¿Qué Es La Mecánica Clásica?

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La mecánica clásica es el estudio matemático del movimiento de los objetos cotidianos y las fuerzas que los afectan.

Usando solo unas pocas ecuaciones, los científicos pueden describir el movimiento de una bola volando por el aire y el tirón de un imán, y pronosticar eclipses de la luna. El estudio matemático del movimiento de los objetos cotidianos y las fuerzas que los afectan se denomina mecánica clásica. La mecánica clásica a menudo se llama mecánica newtoniana porque casi todo el estudio se basa en el trabajo de Isaac Newton. Algunas leyes y principios matemáticos en el núcleo de la mecánica clásica incluyen lo siguiente:

  • Primera ley de movimiento de Newton: Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que sea accionado por una fuerza externa.
  • La segunda ley de movimiento de Newton: La fuerza neta que actúa sobre un objeto es igual a la masa de ese objeto multiplicado por su aceleración.
  • Tercera ley del movimiento de Newton: Por cada acción, hay una reacción igual y opuesta.
  • Ley de Newton de la gravitación universal: El tirón de la gravedad entre dos objetos será proporcional a las masas de los objetos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre sus centros de masa.
  • Ley de la conservación de la energía: La energía no puede ser creada ni destruida, y en cambio cambia de una forma a otra; Por ejemplo, la energía mecánica se convierte en energía térmica.
  • Ley de Conservación del Momento: En ausencia de fuerzas externas como la fricción, cuando los objetos chocan, el momento total antes de la colisión es el mismo que el momento total después de la colisión.
  • El principio de Bernoulli: Dentro de una línea continua de flujo de fluido, la presión hidrostática de un fluido se equilibrará en contraste con su velocidad y elevación.

La mecánica clásica describe con precisión el comportamiento de la mayoría de los objetos "normales". De acuerdo con "The Dynamic Chemistry E-bookbook" del Departamento de Química de la Universidad de California, Davis, para ser considerados "normales", los objetos deben ser "más grandes que una molécula y más pequeños que un planeta", cerca de la temperatura ambiente y Velocidades significativamente más lentas que la velocidad de la luz.

Vieja ciencia con un nuevo nombre.

Aunque es la rama más antigua de la física, el término "mecánica clásica" es relativamente nuevo. Poco después de 1900, una serie de revoluciones en el pensamiento matemático dio origen a nuevos campos de investigación: relativista Mecánica para los fenómenos relacionados con el muy rápido, y cuántico Mecánica para los fenómenos relacionados con lo muy pequeño.

Las ecuaciones desarrolladas antes de 1900 todavía eran perfectamente adecuadas para describir objetos de tamaños y velocidades cotidianas. Sin embargo, debido a que esta rama más antigua de la física existía junto con dos nuevas, necesitaba un nuevo nombre. El término "mecánica clásica" se acuñó para etiquetar el conjunto de ecuaciones que describen la realidad a escalas donde los efectos cuánticos y relativistas son insignificantes.

En 1687, Newton publicó "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Principios matemáticos de la filosofía natural) que describía cómo los cuerpos se mueven bajo la influencia de fuerzas externas. Este trabajo unificó el razonamiento matemático con ideas relativamente nuevas sobre el movimiento aquí en la superficie de la Tierra, y el más antiguo de todos los campos de la investigación científica: la astronomía.

Antiguo a través de la época medieval.

Las antiguas civilizaciones de Mesopotamia, Egipto y el valle del Indo demostraron comprender el movimiento del sol, la luna y las estrellas; incluso podrían predecir las fechas de los eclipses para el siglo XVIII a. C. Como describió E.C. Krupp en su libro "Echoes of the Ancient Skies" (Dover, 2003), "Las estrellas y los planetas eran a menudo un objetivo de adoración, que se cree que representa a sus dioses". Tales explicaciones sobrenaturales, por definición, carecían de evidencia, pero los registros de observación sentaron las bases para generaciones de observadores. Mecánica celeste Así se convirtió en el estudio de cómo las cosas se mueven alrededor de los cielos.

