La materia y Las leyes básicas del movimiento

Lo que voy a describir a continuación se denomina clásicamente como las tres leyes de Newton. Para ello Newton recurre a un artificio que es el concepto de "fuerza", como una especie de axioma fundamental, el cual, nuevamente es inculcado a base de intuicion por, creo, la totalidad de los sistemas educativos. Y me voy a basar únicamente en la idea que ya tenemos de energía y que fue expuesta en una entrada de blog anterior.

Por otro lado, dado que las leyes del movimiento son de aplicación para la materia, sería conveniente indagar un poco más en la naturaleza de la misma, si bien hay pocas teorías que indaguen al respecto en su estructura y composición propia.

Sobre la materia hay que tener en cuenta que la misma está constituida de pura energía, como existen ya ciertas teorías que lo formulan (como la teoria de la relatividad general), así como innumerables experiencias que así lo justifican. No obstante, poco se sabe a ciencia cierta, sobre cómo realmente la energía se distribuye y organiza en el espacio para dar lugar a las diferentes partículas de materia conocidas, tales como los electrones, protones, neutrones,... Einstein fue el primero en dar con una formulación, con su famosa fórmula:


En un futuro próximo, presentaré una teoría que da respuesta precisamente a cómo se configura la energía para dar lugar a los diferentes cuerpos materiales elementales. Pero eso será más adelante. Por ahora seguiré mostrando los entresijos más básicos.

Por otro lado, hemos de ser mínimamente conscientes sobre la estructura delpropio espacio que nos envuelve. Él da soporte para la acumulación de energía suficiente como para constituir las partículas. En ese mismo espacio se enmarca el contexto en el que las leyes fundamentales del movimiento de las partículas tienen lugar:

1.- Ley de la inercia. Es un hecho comprobado (esto es lo que significa que es es una ley) que los cuerpos materiales, si se desplazan a una cierta velocidad en el espacio, éstos tienden  a seguir con la misma velocidad y en la misma dirección, indefinidamente. Desde un punto de  vista más detallado, cada vez que una particula elemental avanza una cantidad 'ds', la energía que lo constituye ha progresado esa distancia, ha aparecido en otro lugar del espacio, mientras que en el desplazamiento,  se ha vaciado de materia, en esa misma distancia 'ds', una porcion del espacio. Es decir, una se llena y la otra se vacía de materia (o energía, pues la materia es una simple manifestación de la energía). Este es, curiosamente, el mismo mecanismo de propagación de las ondas en el seno de cualquier medio, y en el que se produndizará en un futuro. Aquí únicamente lo menciono a titulo de referencia, para que el lector, caso de estar esa entrada disponible, acceda a ella. Quisiera subrayar aqui un hecho que a mi me parece trascendental. A mi me parece que es necesario, para poder explicar la ley de la inercia, confiar que el propio espacio es el responsable de esa inercia, de seguir impulsando esa perturbación de energía (la materia) cuando dicha materia se va adentrando en nuevas regiones de tamaño infinitamente pequeño (o infinitesimal), de modo que el espacio que ha sido recientemente invadido, tiende a mantener el flujo de energía (materia), absorbiendo así al resto del cuerpo y provocando el impulso a una velocidad constante. No puede ser de otro modo, pues la materia no tiene sentido que penetre en la nueva región del espacio con cada vez más velocidad (o menos). Ello implicaría que la nueva materia inyectada en el siguiente volumen de espacio invadido  tendería a ser catapultada (frenada) y el flujo de energía debería ser cada vez mayor (o menor), cosa que implicaría que el propio espacio tendería a provocar cada vez mayores flujos de energía a su través, así hasta un limite arbitrario, ilimitado, conduciendo así a un absurdo, pues tal situación no se ha observado.

Esta ley del movimiento de la materia se suele formular de un modo más clásico así: "Todo cuerpo tiende a seguir una trayectoria rectilinea de velocidad constante, o de reposo, si sobre él no se ejerce ninguna fuerza". Ahora hablaré de lo que son las "fuerzas". Antes quiero comentar algo sobre el estado de reposo. Es una situacion en la que la materia permanence quieta y alojada en las mismas posiciones del espacio. En este caso no aparece materia de en la dirección del movimiento ni desaparece en la estela del cuerpo. Para que empezara a moverse, basta con generar una "absorcion" de la materia en la dirección del movimiento y/o generar un vacio de materia en la estela. Y para ello hay que poner una cierta catidad extra de energía en juego, la necesaria para hacer desaparecer la materia de la estela y empujarla hacia la direccion del movimiento, para que empiece ésta a penetrar en el nuevo espacio y, por el principio de la inercia del espacio, impulse a toda la materia cohesionada.

