Actividad 5: CAVENDISH. LA CONSTANTE DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

En esta entrada de blog trataremos diferentes aspectos relacionados con la vida y logros de Henry Cavendish, un científico de personalidad extravagante, que ha pasado a la historia principalmente por el hecho de que nos permitió medir la constante de gravitación universal (G). El experimento que le ha dado la fama, el cual nos ha aportado ese dato de una manera bastante precisa, fue ideado previamente por John Michell, que llegó a montar el experimento, pero murió sin haberlo completado, dejándole el instrumento a Francis John Hyde Wollaston, que a su vez le entregó éste a Henry Cavendish. Cavendish reconstruyó el aparato de Michell, pero con la finalidad de hallar la densidad de la Tierra, no la de hallar el valor de G.
Cavendish publicaba sus hallazgos en la Royal Society, sociedad de la cual Cavendish fue miembro.

ROYAL SOCIETY

Nullius in verba

Se trata de la más antigua sociedad científica del Reino Unido, y una de las más antiguas de Europa, pues se fundó en 1660. En la actualidad, a pesar de ser una institución privada, hace las veces de Academia Nacional de Ciencias y es miembro del Consejo Científico Británico desde el año 2000. La Sociedad es gobernada por su Consejo, que está encabezado por el Presidente de la Sociedad. Los miembros del Consejo y el Presidente son elegidos por los integrantes de la Sociedad. El Presidente actual de la Sociedad es Sir Paul Nurse y el que ocupará el puesto el 1 de diciembre de 2015 es Sir Venki Ramakrishnan. El lema de la Sociedad es Nullius in verba, que significa en inglés "Take nobody's word for it", un lema que promueve que cada uno demuestre por sí mismo todo lo que se le diga, y que no se lo crea simplemente.
El origen de esta sociedad está en un grupo de doctores y filósofos naturales que se encontraban en distintas localizaciones y que estuvieron bajo la influencia de la "nueva ciencia" promovida por Francis Bacon.
Esta sociedad tiene diversas funciones y actividades, entre las cuales está apoyar a la ciencia moderna distribuyendo 42 millones de dólares para financiar aproximadamente 600 investigaciones, e innovación y becas para investigaciones. La Sociedad actúa además como consejera de la Comisión Europea y de las Naciones Unidas en asuntos relacionados con la ciencia, publica anualmente varios informes y sirve como Academia de Ciencias del Reino Unido.
De una página web lanzada por la Royal Society llamada Traiblazing, podemos extraer la siguiente lista de científicos pertenecientes a la Royal Society y sus contribuciones a la ciencia.

• Isaac Newton-- Teoría de la luz y los colores.
• Antonie van Leeuwenhoek-- Observación de "pequeños animales" (microorganismos) en agua de charca.
• Edmund Halley-- Observación de un eclipse total de sol en abril de 1715.
• Cheselden-- Consiguió hacer que un niño de 14 años recuperara la vista.
• John Hadley-- Instrumento para medir ángulos.
• Benjamin Franklin-- Sugirió que se podía recoger electricidad en una cometa durante una tormenta eléctrica.
• John Dollond--Refracción de la luz a través de lentes acromáticas.
• Edmund Stone-- La corteza de sauce como cura para la fiebre.
• Edmund Halley-- Observaciones en el tránsito de Venus.

Probablemente el mayor logro de esta Sociedad fue permitir que los científicos de la época comunicaran sus ideas y publicaran sus hallazgos, de modo que toda la comunidad científica podía estar al tanto a través de la Sociedad. La Royal Society pudo haber sido un factor contribuyente al avance de la ciencia.
Cavendish estudió además la composición química del aire. En los siguiente diagramas de sectores se muestran los gases más importantes presentes en el aire, con los datos que poseemos en la actualidad:

A continuación mostraremos en constraste los datos obtenidos por Cavendish en sus cálculos de la composición del aire:

Lo que Cavendish bautizaba con el nombre de aire flogistizado sería lo que actualmente es llamado nitrógeno y argón, y el aire deflogistizado sería el valor del oxígeno.
De esta forma podemos apreciar que la diferencia entre los datos obtenidos por Cavendish y los que poseemos en la actualidad es mínima, e incluso despreciable.

Flogisto

El flogisto es una sustancia hipotética que representa la inflamabilidad, se trata de una teoría científica actualmente obsoleta que fue formulada por Stahl, por la cual toda sustancia que pueda sufrir una combustión, contiene flogisto. Suponiendo que los metales están formados por una cal y un principio inflamable, la calcinación (formación de cal) se podría explicar como la combustión, como el desprendimiento de flogisto, el cual se liberaba del metal y dejaba al descubierto la cal. La reducción de la cal a un metal, que sería el proceso inverso se debería explicar como la adición de flogisto. Por ejemplo, el carbón que era considerada una sustancia rica en flogisto, al ponerse en contacto con una cal metálica, podía reintegrar el metal. 

