Cuatro fuerzas fundamentales gobiernan todas las interacciones dentro del Universo. Son fuerzas nucleares débiles, fuerzas nucleares fuertes, electromagnetismo y gravedad. De estos, la gravedad es quizás la más misteriosa. Si bien se ha entendido durante algún tiempo cómo funciona esta ley de la física en la macroescala, que gobierna nuestro Sistema Solar, galaxias y supercúmulos, la forma en que interactúa con las otras tres fuerzas fundamentales sigue siendo un misterio.
Naturalmente, los seres humanos han tenido una comprensión básica de esta fuerza desde tiempos inmemoriales. Y cuando se trata de nuestra comprensión moderna de la gravedad, se le debe crédito a un hombre que descifró sus propiedades y cómo gobierna todas las cosas grandes y pequeñas: Sir Isaac Newton. Gracias a este físico y matemático inglés del siglo XVII, nuestra comprensión del Universo y las leyes que lo rigen cambiarían para siempre.
Si bien todos estamos familiarizados con la imagen icónica de un hombre sentado debajo de un manzano y con una caída sobre su cabeza, las teorías de Newton sobre la gravedad también representaron una culminación de años de investigación, que a su vez se basó en siglos de conocimiento acumulado. Presentaría estas teorías en su obra magna, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ("Principios matemáticos de la filosofía natural"), que se publicó por primera vez en 1687.
En este volumen, Newton presentó lo que se conocería como sus Tres Leyes del Movimiento, derivadas de las Leyes del Movimiento Planetario de Johannes Kepler y su propia descripción matemática de la gravedad. Estas leyes sentarían las bases de la mecánica clásica y permanecerían sin respuesta durante siglos, hasta el siglo XX y el surgimiento de la Teoría de la Relatividad de Einstein.
Física en el siglo XVII:
El siglo XVII fue un momento muy propicio para las ciencias, con importantes avances en los campos de las matemáticas, la física, la astronomía, la biología y la química. Algunos de los desarrollos más importantes en el período incluyen el desarrollo del modelo heliocéntrico del Sistema Solar por Nicolaus Copernicus, el trabajo pionero con telescopios y astronomía observacional por Galileo Galilei, y el desarrollo de la óptica moderna.
Fue también durante este período que Johannes Kepler desarrolló sus Leyes del movimiento planetario. Formuladas entre 1609 y 1619, estas leyes describen el movimiento de los planetas conocidos entonces (Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter y Saturno) alrededor del Sol. Ellos declararon que:
- Los planetas se mueven alrededor del Sol en elipses, con el Sol en un foco
- La línea que conecta el Sol con un planeta barre áreas iguales en tiempos iguales.
- El cuadrado del período orbital de un planeta es proporcional al cubo (3ra potencia) de la distancia media desde el Sol en (o en otras palabras, del "eje semi-mayor" de la elipse, la mitad de la suma del más pequeño y mayor distancia del sol).
Estas leyes resolvieron los problemas matemáticos restantes planteados por el modelo heliocéntrico de Copérnico, eliminando así toda duda de que era el modelo correcto del Universo. A partir de estos, Sir Isaac Newton comenzó a considerar la gravitación y su efecto en las órbitas de los planetas.
Las tres leyes de Newton:
En 1678, Newton sufrió una crisis nerviosa completa debido al exceso de trabajo y una pelea con el astrónomo Robert Hooke. Durante los años siguientes, se retiró de la correspondencia con otros científicos, excepto donde lo iniciaron, y renovó su interés en la mecánica y la astronomía. En el invierno de 1680-81, la aparición de un cometa, sobre el que se correspondía con John Flamsteed (Astrónomo Real de Inglaterra) también renovó su interés por la astronomía.
Después de revisar las Leyes de movimiento de Kepler, Newton desarrolló una prueba matemática de que la forma elíptica de las órbitas planetarias resultaría de una fuerza centrípeta inversamente proporcional al cuadrado del vector de radio. Newton comunicó estos resultados a Edmond Halley (descubridor del "Cometa de Haley") y a la Royal Society en su De motu corporum en el giro.
Este tratado, publicado en 1684, contenía la semilla de lo que Newton expandiría para formar su obra magna, el Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Este tratado, que se publicó en julio de 1687, contenía las tres leyes de movimiento de Newton, que establecían que:
- Cuando se ve en un marco de referencia inercial, un objeto permanece en reposo o continúa moviéndose a una velocidad constante, a menos que una fuerza externa actúe sobre él.
- La suma vectorial de las fuerzas externas (F) en un objeto es igual a la masa (metro) de ese objeto multiplicado por el vector de aceleración (a) del objeto. En forma matemática, esto se expresa como: F =metrouna
- Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, el segundo cuerpo ejerce simultáneamente una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el primer cuerpo.
