Sir George Gabriel Stokes, primer baronet , FRS ( 13 de agosto de 1819 - 1 de febrero de 1903) fue un matemático y físico irlandés . Nacido en el condado de Sligo , Irlanda, Stokes pasó toda su carrera en la Universidad de Cambridge , donde fue profesor Lucasiano de Matemáticas desde 1849 hasta su muerte en 1903. Como físico, Stokes hizo contribuciones fundamentales a la mecánica de fluidos , incluidas las ecuaciones de Navier-Stokes ; y a la óptica física , con trabajos notables sobre polarización y fluorescencia . Como matemático, popularizó el " teorema de Stokes " en el cálculo vectorial y contribuyó a la teoría de las expansiones asintóticas . Stokes, junto con Felix Hoppe-Seyler , demostró por primera vez la función de transporte de oxígeno de la hemoglobina y mostró los cambios de color producidos por la aireación de las soluciones de hemoglobina.
Stokes fue nombrado baronet por la monarquía británica en 1889. En 1893 recibió la Medalla Copley de la Royal Society , entonces el premio científico más prestigioso del mundo, "por sus investigaciones y descubrimientos en ciencias físicas". Representó a la Universidad de Cambridge en la Cámara de los Comunes británica de 1887 a 1892, como conservador . Stokes también se desempeñó como presidente de la Royal Society de 1885 a 1890 y fue brevemente rector del Pembroke College de Cambridge . La extensa correspondencia de Stokes y su trabajo como secretario de la Royal Society han hecho que se le considere un guardián de la ciencia victoriana, con contribuciones que superan sus propios artículos publicados. [1]
George Stokes era el hijo menor del reverendo Gabriel Stokes (fallecido en 1834), clérigo de la Iglesia de Irlanda que sirvió como rector de Skreen en el condado de Sligo , y su esposa Elizabeth Haughton, hija del reverendo John Haughton. La vida familiar de Stokes estuvo fuertemente influenciada por el protestantismo evangélico de su padre : tres de sus hermanos ingresaron a la Iglesia, de los cuales el más eminente fue John Whitley Stokes , archidiácono de Armagh . [2] Junto con un compromiso de por vida con su fe protestante, la infancia de Stokes en Skreen tuvo una fuerte influencia en su decisión posterior de dedicarse a la dinámica de fluidos como área de investigación. [3] Su hija, Isabella Humphreys, escribió que su padre "me dijo que casi fue arrastrado por una de estas grandes olas cuando se bañaba de niño en la costa de Sligo, y esto atrajo por primera vez su atención a las olas". [4]
John y George siempre fueron muy unidos, y George vivió con John mientras asistía a la escuela en Dublín . De toda su familia, él era el más cercano a su hermana Elizabeth. Su madre era recordada en la familia como "bella pero muy severa". Después de asistir a escuelas en Skreen, Dublín y Bristol , en 1837 Stokes se matriculó en el Pembroke College, Cambridge . Cuatro años más tarde se graduó como vaquero senior y primer premio Smith's Prizeman , logros que le valieron la elección como miembro de la universidad. [5]
De acuerdo con los estatutos del colegio, Stokes tuvo que renunciar a su puesto cuando se casó en 1857. Doce años después, bajo nuevos estatutos, fue reelegido para el puesto y conservó ese puesto hasta 1902, cuando el día antes de su 83 cumpleaños, fue elegido rector del colegio. Stokes no ocupó ese puesto durante mucho tiempo, ya que murió en Cambridge el 1 de febrero del año siguiente, [6] y fue enterrado en el cementerio de Mill Road . También hay un monumento en su honor en el pasillo norte de la Abadía de Westminster . [7]
En 1849, Stokes fue nombrado profesor Lucasiano de matemáticas en Cambridge, puesto que ocupó hasta su muerte en 1903. El 1 de junio de 1899, se celebró allí el jubileo de este nombramiento en una ceremonia a la que asistieron numerosos delegados de universidades europeas y americanas. El rector de la universidad le entregó una medalla de oro conmemorativa y Lord Kelvin ofreció formalmente bustos de mármol de Stokes, obra de Hamo Thornycroft, al Pembroke College y a la universidad . Con 54 años, el mandato de Stokes como profesor Lucasiano fue el más largo de la historia.
