Trabajo práctico de Fisica.
Vidas, obras y contextos historicos
de:
Isaac Newton
James Clerk
Maxwell
Arthur Holly
Compton
Isaac Newton
Newton nació
el 25 de diciembre de 1642 en Woolsthorpe, Lincolnshire. Cuando tenía tres
años, su madre viuda se volvió a casar y lo dejó al cuidado de su abuela. Con
el tiempo, su madre, que se quedó viuda por segunda vez, decidió enviarle a una
escuela primaria en Grantham. Más tarde, en el verano de 1661, ingresó en el
Trinity College de la Universidad de Cambridge.
Newton recibió su
título de bachiller en 1665. Después de una interrupción de casi dos años
provocada por una epidemia de peste, volvió al Trinity College, donde le
nombraron becario en 1667. Recibió el título de profesor en 1668. Durante esta
época se dedicó al estudio e investigación de los últimos avances en
matemáticas y a la filosofía natural que consideraba la naturaleza como un
organismo cuyo mecanismo era bastante complejo. Casi inmediatamente realizó
descubrimientos fundamentales que le fueron de gran utilidad en su carrera
científica. En agosto de 1684 fue visitado por
Edmund Halley, un astrónomo y matemático con el que discutió el problema del
movimiento orbital. Newton había estudiado la ciencia de la mecánica como
estudiante universitario y en esa época ya tenía ciertas nociones básicas sobre
la gravitación universal. Como resultado de la visita de Halley, volvió a
interesarse por estos temas. Durante los
dos años y medio siguientes, Newton estableció la ciencia moderna de la
dinámica formulando las tres leyes del movimiento. Aplicó estas leyes a las
leyes de Kepler sobre movimiento orbital — formuladas por el astrónomo alemán
Johannes Kepler— y dedujo la ley de la gravitación universal. Probablemente,
Newton es conocido sobre todo por su descubrimiento de la gravitación
universal, que muestra como a todos los cuerpos en el espacio y en la Tierra
les afecta la fuerza llamada gravedad. Publicó su teoría en Principios
matemáticos de la filosofía natural (1687), obra que marcó un punto
de inflexión en la historia de la ciencia, y además consiguió que su autor
perdiera su temor a la publicación de sus teorías.La aparición de Principios
también implicó a Newton en un desagradable episodio con el filósofo y físico
Robert Hooke. En 1687 Hooke afirmó que Newton le había robado la idea central
del libro: que los cuerpos se atraen recíprocamente con una fuerza que varía
inversamente al cuadrado de su distancia. Sin embargo, la mayor parte de los
historiadores no aceptan los cargos de plagio de Hooke. En el mismo año de
1687, Newton apoyó la resistencia de Cambridge contra los esfuerzos del rey
Jacobo II de Inglaterra para convertir la universidad en una institución
católica. Después de la Gloriosa Revolución de 1688, que expulsó a Jacobo de
Inglaterra, la universidad eligió a Newton como uno de sus representantes en
una convocatoria especial del Parlamento británico. Los cuatro años siguientes
fueron de gran actividad para Newton, que animado por el éxito de Principios,
trató de compendiar todos sus primeros logros en una obra escrita. En el verano
de 1693 Newton mostró síntomas de una severa enfermedad emocional. Aunque
recuperó la salud, su periodo creativo había llegado a su fin. Las conexiones
de Newton con los dirigentes del nuevo régimen de Inglaterra le llevaron a su
nombramiento como inspector y más tarde director de la Casa de la Moneda en
Londres, donde vivió hasta 1696. En 1703 fue elegido presidente de la Sociedad
Real, un cargo que ocupó hasta el final de su vida. Como presidente, ordenó la
inmediata publicación de las observaciones astronómicas del primer astrónomo
real de Inglaterra John Flamsteed. Newton necesitaba estas observaciones para
perfeccionar su teoría lunar; este tema le proporcionó ciertos conflictos con
Flamsteed. Newton también se implicó en una violenta discusión con Leibniz
acerca de la prioridad de la invención del cálculo. Utilizó su cargo de
presidente en la Sociedad Real para que se formara una comisión que investigara
el tema y él, en secreto, escribió el informe de la comisión que hacía a
Leibniz responsable del plagio. Newton incluso recopiló la relación de
acusaciones que la sociedad había publicado. Los efectos de la disputa se
alargaron casi hasta su muerte. Además de su interés por la ciencia, Newton
también se sintió atraído por el estudio de la alquimia, el misticismo y la
teología. Muchas páginas de sus notas y escritos —especialmente en los últimos
años de su carrera— están dedicadas a estos temas. Sin embargo, los
historiadores han encontrado poca relación entre estas inquietudes y sus
trabajos científicos.
Las teorÍas de Isaac Newton
A partir de 1665,
cuando tenía 23 años, Newton desarrolló los principios de la mecánica, formuló
la ley de la gravitación universal, separó la luz blanca en sus colores
constituyentes e inventó el cálculo diferencial e integral. Las contribuciones
de Newton cubrieron una gama muy amplia de fenómenos naturales. Por ejemplo,
demostró que tanto las leyes de Kepler sobre el movimiento planetario como los
descubrimientos de Galileo sobre la caída de los cuerpos se deducen de la
segunda ley del movimiento (segunda ley de Newton) combinada con la ley de la
gravitación. Newton también logró explicar el efecto de la Luna sobre las
mareas, así como la precesión de los equinoccios.