El flogisto era considerado una sustancia carente de peso, que durante la combustión de la sustancia en la que se encontraba se separaba en forma de llamas, dejando un residuo incombustible conocido como la sal.
Priestley introdujo a esta teoría los términos de "aire flogistizado" y "aire deflogistizado". El residuo de aire que quedaba tras el proceso de combustión (que en realidad es una mezcla de nitrógeno y dióxido de carbono) recibió el nombre de aire "aire flogistizado", debido a que consideraba que tras la combustión este aire había absorbido la mayor cantidad de flogisto que tenía la capacidad de albergar y el "aire deflogistizado" era el nombre que recibía el aire que podía soportar la combustión durante más tiempo.
Lavoisier criticó esta teoría y mediante experimentos demostró su invalidez. Efectivamente, la existencia del flogisto explicaría la pérdida de masa de un cuerpo tras una combustión, pero después de haber realizado Lavoisier, experimentos con plomo, azufre y estaño, observó que la masa del residuo generado por uno de ellos tras la combustión era de mayor masa a la que tenía la sustancia inicialmente. Esta evidencia científica daba por inválida la teoría del flogisto y la condenaba al olvido, debido a que si asimilaramos la teoría tendríamos que considerar en esos casos el peso del flogisto, como negativo. Lavoisier en uno de sus experimentos colocó una pequeña cantidad de mercurio flotando sobre agua en un recipiente que cerró con una campana de vidrio, y luego provocó la combustión del mercurio. Si la teoría del flogisto fuera cierta, el mercurio debería quedar menos sumergido tras la combustión y el volumen del aire de dentro de la campana debería aumentar por la presencia de flogisto, pero los resultados obtenidos tras este experimento contradijeron la teoría del flogisto. Lo que Lavoisier observó después de realizar este experimento fue que las sustancias que se queman se combinan con el oxígeno del aire, y de esta forma adquieren un peso peso mayor. El aire que está en contacto con la sustancia que entra en combustión pierde oxígeno y, consecuentemente, también obtiene un volumen menor, no lo gana como dice la teoría del flogisto.

EXPERIMENTO PARA COMPROBAR LA PRESENCIA DE DIÓXIDO DE CARBONO EN EL AIRE QUE EXHALAMOS

Un vaso, al cual le hemos añadido esencia de limón, ha entrado en contacto con dióxido de carbono del aire que exhalamos durante la respiración. Con las siguientes imágenes, podemos comprobar la transición del tono de agua en el vaso.

El agua con esencia de limón tiene un tono transparente inicialmente

Al exhalar sobre el agua con limón el agua adquiere un tono turbio o lechoso por la presencia de CO2 en el aire que exhalamos

EXPERIMENTO PARA COMPROBAR LA PRESENCIA DE VAPOR DE AGUA EN EL AIRE QUE EXHALAMOS

Al exhalar sobre un espejo queda vapor de agua sobre su superficie por la presencia de éste en el aire exhalado.

Propiedades del Hidrógeno y composición química del agua.

                                                         

Las propiedades químicas del hidrógeno son las siguientes:

En condiciones normales, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro y sin sabor.

Es la molécula más pequeña conocida.

La densidad del hidrógeno es de 76 Kg./m^3, y cuando se encuentra en estado de gas, la densidad es de 273 kg./ L.

Posee una gran rapidez de transición, cuando las moléculas se encuentran en fase gaseosa. Debido a esta propiedad, hay ausencia casi total, de hidrógeno en la atmósfera terrestre.

Facilidad de efusión, así como también de difusión.

Optima conductividad calorífica

Punto de fusión de 14025 K.

Punto de ebullición de 20268 K

Las propiedades físicas del hidrógeno son las siguientes:

Tiene un peso atómico de 100974 uma.

Posee un estado de oxidación de +1, -1.

Completa su nivel de valencia con un electrón capturada, para así poder producir el anión H^-.

Se combina con los metales alcalinos y alcalinotérreos (menos con el berilio y magnesio), a través de enlaces iónicos.

Forma enlaces tipo covalentes, con los no metales.

Forma enlaces metálicos con los elementos de transición.

El hidrógeno, H^+, siempre se encuentra asociado a otro elemento, menos en el estado gaseoso.

Posee una estructura cristalina hexagonal.

Reacciona con la gran mayoría de los elementos de la tabla periódica.

Composición química del agua:

                                      
El agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos por enlaces covalentes, que hacen que se forme un triángulo con un ángulo de 104,45º.El oxígeno es un átomo muy electronegativo y el hidrógeno es un átomo muy poco electronegativo, lo que hace que los electrones que comparten en los dos enlaces covalentes que presenta la molécula de agua están “desplazados” hacia la región ocupada por el oxígeno

4- Calor específico

El calor específico se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a una unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad.
La unidad del calor específico en el SI es J/kg·kg
Las ecuación del calor específico (c) es la siguiente.


