La inercia es la tendencia natural de los objetos en movimiento a permanecer en movimiento y de los objetos en reposo a permanecer en reposo, a menos que una fuerza haga que su velocidad o dirección cambien. Es uno de los principios fundamentales de la física clásica , y fue descrito por Isaac Newton en su primera ley del movimiento (también conocida como el Principio de Inercia). [1] Es una de las manifestaciones primarias de la masa , una de las propiedades cuantitativas fundamentales de los sistemas físicos . [2] Newton escribe: [3] [4] [5] [6]
LEY I. Todo objeto persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, salvo en la medida en que esté obligado a cambiar ese estado por fuerzas impresas sobre él.
— Isaac Newton, Principia, Los principios matemáticos de la filosofía natural, traducción de Cohen y Whitman, 1999 [7]
En su obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de 1687 , Newton definió la inercia como una propiedad:
DEFINICIÓN III. La vis insita o fuerza innata de la materia es un poder de resistencia por el cual todo cuerpo, en la medida en que se encuentra en él, intenta perseverar en su estado presente, ya sea de reposo o de movimiento uniforme hacia adelante en línea recta. [8]
El profesor John H. Lienhard señala que el Mozi , basado en un texto chino del período de los Reinos Combatientes (475-221 a. C.), fue el primero en describir la inercia. [9] Antes del Renacimiento europeo , la teoría del movimiento predominante 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 está enmascarada por la gravedad y los efectos de la fricción y la resistencia del aire , que tienden a disminuir la velocidad de los objetos en movimiento (comúnmente hasta el punto de reposo). Esto llevó al filósofo Aristóteles a creer erróneamente que los objetos se moverían solo mientras se les aplicara fuerza. [10] [11] Aristóteles dijo que todos los objetos en movimiento (en la Tierra) eventualmente llegan al reposo a menos que una potencia externa (fuerza) continúe moviéndolos. [12] Aristóteles explicó el movimiento continuo de los proyectiles, después de separarse de su proyector, como una acción (en sí misma inexplicable) 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 durante casi dos milenios . Por ejemplo, Lucrecio (siguiendo, presumiblemente, a Epicuro ) afirmó que el "estado predeterminado" de la materia era el movimiento, no la estasis (estancamiento). [15] En el siglo VI, Juan Filópono criticó la inconsistencia entre la discusión de Aristóteles sobre los proyectiles, donde el medio mantiene a los proyectiles en movimiento, y su discusión del vacío, donde el medio obstaculizaría el movimiento de un cuerpo. Filópono 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. Aunque este no era el concepto moderno de inercia, ya que todavía existía la necesidad de un poder para mantener un cuerpo en movimiento, resultó ser un paso fundamental en esa dirección. [16] [17] Esta visión fue fuertemente rechazada por Averroes y por muchos filósofos escolásticos que apoyaban a Aristóteles. Sin embargo, esta visión no quedó sin respuesta en el mundo islámico , donde Filópono tuvo varios partidarios que desarrollaron aún más sus ideas.
En el siglo XI, el erudito 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 noción de que una propiedad generadora de movimiento, a la que llamó ímpetu , se disipara espontáneamente. La posición de Buridan era que un objeto en movimiento sería detenido por la resistencia del aire y el peso del cuerpo que se opondría a su ímpetu. [19] Buridan también sostuvo 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 similitudes obvias con ideas más modernas de inercia, Buridan vio su teoría como solo una modificación de la filosofía básica de Aristóteles, manteniendo muchas otras opiniones peripatéticas , incluida la creencia de que todavía había 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 por naturaleza, haciendo que los objetos (como los cuerpos celestes) se movieran en un círculo. La teoría de Buridan fue seguida por su discípulo Alberto de Sajonia (1316-1390) y los Calculadores de Oxford , quienes realizaron varios experimentos que socavaron aún más el modelo aristotélico. Su trabajo, a su vez, fue elaborado por Nicole Oresme , quien fue pionera en la práctica de ilustrar las leyes del movimiento con gráficos.
