Biografía Isaac Newton

Las Americas

Thais Schmidt

Isaac Newton; matemático, físico y astrónomo ingles, nacido en Woolsthorpe el día de navidad de 1942 y muerto en Londres el

1727, siendo enterrado en el pabellón de los hombres ilustres de la abadía de Westminster. Se inmortalizó por el descubrimiento de las leyes de la mecánica y la gravitación universal, su explicación de la

descomposición de la luz en los diferentes colores, y por sus nobles trabajos relativos al álgebra i la geometría, así como la invención (de

forma independiente de Lebnitz) del calculo diferencial.

• Otros de sus descubrimientos o invenciones importantes son:

• Telescopio reflector de Newton, • obtención de los anillos de Newton (un fenómeno óptico que se produce por la refracción de

la luz en materiales de grosor variable),

• otros fenómenos ópticos como anillos de interferencias y el disco de luz blanca,

• tubo de vacío par demostrar la caída de materiales,

• etc.

• Estudió en el colegio Trinidad (trinity college) de la universidad de Cambridge. Siguiendo técnicas de su maestro Barrow, familiarizándose con la geometría de Descartes y la aritmética de Wallis, descubrió el método de las tangentes2y el calculo de fluxsiones directas e indirectas (nuestras actuales derivadas), así como el teorema del binomio que lleva su nombre. En 1665 comenzó a pensar sobre la teoría de la gravitación universal, cuando (según la leyenda) le cayó una manzana en su jardín de Woolsthorpe. En 1671 expuso su hipótesis de la composición de la luz blanca, completando de esta forma la explicación dada por Descartes a los fenómenos como el arco iris y la reflexión. En 1675 comunicó a la docta corporación su explicación de los diferentes colores de los cuerpos expuestos a la luz blanca. De la misma forma, dio a conocer la teoría de los colores producidos por la superposición de líneas finas (anillos de Newton). Fue nombrado inspector, y posteriormente director, de la Real Casa de la Moneda, en 1696 y 1699 respectivamente. Seis años mas tarde fue nombrado caballero por la reina Ana.

Newton vino al mundo en una familia de pequeños propietarios de Woolsthorpe, en el condado de Lincolnshire (Inglaterra), antes de su nacimiento ya era

huérfano de padre. Su infancia fue marcada por continuas enfermedades, su familia dudaba que sobreviviera muchos años. A esta temprana edad su principal

afición era construir sus propios juguetes. A los tres años, su madre se casó de nuevo con un rector, dejando al joven Isaac con sus abuelos. Comenzó a estudiar en dos escuelas de Woolsthorpe, hasta q ingresó con doce años en la escuela de Grantham. No era un gran estudiante, pero un día se peleó con un compañero y decidió adelantarlo en los estudios: consiguió llegar a ser el primero en su clase. Al rededor de los quince años, volvió a ayudar a la granja materna, por la muerte de su padrastro. Cuando iba a vender al mercado de Grantham, dejaba su trabajo

al criado para leer tratados científicos, de no ser por esta picardía la ciencia se echaría a faltar uno sus principales exponentes en toda la historia. El reverendo

William Ayscough, tío de Newton y diplomado por el Trinity College de Cambridge, insistió para que se matriculara en Cambridge, donde consiguió el bachillerato en matemáticas, física y geometría (se matriculó de física ya que quería entender los tratados de astrología, que en aquellos tiempos estaba

mezclada con la ciencia real). Nuevamente, volvió a la granja materna, asolada por la peste, donde se dice que observó la caída de una manzana a la vez q veía la luna, cosa que le sirvió de inspiración para su famosa teoría de la gravitación

universal. En un principio, no publicó sus resultados dado que no cuadraban con los datos disponibles en la época. Sin embargo, los que estaban equivocados

eran los experimentales, cosa que no descubrió hasta años después.

Descubrimientos e inventos que Newton aportó a la historia de la ciencia.

• Fuerza centrípeta: Del latín hacia el centro, es la fuerza resultante que causa de todo movimiento circular, dirigida hacia el centro y con una magnitud igual a , siendo el radio de la circunferencia instantánea que describe la trayectoria. Esta ley, aplicada al movimiento de la luna, pudo ser la inspiración a la ley del cuadrado de la distancia de la gravitación universal.

• Descomposición de la luz en colores:* Explicó el fenómeno mediante una teoría corpuscular de a descomposición de la luz blanca en los diferentes colores del arco iris en pasar por prismas transparentes.

