En física , el movimiento es cuando un objeto cambia su posición con respecto a un punto de referencia en un tiempo determinado . El movimiento se describe matemáticamente en términos de desplazamiento , distancia , velocidad , aceleración , rapidez y marco de referencia para un observador, midiendo el cambio de posición del cuerpo en relación con ese marco con un cambio en el tiempo. La rama de la física que describe el movimiento de los objetos sin referencia a su causa se llama cinemática , mientras que la rama que estudia las fuerzas y su efecto sobre el movimiento se llama dinámica .
Si un objeto no está en movimiento con respecto a un marco de referencia dado, se dice que está en reposo , inmóvil , estacionario o que tiene una posición constante o invariable en el tiempo con respecto a su entorno. La física moderna sostiene que, como no hay un marco de referencia absoluto, el concepto de movimiento absoluto de Newton no se puede determinar. [1] Se puede considerar que todo en el universo está en movimiento. [2] : 20–21
El movimiento se aplica a diversos sistemas físicos: objetos, cuerpos, partículas de materia , campos de materia, radiación , campos de radiación, partículas de radiación, curvatura y espacio-tiempo . También se puede hablar del movimiento de imágenes, formas y límites. En general, el término movimiento significa un cambio continuo en la posición o configuración de un sistema físico en el espacio. Por ejemplo, se puede hablar del movimiento de una onda o del movimiento de una partícula cuántica , donde la configuración consiste en las probabilidades de que la onda o partícula ocupe posiciones específicas.
En física, el movimiento de cuerpos masivos se describe a través de dos conjuntos relacionados de leyes de la mecánica. La mecánica clásica para objetos superatómicos (más grandes que un átomo) (como automóviles , proyectiles , planetas , células y humanos ) y la mecánica cuántica para objetos atómicos y subatómicos (como helio , protones y electrones ). Históricamente, Newton y Euler formularon tres leyes de la mecánica clásica :
La mecánica clásica se utiliza para describir el movimiento de objetos macroscópicos que se mueven a velocidades significativamente más lentas que la velocidad de la luz, desde proyectiles hasta partes de maquinaria , así como objetos astronómicos , como naves espaciales , planetas , estrellas y galaxias . Produce resultados muy precisos dentro de estos dominios y es una de las descripciones científicas más antiguas y más grandes en ciencia , ingeniería y tecnología .
La mecánica clásica se basa fundamentalmente en las leyes del movimiento de Newton . Estas leyes describen la relación entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y el movimiento de dicho cuerpo. Fueron recopiladas por primera vez por Sir Isaac Newton en su obra Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica , que se publicó por primera vez el 5 de julio de 1687. Las tres leyes de Newton son:
Las tres leyes del movimiento de Newton fueron las primeras que proporcionaron un modelo matemático preciso para comprender los cuerpos que orbitan en el espacio exterior . Esta explicación unificó el movimiento de los cuerpos celestes y el movimiento de los objetos en la Tierra.
La cinemática moderna se desarrolló con el estudio del electromagnetismo y refiere todas las velocidades a su relación con la velocidad de la luz . La velocidad se interpreta entonces como rapidez , el ángulo hiperbólico para el cual funciona la tangente hiperbólica . La aceleración , el cambio de velocidad a lo largo del tiempo, cambia entonces la rapidez de acuerdo con las transformaciones de Lorentz . Esta parte de la mecánica es la relatividad especial . W. K. Clifford y Albert Einstein hicieron esfuerzos para incorporar la gravedad a la mecánica relativista . El desarrollo utilizó la geometría diferencial para describir un universo curvo con gravedad; el estudio se llama relatividad general .
