George Biddell Airy

Sir George Biddell Airy KCB FRS (27 de julio de 1801 – 2 de enero de 1892) fue un matemático y astrónomo inglés, y el séptimo astrónomo real desde 1835 hasta 1881. Sus muchos logros incluyen trabajos sobre órbitas planetarias, midiendo la densidad media de la Tierra, un método de solución de problemas bidimensionales en sólidos mecánica y, en su papel de Astrónomo Real, estableciendo Greenwich como la ubicación del primer meridiano.

Biografía

Airy nació en Alnwick, uno de una larga línea de Airys que trazaron su descendencia hasta una familia del mismo nombre que residía en Kentmere, en Westmorland, en el siglo XIV. La rama a la que pertenecía, habiendo sufrido en la Guerra Civil Inglesa, se trasladó a Lincolnshire y se convirtió en granjero. Airy se educó primero en las escuelas primarias de Hereford y luego en Colchester Royal Grammar School. Un niño introvertido, Airy ganó popularidad entre sus compañeros de escuela a través de su gran habilidad en la construcción de lanzaguisantes.

Desde los 13 años, Airy se hospedaba frecuentemente con su tío, Arthur Biddell, en Playford, Suffolk. Biddell le presentó a Airy a su amigo Thomas Clarkson, el abolicionista de la trata de esclavos que vivía en Playford Hall. Clarkson tenía una maestría en matemáticas de Cambridge y examinó a Airy en clásicos y luego hizo arreglos para que un miembro del Trinity College de Cambridge lo examinara sobre su conocimiento de las matemáticas. Como resultado, ingresó a Trinity en 1819, como sizar, lo que significa que pagó una tarifa reducida pero esencialmente trabajó como sirviente para hacer efectiva la reducción de la tarifa. Aquí tuvo una brillante carrera y parece haber sido reconocido casi de inmediato como el protagonista de su año. En 1822 fue elegido erudito de Trinity, y al año siguiente se graduó como wrangler senior y obtuvo el primer premio Smith. El 1 de octubre de 1824 fue elegido miembro de Trinity, y en diciembre de 1826 fue nombrado profesor lucasiano de matemáticas en sustitución de Thomas Turton. Esta cátedra la ocupó durante poco más de un año, siendo elegido en febrero de 1828 profesor plumiano de astronomía y director del nuevo Observatorio de Cambridge. En 1836 fue elegido miembro de la Royal Society y en 1840, miembro extranjero de la Real Academia Sueca de Ciencias. En 1859 se convirtió en miembro extranjero de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos.

Investigación

George Biddell Airy

Se puede obtener una idea de su actividad como escritor sobre temas matemáticos y físicos durante estos primeros años del hecho de que antes de este nombramiento había contribuido con tres importantes memorias a las Transacciones filosóficas de la Royal Society, y ocho a la Cambridge Philosophical Society. En el Observatorio de Cambridge, Airy pronto mostró su poder de organización. El único telescopio en el establecimiento cuando se hizo cargo era el instrumento de tránsito, y a él se dedicó vigorosamente. Mediante la adopción de un sistema regular de trabajo y un cuidadoso plan de reducción, pudo mantener sus observaciones al día y publicarlas anualmente con una puntualidad que asombró a sus contemporáneos. En poco tiempo se instaló un círculo mural y se instituyeron observaciones periódicas con él en 1833. En el mismo año, el duque de Northumberland presentó al observatorio de Cambridge un fino objeto de vidrio de 12 pulgadas de apertura, que se montó de acuerdo con Airy's diseños y bajo su supervisión, aunque la construcción no se completó hasta después de que se mudó a Greenwich en 1835.

Los escritos de Airy durante este tiempo se dividen entre la física matemática y la astronomía. Los primeros se ocupan en su mayor parte de cuestiones relacionadas con la teoría de la luz que surgen de sus conferencias docentes, entre las que se puede mencionar especialmente su artículo On the Difraction of an Object-Glass with Circular Aperture, y su enunciación de la teoría completa del arco iris. En 1831 se le otorgó la Medalla Copley de la Royal Society por estas investigaciones. De sus escritos astronómicos durante este período, los más importantes son su investigación de la masa de Júpiter, su informe a la Asociación Británica sobre el progreso de la astronomía durante el siglo XIX y su obra On an Inequality of Long Period in the Motions de la Tierra y Venus.