Poco antes de la teoría de la inercia de Galileo, Giambattista Benedetti modificó la teoría creciente del impulso para incluir únicamente el movimiento lineal:
[Cualquier] porción de materia corpórea que se mueve por sí misma cuando se le imprime un impulso mediante alguna fuerza motriz externa, tiene una tendencia natural a moverse en una trayectoria rectilínea, no curva. [20]
Benedetti cita el movimiento de una piedra en una honda como ejemplo del movimiento lineal inherente de los objetos, forzados a 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 que rompió por completo con el modelo aristotélico del movimiento fue Isaac Beeckman en 1614. [22]
El término "inercia" fue introducido por primera vez por Johannes Kepler en su Epitome Astronomiae Copernicanae [23] (publicado en tres partes entre 1617 y 1621). Sin embargo, el significado del término de Kepler, que derivó de la palabra latina para "ociosidad" o "pereza", no era exactamente el mismo que su interpretación moderna. Kepler definió la inercia solo en términos de resistencia al movimiento, una vez más basándose en el supuesto axiomático de que el reposo era un estado natural que no necesitaba explicación. No fue hasta que el trabajo posterior de Galileo y Newton unificó el reposo y el movimiento en un principio que el término "inercia" pudo aplicarse a esos conceptos como se hace hoy. [24]
El principio de inercia, tal como lo formuló Aristóteles para los “movimientos en el vacío”, [25] incluye que un objeto mundano tiende a resistirse a un cambio de movimiento. La división aristotélica del movimiento en mundano y celestial se volvió cada vez más problemática ante las conclusiones de Nicolás Copérnico en el siglo XVI, quien sostuvo que la Tierra nunca está en reposo, sino que en realidad está en constante movimiento alrededor del Sol. [26]
Galileo , en su desarrollo posterior del modelo copernicano , reconoció estos problemas con la naturaleza entonces aceptada del movimiento y, al menos parcialmente, como resultado, incluyó una reformulación de la descripción de Aristóteles del movimiento en el vacío como un principio físico básico:
Un cuerpo que se mueve sobre una superficie nivelada continuará en la misma dirección a una velocidad constante a menos que sea perturbado.
Galileo escribe que "si se eliminan todos los impedimentos externos, un cuerpo pesado sobre una superficie esférica concéntrica con la Tierra se mantendrá en el estado en el que se encontraba; si se lo 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 al cuerpo en movimiento hacia o lejos del centro de la Tierra, y para él, "un barco, por ejemplo, habiendo recibido una vez algún impulso a través del mar tranquilo, se movería continuamente alrededor de nuestro globo sin detenerse nunca". [30] [31] También vale la pena señalar que Galileo más tarde (en 1632) concluyó que basándose en esta premisa inicial de inercia, es imposible distinguir la diferencia entre un objeto en movimiento y uno estacionario sin alguna referencia externa con la que compararlo. [32] Esta observación finalmente llegó a ser la base para que Albert Einstein desarrollara la teoría de la relatividad especial .
Los conceptos de inercia 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 sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas impresas sobre él. [33]
A pesar de haber definido el concepto en sus leyes del movimiento, Newton no utilizó en realidad el término "inercia". De hecho, originalmente consideró que los respectivos fenómenos eran causados por "fuerzas innatas" inherentes a la materia que resisten cualquier aceleración. Desde esta perspectiva, y tomando prestado de Kepler, Newton concibió la "inercia" como "la fuerza innata que posee un objeto que resiste los cambios en el movimiento", definiendo así la "inercia" como la causa del fenómeno, en lugar del fenómeno en sí.
Sin embargo, las ideas originales de Newton sobre la "fuerza resistiva innata" resultaron problemáticas por diversas razones, y por ello la mayoría de los físicos ya no piensan en esos términos. Como no se ha aceptado fácilmente ningún mecanismo alternativo y ahora se acepta generalmente que puede que 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 ha llegado a ser un nombre para el mismo fenómeno descrito por la primera ley del movimiento de Newton, y ahora los dos conceptos se consideran 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 marcos de referencia inerciales desarrollados 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 al principio sin cambios con 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 marcos 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 marcos 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 o de otro tipo, sino que se produce únicamente bajo la influencia de masas gravitacionales. [35] [36] Físicamente hablando, esto es exactamente lo que indica un acelerómetro de tres ejes que funciona correctamente cuando no detecta ninguna aceleración adecuada .
El término inercia proviene del latín iners , que significa ocioso o lento. [37]
Una cantidad relacionada con la inercia es la inercia rotacional (→ momento de inercia ), la propiedad de que un cuerpo rígido giratorio mantiene su estado de movimiento rotacional uniforme . Su momento angular permanece invariable a menos que se le aplique un par externo ; esto se denomina conservación del momento angular. La inercia rotacional se considera a menudo en relación con un cuerpo rígido. Por ejemplo, un giroscopio utiliza la propiedad de que resiste cualquier cambio en el eje de rotación.
...[un cuerpo] se detiene cuando la fuerza que empuja al objeto en movimiento ya no tiene poder para empujarlo...
movimiento inercial.
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