Mecánica
Es una rama de la física que se ocupa del
movimiento de los objetos y de su respuesta a las fuerzas. Las descripciones
modernas del movimiento comienzan con una definición cuidadosa de magnitudes
como el desplazamiento, el tiempo, la velocidad, la aceleración, la masa y la fuerza.
Sin embargo, hasta hace unos 400 años el movimiento se explicaba desde un punto
de vista muy distinto. Por ejemplo, los científicos razonaban que una bala de
cañón cae porque su posición natural está en el suelo; el Sol, la Luna y las
estrellas describen círculos alrededor de la Tierra porque los cuerpos celestes
se mueven por naturaleza en círculos perfectos.
El físico y
astrónomo italiano Galileo demostró que la velocidad de los
objetos que caen aumenta continuamente durante su caída. Esta aceleración es la
misma para objetos pesados o ligeros, siempre que no se tenga en cuenta la
resistencia del aire (rozamiento). Newton mejoró este análisis al definir la
fuerza y la masa, y relacionarlas con la aceleración.
La
primera ley
La primera ley de
Newton afirma que si la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre un
objeto es cero, el objeto permanecerá en reposo o seguirá moviéndose a
velocidad constante. El que la fuerza ejercida sobre un objeto sea cero no
significa necesariamente que su velocidad sea cero. Si no está sometido a
ninguna fuerza (incluido el rozamiento), un objeto en movimiento seguirá
desplazándose a velocidad constante.
La segunda ley
La segunda ley de
Newton relaciona la fuerza total y la aceleración. Una fuerza neta ejercida sobre
un objeto lo acelerará, es decir, cambiará su velocidad. La aceleración será
proporcional a la magnitud de la fuerza total y tendrá la misma dirección y
sentido que ésta. La constante de proporcionalidad es la masa m
del objeto
F = ma
En el Sistema Internacional de unidades
(conocido también como SI), la aceleración a se mide en metros por segundo cuadrado,
la masa m
se mide en kilogramos, y la fuerza F en newtons. Un newton se define como la
fuerza necesaria para suministrar a una masa de 1 kg una aceleración de 1 metro
por segundo cada segundo; esta fuerza es aproximadamente igual al peso de un
objeto de 100 gramos.
Un objeto con más
masa requerirá una fuerza mayor para una aceleración dada que uno con menos
masa. Lo asombroso es que la masa, que mide la inercia de un objeto (su
resistencia a cambiar la velocidad), también mide la atracción gravitacional
que ejerce sobre otros objetos. Resulta sorprendente, y tiene consecuencias
profundas, que la propiedad inercial y la propiedad gravitacional estén determinadas
por una misma cosa. Este fenómeno supone que es imposible distinguir si un
punto determinado está en un campo gravitatorio o en un sistema de referencia
acelerado. Einstein hizo de esto una de las piedras angulares de su teoría
general de la relatividad, que es la teoría de la gravitación actualmente
aceptada.
Cuando hay
rozamiento, la segunda ley de Newton puede ampliarse a
Sin embargo, cuando un objeto se desplaza a
través de un fluido, el valor del rozamiento depende de la velocidad. En la mayoría
de los objetos de tamaño humano que se mueven en agua o aire (a velocidades
menores que la del sonido), la fricción es proporcional al cuadrado de la
velocidad. En ese caso, la segunda ley de Newton se convierte en
La constante de proporcionalidad k
es característica de los dos materiales en cuestión y depende del área de
contacto entre ambas superficies, y de la forma más o menos aerodinámica del
objeto en movimiento.
La tercera ley
La tercera ley de
Newton afirma que cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro, este otro
objeto ejerce también una fuerza sobre el primero. La fuerza que ejerce el
primer objeto sobre el segundo debe tener la misma magnitud que la fuerza que
el segundo objeto ejerce sobre el primero, pero con sentido opuesto. Por
ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja suavemente a
un niño, no sólo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño, sino que
el niño ejerce una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el adulto. Sin
embargo, como la masa del adulto es mayor, su aceleración será menor.
La tercera ley
implica la conservación del momento lineal, el producto de la masa por la
velocidad. En un sistema aislado el momento es constante. En el caso del adulto
y el niño en la pista de patinaje, sus velocidades iniciales son cero, y el
momento inicial del sistema es cero. Operan fuerzas internas entre el adulto y
el niño, pero la suma de las fuerzas externas es cero. Después de que el adulto
empuje al niño, el producto de la masa grande y la velocidad pequeña del adulto
debe ser igual al de la masa pequeña y la velocidad grande del niño. Los
momentos respectivos son iguales en magnitud, de sentido opuesto y suman cero.
Otra magnitud que
no cambia es el momento angular. El momento angular de un objeto en rotación
depende de su velocidad angular, masa y distancia al eje. Cuando un patinador
da vueltas cada rapidamente sobre el hielo, casi sin rozamiento, el momento
angular se conserva a pesar de que la velocidad aumenta. Al principio del giro,
el patinador tiene los brazos extendidos. Parte de la masa del patinador tiene
por tanto un radio de giro grande. Cuando el patinador baja los brazos la
velocidad angular aumenta, para mantener constante el momento angular.
Para los objetos
que se desplazan a velocidades próximas a la velocidad de la luz, las leyes de
Newton han sido sustituidas por la teoría de la relatividad de Albert Einstein.
