thumb|250px|La mecánica comprende el estudio de las máquinas (polea simple fija). La mecánica (en griego, Μηχανική y en latín, mēchanica) o arte de construir una máquina es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas. Modernamente la mecánica incluye la evolución de sistemas físicos más generales que los cuerpos másicos. En ese enfoque la mecánica estudia también las ecuaciones de evolución temporal de sistemas físicos como los campos electromagnéticos o los sistemas cuánticos donde propiamente no es correcto hablar de cuerpos físicos.
El conjunto de disciplinas que abarca la mecánica convencional es muy amplio y es posible agruparlas en cuatro bloques principales: Mecánica clásica Mecánica cuántica Mecánica relativista Teoría cuántica de campos
La mecánica es una ciencia perteneciente a la física, ya que los fenómenos que estudia son físicos, por ello está relacionada con las matemáticas. Sin embargo, también puede relacionarse con la ingeniería, en un modo menos riguroso. Ambos puntos de vista se justifican parcialmente ya que, si bien la mecánica es la base para la mayoría de las ciencias de la ingeniería clásica, no tiene un carácter tan empírico como estas y, en cambio, por su rigor y razonamiento deductivo, se parece más a la matemática.
Esta rama de la física tiene sus orígenes en la Antigua Grecia con los escritos de Aristóteles y Arquímedes.Dugas, Rene. A History of Classical Mechanics. New York, NY: Dover Publications Inc, 1988, pg 19.Rana, N.C., and Joag, P.S. Classical Mechanics. West Petal Nagar, New Delhi. Tata McGraw-Hill, 1991, pg 6.Renn, J., Damerow, P., and McLaughlin, P. Aristotle, Archimedes, Euclid, and the Origin of Mechanics: The Perspective of Historical Epistemology. Berlin: Max Planck Institute for the History of Science, 2010, pg 1-2. Durante el período moderno temprano, científicos como Galileo, Kepler y Newton sentaron las bases de lo que ahora se conoce como mecánica clásica. Es una rama de la física clásica que se ocupa de partículas que están en reposo o que se mueven con velocidades significativamente menores que la velocidad de la luz. También se puede definir como una rama de la ciencia que se ocupa del movimiento y las fuerzas sobre cuerpos que no están en el reino cuántico. Hoy en día, el campo se conoce menos en términos de teoría cuántica.
Historia
Antigüedad
Los antiguos filósofos griegos fueron de los primeros en proponer que los principios abstractos gobiernan la naturaleza. La principal teoría de la mecánica en la antigüedad fue la mecánica aristotélica, aunque se expone una teoría alternativa en el pseudoaristotélico Problemas mecánicos, a menudo atribuido a uno de sus sucesores.
Existe otra tradición que se remonta a los antiguos griegos en la que las matemáticas se utilizan más ampliamente para analizar los cuerpos estáticamente o dinámicamente, un enfoque que puede haber sido estimulado por el trabajo previo del pitagórico Arquitas. Ejemplos de esta tradición son el pseudo-Euclides (Sobre la balanza), Arquímedes (Sobre el equilibrio de los planos, Sobre los cuerpos flotantes), Herón (Mechanica), y Pappus (Colección, Libro VIII)."Una historia de la mecánica". René Dugas (1988). p.19. "Una pequeña muestra de la historia de la mecánica". Universidad de Texas en Austin.
Edad medieval
thumb|200px|Arabic machine in a manuscript of unknown date. En la Edad Media, las teorías de Aristóteles fueron criticadas y modificadas por varias figuras, empezando por Juan Filópono en el . Un problema central fue el del movimiento de proyectiles, discutido por Hiparco de Nicea y Filoponio.
