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La mecánica (en griego : μηχανική ) es el área de la física que se ocupa de los movimientos de los objetos físicos , más específicamente las relaciones entre fuerza, materia y movimiento. [1] Las fuerzas aplicadas a los objetos dan como resultado desplazamientos o cambios de la posición de un objeto en relación con su entorno. Esta rama de la física tiene sus orígenes en la antigua Grecia con los escritos de Aristóteles y Arquímedes [2] [3] [4] (ver Historia de la mecánica clásica y Cronología de la mecánica clásica). Durante el período moderno temprano , científicos como Galileo , Kepler y Newton sentaron las bases de lo que ahora se conoce como mecánica clásica . Es una rama de la física clásica que se ocupa de partículas que están en reposo o que se mueven con velocidades significativamente menores que la velocidad de la luz. También se puede definir como una rama de la ciencia que se ocupa del movimiento y las fuerzas sobre cuerpos que no están en el reino cuántico. Hoy en día, el campo se conoce menos en términos de teoría cuántica.

Historia [ editar ]

Antigüedad [ editar ]

La principal teoría de la mecánica en la antigüedad fue la mecánica aristotélica . [5] Un desarrollador posterior en esta tradición es Hipparchus . [6]

Edad medieval [ editar ]

Manuscrito árabe de la máquina. Fecha desconocida (supuestamente: siglos XVI al XIX).
Un juguete musical de Al-Jazari en el siglo XII.
Dispositivo de agua de Al-Jazari en el siglo XII

En la Edad Media, las teorías de Aristóteles fueron criticadas y modificadas por varias figuras, comenzando con John Philoponus en el siglo VI. Un problema central fue el del movimiento de proyectiles , que fue discutido por Hipparchus y Philoponus.

El erudito islámico persa Ibn Sīnā publicó su teoría del movimiento en The Book of Healing (1020). Dijo que el lanzador le da un ímpetu a un proyectil, y lo veía como persistente, requiriendo fuerzas externas como la resistencia del aire para disiparlo. [7] [8] [9]Ibn Sina hizo una distinción entre 'fuerza' e 'inclinación' (llamada "mayl"), y argumentó que un objeto ganaba mayl cuando el objeto está en oposición a su movimiento natural. Entonces, concluyó que la continuación del movimiento se atribuye a la inclinación que se transfiere al objeto, y ese objeto estará en movimiento hasta que se agote el mayl. También afirmó que el proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actuara sobre él. Esta concepción del movimiento es coherente con la primera ley del movimiento de Newton, la inercia. Lo que establece que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. [10] Esta idea que disintió de la visión aristotélica fue descrita más tarde como "ímpetu" por John Buridan , quien fue influenciado por Ibn Sina 's Libro de curación .[11]

Sobre la cuestión de un cuerpo sujeto a una fuerza constante (uniforme), el erudito judío-árabe del siglo XII Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (nacido como Nathanel, iraquí de Bagdad) afirmó que la fuerza constante imparte una aceleración constante. Según Shlomo Pines , la teoría del movimiento de al-Baghdaadi fue "la negación más antigua de la ley dinámica fundamental de Aristóteles [es decir, que una fuerza constante produce un movimiento uniforme], [y por lo tanto es una] anticipación de una manera vaga de la fundamental ley de la mecánica clásica [es decir, que una fuerza aplicada continuamente produce aceleración] ". [12] El mismo siglo, Ibn Bajjahpropuso que para cada fuerza siempre hay una fuerza de reacción. Si bien no especificó que estas fuerzas sean iguales, todavía es una versión temprana de la tercera ley del movimiento que establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. [13]

Influenciado por escritores anteriores como Ibn Sina [11] y al-Baghdaadi, [14] el sacerdote francés del siglo XIV Jean Buridan desarrolló la teoría del ímpetu , que más tarde se convirtió en las teorías modernas de inercia , velocidad , aceleración e impulso . Este trabajo y otros fueron desarrollados en la Inglaterra del siglo XIV por las calculadoras de Oxford como Thomas Bradwardine , quien estudió y formuló varias leyes sobre la caída de cuerpos. El concepto de que las propiedades principales de un cuerpo son el movimiento uniformemente acelerado (como la caída de cuerpos) fue elaborado en el siglo XIV.Calculadoras de Oxford .

