Este artículo trata sobre la historia de la mecánica clásica .
Precursores de la mecánica clásica
Antigüedad
Los antiguos filósofos griegos , Aristóteles en particular, fueron de los primeros en proponer que los principios abstractos gobiernan la naturaleza. Aristóteles argumentó, en Sobre los cielos , que los cuerpos terrestres suben o bajan a su "lugar natural" y estableció como ley la aproximación correcta de que la velocidad de caída de un objeto es proporcional a su peso e inversamente proporcional a la densidad del fluido que es. que cae a través. [1] Aristóteles creía en la lógica y la observación, pero pasarían más de mil ochocientos años antes de que Francis Bacon desarrollara por primera vez el método científico de experimentación, al que llamó una aflicción de la naturaleza . [2]
Sierra Aristóteles una distinción entre "movimiento natural" y "movimiento forzado", y creía que 'en un vacío', es decir de vacío , un cuerpo en reposo permanecerá en reposo [3] y un cuerpo en movimiento continuará teniendo el mismo movimiento . [4] De esta forma, Aristóteles fue el primero en abordar algo parecido a la ley de la inercia. Sin embargo, creía que un vacío sería imposible porque el aire circundante se apresuraría a llenarlo de inmediato. También creía que un objeto dejaría de moverse en una dirección antinatural una vez que se eliminaran las fuerzas aplicadas. Los aristotélicos posteriores desarrollaron una explicación elaborada de por qué una flecha continúa volando por el aire después de haber abandonado el arco, proponiendo que una flecha crea un vacío a su paso, en el que el aire se precipita, empujándolo desde atrás. Las creencias de Aristóteles fueron influenciadas por las enseñanzas de Platón sobre la perfección de los movimientos circulares uniformes de los cielos. Como resultado, concibió un orden natural en el que los movimientos de los cielos eran necesariamente perfectos, en contraste con el mundo terrestre de elementos cambiantes, donde los individuos llegan a ser y mueren.
Existe otra tradición que se remonta a los antiguos griegos donde las matemáticas se utilizan para analizar la naturaleza; los ejemplos incluyen Euclides ( Óptica ), Arquímedes ( Sobre el equilibrio de los planos , Sobre los cuerpos flotantes ) y Ptolomeo ( Óptica , Armónicos ). Más tarde, los eruditos islámicos y bizantinos se basaron en estas obras y, en última instancia, fueron reintroducidas o estuvieron disponibles para Occidente en el siglo XII y nuevamente durante el Renacimiento .
Pensamiento medieval
El erudito islámico persa Ibn Sīnā publicó su teoría del movimiento en The Book of Healing (1020). Dijo que el lanzador le da un ímpetu a un proyectil, y lo veía como persistente, requiriendo fuerzas externas como la resistencia del aire para disiparlo. [5] [6] [7] Ibn Sina hizo una distinción entre 'fuerza' e 'inclinación' (llamada "mayl"), y argumentó que un objeto ganaba mayl cuando el objeto está en oposición a su movimiento natural. Entonces, concluyó que la continuación del movimiento se atribuye a la inclinación que se transfiere al objeto, y ese objeto estará en movimiento hasta que se agote el mayl. También afirmó que el proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actuara sobre él. Esta concepción del movimiento es coherente con la primera ley del movimiento de Newton, la inercia. Lo que establece que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. [8] Esta idea que discrepaba del punto de vista aristotélico fue descrita más tarde como "ímpetu" por John Buridan , quien fue influenciado por el Libro de curación de Ibn Sina . [9]
En el siglo XII, Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi adoptó y modificó la teoría de Avicena sobre el movimiento de proyectiles . En su Kitab al-Mu'tabar , Abu'l-Barakat afirmó que el motor imparte una inclinación violenta ( mayl qasri ) sobre el movido y que esta disminuye a medida que el objeto en movimiento se aleja del motor. [10] Según Shlomo Pines , la teoría del movimiento de al-Baghdaadi fue "la negación más antigua de la ley dinámica fundamental de Aristóteles [es decir, que una fuerza constante produce un movimiento uniforme], [y por lo tanto es una] anticipación de una manera vaga de la ley fundamental de la mecánica clásica [es decir, que una fuerza aplicada continuamente produce aceleración] ". [11] El mismo siglo, Ibn Bajjah propuso que para cada fuerza siempre hay una fuerza de reacción. Si bien no especificó que estas fuerzas sean iguales, todavía es una versión temprana de la tercera ley del movimiento que establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. [12]
En el siglo XIV, el sacerdote francés Jean Buridan desarrolló la teoría del ímpetu , influenciado por Ibn Sina [9] y al-Baghdaadhi. [10] Alberto , obispo de Halberstadt , desarrolló aún más la teoría.
