una mesa, en la mano también notamos un ''dolor''. Este dolor es la fuerza que la mesa nos devuelve. Es decir, cuando nosotros aplicamos cualquier fuerza sobre un cuerpo, el cuerpo nos devuelve la misma fuerza que hayamos aplicado.
Tras esta experiencia, podemos deducir la tercera ley de Newton:
''Cuando un cuerpo ejerce una fuerza (acción) sobre otro, éste ejerce otra fuerza (reacción) igual y de sentido contrario sobre el primero. Ambas fuerzas son simultáneas y se aplican sobre cuerpos diferentes''
Ya terminando, hablaremos sobre la ley de la gravitación universal.
Seguramente, todos conozcáis la anécdota de la manzana de Newton. Newton al ver que las manzanas se caían pensó que por qué las manzanas se caen a la Tierra y la Luna no. Basándose en las teorías de Copérnico, Galileo y Kepler, Newton consiguió saber el por qué a esta cuestión.
La ley de la gravitación universal dice que la fuerza con la que se atraen dos cuerpos de diferente masa solamente depende del valor de sus masas y del cuadrado de la distancia que los separa. Es decir, la fuerza ejercida entre dos cuerpos de masa m1 y m2 separados a una distancia r es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:
Esto lo que significa es, cuanto más masivos sean los cuerpos y más cercanos se encuentren con mayor fuerza se atraerán.
Lo único que explica este planteamiento es la ley de la gravedad y la fuerza con la que los objetos caen, pero no explica por qué la Luna no se cae y la manzana si. Para poder plantear otro problema hay que entender más allá de la Tierra, es decir, hay que entender que los planetas giran con una órbita, y que nunca dejan de ''caer''.
Si tenemos que disparar una bola de cañón, el proyectil se caerá al suelo. Si se dispara a 30 m/s la bola tardará un segundo en caerse y recorrerá 30 metros. Si ahora disparamos el proyectil a 40 m/s el proyectil recorrerá más espacio pero en el mismo tiempo. Entonces, lo que pensó Newton es si este proyectil es lanzado con una velocidad determinada,tardará más de un segundo en caer porque la superficie de la Tierra va curvándose bajo la bala del cañón y antes de caer el proyectil no tocará el suelo y entrará en órbita.
Por lo tanto, la manzana y la luna están cayendo, la diferencia es que la luna tiene un movimiento de caída permanente, mientras que la manzana cae de manera rectilínea y choca sobre la superficie de la Tierra.
Esta misma causa es lo que produce el movimiento de los cuerpos celestes y terrestres
Después de haber explicado la ley de la gravitación universal, vamos a hacer algunas aclaraciones sobre dos tipos de fuerzas que son mencionadas habitualmente, la fuerza centrífuga y la fuerza centrípeta.
Todos los cuerpos del universo siguen una trayectoria que puede ser rectilínea o circular. En los movimientos rectilíneos la aceleración puede cambiar (MRUA) pero la dirección del movimiento no. Para que un cuerpo se mueva de manera circular necesita que se ejerza una fuerza dirigida hacia el centro.
La fuerza centrifuga es la fuerza que tiende a que los cuerpos en rotación traten de alejarse de su eje. Si tienes una botella en la mano y la giras en el aire haciendo círculos con ella, verás que el agua de su interior forma un remolino.
Esto se debe a que cuando un cuerpo es sometido a un movimiento circular, parece que ese objeto esté intentando escapar y alejarse del centro del movimiento.
La fuerza centrípeta es contraria a la centrífuga. Es la atracción de un objeto que gira circularmente entorno a un eje o un centro hacia ese centro. Esta fuerza, siempre actúa de manera perpendicular a la dirección del movimiento.
Esta fuerza es la que obedece a la segunda ley de Newton.
¿Qué tienen que ver estas fuerzas con la Luna y la manzana?
A pesar de la atracción de la gravedad de la Tierra, la fuerza centrífuga tiende constantemente a empujar a la Luna hacia fuera. En este caso, las dos fuerzas están equilibradas. La fuerza de la gravedad entre la Luna y la Tierra actúan como fuerza centrípeta, que tiende a atraer a la Luna, que gira en su órbita hacia la Tierra.
La velocidad orbital es la velocidad que recorre la luna en un segundo o más bien la velocidad con la que ''cae'' el planeta sobre la Luna y sobre la Tierra en un segundo.
¡Gracias Física ahora TODO tiene sentido!