Este aporte de energía que es necesario para el arranque del movimiento, es el que da lugar a la famosa segunda ley de Newton y al concepto de las fuerzas. Asimismo, también quiero hacer ver con este enfoque que, cuanto mayor sea la cantidad de materia involucrada en el movimiento, más cantidad de energía tendremos que aplicar para arrancar al objeto material de su estado de reposo, o de modificar su estado de movimiento si es que tiene una cierta velocidad. Por tanto a mayor cantidad de materia puesta en juego, el espacio ofrece una mayor inercia, es decir, es más la cantidad de energía necesaria a liberar de la materia en movimiento para poder frenarla.

Otra cuestión trascendental que personalmente no he visto a nadie pronunciarse al respecto, es que la energía aplicada en el arranque de un cuerpo, ¿donde se encuentra? La respuesta obvia y natural es que se halla integrada junto con la energía del propio cuerpo material moviendose. Es decir, forma parte de la energía de la propia materia y se ha utilizado para generar la perturbación inicial que da lugar al arranque del movimiento. De hecho, cuanto mayor sea la velocidad, tanto más será la energía necesaria extra puesta en juego.

Si la velocidad es muy muy grande, dicha cantidad de energía puesta en juego se incrementa notablemente, y topamos con las propias limitaciones del espacio a la hora de permitir el fluir de la materia o energía) a su través. El espacio es tal que no es capaz de evacuar más que una cierta cantidad de energía del espacio para permitir su movimiento. En consecuencia, para altas, muy altas velocidades, tal y como la teoria de la relatividad dice, lo que se produce es una compresión de la materia (y la energía extra asociada para moverlo) originada por esta limitación. Los objetos no podrán moverse más allá de una cierta velocidad. Esa es la velocidad de la luz en el vacío, en el espacio. Y esta consecuencia es parte de lo que dice la teoría de la relatividad. En una entrada de blog mucho más avanzada, detallaré el origen de esa limitación del espacio. A modo de anticipo simplemente anunciaré que se debe a la propia estructura intrínseca del espacio, entendido como un recipiente para la energía. Así pues, detallaré las propiedades de ese recipiente.

Otro aspecto crucial de la inercia estriba en el hecho de que una medida para su cuantificación esla idea de "masa". La masa es un concepto que estrictamente hablando indica la resistencia a la variación de velocidad que tiene un cuerpo, es decir, la resistencia a ser frenado, a absorbersele la energía que porta, la resistencia a inyectársele más energía de la que porta. De lo anteriormente expuesto tiene que haber quedado claro que: a) para materia en reposo, la inercia del espacio al movimiento de esa materia se debe únicamente a la cantidad de materia del cuerpo materia; b) para materia en movimiento, la inercia del espacio al movimiento se encuentra en la cantidad de materia y la cantidad de energía extra necesaria para poseer esa velocidad (mover más energía, cuesta aún más energía). Es decir, que la masa de un cuerpo material crece conforme tiene más velocidad. Justamente este es otro de los corolarios de la teoría de la relatividad que a muchos lleva meses comprender a base de formulismos obstrusos. Con este enfoque, todos los fenómenos relativistas, aparte de parecer más triviales, son muchísimo más fáciles de comprender. Por ejemplo, que la masa de un cuerpo material crezca hasta un limite de infinito conforme la velocidad se acerca a la de la luz. Lógico, pues esto significa que si un cuerpo material tuviera la velocidad de la luz, y se le tratara de inyectr energía para hacer que su velocidad se incrementase, ésta debería ser infinito, pues no es posible, por estructura intrínseca del espacio, tener un cuerpo material viajando más rápido que esa velocidad.

2.- Ley de la dinámica. Si un cuerpo material cambia su movimiento de reposo o rectilineo uniforme es porque se ha aplicado una variación de energía al mismo. Como se dijo antes, la "fuerza" es una idea artificial (pero bastante útil) que representa la inyección/absorción de energía a aplicar para conseguir un cierto ritmo de variacion de la velocidad.

