Instrumentos relacionados con la mecánica

La Mecánica es la rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el equilibrio y movimiento de los cuerpos. La mecánica comienza su desarrollo en la Grecia antigua, ya entonces las experiencias y trabajos se agrupaban según se refirieran al comportamiento de sólidos, de líquidos o del aire. Se trataba, sobre todo, de trabajos experimentales encaminados en muchas ocasiones al conocimiento en aspectos relacionados con sus aplicaciones prácticas. Se construyen “ingenios” con los que conseguir determinados efectos de interés o con los que poder comprobar hipótesis planteadas.

Se puede considerar que la mecánica teórica se inicia  con ARQUÍMEDES (287-212 a.C) de Siracusa, Sicilia, al que debemos, entre otros importantes ingenios y aparatos, el tornillo sin fin o la rosca, dispositivo con el que de forma eficaz se conseguía salvar desniveles permitiendo así elevar agua, grano etc. El mismo Arquímedes desarrolla máquinas que suponen un avance en la actividad militar, como la catapulta, con la que contribuyó de forma decisiva en la defensa de su ciudad. A él debemos el estudio de la palanca y otras “máquinas” que supusieron grandes avances prácticos.

En el siglo IV destaca la figura de Papo de Alejandría con su “Comentario” en el que enuncia los teoremas actualmente denominados “de Guldin” (éste los formula en el siglo XVI)

A partir del siglo XVI, con figuras científicas como GALILEO, se inicia un proceso de matematización de la mecánica que culmina posteriormente con NEWTON en el siglo XVII.

GALILEO, a partir de la observación y experimentación del movimiento de un  objeto en un plano inclinado, deja prácticamente enunciado el principio de inercia. También estudia el movimiento de caída libre, construye con la colaboración de los artesanos holandeses talladores de lentes, telescopios que permiten mejores observaciones astronómicas, etc.

Con NEWTON culmina, en el siglo XVII, este proceso de matematización de la mecánica, la publicación de los “Principia” conteniendo los enunciados y desarrollos teóricos de las leyes de la mecánica clásica, todavía entonces “Filosofía Natural”, podemos considerar que constituye dicha culminación. La mecánica pasa así a constituir durante bastante tiempo un modelo metodológico para el desarrollo científico en general. Ante esta reformulación matemática de los fenómenos físicos, el proceso de medir cobra una gran importancia y se desarrollan nuevos y más precisos instrumentos de medida. Se construyen aparatos que permiten la comprobación experimental de estas Leyes de la dinámica. A NEWTON debemos el tubo que lleva su nombre y que permite comprobar que todos los cuerpos, bajo la acción de la gravedad, caen con igual aceleración.

Muy interesante resulta el estudio del movimiento de caída de un cuerpo, la comprobación de las leyes que lo rigen, el tipo de movimiento de que se trata, o el cálculo de variables cinemáticas a él asociadas, llevado a cabo con la máquina de Atwood llamada así en honor de dicho científico.

También durante esta época se llevan a cabo experimentos para el estudio de choques en el aparato construido a tal efecto y con la máquina de fuerza centrífuga se observa los efectos de la misma.

En cuanto a la mecánica de fluidos, su denominación ha variado a lo largo de la historia. Su desarrollo ha tenido lugar a lo largo de varios siglos. Los primeros principios teóricos y sus aplicaciones los encontramos, al igual que ocurre en otras disciplinas en la Grecia clásica. Es en Grecia donde surge el término PNEUMÁTICA aplicado al estudio del aire (el término gas aparecería mucho mas tarde), el de HIDROSTÁTICA para los aspectos más teóricos de los líquidos y el de HIDRÁULICA para las aplicaciones prácticas de dichos Principios en el campo de la ingeniería.

También en Grecia encontramos, además de ARQUÍMEDES, que establece su conocido principio, otro personaje de gran interés como fue HERÓN DE ALEJANDRÍA, a él debemos la descripción, en uno de sus textos, de gran cantidad de sifones, fuentes y bombas hidráulicas, así como la construcción de algunos de estos, como es el caso de la fuente de Herón. Un sifón de interés es el sifón intermitente o vaso de tántalo.

La invención de la bomba de doble efecto (aspirante e impelente) se atribuye a CTESIBIOS, maestro de HERÓN y figura de gran importancia.

La mayoría de estos aparatos diseñados por los griegos se han continuado empleando hasta los siglos XVIII y XIX con distintas finalidades en los estudios de los futuros ingenieros de esas épocas y posteriormente con fines didácticos y hasta lúdicos en conferencias divulgativas.

En el siglo XVI cabe destacar la construcción de un anemómetro por Leonardo da Vinci.

A partir del siglo .XVII esta disciplina cobra mayor importancia. Se avanza en el conocimiento teórico que constituye la base del funcionamiento de estos aparatos y en la construcción de nuevos y mejores instrumentos con los que experimentar. Es en la primera mitad de este siglo cuando GALILEO había observado que 10 metros era el máximo para la elevación conseguida con una bomba aspirante. Este hecho constituye también el origen de algunos de los estudios desarrollados por PASCAL posteriormente sobre el comportamiento de los líquidos, y que le condujeron a la formulación de principios básicos en esta rama de la Física. Algunos de estos principios se ponen de manifiesto en aparatos como los vasos comunicantes, prensa hidráulica, etc.

También para la comprobación del valor de la presión hidrostática en el fondo de un recipiente se construyen diversos aparatos, un ejemplo de estos lo constituye el aparato de Haldat. En 1660 BOYLE escribe sobre los resultados de sus investigaciones con su máquina neumática.

Los estudios teóricos de este siglo se refieren tanto a líquidos como al aire, siendo en esta época cuando se avanza en el conocimiento de la presión atmosférica y sus efectos. TORRICELLI realiza su conocido experimento mediante el que determina el valor de la presión atmosférica. Se construyen barómetros cada vez mejores. En este siglo se comienza la construcción de bombas de vacío y, utilizándolas, lleva a cabo OTTO VON GUERICKE su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo.

Es a finales de este siglo y principios del XVIII cuando NEWTON le aplica a esta rama el mismo tratamiento matemático que al resto de la mecánica, sometiendo esta disciplina por tanto, a leyes de carácter más general.

Posteriormente a Newton, resulta interesante comentar algunas experiencias relacionadas con el estudio de la compresibilidad de los líquidos. Así el inglés CANTÓN (1718-1772) en 1761 consigue comprimir el agua y otros líquidos por la acción del aire. De interés resulta también los estudios realizados por OERSTED, físico danés, en 1822 sobre la compresibilidad del agua, utilizando para ello un aparato denominado piezómetro.

A pesar de que a partir del siglo XVII la mecánica sufre un proceso de racionalización y matematización de gran calado, separándose cada vez más de la vía de la experimentación, se establecen leyes y teorías mediante desarrollos matemáticos aplicados a un modelo de partida, esto no se vio reflejado en la enseñanza que se impartía durante el siglo XIX e incluso comienzos del XX.