Inercia - Inertia

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Mecanica clasica
${\ Displaystyle {\ textbf {F}} = {\ frac {d} {dt}} (m {\ textbf {v}})}$ Segunda ley del movimiento
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La inercia es la resistencia de cualquier objeto físico a cualquier cambio en su velocidad . Esto incluye cambios en la velocidad del objeto o la dirección de movimiento. Un aspecto de esta propiedad es la tendencia de los objetos a seguir moviéndose en línea recta a una velocidad constante, cuando ninguna fuerza actúa sobre ellos.

La inercia proviene de la palabra latina, iners , que significa inactivo, lento. La inercia es una de las principales manifestaciones de la masa , que es una propiedad cuantitativa de los sistemas físicos . Isaac Newton definió la inercia como una fuerza, antes de su primera ley en la monumental Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica . Allí se lee:

DEFINICIÓN III. La vis insita , o fuerza innata de la materia, es un poder de resistencia por el cual cada cuerpo, tanto como se encuentra, se esfuerza por perseverar en su estado actual, ya sea de reposo o de avanzar uniformemente en línea recta.

Después de algunas otras definiciones, Newton establece (en la página 83) su primera ley del movimiento:

LEY I. Todo cuerpo persevera en su estado de reposo, o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que se vea obligado a cambiar ese estado por fuerzas impresas en él.

Tenga en cuenta que Newton hace uso de la forma verbal activa "perseverar", en lugar de otras formas pasivas como "continuar" o "permanecer", que se encuentran comúnmente en los libros de texto modernos. Esto se sigue de algunos cambios en la mecánica original de Newton (como se indica en los Principia) realizados por Euler, d'Alembert y otros cartesianos.

En el uso común, el término "inercia" puede referirse a la "cantidad de resistencia de un objeto al cambio de velocidad" o, en términos más simples, a la "resistencia a un cambio en el movimiento" (que se cuantifica por su masa) o, a veces, a su momento. , dependiendo del contexto. El término "inercia" se entiende más apropiadamente como una abreviatura de "el principio de inercia" como lo describe Newton en su primera ley del movimiento , mencionada anteriormente, según la cual un objeto continuará moviéndose a su velocidad actual hasta que alguna fuerza cause su velocidad. o dirección para cambiar.

En la superficie de la Tierra, la inercia a menudo está enmascarada por la gravedad y los efectos de la fricción y la resistencia del aire , los cuales tienden a disminuir la velocidad de los objetos en movimiento (comúnmente hasta el punto de reposo). Esto indujo al filósofo Aristóteles a creer que los objetos sólo se moverían mientras se les aplicara fuerza.

El principio de inercia es uno de los principios fundamentales de la física clásica que todavía se utilizan hoy en día para describir el movimiento de los objetos y cómo se ven afectados por las fuerzas aplicadas sobre ellos.

Historia y desarrollo del concepto

Comprensión temprana del movimiento

El Mozi , que fue un antiguo texto filosófico de China durante el período de los Reinos Combatientes , fue el primero en describir la idea de inercia según lo informado en los hallazgos del sinólogo Joseph Needham . En Occidente antes del Renacimiento , la teoría del movimiento más generalmente aceptada en la filosofía occidental se basaba en Aristóteles, quien alrededor del 335 a. C. al 322 a. C. dijo que, en ausencia de una fuerza motriz externa, todos los objetos (en la Tierra) llegarían a descansar y que los objetos en movimiento solo continúen moviéndose mientras haya un poder que los induzca a hacerlo. Aristóteles explicó el movimiento continuo de los proyectiles, que se separan de su proyector, por la acción del medio circundante, que continúa moviendo el proyectil de alguna manera. Aristóteles concluyó que un movimiento tan violento en el vacío era imposible.

A pesar de su aceptación general, el concepto de movimiento de Aristóteles fue cuestionado en varias ocasiones por notables filósofos durante casi dos milenios . Por ejemplo, Lucrecio (siguiendo, presumiblemente, a Epicuro ) afirmó que el "estado predeterminado" de la materia era el movimiento, no la estasis. En el siglo VI, John Philoponus criticó la inconsistencia entre la discusión de Aristóteles sobre los proyectiles, donde el médium mantiene los proyectiles en marcha, y su discusión sobre el vacío, donde el médium obstaculizaría el movimiento de un cuerpo. Philoponus propuso que el movimiento no se mantiene por la acción de un medio circundante, sino por alguna propiedad impartida al objeto cuando se pone en movimiento. Aunque este no era el concepto moderno de inercia, ya que todavía existía la necesidad de un poder para mantener un cuerpo en movimiento, resultó ser un paso fundamental en esa dirección. Averroes y muchos filósofos escolásticos que apoyaron a Aristóteles se opusieron enérgicamente a esta opinión . Sin embargo, este punto de vista no quedó sin respuesta en el mundo islámico , donde Philoponus sí tenía varios partidarios que desarrollaron aún más sus ideas.