Siendo Q la transferencia de energía, m, la masa de la sustancia, y siendo el delta de T, el incremento de temperatura.
A continuación muestro una tabla dónde se indica el calor específico de algunas sustancias.

Ley de Coulomb

Esta Ley dice así:

"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario."

Esta Ley fue enunciada por Charles-Augustin de Coulomb, y fue la base de la electroestática.

La fórmula que define esta ley es la siguiente:

Siendo F, la fuerza de interacción entre las cargas, siendo q1 y q2, las cargas de dos cuerpos, siendo r la distancia entre ambos cuerpos y siendo K la constante de proporcionalidad de Coulomb. De la fórmula podemos extraer que cuando las cargas de los cuerpos aumentan, la fuerza de interacción aumenta proporcionalmente, de manera que si el valor de una de las cargas se triplica, la fuerza de interacción entre ambas cargas lo hará también.

Esta ley, sólo tiene validez en condiciones de reposo, es decir, cuando no existe movimiento de las cargas o, cuando el poco movimiento existente se da a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que la fuerza de interacción definida en esta ley, recibe el nombre de fuerza electrostática. 

Indudablemente esta Ley guarda denotables parecidos con la Ley de Gravitación Universal, que como ya mencionamos en nuestra entrada de blog previa se define de la siguiente manera:

Siendo F, la fuerza gravitatoria, siendo G, la constante de gravitación universal, siendo M y m las masa de los cuerpos entre los cuales existe una atracción gravitatoria y siendo d (también llamado r), la distancia entre los cuerpos.

Comparativa entre la Ley de Coulomb y la Ley de Gravitación Universal

Es notable que ambas leyes de manera extremadamente análoga definen fuerzas de interacción entre dos cuerpos en la naturaleza. La proporcionalidad directa entre las masas en la Ley de Gravitación Universal es comparable a la existente entre las cargas de la Ley de Coulomb, al igual que en ambas leyes la fuerza de interacción es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos entre los cuales se ejerce la fuerza. Además, existe una constante en ambas que hace que la fuerza de interacción sea directamente proporcional al producto de las masas (LGU) o cargas (Ley de Coulomb) entre la distancia al cuadrado.
A pesar de los irrefutables parecidos entre ambas leyes, existen dos diferencias claras que las diferencian:

1. La fuerza gravitatoria es siempre atractiva, mientras que la fuerza de interacción entre cargas eléctricas puede ser repulsiva. Las masas que estudiamos con el LGU, nunca pueden ser negativas, siempre son positivas, lo que hace que la fuerza gravitatoria siempre sea positiva, es decir atractiva. Por otro lado las cargas eléctricas pueden ser negativas o positivas, y consecuentemente la fuerza de interacción entre ellas puede ser repulsiva o atractiva.
2. La magnitud de la fuerza gravitatoria suele ser menor que la magnitud de la fuerza electroestática. Para demostrar esta relación compararemos la fuerza gravitatoria existente entre un protón y un electrón en un átomo de oxígeno con la fuerza de interacción entre un protón y un electrón en un átomo cualquiera.

Fuerza gravitatoria entre protón (p) y electrón (e):

Fuerza eléctrica entre protón (p) y electrón (e):

Podemos observar que siendo la constante de Coulomb distinta de la Constante de Gravitación Universal y siendo las cargas distintas de la masa, en conclusión obtenemos una fuerza mayor en el caso de la fuerza eléctrica obtenida mediante la ley de Coulomb.

Condensador eléctrico

Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo cuya función es llevar a cabo un almacenamiento de energía sustentando un campo eléctrico. Su estructura posee dos superficies conductoras que suelen ser placas o láminas, separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas se encuentran en una situación de diferencia potencial, y una de ellas está cargada positivamente mientras que la otra está cargada de manera negativa, causando de esta forma que el condensador tenga una variación de carga total nula. El condensador almacena energía mecánica latente, de manera que ésta entra en el circuito y se comporta como un elemento capaz de almacenar energía eléctrica que recibe durante el período de carga.
La carga almacenada es proporcional a la diferencia potencia entre una placa y otra. Al realizar la conexión de un condensador en un circuito, la corriente eléctrica empieza a circular por éste. Mientras se da este proceso, el condensador va almacenando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, la corriente cesa su circulación. Si la fuente extraída y se sitúan el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. Cuando esto ocurre, la corriente comienza a circular en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se cargaba.

Termómetro

Cavendish inventó un termómetro que nada tenía que ver con los de mercurio o de azogue que eran los que se utilizaban en aquella época. No se sabe qué sustancia era la que llevaba ese termómetro, pero sí se sabía que tenía una mayor precisión. Pero, ¿qué es un termómetro? Se trata de un instrumento de medición de temperatura. Los termómetros se calibran mediante dos valores cualesquiera que se marcan dos estados de referencia que reciben el nombre de puntos fijos. Los estados de referencia que son elegidos de manera más común son:

• Fusión del hielo: Temperatura a la que coexisten agua en estado sólido (hielo) y agua en estado líquido a una presión de 1atm.
• Ebullición del agua: Temperatura a la que coexisten agua en estado líquido y agua en estado gaseoso (vapor) a una presión de 1atm.

