Els coneixements físics de mecànica i la seva aplicació

PRINCIPIS FÍSICS DE MECÀNICA.

La mecànica és la branca de la física que estudia el canvi de lloc, el desplaçament o el moviment locatiu (i, en general, el moviment) tant dels cossos com dels corpuscles microfísics. Comprèn dues parts: la cinemàtica i la dinàmica. La primera estudia només les relacions geomètriques i cronomètriques en els moviments. La segona, la principal, té per objecte la interacció mecànica, és a dir, el procés físic pel qual dos mòbils o més es modifiquen mútuament el moviment (llur direcció, llur velocitat), i això té lloc mitjançant un camp (gravitatori, elèctric, nuclear). Ambdues parts es complementen, puix que, mentre les modificacions del moviment són cinemàtiques, la cinemàtica necessita, per part seva, un referencial, sòlid immutable (per exemple, la Terra) constituït per un conjunt d'interaccions. La importància de la mecànica consisteix en el fet que tota transformació fisicoquímica engloba un canvi de lloc. Així, en química, la costa essencial és el canvi qualitatiu (de la mescla d'hidrogen i oxigen en aigua, per exemple), i no pas l'accessori desplaçament dels àtoms. La mecànica es pot classificar en mecànica clàssica. Mecànica que té com a base tres postulats.

El primer estableix que tant les relacions geomètriques com les cronomètriques són independents del sistema de referència escollit per a determinar-les, és a dir, dos esdeveniments distants i simultanis respecte a la Terra romanen síncrons respecte al Sol o respecte a qualsevol altre referencial, i dos esdeveniments distants i no simultanis conserven intactes tant la distància com el lapse que els separa, quan hom canvia de sistema de referència i ambdues magnituds són, per consegüent, mútuament independents. Aquest postulat fou contradit al començament del s XX, pel fet experimental (Michelson i Morley) que la propagació de la llum no és conforme a la cinemàtica clàssica, quan hom passa del referencial terrestre a l'estel·lar.

El segon postulat estableix que les interaccions es comuniquen instantàniament d'un mòbil a l'altre, per més allunyats que siguin. Cap a la fi del s XIX aquest postulat fou contradit per la descoberta de la propagació de la interacció elèctrica (Maxwell, Hertz) D'aquestes dues contradiccions nasqué la mecànica einsteiniana o relativista.

El tercer postulat diu que tota interacció es manifesta per una acceleració del mòbil inversament proporcional a la seva inèrcia i proporcional a la força de la interacció. Malgrat tot, la mecànica clàssica, anomenada també mecànica newtoniana, continua essent una teoria vàlida i eficient per a tractar nombroses qüestions de la ciència i de la tècnica actuals.

Mecànica celeste. Ciència del desplaçament dels astres. La mecànica celeste acomplí una funció primordial en l'elaboració de la mecànica teòrica al s XVII. Copèrnic, tornant a asserir el moviment circular dels planetes entorn del Sol, havia reprès una concepció grega antiga. Kepler descobrí la forma el·líptica de llurs òrbites (1609), i va establir les lleis naturals que porten el seu nom: La primera llei diu que l'òrbita de cada planeta és una el·lipse, un dels focus de la qual és ocupat pel Sol.
La segona llei, anomenada també llei de les àrees , estableix que el radi vector d'un planeta escombra àrees iguals en temps iguals.
La tercera llei, el quadrat del període de revolució orbital d'un planeta és proporcional al cub del semieix major de la seva òrbita.
Newton, amb la seva cèlebre llei d'atracció universal (1687), revelà la clau dinàmica de tots els moviments interns del sistema solar i acabà de construir l'imposant primer edifici de la mecànica racional, alhora celeste i terrestre. Al començament del s XIX (W.Herschel, 1803) la mecànica newtoniana del cel començà d'ésser aplicada al moviment mutu dels estels dobles. Com es veu, es deu a Isaac Newton els principis referits a la mecànica en general, i va ser ell qui va enunciar els tres principis bàsics de la mecànica amb les lleis del moviment formulades per Isaac Newton.

La primera llei o principi de la inèrcia diu que tot cos material manté l'estat de repòs o de moviment rectilini uniforme en el qual es troba si no hi ha cap força neta o resultant que actuï sobre ell.

La segona llei o llei fonamental del moviment diu que tota força neta (no compensada) aplicada sobre un cos produeix una acceleració que és directament proporcional a la força que està actuant, i la constant de proporcionalitat és una propietat característica del cos, anomenada massa.

La tercera llei o principi de l'acció i de la reacció diu que a cada acció li oposem, sempre, una reacció igual. Això significa que si un cos A exerceix una força (acció) sobre un cos B, aquest n'exerceix sobre A una altra (reacció) d'igual magnitud i direcció però de sentit contrari.