• Gravitación universal:* Cuantificó y describió la atracción de los cuerpos por el simple hecho de tener masa. • Leyes de Kepler: Las demostró matemáticamente a partir de su teoría de la gravitación universal. Las leyes de

Kepler sobre las órbitas de los planetas afirman que: 1.- las órbitas son elípticas, con el sol en un foco de la misma; 2.- el radio vector que une el planeta con el sol barre áreas iguales en tiempos iguales; 3.- el cubo del semieje mayor de la elipse orbital de cada planeta es proporcional al cuadrado del período que tarda el planeta.

• Hipótesis corpuscular de la luz: Intentó explicar diversos aspectos de la propagación de la luz suponiendo que estaba formada por pequeños proyectiles, corpúsculos. Ésta fue la teoría dominante hasta los experimentos de doble rendija de Young.

• Mecánica newtoniana:* La mecánica es l parte de la física que se encarga de estudiar el movimiento de los cuerpos y sus causas. La formulación newtoniana es la más sencilla y práctica en la mayoría de situaciones en que no intervienen correcciones relativistas y cuánticas.

• Óptica: Hizo diferentes adelantos en óptica, entre los que destaca el telescopio de reflexión. Probablemente el «Óptica» sea el segundo libro en importancia que publicó a lo largo de su vida.

• Leyes del movimiento:* Las tres leyes que fundamentan la mecánica de Newton fueron publicadas en su libro más importante, los «Principia».

Mecánica • La mecánica física (estudio del movimiento de la materia en el

espacio, y de sus causas) tiene millones de años de antigüedad, aunque los adelantos más importantes no se produjeron hasta a época de Newton. El concepto del movimiento anterior a Newton, procedente de los antiguos griegos, dependía de la creencia sobre que la tierra era el centro inamovible y fijo del universo. Los objetos tendían a situarse en su nivel natural: tierra, agua, aire y fuego.

• Igualmente, el desarrollo de la mecánica newtoniana tiende a comprender la definición y el análisis del movimiento, teniendo en cuenta que las deducciones han de ser aplicadas también en la astronomía para la descripción del movimiento de planetas y astros. Ésto, por primera vez, unifica la física de lo terrestre y lo celestial.

• Newton descompuso el movimiento de los cuerpos en dos contribuciones: el movimiento natural y el artificial. El movimiento natural es aquél causado por la gravedad, que tiende a hacer que los objetos se acerquen mutuamente. El movimiento artificial es aquél que está causado por la aplicación de otras fuerzas en el presente o en instantes pasados. El resultado es una línea curvada que puede calcularse a partir de la aplicación de las leyes de la mecánica de Newton.

• Newton demostró empíricamente la hipótesi de Galileo sobre la caída de cuerpos en un tubo de vacío, en que la caída de los mismos (el movimiento natural de la materia) es independiente de la masa.

Teoria de la luz• Newton realizó el conocido experimento de doble refracción mediante prismas de vidrio

transparente con caras no paralelas. En una primera etapa, el experimento se realiza con tan solo un prisma. Un haz de luz blanca que entra a un cuarto oscuro traviesa un trozo de cristal con caras planas no paralelas y sufre una doble refracción al entrar y salir del mismo. La luz se recoge con una pantalla. El resultado que se obtiene es un haz que contiene todos los colores naturales separados: el rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta

• Gravitación universal

• En la caída de los cuerpos en arco, según la primera ley de Newton, debe existir una fuerza diferente de cero, ya que sino el cuerpo seguiría una trayectoria rectilínea. Esta fuerza se ha dado a llamar gravedad. Su dirección está en la linea que une los centros de masas de cada cuerpo, y su sentido siempre es atractivo. Newton propuso una pequeña pero revolucionaria idea: que la fuerza que actúa en la caída de los cuerpos en la tierra, y la que crea las órbitas elípticas de los planetas, tienen el mismo origen. Supongamos que estamos en la cima de una gran montaña y que lanzamos un proyectil de forma horizontal. Éste seguirá una trayectoria curva hacia el suelo. Si lanzamos otro proyectil más largo, la curva que describirá será más amplia. Y así sucesivamente, hasta que lancemos el proyectil tan rápidamente que, debido a la curvatura de la tierra, no llegue a chocar contra el suelo y vuelva a nosotros por detrás tras haber dado la vuelta al mundo (hoy en día, la trayectoria de los satélites artificiales se pueden explicar de esta forma). En resumen, el movimiento del proyectil seria una curva cerrada al rededor de la tierra, muy similar a la que describen los planetas en rededor del sol. Tan solo resta, pues, describir las condiciones en que se produce la atracción gravitatoria en el marco de la teoría de Newton. Según el teorema de Gauss, todos los cuerpos con simetría esférica (la mayoría) se atraen unos a otros como si toda su masa estuviera concentrada en el centro. Además, por el tercer principio de Newton, el de acción y reacción, la atracción debe ser mutua.

