Descargar

Una mecánica clásica alternativa

Enviado por Antonio A. Blatter


    edu.red

    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 posición de la partícula i, R Una Mecánica Clásica Alternativa Antonio A. Blatter Licencia Creative Commons Atribución 3.0 (2015) Buenos Aires Argentina Este trabajo presenta una mecánica clásica alternativa 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 ficticias. Introducción La posición inercial ri, la velocidad inercial vi y la aceleración inercial ai de una partícula i, están dadas por: . . . . . es el vector de posición 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 actúa sobre una partícula i (mi) produce una aceleración inercial ai, según la siguiente ecuación: Fi = mi ai Los sistemas de referencia inerciales y no inerciales no deben introducir las fuerzas ficticias 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 además S es inercial si la aceleración A del centro de masa del free-system respecto a S es igual a cero. 1

    edu.red

    masa de las partícula i, mj es la masa de la partícula j y M (= k mk) es la masa del rij = (ri – rj) vij = (vi – vj) – ? × (ri – rj) aij = (ai – aj) – 2 ? × (vi – vj) + ? × [? × (ri – rj)] – a × (ri – rj) (vij = d(rij)/dt) y (aij = d2(rij)/dt2 ) donde ri es el vector de posición de la partícula i, Fij = mij (Fi/mi – Fj/mj) = mij (ai – aj) = mij aij Bipartícula Un par de partículas es una bipartícula. El sistema de partículas {a, b, c y d } puede formar el sistema de bipartículas {ab, ac, ad, bc, bd y cd } o también el sistema de bipartículas {ad, bd y cd } . La masa mij de una bipartícula ij, está dada por: mij = mi mj/M, donde mi es la . sistema de partículas en observación. La posición inercial rij, la velocidad inercial vij y la aceleración inercial aij de una bipartícula ij, están dadas por: . . . . . rj es el vector de posición de la partícula j y ? es el vector de velocidad angular del free-system (ver Anexo II) La fuerza neta Fij que actúa sobre una bipartícula ij (mij) produce una aceleración inercial aij, según la siguiente ecuación: . donde Fi es la fuerza neta que actúa sobre la partícula i, Fj es la fuerza neta que actúa sobre la partícula j, mi es la masa de las partícula i, mj es la masa de la partícula j, ai es la aceleración inercial de la partícula i y aj es la aceleración inercial de la partícula j. Los sistemas de referencia inerciales y no inerciales no deben introducir las fuerzas ficticias sobre Fi ni sobre Fj. Las magnitudes [mij, rij, vij, aij y Fij ] son invariantes bajo transformaciones entre sistemas de referencia inerciales y no inerciales. Si la partícula j de una bipartícula ij es el centro de masa del free-system (Fj = 0 y aj = 0) entonces de la ultima ecuación de arriba se obtiene: ´ Fi = mi ai Por lo tanto, se puede considerar que la dinámica de la partícula es un caso especial de la dinámica de la bipartícula. 2

    edu.red

    PL2 = m[(v)|r|] PL3 = m[(v)/|r|] KL1 = 1/2 m[(v)2 ] KL2 = 1/2 m[(v)2 (r)2 ] KL3 = 1/2 m[(v)2/(r)2 ] UL1 = – [( F · dr)] UL2 = – [( F · dr)(r)2 ] UL3 = – [( F · dr)/(r)2 ] LL1 = KL1 – UL1 LL2 = KL2 – UL2 LL3 = KL3 – UL3 Dinámica Lineal

    La dinámica lineal para una partícula m o para una bipartícula m (debiéndose agregar el subíndice ((i)) o el subíndice ((ij)) a todas las magnitudes y en todas las ecuaciones según sea el caso) está dada por: Momento L1

    Momento L2

    Momento L3

    Energía Cinética L1

    Energía Cinética L2

    Energía Cinética L3

    Energía Potencial L1

    Energía Potencial L2

    Energía Potencial L3

    Energía Mecánica L1

    Energía Mecánica L2

    Energía Mecánica L3

    Lagrangiano L1

    Lagrangiano L2

    Lagrangiano L3 . PL1 = m[(v)] .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    . EL1 = KL1 + UL1 . EL2 = KL2 + UL2 . EL3 = KL3 + UL3

    .

    .

    . Si sobre m sólo actúan fuerzas conservativas entonces EL1, EL2 y EL3 se conservan.