El polímata islámico persa Avicena (Ibn Sina) publicó su teoría del movimiento en El libro de la curación (1020). Decía que un impulso es impartido a un proyectil por el lanzador, y lo consideraba persistente, requiriendo fuerzas externas como la resistencia del aire para disiparlo. Ibn Sina distinguió entre 'fuerza' e 'inclinación' (llamada "mayl"), y argumentó que un objeto ganaba mayl cuando el objeto se encontraba en oposición a su movimiento natural. Así, concluyó que la continuación del movimiento se atribuye a la inclinación que se transfiere al objeto, y que éste estará en movimiento hasta que se gaste el mayl. También afirmó que un proyectil en el vacío no se detendría a menos que se actuara sobre él, en consonancia con la primera ley del movimiento de Newton.Espinoza, Fernando. "Un análisis del desarrollo histórico de las ideas sobre el movimiento y sus implicaciones para la enseñanza". Enseñanza de la Física. Vol. 40(2).
Sobre la cuestión de un cuerpo sometido a una fuerza constante (uniforme), el erudito judeoárabe del Hibat Allah Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (nacido Nathanel, iraquí, de Bagdad) afirmó que una fuerza constante imparte una aceleración constante. Según Shlomo Pines, la teoría del movimiento de al-Baghdaadi era "la negación más antigua de la ley dinámica fundamental de Aristóteles [a saber, que una fuerza constante produce un movimiento uniforme], [y es, por tanto, una] anticipación de forma vaga de la ley fundamental de la mecánica clásica". [a saber, que una fuerza aplicada continuamente produce aceleración]."(cf. Abel B. Franco (octubre de 2003). "Avempace, Projectile Motion, and Impetus Theory", Journal of the History of Ideas 64 (4), p. 521-546 .)
Influido por escritores anteriores como Ibn SinaSayili, Aydin. "Ibn Sina y Buridan sobre el movimiento del proyectil". Annals of the New York Academy of Sciences vol. 500(1). p.477-482. y al-Baghdaadi, el sacerdote francés del Jean Buridan desarrolló la teoría del ímpetu, que más tarde se convirtió en las modernas teorías de la inercia, la velocidad, la aceleración y el impulso. Este trabajo y otros fueron desarrollados en la Inglaterra del por los calculistas de Oxford como Thomas Bradwardine, que estudiaron y formularon diversas leyes relativas a la caída de los cuerpos. El concepto de que las principales propiedades de un cuerpo son el movimiento uniformemente acelerado (como el de los cuerpos que caen) fue elaborado por los Calculadores de Oxford del .
Mecánica clásica
La mecánica clásica está formada por áreas de estudio que van desde la mecánica del sólido rígido y otros sistemas mecánicos con un número finito de grados de libertad, a sistemas como la mecánica de medios continuos (sistemas con infinitos grados de libertad). Existen dos formulaciones diferentes, que difieren en el grado de formalización para los sistemas con un número finito de grados de libertad: Mecánica newtoniana. Dio origen a las demás disciplinas y se divide en varias de ellas: la cinemática, estudio del movimiento en sí, sin atender a las causas que lo originan; la estática, que estudia el equilibrio entre fuerzas y la dinámica que es el estudio del movimiento atendiendo a sus orígenes, las fuerzas. Mecánica analítica, una formulación matemática muy potente de la mecánica newtoniana basada en el principio de Hamilton, que emplea el formalismo de variedades diferenciables, en concreto el espacio de configuración y el espacio fásico. miniaturadeimagen|Visualización interna de la mecánica de un reloj automático. Funciona con sistema de cuerda, sin ningún componente electrónico. Aplicados al espacio euclídeo tridimensional y a sistemas de referencia inerciales, las dos formulaciones son básicamente equivalentes.
El supuesto básico que caracteriza a la mecánica clásica es la predictibilidad: teóricamente infinita, matemáticamente si en un determinado instante se conociera (con precisión infinita) las posiciones y velocidades de un sistema finito de N partículas teóricamente pueden ser conocidas las posiciones y velocidades futuras, ya que en principio existen las funciones vectoriales que proporcionan las posiciones de las partículas en cualquier instante de tiempo. Estas funciones se obtienen de unas ecuaciones generales denominadas ecuaciones de movimiento que se manifiestan de forma diferencial relacionando magnitudes y sus derivadas. Las funciones se obtienen por integración, una vez conocida la naturaleza física del problema y las condiciones iniciales.Landau & Lifshitz: Mecánica, Ed. Reverté, Barcelona, 1991. ISBN 84-291-4081-6.
