Isaac Newton:Leyes de la Fisica y otras aportaciones

Quien fue Isaac Newton 

La revolución científica iniciada en el Renacimiento por Copérnico y continuada en el siglo XVII por Galileo y Kepler tuvo su culminación en la obra del científico británico Isaac Newton (1642-1727), a quien no cabe juzgar sino como uno de los más grandes genios de la historia de la ciencia. Sin olvidar sus importantes aportaciones a las matemáticas, la astronomía y la óptica, lo más brillante de su contribución pertenece al campo de la física, hasta el punto de que física clásica y física newtoniana son hoy expresiones sinónimas.

Conocedor de los estudios sobre el movimiento de Galileo y de las leyes de Keplersobre las órbitas de los planetas, Newton estableció las leyes fundamentales de la dinámica (ley de inercia, proporcionalidad de fuerza y aceleración y principio de acción y reacción) y dedujo de ellas la ley de gravitación universal. Los hallazgos de Newton deslumbraron a la comunidad científica: la clarificación y formulación matemática de la relación entre fuerza y movimiento permitía explicar y predecir tanto la trayectoria de un flecha como la órbita de Marte, unificando la mecánica terrestre y la celeste.

Con su magistral sistematización de las leyes del movimiento, Newton liquidó el aristotelismo, imperante durante casi dos mil años, y creó un nuevo paradigma (la física clásica) que se mantendría vigente hasta principios del siglo XX, cuando otro genio de su misma magnitud, Albert Einstein, formuló la teoría de la relatividad.

• Primera ley de Newton o ley de inercia

La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).

Ejemplos:

Si disponemos de una partícula parada al inicio, a no ser que se le empuje (por ejemplo), ésta no se moverá nunca.

Si a una partícula (por ejemplo un patinador sobre el hielo -modelo de un sistema sin rozamiento-) con velocidad inicial distinta de cero, no se le obliga a frenar con fuerzas de fricción o con un tope, ésta conservará la velocidad que llevaba de forma constante por tiempo infinito.

• Segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica

La Primera ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.

La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:

F = m.a

Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe expresarse como:

F = m.a

Ejemplo:

¿Qué fuerza neta se necesita para desacelerar uniformemente a un automóvil de 1500 Kg. de masa desde una velocidad de 100 Km. /h. hasta el reposo, en una distancia de 55 m?

Usamos F = m.a primero debemos calcular la aceleración a. Suponemos que el movimiento es a lo largo del eje +x. La velocidad inicial es v0 = 100 Km. /h = 28m/s, la velocidad final v0 = 0, y la distancia recorrida x = 55 m.

De la ecuación cinemática v2 = v02 + 2ax, despejamos a:

a = (v2 - v02)/2x = [0 - (28m/s)2]/ (2x55m) = - 7.1 m/s2.

Luego, la fuerza neta necesaria es entonces

F = ma = (1500 Kg.) (-7.1m/s2) - 1.1x104 N, que obra en sentido -x

• Tercera ley de Newton o principio de acción-reacción

La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.

Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelopara impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.

Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.

Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.

Ejemplos:

Cuando se dispara un arma de fuego, la fuerza del gas producido debido a la quema de la pólvora, hace que la bala salga. De acuerdo a la ley de Newton, el arma en sí retrocede.

La punta de una gran manguera contra incendios tiene asa, la cual los bomberos deben sostener con firmeza, debido a que al salir el chorro de agua, la manguera es enviada en sentido contrario de manera visiblemente.

Los rociadores rotativos de un jardín trabajan con el mismo principio. De manera similar, el movimiento hacia adelante de un cohete viene de la reacción del rápido chorro de gases calientes que salen de su parte trasera.

Ley de gravitación universal

Partiendo de la segunda ley o principio fundamental de la dinámica (e intuyendo que los cálculos dinámicos se simplificarían si suponía como equivalente el que toda la masa se concentrara en el centro geométrico de los cuerpos, equivalencia que demostró) y de las leyes del astrónomo alemán Johannes Kepler sobre las órbitas de los planetas, Newton dedujo la Ley de gravitación universal, cuyo enunciado afirma que dos cuerpos cualesquiera se atraen recíprocamente con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Matemáticamente se expresa así: F = G (m1 · m2 / d2). En esta formulación, F es la fuerza de la gravedad, m1 y m2 son las respectivas masas de los cuerpos y d la distancia entre ellos. La magnitud obtenida debe multiplicarse por G, constante gravitatoria que tiene un valor muy pequeño (6,67 × 10-11). De ahí que la atracción no sea perceptible entre los objetos de la vida cotidiana; es preciso que al menos uno de los cuerpos tenga una masa ingente, como es el caso del nuestro planeta (5,974 × 1024 kg).

La gravedad, por consiguiente, es una atracción recíproca o una vía de dos sentidos entre dos cuerpos. Una piedra cae al suelo porque la fuerza de la gravedad terrestre la atrae hacia abajo (la masa de la Tierra es muchísimo mayor que la masa de la piedra). La piedra también ejerce una atracción sobre la Tierra, pero tan pequeña que carece de efecto. Sin embargo, cuando dos cuerpos de gran masa tienen tamaños más semejantes, esta doble atracción resulta más notoria.

