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INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURA DE HISTORIA Y FILOSOFÍA DE LA FÍSICA

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INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURA DE HISTORIA Y FILOSOFÍA DE LA FÍSICA

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“Con frecuencia digo que, cuando puedes medir algo y expresarlo en números, entonces lo conoces un poco. Cuando no puedes medirlo, cuando no puedes expresarlo en números, tu conocimiento es escaso e insatisfactorio. Puede ser el comienzo del conocimiento, pero en tus razonamientos escasamente has avanzado a la etapa de la ciencia, cualquiera que esta sea” Lord Kelvin, XlX.

Como introducción al tema empiezo con la frase de lord kelvin que según mi perspectiva nos muestra que en cada acto o acción que realicemos, estamos generando algo de ciencia, así sea de conocimientos no tan fructíferos pero que ayudan a tener avances cmo personas.

CIENCIA, ARTE Y RELIGIÓN
La ciencia es parte escencial para entender la naturaleza, en la antoguedad el medio para transmitir alguna infomración u otra cosa era por medio del arte en donde las personas daban a mostrar que grande era el universo o la naturaleza haciendo comparaciones con seres pegados a la religión, a pesar de que los dos temas como ciencia y religion son distintos tienen un trasfondo de complementación del uno con el otro en el momento de responder acerca de algun fenómeno inexplicable.

LA FÍSICA ES LA CIENCIA FUNDAMENTAL QUE FORMA LA BASE DE TODAS LAS DEMÁS.

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Hubo un timepo en la historia que las personas admiraban más a los filósofos dependiendo de ellos en varias ocaciones, quienes a sus ideas las completaron los físicos, cabe recalcar que filosofar no es algo complejo, cualquiera puede hacerlo, sin embargo tener una filosofía pensante es muy díficil.
El primer personaje en tratar de explicar el mundo sin cuestiones religiosas era TALES DE MILETO, sin embargo el primer científico pensador era ARISTÓTELES, poniendo su fe en un razonamiento inductivo.

Cuandno hablamos del empirismo al expdrimento podemos decir que nuestras acciones sin tener un conocimiento anterior sirció de gran manera para poder entender varias cuestiones como: va a existir errores por motivos de tener instrumentos mal calibrados o por condiciones externas que afectan una buena medición.

“Aprendemos más mediante la vejación ingeniosa de la naturaleza que mediante la observación paciente”.  Bacon

Se decía que nunca una evidencia emírica podía compararse a la pureza de la teoría.
El interés que se obtuvo por la ciencia generó sociedades científicas, pero uno de los más grandes era ALBERT EINSTEIN, quien revolucionó a la físca, dando un punto de vista al universo.

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FILOSOFÍA Y CIENCIA EN LA ANTIGUA GRECIA

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FILOSOFÍA Y CIENCIA EN LA ANTIGUA GRECIA

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La filosofía y la ciencia en la Antigua Grecia son temas fundamentales dentro de la historia del pensamiento occidental. La filosofía, como disciplina, tuvo sus inicios en la Grecia antigua cuando los pensadores de la época comenzaron a rechazar las explicaciones mitológicas y buscaron explicaciones más racionales y objetivas sobre el mundo que los rodeaba.
Si bien los cimientos de la ciencia se asentaron con el enfoque científico y la racionalización de las cosas, no fue hasta Pitágoras que se le dio un enfoque para explicar los fenómenos naturales en términos de números y medidas al introducir sus conocimientos sobre aritmética y geometría aprendidos durante sus viajes por Egipto y Babilonia respectivamente. Fundó su propia escuela de enseñanza y sus estudiantes eran denominados 'pitagóricos', aunque los conocimientos que en ella se trataban eran desconocidos para quienes no formasen parte, hasta la muerte de Pitágoras. Cada sustancia que puede ser percibida por nuestros sentidos, aparece en una cierta disposición numérica y cada entidad física puede siempre ser expresada en términos de números o mediante una fórmula matemática. Dicha concepción pitagórica es el punto de partida desde el que se desarrolló nuestra moderna matematización de los fenómenos físicos.

Pitágoras es conocido, además, por ser el creador del famoso «teorema de Pitágoras» en el cual relacionaba la suma de los cuadrados de sus catetos con el cuadrado de su hipotenusa, lo que lo llevó al descubrimiento del conjunto de los números irracionales, tras lo cual determinó que muchos fenómenos que se pueden describir mediante estos números irracionales en realidad no serían una descripción exacta de los mismos, sino una aproximación de ellos.

Puede decirse que el lento progreso alcanzado por la ciencia griega contradice completamente la grandeza de su visión e ímpetu original, y que sus pocas contribuciones técnicas están muy lejos de sus logros científicos. Una de las razones para ello, podría ser el aislamiento de varios de estos hombres de ciencia respecto a las demás personas. La ciencia griega, al igual que la moderna, tienen su origen en un distanciamiento revolucionario de sus predecesores. La diferencia fundamental entre ambos procesos históricos radica en que, mientras el primero ató la ciencia a la filosofía, el último desató los lazos que las mantenían juntas.

Cuando la ciencia moderna volvió la espalda a la filosofía escolástica y a la filosofía de Aristóteles, simultáneamente la volvió a toda filosofía. Sólo después de Aristóteles, en el período helenístico, surgieron científicos profesionales en el sentido moderno, grandes investigadores, matemáticos y astrónomos tales como Euclides y Arquímedes, Aristarco y Apolonio de Pérgamo, Eratóstenes e Hiparco. Puesto que la cuestión central en filosofía es «¿Por qué?» y el «¿Cómo?» está subordinado a ella, esa larga asociación de la filosofía con las ciencias naturales fue perjudicial para el progreso de estas últimas.

