MECÁNICA
La mecánica
(Griego
Μηχανική y de latín
mechanìca o arte de construir
una máquina) es la rama de la física
que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su
evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas.
Modernamente la mecánica incluye la evolución de sistemas
físicos más generales que los cuerpos másicos. En ese enfoque la
mecánica estudia también las ecuaciones de evolución temporal de
sistemas físicos como los campos electromagnéticos o los sistemas cuánticos
donde propiamente no es correcto hablar de cuerpos físicos.
El conjunto de disciplinas que abarca la mecánica
convencional es muy amplio y es posible agruparlas en cuatro bloques
principales:
Mecánica clásica
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Mecánica cuántica
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Mecánica relativista
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Teoría cuántica de campos
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La mecánica es una ciencia
perteneciente a la física, ya que los fenómenos que estudia son físicos, por ello
está relacionada con las matemáticas. Sin embargo, también puede relacionarse con la ingeniería,
en un modo menos riguroso. Ambos puntos de vista se justifican parcialmente ya
que, si bien la mecánica es la base para la mayoría de las ciencias de la
ingeniería clásica, no tiene un carácter tan empírico
como éstas y, en cambio, por su rigor y razonamiento deductivo, se parece más a la
matemática.
Mecánica clásica
La mecánica clásica está formada por áreas de
estudio que van desde la mecánica del sólido rígido y otros
sistemas mecánicos con un número finito de grados de libertad, a sistemas como la mecánica de medios continuos (sistemas con
infinitos grados de libertad). Existen dos formulaciones diferentes, que
difieren en el grado de formalización para los sistemas con un número finito de
grados de libertad:
Los supuestos básicos que caracterizan a la
mecánica clásica son:
- Predictibilidad teóricamente infinita, matemáticamente si en un determinado instante se conociera (con precisión infinita) las posiciones y velocidades de un sistema finito de N partículas teóricamente pueden ser conocidas las posiciones y velocidades futuras, ya que en principio existen las funciones vectoriales que proporcionan las posiciones de las partículas en cualquier instante de tiempo. Estas funciones se obtienen de unas ecuaciones generales denominadas ecuaciones de movimiento que se manifiestan de forma diferencial relacionando magnitudes y sus derivadas. Las funciones se obtienen por integración, una vez conocida la naturaleza física del problema y las condiciones iniciales.
Existen otras áreas de la mecánica que cubren
diversos campos aunque no tienen carácter global. No forman un núcleo fuerte
para considerarse como disciplina:
- Mecánica de medios continuos
- Mecánica estadística
Mecánica relativista
La mecánica relativista o teoría de la relatividad
comprende:
- La Teoría de la relatividad especial, que describe adecuadamente el comportamiento clásico de los cuerpos que se mueven a grandes velocidades en un espacio-tiempo plano (no-curvado).
- La Teoría general de la relatividad, que generaliza la anterior describiendo el movimiento en espacios-tiempo curvados, además de englobar una teoría relativista de la gravitación que generaliza la teoría de la gravitación de Newton.
Existen varias propiedades interesantes de la
dinámica relativista, entre ellas:
- La fuerza y la aceleración no son en general vectores paralelos en una trayectoria curva, ya que la relación entre la aceleración y la fuerza tangenciales es diferente que la que existe entre la aceleración y fuerza normales. Tampoco la razón entre el módulo de la fuerza y el módulo de la aceleración es constante, ya que en ella aparece el inverso del factor de Lorentz, que es decreciente con la velocidad, llegando a ser nulo a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.
- El intervalo de tiempo medido por diferentes observadores en movimiento relativo no coincide, por lo que no existe un tiempo absoluto, y no puede establecerse un presente común a todos los observadores, aunque se mantienen relaciones de causalidad estrictas.
