Inercia

El profesor John H. Lienhard señala que el Mozi —basado en un texto chino del período de los Reinos Combatientes (475-221 a. C.)— dio la primera descripción de la inercia. ^{[ 9 ]} Antes del Renacimiento europeo , la teoría predominante del movimiento en la filosofía occidental era la de Aristóteles (384-322 a. C.). En la superficie de la Tierra, la propiedad de inercia de los objetos físicos a menudo se ve 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 (generalmente hasta el punto de reposo). Esto llevó al filósofo Aristóteles a creer erróneamente que los objetos se moverían solo mientras se les aplicara una fuerza. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Aristóteles dijo que todos los objetos en movimiento (en la Tierra) eventualmente se detienen a menos que una fuerza externa continúe moviéndolos. ^{[ 12 ]} Aristóteles explicó el movimiento continuo de los proyectiles, después de separarse de su lanzador, como una acción (en sí misma inexplicada) del medio circundante que continúa moviendo el proyectil. ^{[ 13 ]}

A pesar de su aceptación general, el concepto de movimiento de Aristóteles ^{[ 14 ]} fue cuestionado en varias ocasiones por filósofos notables a lo largo de casi dos milenios . Por ejemplo, Lucrecio (siguiendo, presumiblemente, a Epicuro ) afirmó que el "estado por defecto" de la materia era el movimiento, no la estasis (estancamiento). ^{[ 15 ]} En el siglo VI, Juan Filopono criticó la inconsistencia entre la discusión de Aristóteles sobre los proyectiles, donde el medio los mantiene en movimiento, y su discusión sobre el vacío, donde el medio impediría el movimiento de un cuerpo. Filopono propuso que el movimiento no se mantenía por la acción de un medio circundante, sino por alguna propiedad impartida al objeto cuando se ponía en movimiento. Si bien este no era el concepto moderno de inercia, ya que aún existía la necesidad de una fuerza que mantuviera un cuerpo en movimiento, demostró ser un paso fundamental en esa dirección. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Esta postura fue fuertemente rechazada por Averroes y por muchos filósofos escolásticos que apoyaban a Aristóteles. Sin embargo, esta postura no quedó sin respuesta en el mundo islámico , donde Filopono tuvo varios partidarios que desarrollaron aún más sus ideas.

En el siglo XI, el polímata persa Ibn Sina (Avicena) afirmó que un proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actuara sobre él. ^{[ 18 ]}

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 postura de Buridan era que un objeto en movimiento se vería detenido por la resistencia del aire y el peso del cuerpo, que se opondrían a su ímpetu. ^{[ 19 ]} Buridan también sostenía que el ímpetu aumentaba con la velocidad; por lo tanto, su idea inicial de ímpetu era similar en muchos aspectos al concepto moderno de momento. A pesar de las evidentes similitudes con ideas más modernas de inercia, Buridan consideraba su teoría como una mera modificación de la filosofía básica de Aristóteles, manteniendo muchas otras ideas peripatéticas , incluyendo la creencia de que aún existía una diferencia fundamental entre un objeto en movimiento y un objeto en reposo. Buridan también creía que el ímpetu podía ser no solo lineal, sino también circular, lo que provocaría que los objetos (como los cuerpos celestes) se movieran en círculo. La teoría de Buridán fue continuada por su discípulo Alberto de Sajonia (1316-1390) y los Calculadores de Oxford , quienes realizaron diversos experimentos que socavaron aún más el modelo aristotélico. Su trabajo, a su vez, fue desarrollado por Nicole Oresme , pionera en la práctica de ilustrar las leyes del movimiento mediante gráficos.

Poco antes de la teoría de la inercia de Galileo, Giambattista Benedetti modificó la creciente teoría del impulso para que incluyera únicamente el movimiento lineal:

Cualquier porción de materia corpórea que se mueve por sí misma cuando se le imprime un impulso mediante una fuerza motriz externa tiene una tendencia natural a moverse en una trayectoria rectilínea, no curva. ^{[ 20 ]}

Benedetti cita el movimiento de una roca lanzada con una honda como ejemplo del movimiento lineal inherente a los objetos, forzados a realizar un movimiento circular.

