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Una reformulación de la mecánica clásica




Enviado por Antonio A. Blatter



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    Una Reformulaci´n de la Mec´nica Cl´sica
    Antonio A. Blatter
    Licencia Creative Commons Atribuci´n 3.0
    (2015) Buenos Aires
    Argentina
    Este trabajo presenta una reformulaci´n de la mec´nica cl´sica que es
    invariante bajo transformaciones entre sistemas de referencia inerciales y
    no inerciales y que puede ser aplicada en cualquier sistema de referencia
    sin necesidad de introducir las fuerzas ?cticias.
    Introducci´n
    La reformulaci´n de la mec´nica cl´sica que este trabajo presenta se desarrolla a partir de
    un sistema auxiliar de part´iculas (denominado free-system) que es utilizado para obtener
    magnitudes cinem´ticas (denominadas inerciales) que son invariantes bajo transformaciones
    entre sistemas de referencia inerciales y no inerciales.
    La posici´n inercial ri , la velocidad inercial vi y la aceleraci´n inercial ai de una part´icula i,
    est´n dadas por:
    .
    ri = (ri – R)
    .
    vi = (vi – V ) – ? × (ri – R)
    .
    ai = (ai – A) – 2 ? × (vi – V ) + ? × [ ? × (ri – R) ] – a × (ri – R)
    ( vi = d(ri )/dt ) y ( ai = d2 (ri )/dt2 ) donde ri es el vector de posici´n de la part´icula i, R es
    el vector de posici´n del centro de masa del free-system y ? es el vector de velocidad angular
    del free-system (ver Anexo I )
    La fuerza neta Fi que act´a sobre una part´icula i (mi ) produce una aceleraci´n inercial ai ,
    seg´n la siguiente ecuaci´n:
    Fi = mi ai
    Los sistemas de referencia inerciales y no inerciales no deben introducir las fuerzas ?cticias
    sobre Fi .
    Las magnitudes [ mi , ri , vi , ai y Fi ] son invariantes bajo transformaciones entre sistemas de
    referencia inerciales y no inerciales.
    Un sistema de referencia S es no rotante si la velocidad angular ? del free-system respecto a S
    es igual a cero y S es adem´s inercial si la aceleraci´n A del centro de masa del free-system
    respecto a S es igual a cero.
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    1
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    De?niciones

    Para un sistema de N part´iculas, las siguientes de?niciones son aplicables:
    Masa
    .
    M =
    N
    i
    mi
    Posici´n CM 1

    Velocidad CM 1

    Aceleraci´n CM 1

    Posici´n CM 2

    Velocidad CM 2

    Aceleraci´n CM 2
    .
    Rcm = M-1
    .
    Vcm = M-1
    .
    Acm = M-1

    .
    Rcm = M-1
    .
    Vcm = M-1
    .
    Acm = M-1
    mi ri

    mi vi

    mi ai

    mi ri

    mi vi

    mi ai
    Momento Lineal 1

    Momento Angular 1

    Momento Angular 2

    Trabajo 1

    Energ´ia Cin´tica 1

    Energ´ia Potencial 1
    .
    P1 =
    .
    L1 =
    .
    L2 =

    .
    W1 =
    .
    ? K1 =
    .
    ? U1 = –
    mi vi

    mi ri × vi

    mi (ri – Rcm ) × (vi – Vcm )

    Fi · dri = ? K1

    ? 1/2 mi (vi )2

    Fi · dri
    Energ´ia Mec´nica 1

    Lagrangiano 1
    .
    E1 = K1 + U1
    .
    L1 = K1 – U1
    Trabajo 2

    Energ´ia Cin´tica 2

    Energ´ia Potencial 2
    .
    W2 =
    .
    ? K2 =
    .
    ? U2 = –
    Fi · d(ri – Rcm ) = ? K2

    ? 1/2 mi (vi – Vcm )2

    Fi · d(ri – Rcm )
    Energ´ia Mec´nica 2

    Lagrangiano 2
    .
    E2 = K2 + U2
    .
    L2 = K2 – U2
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    N
    i
    N
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    1
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    N
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    1
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    1
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    N
    i
    1
    2
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    a
    2
    e
    a
    Trabajo 3

    Energ´ia Cin´tica 3

    Energ´ia Potencial 3
    .
    W3 =
    .
    ? K3 =
    .
    ? U3 = –
    ? 1/2 Fi · ri = ? K3