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Al limitarse a tipos de materia que se pudiera percibir, Anaxágoras estableció un modelo para que los físicos trataran con el mundo visible y físico que perduraría casi 1500 años. Además, afirmó que la materia estaba compuesta por los mismos ingredientes fundamentales, propiedades esenciales y tal vez «semillas» de sustancias básicas. Las propiedades siempre existían en pares que eran opuestos polares, como caliente – frío, oscuridad – luz, dulce – amargo, etc. Siempre había las mismas cantidades de cada propiedad en total. Las semillas eran en particular de materia orgánica .

Anaxágoras creía que cualquier porción de la materia, sin importar lo pequeña que fuera, contenía todas las propiedades posibles, lo que en principio significaría que debe ser capaz de dividirse en forma infinita. Las propiedades que predominan son evidentes y dan a la sustancia sus características observables, mientras que otras son latentes. Esto explicaría cómo cualquier sustancia se puede hacer a partir de cualquier otra, ya que solo requiere que tome diferentes proporciones de todas las propiedades para formar la nueva sustancia.
La sugerencia de que todo está formado por partículas muy pequeñas e indivisibles tuvo su origen en el siglo V a. Este modelo atomista afirma que el Universo consta de materia formada por pequeñas partículas indivisibles que existen en un vacío.

CUATRO O CINCO ELEMENTOS
Así, la tierra es fría y seca, el agua es fría y húmeda, el aire es caliente y húmedo y el fuego es caliente y seco. Estas propiedades también formaron la base del modelo de salud y enfermedad que propuso la escuela de Hipócrates y que duró hasta el siglo XIX. De acuerdo con la teoría elemental, toda la materia ocupaba en forma natural un reino que se asociaba con sus elementos y la materia es atraída hacia su reino natural. La tierra ocupaba la posición más baja, el fuego la más alta, con el agua y el aire entre ellos.

Una vez que un elemento está en su lugar natural, no se moverá a menos que algo lo provoque. Además de los cuatro elementos, existe el concepto de aether , que nunca desapareció del todo y ha sido favorecido y caído en desgracia por miles de años.

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Los filósofos hindúes dijeron que la mteria puede estar fromada por partículas pequeñas, el filósofo Kanada teorizo 5 tipos de átomos por cada elemento: fuego-agua-tierra-aire-eather. Pensaba que los átomos podían aparecer o desaparecer al instante.

Los eruditos islámicos reunieron las teorías griegas e hindúes.
Los eruditos árabes las resucitaron, tradujeron y complementaron
La iglesia católica adoptó estas enseñanzas siempre que no contradijeran directamente a la Biblia o a los pensadores cristianos influyentes.

LOS CORPÚSCULOS
Materia basada en diminutas partículas.

Nicolás de Autrecourt Creía que toda la materia, el espacio y el tiempo estaban formados por átomos, puntos e instantes, y que todo cambio era resultado de reacomodar átomos. Pensó que las propiedades de la materia eran producto de las formas de los átomos, que los átomos se podían juntar en moléculas y que existían en un vasto vacío, de manera que la mayor parte de la materia era en realidad no materia. Años más tarde, en 1661, Robert Boyle llevó el atomismo a primera plana cuando describió un Universo formado completamente por átomos y conglomerados de átomos, todos ellos en movimiento perpetuo. Boyle propuso que todos los fenómenos de la naturaleza son el resultado de colisiones entre átomos en movimiento y pidió a los químicos investigar los elementos, pues sospechaba que había más de los cuatro que Aristóteles había identificado

Expuso cinco observaciones sobre los átomos:
• Todos los elementos están formados por átomos.
• Todos los átomos de un elemento dado son idénticos.
• Los átomos de un elemento difieren de los átomos de cualquier otro elemento y se pueden distinguir por sus pesos atómicos.
• Los átomos no se pueden crear, destruir o dividir mediante procesos químicos.
• Los átomos de un elemento se pueden combinar con los átomos de otro para formar un compuesto químico; un compuesto determinado siempre contiene la misma proporción de cada elemento.
Dalton cometió algunos errores en su teoría de las proporciones relativas, sobre todo cuando estaban involucrados gases.

A partir de esto, Avogadro calculó que como dos litros de hidrógeno reaccionan con 1 litro de oxígeno, los gases se combinan en la proporción 2:1. En la actualidad, se considera a Avogadro como el creador de la teoría atómica-molecular.

Einstein estaba seguro de que las moléculas eran responsables del movimiento, y llegó a los primeros cálculos para el tamaño de las mismas.
Con el descubrimiento del físico británico J. J. Thomson del electrón en 1897, estaba a punto de desafiarse la indivisibilidad del átomo. El átomo gozaría de su título de partícula última tan solo unos breves años.

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La escuela Vaisheshika, que adoptaba un punto de vista atomista del mundo, sostenía que la luz estaba formada por una corriente de átomos de fuego de movimiento rápido, no muy diferente del concepto actual del fotón. , Vishnu Purana, hace referencia a la luz del sol como los «siete rayos del sol». Los antiguos no pudieron separar la luz de la visión. Pitágoras sugirió que los rayos viajan desde el ojo como palpadores, y que vemos un objeto cuando los rayos lo tocan, modelo llamado teoría de emisión .

Sin embargo, este punto de vista del ojo como un tipo de antorcha no podía explicar por qué no podemos ver igual en la oscuridad que con la luz del día, de modo que Empédocles sugirió que estos rayos de los ojos debían interactuar con la luz de otra fuente, como el sol o una lámpara. La obra sobreviviente más antigua sobre óptica es del pensador griego Euclides , quien también aceptó el modelo de emisión. Más conocido como matemático, Euclides comenzó el estudio de la óptica geométrica, escribiendo sobre las matemáticas de la perspectiva. Más o menos 300 años después, otro innovador matemático griego Herón de Alejandría, mostró que la luz siempre sigue el camino más corto posible mientras viaje a través del mismo medio.