Una de las secciones de su hábil e instructivo informe estaba dedicada a 'Una comparación del progreso de la astronomía en Inglaterra con el de otros países', en gran desventaja para Inglaterra. Este reproche fue posteriormente eliminado en gran medida por sus propios trabajos.

Densidad media de la Tierra

Una de las investigaciones más notables de Airy fue su determinación de la densidad media de la Tierra. En 1826 se le ocurrió la idea de atacar este problema mediante experimentos de péndulo en la parte superior e inferior de una mina profunda. Su primer intento, realizado en el mismo año, en la mina Dolcoath en Cornualles, fracasó a consecuencia de un accidente en uno de los péndulos. Un segundo intento en 1828 fue derrotado por una inundación de la mina, y pasaron muchos años antes de que se presentara otra oportunidad. Los experimentos finalmente se llevaron a cabo en el pozo de Harton cerca de South Shields en el norte de Inglaterra en 1854. Su resultado inmediato fue mostrar que la gravedad en el fondo de la mina excedía a la de la parte superior en 1/19286 de su cantidad, siendo la profundidad de 383 m. (1256 pies). A partir de esto, llegó al valor final de la densidad específica de la Tierra de 6,566. Este valor, aunque considerablemente superior al encontrado previamente por diferentes métodos, fue sostenido por Airy, por el cuidado y la exhaustividad con la que se llevaron a cabo y discutieron las observaciones, para tener "derecho a competir con los demás en, en menos, términos iguales." El valor actualmente aceptado para la densidad de la Tierra es 5,5153 g/cm³.

Geoide de referencia

En 1830, Airy calculó las longitudes del radio polar y el radio ecuatorial de la Tierra usando medidas tomadas en el Reino Unido. Aunque sus medidas fueron reemplazadas por cifras de radio más precisas (como las utilizadas para GRS 80 y WGS84), su geoide Airy (estrictamente un elipsoide de referencia, OSGB36) todavía se usa en la Artillería de Gran Bretaña. Encuesta para el mapeo de Inglaterra, Escocia y Gales porque se ajusta mejor al nivel del mar local (unos 80 cm por debajo del promedio mundial).

Desigualdades planetarias

El descubrimiento de Airy de una nueva desigualdad en los movimientos de Venus y la Tierra es, en algunos aspectos, su logro más notable. Al corregir los elementos de las tablas solares de Delambre, había sospechado una desigualdad que su constructor había pasado por alto. La causa de esto no la buscó en vano por mucho tiempo; trece veces el movimiento medio de Venus es tan casi igual a ocho veces el de la Tierra que la diferencia asciende a sólo una pequeña fracción del movimiento medio de la Tierra, y del hecho de que el término depende de esta diferencia, aunque muy pequeña en sí mismo, recibe en la integración de las ecuaciones diferenciales un multiplicador de alrededor de 2.200.000, Airy fue llevado a inferir la existencia de una desigualdad sensible que se extiende sobre 240 años (Phil. Trans. cxxii. 67). La investigación fue probablemente la más laboriosa que se había realizado hasta la época de Airy en teoría planetaria, y representó la primera mejora específica en las tablas solares efectuada en Inglaterra desde el establecimiento de la teoría de la gravedad. En reconocimiento a esta labor se le concedió la Medalla de Oro de la Royal Astronomical Society en 1833 (volvería a ganarla en 1846).

Disco aireado

Imagen generada por ordenador simulando un Airy Disk

La resolución de los dispositivos ópticos está limitada por la difracción. Así que incluso la lente más perfecta no puede generar una imagen puntual en su foco, sino que hay un patrón central brillante que ahora se llama disco de Airy, rodeado de anillos concéntricos que forman un patrón de Airy. El tamaño del disco de Airy depende de la longitud de onda de la luz y del tamaño de la apertura. John Herschel había descrito previamente el fenómeno, pero Airy fue el primero en explicarlo teóricamente.