MÀQUINES SIMPLES.

Les màquines poden canviar la direcció o la intensitat d'una força.

	Per exemple, la destral és una màquina anomenada tascó, que talla un tronc en dos. L'esforç es fa servir per penetrar un bon tros dins del tronc i separar-lo una petita distància amb molta més força.		Cargol, quant es fa girar la rosca del cargol, se'l fa avançar amb més força que la que cal per girar-lo.
	Roda i eix, un petit esforç sobre la roda fa girar l'eix amb més força. Un gran esforç en l'eix significa que la roda gira amb menys força, però recorre més distància.		Un pla inclinat és un pendent que redueix l'esforç que cal per moure un objecte. Per exemple, empènyer el cotxe per una rampa és més fàcil que aixecar-lo verticalment. El cotxe ha de recórrer més distància, però cal menys esforç per moure'l.
Palanca simple, una palanca és una barra que exerceix una força en pivotar sobre un punt de suport (fulcre). Un petit esforç aplicat en un extrem a una distància respecte al punt de suport, mou una càrrega pesada situada a l'extrem , a poca distància del fulcre. La politja simple canvia la direcció de la força. La politja doble augmenta la força i alça la mateixa càrrega amb la meitat d'esforç, perquè la corda té el doble de longitud. Per aquest mateix motiu, s'ha de tirar de la corda el doble de la seva longitud.
Engranatges, les rodes i eixos dentats engranats entre sí, que transmeten la força i el moviment, s'anomenen engranatges. Poden alterar la magnitud de la força, així com la direcció i la velocitat del moviment.

RODA HIDRÀULICA.

La roda hidràulica aplica la energia potencial que té l'aigua en el seu recorregut, que fa moure les pales d'una sínia que gira i pot servir com a font motriu i, a la vegada, puja aigua a un nivell més elevat que el del canal o riu on està instal·lada. La roda proveïda a la perifèria de nombrosos àleps o paletes sobre els quals és exercida la força de l'aigua d'un corrent perpendicular al seu eix de rotació, o d'un salt que provoca la rotació de la roda tot transformant en energia mecànica, l'energia disponible del salt o del corrent.

La sínia que és una màquina d'elevar aigua, especialment emprada per a treure l'aigua de pous poc profunds. Consisteix en una roda horitzontal, accionada per un animal que dóna voltes fermat a l'extrem d'un pal horitzontal solidari amb el seu eix, que engrana amb una altra roda vertical que mou una cadena sense fi, proveïda de catúfols en tota la seva llargada, l'extrem inferior de la qual és submergida a l'aigua del pou. La força de l'animal pot ser substituïda per l'acció de l'energia potencial de l'igua.

ELS COETS.

Els coets són motors de reacció que aprofiten la tercera llei de Newton com a fonament físic per al seu funcionalment. L'energia alliberada pels gasos produïts en la reacció de combustió, que és una força d'acció, produeix una reacció capaç de aixecar un vehicle, com pot ser una nau espacial, un míssil, o un avió anomenat de reacció. Els primers coets, els varen utilitzar els xinesos en festes i tradicions, actualment s'utilitzen com a "focs artificials" per commemorar efemèride, festes majors i altres. El principi de funcionament és el mateix. No va ser fins a la Segona Guerra Mundial que es van fer servir els coets com a medi de propulsió. Acabada la contesa mundial, es van instal·lar en avions (anomenats de reacció per ser aquesta la seva forma de funcionar), després es van començar a construir els coets per la carrera espacial entre els nord-americans i l'antiga Unió Soviètica. Els coets de les naus espacials es poden classificar com a coet-llançador, coet d'enlairament, retrocoet i accelerador. El coet-llançador és el destinat a posar en òrbita satèl·lits o vehicles espacials. Entre ells cal destacar l'Energia (rus), l'Ariane (europeu), els nord-americans Atlas, Delta, Pegasus i Titan, el Llarga Marxa (xinès) i l'H-I (japonès).
El coet d'enlairament es cadascun dels coets que, generalment en nombre parell, són emprats per a impel·lir una aeronau en el moment de l'envol, per tal d'aconseguir un recorregut mínim per la pista, quan aquesta té una longitud insuficient, o per augmentar-ne la càrrega útil. Coet propulsor, coet emprat per a generar una empenta en sentit aproximadament oposat al de moviment d'un giny, per tal de desaccelerar-lo. Entre les aplicacions més importants dels retrocoets, cal esmentar la de fer descendir satèl·lits artificials de la seva òrbita dirigint el doll de gasos endavant i amunt, l'aterratge suau d'un giny en un astre desproveït d'atmosfera i l'amortiment del xoc al final del descens d'una càpsula espacial amb paracaigudes. Motor-coet auxiliar de gran potència que serveix per a donar a un coet pesant la suficient velocitat inicial per a poder continuar la marxa amb el motor principal. En els coets còsmics pot considerar-se com una primera etapa d'un coet múltiple. És conegut també amb el nom anglès de booster.