 Los dos tipos de termómetro más conocidos son:

• Termómetro de mercurio o de alcohol coloreado:

Este tipo de termómetro basa su funcionamiento en la contracción y dilatación gradual que se produce en los volúmenes de las sustancias a causa de los cambios de temperatura. Este sistema de medición permite que se mida de forma real la temperatura ambiente, sin que un objeto cercano que irradie calor, afecte a la correcta medición de la temperatura del aire. El mercurio a temperatura ambiente permanece en estado líquido y se dilata o contrae dependiendo de la variación de la misma, permitiendo así la medición de la temperatura.

• Termómetro digital:

Se vale de dispositivos transductores para la medición, y emplea luego circuitos electrónicos para convertir en números las mínimas variaciones de tensión obtenidas, mostrando tras la medición la temperatura en un visualizador digital.

Escalas térmicas

• Escala Celsius:

En esta escala el valor 0 corresponde a la temperatura de fusión del hielo y el valor de 100 a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo existente entre 0 y 100 se divide en 100 partes iguales, y cada una, recibe el nombre de grado Celsius (ºC). Se trata de una escala centígrada.

• Escala Fahrenheit:

Se trata de una escala, cuyo uso todavía está extendido en los países anglosajones. A los dos estados de referencia les corresponden los valores de 32 (punto de fusión del hielo)y 212 (punto de ebullición del agua) grados. El intervalo existente entre los dos puntos fijos se divide en 180 partes iguales, y cada una recibe el nombre de grado Fahrenheit (ºF). La razón por la que los estados de referencia del agua son tan dispares se debe a que Fahrenheit eligió diferentes estados de referencia a los que fueron elegidos por Celsius, pues marcó como 100ºF la temperatura media en el interior del cuerpo de una persona sana, como 0ºF la temperatura de una mezcla a partes iguales de hielo, sal y agua.

• Escala absoluta/ Escala Kelvin:

La escala absoluta fue propuesta por Kelvin y es la medida de temperatura del SI. El valor de 0 se le asigna a la temperatura más baja que puede existir en el Universo. En esta temperatura la velocidad de las moléculas es nula e inalcanzable, consecuentemente. Por esta razón en esta escala no existen

Centro de gravedad

 

La fuerza más corriente que actúa sobre un cuerpo es su propio peso. En todo cuerpo por irregular que sea, existe un punto tal en el que puedo considerarse en él concentrado todo su peso, este punto es considerado el centro de gravedad. El centro de gravedad puede ser un punto exterior o interior del cuerpo que se considere.

El conocimiento de la posición de los centros de gravedad es de gran importancia en la resolución de problemas de equilibrio, ya que son los puntos de aplicación de los vectores representativos de los respectivos pesos.

CARACTERÍSTICAS

- El centro de gravedad puede estar dentro o fuera del cuerpo.

- El centro de gravedad de un cuerpo quedará perfectamente determinado con respecto a un eje de coordenadas, por una abscisa (x) y una ordenada (y).

-El centro de gravedad no varía con su posición,pero sí depende de su forma geométrica.

- Si un cuerpo presentase un eje de simetría el centro de gravedad se encontrará en un punto contenido en dicho eje

-Se a un cuerpo se le aplica una fuerza igual al peso, pero en sentido contrario y en el centro de gravedad, dicho cuerpo permanecerá en equilibrio, independientemente de lo que pudiera inclinarse el cuerpo respecto al centro de gravedad.

CLASIFICACIÓN

Experimento de Cavendish

Magnetismo

Experiencias de la inercia

Éste es nuestro vídeo de "Experiencias de la Inercia". En él se pueden observar distintos casos en los que podemos observar la Primera Ley de Newton:

Actividad 4: ISAAC NEWTON. DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ SOLAR.

En esta actividad pondremos el punto de mira en Isaac Newton y reflexionaremos e investigaremos acerca de su vida y la diversidad de fenómenos que trabajó a lo largo de ésta. También haremos un repaso por las ideas aristotélicas sobre el Universo y las de otros importantes personajes que jugaron un papel determinante en el desarrollo de la Física actual.