Edad moderna temprana [ editar ]

Primera representación europea de una bomba de pistón , por Taccola , c. 1450. [15]

Dos figuras centrales en la temprana edad moderna son Galileo Galilei e Isaac Newton . La declaración final de Galileo de su mecánica, particularmente de la caída de cuerpos, es su Two New Sciences (1638). La Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de Newton de 1687 proporcionó una descripción matemática detallada de la mecánica, utilizando las matemáticas del cálculo recientemente desarrolladas y proporcionando la base de la mecánica newtoniana . [6]

Mecánica de molinos de viento del siglo XVIII Irlanda

Existe cierta disputa sobre la prioridad de varias ideas: los Principia de Newton son ciertamente la obra fundamental y han tenido una enorme influencia, y las matemáticas sistemáticas en ellos no se establecieron ni podrían haberse establecido antes porque el cálculo no se había desarrollado. Sin embargo, muchas de las ideas, particularmente las relacionadas con la inercia (ímpetu) y la caída de cuerpos, habían sido desarrolladas y declaradas por investigadores anteriores, tanto el entonces reciente Galileo como los predecesores medievales menos conocidos. El crédito preciso es a veces difícil o polémico porque el lenguaje científico y los estándares de prueba cambiaron, por lo que si las declaraciones medievales son equivalentes a declaraciones modernas o prueba suficiente , o en cambio similares a declaraciones modernas yhipótesis es a menudo discutible.

Edad moderna [ editar ]

Dos desarrollos modernos principales en mecánica son la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica , ambos desarrollados en el siglo XX basados ​​en parte en ideas anteriores del siglo XIX. El desarrollo de la mecánica continua moderna, particularmente en las áreas de elasticidad, plasticidad, dinámica de fluidos, electrodinámica y termodinámica de los medios deformables, comenzó en la segunda mitad del siglo XX.

Tipos de cuerpos mecánicos [ editar ]

The often-used term body needs to stand for a wide assortment of objects, including particles, projectiles, spacecraft, stars, parts of machinery, parts of solids, parts of fluids (gases and liquids), etc.

Other distinctions between the various sub-disciplines of mechanics, concern the nature of the bodies being described. Particles are bodies with little (known) internal structure, treated as mathematical points in classical mechanics. Rigid bodies have size and shape, but retain a simplicity close to that of the particle, adding just a few so-called degrees of freedom, such as orientation in space.

De lo contrario, los cuerpos pueden ser semirrígidos, es decir , elásticos o no rígidos, es decir, fluidos . Estos sujetos tienen divisiones de estudio tanto clásicas como cuánticas.

Por ejemplo, el movimiento de una nave espacial, con respecto a su órbita y actitud ( rotación ), es descrito por la teoría relativista de la mecánica clásica, mientras que los movimientos análogos de un núcleo atómico son descritos por la mecánica cuántica.

Subdisciplinas [ editar ]

Las siguientes son dos listas de varios temas que se estudian en mecánica.

Tenga en cuenta que también existe la " teoría de campos ", que constituye una disciplina separada en la física, formalmente tratada como distinta de la mecánica, ya sean campos clásicos o campos cuánticos . Pero en la práctica real, los temas pertenecientes a la mecánica y los campos están estrechamente entrelazados. Así, por ejemplo, las fuerzas que actúan sobre las partículas se derivan con frecuencia de campos ( electromagnéticos o gravitacionales ) y las partículas generan campos actuando como fuentes. De hecho, en la mecánica cuántica, las partículas en sí mismas son campos, como se describe teóricamente mediante la función de onda .

Clásico [ editar ]

Reproducir medios
Prof. Walter Lewin explains Newton's law of gravitation in MIT course 8.01.[16]

The following are described as forming classical mechanics:

  • Newtonian mechanics, the original theory of motion (kinematics) and forces (dynamics).
  • Analytical mechanics is a reformulation of Newtonian mechanics with an emphasis on system energy, rather than on forces. There are two main branches of analytical mechanics:
    • Hamiltonian mechanics, a theoretical formalism, based on the principle of conservation of energy.
    • Lagrangian mechanics, another theoretical formalism, based on the principle of the least action.
  • Classical statistical mechanics generalizes ordinary classical mechanics to consider systems in an unknown state; often used to derive thermodynamic properties.
  • Celestial mechanics, the motion of bodies in space: planets, comets, stars, galaxies, etc.
  • Astrodynamics, spacecraft navigation, etc.
  • Solid mechanics, elasticity, plasticity, viscoelasticity exhibited by deformable solids.
  • Fracture mechanics
  • Acoustics, sound ( = density variation propagation) in solids, fluids and gases.
  • Statics, semi-rigid bodies in mechanical equilibrium
  • Fluid mechanics, the motion of fluids
  • Soil mechanics, mechanical behavior of soils
  • Continuum mechanics, mechanics of continua (both solid and fluid)
  • Hydraulics, mechanical properties of liquids
  • Fluid statics, liquids in equilibrium
  • Applied mechanics, or Engineering mechanics
  • Biomechanics, solids, fluids, etc. in biology
  • Biophysics, physical processes in living organisms
  • Relativistic or Einsteinian mechanics, universal gravitation.

