Detesto absolutamente la forma en que se enseña la física en la escuela. Todo lo que realmente hacen es prepararte para resolver problemas de física, haciendo poco esfuerzo para impartir una comprensión real del tema. Quiero sentir que yo mismo podría haber llegado a las leyes de la física a partir de observaciones físicas, y ninguna de las conferencias a las que he asistido o los libros que he leído hacen un intento real de hacer esto. A lo sumo, hay una alusión en una nota a pie de página en alguna parte sobre cómo Newton encontró las leyes utilizando los resultados de los experimentos anteriores de Gallileo, sin profundizar nunca en los detalles. Fui tan lejos como para intentar leer una traducción del Principia original, pero descubrí que eso también solo establece hallazgos, ni una palabra de cómo se derivaron/determinaron exactamente.
¿Hay recursos/libros (sobre física clásica) que tengan lo que estoy buscando?
Los capítulos 1.2 y 1.3 de Mecánica clásica de John Michael Finn pueden contener lo que está buscando.
El capítulo 2 de Introducción a la mecánica de Kleppner & Kolenkow da una buena explicación de las leyes de Newton y cómo se pueden 'deducir' empíricamente.
Las leyes de Newton se derivaron de la intuición física y la experimentación. No estoy seguro de cómo Newton los derivó. Ya que pediste experimentos mentales: imagina que pateas una pelota de fútbol en movimiento, ¿qué necesitarías saber para predecir el resultado? El siguiente es un argumento heurístico (y bajo escrutinio, esto está modelado por impulso, pero es suficiente para demostrar el punto).
Me imagino que uno necesitaría la velocidad y la posición de la pelota cuando fue pateada y la posición de la pelota. Esto ya sugiere una ecuación diferencial de segundo orden (ya que hay incógnitas). La dirección de tu patada es la misma que la dirección del "cambio" en movimiento.
Entonces aplicas una "patada" en una bola de punto y ves que se comporta de una manera, pero puedes imaginar que aplicando una "patada" en una pelota más pesada, su movimiento se comportaría de manera diferente. Esta "pesadez" se caracteriza por un parámetro conocida como masa.
Juntando esto:
Referencias: Física teórica clásica de Griener
Usted plantea una pregunta interesante:
Es posible que un profesor de física presente el tema de tal manera que el estudiante se acerque a sentir un proceso de descubrimiento personal de las leyes del movimiento.
Me parece que la enseñanza debe comenzar con demostraciones de movimiento y rebotes de objetos que se mueven a lo largo de una pista de aire .
Además, la enseñanza debe entonces hacer plausible que los objetos, cuando se liberan en movimiento libre, avancen en línea recta. En la pista de aire, la pista ya restringe el movimiento a una línea recta, por lo que para hacer plausible el concepto de movimiento libre, el equipo de enseñanza debe incluir una mesa de aire lo suficientemente grande.
Con demostraciones de rebote, el concepto de conservación de la cantidad de movimiento puede hacerse plausible.
Luego el grande: hacer plausible que la aceleración sea proporcional a la fuerza aplicada.
Para eso necesitas proporcionar una fuerza constante, pero eso es complicado.
Digamos que pones un planeador en la pista de aire y comienzas a tirar de él con un trozo de cuerda. ¿Cómo mantienes una tensión constante de la cuerda mientras el deslizador acelera? (¿Usar una configuración con una polea y un peso descendente? Entonces está suponiendo que dicha configuración mantiene una tensión constante).
En realidad, es sorprendentemente difícil crear circunstancias tales que obtengas una vista sin obstrucciones de en acción.
Recuerdo haber leído la siguiente historia: un erudito había construido un dispositivo que expulsaba canicas horizontalmente a una velocidad constante (lo suficientemente constante para su propósito). Si la aceleración de la gravedad es uniforme, entonces la trayectoria será a lo largo de una parábola.
Las canicas cayeron junto a un tablero. En el transcurso de muchos lanzamientos, clavó clavos en el tablero a la izquierda y a la derecha de la trayectoria, a lo largo de toda la trayectoria. De esa forma confirmó que la trayectoria era consistente con la gravedad provocando una aceleración uniforme.
Creo que en ese momento eso era lo más cerca que podías llegar a
Mi punto es: siempre hay cosas que impiden la observación directa de la ley subyacente.
Por cierto, para Newton y sus contemporáneos la tarea fue mucho más difícil. En ese entonces había precursores de los conceptos modernos de fuerza e impulso, pero esos conceptos todavía estaban en constante cambio.
En general, se pensaba que la fuerza era algo que se transfería a un objeto, y en movimiento esa fuerza era entonces una fuerza interna que sostenía el movimiento.
Fuente:
página web de Micheal Fowler sobre el desarrollo de Newton desde el pensamiento prenewtoniano hasta algo más cercano a los conceptos modernos.
Entonces, en ese entonces, el proceso de descubrir las leyes del movimiento no era solo descubrir las leyes del movimiento, era tanto un proceso de descubrimiento de cómo conceptualizar el mundo de tal manera que pudieras formular una teoría del movimiento.
Puede encontrar videos de 3blue1brown interesantes para las matemáticas. Intenta hacerte sentir que puedes resolverlo tú mismo. Un blog suyo menciona que el sistema soviético se trataba más de resolver problemas que el sistema estadounidense.
Asimismo, hay muchas fuentes de física en línea intuitiva en muchos niveles. Aquí están algunos ejemplos. Veritasium , Minute Physics , Don Lincoln , el blog de Sean Carroll , HyperPhysics , las notas de conferencias en línea de David Tong , los cursos mínimos teóricos de Leanard Susskind y muchos, muchos más.
Seguir enfoques históricos no es necesariamente el más claro. Newton y Principia son un ejemplo particularmente bueno de por qué. Newton era brillante, pero reservado. Sus procesos de pensamiento a veces eran enrevesados. Newton inventó el cálculo usando fluxiones e ideas similares. Estos ya no se usan. Las matemáticas se han hecho más rigurosas y claras a lo largo de los siglos desde Newton.
La intuición es muy útil para entender la física. Pero la física está llena de ideas notoriamente contrarias a la intuición. Puede llevar y lleva a las personas en la dirección equivocada al estudiar la relatividad y la mecánica cuántica. Por ejemplo, vea ¿Cómo puede un fotón de luz roja ser diferente de un fotón de luz azul?
Tienes que ser capaz de progresar cuando falla la intuición. La gente ha descubierto que el uso de formalismos te lleva más allá de la intuición.
Aún así, la intuición es realmente satisfactoria cuando tu experiencia diaria te lleva en la dirección correcta.
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