La física clàssica és una branca fonamental de la física que descriu el moviment d'objectes macroscòpics al món que ens envolta.
Aquesta branca de la física és un conjunt de lleis i principis que ens permeten comprendre com es comporten els objectes en repòs i en moviment, des d'una poma que cau d'un arbre fins als moviments complexos dels planetes al sistema solar.
Quines són les branques de la física clàssica?
Les branques principals de la física clàssica són:
-
Mecànica clàssica: És la branca de la física que estudia el moviment dels cossos i les forces que hi actuen. Inclou conceptes com les lleis de Newton, la cinemàtica i la dinàmica clàssica.
-
Mecànica de fluids clàssica: S'ocupa de l'estudi del comportament dels fluids (líquids i gasos) i les forces que hi actuen. Analitza temes com ara el flux de fluids, la pressió, la viscositat i l'aerodinàmica.
-
Termodinàmica clàssica: S'ocupa de l'estudi dels processos que impliquen transferència de calor i de treball. La termodinàmica clàssica s'enfoca a sistemes macroscòpics i les lleis fonamentals que regeixen l'energia, la temperatura i l'entropia.
-
Electromagnetisme clàssic: És l'estudi de les interaccions electromagnètiques, incloent-hi fenòmens com l'electricitat, el magnetisme, les ones electromagnètiques i l'òptica clàssica. Es basa en les equacions de Maxwell, que descriuen la relació entre camps elèctrics i magnètics i els seus efectes.
-
Òptica clàssica: S'ocupa de l'estudi de la llum i el comportament en relació amb els objectes i els mitjans en què es propaga. Inclou temes com ara la reflexió, la refracció, la difracció i la formació d'imatges.
-
Ones i acústica: Aquesta branca se centra en l'estudi de les ones, incloent-hi les ones sonores i la propagació en diferents mitjans. Aborda temes com ara la interferència, la difracció, la ressonància i la superposició d'ones.
Els fonaments de la mecànica clàssica:
La mecànica clàssica és una branca fonamental de la física que se centra en lestudi del moviment dels objectes i les forces que hi actuen. És una teoria que es basa en els principis desenvolupats per Sir Isaac Newton al segle XVII i ha estat àmpliament aplicada i estudiada des de llavors.
La mecànica clàssica proporciona un marc conceptual i matemàtic per descriure i predir el comportament dels objectes en moviment. A través de conceptes com posició, velocitat, acceleració i força, la mecànica clàssica ens permet entendre com els objectes es desplacen a l'espai i com responen a les forces que hi actuen.
Les lleis fonamentals de la mecànica clàssica estan basades en les tres lleis de Newton.
Lleis de Newton
Les lleis de Newton són els pilars fonamentals de la mecànica clàssica. Aquestes lleis descriuen el comportament dels objectes en moviment i la relació entre les forces que hi actuen. Les tres lleis de Newton són:
-
Primera llei de Newton o Llei de la inèrcia: Aquesta llei estableix que un objecte en repòs romandrà en repòs i un objecte en moviment continuarà movent-se a una velocitat constant en línia recta, tret que una força externa actuï sobre ell. En altres paraules, els objectes tendeixen a mantenir el seu estat de moviment o repòs a no ser que se'ls apliqui una força. Aquest concepte és conegut com a principi d'inèrcia.
-
Segona llei de Newton o Llei de la força i l'acceleració: Aquesta llei estableix que l'acceleració d'un objecte és directament proporcional a la força neta que hi actua i inversament proporcional a la massa. L'equació que descriu aquesta llei és F = ma, on F representa la força neta, m és la massa de l'objecte ja és l'acceleració que experimenta.
-
Tercera llei de Newton o Llei d'acció i reacció: Segons aquesta llei, per cada acció hi ha una reacció de la mateixa magnitud però en direcció oposada. Això significa que quan un objecte exerceix una força sobre un altre, el segon objecte també exerceix una força de la mateixa magnitud però en direcció oposada sobre el primer. Aquestes forces es coneixen com a parells dacció i reacció.
Sistema de coordenades i vectors
Per descriure el moviment d'un objecte a la mecànica clàssica, cal utilitzar un sistema de coordenades i conceptes vectorials. Un sistema de coordenades, com el sistema cartesià, s'utilitza per ubicar i descriure la posició d'un objecte a l'espai tridimensional.
Els vectors són eines matemàtiques que ens permeten representar magnituds que tenen tanta magnitud com direcció en les tres dimensions de l'espai. A la mecànica clàssica, els vectors s'utilitzen per descriure el desplaçament, la velocitat i l'acceleració d'un objecte.
Cinemàtica: el moviment dobjectes
La cinemàtica s?ocupa de l?estudi del moviment dels objectes sense considerar les causes que el produeixen. La cinemàtica ens permet comprendre i predir com es desplacen els objectes a l'espai i com canvien la seva posició amb el temps.
A través de conceptes com trajectòria, desplaçament, velocitat instantània i acceleració, podem quantificar i caracteritzar el moviment dels objectes de manera precisa.
Desplaçament, velocitat i acceleració
El desplaçament fa referència al canvi de posició d'un objecte en relació amb un punt de referència. Es representa mitjançant un vector des de la posició inicial fins a la posició final. El desplaçament té tant magnitud (distància) com a direcció.
La velocitat és una mesura de la rapidesa amb què canvia la posició dun objecte en un interval de temps determinat. Es calcula dividint el desplaçament entre el temps transcorregut. La velocitat també és un vector, cosa que significa que té magnitud (rapidesa) i direcció.
L'acceleració representa la taxa de canvi de velocitat d'un objecte en funció del temps. Com el desplaçament i la velocitat, l'acceleració també és un vector i pot ser positiva (acceleració en la direcció del moviment) o negativa (desacceleració o acceleració en direcció oposada al moviment).
Moviment rectilini uniforme (MRU)
En el context de la cinemàtica clàssica, hi ha dos tipus principals de moviment: el moviment rectilini uniforme (MRU) i el moviment rectilini uniformement accelerat (MRUA).
El MRU fa referència a un moviment en línia recta on la velocitat de l'objecte és constant. En altres paraules, no hi ha acceleració al MRU. Un exemple comú de MRU és un automòbil que viatja a una velocitat constant a una carretera recta i sense obstacles.
Moviment rectilini uniformement accelerat (MRUA)
D'altra banda, el moviment rectilini uniformement accelerat (MRUA) implica un moviment en línia recta on la velocitat de l'objecte canvia constantment en el temps a causa d'una acceleració constant. Un exemple de MRUA és un automòbil que accelera des del repòs fins a una velocitat determinada en un temps específic.
Moviment en dues i tres dimensions:
A més a més del moviment en línia recta, la mecànica clàssica també abasta l'estudi del moviment en dues i tres dimensions. En aquest cas, un objecte es desplaça en un pla i pot tenir components de moviment tant a l'eix horitzontal (x) com a l'eix vertical (y). En el cas dels moviments tridimensionals, apareix un tercer eix (z) que indica la profunditat.
El moviment es pot descompondre en diferents moviments independents al llarg de cada eix. Això implica que es poden aplicar les mateixes equacions de cinemàtica a cada component de moviment per separat. El desplaçament, la velocitat i l'acceleració a cada direcció es determinen mitjançant càlculs vectorials.
Dinàmica: causes del moviment
La dinàmica és la branca de la mecànica clàssica que sencarrega de lestudi de les causes del moviment dels objectes. A diferència de la cinemàtica, que se centra a descriure les propietats del moviment sense considerar les forces, la dinàmica es preocupa per comprendre les interaccions entre els objectes i les forces que hi actuen.
A la dinàmica, el moviment dels objectes ve determinat per les lleis de Newton esmentades anteriorment.
Exemples d'aplicacions de la mecànica clàssica
La teoria de la mecànica clàssica és crucial per calcular objectes en moviment en camps com l'enginyeria industrial, l'automoció o l'aeronàutica.
A continuació mostrem alguns exemples d'aplicació típics:
Moviment parabòlic
La mecànica clàssica és àmpliament aplicada a l'estudi del moviment de projectils. El moviment parabòlic és el moviment generat per un projectil llançat amb una inclinació respecte a l'horitzontal que segueix una trajectòria parabòlica degut a la influència de la gravetat i la resistència de l'aire.
En aplicar els conceptes de cinemàtica i dinàmica clàssica, és possible predir i analitzar l'abast, l'alçada màxima i la velocitat d'un projectil en funció del seu angle de llançament i de velocitat inicial.
Aquest tipus d'anàlisi és fonamental en camps com la balística i l'esport (per exemple, en el tir parabòlic a la pràctica de l'arqueria o el llançament d'una pilota en esports com el futbol o el bàsquet).
Moviment circular
Un exemple de la mecànica clàssica és lestudi del moviment circular. Al moviment circular uniforme (MCU), un objecte es mou en una trajectòria circular amb una velocitat constant.
Aquest tipus de moviment es troba en fenòmens naturals com l‟òrbita dels planetes al voltant del sol, el moviment de les rodes d‟un vehicle o fins i tot en atraccions de parcs de diversions, com les rodes de la fortuna.
L'anàlisi del MCU involucra conceptes com la velocitat angular, el període (el temps necessari per completar una volta) i l'acceleració centrípeta, dirigida cap al centre del cercle.
Llei de gravitació universal
La llei de gravitació universal, formulada per Isaac Newton, és una de les contribucions més importants de la mecànica clàssica. Aquesta llei estableix que tots els objectes a l'univers s'atreuen entre si amb una força que és directament proporcional al producte de les seves masses i inversament proporcional al quadrat de la distància que els separa.
La llei de gravitació universal explica fenòmens com la caiguda dels objectes, el moviment dels planetes a les seves òrbites al voltant del sol i la interacció gravitatòria entre cossos celestes. També permet calcular la força gravitacional entre dos objectes i predir com aquesta força afecta els seus moviments.
La llei de gravitació universal és essencial en l'astronomia, l'astrofísica i l'exploració espacial, ja que ens permet comprendre i predir els moviments i les interaccions dels cossos celestes a l'univers.