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». ^{[ 21 ]} El primer físico en romper completamente con el modelo aristotélico del movimiento fue Isaac Beeckman en 1614. ^{[ 22 ]}

The term "inertia" was first introduced by Johannes Kepler in his Epitome Astronomiae Copernicanae^[23] (published in three parts from 1617 to 1621). However, the meaning of Kepler's term, which he derived from the Latin word for "idleness" or "laziness", was not quite the same as its modern interpretation. Kepler defined inertia only in terms of resistance to movement, once again based on the axiomatic assumption that rest was a natural state which did not need explanation. It was not until the later work of Galileo and Newton unified rest and motion in one principle that the term "inertia" could be applied to those concepts as it is today.^[24]

The principle of inertia, as formulated by Aristotle for "motions in a void",^[25] includes that a mundane object tends to resist a change in motion. The Aristotelian division of motion into mundane and celestial became increasingly problematic in the face of the conclusions of Nicolaus Copernicus in the 16th century, who argued that the Earth is never at rest, but is actually in constant motion around the Sun.^[26]

Galileo, in his further development of the Copernican model, recognized these problems with the then-accepted nature of motion and, at least partially, as a result, included a restatement of Aristotle's description of motion in a void as a basic physical principle:

A body moving on a level surface will continue in the same direction at a constant speed unless disturbed.

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 se encontraba; si se le coloca en movimiento hacia el oeste (por ejemplo), se mantendrá en ese movimiento». ^{[ 27 ]} Esta noción, que los historiadores de la ciencia denominan «inercia circular» o «inercia circular horizontal», es precursora de la noción de inercia rectilínea de Newton, pero es distinta de ella. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Para Galileo, un movimiento es « horizontal » si no lleva el cuerpo en movimiento hacia el centro de la Tierra ni lo aleja de él, y para él, «un barco, por ejemplo, habiendo recibido un impulso a través del mar tranquilo, se movería continuamente alrededor de nuestro globo sin detenerse jamás». ^{[ 30 ] [ 31 ]} 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. ^{[ 32 ]} Esta observación finalmente se convirtió en la base para que Albert Einstein desarrollara la teoría de la relatividad especial .

Los conceptos de inercia presentes en los escritos de Galileo serían posteriormente 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 se vea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que actúen sobre él. ^{[ 33 ]}

A pesar de haber definido el concepto en sus leyes del movimiento, Newton no utilizó el término «inercia». De hecho, originalmente consideraba que los fenómenos en cuestión eran causados ​​por «fuerzas intrínsecas» propias de la materia que se resistían a cualquier aceleración. Desde esta perspectiva, y tomando prestada la idea de Kepler, Newton concibió la «inercia» como «la fuerza intrínseca de un objeto que se resiste a los cambios en su movimiento», definiendo así la «inercia» como la causa del fenómeno, y no como el fenómeno en sí.

Sin embargo, las ideas originales de Newton sobre la "fuerza de resistencia innata" resultaron problemáticas por diversas razones, por lo que la mayoría de los físicos ya no las utilizan. Dado que no se ha aceptado fácilmente ningún mecanismo alternativo, y actualmente se acepta generalmente que tal vez no exista ninguno que podamos conocer, el término "inercia" ha pasado a significar simplemente el fenómeno en sí, en lugar de cualquier mecanismo inherente. Así, en última instancia, "inercia" en la física clásica moderna se ha convertido en el nombre del mismo fenómeno descrito por la primera ley del movimiento de Newton, y ambos conceptos se consideran ahora equivalentes.

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 sistemas de referencia inerciales desarrollada por Galileo, Huygens 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 inicialmente inalterado respecto al significado original de Newton. Sin embargo, esto resultó en una limitación inherente a la relatividad especial: el principio de relatividad solo podía aplicarse a sistemas de referencia inerciales. Para abordar esta limitación, Einstein desarrolló su teoría general de la relatividad ("Fundamentos de la teoría general de la relatividad", 1916), que proporcionó una teoría que incluía sistemas de referencia no inerciales (acelerados). ^{[ 34 ]}

En la relatividad general, el concepto de movimiento inercial adquirió un significado más amplio. 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 u otro, sino que está bajo la influencia únicamente de masas gravitatorias. ^{[ 35 ] [ 36 ]} Físicamente hablando, esto es precisamente lo que indica un acelerómetro de tres ejes que funciona correctamente cuando no detecta ninguna aceleración propia .