Jugando con la luz

Aunque Ptolomeo acepto el modelo de emisión de la visión, llegó a la conclusión de que los rayos de los ojos se comportaban de la misma forma que los rayos de luz que viajaban a los ojos, y así al final unió las teorías de la visión y de la luz. Sin embargo, pasarían muchos siglos antes de que se aceptara que la visión era en su totalidad el resultado de la luz que cae en el ojo, y que éste de ninguna forma «se extiende y sujeta» las imágenes del mundo a su alrededor. Al-Haytham amplió la obra del primer científico árabe que trabajó con la óptica, Al-Kindi quien propuso «que todo en el mundo emite rayos en toda dirección, que llenan todo el mundo». Al-Haytham afirmó que los rayos que comunican luz y color proceden del mundo externo hacia el ojo.

Describió la estructura del ojo y cómo funcionan los lentes, hizo espejos parabólicos y dio valores para la refracción de la luz. Qutb Al-Din Al-Shirazi y su estudiante Kamal Al-Din Al-Farisi ampliaron la obra de Al-Haytham, explicando cómo se crea un arcoíris mediante la división de la luz blanca del sol en los colores componentes del espectro.

La luz de Dios

Los primeros científicos europeos tomaron la obra sobre la óptica, entre ellos el inglés Richard Grosseteste , y más adelante el erudito inglés Roger Bacon. Roger Bacon, quien se trasladó de universidad de Oxford a la de París, dominaba la mayoría de los textos griegos e islámicos sobre óptica que se escribieron entre 1247 y 1267, y produjo su propio texto, Optics . Más adelante se propuso un programa de estudio que incluía ciencias que entonces no se enseñaban en la universidad, y un modelo de ciencia experimental basado en su trabajo en óptica. Hasta el Renacimiento no aparecieron en Europa trabajos originales en verdad importantes sobre óptica y luz.

Newton , por fin desmantelaron el modelo aristotélico del Universo que había dominado el pensamiento científico por casi 2000 años, y expusieron las leyes de la mecánica y la óptica que se mantendrían sin oposición por otros cuatro o cinco siglos.

Saliendo de la oscuridad

Aunque fue más famoso por su extenso trabajo en astronomía, Kepler introdujo la técnica de calcar rayos de luz de punto a punto para determinar y explicar su camino. De esto, dedujo que el ojo humano trabaja mediante la refracción de los rayos de luz que entran por la pupila y los enfoca en la retina. Explicó cómo funcionaban los lentes de los anteojos , pero en realidad nadie comprendía los principios en que se basaban, y cuando los telescopios se empezaron a usar en todas partes, más o menos en 1608, también explicó cómo funcionaban.

El telescopio de Galileo

En lugar de emplear dos lentes cóncavos, que producían una imagen invertida, el telescopio de Galileo tenía una lente convexa y una cóncava, produciendo una imagen derecha.

A través de los cristales

Se emplearon lentes similares en Babilonia, en el antiguo Egipto y en la antigua Grecia, quizá para agrandar objetos o para encender algo, al concentrar los rayos del sol para comenzar un fuego.
Presión en el éter
El trabajo sobre la óptica de René Descartes describía el funcionamiento del ojo y sugería mejoras para el telescopio. Creía que algún tipo de «fluido intersticial» fino, otra versión del aether, llenaba todos los espacios, y que era la presión ejercida en todo este fluido lo que producía la visión. Había poca base para esta teoría, en especial una vez que consideramos que el sol está separado de la Tierra por 150 millones de kilómetros, pero puso las bases para una obra más importante de Christiaan Huygens, e indujo a Newton a seguir sus propias ideas sobre el tema, pero en una dirección diferente.

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¿Onda o partícula?

Opiniones divergentes respecto a si la luz está formada por partículas o si es una onda de algún tipo se encuentran en los primeros escritos hindúes sobre ciencia. Isaac Newton era tan influyente que la teoría de la onda tuvo una gran aceptación en Bretaña por largo tiempo. Newton rechazó la teoría de la onda porque creía que una onda longitudinal no podría explicar la polarización. Nadie había considerado la posibilidad de las ondas transversales .

Newton aceptó la idea de un aether luminífero , un medio por el que viajaba la luz, aunque no era necesario en forma estricta para su teoría corpuscular, ya que las partículas hubieran podido viajar igual de bien a través de un vacío. La periodicidad también es una característica básica de la teoría de las ondas, y en esto se anticipó a la mecánica cuántica. Aunque el nombre de Newton se asocia en forma íntima con la teoría corpuscular, sus propios escritos incorporan aspectos de ambas ideas, curiosamente acercándose al punto de vista moderno de la «dualidad de la luz».

Frentes de onda y cuantos

En Europa, Christiaan Huygens elaboró la teoría de frente de onda. Como Descartes, quien había sido un visitante asiduo a la casa donde pasó su infancia, Huygens consideraba que la luz era una onda que se propagaba a través del aether. La teoría del frente de onda de Huygens explica cómo evolucionan y se comportan las ondas cuando encuentran obstáculos . Sugirió que cada posición en una onda se vuelve el centro de una ondícula que viaja hacia afuera en todas direcciones.

La onda de la luz se propaga por un espacio tridimensional, en forma de una onda esférica. Durante el siglo XIX, varios científicos que trabajaban en diferentes países europeos establecieron la teoría de que la luz era una onda transversal. Augustin Jean Fresnel presentó su propia teoría de onda de la luz y había mostrado que la polarización solo se podía explicar si la luz constaba de ondas transversas, sin vibración longitudinal. Esto contestaba a la objeción de principios de Newton respecto a la luz como onda.