ISAAC NEWTON

Isaac Newton cuenta con dos fechas de nacimiento: 25 de diciembre de 1642 y 4 de enero de 1643. Este curioso hecho tiene su razón de ser, debido a que 25 de diciembre es su fecha de nacimiento según el calendario juliano y 4 de enero es su fecha de nacimiento según el calendario gregoriano. El calendario juliano era el calendario antecesor del gregoriano, que es el que es utilizado actualmente de manera oficial en casi todo el mundo, y se basaba en el movimiento aparente del sol para medir el tiempo. El calendario gregoriano, por otro lado cuenta con la duración de un año común de 365 días y con la duración de un año bisiesto 366 días, y esto se debe a la duración de la órbita de la Tierra alrededor del sol de 365 días, 5 horas y 48 minutos.
La expresión de "Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes" ha adquirido mucha popularidad y es asociada con Newton. Esta cita quiso decir que consiguió todos sus descubrimientos gracias a científicos anteriores a él, como fueron Copérnico, Galileo, Kepler o Descartes, ya que a pesar de la destacable inteligencia de Newton, estos le hicieron ver lo que otros no pudieron. Sin embargo esta expresión no fue ciertamente original de Newton, sino que debería de habérsele atribuido a Bernard de Chartes, filósofo neoplatónico que dijo: "Somos como enanos a los hombros de gigantes, Podemos ver más, y más lejos que ellos, no por alguna distinción física nuestra, sino porque somos levantados por su gran altura".

ARISTÓTELES

Otro personaje muy significativo en el mundo de la Física fue Aristóteles, por sus ideas sobre cinemática, dinámica, astronomía y cosmología. Aristóteles fue un filósofo de la Antigua Grecia, que vivió entre los años 384 a.C. y 322 a.C. Fue un hombre muy completo, que estudió lógica, biología, filosofía natural, ontología, psicología, ética, política, gramática, estética y anatomía y además fue discípulo de Platón.
La visión aristotélica del Universo, también llamada Aristotelismo, fue una que perduró en Europa durante más de dos milenios, y ésta se basaba en la división del cosmos en dos regiones: el mundo sublunar y el mundo supralunar. La visión de Aristóteles de la física era cualitativa,  y no cuantitativa como es actualmente. Según pensaba Aristóteles, los fenómenos que tenían lugar en el mundo no podían ser definidos matemáticamente mediante fórmulas, debido a su heterogeneidad. Aristóteles se basaba en el hecho de que la naturaleza contaba con una vasta diversidad para argumentar la imposibilidad de matematizarla. El cielo era una región del cosmos cuya armonía y perfección eran tales que no podían ser explicadas. Esta región, según decía Aristóteles, denotaba un orden característico que hacía todos sus movimientos y cambios, regulares, predecibles y estables. Para corroborar esto, Aristóteles apuntaba que los ciclos lunares y el aparente "movimiento del sol" eran regulares y seguían siempre un mismo patrón. La cosmología de Aristóteles era esencialmente teleológica, lo cual quiere decir que en ella el fin es dependiente de los cuerpos y está estrechamente relacionado con la materia, que al formar los seres de la naturaleza, determina su comportamiento y su desarrollo.

EL MUNDO SUBLUNAR

El mundo sublunar, como su propio nombre indica, estaba formado por todo aquello que se encontraba debajo de la Luna sin estar ésta incluida en el grupo. En él los movimientos siempre eran violentos y no podían ser matematizados. Estos eran descritos como violentos ya que Aristóteles creía en la teoría del geocentrismo, teoría que establecía que la Tierra está es el centro del Universo, permanece en reposo y todos los cuerpos (sublunares) tienden de forma natural al centro de ésta (tienen su órbita en torno a ésta). Como para el filósofo el estado natural de los cuerpos era el reposo, el movimiento era teorizado como violento porque era sacado de su estado natural. Los movimientos característicos de los cuerpos sublunares eran finitos (contaban con un principio y un final) y eran además rectilíneos (ascendentes o descendentes).  Según era descrita por Aristóteles esta región, estaba compuesta por cuatro elementos: la tierra (elemento más pesado que tiende a ocupar su lugar natural en el centro de la tierra), el agua (elemento situado inmediatamente encima del elemento tierra), el aire y el fuego (elemento que cuenta con la mayor ligereza y una tendencia a desplazarse a la periferia de la Tierra). Aristóteles observó que los movimientos se debían a la tendencia de cada objeto a permanecer en su lugar natural.

EL MUNDO SUPRALUNAR

El mundo supralunar, según era definido por Aristóteles, comprendía la luna y todo aquello que se encontraba más allá de ella: cinco planetas o "cuerpos errantes" (mercurio, venus, marte, júpiter y saturno), el sol y las estrellas. A diferencia de la región terrestre, en la cual Aristóteles no creía que existiera un orden posible de matematizar, en el mundo supralunar, Aristóteles decía que reinaba el orden, la armonía y la regularidad de movimientos. Esta cambio, se la atribuía Aristóteles al hecho de que en esta región del universo, los cuerpos no estaban compuestos de los cuatro elementos (tierra, agua, aire y fuego), sino de éter, un material imponderable y transparente. El éter era la quinta esencia y era un elemento incorruptible que le aportaba al cielo la perfección y homogeneidad con las que contaba y que le diferencia de la diversa y heterogénea superficie terrestre.
Lo que el Aristotelismo no llegó a explicar fueron los movimientos a distancia, los movimientos en los que ninguna fuerza aparente parecía actuar sobre los cuerpos móviles, es decir, no llegó a observar la influencia de la gravedad en el movimiento de los cuerpos. Como aquella explicación, se le escapó de las manos, tomó el modelo geométrico de Eudoxio de esferas homocéntricas para configurar su modelo de Universo. El mundo supralunar que el filósofo definía, describía un movimiento circular y uniforme que era característicamente eterno. El concepto de eternidad del universo era muy cuestionable, pues el Universo es finito debido a que por definición éste comprende todo lo que hay, y más allá de él no puede haber nada por que el Universo comprende todo.

