Bienvenido a PRACTICA CIENCIA. Este es un blog dedicado a la divulgación científica. Su principal característica es un enfoque basado en la experimentación como punto de partida y en presentar cada nueva entrada justo cuando las anteriores han fijado de manera sólida los conocimientos previos necesarios. Este blog hace uso sistemático de vídeos de youtube, ya que el autor considera que no hay nada como ver para creer y hoy en día hay excelente material didáctico en la red el cual puede ser legalmente utilizado ya que apuntamos directamente a la fuente y al autor del mismo. Así, este blog está cogiendo el formato de lo que podríamos denominar una "youtupedia": entradas apoyadas por vídeos donde hay multitud de enlaces que nos derivan a otras entradas y en el que además se intenta que haya siempre un hilo conductor. Todo ello amenizado por los propios comentarios del autor que son fruto de su experiencia en el campo, tras años de estudio y autoindagación.
Pero fue un paso más allá. Dado que la fuerza de la gravitación universal hallada por Newton era de carácter radial y se contrarrestaba por la fuerza centrífuga, el momento o torque total sobre un planeta orbitando debía de ser cero. Eso conllevaba la conservación del momento angular y Newton apreció que eso era lo mismo que subyacía en la segunda Ley de Kepler.
Uno de los mayores hitos en la Historia de la Ciencia, tanto por su transcendencia como por el mérito que entrañó su resolución, fue la formulación de la Ley de la Gravitación Universal. Newton combinó para ello los conocimientos adquiridos en diferentes parcelas, como fueron:
Su conocimiento detallado del movimiento circular uniforme, al cual participó también él mismo, y que dista mucho de ser trivial cuando uno cae en la cuenta de considerar que la derivada de un vector giratorio de módulo constante no es cero. De ahí surge el concepto de fuerza centrípeta y centrífuga.
Su conocimiento en cálculo diferencial, gracias al cual se pudo desarrollar rigurosamente el punto anterior y al que contribuyó extensamente él mismo también.
Precisamente combinando su segunda Ley (F = ma) con la tercera Ley de Kepler, Newton llegó a que la fuerza que la Luna siente al ser atraída por la Tierra debe es inversamente proporcional a la distancia que las separa al cuadrado. Lo que Newton tuvo en cuenta es que ya que la Luna tiene una órbita prácticamente circular no se desplaza a lo largo del eje radial que la une con la Tierra. Eso implica que en ese eje la aceleración y, por lo tanto la fuerza total, deben ser cero. Eso solamente podía ser de haber dos fuerzas iguales y de sentido opuesto que se cancelaran: la propia fuerza gravitatoria que se quiere hallar y la fuerza centrífuga.
Entonces Newton utilizó su tercera Ley para ingerir que la misma fuerza que la Tierra ejerce sobre la Luna, debe ejercer la Luna sobre la Tierra, pues ambas mantienen su distancia relativa. También podríamos observar que igual que vemos a la Luna girando alrededor de la Tierra, desde la Luna se ve como la Tierra gira a su alrededor. Esta visión dual o recíproca nos hace ver que, si la expresión inicial depende de la masa de la Luna, deberá depender también de la masa de la Tierra.
Una de las aplicaciones prácticas de un péndulo simple es la medida de la constante de la gravedad. Recuerde el lector que las primeras medidas de la constante de la gravedad fueron realizadas por Galileo Galilei utilizando planos inclinados tras comprobar la imprecisión en el intento de medir la caída libre de cuerpos desde lo alto de la torre de Pisa.
El movimiento de caída libre es el caso práctico de aplicación más cercano a nuestro mundo ordinario para el estudio del tipo de movimiento que denominamos rectilíneo uniformemente acelerado (MRUA). En la caída libre de objetos la aceleración constante que actúa es la de la gravedad, la cual está siempre dirigida hacia abajo, por lo que tendrá signo negativo si el eje de coordinadas asociada es positivo hacia arriba.
El primer científico del que tenemos constancia que estudió de forma sistemática la caída libre de cuerpos fue Galileo Galilei.
En ocasiones tiene que pasar mucho tiempo desde que se hace un enunciado teórico hasta que se puede demostrar de forma empírica para que resulte convincente. Recientemente se ha dado prueba de ello con el descubrimiento del bosón de Higgs caso 50 años después de su formulación.
Algo similar sucedió con la ley de la gravitación universal. No fue hasta finales del siglo XVIII que Cavendish consiguió completar con éxito el experimento que la permitió obtener el valor de G, la constante de la gravitación universal, perfeccionando el dispositivo que recibió como herencia de John Michell. Como puede apreciarse en la descripción del vídeo este montaje experimental requiere de una enorme precisión, y más si tenemos en cuenta los recursos de la época.
Habiendo hallado el valor de G se pudo indirectamente calcular el peso de la Tierra, ya que su radio se conocía desde que Eratóstenes lo midiera en la antigua Alejandría.
