Buscar este blog

lunes, 24 de noviembre de 2014

LA INTEGRAL DE NEWTON VS LEIBNIZ


La integral se define como la suma infinita de elementos infinitamente pequeños, se interpreta como el área comprendida entre la curva y el eje de la variable cuando tenemos una función de una variable y bla, bla, bla...

Esta es la definición de una integral que podemos encontrar en la mayoría de libros de matemáticas. Es lo que nos explican (o deberían) en los cursos preuniversitarios y es lo que se nos reexplica en los primeros años de universidad a todos los estudiantes de ingenierías, ciencias físicas, química y cualquier grado relacionado con las ciencias en general. En el caso de integrales para una sola variable (una dimensión), siempre encontramos su definición ligada a una expresión tal que:
Donde f(x) es una función contínua y derivable, dx es el elemento infinitesimal o diferencial y F(x) la función llamada primitiva, que viene acompañada por una constante K arbritaria. Ambas conforman lo que vulgarmente llamamos "resultado" de la integral.

Todo esto es muy interesante, y es muy importante comprenderlo y saber interpretarlo correctamente si nos encontramos estudiando algún campo de los anteriormente mencionados. La cosa es que en mi caso particular, la primera vez que se me habló de esto, se me presentó como la integral de Newton. Newton, ese personaje casi divino, conocidísimo de siempre. Sus leyes de la dinámica, su ley de la gravitación universal y, además, inventor del cálculo diferencial (entre otras cosas). Madre mía, ¿pero qué comía este hombre? Menudo monstruo, ¿no? Bueno. Sin duda era muy inteligente, tenia una dedicación admirable por sus estudios y realizó grandes avances en los campos de la física y las matemáticas. Años más tarde, se me presentó de nuevo el mismo concepto, pero esta vez lo llamaron la integral de Newton-Leibniz.

Leibniz... ¿Quién era este Leibniz? ¿Qué hacía ahí, al lado de Newton? Lo primero que pensé era que podría ser el segundo apellido de Newton, pero "Isaac Newton Leibniz" no parecía tener mucho sentido. Claro, Leibniz tenía que ser otra persona. Pero, ¿qué hizo esta persona para aparecer al lado de Newton en uno de los descubrimientos más famosos de este?

El cálculo infinitesmial no es ningun tema baladí, no es ninguna broma. Es una herramienta potentísmia que nos dan las matemáticas para poder explicar la naturaleza, para poder hacer CIENCIA. Newton lo desarrolló a partir de deducciones geométricas para explicar sus leyes de la dinámica y darle un sentido lógico-matemático a los fundamentos de la cinemática de Galileo. Además, en la época de Newton no había computadoras con programas de cálculo. Tampoco había tablas de derivadas e integrales immediatas disponibles en ningún libro. De hecho, no había cálculo infinitesimal (¡¡lo inventó él!!) Lo que había era geometría y tiempo para estudiar. Bueno, lo del tiempo es relativo. No todo el mundo tenia recursos para estudiar ni tiempo para dedicarle al estudio. Newton era un noble, llegó a ser "Sir" de su majestad. Un campesino que se dedicara a criar cerdos no tenía suficiente tiempo. Debía trabajar para comer y alimentar a su família, aún no se había inventado la "jornada laboral". Simplemente salía el sol y se trabajaba hasta que se escondiese. Punto. Bien, Newton sí tenía el tiempo, los recursos y las ganas suficientes para hacer todo lo que hizo. Merece todo el mértio para que la integral lleve su nombre ¿Pero Leibniz?


Investigando, resultó ser que Gottfried Leibniz era un matemático, coetáneo de Newton, del Sacro Imperio Romano Germanico. Uno de los filósofos y pensadores más grandes de los siglos XVII y XVIII. Apodado como "el último genio universal" hizo grandes contribuciones en los campos de la metafísica, la epistemología, la física, las matemáticas, la teología, historia, geología y jurisprudencia. Uno de sus aportes, como podréis suponer, fué el desarrollo del cálculo infinitesimal.