En el siglo XI, el erudito persa Ibn Sina (Avicenna) afirmó que un proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actuara sobre él.

Teoría del ímpetu

En el siglo XIV, Jean Buridan rechazó la noción de que una propiedad generadora de movimiento, a la que llamó ímpetu , se disipó espontáneamente. La posición de Buridan era que un objeto en movimiento sería detenido por la resistencia del aire y el peso del cuerpo que se opondría a su ímpetu. Buridan también sostuvo que el ímpetu aumentaba con la velocidad; por tanto, su idea inicial de ímpetu era similar en muchos aspectos al concepto moderno de ímpetu. A pesar de las obvias similitudes con las ideas más modernas de la inercia, Buridan vio su teoría como solo una modificación de la filosofía básica de Aristóteles, manteniendo muchos otros puntos de vista peripatéticos , incluida la creencia de que todavía había una diferencia fundamental entre un objeto en movimiento y un objeto en reposo. . Buridan también creía que el ímpetu podía ser no solo de naturaleza lineal sino también circular, haciendo que los objetos (como los cuerpos celestes) se movieran en círculo.

El pensamiento de Buridan fue seguido por su alumno Alberto de Sajonia (1316-1390) y las Calculadoras de Oxford , quienes realizaron varios experimentos que socavaron aún más la visión clásica aristotélica. Su trabajo, a su vez, fue elaborado por Nicole Oresme, pionera en la práctica de demostrar las leyes del movimiento en forma de gráficos.

Poco antes de la teoría de la inercia de Galileo, Giambattista Benedetti modificó la creciente teoría del ímpetu para involucrar solo el movimiento lineal:

"... [Cualquier] porción de materia corpórea que se mueve por sí misma cuando un ímpetu ha sido impreso en ella por cualquier fuerza motriz externa tiene una tendencia natural a moverse en un camino rectilíneo, no curvo".

Benedetti cita el movimiento de una roca en un cabestrillo como ejemplo del movimiento lineal inherente de los objetos, forzados a un movimiento circular.

Inercia clásica

Según el historiador de la ciencia Charles Coulston Gillispie , la inercia "entró en la ciencia como una consecuencia física de la geometrización del espacio-materia de Descartes , combinada con la inmutabilidad de Dios".

Galileo Galilei

El principio de inercia, que se originó con Aristóteles para "movimientos en un vacío", establece que un objeto tiende a resistir un cambio en el movimiento. Según Newton, un objeto permanecerá en reposo o en movimiento (es decir, mantendrá su velocidad) a menos que actúe sobre él una fuerza externa neta, ya sea como resultado de la gravedad , la fricción , el contacto o alguna otra fuerza. La división aristotélica del movimiento en mundano y celeste se volvió cada vez más problemática frente a las conclusiones de Nicolás Copérnico en el siglo XVI, quien argumentó que la Tierra nunca está en reposo, sino que en realidad está en constante movimiento alrededor del Sol. Galileo , en su posterior desarrollo del modelo copernicano , reconoció estos problemas con la naturaleza entonces aceptada del movimiento y, al menos parcialmente, como resultado, incluyó una reafirmación de la descripción de Aristóteles del movimiento en un vacío como un principio físico básico:

Un cuerpo que se mueve sobre una superficie nivelada continuará en la misma dirección a una velocidad constante a menos que sea molestado.

Galileo escribe que "quitados todos los impedimentos externos, un cuerpo pesado sobre una superficie esférica concéntrica con la tierra se mantendrá en el estado en el que ha estado; si se pone en movimiento hacia el oeste (por ejemplo), se mantendrá en ese estado". movimiento." Esta noción, que los historiadores de la ciencia denominan "inercia circular" o "inercia circular horizontal", es una precursora de la noción de Newton de inercia rectilínea, pero distinta de la misma. Para Galileo, un movimiento es " horizontal " si no lleva al cuerpo en movimiento hacia o lejos del centro de la tierra, y para él, "un barco, por ejemplo, una vez que haya recibido algún impulso a través del mar tranquilo, se movería continuamente alrededor de nuestro mundo sin parar ".