ELS SATÈL·LITS ARTIFICIALS.

Els satèl·lits artificials, són uns aparells que descriuen una òrbita al voltant d'un planeta o, per extensió, al voltant d'un satèl·lit. La col·locació en òrbita d'un satèl·lit, o satel·lització, és assolida en diverses fases. La primera, anomenada llançament, consisteix a portar el giny fins a una certa altitud, generalment fora de l'atmosfera terrestre, tot conferint-li una determinada velocitat. Aquest llançament és aconseguit gràcies a un sistema llançador que pot ésser un coet llançador o bé una llançadora espacial. Un cop situat fora de l'acció del fregament atmosfèric, hom pot considerar que, tret d'algunes pertorbacions que caldria tenir en compte posteriorment, el satèl·lit és sotmès únicament a l'atracció gravitacional de la Terra. En aquestes condicions, l'òrbita és una el·lipse. La forma de l'òrbita seguida pel satèl·lit depèn essencialment de la seva altitud (o, més exactament, de l'altitud que té en determinats punts, com son ara el perigeu i l'apogeu), i l'estabilitat de l'òrbita (que fa que el satèl·lit no caigui al sòl i no s'allunyi a l'espai exterior) depèn del fet que la velocitat del satèl·lit sigui o no justament la velocitat requerida perquè la seva massa recorri l'òrbita sense haver de fer ús dels propulsors, és a dir, per tal que la recorri essent sotmesa només a l'atracció gravitacional terrestre. Els paràmetres que defineixen l'òrbita d'un satèl·lit són similars als elements de l'òrbita d'un astre. Dos elements determinen la forma i la grandària de l'el·lipse: són les distàncies del perigeu i de l'apogeu a la superfície terrestre, Hp i Ha (perigeu i apogeu són, respectivament, els punts més proper i més llunyà de l'òrbita a la superfície terrestre); aquestes dues magnituds determinen el semieix major a (a = R + (Hp +Ha)/2, on R és el radi de la Terra) i l'excentricitat e de l'òrbita (e = 1 - Hpa). Segons les finalitats concretes que hagi de complir un determinat satèl·lit, hom pot satel·litzar-lo en diverses menes d'òrbites.
L'òrbita baixa és una òrbita de baixa altitud (1.000 km) i és emprada, generalment, per a l'observació de la Terra (satèl·lits geodèsics, militars, d'observació dels recursos naturals, etc).
L'òrbita polar té una inclinació de 90°, és a dir, tal que creua els pols terrestres. L'òrbita quasipolar té una inclinació tal que és gairebé una òrbita polar.
L'òrbita geosincrònica és aquella en què el satèl·lit té un període de rotació al voltant de la Terra igual al període de rotació de la Terra al voltant del seu eix (23 h 56 min 4,1 s). En el cas concret que aquesta òrbita sigui circular, estigui en el pla equatorial i sigui recorreguda en sentit directe, el satèl·lit roman fix sobre un punt determinat de la superfície terrestre. Es parla aleshores d'òrbita geostacionària; aquesta òrbita és única, i la seva altitud és d'uns 35 800 km. És especialment emprada pels satèl·lits de telecomunicacions.
L'òrbita heliosincrònica és aquella en què la precessió del pla orbital és tal que aquest manté una posició fixa respecte al Sol. Aquest fet fa que, quan el satèl·lit passa per la vertical d'un punt de la Terra, passi sempre a la mateixa hora solar, la qual cosa fa que aquesta òrbita sigui la més emprada per a fer observacions de la Terra que hagin d'ésser comparades al llarg del temps. L'òrbita heliosincrònica habitualment usada és la que té una altitud d'uns 800 km i una inclinació d'uns 100°.
Pel que fa a llur finalitat o missió, els satèl·lits artificials poden ésser classificats en satèl·lits de telecomunicacions, satèl·lits de radionavegació, satèl·lits d'observació de la Terra i satèl·lits científics. Quan algun d'aquests tipus és emprat amb finalitats militars, hom parla de satèl·lit militar. En tots els casos es distingeix entre els satèl·lits preoperatius, que són els prototips amb què hom prova nous dispositius o tècniques, i els satèl·lits operatius, que ja fan ús de les millores desenvolupades gràcies als anteriors. Els satèl·lits de telecomunicacions són emprats com a estacions intermèdies que comuniquen sense obstacles punts del planeta molt allunyats. Aquesta és una de tantes possibles aplicacions dels coneixements científics teòrics de la mecànica celeste en el món actual de les telecomunicacions, els serveis meteorològics, la cartografia via satèl·lit, etc.