Qué es la mecánica
La mecánica es la rama de la física que estudia el movimiento y las fuerzas que lo producen. También se conoce como mecánica a la aplicación práctica de la mecánica al diseño, construcción u operación de máquinas o herramientas.
En física, el trabajo mecánico es la cantidad de energía transferida por una fuerza. Al igual que la energía mecánica, es una cantidad escalar, con unidades en el Sistema Internacional (SI) de Joules (J).
Como dato adicional, se conoció como “La naranja mecánica” a la selección de fútbol de los Países Bajos debido al color utilizado como uniforme y la forma sincronizada como practicaban este deporte.
La palabra mecánica deriva del latín “mechanĭcus” y quiere decir relativo a la máquina.
Historia de la mecánica
La historia sobre el origen de la mecánica abarca una gama de importantes personajes que a lo largo del tiempo han proporcionado significativos aportes para el desarrollo de esta área.
No se tiene conocimiento acerca de la exactitud de los orígenes de esta ciencia, sin embargo, es posible afirmar que el origen de la mecánica se encuentra relacionado con el uso de herramientas, a través de las cuales el hombre primitivo pudo satisfacer sus necesidades.
El surgimiento de la mecánica como ciencia aparece durante la etapa helenística de la mano de Arquímedes, quien fue el responsable de describir de manera cuantitativa las leyes de la palanca, las cuales impulsaron el surgimiento de los primeros fundamentos de la dinámica y estática.
Así como Arquímedes, también surgieron varios eruditos de la física que a lo largo de los años aportaron importantes fundamentos que sirvieron de impulso para el avance de la mecánica, alguno de ellos fueron: Galileo Galilei, Euler, Newton, Albert Einstein, Tartaglía, entre otros.
Sir Isaac Newton fue el primero en proponer y unificar las tres leyes del movimiento (la ley de la inercia, su segunda ley mencionada anteriormente y la ley de acción y reacción), y en demostrar que estas leyes gobiernan tanto los objetos cotidianos como los objetos celestes.
Newton también desarrolló el proceso necesario para realizar los cálculos matemáticos involucrados en la mecánica clásica. Sin embargo, fue Gottfried Leibniz quien, independientemente de Newton, desarrolló un cálculo con la notación de la derivada y la integral que se utilizan hasta el día de hoy. La notación de puntos de Newton para las derivadas del tiempo se conserva en la mecánica clásica.
La primera reformulación notable fue en 1788 por Joseph Louis Lagrange, un matemático ítalo-francés. En la mecánica lagrangiana la solución se forma utilizando el camino de mínima acción y se basa en el Cálculo de variaciones.
La mecánica lagrangiana fue a su vez reformulada en 1833 por William Rowan Hamilton. La mayor parte del marco de la mecánica hamiltoniana se puede ver en la mecánica cuántica; sin embargo, los significados exactos de los términos difieren debido a los efectos cuánticos.
Cuando se combina con la termodinámica clásica, la mecánica clásica conduce a la paradoja de Gibbs en la que la entropía no es una cantidad bien definida. Cuando los experimentos alcanzaron el nivel atómico, la mecánica clásica no pudo explicar, ni siquiera aproximadamente, cosas tan básicas como los niveles de energía y los tamaños de los átomos. El esfuerzo por resolver estos problemas condujo al desarrollo de la mecánica cuántica.
A finales del siglo XX, el lugar de la mecánica clásica en la física ya no es el de una teoría independiente. Junto con el electromagnetismo clásico, se ha integrado en la mecánica cuántica relativista o la teoría cuántica de campos
Ramas de la mecánica
Entre las principales ramas destacan las siguientes
Mecánica clásica
Se utiliza para describir el movimiento de objetos macroscópicos, desde proyectiles hasta piezas de maquinaria, así como objetos astronómicos, como naves espaciales, planetas, estrellas y galaxias. Produce resultados muy precisos dentro de estos dominios, y es una de las materias más antiguas y extensas de la ciencia, la ingeniería y la tecnología.
En la física mecánica, es uno de los dos principales subcampos de estudio, que se ocupa del conjunto de leyes físicas que gobiernan y describen matemáticamente los movimientos y los agregados de los cuerpos.
Mecánica cuántica
Es la rama de la mecánica que se ocupa de la descripción matemática del movimiento y la interacción de las partículas subatómicas, incorporando los conceptos de dualidad onda-partícula, cuantización de la energía, el principio de correspondencia y el principio de incertidumbre.
La mecánica cuántica ha reemplazado a la clásica en el nivel fundamental 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 difíciles en la cuántica y, por lo tanto, sigue siendo útil y bien utilizada.
Mecánica relativista
Es la ciencia que se encarga del estudio del movimiento de los cuerpos con grandes velocidades en relación con el tiempo y el espacio.
Se ocupa del movimiento de los cuerpos cuyas velocidades relativas se acercan a la velocidad de la luz (c), o cuyas energías cinéticas son comparables con el producto de sus masas (m) y el cuadrado de la velocidad de la luz (mc2).
Mecánica cuántica relativista
Su objetivo es describir los detalles más finos de la estructura de los átomos y las moléculas, donde los efectos relativistas se vuelven no despreciables.
Es una especie de reino intermedio, entre la familiar mecánica cuántica no relativista y la teoría cuántica de campos completamente relativista, por lo tanto, carece de la simplicidad y elegancia de ambas. Sin embargo, es una herramienta necesaria, sobre todo para los químicos cuánticos.
Aplicaciones de la mecánica
La mecánica tiene una gran importancia en la sociedad y el funcionamiento de ésta. Entre las razones destacan:
- No existirían los motores, generadores, ascensores o incluso aires acondicionados. Aunque no se note, es probable que una persona use diariamente algo que ha sido diseñado mecánicamente.
- A lo sumo todos los instrumentos funcionan según el principio de la mecánica.
- Sin conocer la mecánica, es incluso difícil para la humanidad diseñar una simple bombilla.
- Sin mecánicos, la fabricación de automóviles y cualquier vehículo de transporte sería prácticamente imposible.
- Permite realizar muchas actividades diarias con facilidad, ya que aporta tecnologías útiles a una sociedad moderna.
La mecánica tiene muchas aplicaciones y disciplinas importantes en las áreas de la ciencia. Entre las principales se encuentran:
- Ingeniería Mecánica: es la aplicación de los principios y las técnicas de resolución de problemas de la ingeniería, desde el diseño hasta la fabricación en el mercado de cualquier objeto. Los ingenieros mecánicos analizan su trabajo usando los principios de movimiento, energía y fuerza, asegurando que los diseños funcionen de manera segura, eficiente y confiable, todo a un costo competitivo.
- Mecánica Automotriz: estudian el funcionamiento de los vehículos automotores. Entre los deberes de un mecánico se encuentran reparar los componentes mecánicos del vehículo, diagnosticar problemas con automóviles/camiones y realizar trabajos de mantenimiento en ellos también.
- Ingeniería Eléctrica: los ingenieros eléctricos diseñan, desarrollan, prueban y supervisan la fabricación de equipos eléctricos, como motores eléctricos, sistemas de radar y navegación, sistemas de comunicaciones o equipos de generación de energía, por lo que se encuentra estrechamente relacionada a la mecánica.
