Historia de la mecánica clásica

Este artículo trata de la historia de la mecánica clásica.

Precursores de la mecánica clásica

Antigüedad

Los antiguos filósofos griegos, Aristóteles en particular, fueron de los primeros en proponer que los principios abstractos gobiernan la naturaleza. Aristóteles argumentó, en Sobre los cielos, que los cuerpos terrestres suben o bajan a su "lugar natural" y estableció como ley la aproximación correcta de que la velocidad de caída de un objeto es proporcional a su peso e inversamente proporcional a la densidad del fluido en el que se encuentra. que cae a través. Aristóteles creía en la lógica y la observación, pero pasarían más de mil ochocientos años antes de que Francis Bacon desarrollara por primera vez el método científico de experimentación, al que llamó una vejación de la naturaleza.

Aristóteles vio una distinción entre "movimiento natural" y "movimiento forzado", y creía que 'en un vacío', un cuerpo en reposo permanecerá en reposo y un cuerpo en movimiento seguirá teniendo el mismo movimiento.De esta forma, Aristóteles fue el primero en acercarse a algo similar a la ley de la inercia. Sin embargo, creía que un vacío sería imposible porque el aire circundante entraría rápidamente para llenarlo de inmediato. También creía que un objeto dejaría de moverse en una dirección antinatural una vez que se eliminaran las fuerzas aplicadas. Los aristotélicos posteriores desarrollaron una explicación elaborada de por qué una flecha continúa volando por el aire después de haber dejado el arco, proponiendo que una flecha crea un vacío a su paso, en el que el aire se precipita, empujándolo desde atrás. Las creencias de Aristóteles fueron influenciadas por las enseñanzas de Platón sobre la perfección de los movimientos circulares uniformes de los cielos. Como resultado, concibió un orden natural en el que los movimientos de los cielos eran necesariamente perfectos, en contraste con el mundo terrestre de elementos cambiantes,

Hay otra tradición que se remonta a los antiguos griegos, donde las matemáticas se utilizan para analizar cuerpos en reposo o en movimiento, que puede encontrarse ya en el trabajo de algunos pitagóricos. Otros ejemplos de esta tradición incluyen a Euclides (On the Balance), Arquímedes (On the Equilibrium of Planes, On Floating Bodies) y Hero (Mechanica). Más tarde, los eruditos islámicos y bizantinos se basaron en estas obras y finalmente se reintrodujeron o estuvieron disponibles para Occidente en el siglo XII y nuevamente durante el Renacimiento.

Pensamiento medieval

El erudito islámico persa Ibn Sīnā publicó su teoría del movimiento en El libro de la curación (1020). Dijo que el lanzador imparte un ímpetu a un proyectil y lo consideraba persistente, lo que requería fuerzas externas, como la resistencia del aire, para disiparlo.Ibn Sina hizo una distinción entre 'fuerza' e 'inclinación' (llamada "mayl") y argumentó que un objeto gana mayl cuando el objeto está en oposición a su movimiento natural. Entonces concluyó que la continuación del movimiento se atribuye a la inclinación que se transfiere al objeto, y ese objeto estará en movimiento hasta que se agote el mayl. También afirmó que el proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actúe sobre él. Esta concepción del movimiento es consistente con la primera ley del movimiento de Newton, la inercia. Que establece que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Esta idea que disentía del punto de vista aristotélico fue descrita más tarde como "ímpetu" por John Buridan, quien fue influenciado por el Libro de la Curación de Ibn Sina.

En el siglo XII, Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi adoptó y modificó la teoría de Avicena sobre el movimiento de proyectiles. En su Kitab al-Mu'tabar, Abu'l-Barakat afirmó que el motor imparte una inclinación violenta (mayl qasri) sobre el que se mueve y que ésta disminuye a medida que el objeto en movimiento se aleja del motor. Según Shlomo Pines, la teoría del movimiento de al-Baghdaadi era "la negación más antigua de la ley dinámica fundamental de Aristóteles [a saber, que una fuerza constante produce un movimiento uniforme], [y es por tanto una] anticipación vaga de la ley fundamental de mecánica clásica [es decir, que una fuerza aplicada continuamente produce aceleración]".

En el siglo XIV, el sacerdote francés Jean Buridan desarrolló la teoría del ímpetu, con posible influencia de Ibn Sina. Albert, obispo de Halberstadt, desarrolló aún más la teoría.

Formación de la mecánica clásica.

El desarrollo del telescopio de Galileo Galilei y sus observaciones desafiaron aún más la idea de que los cielos estaban hechos de una sustancia perfecta e inmutable. Adoptando la hipótesis heliocéntrica de Copérnico, Galileo creía que la Tierra era igual a los demás planetas. Aunque se discute la realidad del famoso experimento de la Torre de Pisa, llevó a cabo experimentos cuantitativos haciendo rodar bolas en un plano inclinado; su teoría correcta del movimiento acelerado aparentemente se derivó de los resultados de los experimentos.Galileo también descubrió que un cuerpo que se deja caer verticalmente golpea el suelo al mismo tiempo que un cuerpo que se proyecta horizontalmente, por lo que una Tierra que gira uniformemente seguirá teniendo objetos que caen al suelo por gravedad. Más significativamente, afirmó que el movimiento uniforme es indistinguible del reposo y, por lo tanto, forma la base de la teoría de la relatividad. Excepto con respecto a la aceptación de la astronomía copernicana, la influencia directa de Galileo sobre la ciencia en el siglo XVII fuera de Italia probablemente no fue muy grande. Aunque su influencia sobre los laicos educados tanto en Italia como en el extranjero fue considerable, entre los profesores universitarios, a excepción de unos pocos que eran sus propios alumnos, fue insignificante.