El capítulo de Newton de nuestro libro "De Arquímides a Einstein" cita muchos otros personajes que aportaron su granito de arena en la historia de la física, la siguiente línea del tiempo comprende todos estos personajes citados:

EL TELESCOPIO REFLECTOR DE NEWTON

Isaac Newton diseñó un telescopio que focalizaba, como se puede ver en la imagen de la izquierda, la luz de un cuerpo situado a una lejana distancia en un espejo cóncavo, que reflejaba esa luz en un espejo inclinado 45º, que a su vez reflejaba la luz para que llegase al visor. La ventaja de el telescopio de Newton, con respecto al que había sido diseñado previamente por Galileo (un telescopio refractor), era el aumento de la calidad de imagen. El telescopio de Galileo ofrecía una pobre calidad de imagen

debido a que los bordes de las lentes actuaban como prismas, y ello ocasionaba que aparecieran círculos y franjas coloreadas que distorsionaban los objetos, un efecto que recibía el nombre de "aberración cromática". Por otro lado, además de que el telescopio de Newton era de un menor coste, un telescopio suyo de quince centímetros conseguía cuarenta aumentos, mientras que un telescopio refractor de Galileo equivalente, debía tener un metro y medio de longitud.

Telescopio reflector de Galileo

El telescopio de Galileo producía imágenes aumentadas con el uso de lentes divergentes que distorsionaban la imagen y le daban una mala calidad a ésta. Kepler, contemporáneo de Galileo, diseñó un telescopio que sustituía las lentes divergentes de Galileo por lentes convergentes. El telescopio kepleriano o astronómico daba una resolución más constrastada y era más rápido, pero esta combinación óptica, ofrecía imágenes al revés que impedían el uso del telescopio en para finalidades distintas a la observación planetaria. El telescopio de Kepler se empezó a utilizar en 1630 principalmente, debido a que con la contribución del óptico Fontana, se solucionó el problema de que la imagen que ofrecía estaba al revés y ello permitió el uso del telescopio para funciones militares o de otro tipo en tierra. El problema se solucionó con la introducción del erector, un aparato óptico consistente de dos lentes convexas con la misma longitud focal que permitían que la imagen se viera derecha.

La refracción de la luz

La luz es una onda electromagnética que no necesita medio material para desplazarse (se puede propagar por el vacío, por regla general, se desplaza de forma rectilínea y uniforme (velocidad constante) en todo medio homogéneo (uniforme), pero cuando pasa oblicuamente de un medio transparente a otro, la luz experimenta un cambio de dirección y de velocidad al que llamamos refracción.
La refracción es el fenómeno que se produce cuando la luz pasa de un medio a otro en el cual su velocidad de propagación es distinto.
El índice de refracción es el cociente entre la velocidad de propagación de la luz en el vacío (que siempre va a ser mayor) entre la velocidad de propagación de la luz en otro medio transparente. Si el índice de refracción del medio que la luz va a pasar es menor que el del medio anterior, los rayos refractados se acercan a la normal, mientras que si el índice de refracción es mayor, los rayos se alejan de ella.

Refracción de rayo incidente

La reflexión de la luz

La incidencia de la luz sobre una superficie opaca, resulta en la vuelta del rayo de luz al medio. Este fenómeno recibe el nombre de reflexión. Este fenómeno explica el porqué vemos los colores y ocurre debido a que la superficie de incidencia de la luz blanca absorbe todas las ondas de diferentes longitudes de onda que corresponden a los diferentes colores que vemos, a excepción de la onda de longitud de onda correspondiente al color de la superficie en cuestión, que es reflejada. De esta forma la onda de color reflejada es vista por el visor. En el caso de una superficie negra todas las ondas de la luz blanca son absorbidas por ella y en el caso de una superficie blanca son reflejadas por ésta.
La reflexión es el fenómeno óptico por el cual la luz se refleja al incidir sobre la superficie de un cuerpo y ésta cambia de dirección conservando la misma velocidad de propagación.
Cuando la incidencia del rayo de luz se da sobre una superficie no pulida (rugosa), los rayos reflejados por la superficie salen en todas direcciones. Este tipo de reflexión recibe el nombre de reflexión difusa o irregular y es el que suele darse cuando los objetos no luminosos se hacen visibles a nuestros ojos.