    Del momento lineal PL1 se obtiene la fuerza lineal (FL1) más sencilla para utilizar, . FL1 = d(PL1)/dt = m d(v)/dt = ma = F

    El momento lineal PL1 de un sistema aislado de partículas se conserva si las fuerzas i Fi = 0) internas del sistema obedecen la tercera ley de Newton en su forma débil (

    3

    edu.red

    PR1 = m[(r · v)/|r|] PR2 = m[(r · v)] PR3 = m[(r · v)/(r)2 ] KR1 = 1/2 m[(r · v)2/(r)2 ] KR2 = 1/2 m[(r · v)2 ] KR3 = 1/2 m[(r · v)2/(r)4 ] UR1 = – [( UR2 = – [( UR3 = – [( LR1 = KR1 – UR1 LR2 = KR2 – UR2 LR3 = KR3 – UR3 FR2 = d(PR2)/dt = m d(r · v)/dt = m(v · v + a · r) = 2 F · dr + F · r = T = [m(v · v + a · r)] + [- 2 F · dr – F · r] se Dinámica Radial

    La dinámica radial para una partícula m o para una bipartícula m (debiéndose agregar el subíndice ((i)) o el subíndice ((ij)) a todas las magnitudes y en todas las ecuaciones según sea el caso) está dada por: Momento R1

    Momento R2

    Momento R3

    Energía Cinética R1

    Energía Cinética R2

    Energía Cinética R3 .

    .

    .

    .

    .

    . Energía Potencial R1

    Energía Potencial R2

    Energía Potencial R3 .

    .

    . [2

    [2

    [2 F · dr + F · r] d1/2(r)2 )/(r)2 ]

    F · dr + F · r] d1/2(r)2 )]

    F · dr + F · r] d1/2(r)2 )/(r)4 ] Energía Mecánica R1

    Energía Mecánica R2

    Energía Mecánica R3

    Lagrangiano R1

    Lagrangiano R2

    Lagrangiano R3 . ER1 = KR1 + UR1 . ER2 = KR2 + UR2 . ER3 = KR3 + UR3

    .

    .

    . Si sobre m sólo actúan fuerzas conservativas entonces ER1, ER2 y ER3 se conservan.

    Del momento radial PR2 se obtiene la fuerza radial (FR2) más sencilla para utilizar, . . La magnitud radial E . = K +U . conserva si sobre m sólo actúan fuerzas conservativas.

    4

    edu.red

    PA1 = m[(r × v)/|r|] PA2 = m[(r × v)] PA3 = m[(r × v)/(r)2 ] KA1 = 1/2 m[(r × v)2/(r)2 ] KA2 = 1/2 m[(r × v)2 ] KA3 = 1/2 m[(r × v)2/(r)4 ] UA1 = – [(( F · dr)(r)2 – UA2 = – [(( F · dr)(r)2 – UA3 = – [(( F · dr)(r)2 – LA1 = KA1 – UA1 LA2 = KA2 – UA2 LA3 = KA3 – UA3 Dinámica Angular

    La dinámica angular para una partícula m o para una bipartícula m (debiéndose agregar el subíndice ((i)) o el subíndice ((ij)) a todas las magnitudes y en todas las ecuaciones según sea el caso) está dada por: Momento A1

    Momento A2

    Momento A3

    Energía Cinética A1

    Energía Cinética A2

    Energía Cinética A3 .

    .

    .

    .

    .

    . [2

    [2

    [2 F · dr + F · r] d1/2(r)2 )/(r)2 ]

    F · dr + F · r] d1/2(r)2 )]

    F · dr + F · r] d1/2(r)2 )/(r)4 ] Energía Potencial A1

    Energía Potencial A2

    Energía Potencial A3

    Energía Mecánica A1

    Energía Mecánica A2

    Energía Mecánica A3

    Lagrangiano A1

    Lagrangiano A2

    Lagrangiano A3 .

    .

    .

    . EA1 = KA1 + UA1 . EA2 = KA2 + UA2 . EA3 = KA3 + UA3

    .

    .

    . Si sobre m sólo actúan fuerzas conservativas entonces EA1, EA2 y EA3 se conservan.

    Del momento angular PA2 se obtiene la fuerza angular (FA2) más sencilla para utilizar, . .