Un nuevo amanecer: La radiación electromagnética

Fue James Clerk Maxwell quien mostró por primera vez que la radiación electromagnética consta de ondas transversales de energía que se mueven a la velocidad de la luz. Los diferentes tipos de radiación electromagnética, incluyendo las ondas de luz y de radio, se caracterizan por diferentes longitudes de onda. Maxwell todavía asumía que había un aether luminífero por el que todas las formas de radiación electromagnética debían moverse. El aether era diferente a todo lo demás en que era un verdadero continuo e infinitamente divisible y no estaba formado por partículas discretas como la materia normal.

No solo el aether era infinitamente divisible, también lo eran las ondas de energía que viajaban por él.

El físico francés Alexandre Becquerel registró por primera vez el efecto fotoeléctrico en

La cantidad de energía que un fotón representa depende de la longitud de onda de la luz. Aumentar la intensidad de la luz roja no ayuda, ya que los fotones individuales de luz roja no son capaces de realizar el trabajo. Así, en 1921, Albert Einstein ganó el Premio Nobel de Física, no por su teoría de la relatividad, sino por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico.

El fin de un aether: El experimento Michelson-Morley

Nuestra comprensión normal de una onda es que tiene que viajar por algún medio, como aire o agua. En 1845, el físico británico George Gabriel Stokes había sugerido que como la Tierra se mueve a gran velocidad por el espacio, debía producirse un efecto por el arrastre de nuestro planeta mientras pasa por el aether. En cualquier punto de la superficie de la Tierra, la velocidad y dirección del «viento» de aether variaría dependiendo del tiempo, así que sería posible detectar el movimiento de la Tierra en relación con el aether al examinar la velocidad de la luz en diferentes tiempos y diferentes direcciones. Michelson y Morley construyeron un equipo para medir la velocidad de la luz, de forma tan precisa que detectaría el efecto del aether si estuviera presente.

Cassini afirmó en 1674 que las discrepancias en los tiempos aparentes de estos eclipses se podían explicar si la luz viajaba a una velocidad finita. Sin embargo, no continúo el tema y le faltó a Rømer calcular la velocidad de la luz con precisión. Tierra, calculó la velocidad de la luz como 200 000 km/s. Newton y otros supusieron que la velocidad de la luz variaba dependiendo del medio por donde viajaran.

Este fenómeno de una estrella que parece describir un pequeño círculo alrededor de su posición real como resultado de la velocidad de la Tierra en relación con la estrella. En 1864, el físico francés Hippolyte Fizeau sugirió que 'se usara la longitud de una onda luz como estándar de longitud', y al redefinir el metro en términos de la velocidad de la luz, eso se pudo lograr . Einstein basó sus teorías de la relatividad en la observación de que la velocidad de la luz es constante en todo el Universo.

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Mecánica en acción

Los constructores egipcios de las pirámides no tenían comprensión de las fuerzas implicadas en mover bloques de piedra para construir las pirámides, y tampoco los arquitectos de los complejos sistemas de irrigación empleados en Sri Lanka tenían conocimiento formal de la dinámica de los fluidos.

Conforme crecía la población, el pueblo de Mesopotamia hizo el primer uso práctico de la dinámica de fluidos, desarrollando sistemas de irrigación para regar sus granjas en el milenio VI a. Aunque las primeras civilizaciones dieron un uso práctico a la mecánica, no tenemos registro de pensamiento sistemático o de análisis de las fuerzas.

Mecánica de los antiguos griegos

Aristóteles reconoció esto poco después de la invención de una forma de balanza que tenía brazos de longitud diferente. Aristóteles la oportunidad de hacer observaciones e investigaciones. El descubrimiento de Aristóteles es el precursor de la ley de la palanca para la que Arquímedes proporcionó una prueba más o menos un siglo después . Arquímedes dio un uso práctico y apropiado a su conocimiento de la mecánica.

Por lo tanto, una flecha que se dispara con exactitud hacia arriba tiene más poder, o ímpetu, para alejarse de la Tierra de la que tiene la gravedad para jalarla de vuelta a ella. En el punto en el que el ímpetu es igual al jalón de la gravedad, la flecha se queda inmóvil en un momento. Luego comienza a caer, aumentando la velocidad de su caída conforme su ímpetu original disminuye a cero. Conforme disminuye el ímpetu, puede hacer menos por resistir el jalón de la gravedad en el objeto.

Cuando no queda ímpetu residual, la flecha cae a la misma velocidad que un objeto que se ha tirado en lugar de lanzado.

Mecánica de la estática

El objeto empieza en un estado de equilibrio entre el jalón hacia debajo de la gravedad y el ímpetu hacia arriba de la mano. El modelo también explica la velocidad terminal, ya que el ritmo de caída se vuelve constante una vez que ha disminuido todo el ímpetu del cuerpo. El filosofo Juan Filópono , a veces conocido como Juan el matemático o Juan de Alejandría, tenía una teoría similar del ímpetu. El filósofo francés del siglo XIV, Jean Buridan , relacionó el ímpetu que imparte el movedor con la velocidad del objeto que se mueve.

Pensó que el ímpetu podía ser una línea recta o un círculo, donde el segundo explicaría el movimiento de los planetas. En la primera etapa , la gravedad no tiene efecto y el cuerpo se mueve en la dirección del ímpetu. En la segunda etapa , la gravedad recupera su poder y el ímpetu disminuye, de manera que el cuerpo comienza a tender a ir hacia abajo. En la tercera etapa , la gravedad toma el mando y jala el cuerpo hacia abajo mientras el ímpetu se agota.

