Raíces históricas y sociales de la física de Newton (Parte I) El caso de la construcción de los barcos y el desarrollo comercial

(Vox Populi de la Ciencia, Radio Bemba) 31 de agosto de 2011 En esta ocasión iniciamos una serie de contribuciones en que mostraremos que la física de la época de Isaac Newton nació como una necesidad de las naciones más desarrolladas. Se trata de una concepción basada en la filosofía marxista, explicada con base en el trabajo de Boris Hessen, del año de 1931. En esta ocasión prestaremos atención a la necesidad de construir barcos estables, cada vez más grandes y más maniobrables. Iniciaremos con una explicación de las ideas básicas de Hessen y presentaremos los datos en que él basó su desarrollo filosófico para comprender por qué surgió la física de Newton.

Concepción de Boris Hessen: “Las teorías de la historia anteriores consideraban que los únicos motivos de la actividad histórica del pueblo eran los intelectuales. En consecuencia, no podían revelar las verdaderas raíces de aquellos motivos, y en consecuencia la historia estaba justificada por los impulsos intelectuales individuales de los seres humanos. De este modo, se cerraba el camino a cualquier reconocimiento de las leyes objetivas del proceso histórico. «La opinión gobernaba el mundo». El curso de la historia dependía de los talentos y de los impulsos personales del hombre. La personalidad era quien creaba la historia.”

En este punto, Hessen está criticando el enfoque de Alfred North Whitehead y de aquellos pensadores que consideran que: “Las realizaciones de la historia sólo son el resultado de los pensamientos de los grandes hombres. [para quienes el] ... genio de los héroes no es producto de condiciones materiales, sino al contrario, la fuerza creativa del genio transforma esas condiciones, pues, en sí mismo no tiene necesidad de otros factores materiales extrínsecos.”

En cambio, Boris Hessen propone la concepción histórica de Carlos Marx, para quien son las masas las “... hacedoras de la historia y estudia las condiciones sociales de la vida de las masas y las modificaciones en estas condiciones.” Boris Hessen presta atención especial al estado de las vías de comunicación durante la edad media, y para desarrollar sus tesis, plantea la siguiente situación:

“Vías de comunicación

Al principio de la Edad Media el comercio había alcanzado realmente un considerable desarrollo. Sin embargo, los medios de comunicación terrestre estaban en un estado verdaderamente miserable. Los caminos eran tan estrechos que ni siquiera dos caballos podían pasar a la vez. El camino ideal era aquél en el que tres caballos podrían pasar uno junto a otro, donde, según la expresión de la época (siglo XIV) «Una novia podía pasar cabalgando junto al carro fúnebre sin tocarlo.»

Habitualmente, las mercancías se llevaban en fardos. La construcción de caminos era casi inexistente. La naturaleza autosuficiente de la economía feudal no daba impulso alguno al desarrollo de la construcción de caminos. Por el contrario, tanto los barones feudales, como los habitantes de los lugares a través de los cuales pasaba el transporte comercial, estaban interesados en mantener la pobre condición de los caminos, porque el ...[derecho fundamental o Grundrurrecht] les daba el derecho de cobrar un impuesto o de apropiarse de cualquier cosa que cayera en sus propiedades, del carro o de los fardos.” Con la palabra fardo, el autor se refiere a paquetes de cosas amarradas para poderlas transportar y por economía autosuficiente quiere decir que casi todo lo que se necesitaba era producido en localidades muy cercanas, de modo que no era necesario traer artículos de consumo desde regiones lejanas.

“La velocidad del transporte terrestre en el siglo XIV no excedía las cinco o siete millas al día.” El autor se refiere a una velocidad promedio y traducido a nuestro sistema de medida, significa que diariamente se trasladaban entre 7.5 y 11 kilómetros diarios.

“Naturalmente, el transporte marítimo y fluvial, desempeñaba un papel muy importante; por un lado, en razón de la gran capacidad de carga de los barcos y, también, por la mayor velocidad en el transporte: El mayor de los carros de dos ruedas arrastrado por diez o doce bueyes apenas podía llevar dos toneladas de mercancías, mientras que un barco de tamaño medio podía llevar hasta seiscientas toneladas. Durante el siglo XIV el viaje de Constantinopla a Venecia llevaba tres veces más tiempo por tierra que por mar.”

La frase transporte fluvial se usa para referirse al traslado de mercancías y personas por medio de lanchas y barcos a través de ríos navegables, de los cuales hay muchos en Europa. Por ejemplo: el Río Sena, el Río Rodano en algunos tramos, el Río Rin, el Río Danubio, el Río Elba, entre los más importantes.

“Sin embargo, incluso el transporte marítimo en este período era muy imperfecto: Como no se habían inventado aún métodos seguros para establecer la posición de un navío en mar abierto, se veían obligados a navegar cerca de las costas, lo que reducía mucho la velocidad del viaje.” “Aunque la primera mención de la brújula marinera en el libro árabe El tesoro de los mercaderes, data de 1242, su uso no se universalizó hasta la segunda mitad del siglo XVI. Las cartas náuticas hicieron su aparición más o menos por la misma fecha.”

Las brújulas marineras a las que se refiere el autor son construidas con una aguja hecha de un imán, instalada sobre un centro de giro que le permite moverse para orientarse aproximadamente de norte a sur. Servía durante el día para conocer con cierta aproximación la posición del norte, lo cual se podía constatar en la noche revisando la posición de la estrella Polaris. Las cartas de navegación contenían mapas y datos que relacionaban las posiciones de ciertas estrellas con puntos en el mapa para que los navegantes supieran dónde se encontraban.

“Pero la brújula y las cartas de navegación sólo pueden ser explotadas racionalmente, cuando hay conocimiento de los métodos para establecer la posición del navío, [es decir] ..., cuando pueden ser determinadas la latitud y la longitud.” La latitud es un ángulo que se empieza a contar desde el ecuador hacia el norte, o bien, desde el ecuador hacia el sur. La longitud es otro ángulo que se cuenta desde el meridiano de Greenwich hacia el occidente, o bien desde ese meridiano hacia el oriente.

“El desarrollo del capital comercial rompió el aislamiento de la ciudad y de la comuna campesina, extendió el horizonte geográfico extraordinariamente, y aceleró considerablemente el ritmo de la vida. Esto generó la necesidad de vías convenientes de comunicación, de medios más perfectos de comunicación, de una medición más exacta del tiempo, especialmente en conexión con la proporción continuamente acelerada del intercambio, y de una exacta aplicación de cálculos y medidas.”

Al hablar del horizonte geográfico, Boris Hessen se refiere a los lugares del mundo que un comerciante estaba dispuesto a alcanzar con tal de obtener mercancía que pudiera trasladar y vender en otro lugar. Con el calificativo “extraordinariamente” nos quiere decir que esos traslados empezaron a ser muchísimo más largos, llevando mercancías desde el sur de Europa hasta el norte de la misma, y con el paso de los siglos, desde China y la India hasta Europa.

“Se dedicó una atención especial al transporte por agua: Al transporte marítimo como medio de unión entre distintos países y al fluvial como medio de unión interno.” “El desarrollo del transporte fluvial también fue favorecido por el hecho de que en la antigüedad las vías fluviales habían sido más accesibles y más exploradas, y el crecimiento natural de las ciudades estaba ligado al sistema de comunicaciones fluviales. El transporte por río era tres veces más barato que el transporte por caminos.”

“La construcción de canales también se desarrolló como un medio complementario del transporte interno, y sirvió para mejorar la unión del transporte marítimo con el sistema fluvial interno.”

“Así, el desarrollo del capital comercial planteó los siguientes problemas técnicos de transporte:” “[En el ámbito del transporte por agua] 1. Un incremento en la capacidad de tonelaje de los barcos y en su velocidad. 2. Mejora de las cualidades de flotación de los barcos: Su fiabilidad [sinónimo de confiable], buen rendimiento en el mar, menor tendencia al balanceo, respuesta a los golpes de timón [similar al volante de los automóviles], facilidad de maniobra, que era especialmente importante para los barcos de guerra. 3. Medios cómodos y fiables para determinar la posición en el mar. Medios para determinar la latitud y la longitud, la desviación magnética y los períodos de las mareas. [Con la frase desviación magnética Boris Hessen se refiere a que las líneas del campo magnético terrestre apuntan en promedio de sur a norte pero con modificaciones ligeras que conviene conocer]. 4. Perfeccionamiento de las vías fluviales internas y de su conexión con el mar; construcción de canales y esclusas.

Las esclusas son compuertas que se pueden abrir o cerrar de manera controlada para subir o bajar el nivel del agua y superar terrenos que están varios metros arriba del nivel del mar. Así, se puede llevar un barco a través de un canal que atraviesa terrenos de varias decenas de metros por encima del nivel del mar. O también conectar llanuras cuyas superficies están divididas por accidentes del terreno, estando una por encima de la otra.

Enseguida Hessen se pregunta cuáles son los prerrequisitos físicos necesarios para la solución de estos problemas: “1. Para aumentar la capacidad de carga de los barcos es necesario conocer las leyes fundamentales que gobiernan la flotación de cuerpos en líquidos; además, para estimar la capacidad de carga, es necesario conocer el método para medir el desplazamiento del barco. Estos son problemas de hidrostática. 2. Para mejorar las condiciones de flotación de un barco es necesario conocer las leyes que gobiernan el movimiento de los cuerpos en líquidos –este es un aspecto de las leyes que gobiernan el ... movimiento de los cuerpos en un medio resistente– una de las tareas básicas de la hidrodinámica. Hessen hace la aclaración de que “El problema de la estabilidad del barco cuando se balancea es una de las tareas básicas de la mecánica de puntos materiales.”