Reflexión de rayo incidente

Isaac Newton observó utilizando un prisma de cristal cómo al pasar un rayo de luz blanca a través de él, ésta se descomponía en ondas de diferentes longitudes de onda que correspondían a diferentes colores del espectro visible. Hemos reproducido el mismo experimento con una botella de agua y éste ha sido el resultado:

En las imágenes, se puede observar la formación de un pequeño arcoíris con los colores del espectro visible. Se puede apreciar también que la luz roja, al propagarse con mayor velocidad, se desvía menos, mientras que la luz violeta, al propagarse con menor velocidad, se desvía más. La razón por la que esto ocurre es que al pasar el haz de luz blanca de un medio aéreo a un medio acuoso y de plástico (botella), cambian dirección y de velocidad de propagación (se refractan) las ondas de diferentes longitudes de onda de las que está compuesta la luz blanca, y al salir de la botella se pueden ver los colores que corresponden a cada una de ellas porque la luz blanca en el proceso de refracción se ha descompuesto.
El proceso de descomposición de la luz en otras luces más simples (separación de la luz en las diferentes longitudes de onda que la componen) se denomina dispersión. Las luces que podemos ver tras la dispersión pertenecen al espectro lumínico, también llamado espectro visible, y éstas representan una pequeña parte de las ondas electromagnéticas que realmente componen la luz. El ojo humano es incapaz de ver las ondas de radio y TV, microondas, rayos infrarrojos, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Sólo somos capaces de percibir las ondas cuya frecuencia está entre 4'3 · 10^14 y 7'5 · 10^14Hz

Éste es un modelo de cómo sir Isaac Newton realizó el experimento

El mismo proceso ocurre cuando sale el Sol después de llover, pues la luz pasa por las gotas de lluvia y se dispersa en un arcoíris, La luz del sol incide en la cara posterior de las gotas y llega al ojo del observador. Normalmente vemos un arcoíris primario, pero en los días de mucha luz, vemos un segundo arcoíris, que se encuentra por encima del primario o fundamental, y que surge a raíz de sucesivas reflexiones en el interior de las gotas de agua.
Ésta es una imagen de un arco iris observado personalmente por nosotros:

MOMENTO LINEAL

El momento lineal, o cantidad de movimiento de un cuerpo, es el producto de su masa m por su velocidad instantánea. 

Si hacemos uso de la Segunda Ley de Newton, que nos habla de la relación de proporcionalidad entre la aceleración de un cuerpo y la fuerza aplicada a él, podemos observar de dónde procede el momento lineal.

p=mv

El impulso de un fuerza es el producto de dicha fuerza por el intervalo de tiempo durante el cual ha estado actuando. La existencia de este factor que relaciona la fuerza y el tiempo nos aporta la explicación de por qué muchas veces una fuerza grande aplicada durante un cuerpo y en contacto con él durante muy poco tiempo, tiene menor efecto que una fuerza menor en contacto con un cuerpo durante más tiempo.

La Primera Ley de Newton se deduce a partir del momento lineal debido a que:

y si F= 0, la cantidad de movimiento (p=0) debe ser igual a 0, de la misma forma. Esto explica que si no hay una fuerza aplicada no varía la cantidad de movimiento, si el cuerpo está en reposo o si el cuerpo está describiendo un MRU, esto no cambia.

La Segunda Ley de Newton se deduce a partir del momento lineal debido a que:
La fuerza es igual al ritmo de cambio de la cantidad de movimiento, es decir que,

La Segunda Ley de Newton dice que la fuerza aplicada sobre un objeto produce una aceleración proporcional a dicha fuerza y que la masa es la constante de proporcionalidad. El ritmo de cambio correspondería en la expresión de arriba con la aceleración y la p (el momento lineal) correspondería con la constante de proporcionalidad ya que el momento lineal es igual a la masa por la velocidad instantánea.

La Tercera Ley de Newton se deduce a partir del momento lineal debido a que:

La Tercera Ley de Newton explica que cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, éste ejerce una fuerza igual y de sentido contrario, de modo que:

No existe variación en la cantidad de movimiento de una de las fuerzas a la otra, de modo que podemos asegurar que la fuerza de acción y la de reacción son iguales, debido a que crean la misma cantidad de movimiento en los cuerpos sobre los que actúan simultáneamente.

LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

Isaac Newton aplicó los principios de la Dinámica al movimiento de los planetas. La fuerza que ejerce el Sol  (masa M) sobre un planeta (masa m) es directamente proporcional a su masa e inversamente proporcional a la distancia entre los dos planetas al cuadrado. Teniendo en cuenta la ley de acción y reacción (cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro,éste ejerce una fuerza (reacción) igual y en sentido contrario sobre el primero y ambas fuerzas son simultáneas y se aplican sobre cuerpos diferentes), podemos concluir que la fuerza ejercida por el Sol sobre el planeta es la misma ejercida por el planeta sobre el Sol.

y teniendo en cuenta la Tercera Ley de Newton,

por tanto,

Esta relación constante recibía el nombre de Constante de Gravitación Universal (G), de modo que:

Mediante sustitución podemos extraer la siguiente fórmula, que es la Ley de Gravitación Universal y es general para todos los cuerpos.