Conviene detallar aqui otra idea importante, y es la idea de aceleración. La aceleración indica el ritmo de variacion de la velocidad. Si la velocidad se mantiene inalterable, la aceleración es cero. Si la velocidad cambia de dirección, se ha tenido que aplicar tambien energía para que el objeto material empiece a propagarse en otra direccion del espacio distinta, así como que su estela sea diferente. Tambien es una aceleracion. Si la velocidad varía, haciendola crecer, entonces la aceleración crece. SI la velocidad decrece, entonces la acelaracion rece, pero considerada en sentido contrario al movimiento. En todo caso, la ley de la dinámica dice que la cantidad de fuerza (variacion de energía) a aplicar depende de: a) la inercia del cuerpo al paso por el espacio (la masa, que recordemos que es mayor cuanto mayor es la velocidad), y b) la aceleración. Obviamente, la mayor aceleración, obliga a que se necesite poner mas energía en juego para permitir la propagación por el espacio del cuerpo material. Dicho de otro modo, cuanto más rápido se desee hacer variar la velocidad de un cuerpo, mas energía hay que aportar. Tanto da si un cuerpo de 1 kilo de masa pasa de 0 a 100 Km/h en 1 segundo como que lo haga en una hora. La inyeccion de energía aplicada es la misma. La aceleracion es mayor en el caso de 1 segundo que en el de 1 hora. La fuerza aplicada es mayor en un caso que en otro, pero su duración en el tiempo es mucho más efímero en el primer caso que en el del segundo.

3.- Ley de acción-reacción. La última ley del movimiento indica algo que, para quien cree en los flujos de energía, resulta de lo mas obvio. Se trata de que si una entidad X aplica una fuerza  en un cuerpo material, entonces se genera una fuerza opuesta en el cuerpo que aplica la fuerza. Si atribuimos la inyección de energía a un cuerpo material que es la entidad X, entonces la pregunta natural que surge es ¿de dónde ha salido la fuerza aplicada (o energía)? Pues dado que la entidad X da la energía, entonces la entidad X recibe la abosrción de energía. Y ello se debe al principio de conservacion de la energía. La energía dada por X se ha absorbido de X. El cuerpo material la recibe, X la transmite.

Muy a menudo se piensa que la ley de accion-reaccion requiere del contacto entre el cuerpo material y la entidad X que genera la fuerza (o inyeccion de la energía). Esto es valido incluso para interacciones energéticas a distancia entre cuerpos remotos, tales como la fuerza gravitatotia, la electrostática. ünicamanente se pueden explicar con absoluta racionalidad el principio de acción y reacción  en tales casos si se acepta la idea de que hay una transferencia de energía entre dichos elementos físicos.

La energía.

Energía

Quizás el primer concepto del que debería hablar es de la energía. Será también el concepto con el que cierre una serie de entradas dedicadas a los principios mas fundamentales de todos cuantos he conocido. Quiero anticipar por ahora que en ese cierre mencionaré que la energía será uno de los tres principios en los que está basado todo cuanto existe físicamente. Los otros dos principios son el espacio y la inercia que posee el espacio al fluir de la energía.
 

Energia electrica

Pero, centrémonos en el primero de los principios. En la energía. En principio diré que es un concepto virtual desde el punto de vista de la física moderna. Y luego contaré porqué es en realidad un concepto virtual y porqué que en realidad muchos de los físicos no son siquiera conscientes de ese hecho. Para mi el hecho es que la energía es real, verdaderamente real, y no es una ficción inventada para ayudar a explicar la realidad. No es sólo un matiz. Es una postura radicalmente opuesta. No es lo mismo una herramienta del pensamiento (que es lo admitido hoy dia por la ortodoxia científica) que una entidad de la realidad (que es lo que defenderé una y otra vez aqui, basándome en la experimentación).

Energía cinética

Al margen de esta pacífica y calmada controversia, que sirve de simple anuncio y advertencia de la diferencia de enfoque con respecto a lo que cualquiera se puede encontrar en los libros de texto clásicos, ultr-citados entre ellos, volvamos al punto fuerte de esta entrada de hoy: la energía.

Según la concepción clásica de la física y que es inculcada mediante el uso de la intuición en las escuelas, a la energía se le atribuye el ser una medida de la capacidad de los cambios físicos de la realidad. No puedo estar más de acuerdo con esta afirmación. A más energía más capacidad de cambio es posible. Se le atribuye también una serie de propiedades esenciales y verificadas una y otra vez exprimentalmente:

Almacenamiento de energia mecanica

a) La energía posee la capacidad de poder ser almacenada. En efecto. Pese a que es capaz de generar cambios, dicha energía puede localizarse y puede confinarse. Existen diversos métodos para poder realizarse esa operación.

b) La energía fluye entre los elementos de un experimento físico, sin que exista desaparición neta de la misma. Si imaginamos una superficie imaginaria que envuelve a dos objetos 'A' y 'B', y suponemos que no hay via de escapatoria para la energía a través de esa superficie imaginaria, entonces si 'A' tuviera una cantidad de energía X y perdiera una unidad, entonces entre 'B' y el espacio interior que envuelve a ambos objetos, se tiene que encontrar esa unidad de energía que antes estaba en 'A'. Es to se conoce también como el principio de conservación de la energía. Muchos dicen a modo de refrán "la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma". Tengo mis dudas al respecto como iré poco a poco mostrando. En particular si que creo que la energía no desaparece, pero no creo que vaya cambiando de disfraz. Por otro lado, se han abierto multitud de brechas en la comunidad científica al respecto de este dogma de fe. Por ejemplo, en esta empresa han sido capaces de construir un generador de energía que consume menos de la que produce ¿de dónde sale la energía adicional? En otra entrada en este blog contaré de dónde sale.