    ? 1/2 mi ai · ri

    ? 1/2 Fi · ri
    Energ´ia Mec´nica 3
    .
    E3 = K3 + U3
    Trabajo 4

    Energ´ia Cin´tica 4

    Energ´ia Potencial 4
    .
    W4 =
    .
    ? K4 =
    .
    ? U4 = –
    ? 1/2 Fi · (ri – Rcm ) = ? K4

    ? 1/2 mi (ai – Acm ) · (ri – Rcm )

    ? 1/2 Fi · (ri – Rcm )
    Energ´ia Mec´nica 4
    .
    E4 = K4 + U4
    Trabajo 5
    .
    W5 =
    Fi · d(ri – R) + ? 1/2 Fi · (ri – R)
    = ? K5
    Energ´ia Cin´tica 5

    Energ´ia Potencial 5
    .
    ? K5 =
    .
    ? U5 = –
    ? 1/2 mi (vi – V )2 + (ai – A) · (ri – R)

    Fi · d(ri – R) + ? 1/2 Fi · (ri – R)
    Energ´ia Mec´nica 5
    .
    E5 = K5 + U5
    Trabajo 6
    .
    W6 =
    Fi · d(ri – Rcm ) + ? 1/2 Fi · (ri – Rcm )
    = ? K6
    Energ´ia Cin´tica 6

    Energ´ia Potencial 6
    .
    ? K6 =
    .
    ? U6 = –
    ? 1/2 mi (vi – Vcm )2 + (ai – Acm ) · (ri – Rcm )

    Fi · d(ri – Rcm ) + ? 1/2 Fi · (ri – Rcm )
    Energ´ia Mec´nica 6
    .
    E6 = K6 + U6
    Relaciones

    En un sistema de part´iculas, entre las energ´ias cin´ticas, las energ´ias potenciales y las energ´ias
    mec´nicas, se dan siempre estas relaciones (ver Anexo II )

    K1 = K2 + 1/2 M Vcm

    K3 = K4 + 1/2 M Acm · Rcm

    K5 = K6 + 1/2 M (Vcm – V )2 + (Acm – A) · (Rcm – R)
    K5 = K1 + K3 & U5 = U1 + U3

    K6 = K2 + K4 & U6 = U2 + U4
    & E5 = E1 + E3

    & E6 = E2 + E4

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    e
    N
    i
    N
    i
    N
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    N
    i
    N
    i
    =
    N
    i
    N
    i
    a
    a
    a
    N
    i
    N
    i
    a
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    Principios

    El momento lineal [ P1 ] de un sistema aislado de N part´iculas permanece constante si las
    fuerzas internas obedecen la tercera ley de Newton en su forma d´bil.
    P1 = constante
    d(P1 )/dt =
    mi ai =
    Fi = 0
    El momento angular [ L1 ] de un sistema aislado de N part´iculas permanece constante si las
    fuerzas internas obedecen la tercera ley de Newton en su forma fuerte.
    L1 = constante
    d(L1 )/dt =
    mi ri × ai
    =
    ri × Fi = 0
    El momento angular [ L2 ] de un sistema aislado de N part´iculas permanece constante si las
    fuerzas internas obedecen la tercera ley de Newton en su forma fuerte.
    L2 = constante
    d(L2 )/dt =
    mi (ri – Rcm ) × (ai – Acm )
    mi (ri – Rcm ) × ai
    =
    (ri – Rcm ) × Fi = 0
    Las energ´ias mec´nicas [ E1 y E2 ] de un sistema de N part´iculas permanecen constantes si
    el sistema est´ sujeto solamente a fuerzas conservativas.
    E1 = constante

    E2 = constante
    ? E1 = ? K1 + ? U1 = 0

    ? E2 = ? K2 + ? U2 = 0
    Las energ´ias mec´nicas [ E3 y E4 ] de un sistema de N part´iculas son siempre iguales a cero,
    por lo tanto, permanecen siempre constantes.
    E3 = constante
    E3 =
    1/2
    mi ai · ri – Fi · ri
    = 0
    E4 = constante
    E4 =
    1/2
    mi ai · (ri – Rcm ) – Fi · (ri – Rcm )
    = 0
    N
    i
    1/2
    mi (ai – Acm ) · (ri – Rcm )
    =
    N
    i
    1/2
    mi ai · (ri – Rcm )
    Las energ´ias mec´nicas [ E5 y E6 ] de un sistema de N part´iculas permanecen constantes si
    el sistema est´ sujeto solamente a fuerzas conservativas.
    E5 = constante