Formación de la mecánica clásica.
El desarrollo del telescopio de Galileo Galilei y sus observaciones desafiaron aún más la idea de que los cielos estaban hechos de una sustancia perfecta e invariable. Adoptando la hipótesis heliocéntrica de Copérnico , Galileo creía que la Tierra era igual a otros planetas. Aunque se cuestiona la realidad del famoso experimento de la Torre de Pisa, realizó experimentos cuantitativos haciendo rodar bolas en un plano inclinado ; su teoría correcta del movimiento acelerado aparentemente se derivó de los resultados de los experimentos. [13] Galileo también descubrió que un cuerpo que cae verticalmente golpea el suelo al mismo tiempo que un cuerpo que se proyecta horizontalmente, por lo que una Tierra que gira uniformemente todavía tendrá objetos cayendo al suelo bajo la gravedad. Más significativamente, afirmó que el movimiento uniforme es indistinguible del reposo y, por lo tanto, forma la base de la teoría de la relatividad. Excepto con respecto a la aceptación de la astronomía copernicana, la influencia directa de Galileo en la ciencia en el siglo XVII fuera de Italia probablemente no fue muy grande. Aunque su influencia sobre los laicos educados tanto en Italia como en el extranjero fue considerable, entre los profesores universitarios, excepto unos pocos que eran sus propios alumnos, fue insignificante. [14] [15]
Entre la época de Galileo y Newton, Christiaan Huygens fue el matemático y físico más destacado de Europa occidental. Formuló la ley de conservación de las colisiones elásticas, produjo los primeros teoremas de la fuerza centrípeta y desarrolló la teoría dinámica de los sistemas oscilantes. También hizo mejoras en el telescopio, descubrió la luna Titán de Saturno e inventó el reloj de péndulo. [16] [17] Su teoría ondulatoria de la luz, publicada en Traite de la Lumiere , fue posteriormente adoptada por Fresnel en la forma del principio de Huygens-Fresnel . [18]
Sir Isaac Newton fue el primero en unificar las tres leyes del movimiento (la ley de la inercia, su segunda ley mencionada anteriormente y la ley de acción y reacción), y en demostrar que estas leyes gobiernan tanto los objetos terrestres como los celestes. Newton y la mayoría de sus contemporáneos esperaban que la mecánica clásica pudiera explicar todas las entidades, incluida (en forma de óptica geométrica) la luz. La propia explicación de Newton de los anillos de Newton evitaba los principios de las ondas y suponía que las partículas de luz eran alteradas o excitadas por el vidrio y resonaban.
Newton también desarrolló el cálculo que es necesario para realizar los cálculos matemáticos involucrados en la mecánica clásica. Sin embargo fue Gottfried Leibniz quien, independientemente de Newton, desarrolló un cálculo con la notación de la derivada y la integral que se utilizan hasta el día de hoy. La mecánica clásica conserva la notación de puntos de Newton para las derivadas del tiempo.
Leonhard Euler extendió las leyes del movimiento de Newton de partículas a cuerpos rígidos con dos leyes adicionales . Trabajar con materiales sólidos sometidos a fuerzas conduce a deformaciones cuantificables. La idea fue articulada por Euler (1727), y en 1782 Giordano Riccati comenzó a determinar la elasticidad de algunos materiales, seguido por Thomas Young . Simeon Poisson amplió el estudio a la tercera dimensión con la razón de Poisson . Gabriel Lamé se basó en el estudio para asegurar la estabilidad de las estructuras e introdujo los parámetros de Lamé . [19] Estos coeficientes establecieron la teoría de la elasticidad lineal e iniciaron el campo de la mecánica del continuo .
Después de Newton, las reformulaciones permitieron progresivamente soluciones a un número mucho mayor de problemas. El primero fue construido en 1788 por Joseph Louis Lagrange , un matemático italo - francés . En la mecánica lagrangiana, la solución utiliza el camino de menor acción y sigue el cálculo de variaciones . William Rowan Hamilton reformuló la mecánica lagrangiana en 1833. La ventaja de la mecánica hamiltoniana era que su marco permitía una mirada más profunda a los principios subyacentes. La mayor parte del marco de la mecánica hamiltoniana se puede ver en la mecánica cuántica, sin embargo, los significados exactos de los términos difieren debido a los efectos cuánticos.
