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La difícil misión de enseñar el principio de inercia. Parte 1


En algunos estudiantes persiste la tendencia a pensar que para que un cuerpo se mantenga en movimiento es necesario que sobre él esté actuando una fuerza en la dirección del movimiento, lo que no concuerda con el principio de inercia. Por eso, para ellos, el principio de inercia implica una disociación entre el mundo real y la Física. Superar ese obstáculo en la enseñanza de ciencias no es fácil.


a. A modo de introducción

En un artículo anterior, “Primera aproximación al concepto de fuerza”, caracterizamos a las fuerzas como un tipo de interacción en que dos cuerpos actúan uno sobre el otro, y presentamos la llamada tercera ley de Newton. En este artículo centraremos nuestra atención en otra de las leyes del movimiento enunciadas por Newton: su primera ley, también llamada principio de inercia.


El principio de inercia es, sin duda, uno de los grandes logros de la revolución científica iniciada en el Renacimiento. Históricamente fue enunciado por primera vez por el físico italiano Galileo Galilei. Poco después, Isaac Newton le dio una formulación más precisa.


El principio de inercia es contemporáneo de Cervantes y de Shakespeare. Se impone en el mundo científico mientras en nuestro continente la colonización española y portuguesa se va consolidando poco a poco en un doloroso proceso histórico.


El principio de inercia significó un vuelco impresionante en la percepción que se tenía del mundo físico, especialmente en lo referente al estudio de los movimientos. Hasta entonces prevalecía la idea de que todo cuerpo sobre el que no actúan fuerzas inevitablemente termina por detenerse. El principio de inercia altera sustancialmente esta concepción al afirmar que la fuerza no es necesaria para mantener la velocidad de un cuerpo, sino que para modificarla.


Este cambio en la concepción del movimiento es tan profundo que se necesitaron dos mil años desde los tiempos de Aristóteles, que afirmaba que el estado natural de los cuerpos aquí en la Tierra es el reposo, hasta Galileo y Newton que centraron su atención no en el reposo, sino en el movimiento rectilíneo con velocidad constante.


De acuerdo con el principio de inercia, en ausencia de fuerzas la velocidad de un cuerpo no puede variar, y esto incluye no solo a su rapidez sino también a la dirección en que se mueve. Es decir, si un cuerpo está inicialmente en reposo, seguirá en reposo y si está inicialmente en movimiento, seguirá moviéndose con la misma velocidad y en la misma dirección.

b. Las ideas previas

Uno de los principales obstáculos que enfrentan los estudiantes cuando en ciencias naturales empiezan su estudio sistemático del movimiento es la fuerte contradicción que ven entre la visión que traen consigo y lo que escuchan de labios de su profesor o profesora.


En muchos de ellos está fuertemente asentada la idea que todo cuerpo que está en movimiento irá disminuyendo su velocidad hasta detenerse completamente. Esta disminución de velocidad puede tardar más tiemplo o tardar menos tiempo, pero el cuerpo inevitablemente se detendrá. Lo que está en abierta contradicción con el principio de inercia.


Así las cosas, sucede en muchos casos que lo que pasa a primer plano en la enseñanza del principio de inercia no es su enunciado o la resolución de problemas planteados en el texto de estudio. De lo que se trata en verdad es de convencer al estudiante de que el principio de inercia es verdadero. Si esto no se consigue, se irá fijando en él la idea que una cosa es lo que dice la ciencia y otra cosa muy distinta es lo que en realidad sucede en el mundo real. Si ese es el resultado de nuestro proceso de enseñanza, quiere decir que estamos ante un problema serio.


Para evitar este triste resultado, hay que proceder con calma, paso a paso, y sin olvidar en ningún momento que los estudiantes pueden tener ideas previas que contradicen lo que queremos enseñar.

El principal obstáculo que tenemos que enfrentar es la imposibilidad de demostrar experimentalmente el principio de inercia. Pero sí podemos, por lo menos, mostrar que es plausible, que parece ser cierto. Si logramos conseguir eso, más tarde el estudiante irá viendo cómo se acumulan evidencias que muestran que el principio de inercia explica muy bien una variedad cada vez mayor de situaciones reales. Y así, la concepción newtoniana irá reemplazando poco a poco a la concepción aristotélica.


c. Un pequeño experimento

Para comenzar, analicemos algunas situaciones simples. Supongamos que coloco una moneda sobre una mesa.