Existen otras áreas de la mecánica que cubren diversos campos aunque no tienen carácter global. No forman un núcleo fuerte para considerarse como disciplina: Mecánica de medios continuos Mecánica estadística
Mecánica de medios continuos
La mecánica de medios continuos trata de cuerpos materiales extensos deformables y que no pueden ser tratados como sistemas con un número finito de grados de libertad.Eringen, A. Cemel (1980). Mechanics of Continua (2nd edition edición). Krieger Pub Co. ISBN 0-88275-663-X. Esta parte de la mecánica trata a su vez de: La mecánica de sólidos deformables, que considera los fenómenos de la elasticidad, la plasticidad, la viscoelasticidad, etc.Holzapfel, G.A. (2000). Nonlinear Solid Mechanics: A Continuum Approach for Engineering. John Wiley & Sons. ISBN 9780471823193 La mecánica de fluidos, que comprende un conjunto de teorías parciales como la hidráulica, la hidrostática o fluidoestática y la hidrodinámica o fluidodinámica. Dentro del estudio de los flujos se distingue entre flujo compresible y flujo incompresible. Si se atiende a los fluidos de acuerdo a su ecuación constitutiva, se tienen fluidos perfectos, fluidos newtonianos y fluidos no newtonianos.White, Frank M. (2011). Fluid Mechanics (7th ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-352934-9. La acústica, la mecánica ondulatoria clásica.Acoustics, Bruce Lindsay, Dowden - Hutchingon Books Publishers, capítulo 3
La mecánica de medios continuos usual es una rama de generalización de la mecánica clásica, aunque durante la segunda mitad del se desarrollaron formulaciones relativistas de los medios continuos, aunque no existe un análogo cuántico equivalente ya que dicha teoría interpreta los medios continuos en forma de partículas.
También existe la mecánica de medios continuos relativistas, aunque existen algunos problemas abiertos en relación con las generalizaciones relativistas de la mecánica de medios clásicas. Por otro lado, no hay generalizaciones cuánticas que sean el análogo cuántico de la mecánica de medios continuos.
Mecánica estadística
La mecánica estadística trata de sistemas con muchas partículas y que por tanto tienen un número elevado de grados de libertad, al punto que no resulta posible escribir todas las ecuaciones de movimiento involucradas y, en su defecto, trata de resolver aspectos parciales del sistema por métodos estadísticos que dan información útil del comportamiento global del sistema sin especificar qué sucede con cada partícula del sistema.Landau, L.D.; Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics. Pergamon Press Ltd. 0-08-023039-3. Los resultados obtenidos coinciden con los resultados de la termodinámica. Usa tanto formulaciones de la mecánica hamiltoniana como formulaciones de la teoría de probabilidad. Existen estudios de mecánica estadística basados tanto en la mecánica clásica como en la mecánica cuántica.
Mecánica relativista
La mecánica relativista o teoría de la relatividadRindler, W., 1969, Essential Relativity: Special, General, and Cosmological comprende: La Teoría de la relatividad especial, que describe adecuadamente el comportamiento clásico de los cuerpos que se mueven a grandes velocidades en un espacio-tiempo plano (no-curvado). La Teoría general de la relatividad, que generaliza la anterior describiendo el movimiento en espacios-tiempo curvados, además de englobar una teoría relativista de la gravitación que generaliza la teoría de la gravitación de Newton.Steven Weinberg, Gravitation and Cosmology: principles and applications of the general theory of relativity, Wiley (1972), ISBN 0-471-92567-5
Existen varias propiedades interesantes de la dinámica relativista, entre ellas: