Movimiento

La mecánica clásica se utiliza para describir el movimiento de objetos macroscópicos que se desplazan a velocidades significativamente inferiores a la de la luz, desde proyectiles hasta piezas de maquinaria , así como objetos astronómicos , como naves espaciales , planetas , estrellas y galaxias . Produce resultados muy precisos en estos ámbitos y es una de las descripciones científicas más antiguas y extensas en ciencia , ingeniería y tecnología .

La mecánica clásica se basa fundamentalmente en las leyes del movimiento de Newton . Estas leyes describen la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y el movimiento de dicho cuerpo. Fueron recopiladas por primera vez por Sir Isaac Newton en su obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , publicada el 5 de julio de 1687. Las tres leyes de Newton son:

1. Un cuerpo en reposo permanecerá en reposo, y un cuerpo en movimiento permanecerá en movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa. (Esto se conoce como la ley de la inercia ).
2. Fuerza (${\displaystyle {\vec {F}}}$) es igual al cambio en el momento por cambio en el tiempo (${\displaystyle {\frac {\Delta m{\vec {v}}}{\Delta t}}}$). Para una masa constante, la fuerza es igual a la masa por la aceleración (${\displaystyle {\vec {F}}=m{\vec {a}}}$).
3. Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta. (En otras palabras, siempre que un cuerpo ejerce una fuerza${\displaystyle {\vec {F}}}$sobre un segundo cuerpo (en algunos casos, que está quieto) el segundo cuerpo ejerce la fuerza${\displaystyle -{\vec {F}}}$De vuelta al primer cuerpo.${\displaystyle {\vec {F}}}$y${\displaystyle -{\vec {F}}}$son iguales en magnitud y opuestas en dirección. Por lo tanto, el cuerpo que ejerce${\displaystyle {\vec {F}}}$será empujado hacia atrás.) ^{[ 5 ]}

Las tres leyes del movimiento de Newton fueron las primeras en proporcionar un modelo matemático preciso para comprender los cuerpos en órbita en el espacio exterior . Esta explicación unificó el movimiento de los cuerpos celestes y el movimiento de los objetos en la Tierra.

La cinemática moderna se desarrolló con el estudio del electromagnetismo y se refiere a todas las velocidades.${\displaystyle v}$en proporción a su velocidad de la luz${\displaystyle c}$La velocidad se interpreta entonces como rapidez , el ángulo hiperbólico .${\displaystyle \varphi }$para la cual la función tangente hiperbólica${\displaystyle \tanh \varphi =v\div c}$La aceleración , el cambio de velocidad en el tiempo, cambia de rapidez según las transformaciones de Lorentz . Esta parte de la mecánica es la relatividad especial . W. K. Clifford y Albert Einstein hicieron esfuerzos para incorporar la gravedad a la mecánica relativista . El desarrollo utilizó la geometría diferencial para describir un universo curvo con gravedad; este estudio se conoce como relatividad general .

La mecánica cuántica es un conjunto de principios que describen la realidad física a nivel atómico de la materia ( moléculas y átomos ) y de las partículas subatómicas ( electrones , protones , neutrones e incluso partículas elementales más pequeñas como los quarks ). Estas descripciones incluyen el comportamiento simultáneo, ondulatorio y corpuscular, tanto de la materia como de la energía de la radiación , tal como se describe en la dualidad onda-partícula . ^{[ 6 ]}

En mecánica clásica, se pueden calcular mediciones y predicciones precisas del estado de los objetos, como su posición y velocidad . En mecánica cuántica, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg , el estado completo de una partícula subatómica, como su posición y velocidad, no se puede determinar simultáneamente. ^{[ 7 ]}

Además de describir el movimiento de fenómenos a nivel atómico, la mecánica cuántica es útil para comprender algunos fenómenos a gran escala como la superfluidez , la superconductividad y los sistemas biológicos , incluyendo la función de los receptores olfativos y las estructuras de las proteínas . ^{[ 8 ]}

El espaciotiempo (el tejido del universo) se está expandiendo , lo que significa que todo en el universo se está estirando, como una goma elástica . Este movimiento es el más enigmático, ya que no implica un movimiento físico, sino un cambio fundamental en la naturaleza del universo. La principal fuente de verificación de esta expansión fue proporcionada por Edwin Hubble, quien demostró que todas las galaxias y los objetos astronómicos distantes se alejaban de la Tierra, lo que se conoce como la ley de Hubble , predicha por una expansión universal. ^{[ 10 ]}

La Vía Láctea se desplaza por el espacio y muchos astrónomos creen que su velocidad es de aproximadamente 600 kilómetros por segundo (1.340.000 mph) en relación con las posiciones observadas de otras galaxias cercanas. Otro sistema de referencia lo proporciona el fondo cósmico de microondas . Este sistema de referencia indica que la Vía Láctea se mueve a unos 582 kilómetros por segundo (1.300.000 mph) . ^{[ 11 ]}  

La Vía Láctea gira alrededor de su denso centro galáctico , por lo que el Sol se mueve en círculo dentro de la gravedad de la galaxia . Lejos del bulbo central, o borde exterior, la velocidad estelar típica oscila entre 210 y 240 kilómetros por segundo (470 000 y 540 000 mph) . ^{[ 12 ]} Todos los planetas y sus lunas se mueven con el Sol. Por lo tanto, el Sistema Solar está en movimiento. 

La Tierra está rotando o girando sobre su eje . Esto se evidencia en el día y la noche ; en el ecuador, la Tierra tiene una velocidad hacia el este de 0,4651 kilómetros por segundo (1040 mph) . ^{[ 13 ]} La Tierra también orbita alrededor del Sol en una revolución orbital . Una órbita completa alrededor del Sol dura un año , o aproximadamente 365 días; su velocidad promedio es de unos 30 kilómetros por segundo (67 000 mph) . ^{[ 14 ]}   

La teoría de la tectónica de placas nos dice que los continentes se desplazan sobre corrientes de convección dentro del manto , lo que hace que se muevan por la superficie del planeta a una velocidad lenta de aproximadamente 2,54 centímetros (1 pulgada) por año. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Sin embargo, las velocidades de las placas varían ampliamente. Las placas que se mueven más rápido son las placas oceánicas, con la placa de Cocos avanzando a una tasa de 75 milímetros (3,0 pulgadas) por año ^{[ 17 ]} y la placa del Pacífico moviéndose entre 52 y 69 milímetros (2,0 y 2,7 ​​pulgadas) por año. En el otro extremo, la placa que se mueve más lentamente es la placa euroasiática , que avanza a una tasa típica de unos 21 milímetros (0,83 pulgadas) por año.    

El corazón humano se contrae regularmente para mover la sangre por todo el cuerpo . A través de las venas y arterias más grandes del cuerpo, se ha encontrado que la sangre viaja a aproximadamente 0,33  m/s, aunque existe una variación considerable y se han encontrado flujos máximos en las venas cavas entre 0,1 y 0,45 metros por segundo (0,33 y 1,48 ft/s) . ^{[ 18 ]} Además, los músculos lisos de los órganos internos huecos se mueven. El más conocido sería la ocurrencia de peristalsis , que es cuando los alimentos digeridos son forzados a través del tracto digestivo . Aunque diferentes alimentos viajan a través del cuerpo a diferentes velocidades, una velocidad promedio a través del intestino delgado humano es de 3,48 kilómetros por hora (2,16 mph) . ^{[ 19 ]} El sistema linfático humano también causa constantemente movimientos de exceso de fluidos , lípidos y productos relacionados con el sistema inmunitario por todo el cuerpo. Se ha encontrado que el líquido linfático se mueve a través de un capilar linfático de la piel a aproximadamente 0,0000097 m/s. ^{[ 20 ]}   

Las células del cuerpo humano poseen numerosas estructuras y orgánulos que se desplazan a través de ellas. El flujo citoplasmático es una forma en que las células mueven sustancias moleculares a través del citoplasma . ^{[ 21 ]} Diversas proteínas motoras actúan como motores moleculares dentro de la célula y se desplazan a lo largo de la superficie de diversos sustratos celulares, como los microtúbulos . Estas proteínas motoras suelen ser impulsadas por la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP) y convierten la energía química en trabajo mecánico. ^{[ 22 ]} Se ha observado que las vesículas impulsadas por proteínas motoras alcanzan una velocidad aproximada de 0,00000152  m/s. ^{[ 23 ]}

Según las leyes de la termodinámica , todas las partículas de materia se encuentran en constante movimiento aleatorio mientras la temperatura esté por encima del cero absoluto . Por lo tanto, las moléculas y los átomos que componen el cuerpo humano vibran, chocan y se mueven. Este movimiento se puede detectar como temperatura; las temperaturas más altas, que representan una mayor energía cinética en las partículas, se perciben como calor para los humanos, quienes sienten la transferencia de energía térmica del objeto que tocan a sus nervios. De manera similar, cuando se tocan objetos a menor temperatura, los sentidos perciben la transferencia de calor que se aleja del cuerpo como una sensación de frío. ^{[ 24 ]}

Dentro del modelo estándar de orbitales atómicos , los electrones existen en una región alrededor del núcleo de cada átomo. Esta región se denomina nube electrónica . Según el modelo atómico de Bohr , los electrones tienen una alta velocidad , y cuanto mayor sea el núcleo alrededor del cual orbitan, mayor será la velocidad a la que se moverían. Si los electrones se movieran dentro de la nube electrónica siguiendo trayectorias estrictas, de la misma manera que los planetas orbitan alrededor del Sol, se requeriría que lo hicieran a velocidades que superarían con creces la velocidad de la luz. Sin embargo, no hay razón para limitarse a esta conceptualización estricta (que los electrones se mueven en trayectorias similares a las de los objetos macroscópicos); más bien, se puede conceptualizar a los electrones como «partículas» que existen de forma arbitraria dentro de los límites de la nube electrónica. ^{[ 25 ]} Dentro del núcleo atómico , los protones y neutrones también se mueven probablemente debido a la repulsión eléctrica de los protones y a la presencia de momento angular en ambas partículas. ^{[ 26 ]}

Algunos movimientos parecen a un observador exceder la velocidad de la luz. Los estallidos de energía que se mueven a lo largo de los chorros relativistas emitidos por estos objetos pueden tener un movimiento propio que parece mayor que la velocidad de la luz. Se cree que todas estas fuentes contienen un agujero negro , responsable de la eyección de masa a altas velocidades. Los ecos de luz también pueden producir un movimiento superlumínico aparente. ^{[ 29 ]} Esto ocurre debido a cómo se suele calcular el movimiento a grandes distancias; a menudo los cálculos no tienen en cuenta el hecho de que la velocidad de la luz es finita. Al medir el movimiento de objetos distantes a través del cielo, hay un gran retraso temporal entre lo que se ha observado y lo que ha ocurrido, debido a la gran distancia que la luz del objeto distante tiene que recorrer para llegar hasta nosotros. El error en el cálculo ingenuo anterior proviene del hecho de que cuando un objeto tiene un componente de velocidad dirigido hacia la Tierra, a medida que el objeto se acerca a la Tierra ese retraso temporal se hace menor. Esto significa que la velocidad aparente calculada anteriormente es mayor que la velocidad real. En consecuencia, si el objeto se aleja de la Tierra, el cálculo anterior subestima la velocidad real. ^{[ 30 ]}