Movimiento (física
En
mecánica, el
movimiento es un cambio físico que se define como todo cambio de
posición en el
espacio.
La descripción y estudio del movimiento de un cuerpo exige determinar
su posición en el espacio en función del tiempo. Para ello es necesario
un sistema de referencia o referencial.
Mecánica clásica
La
mecánica clásica es una formulación de la
mecánica
para describir mediante leyes el comportamiento de cuerpos físicos
macroscópicos en reposo y a velocidades pequeñas comparadas con la
velocidad de la luz.
Existen varias formulaciones diferentes, de la mecánica clásica para
describir un mismo fenómeno natural, que independientemente de los
aspectos formales y metodológicos que utilizan llegan a la misma
conclusión.
- La mecánica vectorial, deviene directamente de las leyes de Newton,
por eso también se le conoce con el gentilicio de newtoniana. Es
aplicable a cuerpos que se mueven en relación a un observador a
velocidades pequeñas comparadas con la de la luz. Fue construida en un
principio para una sola partícula moviéndose en un campo gravitatorio.
Se basa en el tratamiento de dos magnitudes vectoriales bajo una
relación causal: la fuerza y la acción de la fuerza, medida por la variación del momentum (cantidad de movimiento).
El análisis y síntesis de fuerzas y momentos constituye el método
básico de la mecánica vectorial. Requiere del uso privilegiado de sistemas de referencia inercial.
- La mecánica analítica
(analítica en el sentido matemático de la palabra y no filosófico). Sus
métodos son poderosos y trascienden de la Mecánica a otros campos de la
física. Se puede encontrar el germen de la mecánica analítica en la
obra de Leibniz
que propone para solucionar los problemas mecánicos otras magnitudes
básicas (menos oscuras según Leibniz que la fuerza y el momento de Newton), pero ahora escalares, que son: la energía cinética y el trabajo.
Estas magnitudes están relacionadas de forma diferencial. La
característica esencial es que, en la formulación, se toman como
fundamentos primeros principios generales (diferenciales e integrales), y
que a partir de estos principios se obtengan analíticamente las
ecuaciones de movimiento.
En mecánica newtoniana el movimiento de una partícula en el espacio tridimensional se representa por una función vectorial:
El conjunto imagen
se denomina trayectoria y se obtiene integrando la ecuación diferencial
anterior con las condiciones de contorno adecuadas. Dado que la
ecuación diferencial puede ser complicada a veces se buscan
integrales de movimiento que permitan encontrar la trayectoria más fácilmente. Para un sistema de
n partículas libres que ejercen
acciones a distancia instáneas la idea anterior se generaliza:
Si existen
ligaduras en el movimiento puede resultas más sencillo y económico pasar a un sistema de
coordenadas generalizadas y trabajar con una formulación abstracta típica de la mecánica analítica.
Mecánica relativista
Para describir la posición de una partícula material la mecánica
relativista hace uso de un sistema de cuatro coordenadas definidas sobre
un espacio-tiempo de cuatrodimensiones. Además las acciones a distancia
instantáneas están excluidas ya que al propagarse más rápido que la
velocidad de la luz dan lugar a contracciones en el principio de
causalidad. Por lo que un sistema de partículas puntuales en interacción
debe ser descrito con la ayuda de "campos retardados", es decir, que no
actúan de manera instatáneamente, cuya variación debe determinarse como
propagación a partir de la posición de la partícula. Esto complica
razonablemente el número de ecuaciones necesarias para describir un
conjunto de partículas en interacción.
Otra dificultad añadida es que no existe un tiempo universal para
todos los observadores, por lo que relacionar las medidas de diferentes
observadores en movimiento relativo es ligeramente más complejo que en
la mecánica clásica. Una manera conveniente es definir el intervalo
invariante relativista y parametrizar las trayectorias en el
espacio-tiempo en función de dicho parámetro. La descripción campos de
fuerzas o fluidos requiere definir ciertas magnitudes tensoriales sobre
el espacio vectorial tangente al espacio-tiempo.
Mecánica cuántica
La
mecánica cuántica1 2
es una de las ramas principales de la física, y uno de los más grandes
avances del siglo XX para el conocimiento humano, que explica el
comportamiento de la
materia y de la
energía. Su aplicación ha hecho posible el descubrimiento y desarrollo de muchas tecnologías, como por ejemplo los
transistores que se usan más que nada en la computación. La mecánica cuántica describe en su
visión más ortodoxa, cómo cualquier sistema físico, y por lo tanto todo el
universo,
existe en una diversa y variada multiplicidad de estados, los cuales
habiendo sido organizados matemáticamente por los físicos, son
denominados
autoestados de vector y valor propio. De esta forma la mecánica cuántica explica y revela la existencia del
átomo y los misterios de la
estructura atómica tal cual hoy son entendidos; lo que por otra parte, la
física clásica,
y más propiamente todavía la mecánica clásica, no podía explicar
debidamente los fenómenos actualmente observados por los científicos.
De forma específica, se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma que no incorpora la
relatividad en su formalismo, tan sólo como añadido mediante
teoría de perturbaciones.
3 La parte de la mecánica cuántica que sí incorpora elementos relativistas de manera formal y con diversos problemas, es la
mecánica cuántica relativista o ya, de forma más exacta y potente, la
teoría cuántica de campos (que incluye a su vez a la
electrodinámica cuántica,
cromodinámica cuántica y
teoría electrodébil dentro del
modelo estándar)
4 y más generalmente, la
teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única interacción que no se ha podido cuantificar ha sido la
interacción gravitatoria.
La mecánica cuántica es la base de los estudios del
átomo, los
núcleos y las
partículas elementales (siendo ya necesario el tratamiento relativista), pero también en
teoría de la información,
criptografía y
química
