La mecánica, la gramática de la física

Históricamente, el término mecánica fue utilizado por primera vez por Newton para referirse a la ciencia de las máquinas y al arte de fabricarlas. Hoy usamos la palabra para referirnos a la rama de la ciencia que describe y predice las condiciones de descanso o movimiento bajo el efecto de un conjunto de fuerzas.

La mecánica es de hecho la gramática de la física. La mecánica clásica , o mecánica newtoniana como a veces se la llama, es una teoría del movimiento desarrollada por el físico inglés Sir Isaac Newton (1642-1727) en el siglo XVII. Apareció por primera vez en forma impresa en su célebre obra «Principios matemáticos de la filosofía natural» (a menudo denominada simplemente «Principia», tomando prestada la tercera palabra de su título latino original), publicada por la Royal Society de Londres en 1687. La mecánica clásica a menudo ha sido vista como un modelo para otras ciencias exactas.

Dos características importantes son el uso extensivo de las matemáticas en las teorías y el papel decisivo que desempeñan los experimentos al generarlos y probarlos. La teoría de la mecánica clásica nos proporciona los medios para analizar y predecir los movimientos de los cuerpos físicos en un enorme rango y variedad de situaciones, desde electrones hasta galaxias. Sin embargo, como otras teorías físicas, la mecánica clásica tiene sus limitaciones.

El análisis del movimiento a velocidades extremadamente altas requiere que modifiquemos la descripción del espacio y el tiempo de acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein . El análisis de fenómenos en la escala atómica o subatómica cae dentro del alcance de la mecánica cuántica . Ambas teorías se desarrollaron a principios del siglo XX … después de una brecha de más de 200 años desde el advenimiento de la mecánica clásica. El siguiente diagrama muestra los límites de la mecánica clásica en forma tabular. Aunque, históricamente, la mecánica clásica en su forma actual se originó con la publicación de Principia, hay muchos héroes desconocidos y poco cantados detrás de su larga evolución. Compartamos algunas cositas sobre la vida y el trabajo de esos grandes hombres. La mecánica tiene su origen en la antigua Grecia, y los dos contribuyentes más notables fueron Aristóteles (384 – 322 a. C.) y Arquímedes (287 – 212 a. C.). Sin embargo, tenga en cuenta que muchas de sus propuestas parecen fuera de lugar a la luz de los descubrimientos modernos. Por ejemplo, para describir el movimiento de un cuerpo en el suelo, Aristóteles no tuvo en cuenta la fricción. Según él, los objetos pesados ​​requieren más fuerza para que se muevan, y los objetos empujados con mayor fuerza se mueven más rápido. Básicamente, estaba implicando F = mv, lo cual es claramente incorrecto en términos modernos. Aristóteles creía que toda la materia estaba compuesta por cinco elementos: tierra, agua, aire, fuego y éter. La última es una sustancia divina ficticia que compone cuerpos celestes como planetas y estrellas. El movimiento natural depende del elemento en cuestión. El éter se mueve en círculo, el aire y el fuego se mueven verticalmente hacia arriba, mientras que la tierra y el agua se mueven verticalmente hacia abajo, hacia sus lugares naturales de descanso. Según Aristóteles, la velocidad de un cuerpo que cae a través de un fluido puede expresarse como v = cW / ρ, donde c es una constante, W es el peso corporal y ρ es la densidad del fluido. No puedes dejar de notar la implicación de esta fórmula: ¡la velocidad de un cuerpo que cae se volvería infinita en el vacío! Y para evitar esta desagradable conclusión, Aristóteles profetizó que el vacío no es posible. Si está reprimiendo una risa en este momento, piense de nuevo sin prejuicios. Podría decirse que fue uno de los primeros que no solo se interesó profundamente en los eventos naturales a su alrededor, sino que también intentó explicarlos científicamente y anotó sus pensamientos / hallazgos para las generaciones contemporáneas y futuras.

No es de extrañar que los escritos de Aristóteles sobre el movimiento siguieran siendo influyentes hasta principios del período moderno. Y luego, una buena mañana en 1591, un joven profesor de matemáticas llamado Galileo Galilei subió a la cima del campanario en Pisa con una bolsa de bolas y demostró a los estudiantes que lo vitoreaban por debajo del fracaso del principio de Aristóteles. Por cierto, otro científico griego, Arquímedes, que nació casi cien años después de Aristóteles, corrigió la teoría de este último de que los cuerpos se mueven hacia sus lugares de descanso naturales. Los botes de metal pueden flotar si desplazan suficiente agua. La flotación depende de la masa y el volumen del objeto, y no de su composición elemental. Hablando de Arquímedes, una historia divertida sobre él está en circulación durante más de dos milenios. El rey Hiero de Siracusa le pidió a Arquímedes que determinara si su corona de oro tenía alguna impureza de plata … sin, por supuesto, dañar la corona. Mientras se bañaba, el científico notó que el nivel de agua en la bañera aumentó cuando entró, y se dio cuenta de que este efecto podría usarse para determinar la impureza. Emocionado por su descubrimiento, Arquímedes se olvidó de vestirse y corrió por las calles desnudo llorando “¡Eureka! ¡Eureka! (Equivalente griego para «¡Lo he encontrado!»). Bueno, la prueba se realizó con éxito, se estableció la impureza en la corona y, posiblemente, el orfebre tenía la cabeza cortada. Curiosamente, la historia de la corona de oro no aparece en las obras conocidas de Arquímedes.

Hay serias dudas sobre la practicidad del método, porque se requiere una gran precisión para medir el volumen de agua desplazada. Es más probable que Arquímedes se haya basado en su famoso principio, conocido hoy como el principio de Arquímedes, para determinar la composición de la corona. Arquímedes hizo notables inventos de ingeniería, a menudo inspirados por las necesidades de Siracusa. Una vez que el rey le dijo que diseñara un gran barco multipropósito, apto tanto para viajes de lujo como para la guerra naval. Y Arquímedes ayudó a construir el barco más grande de la antigüedad, capaz de transportar 600 personas, completo con un jardín, un gimnasio y un templo. Inventó un dispositivo, llamado acertadamente Tornillo de Arquímedes, para eliminar el agua acumulada en el casco interior del barco. El mismo tornillo, con pequeñas modificaciones, se utilizó para regar los Jardines Colgantes de Babilonia; Se utiliza incluso hoy para bombear líquidos y granos. La Garra de Arquímedes era un arma que podía agarrar una nave enemiga, sacarla del agua y hundirla. Un documental de televisión realizado en 2005 lo respaldaba como una «super arma del mundo antiguo» y un dispositivo altamente viable. Arquímedes explicó el principio de funcionamiento de las palancas y comentó: «Dame un lugar donde pararme y moveré la tierra». Diseñó elaborados sistemas de poleas de bloque y aparejo para que los marineros pudieran levantar fácilmente objetos pesados. Mejoró la precisión de la catapulta e inventó un odómetro que podía registrar la distancia recorrida en millas. Al igual que su genio fue venerado por su propia gente, los griegos, fue aborrecido por sus enemigos, los romanos. En 212 a. C., el general Marcus Marcellus atacó y capturó a Siracusa. Arquímedes fue brutalmente asesinado en su estudio, sus herramientas astronómicas fueron saqueadas, ¡y al menos una de ellas fue reinstalada en la mansión de Marcelo!