El experimento del túnel

Diversos pensadores medievales discutieron el experimento, desarrollando las ideas de Avicena y Buridan sobre el ímpetu. La explicación era que la bola de cañón recibía el ímpetu de la fuerza de gravedad, actuando en ella para jalarla hacia la Tierra, y eso sería suficiente para contrarrestar la gravedad en el camino de salida. Cuando llegara a la altura desde la cual la dejaron caer originalmente, el ímpetu se agotaría y la bola de cañón caería de nuevo, siguiendo el mismo patrón y estableciendo un movimiento oscilatorio. Se jala el péndulo hacia abajo, a su punto más bajo , y el ímpetu que ha ganado lo impulsa en su camino continuo lateral , hasta que esa fuerza se agota y se le jala de vuelta, renovando el impulso, pero en la otra dirección.

El experimento de la bola que gira de Galileo

La desconfianza de Galileo en la física aristotélica empezó a corta edad. También mostró que una bola de cañón que golpea su blanco a la misma altura cuando deja el cañón lo hace a la misma velocidad que cuando deja el cañón.

Galileo Galilei

Galileo recibió educación en casa hasta la edad de 11 años cuando lo enviaron a un monasterio para una educación más formal. En 1604, Galileo trabajó con Kepler para examinar una estrella y más o menos en 1608 demostró que el camino que sigue un proyectil es parabólico. En 1609, empezó a fabricar sus primeros telescopios, algunos de los cuales regaló a Kepler para confirmar los descubrimientos de Galileo en astronomía, como las lunas de Júpiter y las fases de Venus, dando así su apoyo al punto de vista de Copérnico de que le Tierra viaja alrededor del Sol . Galileo tenía un interés particular en proyectiles y cuerpos que caen.

Pero lo hiciera o no, el concepto de llevar a cabo un experimento para poner a prueba una idea, y de usar los resultados como evidencia para apoyar una declaración científica, fue fundamental para las prácticas de Galileo que se volvería la base del método científico. En lugar de tirar bolas de cañón desde una altura peligrosa, Galileo llevó a cabo sus experimentos con las fuerzas de bolas de diferentes pesos que ruedan por pendientes.

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MOVIMIENTO EN EL UNIVERSO Y MECÁNICA DE FLUIDOS

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MOVIMIENTO EN EL UNIVERSO Y MECÁNICA DE FLUIDOS

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Newton presentó los principios de conservación del momento y del momento angular, y la formulación en su ley de gravitación universal.
Las leyes de Newton explicaban los descubrimientos de Galileo, incluyendo su disquisición teórica con bolas de cañón de diferentes pesos, y también la explicación de Kepler de que los planetas siguen órbitas elípticas.

Aire y agua

La presión del aire o del agua que actúa sobre un cuerpo puede moverlo, deformarlo o incluso destruirlo. Los fluidos no actúan como cuerpos en la misma forma en que lo hace un planeta o una manzana. Anaxágoras llevó a cabo experimentos públicos para demostrar la existencia de la presión del aire, empleando el aire contenido en un recipiente esférico cerrado que presionaba el agua. Aunque había hecho pequeños agujeros en el fondo del recipiente, no se llenaba de aire.

Anaxágoras no extendió su trabajo a la presión atmosférica, pero mostró cómo la resistencia del aire explica porqué las hojas pueden flotar en el aire. Herón de Alejandría dio un uso práctico a la presión del aire, agua y vapor, inventando una rueda de aire para hacer funcionar un órgano musical, y el primer motor a vapor. El espectáculo de marionetas era impulsado por un sistema de cuerdas, nudos y máquinas simples que se manejaban juntas al hacer girar una rueda dentada cilíndrica. Desde la Antigüedad, se ha sabido que el agua se puede bombear a una altura aproximada de 10 metros, pero no más alto, algo que se descubrió por prueba y error.

En la década de 1640, los científicos empezaron a vincular esto con la presión atmosférica. El matemático italiano Gasparo Berti sin querer hizo un barómetro de agua, en alrededor de 1640, y descubrió que la altura del agua en un tubo largo y cerrado invertido sobre un plato se asentaba en 10,4 metros, dejando espacio, un vacío, en la parte superior del tubo. Otro italiano, el físico Giovanni Batista Baliani , había descubierto que no podía sacar agua con sifón por encima de esta altura y le había pedido a Galileo que explicara por qué. En este punto, la mayoría de las personas, incluyendo a Galileo, creía que el aire no tenía ningún peso propio.

De agua al mercurio

Evangelista Torricelli , amigo y estudiante de Galileo, sugirió en 1644 que el aire de hecho tenía peso y que era éste lo que presionaba hacia abajo en el agua del plato y lo que mantenía la columna de agua en el tubo a una altura de 10 m.

El barómetro de vino

Después de descubrir cómo funcionaba su barómetro, Pascal se propuso poner a prueba la creencia de los físicos aristotélicos de que la parte «vacía» del tubo estaba llena con vapores del líquido que presionaban la columna hacia abajo. Al encontrar que el mercurio se hundía más en la altura, Pascal correctamente llegó a la conclusión de que el peso del aire era menos allá arriba y, por lo tanto, ejercía menos presión. De sus hallazgos sacó extrapolaciones para sugerir que la presión del aire continúa reduciéndose conforme aumenta la altura. En algún punto, el aire se acaba y solo existe vacío sobre la capa de la atmosfera de la Tierra.

La medición de la presión en la actualidad se llama pascal en su honor, donde un pascal es equivalente a un newton por metro cuadrado.

Dinámica de fluidos

Descubrió que el agua con rapidez ejerce menos presión que el agua que fluye con lentitud, y que este principio se puede ampliar a cualquier fluido, fuera líquido o gas. Si Bernoulli insertaba un tubo vertical delgado por la pared de un tubo horizontal más ancho que llevaba agua que fluía, el agua se elevaba en el tubo delgado. Entre mayor fuera la presión del agua en el tubo ancho, más se elevaba en el tubo delgado. Si se hace más delgado el tubo, aumenta la presión del líquido que fluye.

Si el tubo se reduce a la mitad de su ancho previo, la presión se cuadruplica, ya que le aplica la ley de los cuadrados. Es el equivalente para la ley de la conservación de la energía, pero aplicada a los fluidos en movimiento. Diseñó un método para medir la presión sanguínea que implicaba insertar un tubo capilar en un vaso sanguíneo y medir la altura a que se elevaba la sangre en el tubo. Este método invasivo e incómodo para medir la presión sanguínea se usó por más de 150 años, hasta 1896.

Unión de los fluidos y la masa

Pero en cuanto fue claro que líquidos y gases están compuestos por moléculas, fue posible comprender que la presión del agua y la presión del aire se producen por las partículas en movimiento que ejercen fuerza en otros cuerpos con los que entran en contacto. En ese preciso momento, empezaron a aparecer grietas en la mecánica newtoniana.

Poniendo a trabajar la mecánica

Poblaciones enteras se movieron en masa del campo a la ciudad. Las máquinas hicieron posible la fabricación en masa de bienes, se apoderaron de las tareas de la agricultura que antes requerían un gran número de trabajadores agrícolas, y movieron bienes, alimentos y personas en forma más eficiente. El marco giratorio movido por agua que desarrolló Thomas Arkwright en Inglaterra en 1771 y empleado para hilar recibía energía de agua corriente. Los primeros aparatos impulsados por vapor fueron bombas, pero con el motor de vapor, mejorado por James Watt, se podía emplear para hacer muchos trabajos diferentes.

Se pone a la mecánica newtoniana en una nueva posición

Las leyes de Newton pusieron las bases para la mecánica clásica, pero se extendieron y desarrollaron durante los siguientes siglos.

El brillante matemático italofrancés Joseph-Louis Lagrange sucedió a Euler como director de la Academia de Ciencias de

Ayudó a reunir todos los avances en la mecánica newtoniana, en el siglo después de la muerte de Newton, y los volvió a formular en la mecánica lagrangiana. En su libro sobre mecánica analítica , Lagrange presentó una síntesis de todo lo que había pasado en los años intermedios, basándose en su propio sistema matemático que describía los límites de un sistema mecánico en relación con las variaciones que podrían suceder durante el curso de su historia expresado mediante el cálculo. Otro matemático que hizo contribuciones significativas a la mecánica práctica moderna fue el noble irlandés sir William Rowan Hamilton. En el proceso descubrió que existe un vinculo intimo entre la mecánica newtoniana y la óptica geométrica.

El significado completo no fue visible hasta el surgimiento de la mecánica cuántica casi cien años después.

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UN PRIMER VISTAZO A LA ENERGÍA: EL CALOR

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UN PRIMER VISTAZO A LA ENERGÍA: EL CALOR

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Máquinas de movimiento perpetuo

El matemático hindú Bhaskara sugirió por primera vez esta idea más o menos en 1150, y propuso una rueda que dejara caer pesas a lo largo de sus rayos mientras giraba, impulsándose así. Incluso Robert Boyle sugirió un sistema que llenaba continuamente una taza con agua, la vaciaba y la volvía a llenar. Sin embargo, todas las ideas para máquinas de movimiento perpetuo deben fallar, ya que se pierde energía por la fricción y por ineficiencia.

Inventando la «energía»

Que los diferentes tipos de energía son equivalentes no fue obvio de inmediato. Incluso en la actualidad no existe una comprensión fundamental de qué es con exactitud la energía y cómo trabaja. El matemático alemán Gottfried Leibnitz explicó en forma matemática la conversión entre diferentes tipos de energía, a lo que llamó vis viva.

Gabrielle Émile le Tonnelier de Breteuil, marquesa du Châtelet

En 1737 entró a una competencia de ciencia sobre las propiedades del fuego, sugiriendo que los diferentes colores de la luz tenían poder para calentar, presagiando la identificación de la radiación infrarroja. Descubrió que duplicar la velocidad de la bola de cañón causaba que se enterrara cuatro veces más en la arcilla, mostrando que la fuerza es proporcional a la masa por la velocidad al cuadrado y no la masa por la velocidad, como decía Newton.

Apuros con el fuego

Las primeras teorías sobre cómo y porqué ardían los objetos se centraron en un supuesto compuesto de materia inflamable llamado flogisto. Cuando se quemaba el material, escapaba el flogisto. No era en realidad una teoría de la energía, sino de los cambios físicos y químicos que causaba el fuego. La teoría se originó en 1667 con el trabajo del alquimista Johann Becher.

En 1703, Georg Ernst Stahl , cambió el modelo un poco y renombró a la terra pinguis como «flogisto». Se pensaba que el flogisto era una sustancia inolora, incolora e insípida que libera la materia cuando se quema. Cuando se ha liberado todo el flogisto, por lo general es diferente la naturaleza del material quemado, como cuando la madera se convierte en cenizas. Sin embargo, si se quema la materia en un espacio cerrado, puede no quemarse toda, ya que el aire se satura de flogisto.

No se anuló esta teoría para poner una explicación química, hasta que Antoine-Laurent

Mientras que el flogisto y posteriormente el oxígeno explicaban el proceso químico de quemar algo, el calor mismo siguió siendo un misterio hasta 1737, cuando du Châtelet propuso lo que más adelante se reconoció como radiación infrarroja.

Los inicios de la termodinámica

Cuando bombardean una superficie, el efecto es la presión y su energía cinética se siente como calor. El modelo calórico sugería que el calor es una forma de materia, un tipo de gas con partículas indestructibles. Los átomos de calor, o calórico, se podían combinar con los átomos de otras sustancias o podían estar libres y meterse a hurtadillas entre los átomos de otra materia. Lavoisier propuso la existencia del calórico mientras desacreditaba el flogisto.