Los antiguos griegos fueron los primeros en buscar sistemáticamente explicaciones naturales (en lugar de sobrenaturales). Como Charles Singer escribió en su libro "Una breve historia de la ciencia hasta el siglo XIX" (Dover, 2011), "Filósofos como Thales (624-545 a. C.) rechazaron las explicaciones no naturalistas de los fenómenos naturales y proclamaron que cada evento tenía un origen natural. porque." Las innumerables explicaciones que involucran, por ejemplo, "humores corporales" y "conchas cósmicas que rodean a la Tierra", fueron de hecho naturalistas, pero la mayoría estaban fantásticamente equivocadas. Un conjunto particularmente tenaz de ideas equivocadas se centró en el movimiento, que durante casi 2000 años se basó en la obra de Aristóteles (384-322 aC). Esta obra, apodada "la teoría del ímpetu", se sometería a importantes revisiones en los siglos VI, XII y XIV. A.D. Mecánica terrestre así se convirtió en el estudio de cómo las cosas se mueven e interactúan en la superficie de la Tierra.

El Renacimiento

En el siglo XVI, los estudiosos comenzaron a notar que la teoría del ímpetu no era adecuada para describir muchos fenómenos, en particular, proyectiles lanzados desde catapultas y cañones. De acuerdo con la teoría, un proyectil debe volar por el aire hasta que se quede sin ímpetu, por lo que debe caer directamente al suelo. En realidad, la trayectoria de un proyectil es una curva muy específica. Para dar sentido a estas observaciones, según Bernard Cohen en "El nacimiento de una nueva física" (Norton, 1985), los científicos comenzaron a pensar en la gravedad tirando de objetos con una aceleración uniforme.En su publicación de 1638, "Diálogos sobre dos nuevas ciencias", Galileo Galilei (1564-1642) publicó la primera prueba matemática de que la aceleración uniforme haría que los proyectiles se movieran en trayectorias parabólicas que coincidieran con las observaciones, lo que demuestra que la mecánica terrestre está regida por las matemáticas.

De manera similar, y también en el siglo XVI, se demostró que la mecánica celeste tenía vínculos extremadamente fuertes con las matemáticas. Según David S. Landes en "Revolution in Time" (Belknap, 1983), Tycho Brahe (1546-1601) fue uno de los primeros astrónomos en usar relojes capaces de contar minutos y segundos, junto con cuadrantes y sextantes, para rastrear Movimientos de objetos celestes (el telescopio aún no había sido adaptado del catalejo naval). Johannes Kepler (1571-1630) basó sus tres leyes del movimiento planetario, en los datos de Brahe para el movimiento de Marte. La primera de estas leyes, publicada en su trabajo de 1609, "Astronomia Nova", mostró que los planetas se mueven en caminos elípticos alrededor del sol.

La gran unificación.

Setenta años después, Newton se basó en el trabajo de Galileo y Kepler para demostrar que los movimientos elípticos del reino celeste y los movimientos parabólicos del reino terrestre podrían explicarse por una elegante ley matemática, su Ley de Gravitación Universal. Además, formalizó las leyes del movimiento describiéndolas en el lenguaje de las matemáticas.

Usando las leyes de Newton, los científicos podrían manipular las matemáticas simbólicas con álgebra y cálculo (también inventado por Newton) para aprender sobre fenómenos que aún no se han observado. La mecánica clásica creció a lo largo de los siglos XVIII y XIX para describir todo, desde óptica, fluidos y calor hasta presión, electricidad y magnetismo.

Robert Coolman es un investigador graduado en la Universidad de Wisconsin-Madison y está terminando su Ph.D. en ingeniería química. Escribe sobre matemáticas, ciencias y cómo interactúan con la historia. Sigue a Robert @PrimeViridian. Síguenos @wordssidekick, Facebook & Google+.

Recursos adicionales

  • Aprende más sobre el movimiento, las fuerzas y la energía en el aula de física.
  • Física práctica proporciona lecciones y recursos de enseñanza y actividades para las aulas.
  • ChemWiki: El libro de texto electrónico de química dinámica es un proyecto de colaboración del departamento de química de la Universidad de California, Davis.

Suplemento De Vídeo: CpN | Fisica 01 ♥ 01 | Mecanica Clasica.




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