La Ley de Gravitación Universal se generaliza enunciándola así:

“Dos cuerpos cualesquiera se atraen mutuamente con una fuerza que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa”.

Copérnico fue el primer científico en sentar las bases de los posteriores descubrimientos de Newton, dado que poco antes de morir, publicó "Revolución de órbitas celestes". Galileo contribuyó imaginándose el mundo en el vacío, sin la existencia de rozamientos, y describió la Ley de Inercia y la existencia de una constante en la caída de objetos.
Kepler hizo su contribución con las tres Leyes de Kepler acerca del movimiento de los cuerpos celestes.

• 1ª Ley de Kepler: Situaba el Sol un poco desplazado hacia uno de los focos de la órbita elíptica de la Tierra alrededor del Sol, y desmentía el pensamiento aristotélico erróneo general de que las órbitas de los planetas eran circulares, demostrando que eran elípticas.
• 2ª Ley de Kepler: Exponía que cuanto más cerca del sol estaba un planeta, más rápido era su movimiento, y cuanto más alejado, más lentamente se desplazaba.
• 3ª Ley de Kepler: Cuanto más larga es la órbita de un planeta, más tiempo tarda en recorrerse. 

Newton descubrió que cada par de partículas del Universo, se atraen mutuamente. La fuerza gravitatoria atractiva entre dos cuerpos observó que era directamente proporcional a cada masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las dos masas al cuadrado. Newton denotó que la atracción gravitatoria entre dos cuerpos se daba como si toda la fuerza estuviera concentrada en su centro.
La gravedad tiene el mismo efecto sobre cualquier objeto y lo podemos corroborar de la siguiente manera:

Igualamos ambas fuerzas,

La aceleración producida por la fuerza gravitatoria, deja de depender de la masa del objeto, lo cual nos indica que independientemente del objeto, la aceleración producida por la gravedad sobre él es igual. 

Newton se percató de que si disparaba un proyectil suficientemente rápido, éste entraría en órbita y consecuentemente a pesar de que no lograría escapar por completo el impulso gravitatorio que en un principio llevaría a ese proyectil a colisionar. Para poder evitar entrar en órbita su velocidad inicial debería ser aún mayor, teniendo en cuenta que fuerza atractiva sobre la superficie terrestre es muy intensa, por su cercanía al centro de la Tierra.

EL CAÑÓN DE NEWTON

Hemos experimentado con un applet del cañón de Newton, para ver la velocidad necesaria para que desde la superficie de la Tierra el proyectil con el que Newton hizo sus hipótesis, entrara en órbita o en una caída libre indefinida, y hemos creado el siguiente vídeo:

EXPLICACIÓN POR LA QUE LOS CUERPOS CELESTES EN ÓRBITA NO COLISIONAN CON EL CUERPO ALREDEDOR DEL QUE ORBITAN

Para demostrar que la fuerza gravitatoria no causa colisiones entre los cuerpos celestes en órbita resulta conveniente hacer uso de un ejemplo cercano para nosotros como es la órbita de la Luna alrededor de la Tierra. Primero se debe averiguar la velocidad mínima necesaria para que un objeto situado en las cercanías de la Tierra entre en órbita alrededor de ésta.

Aplicando el teorema de Pitágoras podemos asegurar que:



Sabiendo que el radio de la Tierra es 6.366km podemos obtener la velocidad de rotación necesaria para que la órbita sea posible, despejando su constante (v)
v= 7978’72m/s
Este dato indica que un cuerpo que viaja a 7978’72m/s en las cercanías de la Tierra no caería sobre ella, sino que terminaría orbitando (viajando en círculo o elipse alrededor de ella) alrededor de ella.
Utilizando el dato de distancia entre la Tierra y la Luna (384.400km) y el periodo orbital de la Luna (29 días), es posible averiguar la velocidad de la Luna.

El objeto cercano a la superficie de la Tierra necesitaba una velocidad mucho mayor (7978’72m/s) a la que tiene la Luna, para no colisionar sobre la Tierra y entrar en órbita. Esto demuestra que la Luna está sometida a una fuerza gravitatoria menor a la que tiene el objeto situado a 5m, por ello necesita una velocidad mucho menor para vencer la fuerza atractiva gravitatoria que la empuja a acercarse a la Tierra y colisionar consecuentemente con ella.

Para averiguar la fuerza gravitatoria de la Luna, sirviéndonos de nuevo del teorema de Pitágoras podemos obtener la distancia que cae la Luna en un segundo.



x= 0’00130m

En la Tierra, un cuerpo independientemente de su masa, en un segundo, cae 4’9 metros. La distancia es mayor porque al estar más cerca sobre la superficie de la Tierra del centro de ésta (acumulación de masa) que estando en la Luna, y por tanto la atracción gravitatoria es considerablemente mayor.



Sabiendo las aceleraciones de la gravedad terrestre y de la gravedad lunar, podemos calcular su relación de proporcionalidad: