Actividad 4: Newton. Descomposición de la luz del sol

Después de leer el capítulo nº 4 del libro 'De Arquímedes a Einstein', vamos a proceder a resolver unas cuestiones propuestas por nuestros profesores.

1.Resuelve el siguiente enigma: ¿Por qué Newton tiene dos fechas de nacimiento (25 de diciembre de 1642 y 4 de enero de 1643)

Papa Gregorio XII

Esto ocurre porque, primero porque se produjo un cambio de calendario en 1582, y se pasó de el calendario Juliano, nombrado en honor a Julio César ya que fue impuesto bajo su consulado, al Gregoriano , en honor al Papa Gregorio XIII.

Calendario Gregoriano

El calendario Juliano establecía que el año estaba constituido por 365,25 días cuando en realidad la cifra correcta sería 365,242189 días. La diferencia parece casi insignificante pero en realidad con el paso de los siglos se hacia mas de notar, por ejemplo en 1582 el error era ya de 10 días. 

Calendario Juliano

Por esos motivos el Papa Gregorio XIII impulsó una nueva reforma del calendario que llevaría su nombre y que es el actual calendario. Este calendario fue adoptado inmediatamente por los países católicos, pero en los países ortodoxos o protestantes no estaban por la labor de aceptar órdenes del Papa , ya que no eran partidarios de este ni de las mayoría de las ideas de la iglesia católica , ya que ellos encontraron ciertos fallos en su sistema, pero esto no es oportuno para la ocasión.

2. ¿Qué quiso decir Newton con su expresión '' Si he visto más lejos es porque estoy sentado sobre los hombros de gigantes? ¿Esa frase es realmente original de Newton?

Lo que quiere decir en nuestra opinión es que , ha podido avanzar, mejorar y poder formular, en resumen conseguir, lo que él hizo gracias a unas bases ya establecidas, o a unos pensamientos de colegas científicos que le precedieron, por eso él pudo ver lo que había más allá de eso o dar un salto, un paso más , alcanzar un nivel superior, lo que le permitió hacer todo lo que él hizo, formuló y estableció.

Hemos consultado varias fuentes y la mayoría le atribuyen la frase a Newton, cuando en realidad, este estaba citando a un filósofo bretón , Bernardo de Chartres, como él dijo  ''que somos como enanos a los hombros de gigantes. Podemos ver más, y más lejos que ellos, no porque la agudeza de nuestra vista ni por la altura de nuestro cuerpo, sino porque somos levantados por su gran altura''

3. ¿Cuál es la visión aristotélica del universo o Aristotelismo?

Su visión del mundo es cualitativa y no cuantitativa, ellos dicen que lo que sucede en el mundo no puede ser matematizado ya que para ellos todo es heterogéneo. Piensan que el cielo es una región de orden, en donde suceden también cambios pero estos son completamente predecibles, regulares y además estables, como por ejemplo, que el Sol salga todos los días y que los ciclos lunares se repiten periódicamente.

Además de esto consideraban que existían dos mundos diferentes el sublunar(El mundo sublunar abarca lo que está debajo de la luna, la región terrestre.) y el supralunar (Es la región que abarca la luna y todo lo que se halla más allá de ella: cinco planetas o "cuerpos errantes" (mercurio, venus, marte, júpiter y saturno) , el sol y las estrellas.)

Características

1. Es esférico, finito, eterno, geocéntrico y geostático. 2. En él no existe el vacío, sino cinco elementos que constituyen los cuerpos de las diferentes regiones: tierra, agua, aire, fuego y éter. Todo está lleno de materia. 3. No hay movimientos a distancia o gravitacionales. Los planetas no se mueven en el vacío, sinó que se mueven las esferas de éter en las que se hallan. 4. Es un cosmos heterogéneo, siendo la región más perfecta la supralunar, por su orden y estabilidad. 5. Los seres que componen el cosmos están jerarquizados en diferentes categorías: seres inmateriales inmóviles: el primer motor inmóvil y los motores inmóviles de las esferas. Seres materiales móviles pero eternos e incorruptibles: El mundo supralunar ( esferas, planetas, estrellas). Seres finitos y móviles: el mundo sublunar de los cuatro elementos.

