Inercia

La inercia significa que un objeto continuará su movimiento actual hasta que alguna fuerza haga que cambie su velocidad o dirección. El término inercia se entiende correctamente como abreviatura del "principio de inercia" descrito por Newton en su primera ley del movimiento.

Después de algunas otras definiciones, Newton establece su primera ley de movimiento:

LEY I. Todo objeto persevera en su estado de reposo, o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas impresas en él.

La palabra "persevera" es una traducción directa del latín de Newton. Otros términos menos contundentes como "continuar" o "permanecer" se encuentran comúnmente en los libros de texto modernos. El uso moderno se deriva de algunos cambios en la mecánica original de Newton (como se establece en los Principia) realizados por Euler, d'Alembert y otros cartesianos. El término inercia proviene de la palabra latina iners, que significa ocioso, lento.

El término inercia también puede referirse a la resistencia de cualquier objeto físico a un cambio en su velocidad. Esto incluye cambios en la velocidad o la dirección del movimiento del objeto. Un aspecto de esta propiedad es la tendencia de los objetos a seguir moviéndose en línea recta a una velocidad constante cuando no actúan fuerzas sobre ellos. La inercia es una de las manifestaciones primarias de la masa, que es una propiedad cuantitativa de los sistemas físicos.

Isaac Newton definió la inercia como una fuerza en la monumental Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica:

DEFINICIÓN III. La vis insita, o fuerza innata de la materia, es un poder de resistir por el cual cada cuerpo, tanto como en él yace, se esfuerza por perseverar en su estado presente, ya sea de reposo o de avanzar uniformemente en línea recta.

El principio de inercia es uno de los principios fundamentales de la física clásica. Todavía se usa hoy para describir el movimiento de los objetos y cómo se ven afectados por las fuerzas aplicadas sobre ellos.

Historia y desarrollo del concepto.

Comprensión temprana del movimiento inercial

El sinólogo Joseph Needham atribuye al Mozi (un texto chino del período de los Reinos Combatientes (475-221 a. C.)) la primera descripción de la inercia.

Antes del Renacimiento europeo, la teoría predominante del movimiento en la filosofía occidental era la de Aristóteles (335 a. C. a 322 a. C.). En la superficie de la Tierra, la propiedad de inercia de los objetos físicos a menudo está enmascarada por la gravedad y los efectos de la fricción y la resistencia del aire, los cuales tienden a disminuir la velocidad de los objetos en movimiento (comúnmente hasta el punto de reposo). Esto indujo al filósofo Aristóteles a creer que los objetos se moverían solo si se les aplicaba fuerza. Aristóteles dijo que todos los objetos en movimiento (en la Tierra) finalmente se detienen a menos que un poder externo (fuerza) continúe moviéndolos. Aristóteles explicó el movimiento continuo de los proyectiles, después de separarse de su proyector, como una acción (en sí misma inexplicable) del medio circundante que continúa moviendo el proyectil.

A pesar de su aceptación general, el concepto de movimiento de Aristóteles fue discutido en varias ocasiones por filósofos notables durante casi dos milenios. Por ejemplo, Lucrecio (siguiendo, presumiblemente, a Epicuro) afirmó que el "estado predeterminado" de la materia era el movimiento, no la estasis. En el siglo VI, John Philoponus criticó la inconsistencia entre la discusión de Aristóteles sobre los proyectiles, donde el medio mantiene los proyectiles en marcha, y su discusión sobre el vacío, donde el medio obstaculizaría el movimiento de un cuerpo. Philoponus propuso que el movimiento no se mantenía por la acción de un medio circundante, sino por alguna propiedad impartida al objeto cuando se puso en movimiento. Aunque éste no era el concepto moderno de inercia, pues todavía existía la necesidad de una potencia para mantener un cuerpo en movimiento, resultó ser un paso fundamental en esa dirección. Averroes y muchos filósofos escolásticos que apoyaban a Aristóteles se opusieron firmemente a esta opinión. Sin embargo, este punto de vista no pasó desapercibido en el mundo islámico, donde Philoponus tenía varios seguidores que desarrollaron aún más sus ideas.

En el siglo XI, el erudito persa Ibn Sina (Avicena) afirmó que un proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actuara sobre él.