La mecánica cuántica es un conjunto de principios que describen la realidad física a nivel atómico de la materia ( moléculas y átomos ) y las partículas subatómicas ( electrones , protones , neutrones e incluso partículas elementales más pequeñas como los quarks ). Estas descripciones incluyen el comportamiento simultáneo de onda y partícula tanto de la materia como de la energía de radiación , tal como se describe en la dualidad onda-partícula . [6]
En la mecánica clásica, se pueden calcular mediciones y predicciones precisas del estado de los objetos, como la ubicación y la velocidad . En la mecánica cuántica, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg , no se puede determinar simultáneamente el estado completo de una partícula subatómica, como su ubicación y velocidad. [7]
Además de describir el movimiento de los fenómenos a nivel atómico, la mecánica cuántica es útil para comprender algunos fenómenos a gran escala como la superfluidez , la superconductividad y los sistemas biológicos , incluida la función de los receptores del olfato y las estructuras de las proteínas . [8]
Los humanos, como todas las cosas conocidas en el universo, están en constante movimiento; [2] : 8–9 Sin embargo, aparte de los movimientos obvios de las diversas partes externas del cuerpo y la locomoción , los humanos están en movimiento en una variedad de formas que son más difíciles de percibir . Muchos de estos "movimientos imperceptibles" solo son perceptibles con la ayuda de herramientas especiales y una observación cuidadosa. Las escalas más grandes de movimientos imperceptibles son difíciles de percibir para los humanos por dos razones: las leyes de movimiento de Newton (particularmente la tercera), que impiden la sensación de movimiento en una masa a la que está conectado el observador, y la falta de un marco de referencia obvio que permitiría a los individuos ver fácilmente que se están moviendo. [9] Las escalas más pequeñas de estos movimientos son demasiado pequeñas para ser detectadas convencionalmente con los sentidos humanos .
El espacio-tiempo (la estructura del universo) se está expandiendo , lo que significa que todo en el universo se está estirando, como una banda elástica . Este movimiento es el más oscuro, ya que no es un movimiento físico, sino más bien un cambio en la naturaleza misma del universo. La fuente principal de verificación de esta expansión fue proporcionada por Edwin Hubble , quien demostró que todas las galaxias y los objetos astronómicos distantes se estaban alejando de la Tierra, conocida como la ley de Hubble , predicha por una expansión universal. [10]
La Vía Láctea se mueve a través del espacio y muchos astrónomos creen que la velocidad de este movimiento es de aproximadamente 600 kilómetros por segundo (1.340.000 mph) en relación con las ubicaciones observadas de otras galaxias cercanas. Otro marco de referencia lo proporciona el fondo cósmico de microondas . Este marco de referencia indica que la Vía Láctea se mueve a unos 582 kilómetros por segundo (1.300.000 mph). [11] [ verificación fallida ]
La Vía Láctea gira alrededor de su denso centro galáctico , por lo que el Sol se mueve en un círculo dentro de la gravedad de la galaxia . Lejos del bulbo central, o borde exterior, la velocidad estelar típica es de entre 210 y 240 kilómetros por segundo (470.000 y 540.000 mph). [12] Todos los planetas y sus lunas se mueven con el Sol. Por lo tanto, el Sistema Solar está en movimiento.
La Tierra está rotando o girando sobre su eje . Esto se evidencia por el día y la noche , en el ecuador la Tierra tiene una velocidad hacia el este de 0,4651 kilómetros por segundo (1.040 mph). [13] La Tierra también está orbitando alrededor del Sol en una revolución orbital . Una órbita completa alrededor del Sol toma un año , o aproximadamente 365 días; tiene una velocidad promedio de aproximadamente 30 kilómetros por segundo (67.000 mph). [14]
La teoría de la tectónica de placas nos dice que los continentes se desplazan por corrientes de convección dentro del manto , lo que hace que se muevan por la superficie del planeta a una velocidad lenta de aproximadamente 2,54 centímetros (1 pulgada) por año. [15] [16] Sin embargo, las velocidades de las placas varían ampliamente. Las placas que se mueven más rápido son las placas oceánicas, con la placa de Cocos avanzando a una velocidad de 75 milímetros (3,0 pulgadas) por año [17] y la placa del Pacífico moviéndose de 52 a 69 milímetros (2,0 a 2,7 pulgadas) por año. En el otro extremo, la placa que se mueve más lentamente es la placa euroasiática , que avanza a una velocidad típica de aproximadamente 21 milímetros (0,83 pulgadas) por año.