Creía que los átomos del calórico eran un componente del oxígeno y que su liberación producía el calor de la combustión. Cuando se producía calor por fricción, ocurría porque los átomos del calórico se desprendían por el roce del cuerpo en movimiento.

Joule llevó a cabo experimentos para demostrar que el trabajo se podía convertir en calor. Esto expuso las bases para la teoría de la conservación de la energía mediante su transferencia a diferentes formas, y mostró que el modelo calórico del calor no era correcto . Dalton y aceptó el modelo atómico sin reservas.

Las leyes de la termodinámica

Tres leyes de termodinámica establecen los límites de lo que se puede y lo que no se puede hacer en cualquier sistema que se relacione con calor y energía. Estas leyes surgieron durante el siglo XIX, una vez que se aceptó el calor en general como el movimiento constante de partículas. En otras palabras, la energía nunca se crea ni se destruye. La ley, como la expuso Clausius, se basó en la demostración de Joule de que el trabajo es equivalente al calor.

El ingeniero militar francés Nicholas Sadi Carnot descubrió una máquina de calor ideal y teórica en la que no se pierde energía por fricción o desperdicio, y demostró que la eficiencia de la máquina depende de la diferencia en temperaturas entre los dos cuerpos.

Aunque Carnot expuso sus descubrimientos en relación con el calórico, su obra puso las bases para la segunda ley de la termodinámica. Descubrió que un motor de vapor produce poder no por el «consumo de calórico, sino por su transporte de un cuerpo caliente a un cuerpo frío» y que el poder producido aumenta con la diferencia de temperatura «entre los cuerpos caliente y frío». Carnot expuso sus hallazgos en relación con el calórico, y fue Clausius quien reformuló la ley en relación con la entropía , diciendo que un sistema siempre tiende a un mayor estado de entropía. Cuando se enciende el combustible, la energía se convierte de un estado organizado a un estado desorganizado.

Clausius resumió la primera y la segunda ley, diciendo que la cantidad de energía en el Universo se mantiene constante, pero su entropía tiende a un máximo.
Cero absoluto

En 1702, construyó un termómetro de aire y declaró que la temperatura a la que el aire no tenía «resorte» para afectar la medición era el «cero absoluto». El cero en su caso era alrededor de -240°C. Antoine Lavoisier sugirieron en 1780 que el cero absoluto podía ser de 1500 a 3000 grados abajo del punto de congelación del agua, y que mínimo debía ser de 600 grados por debajo de la congelación. Descubrió que, si la presión se mantiene constante, aumenta el volumen de un gas por 1/273 por cada aumento de 1°C por encima de cero.

A partir de esto, pudo extrapolar hacia atrás a una cifra para el cero absoluto de -273°C, aun más cerca de la cifra correcta. Kelvin descubrió un valor para el cero absoluto que todavía se acepta, -273,15°C, muy cerca del valor que surge del termómetro de aire y de la teoría de Gay-Lussac.

Calor y luz

En 1901, Max Planck hizo un descubrimiento importante vinculaba luz y calor mientras investigaba la radiación de un cuerpo negro, pero fue un avance accidental, resultado de una tontería, aunque esa tontería, sería la base de la mecánica cuántica. Max Planck tuvo una vida larga, pero trágica.

Max Planck

Planck formuló la teoría de cuantos, siendo el trabajo preliminar de gran parte de la física del siglo XX. La primera esposa de Planck murió en 1909 debido a una posible tuberculosis.

Radiación de cuerpo negro y cuantos de energía

Como esto se añade a la luz amarilla y roja, el brillo del cuerpo caliente se vuelve más blanco y luego más azul. La gráfica que muestra esta distribución de calor y color se llama la curva de cuerpo negro. El «cuerpo negro» perfecto es algo que absorbe toda la radiación que cae en él. Una caja hecha de grafito con un diminuto agujero es una aproximación apropiada de un cuerpo negro .

Cuando se calienta el cuerpo negro, brilla, irradiando luz a diferentes longitudes de onda para diferentes temperaturas. El color de la luz irradiada depende por completo de la temperatura y no del material del cuerpo. Planck trató de calcular la cantidad exacta de luz que emitía a diferentes longitudes de onda de un cuerpo negro que consistía en una caja negra con un diminuto agujero en ella. Planck en realidad no había tenido la intención de que los cuantos de energía llegaran a formar parte del paisaje de la física.

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Otras formas de energía

La primera entre las fuentes de energía recién conocidas fue la electricidad. Aunque el rayo era algo común para todos, nadie se había dado cuenta que se relacionaba con la electricidad.

Descubrimiento de la electricidad

El primer tipo que se descubrió fue la electricidad estática. El filósofo natural sir Thomas Browne definió lo «eléctrico» como «un poder para atraer pajas y cuerpos ligeros, y convertir la aguja que fluye con libertad». En 1663, el científico alemán Otto von Guericke construyó el primer generador electrostático. Guericke ya había llevado a cabo experimentos con la presión del aire que mostraban la posibilidad de un vacío.

Los experimentos con la electricidad se volvieron más comunes en el siglo XVIII, y los generadores de electricidad estática eran atracciones populares en las conferencias públicas de ciencia. Consta de una botella llena en parte de agua, con una barra o alambre de metal que cruza el corcho, y era un dispositivo simple para almacenar electricidad. Cuando von Kleist tocó por primera vez esta botella, un poderoso choque eléctrico lo tiró al piso. La botella de Leyden se convirtió en una herramienta valiosa en los experimentos con electricidad y es el origen del moderno capacitor.

Cometas y tormentas de rayos

Incluso sin rayos, había suficiente carga eléctrica en las nubes de tormenta para que la cuerda húmeda condujera electricidad a la llave y causara que brincaran chispas a la botella de Leyden. Franklin sugirió que la electricidad podía tener carga positiva o negativa.

