Energía cinética: la tortuosa historia de una ley física

La palabra “energía” es uno de estos términos científicos que se han abierto paso en el lenguaje común. Todos decimos de vez en cuando que nos falta energía, o que otra persona nos transmite energía. Hasta nos hemos aprendido que la energía ni se crea ni se destruye; sólo se transforma.

Pero esta palabra, antes de ser tan famosa, fue una perfecta desconocida, incluso entre los físicos. Hoy Alberto Aparici nos ha propuesto contar la historia de cómo la energía se convirtió en uno de los pilares centrales de la física. Estamos hablando del que probablemente sea el concepto más importante de toda la física. Sin energía no tendríamos teoría de la relatividad y no tendríamos teoría cuántica. Pero ésa es otra historia.

La energía es, básicamente, la capacidad de hacer algo. Un objeto tiene energía si puede ejercer un efecto sobre otro objeto. Por ejemplo, un trozo de papel debe de tener algún tipo de energía porque cuando se quema, calienta. Y, lógicamente, no fue así como apareció en la física. Su entrada vino a través de algo mucho más visible y más cotidiano. Los físicos nos fijamos en la energía gracias al movimiento.

Y las cosas que se mueven tienen energía. Un balón de fútbol puede romper una ventana. O puede pegarle un golpetazo a un futbolista. En el movimiento hay un tipo de energía que se llama energía cinética. Y ése era el debate hace 300 años. Porque la primera mitad del siglo XVIII fue la “salida del armario” de la energía. En esa época la gente se preguntaba qué demonios era lo que había en el movimiento: ¿era energía o era otra cosa?

Acción y reacción: las discrepancias con Newton

Si le preguntabas a sir Isaac Newton lo tenía bastante claro. Todo el mundo coincidía en que en el movimiento había algo que se conservaba: algo que “ni se creaba ni se destruía”. Y Newton tenía clarísimo que esa cosa era la masa por la velocidad (lo que hoy llamamos “momento lineal”). mv era el secreto del movimiento.

De hecho, esta idea está en el corazón de la tercera ley de Newton: la de acción y reacción. Toda acción genera una reacción igual y opuesta. Lo que Newton estaba pensando es que si tienes una pelota que se mueve y otra que está parada, y chocan, la pelota parada empezará a moverse… pero será a costa de frenar a la otra. Si una gana v la otra pierde v. mv se conserva.

La mayoría de los físicos estaban de acuerdo con Newton. Pero los ingenieros y los matemáticos discrepaban. Ellos defendían que la “cosa conservada” en el movimiento era mv2. Y ojo, porque los ingenieros estaban todo el día trabajando con máquinas en movimiento y sabían lo que estaban diciendo. A día de hoy, en el bachillerato, estudiamos que la energía cinética vale ½ mv2. Lo que había que encontrar era una manera de convencer a esos dichosos físicos.

Esto se consiguió a través del trabajo de la que seguramente fue la mejor física del siglo XVIII: Émilie du Châtelet. Casi completamente olvidada a día de hoy, du Châtelet se ha ganado el título de madre de la energía cinética.

En primer lugar, se estudió a tope toda la teoría de Newton. En la década de 1740 no había mucha gente que pudiera lidiar con las matemáticas de Newton. Du Châtelet fue la primera persona que tradujo al francés los Principia de Newton, pero los tradujo con comentarios: adaptándolos a los problemas que interesaban en la época y al lenguaje de la ciencia del siglo XVIII. Entre esos comentarios había una demostración matemática muy sorprendente: las leyes de Newton, efectivamente, implicaban la conservación del momento; mv se conservaba, como Newton decía. Pero es que las mismas leyes también exigían que se conservara mv2. Du Châtelet demostró que el debate era estéril: los dos bandos tenían razón.

Y para terminar de aclarar la cuestión aportó lo que nadie había aportado hasta el momento: una demostración experimental. El experimento consistía en lo siguiente: lanzar pelotas sobre un cajón plano lleno de arena. Y medir muy bien el tamaño del cráter. O más bien, cuánta arena desplazaba cada impacto. Con este montaje propio de un jardín de infancia, du Châtelet demostró que el material desplazado aumentaba con mv2, no con mv.

Hoy nos resulta muy fácil de entender: la cantidad de arena desplazada tiene que depender de la energía, de la capacidad de producir un efecto. Pero es que claro, esta gente estaba inventando la física. Con estos trabajos, la energía entró a formar parte del arsenal de los físicos. Y no ha vuelto a salir desde entonces.