Conceitos e grandezas básicas da mecânica

A partir de expressões e raciocínios matemáticos coerentes com os postulados teóricos da física, a mecânica clássica ou newtoniana procura explicar e prever o comportamento de corpos em interação com outros corpos. De tais perturbações ficam excluídos os fenômenos de tipo elétrico ou magnético, bem como as considerações sobre a estrutura atômica e as noções relacionadas com a teoria quântica, embora a expressão mecânica quântica tenha-se generalizado no campo das pesquisas físicas até originar um ramo autônomo da mecânica.

Por essa razão, nos estudos de mecânica clássica é necessário conhecer não apenas o estado do sistema considerado, mas também o meio físico que o rodeia. Em princípio, os parâmetros fundamentais que determinam o estado inicial de uma partícula material situada no espaço são sua massa, ou quantidade de matéria, sua posição e o modo como se movimenta em relação a um sistema de referência.

Newton definiu massa inercial como a quantidade de matéria com que um corpo resiste a modificar seu estado de movimento ou de repouso, e massa gravitatória como a causadora dos efeitos de atração gravitacional existentes entre dois corpos quaisquer do cosmo. Apesar da distinção inicial, o cientista comprovou que os dois valores coincidiam, razão pela qual se costuma adotar uma definição única de massa, como propriedade intrínseca da matéria, medida em quilogramas no sistema MKS (metro-quilograma-segundo).

Quanto à posição, a partícula material só é definível em relação a um sistema de referência. A teoria mecânica distingue entre sistemas inerciais, que se deslocam com velocidade uniforme uns em relação a outros, e não-inerciais, afetados por acelerações e rotações internas que dificultam e mascaram as medições. Na prática, não existem sistemas inerciais, e com isso se elimina a possibilidade de chegar às conclusões universais perseguidas pela ciência clássica. É possível, contudo, selecionar sistemas cuja variabilidade influi pouco no estudo. Tradicionalmente, toma-se como sistema de referência universal um conjunto de estrelas a tal ponto distantes que podem ser consideradas fixas, e se estabelecem condições ideais que nunca poderão ser alcançadas em experiências práticas. O pesquisador deve então aproximar-se ao máximo do estado ideal previsto na teoria.

Uma vez conhecidas as características iniciais do sistema e do corpo, será preciso determinar a natureza da perturbação externa que, aplicada sobre ele, modificará sua situação, isto é, seu estado de movimento ou de repouso. Historicamente, têm sido empregados vários conceitos para especificar a fonte dessa perturbação. Assim, por exemplo, Newton definiu força (expressa pela unidade denominada Newton, no sistema de medida MKS) como o agente capaz de causar variação no movimento dos corpos, tal como um efeito induzido à distância por meio de uma corda invisível. Uma interpretação mais moderna sugere que os corpos no espaço estão carregados, conforme suas massas, características e formas de movimento. Na interação entre esses corpos ocorrem trocas de energia que se manifestam sob a forma de forças. Sempre que a energia (cinética ou potencial) de um corpo se altera como resultado da ação de uma força, diz-se que esta executou um trabalho de magnitude igual à da variação de energia verificada. No sistema MKS, a unidade que expressa quantidade de energia e de trabalho é o joule.

O resultado da ação de uma força ou de um campo de energia sobre um corpo é a alteração de seu estado de movimento e de sua posição, o que para a mecânica clássica se expressaria em forma de aceleração, ou seja, mudança na velocidade de deslocamento do corpo. É indispensável, portanto, conhecer a velocidade inicial do corpo, definida velocidade como a variação da posição de um corpo ao longo do tempo. É preciso também considerar uma nova grandeza, a quantidade de movimento linear, ou momento linear, que corresponde ao produto da massa do corpo por sua velocidade. Com as grandezas massa, posição, velocidade, momento linear, força e energia, é possível abordar qualquer problema mecânico.

O procedimento da mecânica consiste em decompor movimentos complexos em outros mais simples e, mais precisamente, em translações lineares e rotações puras. Assim, os conceitos anteriormente enunciados aplicam-se de modo específico a deslocamentos lineares, enquanto as rotações empregam grandezas análogas e adaptadas às necessidades correspondentes. Nesses termos, momento de inércia de um sólido se define como a resistência que ele oferece à rotação, pelo que também recebe o nome de massa de rotação. O momento angular corresponde ao produto do momento de inércia pela velocidade angular de rotação, grandeza formalmente análoga ao momento linear.

O tempo, que intervém em toda questão mecânica relacionada com uma posição não estática, é uma variável que evolui de modo uniforme ao longo do estudo do problema, em oposição aos postulados da teoria relativista.

Ordenação dos ramos da mecânica

Tal como ocorre nas demais disciplinas científicas que empregam modelos matemáticos para o enunciado de suas leis, diferenciam-se na mecânica duas linhas de natureza oposta e complementar: a mecânica teórica, altamente abstrata, e a mecânica aplicada, que procura pôr em prática os resultados teóricos.

Desde o início do século XX aceita-se comumente a subdivisão da mecânica em três áreas: a clássica, ou newtoniana, que restringe seus postulados e conclusões aos sistemas terrestres habituais em condições não extremas; a quântica, que incorpora o formalismo da mecânica clássica adaptado às novas concepções da física microscópica, atômica e nuclear; e a relativista, que corresponde à generalização da mecânica newtoniana para condições de altíssimas energias e velocidades próximas à da luz. A teoria ondulatória, a balística, a mecânica dos fluidos e a mecânica dos corpos elásticos são disciplinas independentes, englobadas pela mecânica em certos aspectos.

A mecânica clássica também se subdivide em várias disciplinas subordinadas: estática, ou estudo dos sistemas em equilíbrio; cinemática, que estuda os movimentos sem levar em consideração as forças que os provocam; e dinâmica, que investiga a origem dos movimentos e as variações de estado nos sistemas materiais. Por último, a mecânica analítica, ou racional, configura um enfoque especialmente matemático e abstrato da mecânica clássica.