A mecánica clásica é unha teoría física que describe o movemento de corpos macroscópicos, os cales van desde partes dunha maquinaria a proxectís, naves espaciais e obxectos astronómicos, como planetas, estrelas e galaxias. Se se coñece o estado presente dun destes obxectos gobernados pola mecánica clásica, pódese predicir como se moverá no futuro (determinismo) e como se moveu no pasado (reversibilidade). A mecánica clásica subdivídese nas ramas da estática, que trata con obxectos en equilibrio (obxectos que se consideran nun sistema de referencia no que están parados) e a dinámica, que trata con obxectos que non están en equilibrio (obxectos en movemento).
Os comezos da mecánica clásica sitúanse no século XVII, cando Newton, Leibniz e outros empregaron conceptos físicos e idearon métodos matemáticos para describir o movemento de corpos baixo a influencia dun sistema de forzas. Adoita chamarlle mecánica newtoniana a estes primeiros estadios da mecánica clásica. Posteriormente desenvolvéronse métodos máis abstractos, que levaron a reformulacións da mecánica clásica coñecidas como mecánica lagranxiana e mecánica hamiltoniana. Estes avances, feitos principalmente no séculos XVIII e XIX, estenderon substancialmente o traballo de Newton, particularmente a través do uso que fixeron da mecánica analítica. Estas mecánicas, con algunhas modificacións, seguen usándose en todas as áreas da física moderna.
A mecánica clásica reduce o seu estudo ó dominio da experiencia diaria, quer dicir, con eventos que vemos ou palpamos cos nosos sentidos, e proporciona resultados dunha gran precisión cando se estudan obxectos non excesivamente masivos e con velocidades que non se aproximan á da luz. Aínda sendo unha aproximación, é moi útil pois é moito máis doada de comprender, moito máis sinxela de computar matematicamente e, por conseguinte, máis doada de aplicar, sendo válida dabondo para a gran maioría de casos prácticos nunha gran cantidade de sistemas. A teoría, por exemplo, describe con grande exactitude sistemas como foguetes, planetas, moléculas orgánicas, trompos, trens, e tamén a traxectoria parabólica de obxectos como un proxectil ou unha pelota de fútbol.
Cando os obxectos a examinar teñen un tamaño semellante ao do diámetro dun átomo, faise necesario introducir outro subcampo da mecánica, a mecánica cuántica. Para describir velocidades que non son pequenas comparadas coa velocidade da luz necesítase a relatividade especial. En casos onde os obxectos chegan a ser extremadamente masivos, aplícase a relatividade xeral. En sistemas de escala semellante á atómica con velocidades relativamente próximas á da luz, aplícase a teoría cuántica de campos. Porén, un certo número de fontes modernas inclúen as mecánicas relativistas na física clásica, xa que, ao seu xuízo, representan a mecánica clásica na súa forma máis desenvolvida e precisa
A mecánica clásica é amplamente compatible con outras teorías clásicas como o electromagnetismo e a termodinámica, tamén "clásicas" (estas teorías teñen tamén o seu correspondente cuántico).
Ramas División tradicional A dinámica vai máis alá da simple descrición do comportamento dos obxectos e tamén considera as forzas que o explican. Algúns autores (por exemplo, Taylor (2005) [ 11 ] e Greenwood (1997) [ 12 ] ) inclúen a relatividade especial dentro da dinámica clásica.
A mecánica clásica dividíase tradicionalmente en tres ramas principais. A estática é a rama da mecánica clásica que se ocupa da análise da forza e o par que actúan sobre un sistema físico que non experimenta unha aceleración, senón que está en equilibrio co seu contorno. A cinemática describe o movemento de puntos, corpos (obxectos) e sistemas de corpos (grupos de obxectos) sen ter en conta as forzas que os fan moverse. A cinemática, como campo de estudo, adoita denominarse como "xeometría do movemento" e, en ocasións, considérase unha rama das matemáticas.<.A dinámica vai máis aló da mera descrición do comportamento dos obxectos e tamén ten en conta as forzas que o explican. Algúns autores (por exemplo, Taylor (2005)e Greenwood (1997) inclúen a relatividade especial dentro da dinámica clásica. Forzas fronte a enerxía Outra división baséase na elección do formalismo matemático. A mecánica clásica pode presentarse matematicamente de múltiples formas diferentes. O contido físico destas diferentes formulacións é o mesmo, pero proporcionan diferentes perspectivas e facilitan diferentes tipos de cálculos. Aínda que o termo "mecánica newtoniana" utilízase ás veces como sinónimo de física clásica non relativista, tamén pode referirse a un formalismo particular baseado nas leis do movemento de Newton. A mecánica newtoniana neste sentido salienta a forza como unha magnitude vectorial.
Pola contra, a mecánica analítica utiliza propiedades escalar do movemento que representan o sistema no seu conxunto, normalmente a súa enerxía cinética e a súa enerxía potencial. As ecuacións do movemento derívanse da cantidade escalar mediante algún principio subxacente sobre a variación do escalar. Dúas ramas dominantes da mecánica analítica son a mecánica lagranxiana, que utiliza coordenadas xeneralizadas e velocidades xeneralizadas correspondentes no espazo fibrado tanxente (o feixe tanxente do espazo de configuración e ás veces chamado "espazo de estado"), e a mecánica hamiltoniana, que utiliza coordenadas e os momentos correspondentes no espazo de fase (o fibrado tanxente do espazo de configuración). Ambas as formulacións son equivalentes mediante unha transformada de Legendre sobre as coordenadas, velocidades e impulsos xeneralizados; por tanto, ambas conteñen a mesma información para describir a dinámica dun sistema. Existen outras formulacións, como a teoría de Hamilton-Jacobi, a mecánica de Routh e a ecuación de movemento de Appell. Todas as ecuacións de movemento para partículas e campos, en calquera formalismo, poden derivarse do resultado amplamente aplicable denominado principio de mínima acción. Un resultado é o teorema de Noether, unha afirmación que conecta as leis de conservación coas súas simetrías asociadas.
Por rexión de aplicación Alternativamente, pódese facer unha división por rexión de aplicación: Mecánica celeste, relacionada coas estrelas, os planetas e outros corpos celestes Mecánica de medios continuos, para materiais modelados como un continuo, por exemplo, sólidos e fluídos (é dicir, líquidos e gases). Mecánica relativista (é dicir, incluíndo as teorías da relatividade especial e xeral), para corpos cuxa velocidade é próxima á velocidade da luz. Mecánica estatística, que proporciona un marco para relacionar as propiedades microscópicas dos átomos e moléculas individuais coas propiedades termodinámicas macroscópicas ou globais dos materiais. Descrición dos obxectos e o seu movemento miniatura|Un problema típico da mecánica clásica: a análise do movemento dun proxectil. A mecánica clásica modela os obxectos do mundo real como partículas puntuais, é dicir, obxectos cun tamaño insignificante. A mecánica clásica describe os movementos de obxectos extensos non puntuais considerando estes obxectos como agregados de partículas rixidamente conectadas.
Na forma newtoniana da mecánica clásica, o movemento dunha partícula puntual vén determinado por un pequeno número de parámetros: a súa posición, a súa masa e as forzas que se lle aplican. As leis de Euler proporcionan extensións ás leis de Newton neste ámbito. Os conceptos de momento angular baséanse no mesmo cálculo utilizado para describir o movemento unidimensional. A ecuación do foguete amplía a noción de taxa de cambio do momento dun obxecto para incluír os efectos da "perda de masa" dun obxecto. (Estas extensións derívanse das leis de Newton, por exemplo, descompondo un corpo sólido nun conxunto de puntos).
En realidade, os obxectos que a mecánica clásica pode describir sempre teñen un tamaño distinto de cero. (O comportamento de partículas "moi" pequenas, como o electrón, descríbese con maior precisión mediante a mecánica cuántica.) Os obxectos cun tamaño distinto de cero teñen un comportamento máis complicado que as partículas puntuais hipotéticas, debido aos graos de liberdade adicionais, por exemplo, unha pelota de béisbol pode xirar mentres se move. Con todo, os resultados para as partículas puntuais poden utilizarse para estudar devanditos obxectos tratándoos como obxectos compostos, formados por un gran número de partículas puntuais que actúan colectivamente. O centro de masas dun obxecto composto compórtase como unha partícula puntual.
A mecánica clásica asume que a materia e a enerxía teñen atributos definidos e cognoscibles, como a localización no espazo e a velocidade. A mecánica non relativista tamén asume que as forzas actúan instantaneamente (véxase tamén Acción a distancia). Cinemática
+ As unidades "mecánicas" derivadas do SI (é dicir, non electromagnéticas nin térmicas) con kg, m e sposiciónmposición angular/ángulosen unidades (radián)velocidadem·s−1velocidade angulars−1aceleraciónm·s−2aceleración angulars−2sobreaceleraciónm·s−3"sobreaceleración angular"s−3enerxía específicam2·s−2taxa de dose absorbidam2·s−3momento de inerciakg·m2cantidade de movementokg·m·s−1momento angularkg·m2·s−1forzakg·m·s−2torquekg·m2·s−2enerxíakg·m2·s−2Potenciakg·m2·s−3presión e densidade de enerxíakg·m−1·s−2tensión superficialkg·s−2constante de resortekg·s−2irradiancia e fluxo de enerxíakg·s−3viscosidade cinemáticam2·s−1viscosidade dinámicakg·m−1·s−1densidade (densidade de masa)kg·m−3peso específico (densidade ponderal)kg·m−2·s−2densidade numéricam−3acciónkg·m2·s−1 A posición dunha partícula puntual defínese en relación cun sistema de coordenadas centrado nun punto de referencia fixo arbitrario no espazo denominado orixe O. Un sistema de coordenadas simple podería describir a posición dunha partícula P cun vector anotado cunha frecha etiquetada como r que apunta desde a orixe O ao momento P. En xeral, a partícula puntual non necesita estar estacionaria con respecto a O. Nos casos en que P se movese con respecto a O, r defínese como unha función de t, o tempo. Na relatividade pre-Einstein (coñecida como relatividade galileana), o tempo considérase absoluto, é dicir, o intervalo de tempo que se observa que transcorre entre calquera par de eventos dado é o mesmo para todos os observadores. Extracto da páxina 30 Ademais de basearse no tempo absoluto, a mecánica clásica asume a xeometría euclidiana para a estrutura do espazo.MIT physics 8.01 lecture notes (páxina 12). (PDF) Velocidade e aceleración
A velocidade, ou a taxa de cambio do desprazamento co tempo, defínese como a derivada da posición con respecto ao tempo: .
En mecánica clásica, as velocidades son directamente aditivas e subtractivas. Por exemplo, se un coche viaxa cara ao leste a 60 km/h e adianta a outro coche que viaxa na mesma dirección a 50 km/h, o coche máis lento percibe que o coche máis rápido viaxa cara ao leste a . Con todo, desde a perspectiva do coche máis rápido, o coche máis lento móvese 10 km/h cara ao oeste, o que a miúdo se denota como −10 km/h, onde o signo implica a dirección oposta. As velocidades son directamente aditivas como magnitudes vectoriais; deben tratarse utilizando análise vectorial.
Matematicamente, se a velocidade do primeiro obxecto na discusión anterior denótase polo vector e a velocidade do segundo obxecto polo vector , onde u é a velocidade do primeiro obxecto, v é a velocidade do segundo obxecto, e d e e son vectores unitarios nas direccións de movemento de cada obxecto respectivamente, entón a velocidade do primeiro obxecto vista polo segundo obxecto é:
Do mesmo xeito, o primeiro obxecto ve a velocidade do segundo obxecto como:
Cando ambos os obxectos se moven na mesma dirección, esta ecuación pódese simplificar a:
Ou, ignorando a dirección, a diferenza pódese expresar unicamente en termos de velocidade:
A velocidade do obxecto é denotada por:
tamén coa expresión:
Aceleración