Stokes, que fue nombrado baronet en 1889, sirvió además a su universidad representándola en el parlamento desde 1887 hasta 1892 como uno de los dos miembros de la circunscripción de la Universidad de Cambridge . Entre 1885 y 1890 también fue presidente de la Royal Society , de la que había sido uno de los secretarios desde 1854. Como también era profesor Lucasiano en ese momento, Stokes fue la primera persona en ocupar los tres cargos simultáneamente; Newton ocupó los mismos tres, aunque no al mismo tiempo. [6]
Stokes fue el mayor del trío de filósofos naturales, junto a James Clerk Maxwell y Lord Kelvin , que contribuyeron especialmente a la fama de la escuela de física matemática de Cambridge a mediados del siglo XIX.
La obra original de Stokes comenzó alrededor de 1840 y se distingue por su cantidad y calidad. El catálogo de artículos científicos de la Royal Society ofrece los títulos de más de cien memorias suyas publicadas hasta 1883. Algunas de ellas son sólo notas breves, otras son breves declaraciones polémicas o correctivas, pero muchas son tratados largos y elaborados. [8]
En términos de alcance, el trabajo de Stokes cubrió una amplia gama de investigaciones físicas pero, como Marie Alfred Cornu señaló en su Rede Lecture de 1899, [9] la mayor parte del mismo se centró en las ondas y las transformaciones que se les imponen durante su paso a través de diversos medios. [10]
Los primeros artículos publicados de Stokes, que aparecieron en 1842 y 1843, fueron sobre el movimiento constante de fluidos incompresibles y algunos casos de movimiento de fluidos. [11] [12] Estos fueron seguidos en 1845 por uno sobre la fricción de fluidos en movimiento y el equilibrio y movimiento de sólidos elásticos, [13] y en 1850 por otro sobre los efectos de la fricción interna de fluidos en el movimiento de péndulos . [14] A la teoría del sonido hizo varias contribuciones, incluyendo una discusión del efecto del viento en la intensidad del sonido [15] y una explicación de cómo la intensidad está influenciada por la naturaleza del gas en el que se produce el sonido. [16] Estas investigaciones en conjunto colocaron a la ciencia de la dinámica de fluidos en una nueva base y proporcionaron una clave no sólo para la explicación de muchos fenómenos naturales, como la suspensión de nubes en el aire y el hundimiento de ondas y ondulaciones en el agua, sino también para la solución de problemas prácticos, como el flujo de agua en ríos y canales, y la resistencia superficial de los barcos. [10]
El trabajo de Stokes sobre el movimiento de fluidos y la viscosidad lo llevó a calcular la velocidad terminal de una esfera que cae en un medio viscoso. Esto se conoció como la ley de Stokes . Derivó una expresión para la fuerza de fricción (también llamada fuerza de arrastre ) ejercida sobre objetos esféricos con números de Reynolds muy pequeños . [17]
Su trabajo es la base del viscosímetro de esfera descendente , en el que el fluido está estacionario en un tubo de vidrio vertical. Se deja descender una esfera de tamaño y densidad conocidos a través del líquido. Si se selecciona correctamente, alcanza la velocidad terminal , que se puede medir por el tiempo que tarda en pasar dos marcas en el tubo. La detección electrónica se puede utilizar para fluidos opacos. Conociendo la velocidad terminal, el tamaño y la densidad de la esfera, y la densidad del líquido, se puede utilizar la ley de Stokes para calcular la viscosidad del fluido. Una serie de cojinetes de bolas de acero de diferentes diámetros se utilizan normalmente en el experimento clásico para mejorar la precisión del cálculo. El experimento escolar utiliza glicerina como fluido, y la técnica se utiliza industrialmente para comprobar la viscosidad de los fluidos utilizados en los procesos. [ cita requerida ]
La misma teoría explica por qué las pequeñas gotas de agua (o cristales de hielo) pueden permanecer suspendidas en el aire (como nubes) hasta que alcanzan un tamaño crítico y comienzan a caer en forma de lluvia (o nieve y granizo ). Se puede hacer un uso similar de la ecuación en la sedimentación de partículas finas en agua u otros fluidos. [ cita requerida ]
" Stokes ", la unidad CGS de viscosidad cinemática , recibió este nombre en reconocimiento a su trabajo.
Sus investigaciones más conocidas son probablemente las que tratan de la teoría ondulatoria de la luz. Sus trabajos en óptica comenzaron en un período temprano de su carrera científica. Sus primeros artículos sobre la aberración de la luz aparecieron en 1845 y 1846, [18] [19] y fueron seguidos en 1848 por uno sobre la teoría de ciertas bandas observadas en el espectro . [20] [10]
En 1849 publicó un largo artículo sobre la teoría dinámica de la difracción , en el que demostró que el plano de polarización debe ser perpendicular a la dirección de propagación. [21] Dos años más tarde, analizó los colores de las placas gruesas. [22] [10]
Stokes también investigó la descripción matemática de los arcoíris de George Airy . [23] Los hallazgos de Airy involucraban una integral que era difícil de evaluar. Stokes expresó la integral como una serie divergente , que era poco comprendida. Sin embargo, al truncar inteligentemente la serie (es decir, ignorando todos excepto los primeros términos de la serie), Stokes obtuvo una aproximación precisa a la integral que era mucho más fácil de evaluar que la integral misma. [24] La investigación de Stokes sobre series asintóticas condujo a conocimientos fundamentales sobre tales series. [25]
En 1852, en su famoso artículo sobre el cambio de longitud de onda de la luz, describió el fenómeno de la fluorescencia , tal como lo exhiben el espato flúor y el vidrio de uranio , materiales que él consideraba que tenían el poder de convertir la radiación ultravioleta invisible en radiación de longitudes de onda más largas que son visibles. [26] El desplazamiento de Stokes , que describe esta conversión, recibe su nombre en honor de Stokes. Se mostró un modelo mecánico que ilustra el principio dinámico de la explicación de Stokes. La rama de esto, la línea de Stokes , es la base de la dispersión Raman . En 1883, durante una conferencia en la Royal Institution , Lord Kelvin dijo que había escuchado un relato de Stokes muchos años antes, y le había rogado repetidamente pero en vano que lo publicara. [27]
En el mismo año, 1852, apareció el artículo sobre la composición y resolución de corrientes de luz polarizada de diferentes fuentes, [28] y en 1853 una investigación de la reflexión metálica exhibida por ciertas sustancias no metálicas. [29] La investigación debía resaltar el fenómeno de la polarización de la luz . Alrededor de 1860 se dedicó a una investigación sobre la intensidad de la luz reflejada desde, o transmitida a través de, una pila de placas; [30] y en 1862 preparó para la Asociación Británica un valioso informe sobre la doble refracción , [10] un fenómeno donde ciertos cristales muestran diferentes índices de refracción a lo largo de diferentes ejes. [31] Quizás el cristal más conocido es el espato de Islandia , cristales de calcita transparentes .