Entre la época de Galileo y Newton, Christiaan Huygens fue el matemático y físico más importante de Europa occidental. Formuló la ley de conservación de las colisiones elásticas, produjo los primeros teoremas de la fuerza centrípeta y desarrolló la teoría dinámica de los sistemas oscilantes. También hizo mejoras al telescopio, descubrió Titán, la luna de Saturno, e inventó el reloj de péndulo. Su teoría ondulatoria de la luz, publicada en Traite de la Lumiere, fue posteriormente adoptada por Fresnel en la forma del principio de Huygens-Fresnel.

Sir Isaac Newton fue el primero en unificar las tres leyes del movimiento (la ley de la inercia, su segunda ley mencionada anteriormente y la ley de acción y reacción) y en demostrar que estas leyes gobiernan tanto los objetos terrestres como los celestes. Newton y la mayoría de sus contemporáneos esperaban que la mecánica clásica pudiera explicar todas las entidades, incluida (en forma de óptica geométrica) la luz. La propia explicación de Newton de los anillos de Newton evitaba los principios ondulatorios y suponía que las partículas de luz eran alteradas o excitadas por el vidrio y resonaban.

Newton también desarrolló el cálculo que es necesario para realizar los cálculos matemáticos involucrados en la mecánica clásica. Sin embargo, fue Gottfried Leibniz quien, independientemente de Newton, desarrolló un cálculo con la notación de la derivada y la integral que se utilizan hasta el día de hoy. La mecánica clásica conserva la notación de puntos de Newton para las derivadas del tiempo.

Leonhard Euler extendió las leyes de movimiento de Newton de partículas a cuerpos rígidos con dos leyes adicionales. Trabajar con materiales sólidos bajo fuerzas conduce a deformaciones que se pueden cuantificar. La idea fue articulada por Euler (1727), y en 1782 Giordano Riccati comenzó a determinar la elasticidad de algunos materiales, seguido por Thomas Young. Simeon Poisson amplió el estudio a la tercera dimensión con la relación de Poisson. Gabriel Lamé se basó en el estudio para asegurar la estabilidad de las estructuras e introdujo los parámetros de Lamé. Estos coeficientes establecieron la teoría de la elasticidad lineal e iniciaron el campo de la mecánica continua.

Después de Newton, las reformulaciones permitieron progresivamente dar solución a un número mucho mayor de problemas. El primero fue construido en 1788 por Joseph Louis Lagrange, un matemático ítalo-francés. En la mecánica lagrangiana la solución utiliza el camino de mínima acción y sigue el cálculo de variaciones. William Rowan Hamilton reformuló la mecánica lagrangiana en 1833. La ventaja de la mecánica hamiltoniana era que su marco permitía una mirada más profunda a los principios subyacentes. La mayor parte del marco de la mecánica hamiltoniana se puede ver en la mecánica cuántica, sin embargo, los significados exactos de los términos difieren debido a los efectos cuánticos.

Aunque la mecánica clásica es en gran medida compatible con otras teorías de la "física clásica", como la electrodinámica y la termodinámica clásicas, a fines del siglo XIX se descubrieron algunas dificultades que solo podían resolverse con una física más moderna. Cuando se combina con la termodinámica clásica, la mecánica clásica conduce a la paradoja de Gibbs en la que la entropía no es una cantidad bien definida. Cuando los experimentos alcanzaron el nivel atómico, la mecánica clásica no pudo explicar, ni siquiera aproximadamente, cosas tan básicas como los niveles de energía y los tamaños de los átomos. El esfuerzo por resolver estos problemas condujo al desarrollo de la mecánica cuántica. De manera similar, el comportamiento diferente del electromagnetismo clásico y la mecánica clásica bajo transformaciones de velocidad condujo a la teoría de la relatividad.

Mecánica clásica en la era contemporánea

A fines del siglo XX, la mecánica clásica en física ya no era una teoría independiente. Junto con el electromagnetismo clásico, se ha incrustado en la mecánica cuántica relativista o la teoría cuántica de campos. Define el límite mecánico no cuántico y no relativista para partículas masivas.

La mecánica clásica también ha sido fuente de inspiración para los matemáticos. La comprensión de que el espacio de fases en la mecánica clásica admite una descripción natural como una variedad simpléctica (de hecho, un fibrado cotangente en la mayoría de los casos de interés físico) y una topología simpléctica, que puede considerarse como el estudio de cuestiones globales de la mecánica hamiltoniana, ha ha sido un área fértil de la investigación matemática desde la década de 1980.