También vale la pena señalar que Galileo más tarde (en 1632) concluyó que, basándose en esta premisa inicial de inercia, es imposible distinguir entre un objeto en movimiento y uno estacionario sin alguna referencia externa con la que compararlo. Esta observación finalmente llegó a ser la base para que Albert Einstein desarrollara la teoría de la relatividad especial .

El primer físico en romper completamente con el modelo de movimiento aristotélico fue Isaac Beeckman en 1614.

Los conceptos de inercia en los escritos de Galileo más tarde serían refinados, modificados y codificados por Isaac Newton como la primera de sus Leyes del movimiento (publicado por primera vez en la obra de Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , en 1687):

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo, o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que se vea obligado a cambiar ese estado por las fuerzas impresas en él.

Desde la publicación inicial, las leyes del movimiento de Newton (y por inclusión, esta primera ley) han llegado a formar la base de la rama de la física conocida como mecánica clásica .

El término "inercia" fue introducido por primera vez por Johannes Kepler en su Epitome Astronomiae Copernicanae (publicado en tres partes entre 1617 y 1621); sin embargo, el significado del término de Kepler (que derivó de la palabra latina para "ociosidad" o "pereza") no era exactamente el mismo que su interpretación moderna. Kepler definió la inercia solo en términos de resistencia al movimiento, una vez más basándose en la presunción de que el descanso era un estado natural que no necesitaba explicación. No fue hasta el trabajo posterior de Galileo y Newton unificaron el reposo y el movimiento en un principio que el término "inercia" se pudo aplicar a estos conceptos tal como son hoy.

Sin embargo, a pesar de definir el concepto con tanta elegancia en sus leyes del movimiento, ni siquiera Newton utilizó el término "inercia" para referirse a su Primera Ley. De hecho, Newton vio originalmente el fenómeno que describió en su Primera Ley del Movimiento como causado por "fuerzas innatas" inherentes a la materia, que resistían cualquier aceleración. Dada esta perspectiva, y tomando prestado de Kepler, Newton atribuyó el término "inercia" al significado de "la fuerza innata que posee un objeto que resiste los cambios de movimiento"; por tanto, Newton definió "inercia" como la causa del fenómeno, más que el fenómeno en sí. Sin embargo, las ideas originales de Newton sobre la "fuerza resistiva innata" fueron en última instancia problemáticas por una variedad de razones y, por lo tanto, la mayoría de los físicos ya no piensan en estos términos. Como no se ha aceptado fácilmente ningún mecanismo alternativo, y ahora se acepta generalmente que puede que no haya uno que podamos conocer, el término "inercia" ha llegado a significar simplemente el fenómeno en sí, en lugar de cualquier mecanismo inherente. Así, en última instancia, "inercia" en la física clásica moderna ha llegado a ser un nombre para el mismo fenómeno descrito por la Primera Ley del Movimiento de Newton, y los dos conceptos ahora se consideran equivalentes.

Relatividad

La teoría de la relatividad especial de Albert Einstein , propuesta en su artículo de 1905 titulado " Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ", se basó en la comprensión de los marcos de referencia inerciales desarrollados por Galileo y Newton. Si bien esta teoría revolucionaria cambió significativamente el significado de muchos conceptos newtonianos como masa , energía y distancia , el concepto de inercia de Einstein se mantuvo sin cambios con respecto al significado original de Newton. Sin embargo, esto resultó en una limitación inherente a la relatividad especial: el principio de relatividad solo podía aplicarse a los marcos de referencia inerciales. Para abordar esta limitación, Einstein desarrolló su teoría general de la relatividad ("El fundamento de la teoría general de la relatividad", 1916), que proporcionó una teoría que incluía marcos de referencia no inerciales (acelerados).

Inercia rotacional

Inercia rotacional

Una cantidad relacionada con la inercia es la inercia rotacional (→ momento de inercia ), la propiedad de que un cuerpo rígido en rotación mantiene su estado de movimiento rotacional uniforme . Su momento angular permanece sin cambios, a menos que se aplique un par externo ; esto también se llama conservación del momento angular. La inercia rotacional se considera a menudo en relación con un cuerpo rígido. Por ejemplo, un giroscopio usa la propiedad de que resiste cualquier cambio en el eje de rotación.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos

• ¿Por qué gira la Tierra? (YouTube)