Mecánica clásica: Qué es, leyes y clasificación


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Este post trata sobre el concepto de mecánica clásica.

En el aprenderás sobre:

  • Qué es la mecánica clásica, citando como de importante es para algunas especialidades. Definición de movimiento y que tipos son los más estudiados en mecánica.
  • Explicación de las 3 leyes fundamentales de la mecánica clásica y en que situaciones su uso esta limitado.
  • Cómo se clasifican sus especialidades, teniendo en cuenta que interpretación hacen de los conceptos de fuerza y movimiento.

¿Qué es la mecánica clásica?


La mecánica clásica es el estudio de todas las fuerzas físicas que dan lugar al fenómeno del movimiento (o a su ausencia) en los cuerpos. Su rango de estudio no abarca toda la realidad, sino que esta limitado tanto por escalas muy pequeñas (microscópicas), como muy grandes (planetarias).  

Desde un punto de vista práctico e histórico puedes considerar a la mecánica clásica como la base de la física, ya que fue la primera rama que se enunció formalmente.

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Definición e importancia de la mecánica clásica. En que consiste el movimiento en mecánica clásica y que tipos existen.

Además, es fundamental para entender muchos otros tipos de especialidades:

  • Ingeniería: Los edificios y objetos experimentan fuerzas físicas que deben ser capaces de soportar para poder cumplir su función.
  • Química: Las reacciones químicas ocurren a partir de efectos físicos conocidos.
  • Astronomía: Los principios de la mecánica ayudan a comprenden la dinámica de los cuerpos celestes.
  • Geología: Conocemos el interior de la Tierra gracias al conocimiento que tenemos sobre las fuerzas mecánicas del subsuelo.

El elemento central de estudio de la mecánica clásica es el movimiento. Este, se define como el cambio de posición espacial de un cuerpo en un lapso de tiempo y sistema de referencia determinados.

La forma en la que se produce el movimiento no siempre es la misma. De hecho, existen varios tipos de movimientos distintos:

  • Estacionario: Es la forma en la que definimos la ausencia total de movimiento en un objeto.
  • Rectilíneo: El movimiento sigue una línea recta desde el punto A hasta el punto B.
  • Circular: El movimiento forma un círculo (o una forma similar) desde el punto A hasta volver de nuevo al punto A.
  • Oscilatorio: El movimiento comienza en un punto A hasta un punto B donde se detiene, entonces, regresa de nuevo al punto A. Además, se repite indefinidamente en lapsos de tiempo regulares.
  • Periódico: Se repite igual que el anterior pero en este caso el movimiento va desde el punto A hasta volver de nuevo al punto A.
  • Rotacional: El cuerpo gira sobre un eje situado en su interior.

Como puedes ver, a la hora de definir el movimiento de un objeto nos basamos en dos patrones:

  • Desde donde hasta donde se mueve (y la forma resultante).
  • Si el movimiento se repite o no en el tiempo.

Al igual que otros tipos de especialidades científicas, la mecánica clásica se basa en principios demostrados. Vamos a hablar de ellos en el próximo apartado.

Leyes de la mecánica clásica


Las leyes de la mecánica (también conocidas como leyes de Newton) son un conjunto de principios que explican como los cuerpos sometidos a distintas fuerzas cambian su posición en el espacio.

Como seguramente sabes, la razón de que se denominen leyes de Newton se debe a que fue Isaac Newton el que formuló y relacionó los principios de la mecánica. Por supuesto, no fue el único que contribuyó a la mecánica en su época, pero si fue la figura más relevante con mucha diferencia.