Teoría del ímpetu

En el siglo XIV, Jean Buridan rechazó la idea de que una propiedad generadora de movimiento, a la que denominó ímpetu, se disipara espontáneamente. La posición de Buridan era que un objeto en movimiento sería detenido por la resistencia del aire y el peso del cuerpo que se opondría a su ímpetu.Buridan también sostuvo que el ímpetu aumentaba con la velocidad; por lo tanto, su idea inicial de ímpetu era similar en muchos aspectos al concepto moderno de impulso. A pesar de las similitudes obvias con las ideas más modernas de la inercia, Buridan vio su teoría como solo una modificación de la filosofía básica de Aristóteles, manteniendo muchos otros puntos de vista peripatéticos, incluida la creencia de que todavía había una diferencia fundamental entre un objeto en movimiento y un objeto en reposo.. Buridan también creía que el ímpetu podría ser no solo de naturaleza lineal sino también circular, haciendo que los objetos (como los cuerpos celestes) se muevan en círculo.

El pensamiento de Buridan fue seguido por su alumno Alberto de Sajonia (1316-1390) y los Calculadores de Oxford, quienes realizaron varios experimentos que socavaron aún más el modelo aristotélico. Su trabajo, a su vez, fue elaborado por Nicole Oresme, quien fue pionera en la práctica de ilustrar las leyes del movimiento con gráficos.

Poco antes de la teoría de la inercia de Galileo, Giambattista Benedetti modificó la creciente teoría del ímpetu para involucrar solo el movimiento lineal:

"...[Cualquier] porción de materia corporal que se mueve por sí misma cuando una fuerza motriz externa le ha imprimido un ímpetu tiene una tendencia natural a moverse en un camino rectilíneo, no curvo".

Benedetti cita el movimiento de una piedra en una honda como un ejemplo del movimiento lineal inherente de los objetos, forzados a un movimiento circular.

Inercia clásica

Según el historiador de la ciencia Charles Coulston Gillispie, la inercia "entró en la ciencia como una consecuencia física de la geometrización del espacio-materia de Descartes, combinada con la inmutabilidad de Dios".

El primer físico en romper completamente con el modelo aristotélico de movimiento fue Isaac Beeckman en 1614. El término "inercia" fue introducido por primera vez por Johannes Kepler en su Epitome Astronomiae Copernicanae (publicado en tres partes entre 1617 y 1621); sin embargo, el significado del término de Kepler (que derivó de la palabra latina para "ociosidad" o "pereza") no era exactamente el mismo que su interpretación moderna. Kepler definió la inercia solo en términos de resistencia al movimiento, una vez más basándose en la presunción de que el reposo era un estado natural que no necesitaba explicación. No fue hasta el trabajo posterior de Galileo y Newton unificaron el reposo y el movimiento en un principio que el término "inercia" se pudo aplicar a estos conceptos como lo es hoy.

El principio de inercia, tal como lo formuló Aristóteles para "movimientos en el vacío", incluye que un objeto mundano tiende a resistir un cambio en el movimiento. La división aristotélica del movimiento en mundano y celestial se volvió cada vez más problemática frente a las conclusiones de Nicolás Copérnico en el siglo XVI, quien argumentó que la Tierra nunca está en reposo, sino que en realidad está en constante movimiento alrededor del Sol. Galileo, en su posterior desarrollo del modelo copernicano, reconoció estos problemas con la naturaleza entonces aceptada del movimiento y, al menos parcialmente, como resultado, incluyó una reafirmación de la descripción de Aristóteles del movimiento en el vacío como un principio físico básico:

Un cuerpo que se mueve sobre una superficie nivelada continuará en la misma dirección a una velocidad constante a menos que sea perturbado.

Galileo escribe que "eliminados todos los impedimentos externos, un cuerpo pesado sobre una superficie esférica concéntrica con la tierra se mantendrá en el estado en que ha estado; si se coloca en un movimiento hacia el oeste (por ejemplo), se mantendrá en ese movimiento". Esta noción, que los historiadores de la ciencia denominan "inercia circular" o "inercia circular horizontal", es precursora, pero distinta, de la noción de inercia rectilínea de Newton. Para Galileo, un movimiento es "horizontal" si no lleva al cuerpo en movimiento hacia o desde el centro de la tierra, y para él, "un barco, por ejemplo, habiendo recibido un impulso una vez a través del mar tranquilo, se movería continuamente alrededor de nuestro globo sin parar nunca".

