Seis ecuaciones de la física que cambiaron el curso de la historia

En los últimos siglos seis ecuaciones fueron la clave, para producir importantes  avances en la innovación humana a pasos agigantados, y todo ello gracias a la Física.

Estas ecuaciones de la física son en ciertas formas  mágicas. Ellos nos permiten explicar el pasado, como por qué las visitas del cometa Halley cada 76 años, y predecir el futuro y cuál  será el destino final del Universo.

Ponen límites a lo posible, como en la eficiencia de un motor, y ponen de manifiesto posibles que nunca podríamos haber imaginado, como la energía dentro de un átomo.

De vez en cuando en los últimos siglos, una nueva ecuación dotó a la próxima generación con una nueva herramienta mágica, y así cambió el curso de la historia.

Éstas son algunas de las ecuaciones  más cruciales:

1.La segunda ley del movimiento de Newton (1687):

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La fuerza es igual a masa por aceleración.

En otras palabras, Es más fácil de empujar un carrito de la compra vacío que uno lleno.

Esto nos enseña junto con otras dos leyes de Isaac Newton del movimiento (la primera dice que necesita una fuerza para mover algo, la tercera dice que cada acción tiene una reacción igual y opuesta), esta ecuación es la base de la mecánica clásica.

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F = ma permitió a físicos e ingenieros  calcular el valor de una fuerza. Por ejemplo, su peso (medida en newtons) es su masa (en kilogramos) multiplicado por la aceleración de la gravedad (en la Tierra, a unos 10 metros por segundo al cuadrado).

 

Decir que «pesa» más de 60 kilogramos es incorrecto en términos de física – su peso real es de aproximadamente 600 newtons. Esta es la fuerza que empuja hacia abajo en sus escalas de baño.

En la práctica esta ecuación fue crucial para la llegada de la era mecánica. Se utiliza en casi todos los cálculos que implica el uso de la fuerza para provocar el movimiento.

Se da a conocer cuán poderoso tiene que ser  el motor para alimentar un automóvil, ¿cuánto necesita levantar una aeronave para despegar, la cantidad de empuje para levantar un cohete, hasta qué punto una bala de cañón vuela.

2. Ley de Newton de la gravitación universal (1687)

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En el puesto nº 2 de las 6 ecuaciones de la física que han cambiado el curso de la historia se encuentra la “Ley de la Gravedad”.

Formulada en 1687 por Isaac Newton, esta ecuación no solo explicaba este fenómeno físico sino que ayudó a comprender el funcionamiento de la gravedad a nivel de todo el universo, unificando en una sola ecuación fenómenos aparentemente tan diferentes como la caída de una manzana y las órbitas de los planetas.

 

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La primera ley de Newton establece que “todo cuerpo permanece  en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas aplicadas sobre él”. Según esta ley, un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, a menos que se aplique una fuerza sobre él.

Sobre los cuerpos celestes, una de las fuerzas que actúa es la gravedad, la atracción que sienten entre ellos dependiendo de su masa. Este impulso hace que los planetas giren en torno al Sol en vez de seguir trayectorias rectas.
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Así, con todo esto resulta que la ley de la gravitación universal predice que la fuerza ejercida entre dos cuerpos de masas  m1 ,m2  separados una distancia  es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Es decir, cuanto más masivos sean los cuerpos y más cercanos se encuentren, con mayor fuerza se atraerán.

En otras palabras estamos atrapados en la superficie de la Tierra, porque nuestro planeta es relativamente grande, con una masa considerable.

Esto nos enseña que durante siglos, el Universo se había dividido en dos reinos – lo terrenal y lo celestial. Pero la ley de la gravitación de Newton se  aplicada a todo. La misma fuerza que causa que  una manzana se caiga  de un árbol mantiene a la Luna orbitando la Tierra. Newton nos dio la primera conexión directa entre la vida cotidiana y el movimiento de los cielos.

Durante mucho tiempo, el uso principal de la ecuación fue calcular las órbitas de los planetas. El espacio, la   década de 1950 y 60 lo vio utilizar en la práctica, para enviar satélites en órbita y astronautas a la Luna.

 

3.Segunda ley de la termodinámica (1824)

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El 3er puesto de las 6 ecuaciones de la física que han cambiado nuestro mundo lo ostenta la “Segunda Ley de la Termodinámica” de Ludwig Boltzmann. Formulada en 1874, esta ecuación indica que, en un sistema cerrado, la entropía es siempre constante o creciente. Se trata de una de las leyes más importantes de la física y expresa que “La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo”.

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Esta ecuación dice que La entropía (una medida del desorden) siempre aumenta.

El desorden y el caos son inevitables en el Universo. En otras palabras no sirve de nada llorar sobre la leche derramada.

Esto nos enseña que si bien se trata de analizar la eficiencia del motor de vapor en el siglo 19, el físico francés Sadi Carnot tropezó con una de las ecuaciones más profundas de toda la ciencia.

Nos dice que algunos procesos son irreversibles, e incluso pueden ser responsables de la flecha del tiempo. En una de sus formas más simples, que dice el calor siempre viaja de un objeto caliente a uno frío.

