La mecánica racional, mecánica clásica, vectorial o simplemente mecánica, es una rama de la física que estudia, describe o predice las condiciones que en su máxima o mínima acción (fuerzas), producen el movimiento, comportamiento y equilibrio de la masa de los cuerpos en reposo, sus principios, interacciones y causas. Su objetivo es explicar de forma cualitativa (cómo ocurren) y cuantitativa (en qué cantidad ocurren) esas manifestaciones o fenómenos con valoración científica.
El concepto de mecánica racional puede ser mejor enfocado a partir de dos aproximaciones: aproximación empírica (controlar experimentalmente el comportamiento y aspecto de un objeto del medio físico, elegido previamente), aproximación racional o teórica (parte de una afirmación verificable mediante el cálculo infinitesimal, del cual se obtienen ecuaciones y la correspondencia de las variables que las conforman).
Para la mecánica el concepto de movimiento es relativo: un cuerpo se mueve cuando su posición cambia dependiendo del cambio de posición de otro cuerpo que se toma como referencia. Mientras tanto define como cuerpo, al conjunto discreto y continuo de puntos geométricos o de partículas que no tienen un tamaño definido (dimensión), separando el hecho de que pueden poseer masa (cantidad de materia presente en un cuerpo). De origen elástico, gravitatorio, de razonamiento y resistencia fluidodinámica, define a las condiciones o fuerzas que intervienen en el movimiento de un cuerpo.
Los hombres del antepasado, al construir sus primeros instrumentos le dieron inicio a la mecánica racional, los interrogantes primitivos surgieron en civilizaciones muy antiguas por la necesidad de la utilización de máquinas pacíficas o bélicas que los liberaran de ciertos esfuerzos, las primeras ideas claras sobre el mundo de la mecánica fueron expuestas por filósofos griegos, entre ellos Pitágoras de Samos y también se menciona a Leonardo Da Vinci, quien en sus manuscritos predijo inventos que no pudo desarrollar y que fueron construidos años más tarde como: el helicóptero o el submarino; pero sí logró ver materializada la construcción de: grúas móviles que permitían levantar grandes cargas, máquinas de movimiento continuo-alterno, etc.
El estudio de la mecánica racional surgió con el análisis de números pequeños en objetos de gran tamaño que se movían lentamente. Isaac Newton (1643-1727), es para muchos la figura más representativa de la mecánica racional, desarrolló las leyes de la mecánica que explican el movimiento de los cuerpos en forma matemática: Principio de Inercia, Ley fundamental de la Dinámica y Ley de Acción y Reacción.
- Primera ley: “todo cuerpo libre, sobre el que no existe ninguna fuerza, mantiene su mismo movimiento, ya sea en reposo, o ya sea en movimiento rectilíneo uniforme”. (También llamada principio de Galileo.). Se denota: F = 0, donde F = fuerza.
- Segunda ley: “todo cuerpo sobre el que actúa una fuerza, se mueve de tal manera que, la variación de su cantidad de movimiento respecto al tiempo es igual a la fuerza que produce el movimiento”. Se representa con la siguiente fórmula, donde F = fuerza, m = masa y a = aceleración: F = m ´ a
- Tercera ley: De acción y reacción “siempre que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este segundo cuerpo ejercerá una fuerza igual y de sentido contrario sobre el primero”. Su expresión matemática es la siguiente: Fij = – Fji, Fab = – Fba, donde F = fuerza inicial y fuerza final. Dependiendo de la conveniencia, la mecánica racional se puede dividir en: mecánica de cuerpos rígidos, mecánica de cuerpos deformables y mecánica de fluidos.
Clasificación de los Cuerpos Rígidos
- Estática: estudia el estado del comportamiento de cualquier objeto (en reposo o en movimiento rectilíneo y uniforme) sometido a fuerzas equilibradas. El objeto es determinar la fuerza resultante y el momento resultante de todas las fuerzas que actúan sobre ese objeto para establecer sus condiciones de equilibrio.
- Dinámica: describe la evolución de los movimientos de un objeto y las fuerzas o causas que los producen. El objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir esos movimientos, cuantificarlos y desarrollar ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho procedimiento.
- Cinemática: se basa en el estudio y descripción de la trayectoria de los movimientos de un cuerpo en cualquier espacio, sin tomar en cuenta la acción que ejercen las causas o fuerzas que los producen, trabaja en función del tiempo.
- Cinética: se ocupa de estudiar el comportamiento de cuerpos sometidos a fuerzas no equilibradas, sus movimientos son acelerados por no ser uniformes.
