Cuestiones de la física. Galileo y la inercia de los cuerpos.
En la física llamamos inercia a la propiedad que poseen todos los cuerpos en la naturaleza de resistirse a un cambio en su estado de reposo o de movimiento, y esta es directamente proporcional a la masa de dicho cuerpo, es decir, a mayor masa más inercia y viceversa.
Es importante saber que estrictamente hablando no es correcto decir que la inercia es la razón o causa por la cual un objeto en movimiento continúa moviéndose cuando no hay ninguna fuerza actuando sobre él. Realmente no conocemos la razón por la cual esto sucede.
No sabemos por qué los asteroides en el espacio han esto moviéndose durante miles de millones de años, tampoco por qué una sonda espacial después que los cohetes propulsores dejan de funcionar esta se mantiene en movimiento.
El primer hombre que estudiar estas cuestiones relacionadas con la inercia fue el científico Galileo Galilei, nacido en Pisa, Italia, en 1564, él hizo experimentos muy originales en los que explica y describe de forma seria, es decir, usando el método científico que él mismo introdujo en la ciencia, los aspectos de esta propiedad de los cuerpos, es decir, de la inercia.
La primera ley de Newton establece que en ausencia de fuerzas la velocidad de un cuerpo es constante y, por lo tanto, tenemos un movimiento uniforme en línea recta. Los cuerpos en movimiento libre continúan moviéndose uniformemente, y no se necesita ninguna fuerza que mantenga su constante marcha.
Existe una consecuencia de las leyes de la dinámica que establecieron Galileo y Newton, esta es que el movimiento rectilíneo uniforme es físicamente indistinguible del estado de reposo (es decir, de ausencia de movimiento): no existe modo alguno de distinguir localmente el movimiento uniforme del estado de reposo. Galileo fue especialmente claro en este punto (incluso más claro que Newton) y dio una descripción muy gráfica recurriendo al caso de un barco en el mar (cfr. Penrose R. 1996, pág. 149. Ver referencia bibliográfica No. 3):
Encerrémonos con un amigo en la cabina principal bajo la cubierta de un gran barco, llevando con nosotros moscas, mariposas y otros pequeños animales voladores. Llevemos un gran recipiente con agua y algún pez dentro; colguemos una botella que se vacíe gota a gota en alguna vasija que esté debajo de ella. Con el barco aún en reposo, observemos cuidadosamente cómo vuelan los pequeños animales con igual velocidad hacia todos los lados de la cabina. El pez nadará indistintamente en todas las direcciones; las gotas caerán en la vasija inferior... Cuando hayamos observado cuidadosamente todas estas cosas,... hagamos avanzar el barco con la velocidad que queramos, de forma que el movimiento sea uniforme y no haya oscilaciones en un sentido u otro. No descubriremos el menor cambio en ninguno de los efectos mencionados, ni podríamos decir a partir de ellos si el barco se mueve o permanece quieto... Las gotas caerán como antes en la vasija inferior sin desviarse hacia la popa, aunque el barco haya avanzado mucho mientras las gotas están en el aire. El pez nadará hacia la parte delantera de su recipiente sin mayor esfuerzo que hacia la parte trasera, y se dirigirá con la misma facilidad hacia un cebo colocado en cualquier parte del borde del recipiente. Finalmente, las mariposas y moscas continuarán su vuelo indistintamente hacia cualquier lado, y no sucederá que se concentren hacia la popa como si se cansaran de seguir el curso del barco, del que hubieran quedado separadas una gran distancia de haberse mantenido en el aire.
En el siguiente video explico lo anteriormente expuesto.
Video 1: Explicación oral y animada de lo expuesto arriba
La cinemática de una partícula, es decir, el movimiento sin que actúe fuerza alguna, utiliza la geometría euclidiana para describir el movimiento de los cuerpos. Galileo expuso esto usando sus famosos planos inclinados. Una analogía con la geometría es usar definiciones de Euclides en su libro los elementos (ver referencia bibliográfica 4) con el movimiento, por ejemplo:
Definición 23. Son rectas paralelas las que estando en el mismo plano y siendo prolongadas indefinidamente en ambos sentidos, no se encuentran la una a la otra en ninguno de ellos.
En pocas palabras esta definición los que nos dice es que dos rectas paralelas jamás se intersectarán o cortarán.
Galileo observó que una esfera soltada desde el reposo en una parte superior de un plano inclinado hacia abajo, rodaba hacia abajo y después hacia arriba por la pendiente inclinada hacia arriba, hasta que casi llegaba a su altura inicial. Entonces dedujo que solo la fricción de la superficie evitaba que llegara exactamente a la misma altura desde la cual fue lanzada, porque mientras más lisos y pulidos fueran los planos, la esfera llegaría más cerca de la altura original. Entonces Galileo comenzó a disminuir el ángulo del plano por el que subía la esfera y observó que sucedía exactamente lo mismo, dedujo que para alcanzar la misma altura, la esfera tenía que llegar más lejos cada vez (Ver figuras 2a y 2b).
Luego el científico se hizo la siguiente pregunta:
Si tengo un plano horizontal largo ¿hasta dónde debe llegar la esfera para llegar a la misma altura?
