Mecánica

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.

Antigüedad

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

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 discrepaba del punto de vista aristotélico fue descrita más tarde como "ímpetu" por John Buridan , quien fue influenciado por el Libro de curación de Ibn Sina . [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 era "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 Bajjah propuso 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 por las Calculadoras Oxford del siglo XIV .

Edad moderna temprana

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 e hipótesis modernas, a menudo es discutible.

Edad Moderna

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.

El término cuerpo de uso frecuente debe representar una amplia variedad de objetos, incluidas partículas, proyectiles , naves espaciales , estrellas , partes de maquinaria , partes de sólidos , partes de fluidos ( gases y líquidos ), etc.

Otras distinciones entre las diversas subdisciplinas de la mecánica se refieren a la naturaleza de los cuerpos que se describen. Las partículas son cuerpos con estructura interna poco (conocida), tratados como puntos matemáticos en la mecánica clásica. Los cuerpos rígidos tienen tamaño y forma, pero conservan una simplicidad cercana a la de la partícula, agregando solo unos pocos grados de libertad , como la orientación en el espacio.

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.

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

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El profesor Walter Lewin explica la ley de gravitación de Newton en el curso 8.01 del MIT . [dieciséis]

Los siguientes se describen como formadores de la mecánica clásica:

  • Mecánica newtoniana , la teoría original del movimiento ( cinemática ) y fuerzas ( dinámica ).
  • La mecánica analítica es una reformulación de la mecánica newtoniana con énfasis en la energía del sistema, más que en las fuerzas. Hay dos ramas principales de la mecánica analítica:
    • Mecánica hamiltoniana , un formalismo teórico , basado en el principio de conservación de la energía.
    • Mecánica lagrangiana , otro formalismo teórico, basado en el principio de la mínima acción .
  • La mecánica estadística clásica generaliza la mecánica clásica ordinaria para considerar sistemas en un estado desconocido; se utiliza a menudo para derivar propiedades termodinámicas .
  • Mecánica celeste , movimiento de cuerpos en el espacio: planetas, cometas, estrellas, galaxias , etc.
  • Astrodinámica , navegación de naves espaciales , etc.
  • Mecánica de sólidos , elasticidad , plasticidad , viscoelasticidad que presentan los sólidos deformables.
  • Mecánica de fracturas
  • Acústica , sonido (= propagación de variación de densidad) en sólidos, fluidos y gases.
  • Estáticos , cuerpos semirrígidos en equilibrio mecánico.
  • Mecánica de fluidos , el movimiento de los fluidos.
  • Mecánica de suelos , comportamiento mecánico de suelos.
  • Mecánica de continuos , mecánica de continuos (tanto sólidos como fluidos)
  • Hidráulica , propiedades mecánicas de los líquidos.
  • Estática de fluidos , líquidos en equilibrio
  • Mecánica aplicada o mecánica de ingeniería.
  • Biomecánica , sólidos, fluidos, etc.en biología
  • Biofísica , procesos físicos en organismos vivos.
  • Mecánica relativista o einsteiniana , gravitación universal .

Cuántico

Los siguientes se clasifican como parte de la mecánica cuántica :

  • Mecánica de ondas de Schrödinger , utilizada para describir los movimientos de la función de onda de una sola partícula.
  • La mecánica matricial es una formulación alternativa que permite considerar sistemas con un espacio de estados de dimensión finita.
  • La mecánica estadística cuántica generaliza la mecánica cuántica ordinaria para considerar sistemas en un estado desconocido; se utiliza a menudo para derivar propiedades termodinámicas .
  • Física de partículas , movimiento, estructura y reacciones de partículas.
  • Física nuclear , movimiento, estructura y reacciones de los núcleos.
  • Física de la materia condensada , gases cuánticos, sólidos, líquidos, etc.

