Movimiento

Desde hace más de 200 años, los científicos de la antigüedad griega estaban familiarizados con algunos conceptos e ideas de la física que estudiamos en la actualidad. Tenían una buena comprensión de los objetos flotantes y algunas propiedades de la luz. Sin embargo, estaban confundidos acerca del movimiento. De los primeros filósofos en estudiar de manera seria el movimiento fue Aristóteles, uno de los más destacados de toda la historia.

Para Aristóteles, el movimiento se clasificó en Natural y Violento. Aseguraba que el movimiento Natural surge de la “naturaleza” (lector podrá pensar de manera sarcástica: “¡Pero claro, como no me lo imaginé antes!”). La naturaleza de un objeto estaba determinada por la combinación de 4 elementos: agua, tierra, aire y fuego. Afirmaba entonces que el movimiento dependía de las proporciones de estos elementos presentes de manera particular en cada objeto.

Se creía que el movimiento natural podía ser directo hacia arriba o directo hacia abajo, como en el caso de todas las cosas sobre la tierra. Aristóteles creían que en los cielos rigen reglas distintas, y aseguró que los cuerpos celestes son esferas perfectas hechas de una sustancia perfecta e inmutable a la cual llamó quintaesencia (ya que existían previamente las otras cuatro: tierra, aire, fuego y agua).

El movimiento violento, se debía a las fuerzas de empuje o jalón, es decir: de manera impuesta. Los objetos que se mueven violentamente, por definición entonces, no se mueven por sí mismos o por su naturaleza, sino por factores externos a ellos.

El concepto de movimiento violento tiene una serie de dificultades, ya que las fuerzas responsables de él no siempre son evidentes. Por ejemplo, la cuerda de un arco mueve la flecha hasta que ésta sale del arco; después para seguir explicando el movimiento de la flecha se requiere que haya otro agente de empuje. Por lo tanto, Aristóteles imaginaba que la brecha en el aire originada por el movimiento de la fecha causaba un efecto de apriete en la parte trasera de la fecha, a medida de que el aire regresaba para evitar que se formara vacío. La fecha se impulsaba por el aire como cuando una barra de jabón se impulsa en la tina de baño, cuando aprietas se aprieta uno de sus extremos.

En pocas palabras, Aristóteles señalaba que todos los movimientos se debían a la naturaleza del objeto en movimiento, o a un empuje o jalón sostenidos. Siempre que un objeto está en su lugar propio no se moverá, a menos que se le someta a una fuerza. Con la excepción de los objetos celebres.

El concepto de inercia de Galileo

Las ideas aristotélicas fueron aceptadas como válidas durante casi 200 años. Después a principios del siglo XVI el científico italiano Galileo demolió con facilidad la creencia de Aristóteles, acerca de los cuerpos pesados caían más rápido que los ligeros. Se cuenta que Galileo dejó caer objetos tantos pesados como ligeros de la Torre inclinada de Pisa. Galileo demostró que a excepción de los efectos de la resistencia del aire, los objetos de distinto peso caían al suelo al mismo tiempo.

Galileo realizó otro importante descubrimiento, pues demostró que Aristóteles estaba equivocado acerca de que las fuerzas son necesarias para mantener los objetos en movimiento. Dicho en forma más sencilla, una fuerza es un empuje o un tirón. Aunque se requiero una fuerza para poner un objeto en movimiento, Galileo demostró que una vez en movimiento, ninguna fuerza es necesaria para mantenerlo moviéndose, con excepción de la fuerza que se requiere para mantener la fricción. En ausencia de la fricción, un objeto en movimiento no necesita ninguna fuerza para mantenerse en movimiento.

Galileo demostró esta idea revolucionaria mediante un experimento, que fue el inicio de la ciencia moderna. Rodó esferas hacia abajo sobre planos inclinados, y observó y registró su ganancia en rapidez conformen continuaban rodando. En planos inclinados hacia abajo, la fuerza de gravedad incrementa la rapidez de la esfera. En tanto que en una pendiente hacia arriba la fuerza de gravedad disminuye la rapidez de la esfera. ¿Y qué sucede con las esferas que ruedan por una superficie horizontal? A pesar del nivel de rodamiento, la esfera rodante mantiene una rapidez constante. Galileo razonó que en ausencia de la fricción, la esfera en movimiento horizontal continúa moviéndose indefinidamente. Una esfera se movería a sí misma sin ser empujada o jalada.

Galileo notó que los objetos en movimiento tienden a seguir en movimiento sin necesidad de una fuerza impulsora. Los objetos en reposo tienden a permanecer en reposo. A esta propiedad de los objetos a mantener su estado en movimiento se denomina inercia.