Y os preguntaréis: ¿Cómo? ¿El mismo cálculo que Newton? Pues sí. Y lo hizo de manera independiente. Es decir, tanto Newton como Leibniz desarrollaron las mismas herramientas de las matemáticas que ahora conocemos como cálculo diferencial sin hablarse ni conocerse. O sea, que no lo inventó sólo Newton.

Haciendo un alarde de comportamiento humano, lejos de poner en común sus conociemientos y ahondar en el estudio de sus desarrollos, estos dos grandes estudiosos eligieron la inteligente vía de la discusión y la acusación de plagio el uno al otro para determinar quién de los dos lo inventó primero. La discusión no tenía ningún sentido, pues  lo hicieron al mismo tiempo. El plagio era imposible, pues ni se conocían, ni vivían en el mismo país. Estas dos mentes dedicadas al estudio discutieron hasta el día de su muerte. Uno más que el otro, pues Newton tenía contiendas con otros personajes de los que ya hablaremos, como por ejemplo Robert Hooke. Sabiendo esto, me sigo preguntando, ¿por qué se explicaba la integral de Newton y no la de Newton-Leibniz?

Parece ser que la influencia de Newton, su poder, su "control de los medios" (si se permite el anacronismo), permitió que durante siglos, fuese él el considerado inventor del cálculo infnitesimal. Paradójicamente, la integral como la conocemos (el área bajo la curva...) es una definición de Leibniz. Así como los símblos que utilizamos (la S alargada para definir una integral, los diferenciales dx, dy, dz) también fueron introducidos por Leibniz. Sin embargo, algunos aún la llaman la integral de Newton, sólo de Newton. Por suerte, ya es difícil encontrar la integral definida y explicada sin nombrar a ambos. Pero aún así, se le llama la integral de Newton-Leibniz. Newton sigue estando por delante, aún cuando el orden alfabético que se debería aplicar en estos casos, no se cumple.

En fin, muchas veces la historia es injusta con los protagonistas. Es imposible determinar quien de los dos tiene más mérito a la hora de "descubrir" el cálculo infinitesimal, pero no debemos dejar a ninguno de lado. Su aportación a las matemáticas es tal, que les debemos dar las gracias In sæcula sæculorum. Perdonemos sus discusiones y aprendamos de ellos. 

Si hubiesen llegado a las manos, ¿por quién apostaríais?

Hasta la próxima!

martes, 11 de noviembre de 2014

LAS LEYES DE KIRCHHOFF


En esta entrada vamos a intentar comprender qué pudo llevar a Kirchhoff a deducir sus leyes de los nodos y las mallas en 1845. Kirchhoff anunció sus leyes mientras aún era estudiante de la Albertus University of Königsberg, bajo la tutela de su mentor Franz Ernst Neumann. Las leyes de kirchhoff se publicaron como extensión de la ley de Ohm. La generalidad de sus resultados así como la simplificación de los cálculos demuestran las excelentes habilidades matemáticas de este personaje. Pero, ¿qué pudo llevarle a pensar en estas leyes tan generales? La necesidad de establecer una red eléctrica bien distribuida y eficiente era un problema actual para la época. Había que resolverlo. La idea de Kirchhoff era aplicar algo tan sencillo como los principios básicos de conservación conocidos.
Principios de conservación:
Como hemos dicho las leyes de Kirchoff para la resolución de circuitos se pueden deducir a partir de dos principios de conservación básicos en la ciencia.
El primero es un principio fundamental en ciencia. El principio de conservación de la carga. Aquí podéis ver el que probablemente sea el primer enunciado de este principio. Escrito por Benjamin Franklin en 1747:

"Ahora se ha descubierto y demostrado, tanto aquí como en Europa, que el Fuego Electrico es un elemento real, o Especie Material, no creada por fricción, sino recogida"
-Benjamin Franklin, Carta a Cadwallader Colden, 5 de junio de 1747
Básicamente este principio afirma que en cualquier proceso eléctrico la carga total de un sistema aislado se conserva. Es decir, que la cantidad de partículas cargadas es la misma al inicio y al final del proceso. Este principio tiene gran aplicación en química (en las reacciones químicas se producen intercambios de partículas cargadas) como trataremos en futuras entradas.
El segundo es el principio de conservación de la energía. Este es básico en física y constituye el primer principio de la termodinámica.
Básicamente este principio dice que la energía no se genera de la nada. Se puede transmitir entre sistemas en forma de calor, energía mecánica, trabajo, etc. Además se mantiene constante, o sea que la energía que se le transmite a un sistema es igual a la suma de energías que transmite dicho sistema, ya sea trabajo realizado por el mismo, energía que se pierde en forma de calor, etc.
Leyes de kirchhoff:
Pero, ¿qué relación tienen estos principios con las leyes de kirchhoff y los circuitos eléctricos? Bien, si centramos nuestra atención en la primera de las leyes de Kirchhoff encontraremos su clásico enunciado:
En cualquier nodo de un circuito, la suma de las corrientes entrantes es igual a la suma de las corrientes salientes.”
Y su traducción matemática:
 
Es decir, que la cantidad de corriente que entra en un punto del circuito es igual a la cantidad de corriente que sale del mismo. ¿Y que es la corriente? Pues la corriente se define como la CANTIDAD DE ELECTRONES que pasan por un cable de cierta sección por unidad de tiempo. ¡Vaya! ¡Cantidad de electrones! Es decir, que es una cantidad de PARTÍCULAS CARGADAS que a la entrada de un punto y a la salida es la misma. O sea, que se conserva. Así pues la primera ley de Kirchhoff hace referencia directa al principio de conservación de la carga.
¿Adivináis a que principio de conservación hace referencia la segunda ley de Kirchhoff? Pues sí, a la conservación de la energía. Vamos a verlo.
En un circuito de corriente continua tenemos elementos que aportan energía, típicamente pilas o fuentes de energía variable. Del mismo modo, tenemos otros elementos que disipan energía, típicamente resistencias. Las fuentes de energía aportan cierta cantidad de energía que es consumida (en parte) por las resistencias. Es fácil de comprobar sobre un circuito sencillo porque al poco tiempo de ponerlo en marcha, las resistencias se calientan (pueden llegar a quemarse), es decir, disipan energía en forma de calor.
La segunda ley de Kirchhoff dice que :
En una malla, la tensión proporcionada es igual a la suma de caídas de tensión a lo largo de la misma”.
Y su traducción matemática:
La tensión proporcionada no es más que la energía que aporta una pila. La caída de tensión es la diferencia de energía potencial que encontramos entre los extremos de una resistencia, que es debida a la disipación de energía en forma de calor de la que hemos hablado.
Puedes seguir la resolución de un circuito eléctrico aplicando estas leyes en el siguiente vídeo.
Conclusiones:
La ciencia proporciona una manera de resolver los problemas a partir de pruebas, deducciones lógicas y desarrollos teóricos basados en el conocimiento ya desarrollado. En esta ocasión, vemos que las Leyes de Kirchhoff, que parecen surgir de la nada, no son más que la aplicación de los principios de conservación fundamentales con el fin de resolver un problema. Sí es cierto que Kirchhoff fue capaz de desarrollar un sistema matemático sencillo para el cálculo, cosa que requiere de un gran trabajo así como de una gran capacidad de abstracción y deducción, pero tendemos a “diosificar” a los científicos sin pensar en el arduo trabajo que probablemente le costó dicha deducción así como la formación previa y la total dedicación a la resolución del problema. No pretendemos con esto menospreciar el trabajo de Kirchhoff ni mucho menos, es uno de los grandes científicos de la historia y sus aportaciones tanto en el campo de la electricidad como de la termodinámica son de primerísimo nivel. Simplemente tratamos de “humanizar” a este gran científico que, sin duda, ayudó a cambiar el mundo.

Hasta la próxima!

miércoles, 29 de octubre de 2014

LA IMAGEN DE LA CIENCIA

Hagamos un pequeño experimento. Cierre los ojos y piense en un científico. Seguramente en su cabeza habrán aparecido imágenes parecidas a estas.

La pregunta que planteamos es, ¿por qué?

Parece ser que en la sociedad tenemos una imagen estereotipada de la ciencia. Una imagen que distorsiona el trabajo centífico y hasta produce actitudes negativas frente al mismo. Hay muchos indicadores de estas actitudes negativas, pero hoy nos centraremos pricipalmente en la imagen que tenemos de los científicos.

Sí. Si pensamos en científicos pensamos en hombres maduros, con el pelo muy canoso, medio calvos, con gafas, vestidos con bata, etc.
Puede que esta imagen corresponda a los científicos que hemos encontrado en los libros de texto, es decir, los científicos que "nos enseñan" en el colegio. Aquellos científicos clásicos, que parecen de otro mundo porque lo inventaron todo y que nunca tenemos en cuenta el tiempo que dedicaron a trabajar duro y estudiar. Y también a aquellos que quedaron por el camino, que no llegaron a ninguna conclusión o cuyas teorías y experimentos no condujeron a nada (sí, esos también existieron y existen, pero la historia sólo recuerda a los famosos). Comprobémoslo.

Aquí tenemos a algunos de estos científicos:

Marie Curie: Ganó el premio nobel de física en 1903 (junto con su marido Pierre Curie y Henri Becquerel) por sus investigaciones en los fenómenos de radiación y el premio nobel de química en 1911 por conseguir aislar los elementos radio y polonio.
James Clerk Maxwell: Le debemos la sintetización de la teoría del campo electromagnético, la demostración que campo eléctrico, campo magnético y hasta la propagación de la luz (ondas electromagnéticas) son manifestaciones del mismo fenómeno.
Emmy Noether: Realizó contribuciones fundamentales al campo del álgebra abstracta y la física teórica.
Charles Darwin: Su teoría de la evolución, aunque no fue aceptada en un principio, estableció las bases de la síntesis evolutiva moderna. Sus descubrimientos científicos son considerados como el acta fundacional de la biología.
 
Viéndoles, parece ser que ninguno transmite esa imagen estereotipada que aparece en nuestra mente (y en el buscador de google imágenes ;) si pensamos en el término "científico". ¿Podría ser entonces por la imágen que transmiten los científicos contemporáneos? Vamos a conocer a alguno de ellos:

George F. Smoot: Este astrofísico de los Estados Unidos fué galardonado con el  premio Nobel de física en 2006 (junto con John C. Mather) por su estudio de la radiación de fondo de microondas existente en el universo.
Dorothy Hodgkin: Química británica pionera en el uso de los rayos X para el estudio de la estructura molecular de las sustancias de interés bioquímico. Fué galardonada con el premio Nobel de química en 1964 por este hecho.
Lynn Margulis: Fué una destacada bióloga de Estados Unidos que realizó importantes aportaciones al campo de la biología evolutiva.
Ignacio Cirac: Físico español. Destacan sus estudios sobre la computación cuántica y la óptica cuántica. Dirige la división teórica del Instituto Max Planck en Garchign, Alemania.

Vaya! Parece ser que los científicos contemporáneos tampoco transimten una imágen muy diferente de la que transmite la gente de la calle. Y el secreto está ahí, son gente normal. Como usted, como yo, como cualquiera. Desarrollan su trabajo como cualquier otro, sólo que su trabajo consiste en investigar, hacer hipótesis para intentar explicar el comportamiento de la naturaleza, comprobar qué tienen de cierto y de falso estas hiótesis, etc.

De modo que tenemos a unas personas que se dedican al mundo de la ciencia que no difieren de las personas que nos encontramos todos los días por la calle. Si las comparamos con las imágenes estereotipadas del científico, encontraremos muchísimas diferencias. Por ejemplo, en el mundo real de la ciencia HAY MUJERES científicas ¡Como en cualquier otro campo de trabajo! ¿Por qué no tienen tanta relevancia como los hombres? ¿Es que no hacen su trabajo? (esto daría para varias entradas). No siempre van vestidos con bata, llevan ropa normal para su época. No tienen por qué estar calvos ni llevar peinados estrafalarios. Hay absolutamente de todo, como en cualquier sitio.