Juntas, estas leyes describieron la relación entre cualquier objeto, las fuerzas que actúan sobre él y el movimiento resultante, sentando las bases para la mecánica clásica. Las leyes también le permitieron a Newton calcular la masa de cada planeta, el aplanamiento de la Tierra en los polos y la protuberancia en el ecuador, y cómo la atracción gravitacional del Sol y la Luna crea las mareas de la Tierra.
En el mismo trabajo, Newton presentó un método de análisis geométrico similar al cálculo utilizando 'primera y última relación', calculó la velocidad del sonido en el aire (basado en la Ley de Boyle), representó la procesión de los equinoccios (que mostró que eran resultado de la atracción gravitacional de la Luna hacia la Tierra), inició el estudio gravitacional de las irregularidades en el movimiento de la luna, proporcionó una teoría para la determinación de las órbitas de los cometas, y mucho más.
Newton y el "incidente de Apple":
La historia de Newton con su teoría de la gravitación universal como resultado de una manzana que cae sobre su cabeza se ha convertido en un elemento básico de la cultura popular. Y aunque a menudo se ha argumentado que la historia es apócrifa y Newton no ideó su teoría en ningún momento, Newton mismo contó la historia muchas veces y afirmó que el incidente lo había inspirado.
Además, los escritos de William Stukeley, un clérigo inglés, anticuario y miembro de la Royal Society, han confirmado la historia. Pero en lugar de la representación cómica de la manzana golpeando a Newton en la cabeza, Stukeley describió en su Memorias de la vida de Sir Isaac Newton (1752) una conversación en la que Newton describió reflexionar sobre la naturaleza de la gravedad mientras veía caer una manzana.
“… Fuimos al jardín y bebimos thea bajo la sombra de algunos appletrees; solo él y yo mismo. En medio de otro discurso, me dijo, estaba en la misma situación, como cuando antes, la noción de gravitación le vino a la mente. "¿Por qué esa manzana siempre debe descender perpendicularmente al suelo", pensó para sí mismo; ocasionado por la caída de una manzana ... "
John Conduitt, el asistente de Newton en Royal Mint (que finalmente se casó con su sobrina), también describió haber escuchado la historia en su propio relato de la vida de Newton. Según Conduitt, el incidente tuvo lugar en 1666 cuando Newton viajaba para encontrarse con su madre en Lincolnshire. Mientras deambulaba por el jardín, contempló cómo la influencia de la gravedad se extendía mucho más allá de la Tierra, responsable de la caída de la manzana y de la órbita de la Luna.
Del mismo modo, Voltaire escribió n su Ensayo sobre poesía épica (1727) que Newton había pensado por primera vez en el sistema de gravitación mientras caminaba en su jardín y veía caer una manzana de un árbol. Esto es consistente con las notas de Newton de la década de 1660, que muestran que estaba lidiando con la idea de cómo la gravedad terrestre se extiende, en una proporción cuadrada inversa, a la Luna.
Sin embargo, le tomaría dos décadas más desarrollar completamente sus teorías hasta el punto de poder ofrecer pruebas matemáticas, como se demuestra en el Principia. Una vez que se completó, dedujo que la misma fuerza que hace que un objeto caiga al suelo fue responsable de otros movimientos orbitales. Por lo tanto, lo llamó "gravitación universal".
Se afirma que varios árboles son "el" manzano que Newton describe. La escuela del rey, Grantham, afirma que su escuela compró el árbol original, lo desarraigó y lo transportó al jardín del director unos años más tarde. Sin embargo, el National Trust, que mantiene la Woolsthorpe Manor (donde Newton creció) en fideicomiso, afirma que el árbol aún reside en su jardín. Se puede ver un descendiente del árbol original creciendo fuera de la puerta principal del Trinity College, Cambridge, debajo de la habitación en la que vivía Newton cuando estudiaba allí.
El trabajo de Newton tendría un profundo efecto en las ciencias, con sus principios siendo canon durante los siguientes 200 años. También informó el concepto de gravitación universal, que se convirtió en el pilar de la astronomía moderna, y no se revisaría hasta el siglo XX, con el descubrimiento de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein.
Hemos escrito muchos artículos interesantes sobre la gravedad aquí en la revista Space. Aquí está ¿Quién fue Sir Isaac Newton ?, ¿Quién fue Galileo Galilei ?, ¿Cuál es la fuerza de la gravedad ?, y ¿Cuál es la constante gravitacional?
Astronomy Cast tiene algunos dos buenos episodios sobre el tema. Aquí está el Episodio 37: Lente Gravitacional y el Episodio 102: Gravedad,
Fuentes:
- NASA - Leyes de movimiento de Newton
- El Aula de Física - Ley de Newton de la Gravitación Universal
- BBC iWonder - Isaac Newton
- Wikipedia - Isaac Newton