Diversas manifestaciones de la energia

c) La energía toma muchas formas posibles. Se dice (yo no sostengo esto) que la energía se puede convertir en energía térmica, en energía luminosa, en energía química. Experimentalmente es un hecho comprobado al cual me suscribo. Pero dudo mucho que sea tan fácil hacer mutar la energía de estado sin pagar ninguna clase de tributo. ¿Nadie había caido en la cuenta de eso? En todo caso, a efectos practicos si que es útil creer que tiene todas esas personalidades y que puede convertirse sin más en cualquiera de ellas, en todo o en parte.

La classificacion clásica de los tipos de energia

d) La energía se suele medir en unas unidades que se ha convenido en denominar Julios, ergios, calorias,... Las más utilizadas son las del sistema internacional de pesas y medidas (abreviado SI), y son los Julios (Joules, como tambien se le llaman). 1 Joule es muy poca energía. 1000 Joules dan como para calentar una taza de te. Una caloria es aproximadamente 4 Joules. Aqui puedes ver una tabla completa de conversion de una a otras unidades. Tengo que confesar que me da un reparo enorme mostrar aquí la definición de caloría, pues está mal planteada técnicamente hablando y aún hoy día la comunidad científica no se ha puesto de acuerdo para definirla adecuadamente. Simplemente diré que se define como la cantidad de energía para que ocurra un fenómeno físico muy muy concreto. Ni que decir tiene que ese no es modo de definir un concepto general, pero por lo menos si que da una buena base de referencia para establecer medidas. Yo, habría hecho eso mismo, pero sólo para empezar. Puestos a hablar de calorías ya lo hacemos de las calorías alimentarias, que son una un millar de las otras. Es decir, que cuando nos dicen que un caramelo tiene 20 calorías (alimentarias), en realidad son 20000 unidades de calorías expresadas en el lenguaje de los físicos.

100 órdenes de magnitud de energía

e) La energía no se atribuye a ninguna entidad, cuerpo o partícula como exclusivamente portadora de la misma. La visión contemporánea es la de que no existe la energía suelta, independiente y libre,  sin más, sin estar asociada a alguna otra clase de particula real o ficticia. Se considera como una propiedad de las cosas, más que como a una cosa en sí misma, de manera que suelta y aislada, la energía no es concebible en la doctrina actual. Yo esto también lo cuestionaría. Pero eso será materia de discusión en otro momento.

La materia oscura. ¿Energía negativa?

) La energía nunca es negativa. O se tiene o no se tiene, pero nunca se "debe". Esto quiere decir que un cuerpo que tenga la propiedad de poseer energía, nunca jamás puede disponer de un crédito de energía. Esta es la concepción actual de la física. Yo en esto discrepo también. Contaré el porqué a su debido momento.

En resumidas cuentas, lo importante es, por ahora centrarse en la idea de que la energía es la dinamizadora, en general, de los cambios en los cuerpos.

Formulando los entresijos reales del universo

Ya iba siendo hora de elaborar un blog que diera respuesta a una de mis inquietudes: la formulación de las leyes del cosmos, sus principios más esenciales, desde una perspectiva cualitativa, en donde poder reflejar en qué consisten sus principios más esnciales y primigenios, como la descripción de las fuerzas electromagnéticas, gravitatoria, etc, y otros principios no tan esenciales pero que rigen otros mecanismos tales como la vida, la procreación, el metabolismo, los complejísimos procesos celulares,...

Y todo ello sin formulismos. Mi experiencia me dice que no son necesarios más que para la adecuada y precisa utilización de los conceptos que aqui se recogen, para fines controlados. Me niego a creer que la principal entrada al conocimiento del cosmos se halle basada en una formulación matemática. Todo es mucho más sencillo. Todo es mucho más explicable. Sobre todo si apuntamos tan alto como lo es a la comprensión del mismisimo epicentro y nucleo de lo que mueve y genera en realidad el cosmos.

Este blog pretende ser una puerta para acceder a ello. Por lo menos para acceder hasta el mismo punto donde me encuentro ahora.