Para las partículas atómicas y subatómicas, las leyes de Newton han sido
sustituidas por la teoría cuántica.
El método de las fluxiones
Newton obtuvo en
el campo de la matemáticas sus mayores logros. Generalizó los métodos que se
habían utilizado para trazar líneas tangentes a curvas y para calcular el área
encerrada bajo una curva, y descubrió que los dos procedimientos eran
operaciones inversas. Uniéndolos en lo que él llamó el método de las fluxiones,
Newton desarrolló en el otoño de 1666 lo que se conoce hoy como cálculo, un
método nuevo y poderoso que situó a las matemáticas modernas por encima del
nivel de la geometría griega.
Newton no
introdujo el cálculo en las matemáticas europeas. En 1675 Leibniz llegó de
forma independiente al mismo método, al que llamó cálculo diferencial; su
publicación hizo que Leibniz recibiera en exclusividad los elogios por el
desarrollo de ese método, hasta 1704, año en que Newton publicó una exposición
detallada del método de fluxiones, superando sus reticencias a divulgar sus
investigaciones y descubrimientos por temor a ser criticado. En 1669 obtuvo la
cátedra Lucasiana de matemáticas en la Universidad de Cambridge.
Óptica
La óptica fue otro
área por la que Newton demostró interés muy pronto. Al tratar de explicar la
forma en que surgen los colores llegó a la idea de que la luz del Sol es una
mezcla heterogénea de rayos diferentes —representando cada uno de ellos un
color distinto— y que las reflexiones y refracciones hacen que los colores
aparezcan al separar la mezcla en sus componentes. Newton demostró su teoría de
los colores haciendo pasar un rayo de luz solar a través de un prisma, el cual
dividió el rayo de luz en colores independientes.
En 1672 Newton
envió una breve exposición de su teoría de los colores a la Sociedad Real de
Londres. Su publicación provocó tantas críticas que confirmaron su recelo a las
publicaciones por lo que se retiró a la soledad de su estudio en Cambridge. En
1704, sin embargo, publicó su obra Óptica, en donde explicaba detalladamente
su teoría.
El movimiento planetario
A primera vista
parecería que el girar de los planetas alrededor del Sol y la caída de una
manzana de un árbol poco tienen en común. Sin embargo, hace mas de trescientos
años Isaac Newton comprendió que se trata de dos manifestaciones de un mismo
fenómeno físico: la atracción gravitacional. Junto con la fuerza
electromagnética y los dos tipos de fuerzas nucleares (la "débil" y
la "fuerte"), la gravedad es una de las cuatro fuerzas que conocemos
en la naturaleza. De ellas, la gravedad es la dominante en el funcionamiento
del Universo: mientras que las fuerzas nucleares solo se manifiestan en la
escala del mundo atómico y sub-atómico, y la fuerza electromagnética se diluye
debido a que existen dos tipos de carga (positiva y negativa), la fuerza de
gravedad es la causante de que la Tierra gire alrededor del Sol a mas de 150
millones de kilómetros, y de que el Sol se mueva alrededor del centro de la Vía
Láctea, a mas de 25 mil años-luz de distancia. Es la influencia de la gravedad
la fuerza que en un momento dado podría frenar la expansión del Universo y
volverlo a comprimir en un punto.
Newton descubrió
la ley de la inercia, la tendencia de todo objeto a moverse en línea recta a
menos que alguna fuerza influencie su movimiento. La Luna, razonó Newton, se
movería en línea recta a menos que alguna fuerza la jale constantemente hacia
la Tierra, como si existiera una cuerda invisible entre los dos cuerpos
celestes. Newton llamó a esta fuerza gravedad y creyó que debía actuar a
distancia, sin la necesidad de una entidad física (como una cuerda) conectando
a la Luna y a la Tierra. A partir del trabajo que realizó Kepler algunos años
antes acerca del movimiento de los planetas alrededor del Sol, Newton dedujo la
característica de esta fuerza y demostró que se trata de la misma que hace
girar a la Luna alrededor de la Tierra y a las lunas de Júpiter alrededor del
planeta gigante. Mas aun, Newton se percató que esta misma fuerza es la
responsable de la caída de los objetos en la Tierra, y por ello la denominó
"universal", ya que hasta donde se sabía (y se sabe hoy en día) rige
en todo el Universo.
La relación entre
la Luna girando alrededor de la Tierra y una manzana cayendo se puede entender
como sigue: si dejamos caer la manzana simplemente, esta caerá en línea recta,
pero si la lanzamos horizontalmente, su trayectoria será una curva que llegará
a mayor distancia si lanzamos la manzana con mayor fuerza. Si pudieramos
lanzarla suficientemente fuerte (y la Tierra no tuviera atmósfera), la manzana
podría ir cayendo en una distancia tan grande como la circunferencia de la
Tierra, y en realidad se mantendría siempre a la misma distancia del suelo
(hasta golpearnos la cabeza por detrás). En ese caso podríamos decir que la
manzana entró en órbita, solo que en una órbita mucho mas baja que la de los
satélites artificiales. La Luna está siendo continuamente atraida hacia la
Tierra, solo que como lleva un movimiento horizontal, nunca alcanza a caer
sobre ella (!`por fortuna!).