La respuesta era obvia, hasta el infinito, es decir, nunca llegaría a su altura inicial. (Ver figura 2c).
La analogía con la definición 23 es evidente, dos rectas paralelas nunca se cortan o se cortan en el infinito.
Nota: Como sabemos en estos experimentos de Galileo, además de la fricción intervenía la fuerza de gravitación universal, descubierta después por Newton.
En el siguiente video explico lo anteriormente expuesto.
Video 2: Explicación del movimiento de cuerpos en los planos de Galileo
La inercia nos indica que las cosas continúan moviéndose sino actúa sobre ella sobre ellas fuerzas no equilibradas; por ejemplo, si estamos dentro de un vehículo que viaja a una velocidad constante determinada y lanzamos una moneda al aire, esta se comporta como si el auto estuviese en reposo, nunca vemos que la moneda se mueve hacia nosotros. Otro caso interesante con la inercia está relacionado con el movimiento de la Tierra, por ejemplo si un ave está posada en la copa de un árbol muy alto, debajo en el suelo hay un gusano, entonces el ave se lanza verticalmente y atrapa a su gusano para comerlo. Lo anterior no ocurriría si sólo la Tierra se moviera, realmente lo que ocurre es que nuestro planeta se mueve junto con todo lo que hay en ella, el ave, el árbol, las ramas, el gusano, etc (Ver figuras 3a y 3b). Las cosas se siguen moviendo si no actúa sobre ellas fuerzas no equilibradas. (Ver animación).
Gif 1: Inercia en plena acción
Otra cuestión importante es que Galileo fue el que echó por tierra la hipótesis de Aristóteles relacionada con la caída de los cuerpos, la cual decía que si un objeto tenía mayor masa que otro, el primero caería con más rapidez que el segundo, es decir, la rapidez de la caída de los cuerpos es directamente proporcional a sus masas. Más allá del supuesto experimento que hizo el italiano en la torre de Pisa dejando caer cuerpo de diferentes masas, y donde ambos caen al mismo tiempo, vamos a ver el siguiente experimento teórico, —que fácilmente puede hacerse en forma práctica—.
Supongamos que lanzamos desde lo más alto la torre de Pisa una bola y vemos que esta cae al suelo a una velocidad en un tiempo determinado, luego dividimos esta bola en dos partes iguales y lanzamos éstas desde el mismo lugar en el que lanzamos la bola entera, entonces como estas mitades deberían tener la mitad de las masas de la original, entonces deberían caer con la mitad de la rapidez, o en pocas palabras estas mitades caen más lentamente que la bola entera.
Si la hipótesis de Aristóteles fuera cierto, entonces la bola entera caería primero que las dos mitades, sin embargo, esto no ocurre ya que tanto la bola original como sus dos mitades caen al suelo a la misma velocidad y por lo tanto tocaran el suelo al mismo tiempo. Con esto concluimos que la caída de los cuerpos no dependen de su masa, si lanzamos desde una altura determinada un sacó de cemento y una pelota de béisbol, ambas caerán al mismo tiempo.
Nota: En todos estos casos de la caída de los cuerpos, estamos suponiendo que no hay resistencia del aire.
En el siguiente video explico lo anteriormente expuesto.
Video 3: Caída libre de los cuerpos. Todos los cuerpos caen a la misma velocidad
En la siguiente animación, podemos ver la caída de un cuerpo desde la torre de pisa y una gráfica de desplazamiento contra tiempo donde vemos la curva que representa dicho movimiento.
Gif 2: Simulación de la caída de un cuerpo y la gráfica desplazamiento contra tiempo
Referencias bibliográficas
- Arons A. Evolución de los conceptos de física. Trillas, México, 1970.
- Hewitt P. Física conceptual. Pearson Addison-Wesley, México, 2007.
- Penrose R. La mente nueva del emperador. EFE, 1996, página 149.
- Euclides. Elementos. Libros I-IV. Biblioteca Básica Gredos. Madrid, 2000, página 14.
Fuente de las imágenes
Imagen de Euclides Fuente
Imágenes de las figuras 3a y 3b: Libro de Hewitt P. Física conceptual. Pearson Addison-Wesley, México, 2007, páginas 36 y 37.
Imagen de la Torre de Pisa: Fuente
Imagen de Galileo Galilei: Fuente
Thanks for your contribution to the STEMsocial community. Feel free to join us on discord to get to know the rest of us!
Please consider delegating to the @stemsocial account (85% of the curation rewards are returned).
You may also include @stemsocial as a beneficiary of the rewards of this post to get a stronger support.
Congratulations @rnunez09! You have completed the following achievement on the Hive blockchain and have been rewarded with new badge(s):
Your next target is to reach 50000 upvotes.
You can view your badges on your board and compare yourself to others in the Ranking
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word
STOPCheck out the last post from @hivebuzz:
Support the HiveBuzz project. Vote for our proposal!
Saludos estimado @rnunez09 una maravillosa entrega que nos permite la comprensión de algunos principios asociados con la física y la mejor de tu abordaje es lo didáctico y comprensibles de las aspectos que acá mencionas. Entretenida lectura, saludos