- Otro hecho interesante de la mecánica relativista es que elimina la acción a distancia. Las fuerzas que experimenta una partícula en el campo gravitatorio o electromagnético provocado por otras partículas depende de la posición de las partículas en un instante anterior, siendo el "retraso" en la influencia que ejercen unas partículas sobre otras del orden de la distancia dividida entre la velocidad de la luz:
Mecánica cuántica
La mecánica cuántica trata con sistemas mecánicos
de pequeña escala o con energía muy pequeña (y ocasionalmente sistemas
macroscópicos que exhiben cuantización de alguna magnitud física). En esos casos los supuestos
de la mecánica clásica no son adecuados. En particular el principio de
determinación por el cual el estado futuro del sistema depende por completo del
estado actual no parece ser válido, por lo que los sistemas pueden evolucionar
en ciertos momentos de manera no determinista (ver postulado IV y colapso de la función de onda), ya que las
ecuaciones para la función de onda de la mecánica cuántica no
permiten predecir el estado del sistema después de una medida concreta, asunto
conocido como problema de la medida. Sin embargo, el
determinismo también está presente porque entre dos medidas filtrantes el
sistema evoluciona de manera determinista de acuerdo con la ecuación de Schrödinger.
La evolución no determinista y las medidas sobre un
sistema, están regidas por un enfoque probabilístico. En mecánica cuántica este
enfoque probabilístico, lleva por ejemplo en el enfoque más común renunciar al
concepto de trayectoria de una partícula. Peor aún el
concepto la interpretación de Copenhague renuncia por
completo a la idea de que las partículas ocupen un lugar concreto y determinado
en el espacio-tiempo. La estructura interna de algunos sistemas físicos de
interés como los átomos o las moléculas sólo pueden ser explicados mediante un
tratamiento cuántico, ya que la mecánica clásica hace predicciones sobre dichos
sistemas que contradicen la evidencia física. En ese sentido la mecánica
cuántica se considera una teoría más exacta o más fundamental que la mecánica
clásica que actualmente sólo se considera una simplificación conveniente de la
mecánica cuántica para cuerpos macroscópicos.
También existe una mecánica estadística cuántica que
incorpora restricciones cuánticas en el tratamiento de los agregados de
partículas.
Mecánica cuántica relativista
La mecánica cuántica relativista trata de
aunar mecánica relativista y mecánica cuántica, aunque el desarrollo de esta
teoría lleva a la conclusión de que en un sistema cuántico relativista el
número de partículas no se conserva y de hecho no puede hablarse de una
mecánica de partículas, sino simplemente de una teoría cuántica de campos. Esta teoría
logra aunar principios cuánticos y teoría de la relatividad especial (aunque no
logra incorporar los principios de la relatividad general). Dentro de esta
teoría, no se consideran ya estados de las partículas sino del espacio-tiempo.
De hecho cada uno de los estados cuánticos posibles del espacio tiempo viene
caracterizado por el número de partículas de cada tipo representadas por campos
cuánticos y las propiedades de dichos campos.
Estudios interdisciplinarios
relacionados con la mecánica
- La ingeniería electromecánica, que aplica conceptos de las ciencias del electromagnetismo, la electrónica, la eléctrica y la mecánica.
- La biomecánica, que aplica conceptos mecánicos dentro de la biología y la medicina.
- La econofísica, que aplica técnica de la mecánica estadística a la economía.
- La economía ecológica, que critica la aplicación de la mecánica clásica a la economía convencional.
ACTIVIDAD: RESOLUCIÓN
DE PREGUNTAS Y DEFINICION DE CONCEPTOS.
- Que es mecánica.
- El conjunto de disciplinas que abarca la mecánica convencional es muy amplio y es posible agruparlas en cuatro bloques principales. Cuáles son y habla de manera amplia de cada uno de ellas, sus características y sus propiedades.
- Menciona cuales son los estudios interdisciplinarios relacionados con la mecánica.
- Definir cada uno de los conceptos subrayados en el párrafo.
- Elabora un esquema o mapa conceptual sobre la mecánica.
