Mecanica (movimiento)

MOVIMIENTO:

El concepto aristotélico de movimiento

Para Aristóteles (s. IV a.C.), el estado natural de un cuerpo era el reposo. Aparte del mundo celeste donde el movimiento natural único sería el circular uniforme, en el mundo inferior (sublunar), debemos distinguir entre el movimiento rectilíneo vertical y los demás.

El movimiento vertical es un movimiento natural que viene determinado por la tendencia del elemento presente a volver a su lugar natural cuando se encuentre fuera de él. Así, cuando se calienta un vaso de agua, el vapor se eleva por la presencia del elemento fuego que tiende a llegar a la esfera de fuego. Al enfriarse, el vapor abandona el fuego, y el agua, que es ahora el elemento predominante, tiende a ocupar su lugar natural abajo. Como consecuencia, en el movimiento de caída libre de los cuerpos, la velocidad deber ser proporcional a la cantidad de su elemento constituyente, así, los cuerpos más pesados caerían más deprisa que los más ligeros.

Este pensamiento no era el resultado de experiencias mal realizadas o de errores de medidas, ya que los antiguos griegos no experimentaban, sólo especulaban, sino que era una consecuencia característica de un esquema global de pensamiento.

Todos los demás movimientos, los no verticales y los verticales en que un elemento se aleje de su lugar natural, son movimientos violentos que necesitan de una violencia exterior, sin la cual permanecerían continuamente en reposo. Es decir, la inercia natural de los cuerpos es permanecer en reposo, todo movimiento implica un motor, y como la inercia no se extiende para Aristóteles al movimiento, la acción del motor debe prolongarse tanto como el movimiento mismo: cessante causa, cessante effectus.

De Aristóteles a Galileo, El concepto medieval de movimiento

En la medida en que reaccionan contra la física de Aristóteles, algunos maestros de la Baja Edad Media han sido calificados como los precursores de Galileo. Recientemente se ha demostrado que las propiedades fundamentales del movimiento uniformemente acelerado, atribuidas a Galileo, fueron descubiertas y demostradas entre 1328 y 1350 por los estudiosos del Merton College de Oxford.

En sus trabajos distinguieron entre cinemática, geometría del movimiento y dinámica, la teoría que estudia las causas del mismo. La naturaleza cualitativa de la física griega fue sustituida, al menos en el estudio del movimiento, por las magnitudes numéricas que han regido desde entonces la física occidental.

Otra gran aportación de la época procede de Jean Buridan (Universidad de París), que introduce el concepto de ímpetus en su crítica al estudio movimiento de proyectiles de Aristóteles, definiéndolo de modo muy similar a lo que hoy entendemos por cantidad de movimiento. Estas nuevas ideas del movimiento nacidas en Francia e Inglaterra renovaron la física aristotélica, pero incorporándose a ella, sin generar una verdadera revolución que no llegaría hasta el s. XVII.

Galileo y la caída libre de los cuerpos

Ya se sabía antes de Galileo que los aristotélicos estaban equivocados en sus teorías sobre la caída libre, pero fue el quien descubrió los detalles de la descripción correcta de este movimiento y lo incluyó como parte de un sistema más general de la mecánica.

En su libro Dos Nuevas Ciencias, discute las matemáticas del movimiento uniformemente acelerado y después identifica la caída libre con este tipo de movimiento. Aunque esto no era demostrable experimentalmente en su época, pudo demostrar analíticamente que una esfera rodando por un plano inclinado obedece a las mismas reglas que el movimiento de caída libre, tratándose de un caso diluido o menos rápido de dicho movimiento.

Los estudios experimentales de Galileo le permitieron establecer justificadamente las leyes del movimiento de caída de los cuerpos, que se pueden resumir de la siguiente forma:

1. Todos los cuerpos, independientemente de su peso, caen en el vacío a una distancia determinada en el mismo tiempo.

2. El movimiento de un cuerpo en caída libre o rodando por un plano inclinado, es uniformemente acelerado, es decir, se obtienen incrementos iguales de la velocidad en tiempos iguales.

Galileo afirma además, que un cuerpo en movimiento sobre un plano horizontal sin rozamiento que se extiende hasta el infinito continuará moviéndose indefinidamente con la misma velocidad (ley de la inercia). Otra de sus grandes aportaciones es la solución al movimiento de los proyectiles, demostrando que era una parábola; o el de caída parabólica, donde demuestra la existencia de dos movimientos compuestos que no se alteran al mezclarse, ni se ocultan, ni se impiden mutuamente.

Todos estos estudios del movimiento no son suficientes por sí mismos para constituir una ciencia completa del movimiento, ya que no lo relaciona con las causas que lo producen. Pero fueron el punto idóneo de partida para la creación de la mecánica. La gran aportación de Galileo a la ciencia fue una metodología realmente científica basada en la experimentación como forma de comprobación de las hipótesis de partida.

FUERZA:

Newton y el concepto de fuerza, La mecánica de la ilustración

Los estudios de Galileo permiten llegar al concepto de aceleración sobre el que no se había reflexionado hasta entonces. Pero fue Isaac Newton el primero en comprender que no bastaba con las magnitudes cinemáticas para obtener una mecánica útil, y que era necesaria la introducción de otra magnitud primitiva: la fuerza. Para Newton, el estado natural de un cuerpo era tanto el reposo como el movimiento rectilíneo y uniforme. Para modificar ese estado habría que aplicar una fuerza, luego ésta era la causante de la aceleración que podía sufrir un cuerpo.

Si bien podemos considerar que los principios físicos contenidos en el trabajo de Newton se encuentran en otros estudios anteriores, hay que señalar que su contribución principal fue la de un concepto de fuerza dada a priori. Por otro lado, Newton unificó las dinámicas celeste y terrestre, estableciendo que las mismas fuerzas que hacían caer la manzana eran las causantes del movimiento de los astros.

Con posterioridad a Newton, fue el trabajo de unos cuantos teóricos, que se dedicaron a expresar en el lenguaje matemático las leyes que rigen los fenómenos físicos, lo que permitió aclarar y generalizar los conceptos newtonianos del movimiento y dar a la mecánica clásica su forma actual. Las ecuaciones de Newton no aparecen como tal en su obra.

Debemos destacar en el s. XVIII

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