James Clerk
Maxwell
Maxwell vivió una época de grandes cambios, cambios políticos,
económicos y sociales, no solo a nivel nacional (como más adelante se
explicará) sino también a nivel internacional.
Durante
el siglo XVIII el poder económico de la burguesía junto a los
extraordinarios adelantos técnicos puso
en marcha un cambio en los modos de producción, este proceso es conocido como
la primera revolución industrial. Esta se originó en Inglaterra, más
específicamente en Manchester y Liverpool. Los factores que la hicieron posible
fueron el aprovechamiento de la máquina de vapor, la aparición de nuevas
máquinas : hiladoras mecánicas y
telares automáticos, y un nuevo modo de organización de los recursos
materiales y humanos : la fábrica.
La primera revolución industrial contribuyó a la consolidación del
capitalismo, es decir, a que la sociedad europea aceptara como realidad el trabajo asalariado, los
gobiernos electivos y representativos y los privilegios que da el dinero.
Como la
Revolución industrial se produjo por primera vez en Gran Bretaña, este país se
convirtió durante mucho tiempo en el primer productor de bienes industriales
del mundo. Durante gran parte del siglo XVIII Londres fue el centro de una
compleja red comercial internacional que constituía la base de un creciente
comercio exportador fomentado por la industrialización. Los mercados de
exportación proporcionaban una salida para los productos textiles y de otras
industrias (como la siderurgia), cuya producción aumentaba rápidamente gracias
a la aplicación de nuevas tecnologías. Los datos disponibles sugieren que la
tasa de crecimiento de las exportaciones británicas se incrementaron de forma
considerable a partir de la década de 1780. La orientación exportadora y el
aumento de la actividad comercial favorecieron aún más el desarrollo de la
economía: los ingresos derivados de las exportaciones permitían a los
productores británicos importar materias primas para crear productos
industriales; los comerciantes que exportaban bienes adquirieron una importante
experiencia que favoreció el crecimiento del comercio interior. Los beneficios
generados por ese desarrollo comercial fueron invertidos en nuevas empresas,
principalmente en mejora de la tecnología y de la maquinaria, aumentando de
nuevo la productividad, favoreciendo la dinámica del proceso.
La burguesía inglesa fue la primera en alcanzar el político en dos
grandes revoluciones, la de 1649 y la de 1688. Un siglo más tarde, la burguesía
inglesa fue imitada por la francesa. Esta actuó de modo parecido, ejecutó a su
rey y en una “Declaración de principios” dedicada al hombre (en general) y a
los ciudadanos, sostuvo la defensa de los principios de la libertad, propiedad
y seguridad. Muchos son los historiadores que opinan que la revolución francesa
fue una revolución burguesa.
Sin
embargo la clase aristocrática no fue tan fácilmente desplazada. Hacia 1815, en
el continente europeo (excluimos a Inglaterra) fueron restaurados los regímenes
políticos absolutistas, en los cuales, la aristocracia continuaba disfrutando
de grandes privilegios.
Finalmente, con las grandes revoluciones
políticas de 1830 y1848, la burguesía tuvo acceso a los gobiernos y constituyó
regímenes políticos llamados democracias liberales.
La segunda revolución industrial comenzó en
la segunda mitad del siglo pasado y estuvo caracterizada por un desconocido
avance en el terreno de la tecnología aplicada a la industria, las
comunicaciones y los transportes. Tuvo consecuencias tales como el
abaratamiento de los productos, el aumento del consumo, una mayor competencia y
la casi desaparición de la empresa familiar en manos de la Gran Industria. Esto
condujo (excepto en los países que lo prohibieron legalmente) a la formación de
monopolios que dominaron el mercado.
Durante la segunda revolución industrial
aparecieron nuevas tendencias en la vida económica: la empresa industrial
comenzó a modificar su tradicional estructura orientándose hacia la concentración (las empresas
ferroviarias, metalúrgicas y textiles habían crecido tanto que exigieron una
fuerte concentración de capital privado. La autofinanciación empresaria cede
ante la necesidad de grandes inversiones, que solamente podían hacerse por
poderosas entidades bancarias. La penetración de la banca en la estructura
industrial imprime a esta nuevas formas, que tienden a consagrar el poderío
indiscutible de los grandes grupos financieros. Además de la concentración de
los capitales comenzó a ensayarse una tendencia hacia la concentración de
empresas. El aumento de la producción no significó el aumento del mercado del
consumidor del producto, de manera que fue necesario comenzar a provocar mecanismos
que permitieran un control más efectivo de ese mercado. El primer caso en este
sentido lo dieron las empresas formando un trust, cuyo objetivo era aumentar
las ganancias dominando el mercado, al extremo de eliminar toda competencia.
También se pretendió aumentar la productividad laboral; y es fundamental en
este sentido el papel desempeñado por Frederick Taylor y su método de
organización de trabajo (taylorismo).
En
lo que respecta a la expansión colonial, esta fue iniciada como consecuencia
del notable desarrollo de Europa en general y Alemania, Inglaterra y Francia en
particular, que tornaron insuficientes sus mercados internos para colocar su
producción. Esta expansión presentó dos aspectos: la ocupación efectiva de
territorios coloniales y el manejo de la economía de países políticamente
independientes, a partir de créditos y convenios comerciales que ataban a estos
países económica y políticamente a las potencias europeas.