Históricamente, la mecánica clásica había existido durante casi un cuarto de milenio antes de que se desarrollara la mecánica cuántica . La mecánica clásica se originó con las leyes del movimiento de Isaac Newton en Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , desarrollada durante el siglo XVII. La mecánica cuántica se desarrolló más tarde, durante el siglo XIX, precipitada por el postulado de Planck y la explicación de Albert Einstein del efecto fotoeléctrico . Se suele sostener que ambos campos constituyen el conocimiento más cierto que existe sobre la naturaleza física.

La mecánica clásica se ha considerado especialmente a menudo como un modelo para otras denominadas ciencias exactas . Es esencial a este respecto el uso extensivo de las matemáticas en las teorías, así como el papel decisivo que juega el experimento en su generación y prueba.

La mecánica cuántica tiene un alcance más amplio, ya que engloba a la mecánica clásica como una subdisciplina que se aplica en determinadas circunstancias restringidas. Según el principio de correspondencia , no hay contradicción o conflicto entre los dos sujetos, cada uno simplemente pertenece a situaciones específicas. El principio de correspondencia establece que el comportamiento de los sistemas descritos por las teorías cuánticas reproduce la física clásica en el límite de grandes números cuánticos , es decir, si la mecánica cuántica se aplica a sistemas grandes (por ejemplo, una pelota de béisbol), el resultado sería casi el mismo si la mecánica clásica se había aplicado. La mecánica cuántica ha reemplazado a la mecánica clásica en el nivel básico y es indispensable para la explicación y predicción de procesos a nivel molecular, atómico y subatómico. Sin embargo, para los procesos macroscópicos, la mecánica clásica es capaz de resolver problemas que son inmanejablemente difíciles (principalmente debido a los límites computacionales) en la mecánica cuántica y, por lo tanto, sigue siendo útil y bien utilizado. Las descripciones modernas de tal comportamiento comienzan con una definición cuidadosa de cantidades tales como desplazamiento (distancia recorrida), tiempo, velocidad, aceleración, masa y fuerza. Sin embargo, hasta hace unos 400 años, el movimiento se explicaba desde un punto de vista muy diferente. Por ejemplo, siguiendo las ideas del filósofo y científico griego Aristóteles, los científicos razonaron que una bala de cañón cae porque su posición natural está en la Tierra; el sol, la luna y las estrellas viajan en círculos alrededor de la tierra porque la naturaleza de los objetos celestiales es viajar en círculos perfectos.

A menudo citado como el padre de la ciencia moderna, Galileo reunió las ideas de otros grandes pensadores de su tiempo y comenzó a calcular el movimiento en términos de la distancia recorrida desde alguna posición de partida y el tiempo que tomó. Mostró que la velocidad de los objetos que caen aumenta constantemente durante el tiempo de su caída. Esta aceleración es la misma para los objetos pesados ​​que para los ligeros, siempre que se descuenta la fricción del aire (resistencia del aire). El matemático y físico inglés Isaac Newton mejoró este análisis definiendo la fuerza y ​​la masa y relacionándolas con la aceleración. Para los objetos que viajan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, las leyes de Newton fueron reemplazadas por la teoría de la relatividad de Albert Einstein . [Una oración que ilustra la complicación computacional de la teoría de la relatividad de Einstein.] Para las partículas atómicas y subatómicas, las leyes de Newton fueron reemplazadas por la teoría cuántica . Sin embargo, para los fenómenos cotidianos, las tres leyes del movimiento de Newton siguen siendo la piedra angular de la dinámica, que es el estudio de las causas del movimiento.

Relativista

En analogía con la distinción entre cuántica y la mecánica clásica, Albert Einstein 's generales y especiales teorías de la relatividad han ampliado el alcance de Newton y Galileo ' s formulación de la mecánica. Las diferencias entre la mecánica relativista y newtoniana se vuelven significativas e incluso dominantes a medida que la velocidad de un cuerpo se acerca a la velocidad de la luz . Por ejemplo, en la mecánica de Newton , las leyes de Newton del movimiento especifican que F = m a , mientras que en mecánica relativista y transformaciones de Lorentz , que fueron descubiertas por primera vez por Hendrik Lorentz , F = γ m un (donde γ es el factor de Lorentz , que es casi igual a 1 para velocidades bajas).