También vale la pena señalar que Galileo más tarde (en 1632) concluyó que, basándose en esta premisa inicial de inercia, es imposible distinguir entre un objeto en movimiento y uno estacionario sin alguna referencia externa con la que compararlo. Esta observación finalmente se convirtió en la base para que Albert Einstein desarrollara la teoría de la relatividad especial.

Los conceptos de inercia en los escritos de Galileo luego serían refinados, modificados y codificados por Isaac Newton como la primera de sus Leyes del movimiento (publicada por primera vez en la obra de Newton, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, en 1687):

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo, o de movimiento uniforme en línea recta, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas impresas en él.

Desde su publicación inicial, las Leyes del movimiento de Newton (y por inclusión, esta primera ley) han llegado a formar la base de la rama de la física conocida como mecánica clásica.

Sin embargo, a pesar de definir el concepto con tanta elegancia en sus leyes del movimiento, ni siquiera Newton usó el término "inercia" para referirse a su Primera Ley. De hecho, Newton originalmente vio el fenómeno que describió en su Primera Ley del Movimiento como causado por "fuerzas innatas" inherentes a la materia, que resistieron cualquier aceleración. Dada esta perspectiva, y tomando prestado de Kepler, Newton atribuyó el término "inercia" para significar "la fuerza innata que posee un objeto que resiste los cambios de movimiento"; por lo tanto, Newton definió "inercia" en el sentido de la causa del fenómeno, en lugar del fenómeno en sí. Sin embargo, las ideas originales de Newton de la "fuerza de resistencia innata" fueron en última instancia problemáticas por una variedad de razones y, por lo tanto, la mayoría de los físicos ya no piensan en estos términos. Como no se ha aceptado fácilmente ningún mecanismo alternativo, y ahora se acepta generalmente que puede no haber uno que podamos conocer, el término "inercia" ha llegado a significar simplemente el fenómeno en sí, en lugar de cualquier mecanismo inherente. Por lo tanto, en última instancia, "inercia" en la física clásica moderna se ha convertido en un nombre para el mismo fenómeno descrito por la Primera Ley del Movimiento de Newton, y los dos conceptos ahora se consideran equivalentes.

Relatividad

La teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, propuesta en su artículo de 1905 titulado "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento", se basó en la comprensión de los marcos de referencia inerciales desarrollados por Galileo y Newton. Si bien esta teoría revolucionaria cambió significativamente el significado de muchos conceptos newtonianos, como masa, energía y distancia, el concepto de inercia de Einstein permaneció al principio sin cambios con respecto al significado original de Newton. Sin embargo, esto resultó en una limitación inherente a la relatividad especial: el principio de la relatividad solo podía aplicarse a marcos de referencia inerciales. Para abordar esta limitación, Einstein desarrolló su teoría general de la relatividad ("The Foundation of the General Theory of Relativity", 1916), En relatividad general, el concepto de movimiento inercial tiene un significado más amplio que antes. Teniendo en cuenta la relatividad general, el movimiento inercial es cualquier movimiento de un cuerpo que no se ve afectado por fuerzas de origen eléctrico, magnético o de otro origen, sino que se encuentra únicamente bajo la influencia de masas gravitatorias. Físicamente hablando, esto es exactamente lo que indica un acelerómetro de tres ejes que funciona correctamente cuando no detecta ninguna aceleración adecuada.

Inercia rotacional

Una cantidad relacionada con la inercia es la inercia rotacional (→ momento de inercia), la propiedad de que un cuerpo rígido giratorio mantiene su estado de movimiento rotacional uniforme. Su momento angular permanece sin cambios a menos que se aplique un par externo; esto se llama conservación del momento angular. La inercia rotacional a menudo se considera en relación con un cuerpo rígido. Por ejemplo, un giroscopio utiliza la propiedad de resistir cualquier cambio en el eje de rotación.