    E6 = constante
    ? E5 = ? K5 + ? U5 = 0

    ? E6 = ? K6 + ? U6 = 0

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    k
    Observaciones
    Todas las ecuaciones de este trabajo pueden ser aplicadas en cualquier sistema de referencia
    inercial o no inercial.
    Los sistemas de referencia inerciales y no inerciales no deben introducir las fuerzas ?cticias
    sobre Fi .
    En este trabajo, las magnitudes [ m, r, v, a, M, R, V, A, F, P1 , L1 , L2 , W1 , K1 , U1 , E1 , L1 ,
    W2 , K2 , U2 , E2 , L2 , W3 , K3 , U3 , E3 , W4 , K4 , U4 , E4 , W5 , K5 , U5 , E5 , W6 , K6 , U6 y E6 ]
    son invariantes bajo transformaciones entre sistemas de referencia inerciales y no inerciales.
    La energ´ mec´nica E3 de un sistema de part´iculas es siempre igual a cero [ E3 = K3 +U3 = 0 ]
    Por lo tanto, la energ´ mec´nica E5 de un sistema de part´iculas es siempre igual a la energ´
    mec´nica E1 del sistema de part´iculas [ E5 = E1 ]
    La energ´ mec´nica E4 de un sistema de part´iculas es siempre igual a cero [ E4 = K4 +U4 = 0 ]
    Por lo tanto, la energ´ mec´nica E6 de un sistema de part´iculas es siempre igual a la energ´
    mec´nica E2 del sistema de part´iculas [ E6 = E2 ]
    Si la energ´ia potencial U1 de un sistema de part´iculas es una funci´n homog´nea de grado k
    entonces la energ´ potencial U3 y la energ´ia potencial U5 del sistema de part´iculas, est´n
    dadas por: [ U3 = ( 2 ) U1 ] y [ U5 = (1+ 2 ) U1 ]
    Si la energ´ia potencial U2 de un sistema de part´iculas es una funci´n homog´nea de grado k
    entonces la energ´ potencial U4 y la energ´ia potencial U6 del sistema de part´iculas, est´n
    dadas por: [ U4 = ( 2 ) U2 ] y [ U6 = (1+ 2 ) U2 ]
    Si la energ´ia potencial U1 de un sistema de part´iculas es una funci´n homog´nea de grado k
    y si la energ´ cin´tica K5 del sistema de part´iculas es igual a cero entonces se obtiene:
    [ K1 = – K3 = U3 = ( 2 ) U1 = ( 2+k ) E1 ]
    Si la energ´ia potencial U2 de un sistema de part´iculas es una funci´n homog´nea de grado k
    y si la energ´ cin´tica K6 del sistema de part´iculas es igual a cero entonces se obtiene:
    [ K2 = – K4 = U4 = ( 2 ) U2 = ( 2+k ) E2 ]
    Si la energ´ia potencial U1 de un sistema de part´iculas es una funci´n homog´nea de grado k
    y si el promedio de la energ´ia cin´tica K5 del sistema de part´iculas es igual a cero entonces
    se obtiene: [ K1 = – K3 = U3 = ( 2 ) U1 = ( 2+k ) E1 ]
    Si la energ´ia potencial U2 de un sistema de part´iculas es una funci´n homog´nea de grado k
    y si el promedio de la energ´ia cin´tica K6 del sistema de part´iculas es igual a cero entonces
    se obtiene: [ K2 = – K4 = U4 = ( 2 ) U2 = ( 2+k ) E2 ]
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    ¨
    e
    ¨
    .
    ¨
    e e
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    a
    El promedio de la energ´ia cin´tica K5 y el promedio de la energ´ia cin´tica K6 de un
    sistema de part´iculas con desplazamiento acotado son siempre iguales a cero.
    La energ´ cin´tica K5 y la energ´ia cin´tica K6 de un sistema de N part´iculas pueden ser
    N .
    tambi´n expresadas como sigue: [ K5 = i 1/2 mi ( ri ri + ¨i ri ) ] donde ri = | ri – R |
    N .
    y [ K6 = j >i 1/2 mi mj M-1 ( rij rij + rij rij ) ] donde rij = | ri – rj |
    La energ´ cin´tica K5 y la energ´ia cin´tica K6 de un sistema de N part´iculas pueden ser
    N .
    tambi´n expresadas como sigue: [ K5 = i 1/2 mi ( ti ) ] donde ti = 1/2 (ri – R) · (ri – R)
    N
    y [ K6 = j >i 1/2 mi mj M-1 ( tij ) ] donde tij = 1/2 (ri – rj ) · (ri – rj )
    La energ´ia cin´tica K6 es la unica energ´ cin´tica que puede ser expresada sin necesidad
    de introducir magnitud alguna relacionada con el free-system [ tales como: r, v, a, ?, R, etc. ]
    En un sistema aislado de part´iculas la energ´ potencial U2 es igual a la energ´ potencial
    U1 si las fuerzas internas obedecen la tercera ley de Newton en su forma d´bil [ U2 = U1 ]
    En un sistema aislado de part´iculas la energ´ potencial U4 es igual a la energ´ potencial
    U3 si las fuerzas internas obedecen la tercera ley de Newton en su forma d´bil [ U4 = U3 ]
    En un sistema aislado de part´iculas la energ´ potencial U6 es igual a la energ´ potencial
    U5 si las fuerzas internas obedecen la tercera ley de Newton en su forma d´bil [ U6 = U5 ]
    Un sistema de referencia S es no rotante si la velocidad angular ? del free-system respecto a S
    es igual a cero y S es adem´s inercial si la aceleraci´n A del centro de masa del free-system
    respecto a S es igual a cero.
    Si el origen de un sistema de referencia no rotante [ ? = 0 ] coincide siempre con el centro
    de masa del free-system [ R = V = A = 0 ] entonces se logra: [ ri = ri , vi = vi y ai = ai ]
    Por lo tanto, es posible a?rmar que siempre: [ vi = d(ri )/dt y ai = d2 (ri )/dt2 ]
    Este trabajo no contradice la primera y segunda ley de Newton puesto que estas dos leyes
    siguen siendo v´lidas en cualquier sistema de referencia inercial. La ecuaci´n [ Fi = mi ai ]
    es una simple reformulaci´n de la segunda ley de Newton.
    Bibliograf´
    A. Einstein, Sobre la Teor´ia de la Relatividad Especial y General.
    E. Mach, La Ciencia de la Mec´nica.
    R. Resnick y D. Halliday, F´isica.
    J. Kane y M. Sternheim, F´isica.
    H. Goldstein, Mec´nica Cl´sica.
    L. Landau y E. Lifshitz, Mec´nica.
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    N
    i
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    i
    .
    N
    i
    N
    i
    Anexo I