Tal como muestra la figura 1, sobre ella actúan dos fuerzas: su peso hacia abajo (F1) y la fuerza que ejerce la mesa sobre la moneda hacia arriba (F2).


Ambas fuerzas se contrarrestan de modo que no pueden influir en el movimiento de la moneda. Como no hay otras fuerzas actuando, la moneda, tal como era de esperar, sigue en reposo.


Demos ahora un impulso a la moneda. Ella empezará a moverse en la dirección del impulso, pero poco a poco su velocidad irá disminuyendo hasta detenerse.

¿Por qué se detuvo? Como sabemos, la superficie de la mesa ejerce sobre la moneda una fuerza de roce en dirección contraria a su velocidad.


La figura 2 muestra las fuerzas que actúan sobre la moneda mientras se desplaza sobre la mesa. Hemos supuesto que la moneda se mueve hacia la derecha, tal como lo muestra la flecha roja. Las fuerzas F1 y F2 son las mismas que en la figura 1. La fuerza F3 es el roce que ejerce la superficie de la mesa sobre la moneda. No hay ninguna fuerza hacia adelante, pues la fuerza que la puso en movimiento ya no está actuando.

Ya sabemos que las fuerzas F1 y F2 se contrarrestan entre sí y, por lo tanto, no influyen en el movimiento de la moneda. La única fuerza que influye en el movimiento es, pues, la fuerza F3, es decir, el roce que ejerce la superficie de la mesa. Esta fuerza está actuando en dirección contraria al movimiento y es precisamente la fuerza que disminuye la velocidad de la moneda hasta detenerla.


Si lubricamos la mesa de modo de disminuir el roce, la moneda llegará más lejos, pero nuevamente terminará por detenerse, porque el roce, aunque haya disminuido, no ha desaparecido totalmente.


Surge entonces la pregunta: ¿qué pasaría si se pudiera disminuir el roce hasta cero de modo que ya no haya ninguna fuerza actuando sobre la moneda en dirección contraria al movimiento?

Nuestra experiencia diaria nos indica que la moneda más tarde o más temprano debiera terminar por detenerse. Esa misma experiencia diaria es la que llevó a los filósofos de la antigüedad a postular que la tendencia natural de los cuerpos es el reposo. Según ellos, la moneda, aún sin la acción del roce, se detendrá porque esa es su tendencia natural.


Pero la experiencia diaria está contaminada por la presencia inevitable del roce. Podemos acercarnos a la situación de roce cero, pero no podemos eliminarlo totalmente. Aun así, hay una duda que queda dando vueltas: si la tendencia natural de los cuerpos fuera el reposo, ¿por qué la moneda llega cada vez más lejos a medida que disminuimos el roce?

La respuesta que parece más plausible es considerar que la moneda no se detiene porque esa es su tendencia natural, sino que se detiene por la acción del roce. Es el roce lo que detiene la moneda. Es decir, si la moneda está en movimiento se necesita una fuerza que la detenga. En ausencia total de roce y de cualquier fuerza que actúe sobre la moneda, la moneda debería seguir moviéndose en línea recta y con velocidad constante.


Y si la idea de un movimiento permanente parece difícil de aceptar, pensemos que la Luna ha estado girando alrededor de la Tierra por unos 4.000 millones de años y todavía no se detiene.


Efectivamente, no podemos demostrar en un experimento de laboratorio la veracidad del principio de inercia, pero todos los movimientos que observamos pueden ser explicados mucho más convincentemente sobre la base de este principio que a partir de una supuesta tendencia natural al reposo.

d. Dos concepciones opuestas

Como dijimos, el principio de inercia significó un cambio radical en las concepciones acerca del movimiento de los cuerpos.


Según la concepción anterior, en ausencia de fuerzas todo cuerpo que está en reposo permanece en reposo y, si se está moviendo, termina por detenerse. Según la nueva concepción, en ausencia de fuerzas todo cuerpo, si está en reposo, permanece en reposo y, si se está moviendo, continúa moviéndose con velocidad constante.


Para la concepción anterior, las fuerzas son la causa del movimiento. Para la nueva concepción, las fuerzas son la causa de las variaciones de velocidad.

Para la concepción anterior, el movimiento es algo esencialmente diferente del reposo. Para la nueva concepción, el reposo no es más que un caso especial de movimiento en que la velocidad es cero.