El aumento de la producción industrial
ocasionó naturalmente una mayor demanda de materias primas, y luego la
necesidad de asegurarse un mercado donde colocar tanto la creciente producción
como las ganancias provenientes del mismo desarrollo industrial. Como
consecuencia de estas circunstancias, las relaciones internacionales entre los
países industrializados y sus proveedores de materias primas se volvieron mucho
más agresivas. Durante esta etapa llamada “la época del imperialismo” la
posesión de colonias pasó a ser un factor de poder político a nivel
internacional.
También, en la segunda mitad del siglo XIX,
surgen en los más importantes países de Europa partidos políticos que sostienen
la defensa de las ideas socialistas y marxistas, ideas compartidas por gran
parte de la clase trabajadora europea. Estos partidos eran los socialdemócratas.
A partir de 1829 Inglaterra vive una época
de grandes reformas.
Durante los años 1831 y 1832 la gran
cuestión política fue la Ley de Reforma Electoral apoyada por el partido whig.
Con esta ley se consolidó definitivamente la supremacía de la clase media. En
las elecciones que se siguieron los whigs obtuvieron la mayoría en la Cámara de
los Comunes, que hasta entonces había sido dominada por los tories
(conservadores). Durante este período de legislación burguesa se sucedieron una
serie de leyes parlamentarias claramente propicias para la burguesía siendo su
máxima conquista la derogación de las Leyes de Granos en 1846 (beneficiaban a
los terratenientes). Se inicia entonces, una política de libre cambio que
siguió rigiendo hasta la primera guerra mundial. Durante los años de Peel y
Russell la tendencia hacia el comercio libre continuó, reforzada por la
revocación de las Actas de Navegación (1849).Sin embargo, ninguno de estos
triunfos de la clase media le aportó muchos beneficios inmediatos al
proletariado, quienes se organizaron bajo la bandera del cartismo para luchar
por sus derechos. Más tarde, en los años 1867 y 1884 son elaboradas la Segunda
y Tercera Ley de Reforma, en las cuales se les otorgóderechos políticos,
primero, a todos los hombres que
constituían la clase trabajadora industrial y después a casi todos los
trabajadores agrícolas. Entre los años 1871 y 1875 son reconocidas legalmente
las trade unions (sindicatos); más tarde aparecen las primera reformas sociales
acompañadas por la propagación del socialismo
En 1837 es coronada la reina Victoria (reina
hasta 1901) y con ella comienza la época victoriana del predominio marítimo y
comercial. El Reino Unido mantuvo su liderazgo como primer constructor de
barcos y máxima potencia comercial y financiera del mundo, y una gran parte de
los trabajadores británicos aumentó su poder adquisitivo. A pesar de los altos
niveles de emigración a las colonias británicas y Estados Unidos la población
de Gales, Escocia e Inglaterra aumentó. En Irlanda, la emigración redujo la
población.
En lo que respecta a la política exterior y
colonial, Inglaterra reconoce la independencia de las colonias españolas y se
acerca a Francia. En alianza con Napoleón III, participa en la guerra de Crimea
. A partir de 1867, Disraeli inicia una política imperialista. En 1843, es
ocupado un pequeño estado boer en África austral; en 1849 termina la conquista
de la India, Birmania es anexada al imperio al igual que Egipto en 1882. Como
consecuencia de la política colonialista de Chamberlain, se fundan colonias en
África oriental y es reconquistada Sudán.
Teorias
desarrolladas por Maxwell
Maxwell fue uno de los principales científicos del siglo
pasado, ya que su influencia nos llega
hasta hoy, a través de varios de sus descubrimientos, como la teoría
electromagnética o la teoría cinética
de los g ases. También influencio dentro de la química al plantear la teoría
cinética de los gases, a partir de la cual, las leyes de los gases planteadas
en el siglo XVI y XVII fueron demostradas desde un punto de vista estadístico.
Uno de los primeros descubrimientos de Maxwell fue el
concepto de líneas de fuerza que
fuera originalmente introducido
por Faraday, pero como no sabía matemáticas, dejo el concepto como algo gráfico. Maxwell, en 1855, tradujo la idea de
Faraday al lenguaje matemático,
demostrando que la idea intuitiva era correcta.
Otro de los aportes que Maxwell realizó a la ciencia fue a
la astronomía, al demostrar que los
anillos de Saturno no estaban compuestos por pequeñas partículas, como se
creía. La suposición estaba basada en las investigaciones de Roche acerca
de la influencia de la gravedad sobre
cuerpos pequeños. Maxwell, en 1857,
demostró que esto no era así a partir
de una serie de supuestos teóricos, y desde ese momento, nadie lo
cuestiono.
La teoría cinética
de los gases fue desarrollada por Maxwell en 1859, quien le dio un desarrollo estadístico al tema ,y no
mecanicista como había sido hasta ese momento,
tomando como suposiciones que las moléculas se movían al azar y se
alejaban entre si con choques elásticos. Demostró que con un aumento de la temperatura aumentaba la velocidad media de
las partículas y con un descenso de la
temperatura la velocidad media disminuía. A partir de esto, se planteo que
el calor podía ser representado como movimiento molecular.
También demostró, estadísticamente, que
los gases podían violar la segunda ley de la termodinámica si todas las
moléculas del gas se fueran hacia el mismo lugar, reduciendo la entropía del sistema.
Pero, esto es algo imposible en la
realidad, ya que la probabilidad de que esto suceda es ínfima.