La pregunta que surje ahora es ¿POR QUÉ TENEMOS ESTA IMAGEN DISTORSIONADA DE LOS CIENTÍFICOS? Puedes dejar tu opinión como comentario a esta entrada. En un futuro discutiremos las posibles razones.

Hasta la próxima!

lunes, 13 de octubre de 2014

LA FUERZA DE COULOMB.... SÓLO DE COULOMB?

Charles Coulomb

Si echamos un vistazo a nuestros libros de física, en los apartados dedicados al campo eléctrico, encontramos un concepto llamado Fuerza de Coulomb. Viéndolo así, pensamos en Coulomb como un hombre que tradujo lo que la naturaleza hace con las cargas eléctricas, al idioma de las matemáticas. Y es así... o casi. "Casi" porque resulta igenuo y, sobretodo, injusto considerar que Coulomb desarrollo él sólo esta ecuación para la fuerza entre cargas. Aunque merecidamente lleve su nombre.






Un breve repaso histórico

Resina Fosilizada
Ya en la antigua grecia se observaban fenómenos de atracción eléctrica. Thales de Mileto (640 a.C. - 546 aC) observó que al frotar un pedazo de resina fosilizada, ésta era capaz de atraer pequeños objetos como plumas o pajitas. 

Esta atracción se confundió con la atracción magnética que producian ciertos minerales como la magnetita. No fué hasta el siglo XVI cuando William Gilbert (1540-1603) estudió sistemáticamente los fenómenos eléctricos y magnéticos por separado. Fué el primero que diferenció ambas interacciones, además, introdujo los términos de fuerza eléctrica, atracción magnética y polo magnético.
En 1729 Stephen Gray (1666-1736) realizó las primeras experiencias de transporte de energía eléctrica. Descubrió de que la atracción y repulsión conseguidas por frotamiento de materiales, se podían transmitir de un cuerpo a otro mediante conexiones metálicas. Conociendo este resultado, Charles François Du Fay (1698-1739) realizó un experimento en el que una hojita de oro era atraída por un trozo de vidrio frotado hasta que estos objetos se tocaban. Entonces la hojita dejaba de ser atraída por el vidrio. Lo más curioso que observó, era que en ese momento, la hojita empezaba a ser repelida por un trozo de resina frotada! Du Fay, introdujo los conceptos de atracción vítrea y atracción resinosa. Pensaba que había algun tipo de fluido que se intercambiaba entre los cuerpos.

Benjamin Franklin

Más adelante, Benjamin Frankiln (1706-1790) en 1747, determinó que este fluido era único para todos los materiales y que las atracciones y repulsiones entre ellos, se debían a los desequilibrios (excesos y defectos) de este fluido contenido en cada cuerpo. Suponía que al frotar dos cuerpos, este fluido se trasvasaba de uno a otro. Esta teoría lleva implícito el principio de conservación de la carga. Realizando experimentos con diversos materiales, Franklin observó que pequeños trozos de papel, parecían no verse afectados por esta fuerza eléctrica cuando se encontraban en el interior de una copa metálica previamente cargada por contacto con resina frotada. Su compañero Priestley (1732-1804) demostró que no existe ninguna interacción eléctrica en el interior de un recipiente metálico cargado. A patir de este resultado, dedujo que las fuerzas debidas a estas descompensaciones de fluido eléctrico, eran inversamente proporcionales a la distancia al cuadrado que separa los cuerpos que intervienen.
Charles Coulomb (1736-1806) contrastó estos resultados de manera experimental utilizando una balanza de su propia invención. Este hecho le llevó a enunciar su famosa ley de la fuerza eléctrica entre cargas:
La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra está dirigida a lo largo de la línea que las une. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si son de signo contrario. Además es inversamente proporcional a la distancia que las separa"

Conclusión:

Claro que Coulomb merece que su ley lleve su nombre! Fué capaz de aunar los conocimientos acumulados durante más de dos mil años y plasmarlos en una sencilla ecuación matemática. Dedujo dicha ecuación a partir de un experimento diseñado por él mismo y, seguramente, por muchos de sus ayudantes. Pero tendemos a olvidarnos de todos los años en los que se estuvo trabajando con las fuerzas electricas, los transportes de cargas, los experimentos realizados, etc. Olvidamos que estos grandes científicos son seres humanos, que dedican mucho tiempo a su trabajo y que, si dan en el calvo, obtienen reconocimiento histórico. La gran mayoría, ni los conocemos y seguramente aportaron su grano de arena al desarrollo de las leyes y teorías que conocemos hoy en día y que, injustamente, llevan el nombre de uno sólo de ellos.

Hasta la próxima!

martes, 7 de octubre de 2014

LA ECUACIÓN QUÍMICA


¿Qué es y para qué sirve?

En química es muy común hablar de reacciones entre compuestos. Es el nombre que se le da a lo que ocurre cuando una serie de compuestos, a los que llamamos reactivos, intercambia y comparte electrones, reorganizándose sus elementos en otros compuestos diferentes, a los que llamamos productos.


Un ejemplo más concreto podría ser el siguiente:



Una ecuación química es pues, una representación matemática de lo que ocurre en una reacción química. En ella se resume una gran cantidad de información. Los números que acompañan a los compuestos són los coeficientes estequiométricos. Determinan en qué proporción están combinándose los reactivos y produciéndose los productos. También aparecen números dentro de cada compuesto, esto es la cantidad de átomos de cada elemento que conforma una molecula de cada compuesto. Del mismo modo, entre paréntesis tenemos el estado de agregación en que se encuentran los reactivos y los productos:

aq disolución acuosa
l estado líquido
s estado sólido
g estado gaseoso

En alguna ecuaciones químicas, podemos incluso encontrar información sobre la energía que desprenden o absorben en el proceso de reacción. En este caso contreto lo encotraríamos de la siguiente forma:



Por lo que tendríamos que esta reacción absorbe 561.59 kj por cada mol que interviene. Para queuna ecuación química esté bien y nos sirva para hacer cálculos estequimétricos, necesitamos que esté bien balanceada. Esto es, que la cantidad de moles de cada elemento sea la misma en los productos y en los reactivos. Aquí teneis un video en el que se muestra cómo podemos ajustar una ecuación:
Mijaíl Lomonósov
Básicamente, cuando ajustamos una ecuación química, nos aseguramos de que se cumple el principio de conservación de la masa.
Deducido independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 quién descubrió que la masa en una reacción química se conserva como demuestra una carta enviada a Euler (el llamado píncipe de la matemáticas) 40 años antes de que Antoine Lavoisier (en 1785) hiciese lo propio mientras trabajaba resolviendo el problema del alumbrado público en la ciudad de París. Este funcionaba con lámparas de combustión. 

Antoine Lavoisier

Experimentando para mejorar su rendimiento,
Lavoisier descubrió (casi por casualidad) que siendo el sistema hermético (lámpara cerrada) la masa del mismo no variaba a pesar de que el fuego consumiese parte del metal incandescente que producia la lumbre. 

Básicamente este principio cuenta que la masa total en un sistema cerrado no varia. Es decir, que si el sistema no tiene pérdidas, es imposible que se le añada o se le sustraiga masa. 


 Conclusión:

La ecuación química es una herramienta matemática que representa la proporción en la que intervienen los reactivos y los productos en una reacción química.
Como todas las herramientas, facilita un trabajo. En este caso el entendimiento del proceso de una reacción. Así mismo, nos permite calcular, hacer predicciones u optimizar el uso de reactivos de la manera que nos interese.
Es consecuencia directa del principio de conservación de la materia. Como siempre en ciencia, se detecta una necesidad (poder optimizar procesos químicos, importante para la economía de una empresa) y se le da una solución al problema. No sin antes un arduo trabajo de años, realizado por varias personas y que, en este caso, queda en la "simple" aplicación de uno de los principios fundamentales de la ciencia.

Hasta la próxima amigos!!