4. En el capítulo se menciona a varios científicos muy importantes en el desarrollo de la Física. Construye una línea de tiempo que contenga a los físicos mencionados en el capítulo y sus principales aportaciones a dicha ciencia.

5. ¿Qué ventajas presenta el telescopio reflector de Newton frente al telescopio refractor de Galileo? Explica qué son la reflexión y la refracción de la luz.

No sufre aberración cromática (es un tipo de distorsión óptica provocada por la imposibilidad o incapacidad de una lente para enfocar todos los colores en un único punto de convergencia) a diferencia del telescopio refractor.

Es normalmente más barato, para un objetivo dado de cualquier diámetro (apertura), que un telescopio de otro tipo de calidad comparable.

Sólo tienen una superficie que necesita ser pulida para crear una forma compleja, por lo que el proceso de fabricación resulta más sencillo que en otros diseños 

Permite obtener un ratio focal (expresa la apertura de un objetivo en términos relativos respecto a su distancia focal) pequeño de forma fácil, lo que supone un mayor campo de visión.

El ocular está situado en la parte superior del telescopio que, junto a ratios-f pequeños, permite un sistema de montaje mucho más compacto, reduciendo el coste y añadiendo portabilidad.

Los telescopios newtonianos, como otros diseños de telescopios reflectores que usan espejos parabólicos, sufren de coma (aberración inherente a determinados sistemas ópticos, debida a algunos defectos de diseño o imperfecciones en las lentes u otros componentes, lo que resulta en fuentes puntuales fuera de eje), que da como resultado que las fuentes puntuales fuera de eje, como por ejemplo estrellas, pueden aparecer distorsionadas con forma de cometa

Reflexión ,es el cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca con un objeto y "rebota" .

- Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano. 

- Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción de la luz es el cambio de dirección que sufre la luz cuando pasa de una sustancia transparente a otra. 

Ejemplo, el aire, a otro, como el agua. 

- Primera ley: El rayo incidente, la normal y el refractado se encuentran en un mismo plano.

- Segunda ley: Si un rayo incidente pasa de un medio a otro de mayor densidad, el rayo refractado se acerca a la normal. Pero, si pasa a otro de menor densidad, el rayo refractado se aleja de la normal. 

6. Realiza el experimento de descomposición (dispersión) de la luz mediante un prisma óptico (puede ser una botella llena de agua, tal y como sugiere el libro) y descríbelo incluyendo tu propia imagen. 

La dispersión de la luz es la descomposición de una luz más compleja, por ejemplo un haz de luz blanco, en otras más simples (rojo, amarillo... etc), la separación de la luz en las longitudes de onda( La longitud de una onda es el período espacial o la distancia que hay de pulso a pulso ) que la componen.

La luz blanca se descompone en el rojo, el naranja, el amarillo, el verde, el azul, el añil y el violeta. Para que se separen los colores, el rayo de luz debe pasar de un medio a otro. Como por ejemplo pasando a través de un prisma de cristal. 

Para la realización de este experimento necesitas un vaso o un prisma de cristal, en este caso haremos los dos experimentos, y una linterna.

Materiales

 Como se puede ver, aunque muy levemente debido a la baja calidad de resolución que tiene la cámara empleada, cuando pasa el haz de luz blanca que proviene de la linterna, esta se descompone en los colores del arco iris debido al fenómeno explicado anteriormente. 

experimento con prisma

experimento con vaso

Este es un pequeño gif de lo que ocurre cuando pasa el haz de luz blanca a través de un cristal.

7. Explica por qué se forma el arco iris primario y el secundario. Puedes incluir tu propia fotografía del fenómeno, si eres aficionado. 

 El arco iris único y brillante que se ve después de un chubasco o en una cascada es el arco iris primario. Su característica principal son las bandas de colores, desde el violeta en el interior, pasando por el azul, verde, amarillo, naranja, hasta el rojo en el exterior.

Por encima del arco primario se encuentra el arco secundario, en el que los colores aparecen en orden inverso, el rojo en el interior y el violeta en el exterior.  En medio de los dos arcos hay una región bastante más oscura que el cielo circundante denominada banda de Alejandro, en honor al filósofo griego Alejandro de Afrodisias, quien la describió por primera vez hacia el año 200 A. C.

