Las ramas de la mecánica más desarrolladas y conocidas son la estática, la dinámica o cinética y la cinemática. Juntas conforman un área de la ciencia relacionada con la conducta de objetos o cuerpos al momento de ser empujados por potencias o deslizamientos.
Igualmente, la mecánica estudia las consecuencias de las entidades corporales en su entorno. La disciplina científica tiene sus orígenes en la antigua Grecia, con los escritos de Aristóteles y Arquímedes.
Durante el período moderno temprano, algunos científicos de renombre, como Isaac Newton y Galileo Galilei, asentaron lo que actualmente es conocido como mecánica clásica.
Es una rama de la física clásica que se ocupa de átomos que se encuentran inmóviles o que se precipitan de manera lenta, a velocidades evidentemente inferiores a la velocidad de la luz.
Históricamente, la mecánica clásica apareció primero, mientras que la mecánica cuántica es una ciencia relativamente reciente.
La mecánica clásica se originó con las leyes del movimiento de Isaac Newton, mientras que la mecánica cuántica fue descubierta a principios del siglo XX.
La importancia de la mecánica radica en que, bien sea clásica o cuántica, constituye el conocimiento más cierto que existe sobre la naturaleza física, y ha sido especialmente vista como un modelo para otras ciencias, llamadas exactas, como las matemáticas, física, química y biología.
Principales ramas de la mecánica
La mecánica tiene una gran cantidad de usos en el mundo moderno. Su variedad de áreas de estudio la ha llevado a diversificarse para abarcar la comprensión de distintos temas que rodean al ser humano.
Estática
La estática, en física, es la rama de la mecánica que se encarga de las potencias que operan en objetos inmóviles en condiciones de equilibrio.
Sus fundamentos fueron establecidos hace más de 2.200 años por el antiguo matemático griego Arquímedes y otros, mientras estudiaba las características de amplificación de fuerzas de máquinas simples, como la palanca y el eje.
Los métodos y resultados de la ciencia de la estática han demostrado ser especialmente útiles en el diseño de edificios, puentes y presas, así como grúas y otros dispositivos mecánicos similares.
Para poder calcular las dimensiones de tales estructuras y máquinas, los arquitectos e ingenieros deben primero determinar las potencias que intervienen en sus partes interconectadas.
Condiciones de la estática
– La estática proporciona los procedimientos analíticos y gráficos necesarios para identificar y describir estas fuerzas desconocidas.
– Supone que los cuerpos con los que trata son perfectamente rígidos.
– También sostiene que la adición de todas las potencias que operan en una entidad en reposo tiene que ser cero y que no debe haber tendencia a que las fuerzas giren el cuerpo alrededor de ningún eje.
Estas tres condiciones son independientes entre sí y su expresión en forma matemática comprende las ecuaciones de equilibrio. Hay tres ecuaciones, por lo que solo se pueden calcular tres fuerzas desconocidas.
Si existen más de tres fuerzas desconocidas, significa que hay más componentes en la estructura o máquina que se requieren para soportar las cargas aplicadas, o que hay más restricciones de las que se necesitan para evitar que el cuerpo se mueva.
Tales componentes o restricciones innecesarias se denominan redundantes (por ejemplo, una mesa con cuatro patas tiene una pata redundante), y se dice que el método de fuerzas es estáticamente indeterminado.
Dinámica o cinética
La dinámica es la rama de la ciencia física y subdivisión de la mecánica que domina el estudio del movimiento de los objetos materiales en relación con los factores físicos que los afectan: fuerza, masa, impulso, energía.
La cinética es la rama de la mecánica clásica que se refiere al efecto de las fuerzas y los pares sobre el movimiento de los cuerpos que tienen masa.
Los autores que usan el término “cinética” aplican la dinámica a la mecánica clásica de cuerpos móviles. Esto contrasta con la estática, que se refiere a los cuerpos en reposo, en condiciones de equilibrio.