Quantum[edit]

The following are categorized as being part of quantum mechanics:

  • Schrödinger wave mechanics, used to describe the movements of the wavefunction of a single particle.
  • Matrix mechanics is an alternative formulation that allows considering systems with a finite-dimensional state space.
  • Quantum statistical mechanics generalizes ordinary quantum mechanics to consider systems in an unknown state; often used to derive thermodynamic properties.
  • Particle physics, the motion, structure, and reactions of particles
  • Nuclear physics, the motion, structure, and reactions of nuclei
  • Condensed matter physics, quantum gases, solids, liquids, etc.

Historically, classical mechanics had been around for nearly a quarter millennium before quantum mechanics developed. Classical mechanics originated with Isaac Newton's laws of motion in Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, developed over the seventeenth century. Quantum mechanics developed later, over the nineteenth century, precipitated by Planck's postulate and Albert Einstein's explanation of the photoelectric effect. Both fields are commonly held to constitute the most certain knowledge that exists about physical nature.

Classical mechanics has especially often been viewed as a model for other so-called exact sciences. Essential in this respect is the extensive use of mathematics in theories, as well as the decisive role played by experiment in generating and testing them.

Quantum mechanics is of a bigger scope, as it encompasses classical mechanics as a sub-discipline which applies under certain restricted circumstances. According to the correspondence principle, there is no contradiction or conflict between the two subjects, each simply pertains to specific situations. The correspondence principle states that the behavior of systems described by quantum theories reproduces classical physics in the limit of large quantum numbers, i.e. if quantum mechanics is applied to large systems (for e.g. a baseball), the result would almost be the same if classical mechanics had been applied. Quantum mechanics has superseded classical mechanics at the foundation level and is indispensable for the explanation and prediction of processes at the molecular, atomic, and sub-atomic level. However, for macroscopic processes classical mechanics is able to solve problems which are unmanageably difficult (mainly due to computational limits) in quantum mechanics and hence remains useful and well used. Modern descriptions of such behavior begin with a careful definition of such quantities as displacement (distance moved), time, velocity, acceleration, mass, and force. Until about 400 years ago, however, motion was explained from a very different point of view. For example, following the ideas of Greek philosopher and scientist Aristotle, scientists reasoned that a cannonball falls down because its natural position is in the Earth; the sun, the moon, and the stars travel in circles around the earth because it is the nature of heavenly objects to travel in perfect circles.

Often cited as father to modern science, Galileo brought together the ideas of other great thinkers of his time and began to calculate motion in terms of distance travelled from some starting position and the time that it took. He showed that the speed of falling objects increases steadily during the time of their fall. This acceleration is the same for heavy objects as for light ones, provided air friction (air resistance) is discounted. The English mathematician and physicist Isaac Newton improved this analysis by defining force and mass and relating these to acceleration. For objects traveling at speeds close to the speed of light, Newton's laws were superseded by Albert Einstein's theory of relativity. [A sentence illustrating the computational complication of Einstein's theory of relativity.] For atomic and subatomic particles, Newton's laws were superseded by quantum theory. For everyday phenomena, however, Newton's three laws of motion remain the cornerstone of dynamics, which is the study of what causes motion.

Relativistic[edit]

In analogy to the distinction between quantum and classical mechanics, Albert Einstein's general and special theories of relativity have expanded the scope of Newton and Galileo's formulation of mechanics. The differences between relativistic and Newtonian mechanics become significant and even dominant as the velocity of a body approaches the speed of light. For instance, in Newtonian mechanics, Newton's laws of motion specify that F = ma, whereas in relativistic mechanics and Lorentz transformations, which were first discovered by Hendrik Lorentz, F = γma (where γ is the Lorentz factor, which is almost equal to 1 for low speeds).