    Free-System

    El free-system es un sistema de N part´iculas que est´ siempre libre de fuerzas externas e
    internas, que es tridimensional y que las distancias relativas entre las N part´iculas permanecen
    siempre constantes.

    La posici´n R, la velocidad V y la aceleraci´n A del centro de masa del free-system respecto
    a un sistema de referencia S, la velocidad angular ? y la aceleraci´n angular a del free-system
    respecto al sistema de referencia S, est´n dadas por:
    .
    M =
    N
    i
    mi
    .
    R = M-1

    .
    V = M-1

    .
    A = M-1

    . ?
    ? = I -1 · L
    .
    a = d(?)/dt
    mi ri

    mi vi

    mi ai
    ?
    I =

    .
    L =
    ?
    mi [ |ri – R |2 1 – (ri – R) ? (ri – R) ]

    mi (ri – R) × (vi – V )
    ?
    donde M es la masa del free-system, I es el tensor de inercia del free-system (respecto a R)
    y L es el momento angular del free-system respecto al sistema de referencia S.

    Transformaciones

    .
    (ri – R) = ri = ri
    .
    (ri – R ) = ri = ri
    .
    (vi – V ) – ? × (ri – R) = vi = vi
    .
    (vi – V ) – ? × (ri – R ) = vi = vi
    .
    (ai – A) – 2 ? × (vi – V ) + ? × [ ? × (ri – R) ] – a × (ri – R) = ai = ai
    .
    (ai – A ) – 2 ? × (vi – V ) + ? × [ ? × (ri – R ) ] – a × (ri – R ) = ai = ai

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    -?
    =
    =
    =
    =
    2
    2
    -?
    Anexo II

    Relaciones

    En un sistema de part´iculas se dan siempre estas relaciones ( Las magnitudes Rcm , Vcm , Acm ,
    Rcm , Vcm y Acm pueden ser reemplazadas por las magnitudes R, V, A, R, V y A o por las
    magnitudes rj , vj , aj , rj , vj y aj , respectivamente. Por otro lado, siempre R = V = A = 0 )

    .
    ri = (ri – R)

    .
    Rcm = (Rcm – R)
    -?
    (ri – Rcm ) = (ri – Rcm )
    .
    vi = (vi – V ) – ? × (ri – R)

    .
    Vcm = (Vcm – V ) – ? × (Rcm – R)