Se incluyen, en la dinámica o cinética, la descripción del movimiento en términos de posición, velocidad y aceleración, aparte de la influencia de fuerzas, pares y masas.
Los autores que no utilizan el término cinética dividen la mecánica clásica en cinemática y dinámica, incluyendo la estática como un caso especial de dinámica, en la que la adición de las fuerzas y la suma de los pares son iguales a cero.
Cinemática
La cinemática es una rama de la física y una subdivisión de la mecánica clásica relacionada con el movimiento geométricamente posible de un cuerpo o sistema de cuerpos sin considerar las fuerzas involucradas, es decir, causas y efectos de los movimientos.
La cinemática tiene como objetivo proporcionar una descripción de la posición espacial de los cuerpos o sistemas de partículas de material, la velocidad a la que se mueven las partículas y la rapidez a la que su velocidad está cambiando (aceleración).
Cuando las fuerzas causales no se tienen en cuenta, las descripciones de movimiento solo son posibles para las partículas que tienen movimiento restringido, es decir, que se mueven en trayectorias determinadas. En el movimiento sin restricciones, o libre, las fuerzas determinan la forma del camino.
Para una partícula que se mueve sobre una trayectoria recta, una lista de posiciones y tiempos correspondientes constituiría un esquema adecuado para describir el movimiento de esta partícula.
Una descripción continua requeriría una fórmula matemática que expresara la posición en términos de tiempo.
Cuando una partícula se mueve sobre una trayectoria curvada, la descripción de su posición se vuelve más complicada, y requiere dos o tres dimensiones.
En tales casos, las descripciones continuas en forma de un solo gráfico o fórmula matemática no son factibles.
Ejemplo de cinemática
La posición de una partícula que se mueve sobre un círculo, por ejemplo, puede ser descrita por un radio giratorio del círculo, como el rayo de una rueda con un extremo fijo en el centro del círculo y el otro extremo unido a la partícula.
El radio de rotación se conoce como vector de posición para la partícula y, si se conoce el ángulo entre este y un radio fijo como una función del tiempo, se puede calcular la magnitud de la velocidad y la aceleración de la partícula.
Sin embargo, la velocidad y la aceleración tienen dirección y magnitud. La velocidad es siempre tangente a la trayectoria, mientras que la aceleración tiene dos componentes, uno tangente a la trayectoria y el otro perpendicular a la tangente.
Mecánica de medios continuos
Esta rama de la mecánica estudia el comportamiento de materiales considerados continuos, como los sólidos y los fluidos. Ha resultado fundamental para comprender el comportamiento de los materiales a nivel macro (movimiento de los planetas, por ejemplo).
Mecánica estadística
Se encarga de la teoría de la probabilidad para inferir el movimiento de un objeto determinado, a nivel macroscópico. Mediante el conocimiento de la interacción de los elementos, se establece cómo será el movimiento de un objeto, o su evolución en el tiempo.
Mecánica relativista
Disciplina que nace a raíz de la teoría de la relatividad, se ocupa del movimiento de astros, planetas o cuerpos celestes que se mueven a una velocidad mayor que la luz.
Mecánica cuántica
Se basa en la teoría cuántica de campos, y se contrapone a la relativista, pues su campo de estudio son las partículas microscópicas y aun más pequeñas, como las partículas subatómicas. Surgió debido a que las leyes propuestas por Newton no podían aplicarse a objetos tan pequeños, ya que su comportamiento es distinto.
Muchos de estos elementos no pueden verse, por lo que la mecánica cuántica, hasta ahora, sigue siendo probabilística.
Mecánica cuántica-relativista
Es una disciplina que fusiona lo micro y lo macro para entender y determinar factores relacionados con el espacio y el tiempo en que las partículas actúan, por ejemplo, en el Gran Colisionador de Hadrones. Su aparición es relativamente reciente.
Referencias
- Kinetics. Recuperado de britannica.com.
- Statics. Recuperado de britannica.com.