Roger Bacon en 1266 midió el ángulo que forman los rayos del arco iris con la luz solar incidente. Descartes demostró que el arco iris primario está formado por los rayos que penetran en una gota retractándose, se reflejan una vez en su superficie interna y salen de la gota retractándose de nuevo. El arco iris secundario está formado por los rayos que penetran en la gota y se reflejan dos veces en su superficie interna. La figura de abajo, es la explicación de Descartes a la formación del arco primario y secundario.

• El arco primario se forma un ángulo de aproximadamente 42º y se produce después de una reflexión de los rayos de luz en el interior de la gota. En el interior del arco observamos el color violeta y en el exterior el rojo.
• El arco secundario se forma un ángulo de aproximadamente 50 º y se produce después de dos reflexiones de los rayos de luz en el interior de la gota. En el interior del arco observamos el color rojo y en el exterior el violeta.

8. Infórmate acerca del concepto de momento lineal (lee la página 80 de tu libro de texto). Trata de escribir las tres leyes de Newton en función de esta magnitud.

El momento lineal, cantidad de movimiento o momentum de un cuerpo es el producto de su masa por su velocidad instantánea o magnitud que nos permite medir la capacidad de un cuerpo de ejercer una fuerza sobre otro que se encuentre en su camino.

p=m·v

1º ley de Newton ( Ppio de inercia)

Un sistema sometido a una resultante de fuerzas externa igual a cero, indica que este sistema tiene una estado cinético el cual solo puede ser o MRU o reposo, es decir que su cantidad de movimiento es constante o es igual a cero

2º ley de Newton (Ppio fundamental de la dinámica)

Si sobre un sistema la resultante de fuerzas es desigual a 0, este sistema no esta ni en MRU ni en reposo, es decir que por la fuerza resultante externa el sistema sufrirá una aceleración directamente proporcional a la masa. Es decir su cantidad de movimiento no es constante.

F= m*a

3º ley de Newton ( Ppio de acción y reacción)

Si un sistema 1 ejerce una fuerza sobre un sistema 2, acción, entonces simultáneamente el sistema 2 ejercerá una fuerza sobre el 1 (reacción) de igual dirección y módulo pero diferente sentido . Al igual que en la anterior ley , su cantidad de movimiento no es constante.

9. Enuncia y comenta la Ley de Gravitación Universal.

LGU: ''La fuerza de atracción que sufren dos cuerpos es directamente proporcional al producto de las masas de dichos cuerpos, multiplicados por la constante de gravitación universal, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias de sus centros''

G equivale a la constante de gravitación universal, deducida por Cavendish, mediante la realización de numerosos experimentos

Según la segunda ley de Newton, por ejemplo imaginemos que tiramos un objeto en caída libre desde un edificio, como dice la segunda ley F=m*a, en este caso la aceleración es la gravedad.

Si sustituimos esto en la ecuación anterior , podemos calcular la aceleración que sufre un cuerpo en la tierra o en cualquier otro planeta, estrella.... , siendo M la masa de este y no la del el cuerpo que la está sufriendo.

10. En la página 112 del libro "De Arquímedes a Einstein" se alude a una fuerza centrífuga que es la causante de que la Luna no caiga sobre la Tierra. Después de ver el vídeo anterior, ¿estás de acuerdo con esa explicación? ¿es compatible con el tercer principio de Newton? ¿Qué es la velocidad orbital? Experimenta con el cañón de Newton para resolver esta cuestión.

El libro explica que una fuerza centrífuga es la causante de que la luna no caiga sobre la Tierra ya que, como dice el tercer principio de Newton, se opone una fuerza de igual módulo y dirección, pero de sentido contrario. De esta forma el cuerpo se equilibra.

La razón por la que los satélites orbitan es porque se encuentran en un equilibrio entre la gravedad y la inercia.

Hemos realizado un poc de experimentación sobre el cañón de Newton ,en esta página, y hemos podido comprobar que a a partir de una velocidad aproximada de 4450 m/s se podría lograr que un cuerpo entrara en órbita.

La velocidad orbital es la velocidad que tiene un planeta, satélite o similar en su órbita alrededor de otro cuepo celeste.