Aparte de los problemas de construcción, está el de la determinación de la latitud y el de la longitud, que dan la posición del barco en algún lugar del océano y permite a los navegantes conocer el rumbo que deben tomar. Sin embargo, este problema será abordado en otro programa de Vox Populi de la Ciencia. Por ahora solamente adelantaremos que esa es la razón por la que en el siglo XVIII, Christiaan Huygens intentó un sistema para determinar la longitud con base en la posición de la luna respecto a las estrellas fijas. Fuente: http://www.nodulo.org/ec/2010/n100p12.htm ¿Pero cuáles son los problemas técnicos que plantea el diseño de un barco? Hay seis aspectos evidentes que debieron ser atendidos, primero a base de la prueba y el error, que consumió muchas décadas de experiencia, y después, cuando se dispuso de la ciencia, resultó posible realizar cálculos basándose en la capacidad para predecir, que sí proporciona el conocimiento científico. El diseño de un barco involucra:

1) La cantidad de agua que debe desplazar el barco para disponer de un empuje hacia arriba. Basados en el principio de Arquímedes, sabemos que ese empuje será igual al peso del agua que el casco del bote logra desalojar. Gracias a la forma en que se cuenta una de las anécdotas acerca de Arquímedes, ahora es muy famosa la palabra Eureka. a. Por ejemplo, si desplaza 30 metros cúbicos de agua, significa que tendrá disponibles hasta 30 toneladas de agua de peso, antes de empezar a hundirse. b. Si el barco construido en tierra tiene una masa de 15 toneladas, se dispondrá de otras 15 antes de hundirse. 2) Se hacía necesario localizar el centro de masa del barco para facilitar su estabilidad. El centro de masa de un cuerpo es aquél alrededor del cual giran los demás puntos de ese cuerpo. Por ejemplo, los clavadistas y gimnastas realizan sus giros moviendo su cuerpo alrededor del centro de masa 3) Debajo del barco se dispuso de una larga tabla que se llama quilla, que ayuda a la construcción de la nave pero además impide que se incline hacia un lado y se voltee. Pero saber cuál era el tamaño exacto que se necesitaba, requería el conocimiento de las sumas de fuerzas y el cálculo de las resistencias que opondría el agua a la quilla dependiendo de su tamaño. 4) Había la posibilidad de disponer de barcos movidos a base de remos, pero en el caso de los barcos de vela, se agregaba un problema adicional, pues la quilla debía ser más ancha, para que entrara con mayor profundidad en el agua, debido a que en la parte superior de la construcción, la vela accionada por los vientos producía torcas que tendían a voltearlo. El concepto de brazo de palanca, juega aquí un papel muy importante y la torca es el número que resulta de multiplicar la magnitud de la fuerza por la distancia que hay entre el punto donde se imprime esa fuerza y el centro de giro. 5) Además se hizo necesario calcular la presión del agua sobre las paredes del barco. Si las paredes eran demasiado débiles, cederían tendiendo a juntarse con la pared opuesta. Aunque Antes de hacerlo, aparecerían fracturas en ellas, dando lugar a sitios por los cuales penetraría el agua e hundiría al barco. 6) Obviamente, fue indispensable medir la resistencia de los materiales utilizados, lo cual obligó al desarrollo de instrumentos de medida.

El conocimiento anterior no sirvió solamente para la construcción de barcos, pues hubo efectos posteriores de todo lo aprendido, por ejemplo, en la música, el diseño de instrumentos musicales como: el clavecín, el clavicordio y el piano, fue posible gracias a que se sabía cómo contrarrestar la fuerza ejercida por las cuerdas al afinar el instrumento.

Regresando al problema de los barcos, los enfrentamientos por el control de rutas marítimas para trasladar materias primas y mercancías introdujeron innovaciones en los armamentos. Al finalizar los años 1400 de nuestra era apareció el uso de cañones y bombardas en los barcos. Su instalación obligó a rediseñarlos para soportar el peso y ubicarlos en los lugares estratégicamente correctos para los militares, pero sin comprometer la estabilidad de la nave. Además se presentó un nuevo problema: el retroceso del barco cuando los cañones disparaban.

La bombarda es muy similar al cañón, pero más primitiva porque el hueco donde se coloca la bala es más ancho que ésta y los gases del explosivo pierden efectividad al empujarla, además de que la calidad para apuntar hacia el objetivo es de menor calidad. El retroceso del barco se debe a que, cuando se dispara un cañón, se le da un empuje a la bala, pero debido a la tercera ley de Newton, a la acción que se aplica sobre la bala le corresponde una reacción sobre el cañón, que está atornillado en el barco. Un problema nuevo para el cálculo de estabilidad de los barcos y de la resistencia de los materiales utilizados, fue el proceso de colonialización del mundo por parte de Holanda, Inglaterra, Francia y España. Se planteó el problema del traslado de grandes cantidades de tropas, con mayores cantidades de alimentos y la introducción de metales (principalmente cobre) para aislar la carga y evitar el acceso de larvas a ellos a través de la madera. Las guerras entre flotas navales planteó otros problemas: la necesidad de más velocidad y facilidad para maniobrar los barcos, obligó a introducir nuevos diseños, los cuales descansaban sobre el conocimiento de la mecánica, basada en la obra de Isaac Newton. Así, lo que antes requería siglos, se podía diseñar en meses.