    (vi – Vcm ) = (vi – Vcm ) – ? × (ri – Rcm )
    (vi – Vcm ) · (vi – Vcm ) =
    (vi – Vcm ) – ? × (ri – Rcm ) · (vi – Vcm ) – ? × (ri – Rcm )
    (vi -Vcm ) · (vi -Vcm ) – 2 (vi -Vcm ) · ? × (ri – Rcm ) + ? × (ri – Rcm ) · ? × (ri – Rcm )

    (vi -Vcm ) · (vi -Vcm ) + 2 (ri – Rcm ) · ? × (vi -Vcm ) + ? × (ri – Rcm ) · ? × (ri – Rcm )

    (vi -Vcm ) · (vi -Vcm ) + 2 ? × (vi -Vcm ) · (ri – Rcm ) + ? × (ri – Rcm ) · ? × (ri – Rcm )

    (vi – Vcm )2 + 2 ? × (vi – Vcm ) · (ri – Rcm ) + ? × (ri – Rcm )
    (ai – Acm ) · (ri – Rcm ) =
    (ai – Acm ) – 2 ? × (vi – Vcm ) + ? × [ ? × (ri – Rcm ) ] –
    a × (ri – Rcm ) · (ri – Rcm ) = (ai – Acm ) · (ri – Rcm ) – 2 ? × (vi – Vcm ) · (ri – Rcm ) +

    ? × [ ? × (ri – Rcm ) ] · (ri – Rcm ) – a × (ri – Rcm ) · (ri – Rcm ) = (ai – Acm ) · (ri – Rcm ) –
    2 ? × (vi – Vcm ) · (ri – Rcm ) +
    ? · (ri – Rcm ) ? – ( ? · ? ) (ri – Rcm ) · (ri – Rcm ) =
    (ai – Acm ) · (ri – Rcm ) – 2 ? × (vi -Vcm ) · (ri – Rcm ) + ? · (ri – Rcm )
    – ( ? )2 (ri – Rcm )2
    (vi – Vcm )2 + (ai – Acm ) · (ri – Rcm ) = (vi – Vcm )2 + (ai – Acm ) · (ri – Rcm )

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    1
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    1
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    N
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    2
    Anexo III

    Magnitudes

    Las magnitudes L2 , W2 , K2 , U2 , W4 , K4 , U4 , W6 , K6 y U6 de un sistema de N part´iculas
    pueden ser tambi´n expresadas como sigue:
    L2 =
    N
    j >i
    mi mj M-1 (ri – rj ) × (vi – vj )
    W2 =
    N
    j >i
    mi mj M-1
    (Fi /mi – Fj /mj ) · d(ri – rj )
    ? K2 =
    N
    j >i
    ? 1/2 mi mj M-1 (vi – vj )2 = W2
    ? U2 = –
    N
    j >i
    mi mj M-1
    (Fi /mi – Fj /mj ) · d(ri – rj )
    W4 =
    N
    j >i
    ? 1/2 mi mj M-1 (Fi /mi – Fj /mj ) · (ri – rj )
    ? K4 =
    N
    j >i
    ? 1/2 mi mj M-1 (ai – aj ) · (ri – rj )
    = W4
    ? U4 = –
    ? 1/2 mi mj M-1 (Fi /mi – Fj /mj ) · (ri – rj )
    W6 =
    N
    j >i
    mi mj M-1
    (Fi /mi – Fj /mj ) · d(ri – rj ) + ? 1/2 (Fi /mi – Fj /mj ) · (ri – rj )
    ? K6 =
    N
    j >i
    ? 1/2 mi mj M-1 (vi – vj )2 + (ai – aj ) · (ri – rj )
    = W6
    ? U6 = –
    N
    j >i
    mi mj M-1
    (Fi /mi -Fj /mj )·d(ri -rj )+? 1/2 (Fi /mi -Fj /mj )·(ri -rj )
    Las magnitudes W(1 al 6) y U(1 al 6) de un sistema aislado de N part´iculas cuyas fuerzas
    internas obedecen la tercera ley de Newton en su forma d´bil se reducen a:
    W1 = W2 =
    N
    i
    2
    1
    Fi · dri
    ? U1 = ? U2 = –
    N
    i
    2
    1
    Fi · dri
    W3 = W4 =
    ? 1/2 Fi · ri
    ? U3 = ? U4 = –

    W5 = W6 =

    ? U5 = ? U6 = –
    ? 1/2 Fi · ri

    Fi · dri + ? 1/2 Fi · ri

    Fi · dri + ? 1/2 Fi · ri

    9

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