Aunque la mecánica clásica es en gran medida compatible con otras teorías de la " física clásica ", como la electrodinámica y la termodinámica clásicas , a finales del siglo XIX se descubrieron algunas dificultades que solo podrían resolverse con una física más moderna. Cuando se combina con la termodinámica clásica, la mecánica clásica conduce a la paradoja de Gibbs en la que la entropía no es una cantidad bien definida. Cuando los experimentos alcanzaron el nivel atómico, la mecánica clásica no logró explicar, ni siquiera aproximadamente, cosas tan básicas como los niveles de energía y los tamaños de los átomos. El esfuerzo por resolver estos problemas condujo al desarrollo de la mecánica cuántica. De manera similar, el comportamiento diferente del electromagnetismo clásico y la mecánica clásica bajo transformaciones de velocidad condujo a la teoría de la relatividad .
Mecánica clásica en la era contemporánea
A finales del siglo XX, la mecánica clásica en física ya no era una teoría independiente. Junto con el electromagnetismo clásico , se ha incrustado en la mecánica cuántica relativista o la teoría cuántica de campos [1] . Define el límite mecánico no cuántico no relativista para partículas masivas.
La mecánica clásica también ha sido una fuente de inspiración para los matemáticos. La comprensión de que el espacio de fases en la mecánica clásica admite una descripción natural como una variedad simpléctica (de hecho, un paquete cotangente en la mayoría de los casos de interés físico), y la topología simpléctica , que puede considerarse como el estudio de los problemas globales de la mecánica hamiltoniana, ha ha sido un área fértil de la investigación matemática desde la década de 1980.
Ver también
- Mecánica
- Cronología de la mecánica clásica
Notas
- ↑ a b Rovelli, Carlo (2015). "Física de Aristóteles: mirada de un físico". Revista de la Asociación Filosófica Estadounidense . 1 (1): 23–40. arXiv : 1312.4057 . doi : 10.1017 / apa.2014.11 . S2CID 44193681 .
- ^ Peter Pesic (marzo de 1999). "Lucha con Proteus: Francis Bacon y la" tortura "de la naturaleza". Isis . The University of Chicago Press en nombre de la Sociedad de Historia de la Ciencia. 90 (1): 81–94. doi : 10.1086 / 384242 . JSTOR 237475 . S2CID 159818014 .
- ↑ Aristóteles: Sobre los cielos (de Caelo) libro 13, sección 295a
- ^ Aristóteles: Libro de física 4 sobre el movimiento en el vacío
- ^ Espinoza, Fernando (2005). "Un análisis del desarrollo histórico de las ideas sobre el movimiento y sus implicaciones para la enseñanza". Educación física . 40 (2): 141. Bibcode : 2005PhyEd..40..139E . doi : 10.1088 / 0031-9120 / 40/2/002 .
- ^ Seyyed Hossein Nasr y Mehdi Amin Razavi (1996). La tradición intelectual islámica en Persia . Routledge . pag. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2.
- ^ Aydin Sayili (1987). "Ibn Sīnā y Buridan sobre el movimiento del proyectil". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 500 (1): 477–482. Código bibliográfico : 1987NYASA.500..477S . doi : 10.1111 / j.1749-6632.1987.tb37219.x . S2CID 84784804 .
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- ^ Pines, Shlomo (1970). "Abu'l-Barakāt al-Baghdādī, Hibat Allah". Diccionario de biografía científica . 1 . Nueva York: Charles Scribner's Sons. págs. 26-28. ISBN 0-684-10114-9.
( cf. Abel B. Franco (octubre de 2003). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Journal of the History of Ideas 64 (4), p. 521-546 [528].) - ^ Franco, Abel B .. "Avempace, movimiento de proyectiles y teoría del impulso". Revista de Historia de las Ideas . Vol. 64 (4): 543.
- ^ Palmieri, Paolo (1 de junio de 2003). "Modelos mentales en la matematización temprana de la naturaleza de Galileo" . Estudios de Historia y Filosofía de la Ciencia Parte A . 34 (2): 229–264. doi : 10.1016 / S0039-3681 (03) 00025-6 . ISSN 0039-3681 .
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- ↑ Gabriel Lamé (1852) Leçons sur la théorie mathématique de l'élasticité des corps solides (Licenciado)
Referencias
- Truesdell, C. (1968). Ensayos de Historia de la Mecánica . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg . ISBN 9783642866470.
- Maddox, René Dugas; prólogo de Louis de Broglie; traducido al inglés por JR (1988). Una historia de la mecánica (Dover ed.). Nueva York: Publicaciones de Dover . ISBN 0-486-65632-2.
- Buchwald, Jed Z .; Fox, Robert, eds. (2013). El manual de Oxford de la historia de la física (Primera ed.). Oxford: Prensa de la Universidad de Oxford . págs. 358–405. ISBN 9780199696253.