¿Por qué aprendemos la gravedad newtoniana en la escuela secundaria?

Bien enseñada, la gravedad newtoniana es un ejemplo paradigmático de cómo debería ser la ciencia: cómo funciona y qué puede hacer.

Pocos de nosotros necesitaremos la gravedad newtoniana en nuestras vidas y carreras futuras, y mucho menos la relatividad general sofisticada y difícil. Pero comprender esta parte de la ciencia es una ventana a una parte crucial de nuestra cultura: lo mismo que, por ejemplo, estudiar una obra de Shakespeare o ser persuadido de escuchar atentamente un concierto para piano de Mozart.

La idea de que una sola ecuación, bastante simple, puede describir tanto el movimiento de caída de una manzana como el movimiento de la luna: y dos de las leyes del movimiento planetario de Kepler (la tercera, las órbitas elípticas, necesita algunas bonitas difícil cálculo vectorial para sacarlo): estos no son obvios, pero son comprensibles y pueden ser inspiradores.

La gravedad newtoniana no es obsoleta. Está incompleto porque no trata con agujeros negros y una o dos cosas más. Parte de GR es la forma en que muestra que la gravedad newtoniana funciona muy bien en casi todas las circunstancias, por ejemplo, para enviar cohetes a la luna. Es una explicación más satisfactoria que casi cualquier otra explicación de cualquier cosa, en cualquier lugar.

Para entender GR correctamente, es decir, comprender las matemáticas, no solo algunas cosas vagas y esperanzadoras sobre láminas de goma y balas de cañón, sí, las matemáticas son difíciles incluso para un estudiante universitario de matemáticas. Las ideas de Newton son las que un estudiante de secundaria alerta, motivado y bien enseñado puede compartir: no solo saber, sino comprender.

Aprendes mecánica newtoniana porque no tienes las habilidades matemáticas para abordar la relatividad general, y a menos que tomes matemáticas / física en la universidad, nunca lo harás, e incluso entonces no tienes las habilidades para hacerlo hasta aproximadamente tu tercer año .

También se debe a que la gravedad newtoniana no es obsoleta, dentro de los marcos de energía normales.

Si está tratando de averiguar cómo viaja una pelota después de lanzarla, podría resolver esto usando la relatividad general, pero el error que obtendría si resuelve el problema usando la mecánica newtoniana es pequeño.

Por lo tanto, para todas las circunstancias, excepto las más extremas, la Mecánica Newtoniana es una aproximación muy, muy precisa, y que usamos todos los días.

La mecánica newtoniana es precisa dentro de ciertos límites, y es por eso que la aprendes.

Las matemáticas para GR son bastante peludas. No lo vi hasta el final de la universidad y la escuela de posgrado.

Sin embargo, hay más. Enseñamos la teoría newtoniana para enseñar cómo funciona la ciencia. No se trata tanto de si la teoría funciona. Lo que importa es si puede determinar que NO funciona. Por ejemplo, en un problema de dos cuerpos (sol y planeta), el planeta orbita a lo largo de una elipse. Sin embargo, observe Mercurio durante un siglo, y notará los precesos de la órbita en conflicto con el modelo de dos cuerpos. Eso no es un gran problema si te das cuenta de que Júpiter está arruinando un poco las fuerzas, pero incluso después de tener en cuenta todos los planetas conocidos, aún es difícil explicar la precesión. ¿Por qué? Tal vez hay otros planetas por ahí? Tal vez Newton estaba equivocado? Hmm …

La parte divertida viene con esa realización. Si comienzas con GR, no verás qué nos hizo aprender. Sin embargo, lo que es aún más divertido es que hay otras opciones además de GR. La teoría de Einstein es la aceptada hoy en día, pero hay una alternativa que está muy cerca de la versión de Newton que usa relatividad especial, pero evita la curvatura. En esa teoría, la precesión de Mercurio sale lo suficientemente bien como para igualar el experimento. ¿Quien es correcto? No importa Estamos más interesados ​​en quién NO es correcto y por qué podemos saber eso.

Cuando aprendes física, esencialmente te estamos enseñando a desmalezar un jardín. Todos podemos plantar semillas, pero ¿podemos reconocer las flores o plantas alimenticias que queremos conservar del resto?

Mire, soy un gran defensor de las personas que aprenden más física, cálculo y, sí, estadísticas de las que actualmente se enseñan en la escuela secundaria (me encantaría ver estadísticas, en particular, obligatorias y no electivas). Pero también soy realista y sé que no todos vamos a seguir estudiando ningún tipo de física más allá de la escuela secundaria.

Hay una razón por la que la formulación de la física y la relatividad galileana de Newton duró aproximadamente 300 años: describe casi toda la experiencia humana normal. Y, para la mayoría de las personas, eso es todo lo que realmente usarán; física al nivel de “si dejo caer esta bola de boliche, caerá al mismo ritmo que la pelota de tenis, pero impartirá más energía en mi pie”. Sin mencionar (como todos los demás aquí dijeron), las matemáticas más allá de la mecánica newtoniana muy simple se vuelven realmente difíciles, muy rápidamente, es la razón por la que Newton (tal vez) desarrolló el cálculo.

Si encuentra que la mecánica newtoniana está incompleta y desea aprender, tome algunos cursos de física y cálculo a nivel universitario y vea si desea seguir aprendiendo. Incluso si no, tiene una mente curiosa y debe seguir aprendiendo en cualquier campo que le interese.

Es una buena aproximación, puede hacerse visible y resolverse con matemática relativamente simple en 2 dimensiones. Es como sujetar una masa a un poste con una soga, darle un barrido y dará vueltas. El poste, conectado a una masa muy pesada, difícilmente se moverá porque tiene mucha ‘inercia’. La gravedad es así, pero sin la cuerda de conexión y sin fricción.

La falta de un medio (la cuerda) lo hace incalculable, por lo que elimina lo que se considera matemática complicada. De hecho, las matemáticas no son tan complicadas, se vuelven complicadas en el momento en que uno intenta volver a colocarlas en un espacio euclidiano, cartesiano fijado en un origen conveniente (Tierra, laboratorio) con una base de tiempo aparentemente fija (día, dividido en segundos que podemos ‘medir’ bastante precisa).

Esa visión absoluta del espacio y el tiempo está, para algunos, en nuestro ADN grabado. Con razones, ni el conocimiento de Einstein o Newton nos protege cuando saltamos de un acantilado y nos encontramos con la madre Tierra unos momentos más tarde. Afortunadamente, tenemos imaginación y podemos hacer juegos de ‘qué pasaría si’. Lamentablemente, los humanos también somos perezosos, conservadores y buscamos la salida fácil.

Entonces, en lugar de explicar: “Cuando saltaste del techo del granero, te lastimaste porque en toda tu escalada usaste mucha energía para llegar allí. Cuando saltaste estabas en caída libre pero desafortunadamente tu caída libre fue interrumpido porque el suelo estaba en su camino. Y todo su gasto de energía fue devuelto en una instancia y se rompió las piernas “lo hacemos:” No seas un estúpido imbécil y no saltes del techo “.

La gravedad newtoniana es todo lo que necesitas para pinchar latas alrededor del sistema solar. La matemática es tan increíblemente simple que la gente puede hacer la aritmética en su cabeza (como la NASA usó a la gente con este tipo de poder crujiente en los primeros días), y todavía es lo suficientemente bueno como para que podamos lanzar un cohete hoy y aterrizarlo en un asteroide diez años a partir de ahora.

Por otro lado, la relatividad general es tan compleja que nadie parece superar las ecuaciones citadas (y mucho menos las soluciones trabajadas), que la respuesta no es diferente de NR en ninguna aplicación probable, y las pocas personas que realmente lo necesitan pueden aprender en la Universidad.

Del mismo modo, no necesitamos geometría esférica de navegación para construir casas, o relatividad especial para planificar viajes en automóvil. La buena teoría de la tierra plana funciona de maravilla.

Sí, la relatividad general es generalmente un curso de posgrado o de último año, mucho más allá de sus habilidades matemáticas.

Para el uso diario, es decir, no arrojas cosas a la velocidad de la luz, la teoría de la gravitación es mucho más fácil y funciona igual de bien. No usa la relatividad general en ingeniería, todavía usa las leyes de Newton, a menos que sea un tema especial como el GPS.

La ley de gravitación de Newton no es obsoleta, es simplemente incompleta. Aprendemos sobre esto porque nos ayuda a comprender la gravedad y la dinámica orbital y conectar lo que podemos ver en el cielo con lo que podemos derivar en la pizarra.