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Definición, principios y límites de las leyes de la mecánica clásica

Sus contribuciones a la mecánica clásica se resumen en 3 leyes fundamentales:

  • Primera ley: Un cuerpo se mueve a una velocidad constante (o esta parado) siempre y cuando no actúe una fuerza sobre él. Es decir, que solo las fuerzas conocidas del sistema pueden cambiar la velocidad de un cuerpo. Esta ley, por lo tanto, establece que la variación de la velocidad de los objetos y las fuerzas conocidas del sistema están relacionadas.
  • Segunda ley: La aceleración de un objeto multiplicado por su masa (que se supone constante) es igual a la suma de todas las fuerzas aplicadas sobre el objeto. Esta ley, nos explica que existe una relación cuantitativa entre las fuerzas que aplicamos a un objeto y como este varía de velocidad (a mayor fuerza en un sentido mayor aceleración en ese sentido).
  • Tercera ley: Cuando dos cuerpos interaccionan entre sí se ejercen dos fuerzas opuestas y de la misma magnitud; una en la dirección del cuerpo A hacia el cuerpo B y otra al revés. Esta ley, nos sirve para entender que todas las fuerzas se aplican por pares, o lo que es lo mismo, que una fuerza aplicada sobre un objeto nunca esta aislada sino que se genera a su vez una segunda fuerza como respuesta.

No olvides, que pese a que las leyes de Newton son muy útiles su rango de actuación esta limitado. En concreto, nos sirven principalmente para explicar sucesos físicos a escalas cercanas a la humana.

Pero existen muchas otras situaciones en las que no son válidas, por ejemplo:

  • Campos gravitatorios muy intensos
  • Velocidades muy altas (cercanas a las de la luz)
  • Escalas microscópicas

Para resolver estas limitaciones se usan explicaciones de tipo cuántico o de tipo relativista.

Ramas de la mecánica clásica


La mecánica clásica tiene varias formas de ser estudiada. En este sentido, la forma en que la clasificamos no responde realmente a especialidades separadas. Más bien, son diferentes puntos de vista usados para entender en mayor profundidad cualquier tipo de interacción de los cuerpos en física.

De esta manera, tienes que saber que existen 3 tipos de formas de estudiar estas interacciones:

A.Estática: Esta rama de la mecánica estudia las fuerzas en sistemas cuyos cuerpos no experimentan aceleración.

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Tipos de especialidades dentro de la mecánica clásica

En el apartado anterior vimos que se necesita una fuerza para generar aceleración. Sin embargo, eso no descarta la posibilidad que existan fuerzas que actúen sobre los cuerpos y que no se genere una aceleración. ¿Sabes por qué?

Pues a que estas fuerzas están en equilibrio estático con el entorno. Es decir, que la suma de todas las fuerzas sobre un cuerpo es igual a 0, ya que se anulan entre ellas. 

Del estudio de este tipo de interacciones entre fuerzas se encarga la estática.

B.Dinámica: Esta rama de la mecánica estudia las fuerzas en sistemas cuyos cuerpos experimentan aceleración.

Es la rama más común de estudio en mecánica porque es la que abarca más situaciones prácticas que ocurren en la realidad. 

La dinámica se centra en estudiar la masa, la fuerza y la aceleración de los cuerpos. De este estudio, se deriva el denominado como momento de inercia.

Este “momento” es la cantidad de fuerza que hay que suministrar a un objeto en un determinado punto para que acelere siguiendo una dirección y un eje de rotación determinados. Depende de varios factores: como se distribuye la masa de los cuerpos, de que forma se suministra la fuerza, en que posición se produce la interacción, etc…

C.Cinemática: Esta rama de la mecánica se encarga de estudiar todo lo que ocurre con el movimiento, descartando las circunstancias que lo produjeron.

De esta manera, la aplicación fundamental de la cinemática es predecir los patrones de movimiento de un cuerpo (trayectorias) conociendo los factores iniciales que le afectan (posición espacial, velocidad y aceleración).

Como puedes ver, la base de la mecánica clásica gira en torno a la interacción de las fuerzas con los cuerpos, ya sea produciendo una aceleración (dinámica) o sin producirla (estática). Además, los cuerpos que se aceleran tendrán una ruta espacial predefinida por sus factores iniciales (cinemática).

Referencias



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