El principio de inercia tiene otra consecuencia que conviene recalcar. Supongamos que aplicamos una fuerza sobre un objeto de modo que se mueva con velocidad constante sobre una superficie horizontal.



La figura 3 muestra las fuerzas que estarán actuando sobre este objeto durante el movimiento. La flecha roja indica la dirección en que se mueve el objeto.



Una de estas fuerzas es el peso del objeto, que actúa hacia abajo. Es la fuerza F1 de la figura. Otra es la fuerza que la superficie ejerce sobre el objeto hacia arriba y que contrarresta exactamente al peso del libro. Es la fuerza F2 de la figura. Ambas fuerzas se anulan entre sí y no tienen influencia sobre el movimiento del objeto.

Una tercera fuerza que actúa sobre el objeto es la que nosotros ejercemos sobre él para mantenerlo en movimiento. Esta fuerza tiene la misma dirección del movimiento. Es la fuerza F3 de la figura.


Por último, hay una cuarta fuerza actuando sobre el objeto: el roce que la superficie ejerce sobre él en dirección contraria al movimiento. Es la fuerza F4 de la figura.

Según la concepción aristotélica, la fuerza que nosotros ejercemos sobre el objeto debe ser mayor que el roce. De no ser así, la velocidad del objeto disminuiría hasta su total detención.


Según el principio de inercia, en cambio, para que el objeto se mueva con velocidad constante la fuerza que nosotros ejercemos debe ser igual al roce de modo que ambas fuerzas se contrarresten mutuamente y el libro se mueva como si sobre él no estuviera actuando ninguna fuerza. Si la fuerza que aplicamos fuera mayor que el roce, entonces la velocidad con que se mueve el libro iría aumentando. Si la fuerza que aplicamos fuera menor que el roce, entonces la velocidad con que se mueve el libro iría disminuyendo. Para que la velocidad no aumente ni disminuya podemos afirmar, sin temor a equivocarnos, que la fuerza que nosotros aplicamos debe ser exactamente igual al roce.

Lo que debemos tener presente es que, según el principio de inercia, no se necesita una fuerza para mantener un cuerpo en movimiento, pero sí se necesita una fuerza para aumentar o disminuir su velocidad.


(En los ejemplos vistos hasta aquí hemos supuesto que el cuerpo en cuestión se mueve a lo largo de una línea recta. Más adelante habrá que analizar lo que sucede cuando sobre un cuerpo en movimiento actúa una fuerza en una dirección perpendicular a la velocidad).

e. El principio de inercia y el carácter relativo del movimiento

El principio de inercia está asimismo íntimamente ligado a otro concepto especialmente importante. Nos referimos al carácter relativo que tiene todo movimiento.


Consideremos la siguiente situación. Anita viaja en avión con su padre. Van a visitar a su abuela que vive en la hermosa ciudad de Valdivia. Por recomendación de su padre, Anita no se mueve de su asiento. Pregunta: ¿Anita está en reposo o en movimiento?


Por supuesto, esta pregunta no tiene respuesta mientras no especifiquemos con respecto a qué debemos considerar el reposo o el movimiento de Anita. Es decir, la pregunta solo tiene sentido en relación a algún sistema de referencia. Con respecto al avión, Anita está en reposo, pero con respecto a tierra se mueve a una velocidad del orden de 900 o 1000 km/h.

Alguien podría argumentar que la respuesta válida es la que se da en relación con tierra. Pero resulta que nuestro planeta se mueve alrededor del sol a una velocidad de unos 30 km/s con respecto a un sistema de referencia asociado al sistema solar. Como si fuera poco, todo el sistema solar se mueve alrededor del centro de la Vía Láctea con una velocidad de unos 220 km/s con respecto a un sistema de referencia asociado a la Vía Láctea. Y más todavía, la Vía Láctea entera se mueve en relación con el conjunto de las demás galaxias.

De acuerdo con esto, el concepto de reposo es un concepto relativo. Si un cuerpo está en reposo con respecto a un sistema de referencia, estará necesariamente en movimiento con respecto a muchos otros sistemas de referencia. Así las cosas, la idea que todos los cuerpos en movimiento tienden a disminuir su velocidad hasta detenerse por completo empieza a perder todo significado.

Bien. Antes de terminar este artículo quisiéramos invitar a revisar el artículo “La difícil misión de enseñar el principio de inercia. Parte 2” en el que proponemos y comentamos algunas actividades que pueden ayudar en el proceso de enseñanza.

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