Maxwell debe de ser reconocido como el primer científico que
logro unificar una serie de relaciones matemáticas acerca de fenómenos tan disímiles como el magnetismo, la luz y
la electricidad.
Otro aspecto de la teoría que publico en 1865, es acerca de la
oscilación de las cargas eléctricas y la generación, por parte de estas, de un
campo electromagnético que era irradiado a partir de su fuente con una
velocidad constante. Maxwell, mediante sus ecuaciones, calculó la velocidad de
propagación, que coincidía, en el
vacío, con la velocidad de propagación de la luz. A partir de esta hipótesis,
demostró que la luz era una onda electromagnética y que las longitudes de onda
dependían de la oscilación de la carga que la generaba.
Influencias
de las teorias de Maxwell
Las ideas mas importantes de Maxwell fueron tan importantes
para la física que todavía se esta tratando de trabajar en algunos aspectos planteados
por las ecuaciones. Son también tan solidas que resistieron el cambio de
paradigma en la física, ya que resistieron a la mecanica cuantica y a la
relatividad, creadoras de la nueva física del siglo XX.
Un científico que trabajó con las ecuaciones de Maxwell fue
Hertz, quien estudió los efectos electromagnéticos. Durante los experimentos
que realizó, vio por primera vez el efecto fotoeléctrico, pero no se dedico a
estudiarlo, ya que no era lo que estaba estudiando. También Hertz,
investigando, las ondas electromagnéticas, demostró la utilidad de las
ecuaciones de Maxwell y demostró que la luz era solo una pequeña parte del
espectro.
Otra de las conclusiones que se extrajeron de las
ecuaciones de Maxwell es acerca de la presión que la luz realiza sobre una
superficie. Fue demostrado por Liedebev
mediante espejos.
Una idea de la vigencia de las ecuaciones de Maxwell se vio cuando
Einstein publicó la teoría de la relatividad especial. Estas ecuaciones eran
aplicables dentro del nuevo marco generado por la teoría de Einstein, pero no
lo eran algunas de las leyes de la mecanica
clasica, como las leyes de la gravedad, que hasta ese momento eran
aplicables en todos los casos.
Un problema que se detectó en las ecuaciones de Maxwell es
acerca de la simetria que si existe en las cargas eléctricas, ya que las cargas
pueden ser separadas y detectadas según su signo (el electron y el proton). En cambio, no ocurre lo mismo
con el magnetismo, ya que nunca se
detecto, por ejemplo, un polo norte que no tenga asociado un polo sur en un
imán del tamaño que sea. Si se pudiera detectar un polo magnetico separado de
su otro polo asociado, las ecuaciones de Maxwell serian completamente
simetricas.
Arthur Holly
Compton
El período histórico
en el cual se circunscribe la vida de Arthur Compton (1892-1962) fue
caracterizado por un avance tecnológico general a nivel mundial, el nacimiento
de nuevas potencias en América y Asia, y una situación general de tensiones y
crisis económica, política y social en todo el mundo.
El desarrollo de la
revolución industrial tiene en la parte final del siglo XIX un segundo momento
de esplendor. La investigación científica se orienta al servicio de la
industria; comienzan a explotarse nuevas fuentes de energía, como ser la
electricidad y el petróleo; los principales progresos tecnológicos surgen en el
campo de la química y la electricidad; Estados Unidos y el imperio alemán
compiten vigorosamente con Gran Bretaña, país al que superan en el terreno de
la electricidad y de las nuevas industrias; se produce una notable expansión de
los medios de transporte y de las comunicaciones; aparecen las armas de
retrocarga y de repetición, la ametralladora, las balas explosivas y el uso de
blindaje. De esta manera, la superioridad técnica de los países occidentales se
acrecentó en la segunda mitad del siglo XIX, permitiéndoles ejercer una
influencia política, económica y cultural sobre el resto de la humanidad. Su
casi absoluto control de las nuevas técnicas contribuyó a afirmar el poderío de
las grandes potencias y a facilitar su expansión imperialista, necesaria para
obtener nuevas fuentes de materias primas, mercados y colocar los excesos de
población europea.
A la par de estos
acontecimientos, los Estados Unidos de América logran, desde el fin de la
guerra de secesión hasta 1914, consolidar su unidad política y desarrollar un
empuje en su economía. Este movimiento ascensional fue favorecido por diversos
factores, a saber: la expansión territorial a través de la conquista del Oeste;
el pleno aprovechamiento del desarrollo técnico y de las fuentes de energía; el
notable incremento poblacional con el aporte inmigratorio; el aumento de su
influencia exterior y la expansión del capitalismo industrial y financiero.
Esta situación general
de rivalidades colonialistas entre las grandes potencias, de desarrollo
industrial en el terreno de los armamentos que obligaba a una renovación
permanente para no ser superado por sus rivales, de competencia en el logro de
mercados por parte de las industrias y los capitales de las naciones poderosas,
generó una carrera armamentista que dio nombre a la época: Paz Armada. Pero
esta paz encuentra su fin cuando las mencionadas rivalidades y la carrera
armamentista se intensifican y se suman a las tensiones internas que se estaban
gestando en el orden europeo, y estalla la Gran Guerra. Como consecuencia
principal de dicha guerra, las potencias europeas se debilitaron profundamente
y los Estados Unidos de América y el Japón se vieron fortificados y se consolidaron
como potencias de primer orden.