Es lo que se observa, por ejemplo, en el caso de la Tierra y la Luna. La fuerza de la gravedad de la Tierra mantiene a la Luna en una órbita alrededor de ella. Si la Luna no estuviese sometida a ninguna fuerza, seguiría un movimiento rectilíneo uniforme o estaría en reposo; la combinación del movimiento en línea recta y de la fuerza de atracción explica la órbita de la Luna. Pero, así como la Tierra ejerce una fuerza de atracción sobre la Luna, ésta ejerce una fuerza de atracción sobre la Tierra. Ello explica el movimiento del agua que fluye libremente en los océanos: el agua es atraída hacia el lado de la Tierra que queda frente a la Luna; es lo que se llama marea alta o pleamar.El siguiente vídeo expone de modo didáctico su célebre ley de la gravitación universal.

Las leyes de Newton permiten describir y predecir con exactitud los movimientos orbitales de cualquier cuerpo celeste, ya sea un planeta, un cometa, un asteroide, un satélite artificial o una nave espacial. Sin embargo, la solución aportada por Newton funciona de manera ideal cuando sólo hay dos cuerpos involucrados (como la Tierra y la Luna). La situación se hace increíblemente compleja cuando hay tres o más fuerzas separadas actuando entre sí al mismo tiempo y todos los astros se mueven a la vez. En tal caso, cada astro se encuentra sometido a pequeños cambios que se conocen como perturbaciones.

Con la Ley de gravitación universal, Newton mostró que todos los cuerpos, próximos o lejanos, están sujetos a las mismas leyes, y que tales leyes pueden demostrarse en términos matemáticos con una única teoría que permite explicar y predecir tanto los movimientos en la superficie de nuestro planeta como las órbitas de los astros; la grandeza de su genio reside precisamente en este admirable logro: la unificación de la física terrestre y la mecánica celeste.

Dentro de la física newtoniana es preciso destacar también un aspecto que ocupó una parte importante de sus discusiones con Leibniz: el espacio y el tiempo se definen como entidades absolutas, sin relación con ningún objeto externo. La dinámica de Newton define un único sistema de referencia para el reposo y el movimiento que no está en relación con ningún cuerpo, y el tiempo no se define por ningún proceso físico. Esta concepción imperó en el pensamiento científico moderno hasta que, a principios del siglo XX, Einstein formuló la teoría de la relatividad.

Óptica y observación astronómica

Con respecto a la óptica, Newton intentó primero reducir la aberración cromática de las lentes de los telescopios. Su tentativa fracasó, pero no obstante le permitió descubrir que la luz blanca era una mezcla de colores puros, lo que llamó el spectrum. Explicó que aparecían debido a que cada uno de ellos estaba caracterizado por un índice de refracción distinto con el vidrio. Descubrió asimismo los anillos de Newton, figuras de interferencia que aparecen cuando se ponen en contacto un vidrio con superficie plana y otro convexo.

Todos estos fenómenos, y algunos de naturaleza ondulatoria como el fenómeno de difracción, fueron explicados con mayor o menor fortuna en una teoría corpuscular, según la cual las partículas de luz viajan en rayos en líneas rectas determinadas por fuerzas que actúan a distancia, y al encontrarse con un sólido ocasionan una especie de vibración interna.

También la observación astronómica debe mucho a Newton, ya que al considerar que la aberración cromática de las lentes no podía ser eliminada, tuvo la idea de sustituir con un espejo el objetivo de los telescopios. Construyó así el telescopio de reflexión, uno de los instrumentos astronómicos más importantes. Los trabajos de óptica, publicados con el título de Óptica en 1704, gozaron de más de treinta años de autoridad incontestada, incluso a pesar de los errores que contenían (por ejemplo, el relativo a la pretendida imposibilidad de corregir las aberraciones cromáticas de las lentes).

 

Otras aportaciones

En matemáticas, Newton y Leibniz crearon, de forma independiente y simultánea, el cálculo infinitesimal. En este ámbito merecen ser citadas las obras Arithmethica Universalis (1707) y Tractatus de quadratura curvarum, en la que el genio inglés expuso las reglas del método de las fluxiones, donde hace su aparición el concepto de infinitésimo, del que derivan el cálculo diferencial e integral. La notación de Newton era considerablemente más complicada que la de Leibniz, que es la que terminó por imponerse.

En hidrodinámica desarrolló una teoría del flujo, y descubrió que la sección transversal mínima de una corriente que fluye por un agujero practicado en un depósito se alcanza en el lado exterior. Se conocen en su honor como fluidos newtonianos aquellos cuya viscosidad es independiente del gradiente de velocidad.

Más desconocida es su pasión por la alquimia, a la cual dedicó casi treinta años de su vida, y cuyos trabajos permanecieron ocultos durante mucho tiempo. Newton, que conocía perfectamente la diferencia entre alquimia y química, consideraba secretos estos trabajos "esotéricos" y los ocultó a sus coetáneos, al igual que su pensamiento arriano, ya que de haberse sabido le hubiese costado su cátedra en Cambridge. Con posterioridad a su muerte, el conde de Portsmouth, heredero de sus escritos, se negó igualmente a su publicación.

Isaac Newton ejerció una influencia trascendental en el desarrollo del pensamiento científico de Occidente. Se le considera el padre de la física clásica, y no en vano sus dos principales obras, Principios matemáticos de la filosofía natural (1687) y Óptica (1704), son tenidas por Thomas S. Kuhn como ejemplos de paradigmas científicos, pues constituyeron modelos acabados y plenamente asumidos por las siguientes generaciones de investigadores, manteniendo su vigencia durante más de dos siglos.