El movimiento es relativo

Cuando examinamos la rapidez o la velocidad de algo, lo que describimos en la rapidez o velocidad en relación con algo más. Cuando decimos la velocidad de un avión, lo hacemos en base a la observación terrestre o cuando decimos que un auto corre a 120km/h. Sería imposible determinar este tipo de situaciones sin el uso de un parámetro y un punto de observación. Por ello, el movimiento es relativo.

Leyes de Newton del movimiento

El trabajo de Galileo preparó el escenario para Isaac Newton, quien nació poco después de la muerte de Galileo, en 1642. A los 23 años, Newton ya había desarrollado sus famosas leyes del movimiento, que terminaron de demoler las ideas aristotélicas sobre la física. Las tres leyes de Newton sobre el movimiento aparecieron por primera vez en uno de los libros más importantes de todos los tiempos Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, conocido comúnmente como los Principia de Newton. La primera ley es un replanteamiento del concepto de Galileo de la inercia; la segunda relaciona la aceleración con su causa, la fuerza; y la tercera es la ley de la acción y la reacción.

Algunas definiciones básicas entorno al concepto de Movimiento

Cantidad de Movimiento: Sabemos que es más fácil detener un camión grande que un automóvil pequeño que se mueven con rapidez. Decimos que el camión tiene mayor cantidad de movimiento que el automóvil. Por cantidad de movimiento se puede entender inercia en movimiento, es decir, la masa de un objeto multiplicada por su velocidad.

De la definición tenemos que un objeto en movimiento puede tener una gran cantidad de movimiento, su masa o su rapidez son grandes, o sin tanto su masa como su rapidez son grandes. El camión tiene más cantidad de movimiento que el automóvil que se mueve con la misma rapidez, porque la masa del camión es mayor. Sin embargo, un automóvil veloz puede tener mayor cantidad de movimiento que un camión lento; en tanto que un camión en reposo no tiene ninguna cantidad de movimiento.

Impulso: Es el producto de la fuerza X el intervalo de tiempo.

Fricción: Siempre que un cuerpo se mueve estando en contacto con otro objeto, existen fuerzas de fricción que se oponen al movimiento relativo. Estas fuerzas de fricción se deben a que una superficie se adhiere con la otra y a que encajan entre sí las irregularidades de las superficies de rozamiento.

Línea de acción: Es una línea imaginaria que se extiende indefinidamente a lo largo de un vector en ambas direcciones.

Brazo de palanca: Es la distancia perpendicular que hay de la línea de acción de la fuerza al eje de rotación.

Fuerza: Tirón o empujón que tiende a causar un movimiento.

Centro de gravedad: Punto de un cuerpo determinado donde se considera que está concentrado todo su peso.

Rapidez Instantánea: Es una cantidad escalar que representa la rapidez en el instante en que el cuerpo en movimiento está en un punto arbitrario. Por consiguiente, es la relación del cambio de distancia con respecto al tiempo

Velocidad instantánea: Cantidad vectorial que representa la velocidad en cualquier punto de la trayectoria. Es la relación del cambio de desplazamiento con respecto del tiempo.

Tipos de movimiento

Movimiento rectilíneo uniforme. Movimiento rectilíneo uniforme acelerado. Movimiento curvilíneo o parabólico. Movimiento circular.

Aplicación del movimiento a la tecnología

Un ejemplo muy claro y sencillo, es el uso de la fuerza centrífuga en el proceso de Plasmaseparación:

La plasmaferésis por centrifugación tiene como base, usar las fuerzas G(medida intuitiva de aceleración) para separar del plasma sus diferentes componentes. De acuerdo con el grado de densidad (gravedad específica) los componentes de la sangre son estratificados dentro del plasma:

Plaquetas. Linfocitos. Granulocitos. Hematíes.

La plasmaferésis ha posibilitado análisis clínicos más exactos que permiten diagnósticos médicos cada vez más acertados.

Aplicación de uso cotidiano del movimiento

Uso de las diversas máquinas simples y sus respectivas variantes:

Rueda Cuña Palanca Plano inclinado Polea Tuerca.

Las máquinas simples están en cada momento de nuestra vida, por ejemplo el plano inclinado en una rampa para facilitar el acceso a un lugar determinado a personas con alguna discapacidad motriz.

Experimento que muestra un principio físico del movimiento: Tercera ley de Newton

Párate cerca de una pared, recargando tu cuerpo en ella usando una de tus manos. Siente la fuerza sobre tu muñeca. Analiza la presión sobre dicha articulación y responde: ¿A qué se debe esa fuerza sobre tu mano?

Respuesta: Al aplicar fuerza sobre la pared, la pared ejerce fuerza sobre tu mano en sentido contrario a la primera, lo cual provoca una sensación de presión.

Fuentes:

Anaya, F. (2005). Aferésis Terapéutica. España: Captiel Ediciones.

Tipeens, P.E.(2001). Física, concepto y aplicaciones. México : Mc Graw Hill.

Hewih, P.G(2009) Fundamentos de Física Conceptual. México: Pearson.