Un artículo sobre el espectro largo de la luz eléctrica lleva la misma fecha, [32] y fue seguido por una investigación sobre el espectro de absorción de la sangre. [10] [33]
La identificación química de los cuerpos orgánicos por sus propiedades ópticas fue tratada en 1864; [34] y más tarde, en conjunto con el reverendo William Vernon Harcourt , investigó la relación entre la composición química y las propiedades ópticas de varios vidrios, con referencia a las condiciones de transparencia y la mejora de los telescopios acromáticos . [35] Un artículo aún posterior relacionado con la construcción de instrumentos ópticos discutió los límites teóricos de la apertura de los objetivos de los microscopios. [36] [10]
En 1849, Stokes inventó la lente Stokes para detectar el astigmatismo . [37] Es una combinación de lentes que consiste en lentes cilíndricas de potencias iguales pero opuestas unidas entre sí de tal manera que las lentes pueden rotar una respecto de la otra. [38]
En otras áreas de la física se pueden mencionar su artículo sobre la conducción del calor en cristales (1851) [39] y sus investigaciones en relación con el radiómetro de Crookes ; [40] su explicación del borde de luz que se observa con frecuencia en fotografías justo fuera del contorno de un cuerpo oscuro visto contra el cielo (1882); [41] y, aún más tarde, su teoría de los rayos X , que sugirió que podrían ser ondas transversales que viajan como innumerables ondas solitarias, no en trenes regulares. [42] Dos largos artículos publicados en 1849 –uno sobre atracciones y el teorema de Clairaut , [43] y el otro sobre la variación de la gravedad en la superficie de la Tierra (1849) –la fórmula de gravedad de Stokes [44] —también exigen mención, al igual que sus memorias matemáticas sobre los valores críticos de las sumas de series periódicas (1847) [45] y sobre el cálculo numérico de una clase de integrales definidas y series infinitas (1850) [46] y su discusión de una ecuación diferencial relacionada con la rotura de puentes ferroviarios (1849), [47] [10] investigaciones relacionadas con su evidencia dada a la Comisión Real sobre el Uso de Hierro en Estructuras Ferroviarias después del desastre del Puente Dee de 1847.
Muchos de los descubrimientos de Stokes no fueron publicados o sólo se mencionaron en el transcurso de sus conferencias orales. Un ejemplo de ello es su trabajo sobre la teoría de la espectroscopia . [10]
En su discurso presidencial ante la Asociación Británica en 1871, Lord Kelvin manifestó su creencia de que la aplicación del análisis prismático de la luz a la química solar y estelar nunca había sido sugerida directa o indirectamente por nadie más cuando Stokes se la enseñó en la Universidad de Cambridge algún tiempo antes del verano de 1852, y expuso las conclusiones, teóricas y prácticas, que aprendió de Stokes en ese momento, y que luego dio regularmente en sus conferencias públicas en Glasgow . [48]
Estas afirmaciones, que contienen la base física sobre la que se apoya la espectroscopia y la forma en que se aplica a la identificación de sustancias existentes en el sol y las estrellas, hacen parecer que Stokes se adelantó a Gustav Kirchhoff al menos siete u ocho años. Sin embargo, Stokes, en una carta publicada algunos años después de pronunciar este discurso, afirmó que no había dado un paso esencial en el argumento: no haber percibido que la emisión de luz de longitud de onda definida no sólo permitía, sino que requería, la absorción de luz de la misma longitud de onda. Negó modestamente "cualquier parte del admirable descubrimiento de Kirchhoff", añadiendo que sentía que algunos de sus amigos habían sido demasiado entusiastas en su causa. [49] Hay que decir, sin embargo, que los hombres de ciencia ingleses no han aceptado esta negación en toda su plenitud, y todavía atribuyen a Stokes el mérito de haber enunciado por primera vez los principios fundamentales de la espectroscopia . [10]
En otro sentido, Stokes también hizo mucho por el progreso de la física matemática. Poco después de ser elegido para la cátedra Lucasiana, anunció que consideraba parte de sus deberes profesionales ayudar a cualquier miembro de la universidad con las dificultades que pudiera encontrar en sus estudios matemáticos, y la ayuda prestada fue tan real que los alumnos estaban encantados de consultarle, incluso después de haberse convertido en colegas, sobre problemas matemáticos y físicos en los que no sabían qué hacer. Luego, durante los treinta años que actuó como secretario de la Royal Society, ejerció una enorme, aunque discreta, influencia en el avance de la ciencia matemática y física, no sólo directamente por sus propias investigaciones, sino indirectamente al sugerir problemas para la investigación e incitar a los hombres a abordarlos, y por su disposición a dar aliento y ayuda. [10]
Stokes participó en varias investigaciones sobre accidentes ferroviarios, especialmente el desastre del puente Dee en mayo de 1847, y fue miembro de la posterior Comisión Real sobre el uso de hierro fundido en estructuras ferroviarias. Contribuyó al cálculo de las fuerzas ejercidas por las locomotoras en movimiento sobre los puentes. El puente se desplomó porque se utilizó una viga de hierro fundido para soportar las cargas de los trenes que pasaban. El hierro fundido es frágil en tensión o flexión , y muchos otros puentes similares tuvieron que ser demolidos o reforzados.