• Siendo la gravitación una propiedad de la masa, es lógico pensar que la atracción crecerá proporcionalmente con la masa de ambos cuerpos involucrados, es decir, la fuerza gravitatoria debe ser proporcional al producto de las masas de los dos cuerpos.

• Para explicar la proporcionalidad inversa con el cuadrado de la distancia. Podemos imaginar que la gravedad se expande en todas direcciones e el espacio de igual forma. Por tanto, podemos considerar que la fuerza se distribuye uniformemente por la superficie de una esfera de radio . La intensidad de la fuerza sera mayor cuanto menor sea la superficie de dicha esfera, ya que al suponer difusión uniforme la fuerza sera inversamente proporcional a la superficie. Dado que la superficie de una esfera se escribe de la forma , que crece de forma proporcional al cuadrado de la distancia, la fuerza decrecerá de forma inversamente proporcional a .

• Así pues, siguiendo estos razonamientos, u otros equivalentes, Newton llegó a establecer que la fuerza debida a la gravedad entre dos masas, de valores y , separadas una distancia cumple la ecuación,

• donde el signo indica proporcionalidad. Podemos transformar la proporcionalidad a una igualdad introduciendo la constante de la gravitación universal, G, de la forma,

• De hecho, el valor de la constante de la gravitación universal no se supo hasta más de medio siglo después de la muerte de Newton. El primero en medirlo fue el excéntrico físico británico Henry Cavendish (1731-1810), que obtuvo el valor

Teoría del movimiento de Newton • La aceleración, la velocidad y la posición son cantidades vectoriales, es decir,

para especificarlas completamente necesitamos indicar una dirección y sentido al mismo tiempo que la magnitud. Por ejemplo, en el movimiento circular uniforme, la velocidad y la aceleración son siempre perpendiculares: la aceleración, de valor , siempre apunta hacia el centro de la trayectoria, mientras que la velocidad es tangente a la misma. Los conceptos básico de las leyes del movimientos descritas en la obra magna de Isaac Newton son:

• Masa: la cantidad de materia que contiene un cuerpo, que mide la oposición de un cuerpo a cambiar su estado de movimiento.

• Cantidad de movimiento: en la mecánica newtoniana la cantidad de movimiento se define como el producto de la masa por la velocidad.

• Inercia: la inercia es la propiedad de los cuerpos con masa de oponerse al cambio en su estado de movimiento, es decir, la oposición que presentan a sufrir aceleración bajo influencia de una fuerza.

• Fuerza: es la acción que un cuerpo ejerce sobre otro produciendo uno de los siguientes efectos: cambiar el valor de la velocidad del cuerpo, desviarlo de su trayectoria inicial, producir una deformación o bien cancelar fuerzas producidas por otros cuerpos

Las tres leyes de Newton de la mecánica.

• Primera ley de Newton: Si no ejercemos ninguna fuerza sobre un cuerpo, si este esta en reposo tiende a mantenerse en reposo, y si su movimiento es rectilíneo uniforme, permanece de esta forma indefinidamente. Esta ley significó un cambio radical respecto las antiguas creencias aristotélicas del movimiento, que aseguraban que todo movimiento tenia una causa, mientras que Isaac aseguraba que el hecho de mantener el estado de movimiento es lo habitual, y tan solo los cambios en el estado de movimiento están relacionados con la existencia de una acción sobre el cuerpo. Además, el principio de inercia hizo abandonar la teoría del lugar natural que hemos comentado anteriormente.

• Segunda ley de Newton: El cambio instantáneo en cantidad de movimiento es igual a la fuerza motriz impresa, y se efectúa en la misma dirección de la línea recta en que se imprime dicha fuerza. Esta segunda ley se puede expresar de forma matemática mediante, tal vez, la formula más conocida de la física,

• Tercera ley de Newton: Cualquier acción efectuada sobre un cuerpo por parte de un segundo, siempre hay una reacción de la misma magnitud y línea de aplicación, pero de sentido opuesto, que el segundo cuerpo efectúa sobre el primero. En el marco de la teoría newtoniana, la acción (o reacción) entre dos cuerpos es recíproca e instantánea, es decir, diferenciación entre acción y reacción es artificial. Además, se pueden producir por contacto (fuerzas de rozamiento) o a distancia (gravitación).