    El momento angular PA2 de un sistema aislado de partículas se conserva si las fuerzas iri×Fi = 0) internas del sistema obedecen la tercera ley de Newton en su forma fuerte (

    5

    edu.red

    Energía Cinética 1

    Energía Cinética 2

    Energía Cinética 3

    Energía Potencial 1

    Energía Potencial 2

    Energía Potencial 3

    Energía Mecánica 1

    Energía Mecánica 2

    Energía Mecánica 3

    Lagrangiano 1

    Lagrangiano 2

    Lagrangiano 3 Relaciones

    KL1 = KR1 + KA1

    KL2 = KR2 + KA2

    KL3 = KR3 + KA3

    UL1 = UR1 + UA1

    UL2 = UR2 + UA2

    UL3 = UR3 + UA3

    EL1 = ER1 + EA1

    EL2 = ER2 + EA2

    EL3 = ER3 + EA3

    LL1 = LR1 + LA1

    LL2 = LR2 + LA2

    LL3 = LR3 + LA3 ´ Observaciones

    Todas las ecuaciones de este trabajo pueden ser aplicadas en cualquier sistema de referencia inercial o no inercial sin necesidad de introducir las fuerzas ficticias sobre Fi ni sobre Fj.

    En este trabajo, las magnitudes [mi,ri,vi,ai,Fi,Pi,Fi,Pi,Ki,Ui,Ei,Li,mij,rij,vij, aij,Fij,Pij,Fij,Pij,Kij,Uij,Eij y Lij ] son invariantes bajo transformaciones entre sistemas de referencia inerciales y no inerciales.

    Este trabajo no contradice la dinámica de Newton. De hecho, la ecuación [Fi = mi ai ] y la ecuación [Fij = mij aij ] son simples reformulaciones de la segunda ley de Newton.

    Por ultimo, las integrales usadas en este trabajo son integrales inde?nidas. Si ninguna fuerza actúa sobre la partícula i, sobre la partícula j o sobre la bipartícula ij entonces las integrales dan como resultado constantes.

    6

    edu.red

    R = M-1 V = M-1 A = M-1 . mi [|ri – R |2 1 – (ri – R) ? (ri – R)] Anexo I

    Free-System

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

    La posición R, la velocidad V y la aceleración A del centro de masa del free-system respecto a un sistema de referencia S, la velocidad angular ? y la aceleración angular a del free-system respecto al sistema de referencia S, están dadas por: . M = N i mi .

    .

    . N i

    N i

    N i mi ri

    mi vi

    mi ai . ?

    . a = d(?)/dt ? I =

    . L = N i

    N i ?

    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

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    7

    edu.red

    R = M-1 V = M-1 A = M-1 . mi [|ri – R |2 1 – (ri – R) ? (ri – R)] Anexo II

    Free-System

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

    La posición R, la velocidad V y la aceleración A del centro de masa del free-system respecto a un sistema de referencia S, la velocidad angular ? y la aceleración angular a del free-system respecto al sistema de referencia S, están dadas por: . M = N i mi .

    .

    . N i

    N i

    N i mi ri

    mi vi

    mi ai . ?

    . a = d(?)/dt ? I =

    . L = N i

    N i ?

    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

    .

    .

    .

    .

    .

    .

    8

    edu.red

    Anexo III

    Fuerzas Cinéticas

    La fuerza cinética Kaij ejercida sobre una partícula i de masa mi por otra partícula j de masa mj, causada por la interacción entre la partícula i y la partícula j, está dada por:

    Kaij = – mi mj M-1 (ai – aj)

    donde ai es la aceleración inercial de la partícula i, aj es la aceleración inercial de la partícula j y M es la masa del Universo.

    La fuerza cinética Kui ejercida sobre una partícula i de masa mi por el centro de masa del Universo, causada por la interacción entre la partícula i y el Universo, está dada por:

    Kui = – mi Acm

    donde Acm es la aceleración inercial del centro de masa del Universo. De las ecuaciones anteriores se deduce que la fuerza cinética neta Ki (= All j Kaij + Kui) que actúa sobre una partícula i de masa mi, está dada por:

    Ki = – mi ai

    donde ai es la aceleración inercial de la partícula i.

    Las fuerzas cinéticas Ka obedecen siempre la tercera ley de Newton en su forma débil.

    Si todas las fuerzas no cinéticas obedecen siempre la tercera ley de Newton en su forma débil entonces la aceleración inercial del centro de masa del Universo Acm es siempre igual a cero.

    Ahora, de la página [1] y de la página [2], se tiene:

    Fi = mi ai

    Fij = mij aij

    O sea:

    Fi – mi ai = 0 = Fi + Ki

    Fij -mij aij = 0 = Fij -mij (ai-aj) = Fij + mij (Ki/mi-Kj/mj) = Fij +Kij

    Por lo tanto, la fuerza total (Fi +Ki) que actúa sobre una partícula i y la fuerza total (Fij + Kij) que actúa sobre una bipartícula ij están siempre en equilibrio.

    9