Apareció como testigo experto en el desastre del puente Tay , donde prestó testimonio sobre los efectos de las cargas de viento en el puente. La sección central del puente (conocida como High Girders) quedó completamente destruida durante una tormenta el 28 de diciembre de 1879, mientras un tren expreso se encontraba en la sección, y todos los que iban a bordo murieron (más de 75 víctimas). La Junta de Investigación escuchó a muchos testigos expertos y concluyó que el puente estaba "mal diseñado, mal construido y mal mantenido". [50]
Como resultado de sus testimonios, fue nombrado miembro de la Comisión Real que posteriormente se encargó de estudiar el efecto de la presión del viento sobre las estructuras. En aquel momento, se habían descuidado los efectos de los fuertes vientos sobre las grandes estructuras, y la comisión llevó a cabo una serie de mediciones en toda Gran Bretaña para obtener una estimación de las velocidades del viento durante las tormentas y las presiones que ejercían sobre las superficies expuestas.
Stokes generalmente tenía valores y creencias religiosas conservadoras. En 1886, se convirtió en presidente del Instituto Victoria , que había sido fundado para defender los principios cristianos evangélicos contra los desafíos de las nuevas ciencias, especialmente la teoría darwiniana de la evolución biológica . Dio la conferencia Gifford de 1891 sobre teología natural . [51] [52] También fue vicepresidente de la Sociedad Bíblica Británica y Extranjera y participó activamente en debates doctrinales sobre el trabajo misionero. [53] Sin embargo, aunque sus opiniones religiosas eran en su mayoría ortodoxas, era inusual entre los evangélicos victorianos al rechazar el castigo eterno en el infierno, y en cambio fue un defensor del condicionalismo cristiano . [54]
Como presidente del Instituto Victoria, Stokes escribió: «Todos admitimos que el libro de la Naturaleza y el libro del Apocalipsis proceden de Dios por igual, y que, en consecuencia, no puede haber ninguna discrepancia real entre ambos si se interpretan correctamente. Las disposiciones de la Ciencia y la Revelación son, en su mayor parte, tan distintas que hay pocas posibilidades de colisión. Pero si surgiera una aparente discrepancia, no tenemos derecho, en principio, a excluir a uno en favor del otro. Porque, por muy firmemente convencidos que estemos de la verdad de la revelación, debemos admitir nuestra propensión a equivocarnos en cuanto al alcance o la interpretación de lo que se revela; y por muy sólida que sea la evidencia científica a favor de una teoría, debemos recordar que estamos tratando con evidencia que, por su naturaleza, es sólo probable, y es concebible que un conocimiento científico más amplio pueda llevarnos a modificar nuestra opinión». [55]
Stokes se casó con Mary Susanna Robinson, la única hija del astrónomo irlandés, el reverendo Thomas Romney Robinson , en la catedral de San Patricio de Armagh el 4 de julio de 1857. Tuvieron cinco hijos: Arthur Romney, que heredó el título de baronet; Susanna Elizabeth, que murió en la infancia; Isabella Lucy (la señora Laurence Humphry), que contribuyó con las memorias personales de su padre en "Memoir and Scientific Correspondence of the Late George Gabriel Stokes, Bart"; el doctor William George Gabriel, médico, un hombre con problemas que se suicidó a los 30 años mientras estaba temporalmente loco; y Dora Susanna, que murió en la infancia. Su línea masculina y, por lo tanto, su título de baronet se han extinguido desde entonces.
Los artículos matemáticos y físicos de Stokes (ver enlaces externos) se publicaron en forma recopilada en cinco volúmenes; los primeros tres (Cambridge, 1880, 1883 y 1901) bajo su propia dirección editorial, y los dos últimos (Cambridge, 1904 y 1905) bajo la de Sir Joseph Larmor , quien también seleccionó y organizó las Memorias y correspondencia científica de Stokes publicadas en Cambridge en 1907. [65]
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