Teoría clásica. Isaac Newton

2.1.1 TEORÍA CLÁSICA

Se denomina física clásica a la física basada en los principios previos a la aparición de la mecánica cuántica. Incluye el estudio de la mecánica, la termodinámica, el electromagnetismo, la óptica, la acústica, la dinámica de fluidos, entre otras. La física clásica se considera determinista (aunque no necesariamente computable o computacionalmente predecible), en el sentido de que el estado de un sistema cerrado en el futuro depende exclusivamente del estado del sistema en el momento actual.[pic 1]

Isaac Newton fue uno de los más brillantes científicos de la historia. Antes de cumplir 30 años, formuló los conceptos básicos y leyes de la mecánica, descubrió la ley de gravitación universal e inventó los métodos matemáticos del cálculo. Como consecuencia de sus teorías, Newton fue capaz de explicar los movimientos de los planetas, la baja y el flujo de las mareas y muchas características especiales de los movimientos de la Luna y la Tierra. También interpretó muchas observaciones fundamentales concernientes a la naturaleza de la luz. Sus aportaciones a las teorías físicas dominaron el pensamiento científico durante dos siglos y siguen siendo importantes en la actualidad.

A la edad de 22 años, en 1665, Newton sufrió la amenaza de la peste bubónica que afectó Londres, donde vivía desde su infancia. Este hecho lo obligó a refugiarse en su hogar durante un lapso de 18 meses, tiempo durante el cual formuló las bases de toda su obra científica. Destacando:

• El desarrollo de un binomio en serie de potencias; un concepto matemático que permite expresar, de manera simple, la suma de dos números elevados a una potencia.

Newton no publicó nunca el teorema del binomio. Lo hizo el matemático Ingles John Wallis en 1685 en su Algebra, pero se le atribuyó este descubrimiento a Newton.

• La creación de las bases del cálculo diferencial e integral. La obra en el cual desarrolló estás bases fue publicada con el nombre El método de las fluxiones, en el año de 1671.
• La concepción de las leyes de movimiento (primera y segunda) que sirvieron para establecer las bases de la mecánica, y la formulación de las primeras ideas relativas a la gravitación universal. El libro en el que las reunió sus planteamientos los llamó Principios matemáticos de la filosofía natural y fue publicado en 1686.
• Estudio los fenómenos ópticos. La obra en las que reúnen todas las observaciones y teorías de Newton sobre la luz, llamada Óptica, apareció en 1704.

Su genio y su figura fueron cuestionados permanentemente. Entre sus principales detractores destacan Robert Hooke, un brillante científico contemporáneo a Newton, quien reclamaría tener prioridad sobre muchos de sus trabajos; y a la muerte de aquél, Gottfried Leibniz, quien de igual forma, reclamaría prioridad sobre la creación y desarrollo del cálculo.

En sus últimos años de vida, en cuando reconoce el trabajo de los científicos que le antecedieron como Copérnico, Galileo y Kepler. Al respecto, mencionó: “si yo he podido ver más que los demás ha sido porque me he apoyado en hombres de gigantes”.

El científico escocés James Clerk Maxwell desarrolló una teoría en la que predijo la naturaleza y la velocidad de la luz. Con esta teoría se comprobó que la electricidad y el magnetismo están relacionados, por lo cual se habla de la teoría electromagnética. En 1887 sus predicciones fueron confirmadas experimentalmente por el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894). Este logro inicio una nueva era de la ciencia y de la tecnología.

2.1.1 TEORÍA CLASICA

La física clásica incluye los principios de la mecánica clásica, la termodinámica, la óptica y el electromagnetismo desarrollados antes de 1900. Newton realizó importantes contribuciones a la física clásica y también fue uno de los creadores del cálculo como herramienta matemática. Durante el siglo xviii continuaron los grandes adelantos en la mecánica, pero los campos de la termodinámica y el electromagnetismo no se desplegaron hasta la parte final del siglo xix, principalmente porque antes de esa época los aparatos para experimentos controlados en estas disciplinas eran o muy burdos o no estaban a disposición.