Relativistic corrections are also needed for quantum mechanics, although general relativity has not been integrated. The two theories remain incompatible, a hurdle which must be overcome in developing a theory of everything.

Professional organizations[edit]

  • Applied Mechanics Division, American Society of Mechanical Engineers
  • Fluid Dynamics Division, American Physical Society
  • Society for Experimental Mechanics
  • Institution of Mechanical Engineers is the United Kingdom's qualifying body for mechanical engineers and has been the home of Mechanical Engineers for over 150 years.
  • International Union of Theoretical and Applied Mechanics

See also[edit]

  • Applied mechanics
  • Dynamics
  • Engineering
  • Index of engineering science and mechanics articles
  • Kinematics
  • Kinetics
  • Non-autonomous mechanics
  • Statics
  • Wiesen Test of Mechanical Aptitude (WTMA)

References[edit]

  1. ^ Young, Hugh D. (Hugh David), 1930-. Sears and Zemansky's university physics : with modern physics. Freedman, Roger A., Ford, A. Lewis (Albert Lewis), Estrugo, Katarzyna Zulteta (Fifteenth edition in SI units ed.). Harlow. p. 62. ISBN 1-292-31473-7. OCLC 1104689918.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  2. ^ Dugas, Rene. A History of Classical Mechanics. New York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.
  3. ^ Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, New Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.
  4. ^ Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2.
  5. ^ "A history of mechanics". René Dugas (1988). p.19. ISBN 0-486-65632-2
  6. ^ a b "A Tiny Taste of the History of Mechanics". The University of Texas at Austin.
  7. ^ Espinoza, Fernando (2005). "An analysis of the historical development of ideas about motion and its implications for teaching". Physics Education. 40 (2): 141. Bibcode:2005PhyEd..40..139E. doi:10.1088/0031-9120/40/2/002.
  8. ^ Seyyed Hossein Nasr & Mehdi Amin Razavi (1996). The Islamic intellectual tradition in Persia. Routledge. p. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2.
  9. ^ Aydin Sayili (1987). "Ibn Sīnā and Buridan on the Motion of the Projectile". Annals of the New York Academy of Sciences. 500 (1): 477–482. Bibcode:1987NYASA.500..477S. doi:10.1111/j.1749-6632.1987.tb37219.x.
  10. ^ Espinoza, Fernando. "An Analysis of the Historical Development of Ideas About Motion and its Implications for Teaching". Physics Education. Vol. 40(2).
  11. ^ a b Sayili, Aydin. "Ibn Sina and Buridan on the Motion the Projectile". Annals of the New York Academy of Sciences vol. 500(1). p.477-482.
  12. ^ Pines, Shlomo (1970). "Abu'l-Barakāt al-Baghdādī , Hibat Allah". Dictionary of Scientific Biography. 1. New York: Charles Scribner's Sons. pp. 26–28. ISBN 0-684-10114-9.
    (cf. Abel B. Franco (October 2003). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Journal of the History of Ideas 64 (4), p. 521-546 [528].)
  13. ^ Franco, Abel B.. "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory". Journal of the History of Ideas. Vol. 64(4): 543.
  14. ^ Gutman, Oliver (2003), Pseudo-Avicenna, Liber Celi Et Mundi: A Critical Edition, Brill Publishers, p. 193, ISBN 90-04-13228-7
  15. ^ Hill, Donald Routledge (1996). A History of Engineering in Classical and Medieval Times. London: Routledge. p. 143. ISBN 0-415-15291-7.
  16. ^ Walter Lewin (October 4, 1999). Work, Energy, and Universal Gravitation. MIT Course 8.01: Classical Mechanics, Lecture 11 (ogg) (videotape). Cambridge, MA US: MIT OCW. Event occurs at 1:21-10:10. Retrieved December 23, 2010.

Further reading[edit]

  • Robert Stawell Ball (1871) Experimental Mechanics from Google books.
  • Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. (1972). Mechanics and Electrodynamics, Vol. 1. Franklin Book Company, Inc. ISBN 978-0-08-016739-8.

External links[edit]

  • iMechanica: the web of mechanics and mechanicians
  • Mechanics Definition
  • Mechanics Blog by a Purdue University Professor
  • The Mechanics program at Virginia Tech
  • Physclips: Mechanics with animations and video clips from the University of New South Wales
  • U.S. National Committee on Theoretical and Applied Mechanics
  • Interactive learning resources for teaching Mechanics
  • The Archimedes Project