Pero los años de
posguerra no significaron una paz general, sino que más bien constituyeron un
período de crisis, tanto en el orden político, económico y social, que
desencadenaría un conflicto aún mayor. En líneas generales, fracasó la acción
pacificadora de la Sociedad de las Naciones, surgió una nueva ideología: el
fascismo, que lanzó a Italia y Alemania a una acción imperialista, Japón
consolidó su posición en Asia e intentó anexar nuevos territorios, se afianzó el
régimen soviético nacido en Rusia en 1917, el enfrentamiento ideológico entre
los principios de la democracia liberal, el fascismo y el marxismo adquirieron
gran importancia en las relaciones internacionales, y la economía occidental
entró en crisis, sobre todo desde 1929, lo cual creó graves problemas políticos
y sociales. De esta manera, las encontradas ambiciones de Italia, Alemania y
Japón, la ineficacia de los sistemas de seguridad, los errores de las potencias
occidentales y las ambiciones de la U.R.S.S. generaron un nuevo conflicto
armado. El alto desarrollo técnico de la época dio a esta contienda
características de guerra total. La aviación militar fue el arma decisiva. Pero
en las últimas etapas de la guerra se desarrollaron nuevos y más temibles armamentos:
aviones de reacción, cohetes, y finalmente, la bomba atómica. Al finalizar la
guerra, desaparecen los regímenes fascistas de Alemania e Italia, la Unión
Soviética adquiere predominio político en Europa central y oriental, y los
Estados Unidos de América y la U.R.S.S. aparecen como las dos grandes
superpotencias de la posguerra, mientras Francia y Gran Bretaña quedan en un
papel se segundo orden.
Sin embargo, la
derrota del totalitarismo nazi-fascista no garantizó las buenas relaciones
entre las potencias vencedoras. Los enfrentamientos ideológicos, mantenidos
latentes durante la guerra, afloraron apenas ésta terminó. El año 1947 se
señala como el de la iniciación de la “guerra fría”, expresión usada para
definir la tensión entre los bloques opositores – la Unión Soviética y las
llamadas “democracias populares” frente a las democracias occidentales -. Ambos
bloques reiniciaron una política armamentista y beligerante que, muchas veces,
llegó al borde de la “guerra caliente”, mediante un espionaje internacional
organizado, permanentes reclamos diplomáticos, y una eficiente propaganda.
El físico norteamericano Arthur Holly Compton nació en Wooster, Ohio
el 10 de septiembre de 1982. Perteneciente a una familia de pastores
prebisterianos (su padre y su hermana lo eran), su vida estuvo marcada por un
fuerte sentido religioso. Con respecto a su formación académica, estudió en
Wooster College y obtuvo su doctorado en Princeton en 1916.
Luego de enseñar física en la Universidad de Minnesota y de trabajar
como ingeniero para la Westinghouse Lamp Company durante dos años, pasó 1919 en
la Universidad de Cambridge donde estudió bajo la supervisión de Rutherford. Al
año siguiente regresó a los Estados Unidos para encargarse del Departamento de
Física de la Universidad de Washington en Missouri. En 1923 se trasladó a la
Universidad de Chicago.
En este mismo año, comenzó una serie de estudios sobre la dispersión
de los rayos X por la materia. Gracias a las técnicas que tenía a su
disposición, estaba capacitado para medir con precisión las longitudes de onda
de los rayos dispersados. Pudo descubrir así que las longitudes de onda de
estos últimos eran mayores que las del rayo incidente. A este fenómeno se lo
denomino Efecto Compton (ver punto siguiente) y por su descubrimiento A.
H.Compton recibió el premio Nobel de física en 1927 junto con el físico
británico Charles Wilson.
Durante la década de 1930, Compton se dedicó al estudio de los rayos
cósmicos. Sus investigaciones buscaban determinar si estos eran de naturaleza electromagnética o si eran partículas
cargadas. Millikan (1868-1953), el científico más destacado en el campo de los
rayos cósmicos en ese momento, sostenía la primera posición. Si en efecto los
rayos cósmicos eran electromagnéticos no debían sufrir el efecto del campo
magnético terrestre y por lo tanto incidir igualmente sobre toda la superficie
terrestre. En el caso de que fueran partículas cargadas, estos sufrirían una
desviación por la acción del campo magnético de la Tierra y en consecuencia
deberían detectarse en mayor cantidad a medida que uno se acercara a los polos.
Las investigaciones de Compton lo llevaron a la conclusión de que los rayos
cósmicos debían ser partículas cargadas puesto que efectivamente existía un
efecto del campo magnético terrestre sobre ellos. Estudios posteriores
confirmaron los resultados obtenidos por Compton.
En 1941, durante la Segunda Guerra Mundial, Compton fue invitado a
participar en una serie de estudios sobre la vialidad de la producción de
plutonio para la construcción de la bomba atómica. Luego de algunas dudas
debidas a su intensa fe religiosa, aceptó que sólo un arma nuclear lograría
detener el avance nazi. Compton llegó a ser el director de la parte más
fundamental del Proyecto Manhattan en Chicago, construyendo junto con el físico
italiano Enrico Fermi (1901-1954) el primer reactor nuclear en 1942.
Después de la Segunda
Guerra Mundial, entre 1945 y 1953, Compton fue rector de la Universidad de
Washington. A partir de 1954 fue catedrático de Filosofía Natural. Murió en
Berkeley, California el 15 de marzo de 1962.
Inicios de la era nuclear
La ciencia
experimental, iniciada en los siglos XVI y XVII, aceleró los avances en los
estudios de la estructura atómica. Una serie de descubrimientos importantes
realizados hacia finales del siglo XIX dejó claro que el átomo no era una
partícula sólida de materia que no pudiera ser dividida en partes más pequeñas.
· En 1895, el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen anunció el
descubrimiento de los rayos X, que pueden atravesar láminas finas de plomo.
· En 1897, el físico inglés J. J. Thomson descubrió el electrón, una
partícula con una masa muy inferior al de cualquier átomo.
· Las investigaciones del físico británico Ernest Rutherford
demostraron que el uranio y algunos otros elementos pesados, como el torio o el
radio, emiten tres clases diferentes de radiación, inicialmente denominadas
rayos alfa (a), beta (b) y gamma (g).
· John D. Cockcroft y Ernest T. S. Walton, produjeron un haz de
protones acelerados hasta altas velocidades, posteriormente empleándose esas
partículas para bombardear un núcleo de litio. En esa reacción nuclear, el
litio 7 (7Li) se escinde en dos fragmentos, que son núcleos de
átomos de helio.
7Li
+ 1H = 4He + 4He
·
En 1905, Albert
Einstein desarrolló la ecuación que relaciona la masa y la energía, E
= mc2,
como parte de su teoría de la relatividad especial. Dicha ecuación afirma que
una masa determinada (m) está asociada con una cantidad de
energía (E)
igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c).
Una cantidad muy pequeña de masa equivale a una cantidad enorme de energía.
Como más del 99% de la masa del átomo reside en su núcleo, cualquier liberación
de grandes cantidades de energía atómica debe provenir del núcleo.
Proyecto Manhattan
Se
inauguró en 1942 durante la Segunda Guerra Mundial. Se llevó adelante en Oak
Ridge, en el Estado norteamericano de Tennessee. Además de Compton,
participaron de este proyecto muchos otros ilustres físicos como Enrico Fermi,
Richard Feynman y Edward Teller. El 16 de julio de 1945, los científicos que
llevaban adelante el Proyecto Manhattan, bajo la dirección del físico
estadounidense J. Robert Oppenheimer, hicieron explotar con éxito la primera
bomba atómica cerca de Alamogordo, en el desierto de Nueva México. Este hecho
sucedió luego de tres años de investigación y de varios millones de dólares
invertidos por el gobierno de EE.UU. Fue el proyecto científico más gigantesco
y costoso de toda la historia. Abrió la era del desarrollo de armamento para destrucción
de masas. Asimismo, dio lugar al
surgimiento de la ciencia de alto nivel, con grandes sumas
de dinero invertidas por los gobiernos y bajo la dirección de importantes
laboratorios, para el desarrollo de nuevos avances científicos. Esta primera bomba
atómica, llamada “BOMBA A”, era un explosivo totalmente nuevo: obtenía su
potencia de la ruptura o fisión de los núcleos atómicos de varios kilos de
plutonio, a diferencia de la gran mayoría que la obtenía partir de la
descomposición o combustión de algún compuesto químico. La fisión nuclear es la
escisión de un núcleo pesado en núcleos más ligeros. El físico estadounidense
de origen italiano Enrico Fermi logró realizar la fisión en 1934, pero la
reacción no se reconoció como tal hasta 1939, cuando los científicos alemanes
Otto Hahn y Fritz Strassmann anunciaron que habían fisionado núcleos de uranio
bombardeándolos con neutrones. Esta reacción libera a su vez neutrones, con lo
que puede causar una reacción en cadena con otros núcleos. En la explosión de
una bomba atómica se produce una reacción en cadena incontrolada.
El
presidente americano Harry Truman asumió la responsabilidad de realizar un bombardeo contra Japón,
usando esta letal arma, como respuesta al bombardeo sufrido en Pearl Harbor. De
esta manera, El 6 de agosto de 1945, menos de un mes de iniciados los ensayos,
se tiró la primera bomba en Hiroshima y, tres días más tarde, se lanzó otra
contra Nagasaki. Las víctimas instantáneas fueron 80.000 y 35.000
respectivamente. Ambos bombardeos fueron el punto final de la Segunda Guerra
Mundial y la iniciación de la llamada “era atómica”.
Los rayos X
Son radiaciones electromagnéticas con una longitud de onda
de 10 nm a 0.001 nm. A menor longitud de onda, mayor energía y mayor poder de
penetración. Se producen siempre que se bombardea un objeto con electrones de
alta velocidad. Los rayos X emitidos no son monocromáticos sino que están
formados por una amplia gama de longitudes de onda.
Vuelven a
ciertos cuerpos fosforescentes, vuelven conductores a los gases, ionizándolos,
no experimentan reflexión en los espejos, ni refracción a través de prismas o
de lentes.
Fueron
descubiertos por Röntgen en 1895. A los pocos meses ya se aplicaban a la
medicina, utilizándolos para diagnosticas fracturas de huesos, que absorbían a
los rayos X. No pasó mucho tiempo para que se lograra ver con ellos el tubo
digestivo, haciéndole tomar al paciente una sustancia que absorbía los rayos.
Además de la aplicación a la medicina, también se utilizan en
Monografías