Las correcciones relativistas también son necesarias para la mecánica cuántica, aunque la relatividad general no se ha integrado. Las dos teorías siguen siendo incompatibles, un obstáculo que debe superarse para desarrollar una teoría del todo .

  • División de Mecánica Aplicada , Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos
  • División de dinámica de fluidos, Sociedad Estadounidense de Física
  • Sociedad de Mecánica Experimental
  • Institution of Mechanical Engineers es el organismo de calificación del Reino Unido para ingenieros mecánicos y ha sido el hogar de los ingenieros mecánicos durante más de 150 años.
  • Unión Internacional de Mecánica Teórica y Aplicada

  • Mecánica Aplicada
  • Dinámica
  • Ingenieria
  • Índice de artículos de ingeniería y mecánica
  • Cinemática
  • Cinética
  • Mecánica no autónoma
  • Estática
  • Prueba de aptitud mecánica de Wiesen (WTMA)

  1. ↑ Young, Hugh D. (Hugh David), 1930-. La física universitaria de Sears y Zemansky: con la física moderna . Freedman, Roger A., ​​Ford, A. Lewis (Albert Lewis), Estrugo, Katarzyna Zulteta (Decimoquinta edición en unidades SI ed.). Harlow. pag. 62. ISBN 1-292-31473-7. OCLC  1104689918 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  2. ^ Dugas, Rene. Una historia de la mecánica clásica. Nueva York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pág.19.
  3. ^ Rana, NC y Joag, PS Classical Mechanics. West Petal Nagar, Nueva Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pág.6.
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  5. ^ " Una historia de la mecánica ". René Dugas (1988). p.19. ISBN  0-486-65632-2
  6. ^ a b " Una pequeña muestra de la historia de la mecánica ". La Universidad de Texas en Austin.
  7. ^ Espinoza, Fernando (2005). "Un análisis del desarrollo histórico de las ideas sobre el movimiento y sus implicaciones para la enseñanza". Educación física . 40 (2): 141. Bibcode : 2005PhyEd..40..139E . doi : 10.1088 / 0031-9120 / 40/2/002 .
  8. ^ Seyyed Hossein Nasr y Mehdi Amin Razavi (1996). La tradición intelectual islámica en Persia . Routledge . pag. 72. ISBN 978-0-7007-0314-2.
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  12. ^ Pines, Shlomo (1970). "Abu'l-Barakāt al-Baghdādī, Hibat Allah". Diccionario de biografía científica . 1 . Nueva York: Charles Scribner's Sons. págs. 26-28. ISBN 0-684-10114-9.
    ( cf. Abel B. Franco (octubre de 2003). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Journal of the History of Ideas 64 (4), p. 521-546 [528].)
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  14. ^ Gutman, Oliver (2003), Pseudo-Avicenna, Liber Celi Et Mundi: A Critical Edition , Brill Publishers , p. 193, ISBN 90-04-13228-7
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  • Robert Stawell Ball (1871) Mecánica experimental de los libros de Google .
  • Landau, LD ; Lifshitz, EM (1972). Mecánica y electrodinámica, vol. 1 . Franklin Book Company, Inc. ISBN 978-0-08-016739-8.

  • iMechanica: la red de mecánicos y mecánicos
  • Definición de mecánica
  • Blog de mecánica de un profesor de la Universidad de Purdue
  • El programa de mecánica en Virginia Tech
  • Physclips: Mecánica con animaciones y videoclips de la Universidad de Nueva Gales del Sur
  • Comité Nacional de Mecánica Teórica y Aplicada de EE. UU.
  • Recursos de aprendizaje interactivos para la enseñanza de la mecánica
  • El proyecto de Arquímedes