Poniendo de moda la electricidad

Los experimentos con electricidad se volvieron populares como entretenimiento científico, a veces empleando a voluntarios desafortunados y tal vez poco dispuestos. La primera persona en llevar a cabo experimentos metódicos con la electricidad fue el tintorero y científico aficionado inglés Stephen Gray . Además de ser entretenido , los experimentos de Gray en 1729 demostraron la conductividad, que la electricidad se podía pasar de un material a otro, incluyendo el agua. El químico Charles du Fay , que trabajaba en París, desarrolló el trabajo de Gray, y en 1773 llegó a la conclusión de que todo objeto y todo ser vivo contiene algo de electricidad.

Poniendo a trabajar a la electricidad

Antes de que se pudiera dar buen uso a la electricidad, fue necesario encontrar una forma de liberarla o producirla siempre que se necesitara. El científico alemán Georg Ohm empleó una versión de la pila de Volta para sus propias investigaciones de la electricidad, que lo llevaron a la formulación de la ley que tiene su nombre, publicada en 1827.

En línea de espera: Magnetismo

No se puede avanzar más allá con la electricidad sin tomar en cuenta a los imanes. De acuerdo con las narraciones de Aristóteles, Tales de Mileto presentó una descripción del magnetismo en el siglo VI a. Otra referencia antigua al magnetismo se encuentra en una obra china escrita en el siglo IV a. Una piedra imán es un pedazo imantado en forma natural del metal magnetita.

Los adivinos chinos empezaron usando piedras imán con tablas de adivinación durante el siglo I a. Aunque la brújula china tenía 24 divisiones básicas, los tipos europeos siempre han tenido 16. El inglés William Gilbert , científico de la corte de Isabel I, llevó a cabo las primeras investigaciones científicas del magnetismo. Publicó su libro De magnete en 1600, describiendo en él muchos experimentos que había llevado a cabo para tratar de descubrir la naturaleza del magnetismo y la electricidad.

Presentó la primera explicación racional de la misteriosa habilidad de la aguja de la brújula para señalar Norte-Sur, revelando que la sorprendente verdad de que la Tierra en sí es magnética. Gilbert se las arregló para refutar la creencia popular entre los marineros de que el ajo inutilizaba la brújula , y la idea de que una enorme montaña magnética cerca del Polo Norte atraería todos los clavos de hierro de cualquier barco que se aproximara demasiado a ella. Así, se reconocía la fuerza potencial de magnetismo en historia del féretro de hierro de Mahoma, el cual se suponía que se conservaba flotando en el aire al haberlo colocado entre dos imanes.

Descubrió que el enrollar cable aislado alrededor de un imán y hacer pasar corriente por el cable, podía fortalecer en gran medida la fuerza del imán. Extendió 1,7 km de cable fino a través de la Academia de Albany y luego pasó electricidad por el cable, empleándolo con éxito para dar fuerza a una campana en el otro extremo. Si sobresale un nombre relacionado con la electricidad, tal vez sea el de Michael Faraday. Para ello, enrolló dos rollos de cable en los lados opuestos de un anillo de hierro y luego pasó una corriente por un cable.

Esto magnetizó el anillo y por un breve momento indujo una corriente en el otro rollo de cable, creando el primer transformador eléctrico.

El amanecer de la era electromagnética

Ampliando el trabajo de Orsted y Faraday, James Clerk Maxwell puso a trabajar las matemáticas con la relación entre la electricidad y el magnetismo. Maxwell explicó cómo los campos eléctrico y magnético surgen de las mismas ondas electromagnéticas. Un campo eléctrico variable se logra mediante un campo magnético igual de variable que se encuentra en ángulo recto a él. Este fue un descubrimiento sensacional, pero no todos quedaron felices con la conclusión de que la luz es parte del espectro electromagnético.

Einstein agregó el trabajo de Maxwell a sus teorías de la relatividad, diciendo que si un campo era eléctrico o magnético dependía del marcio de referencia del observador.

La siguiente forma de energía que se descubrió fueron los rayos X. Aunque el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen nombró y describió los rayos X y por lo general se le acredita su descubrimiento en 1895, en realidad no fue el primero en observarlos. Los detectó por primera vez el físico Johann Wilhelm Hittorf , quien fue uno de los inventores del tubo de Crookes, un dispositivo experimental empleado para investigar los rayos catódicos y que consiste en una corriente de electrones que fluye entre un cátodo y ánodo. Otros científicos también estuvieron cerca de los rayos X, antes de que Röntgen produjera la famosa fotografía de rayos X de la mano de su esposa, y explicara el fenómeno. Röntgen hizo que quemaran sus notas de laboratorio después de su muerte, así que es imposible saber con exactitud qué sucedió, pero parece que estaba investigando los rayos catódicos, usando una pantalla pintada con platino-cianuro de bario y un tubo de Crookes envuelto en algo negro.

Vio un ligero brillo en la pantalla y se dio cuenta que rayos de algún tipo estaban pasando la cartulina del tubo y hacían que la pantalla brillara. Investigó los rayos y publicó sus descubrimientos dos meses después.

Pierre descubrió que un gramo de radio podía calentar uno y un tercio de gramo de agua desde el punto de congelación hasta el punto de ebullición en una hora, y podía continuar haciendo esto, una y otra vez. Parecía como energía de la nada, un descubrimiento sorprendente. Los Curie no supieron qué forma de energía era en realidad la radiactividad. La radiación beta consta de electrones de movimiento rápido, como un rayo catódico, pero con más energía.

En 1900, descubrió un tercer tipo de radiación al que llamó «radiación gamma». Como los rayos X, los rayos gamma forman parte del espectro electromagnético. Son ondas de alta energía, con una longitud de onda más corta que los rayos X. .