Ramas de la Física clásica:

 Mecánica: es la rama de la física que estudia el movimiento de objetos y se subdivide en Cinemática (que considera la relación espacio - tiempo) y en Dinámica (que considera las causas)

Óptica: estudia los fenómenos asociados a la luz considerada como una onda.

Acústica: estudia el sonido, infrasonido, ultrasonido utilizando modelos que se apoyan de las Matemáticas.

Electromagnetismo: estudia los fenómenos asociados a la electricidad y al magnetismo describiendo las cargas eléctricas tanto en reposo como en movimiento.

Termodinámica: estudia cómo la energía se transforma en calor y su conversión en trabajo.[pic 2]

Una de las figuras científicas más importantes para la física es Isaac Newton un hombre polémico que revolucionó el pensamiento científico de su época, y cuyos trabajos han dejado huella hasta la actualidad, tanto así que aún se aplican sus leyes o reglas del movimiento a un sinfín de situaciones problemáticas del estudio de la física y de la ingeniería.

 La última ejecución por herejía en Gran Bretaña fue en el año de 1697, época en que Newton ya tenía más de 50 años, oponerse a la Iglesia católica acarreaba muchas complicaciones. La Iglesia católica había adoptado la filosofía de Aristóteles como parte de su dogma y contradecirlo podía significar convertirse en hereje. Muchos de los pensadores de esa época, usando su sentido común y no la experimentación.

Newton nació el mismo año en que murió Galileo, y cuando tuvo la edad suficiente estudió con esmero todos los detalles de éste y otros predecesores, en particular sobre la caída libre y el movimiento de proyectiles. Newton recuperó entonces la idea de movimiento natural de Galileo como la “ley Primera del movimiento” y la expresó así en su trabajo monumental.

Ley Primera

 Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado por fuerzas impresas a cambiar su estado.

Presentó también una pequeña pero significativa explicación de su Primera ley:

Los proyectiles perseveran en su movimiento a no ser que sean retardados por la resistencia del aire y empujados hacia abajo por la gravedad. Los cuerpos más grandes de los cometas y de los planetas conservan por más tiempo sus movimientos, tanto de avance como de rotación, realizados en espacios menos resistentes.

En la actualidad a la cantidad de materia de un objeto se le define como masa y a la oposición que éste presenta para cambiar de manera instantánea su movimiento, inercia. La conclusión es que la inercia y la masa se relacionan: la inercia es directamente proporcional a la masa. A partir de un principio de equivalencia, que se explicará más adelante, se hacen iguales la inercia y la masa, midiéndose ambas en una unidad fundamental del Sistema Internacional de Unidades llamada kilogramo.

Segunda ley de Newton: relación fuerza, masa y aceleración. El newton como unidad de fuerza

El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz ejercida y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se aplica.

Cuando se aplica una fuerza neta sobre un cuerpo, éste experimentará una aceleración en la misma dirección y sentido de la fuerza, cuya magnitud es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza, e inversamente proporcional a su masa. [pic 3]

La ecuación de la Segunda ley de Newton permite definir la unidad de fuerza en el sistema internacional como sigue:[pic 4]

El newton es la unidad de fuerza en este sistema, se denota con N y equivale a un kilogramo (kg), unidad de masa, por metro sobre segundo al cuadrado (m/s2), unidad de aceleración.

Tercera ley de Newton: la acción y la reacción; magnitud y sentido de las fuerzas.

Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: O sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en la misma dirección y en sentidos opuestos

La Tercera ley nos sirve para identificar las fuerzas que producen el movimiento de un objeto. Las fuerzas siempre aparecen por pares. Por ejemplo, si jalas una caja llena de libros puesta en el piso con la idea de moverla, no basta con que la jales hacia ti exactamente en la dirección en que la quieres mover. Te habrás dado cuenta de que tienes que flexionar ligeramente las rodillas y apoyar bien tus pies sobre el piso para lograr tu objetivo; sólo si queda alguna fuerza no equilibrada en la dirección en la que quieras mover la caja, ésta se moverá. Con todo esto, es evidente que la Tercera ley es un ingrediente fundamental para tener una descripción correcta del movimiento.

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