También se puede aplicar a las escalas más grandes. Algunos han aplicado para describir el destino final del Universo en forma de «muerte térmica» donde todas las estrellas son quemadas y no queda nada más que  el calor residual.

Otros lo han utilizado para enrollar a través del tiempo y describir el origen del Universo en un momento de entropía cero (o perfecto orden) en el instante del Big Bang.

Esta ley era importante para el desarrollo de las tecnologías de la revolución industrial, a partir de vapor para motores de combustión interna, de frigorífico y la ingeniería química.

En los motores reales, parte de la energía se desperdicia siempre – lo que la ley también mostró cualquier esfuerzo en movimiento perpetuo eran en última instancia inútil.

 

  1. La ecuación de Maxwell-Faraday (1831 y 1865)

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En el puesto nº 4 de las 6 ecuaciones de la física que han cambiado el curso de la historia se encuentran las “Ecuaciones de Maxwell”,  que describen por completo los fenómenos electromagnéticos, el comportamiento y la relación entre la electricidad y el magnetismo. En su  origen se trataba de 20 ecuaciones pero finalmente fueron unificadas en 4. El responsable de tal avance fue James Clerk Maxwell en 1863.

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Esta ecuación dice que se puede crear un campo eléctrico cambiante (lado izquierdo de la ecuación) de un campo magnético variable (a la derecha) y viceversa.

En otras palabras la electricidad y el magnetismo están relacionados!

En 1831, Michael Faraday descubrió la conexión entre dos fuerzas de la naturaleza, la electricidad y el magnetismo, cuando se encontró con un campo magnético variable induce una corriente en un cable cercano.

Más tarde, James Clark Maxwell generalizó la  observación de Faraday como una de sus cuatros ecuaciones fundamentales del electromagnetismo.

Esta es la ecuación que suministra energía al mundo. La mayoría de los generadores eléctricos (ya sea en una turbina eólica, una central térmica de carbón o una presa hidroeléctrica) realizan un trabajo mediante la conversión de energía mecánica (de vapor o agua) para hacer girar un imán. Mediante la ejecución de este proceso a la inversa, se obtiene el motor eléctrico.

De manera más general, las ecuaciones de Maxwell todavía se utilizan en casi todas las aplicaciones de la ingeniería eléctrica, tecnología de las comunicaciones y la óptica.

 

5. Equivalencia masa-energía de Einstein (1905).

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Esta ecuación dice que la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.

En otras palabras la masa es realmente sólo una forma súper condensada de la energía.

Debido al tamaño de la constante en la ecuación (la velocidad de la luz al cuadrado, un número inimaginablemente enorme) se puede liberar una cantidad colosal de energía a través de la conversión de una pequeña cantidad de masa.eisten2

La más famosa ecuación de Einstein hizo alusión a la posibilidad de que las enormes cantidades de energía liberada en la fisión nuclear, cuando un gran núcleo inestable se rompe en dos más pequeños. Esto se debe a que  la masa de los dos núcleos más pequeños juntos, es siempre menor que la masa del núcleo grande original – y la masa perdida se convierte en energía.

El «Fat Man» bomba atómica lanzada por estados unidos sobre Nagasaki en Japón el 9 de agosto 1945 convierte sólo un gramo de masa en energía, también se produce una explosión equivalente alrededor de 20.000 toneladas de TNT.

El mismo Einstein había firmado una carta al presidente de Estados Unidos en el momento Franklin Roosevelt recomendando que se desarrolló la bomba atómica – una decisión que más tarde considerado como el «un gran error» de su vida.

 

  1. La función de onda de Schrödinger (1925)

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En el puesto nº 6 de las 6 ecuaciones de la física  que han cambiado la historia se encuentra la “Ecuación de Schrodinger”.

Formulada en 1927 por Erwin Schrödinger, describe la evolución temporal de una partícula masiva no relativista. Así, el espacio no está vacío y cuando una partícula lo atraviesa, la deforma, y el espacio también genera una forma de onda por esta perturbación.

La ecuación representa la probabilidad de que en un tiempo determinado se encuentre allí la partícula en las coordenadas X,Y y Z del espacio. En definitiva, describe la evolución de un sistema cuántico.

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En él se describe cómo el cambio de la función de onda de una partícula (representado por psi, el candelabro en forma de símbolo) se puede calcular a partir de su energía cinética (movimiento) y su energía potencial (las interacciones en él).

 

En otras palabras esta es la versión cuántica de F = ma.

Cuando Erwin Schrödinger formuló su ecuación en 1925, se colocó la nueva teoría de la mecánica cuántica en pie firme al permitir que los físicos pudieran calcular ,cómo las partículas cuánticas tienden a  moverse e interactuar.

La ecuación parece un poco extraña, ya que utiliza la matemática de las ondas. (Las partículas subatómicas son «ondulada», por lo que su interacción se describe como la interferencia de las ondas.)

En una de sus formas más simples, se describe la estructura del átomo, tales como la disposición de electrones alrededor del núcleo, y todos los enlaces químicos.

Más en general, se utiliza desde hace mucho los cálculos de mecánica cuántica y es fundamental para gran parte de la tecnología moderna, desde el láser a los transistores, y el futuro desarrollo de ordenadores cuánticos.