Este fue un argumento clave para refutar uno de los últimos argumentos restantes a favor del geocentrismo absoluto: el argumento de la estrella gigante. Tycho Brahe y Giovanni Battista Riccioli señalaron que la falta de paralaje estelar detectable en ese momento implicaba que las estrellas estaban a una gran distancia. Pero a simple vista y los primeros telescopios con aperturas pequeñas parecían mostrar que las estrellas eran discos de cierto tamaño. Esto implicaría que las estrellas eran muchas veces más grandes que el Sol (no conocían las estrellas supergigantes o hipergigantes, pero se calculó que algunas eran incluso más grandes que el tamaño de todo el universo estimado en ese momento). Sin embargo, las apariciones de los discos de las estrellas eran falsas: en realidad no estaban viendo imágenes estelares, sino discos de Airy. Con los telescopios modernos, incluso con los de mayor aumento, las imágenes de casi todas las estrellas aparecen correctamente como meros puntos de luz.

Astrónoma real

El Círculo de Tránsito de Airy en el Círculo de Tránsito, Greenwich

En junio de 1835, Airy fue nombrado astrónomo real en sustitución de John Pond y comenzó su larga carrera en el observatorio nacional, que constituye su principal título a la fama. El estado del observatorio en el momento de su nombramiento era tal que Lord Auckland, el primer Lord del Almirantazgo, consideró que "debía ser limpiado" mientras que Airy admitió que "estaba en un estado extraño". Con su habitual energía se puso a trabajar de inmediato para reorganizar toda la dirección. Remodeló los volúmenes de observaciones, puso la biblioteca sobre una base adecuada, montó el nuevo ecuatorial (Sheepshanks) y organizó un nuevo observatorio magnético. En 1847 se erigió un altacimutal, diseñado por Airy para permitir realizar observaciones de la luna no sólo en el meridiano, sino siempre que sea visible. En 1848, Airy inventó el tubo cenital reflejo para reemplazar el sector cenital empleado anteriormente. A finales de 1850 se erigió el gran círculo de tránsito de 203 mm (8 pulgadas) de apertura y 3,5 m (11 pies 6 pulgadas) de distancia focal, y sigue siendo el principal instrumento de su clase en el observatorio. El montaje en 1859 de una apertura ecuatorial de 330 mm (13 pulgadas) evocó el comentario en su diario de ese año: "Ahora no hay una sola persona empleada o instrumento utilizado en el observatorio que estaba allí en Mr Pond". 39;s tiempo"; y la transformación se completó con la inauguración del trabajo espectroscópico en 1868 y del registro fotográfico de manchas solares en 1873.

Prime Meridian in Greenwich

La formidable empresa de reducir las observaciones planetarias acumuladas realizadas en Greenwich entre 1750 y 1830 ya estaba en marcha bajo la supervisión de Airy cuando se convirtió en Astrónomo Real. Poco después emprendió la laboriosa tarea adicional de reducir la enorme masa de observaciones de la luna realizadas en Greenwich durante el mismo período bajo la dirección, sucesivamente, de James Bradley, Nathaniel Bliss, Nevil Maskelyne y John Pond, para sufragar los gastos de los cuales el Tesoro asignó una gran suma de dinero. Como resultado, no menos de 8.000 observaciones lunares fueron rescatadas del olvido y, en 1846, fueron puestas a disposición de los astrónomos de tal forma que pudieran ser utilizadas directamente para la comparación con la teoría y para la mejora de las tablas de el movimiento de la luna.

Por este trabajo, Airy recibió en 1848 un testimonio de la Royal Astronomical Society, y de inmediato condujo al descubrimiento por parte de Peter Andreas Hansen de dos nuevas desigualdades en el movimiento de la luna. Después de completar estas reducciones, Airy investigó, antes de emprender cualquier investigación teórica en relación con ellas, si algún otro matemático estaba investigando el tema y se enteró de que Hansen lo había tomado bajo el patrocinio del rey de Dinamarca, pero que, debido a la muerte del rey y la consiguiente falta de fondos, había peligro de que se viera obligado a abandonarlo, solicitó al almirantazgo en nombre de Hansen la suma necesaria. Su solicitud fue concedida de inmediato, y así sucedió que las famosas Tables de la Lune de Hansen se dedicaron a La Haute Amirauté de sa Majesté la Reine de la Grande Bretagne et d&# 39;Irlanda.

En 1851, Airy estableció un nuevo primer meridiano en Greenwich. Esta línea, el cuarto 'meridiano de Greenwich', se convirtió en la línea definitiva reconocida internacionalmente en 1884.

Buscar a Neptuno

George Biddell Airy caricatured by Ape in Vanity Fair Nov 1875

En junio de 1846, Airy comenzó a mantener correspondencia con el astrónomo francés Urbain Le Verrier sobre la predicción de este último de que las irregularidades en el movimiento de Urano se debían a un cuerpo no observado hasta el momento. Consciente de que el astrónomo de Cambridge John Couch Adams había sugerido que él había hecho predicciones similares, el 9 de julio Airy instó a James Challis a emprender una búsqueda sistemática con la esperanza de asegurar el triunfo del descubrimiento para Gran Bretaña. Finalmente, una búsqueda de rivales en Berlín por parte de Johann Gottfried Galle, instigada por Le Verrier, ganó la carrera por la prioridad. Aunque Airy fue "abusado salvajemente tanto por los ingleses como por los franceses" por no haber actuado más rápidamente sobre las sugerencias de Adams, también ha habido afirmaciones de que las comunicaciones de Adams habían sido vagas y dilatorias y, además, que la búsqueda de un nuevo planeta no era responsabilidad del Astrónomo Real.

Prueba de arrastre de éter

Usando un telescopio lleno de agua, en 1871 Airy buscó un cambio en la aberración estelar a través del agua refractante debido a la hipótesis del arrastre del éter. Como todos los demás intentos de detectar la deriva o el arrastre del éter, Airy obtuvo un resultado negativo.

Teoría lunar

En 1872 Airy concibió la idea de tratar la teoría lunar de una manera nueva, ya la edad de setenta y un años se embarcó en el prodigioso trabajo que supuso este esquema. Se encontrará una descripción general de su método en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. xxxiv, No. 3. Consistía esencialmente en la adopción de las expresiones numéricas finales de Charles-Eugène Delaunay para longitud, latitud y paralaje, con un término simbólico asociado a cada número, cuyo valor debía determinarse por sustitución en las ecuaciones de movimiento.

En esta forma de tratar la cuestión, el orden de los términos es numérico, y aunque la cantidad de trabajo es tal que bien podría haber disuadido a un hombre más joven, los detalles eran fáciles y una gran parte podría ser confiada a "una mera computadora".

La obra fue publicada en 1886, cuando su autor tenía ochenta y cinco años. Durante algún tiempo antes lo había acosado la sospecha de que ciertos errores se habían deslizado en los cálculos y, en consecuencia, se dedicó a la tarea de revisión. Pero sus poderes ya no eran los que habían sido, y nunca fue capaz de examinar suficientemente el asunto. En 1890 nos cuenta cómo se había cometido un grave error en uno de los primeros pasos, y agrega patéticamente: "Mi espíritu en el trabajo estaba quebrantado, y desde entonces nunca he procedido de todo corazón".

Ingeniería mecánica

Método de función de estrés

En 1862, Airy presentó una nueva técnica para determinar el campo de tensión y tensión dentro de una viga. Esta técnica, a veces llamada método de la función de tensión de Airy, se puede utilizar para encontrar soluciones a muchos problemas bidimensionales en la mecánica de sólidos (ver Wikiversidad). Por ejemplo, H. M. Westergaard lo utilizó para determinar el campo de tensión y deformación alrededor de la punta de una grieta y, por lo tanto, este método contribuyó al desarrollo de la mecánica de la fractura.

Desastre del puente Tay

Original Tay Puente del norte

Destrucción del puente de Tay

Se consultó a Airy sobre las velocidades del viento y las presiones que probablemente se encontrarán en el puente colgante de Forth que fue diseñado por Thomas Bouch para North British Railway a fines de la década de 1870. Pensó que no se podían esperar presiones superiores a las 10 libras por pie cuadrado (500 pascales), un comentario que Bouch interpretó como que también se aplicaba al primer puente ferroviario de Tay que se estaba construyendo en ese momento. Sin embargo, se pueden esperar presiones mucho mayores en tormentas severas. Airy fue llamado a declarar ante la Investigación Oficial sobre el desastre del Puente Tay y fue criticado por su consejo. Sin embargo, se sabía poco sobre los problemas de la resistencia al viento de las grandes estructuras, y se pidió a una Comisión Real sobre la Presión del Viento que realizara una investigación sobre el problema.

Controversia

Airy fue descrito en su obituario publicado por la Royal Society como "un duro adversario" y sobreviven historias de varios desacuerdos y conflictos con otros científicos. Francis Ronalds descubrió que Airy era su enemigo mientras era el Director Honorario inaugural del Observatorio de Kew, que Airy consideraba un competidor de Greenwich. Otros conflictos bien documentados fueron con Charles Babbage y Sir James South.

Vida privada

En julio de 1824, Airy conoció a Richarda Smith (1804–1875), "una gran belleza", en un recorrido a pie por Derbyshire. Más tarde escribió: "Nuestros ojos se encontraron... y mi destino quedó sellado... Sentí irresistiblemente que debíamos estar unidos". y Airy le propuso matrimonio dos días después. El padre de Richarda, el reverendo Richard Smith, sintió que Airy carecía de los recursos económicos para casarse con su hija. Solo en 1830, con Airy establecido en su puesto de Cambridge, se concedió el permiso para el matrimonio.

George Biddell Airy (John Collier, 1883)

Los Airy tuvieron nueve hijos, los primeros tres de los cuales murieron jóvenes.

• Elizabeth Airy (nacida en 1833) murió de consumo (tuberculosis) en 1852.
• El mayor niño para sobrevivir a la edad adulta fue Wilfrid (1836-1925), quien diseñó e ingenuó el Observatorio Orwell Park de George Tomline. La hija de Wilfrid era la artista Anna Airy. La madre de Anna murió poco después de nacer y fue criada por sus tías solteras Christabel y Annot (ver abajo).
• El hijo de George Airy Hubert Airy (1838-1903) fue médico y pionero en el estudio de la migraña. Airy mismo sufrió de esta condición.
• La hija mayor de Airys, Hilda (1840-1916), se casó con el matemático Edward Routh en 1864.
• Christabel (1842-1917) murió sin casarse, como lo hizo la siguiente hermana Annot (1843-1924).
• El niño más joven de Airys era Osmund (1845-1929).

Airy fue nombrado caballero el 17 de junio de 1872.

Airy se jubiló en 1881 y vivió con sus dos hijas solteras en Croom's Hill, cerca de Greenwich. En 1891 sufrió una caída y una lesión interna. Sobrevivió a la cirugía consecuente solo unos pocos días. Su riqueza al morir era de 27.713 libras esterlinas, equivalente a 3.746.548,49 libras esterlinas en 2021. Airy, su esposa y sus tres hijos fallecidos anteriormente están enterrados en la iglesia de St. Mary en Playford, Suffolk. Una casa de campo propiedad de Airy sigue en pie, junto a la iglesia y ahora en manos privadas.

Sir Patrick Moore afirmó en su autobiografía que se ha visto al fantasma de Airy acechando el Observatorio Real de Greenwich después del anochecer. (página 178)

Legado y honores

• Presidente electo de la Royal Astronomical Society cuatro veces, por un total de siete años (1835–37, 1849–51, 1853–55, 1863–64). Ninguna otra persona ha sido presidente más de cuatro veces (un registro que comparte con Francis Baily).
• Miembro de la Academia Americana de Artes y Ciencias (1832)
• El cráter marciano Airy es nombrado por él. Dentro de ese cráter se encuentra otro cráter más pequeño llamado Airy-0 cuya ubicación define el meridiano primario de ese planeta, al igual que la ubicación del telescopio 1850 de Airy para la Tierra.
• ganador del Premio Lalande de Astronomía de la Academia Francesa de Ciencias, 1834
• Elegido como miembro de la Sociedad Filosófica Americana en 1879.
• También hay un cráter lunar Airy llamado en su honor.
• La teoría de las ondas aéreas es la teoría lineal para la propagación de ondas de gravedad en la superficie de un fluido.
• Las funciones Airy Ai(x) y Bi(x) y la ecuación diferencial que surgen son nombradas en su honor, así como el disco Airy y los puntos Airy.
• Honorary Fellow of the Institution of Engineering and Technology.