El único inconveniente para poder comprobar fehacientemente que todos los cuerpos caen con la misma aceleración es el efecto de la resistencia del aire que los puede afectar de forma diferente según su textura o superficie. Todos sabemos que si dejamos caer una hoja de papel o un bolígrafo desde una misma altura en realidad no llegarán a la vez al suelo. Y eso se debe a que la hoja de papel se ve "frenada" en mayor medida por la resistencia que experimenta por el aire que tiene que ir desplazando por debajo a medida que va cayendo.
Si esto es así es porque en la Tierra, el planeta que habitamos, la atmósfera que la envuelve no está vacía, sino compuesta de diferentes partículas: oxígeno, nitrógeno,..., en estado gaseoso.
Eso significa que el medio ideal para poder realizar esta comprobación sería el vacío. No es extraño pues que en el siglo XVII hubiera un auge en el desarrollo de dispositivos que permitían generar de forma artificial el vacío y se hicieran grandes demostraciones con ellos. Un popular ejemplo de ello son las esferas de Magdeburgo inventadas por Otto von Guericke.
Pero sin duda alguna uno de los momentos es los que Esto se pudo demostrar con mayor claridad fue cuando el hombre llegó por primera vez a la Luna y uno de los astronautas de la expedición hizo caer desde la misma altura una pluma y un martillo.
Quizás lo que pensó Galileo Galilei al ocurrírsele la idea del plano inclinado fue "si quieres conquistar el espacio, ve despacio". El hecho es que dejar caer objetos de diferente peso y tamaño desde lo alto de la torre de Pisa podía dar una idea cualitativa de la forma en qué éstos caían. Pero caían demasiado rápido como para poderlo medir.
Por eso Galileo decidió experimentar con planos inclinados, ya que éstos permitían ralentizar el movimiento. El movimiento se podía descomponer en dos componentes, una horizontal y otra vertical, que compuestas vectorialmente daban cuenta del movimiento total del objeto que rodaba hacia abajo. De ambas componentes, solamente la vertical estaba somentida a la fuerza de la gravedad. Al ser el movimiento más lento permitía medir con mayor precisión la posición y el tiempo en diferentes instantes. El experimento histórico que se usó a tal fin puede verse en el museo de la ciencia de Florencia y una excelente reproducción del proceso experimental que se siguió puede encontrarse en su museo virtual.
Gracias a este estudio Galileo pudo concluir por primera vez que todos los objetos que caen lo hacen con una aceleración constante y pudo obtener una primera medida de la constante de la gravedad, cuyo valor sabemos a día de hoy es de g = 9,81 m/s^2.
Galileo Galilei fue uno de los hombres que lideró el cambio profundo de mentalidad que dio al traste con catorce siglos de una visión aristotélica del mundo en el que las ideas y las creencias preponderaban por encima de la experimentación y la lógica.
Precisamente al respecto de cómo los cuerpos caen hacia la Tierra, Galileo emprendió la tarea buscando mecanismos para poder medir los tiempos repitiendo los experimentos de caída libre con diferentes cuerpos de distintos tamaños y pesos.
Se dice que para observar la caída libre de diferentes cuerpos, Galileo aprovechó la inclinación de la torre de Pisa para soltar desde su alto distintos cuerpos, comprobando que todos caían en el mismo tiempo, lo que contradecía la visión de Aristóteles según la cuál los más pesados llegarían antes.
Todo el mundo sabe que el Hombre fue expulsado del paraíso terrenal cuando Adán y Eva sucumbieron a la tentación que la serpiente les ofreció en forma de manzana desde el Árbol del Bien y el Mal. Desde entonces se supone que el mundo real ha dejado de corresponderse con el mundo ideal. El Cielo se separó de la Tierra y esa brecha se fue agrandando y esa concepción se acabó tomando como una verdad absoluta.
Tuvo que ser también una manzana la que le cayera en la cabeza al joven Isaac Newton para que éste empezara a reflexionar sobre por qué caen las cosas e indagando sobre ello llegara a la conclusión que se debe a la misma fuerza por la que la Luna orbita alrededor de la Tierra. Eso puso en evidencia que las Leyes que gobiernan el Cielo son las mismas que gobiernan en la Tierra.
Si la manzana en lugar de caer verticalmente es lanzada con una cierta velocidad horizontal, describirá un movimiento parabólico antes de llegar el suelo. Pero si se lanza con la suficiente velocidad, ésta podría estar cayendo al mismo ritmo que la Tierra se va curvando, con lo que no llegaría nunca al suelo y quedaría orbitando. Esto es lo que imaginó el brillante Newton, pues por entonces ya se sabía que la Tierra era "redonda". Además, no hacía mucho que Copérnico había recuperado la visión heliocéntrica del Sistema Solar y Kepler había conseguido resumir en sus tres célebres leyes cómo eran las órbitas de los planetas alrededor del Sol, gracias a los datos precisos de mediciones que el astrónomo Tycho Brache lo confirió en su lecho de muerte. Todo ello permitió a Newton encontrar la fórmula exacta de la gravitación universal. Otro hecho ilustrativo del poder de la fuerza de la gravedad lo tenemos en el dicho popular: "Quien escupe al Cielo, le cae en la cara".