El corazón humano se contrae regularmente para mover la sangre por todo el cuerpo. A través de las venas y arterias más grandes del cuerpo, se ha descubierto que la sangre viaja a aproximadamente 0,33 m/s. Aunque existe una variación considerable, y se han encontrado flujos máximos en las venas cavas entre 0,1 y 0,45 metros por segundo (0,33 y 1,48 pies/s). [18] Además, los músculos lisos de los órganos internos huecos se están moviendo. El más conocido sería la ocurrencia de la peristalsis , que es cuando los alimentos digeridos se fuerzan a través del tracto digestivo . Aunque diferentes alimentos viajan a través del cuerpo a diferentes velocidades, una velocidad promedio a través del intestino delgado humano es de 3,48 kilómetros por hora (2,16 mph). [19] El sistema linfático humano también está constantemente causando movimientos de exceso de líquidos , lípidos y productos relacionados con el sistema inmunológico por todo el cuerpo. Se ha descubierto que el líquido linfático se mueve a través de un capilar linfático de la piel a aproximadamente 0,0000097 m/s. [20]
Las células del cuerpo humano tienen muchas estructuras y orgánulos que se mueven a través de ellas. La transmisión citoplasmática es una forma en la que las células mueven sustancias moleculares a través del citoplasma , [21] varias proteínas motoras funcionan como motores moleculares dentro de una célula y se mueven a lo largo de la superficie de varios sustratos celulares como los microtúbulos , y las proteínas motoras generalmente son impulsadas por la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP) y convierten la energía química en trabajo mecánico. [22] Se ha descubierto que las vesículas impulsadas por proteínas motoras tienen una velocidad de aproximadamente 0,00000152 m/s. [23]
Según las leyes de la termodinámica , todas las partículas de materia están en constante movimiento aleatorio mientras la temperatura sea superior al cero absoluto . Por lo tanto, las moléculas y átomos que forman el cuerpo humano vibran, chocan y se mueven. Este movimiento se puede detectar como temperatura; las temperaturas más altas, que representan una mayor energía cinética en las partículas, resultan cálidas para los humanos, que sienten la energía térmica que se transfiere desde el objeto que se toca a sus nervios. De manera similar, cuando se tocan objetos a temperaturas más bajas, los sentidos perciben la transferencia de calor fuera del cuerpo como una sensación de frío. [24]
En el modelo orbital atómico estándar , los electrones existen en una región alrededor del núcleo de cada átomo. Esta región se llama nube de electrones . Según el modelo atómico de Bohr , los electrones tienen una alta velocidad y cuanto mayor sea el núcleo en el que orbitan, más rápido tendrían que moverse. Si los electrones se movieran por la nube de electrones en trayectorias estrictas de la misma manera que los planetas orbitan alrededor del Sol, entonces se requeriría que los electrones lo hicieran a velocidades que superarían con creces la velocidad de la luz. Sin embargo, no hay razón para que uno deba limitarse a esta conceptualización estricta (que los electrones se mueven en trayectorias de la misma manera que lo hacen los objetos macroscópicos), sino que uno puede conceptualizar a los electrones como "partículas" que existen caprichosamente dentro de los límites de la nube de electrones. [25] Dentro del núcleo atómico , los protones y neutrones probablemente también se estén moviendo debido a la repulsión eléctrica de los protones y la presencia de momento angular de ambas partículas. [26]
La luz se mueve a una velocidad de 299.792.458 m/s, o 299.792,458 kilómetros por segundo (186.282,397 mi/s), en el vacío. La velocidad de la luz en el vacío (o ) es también la velocidad de todas las partículas sin masa y los campos asociados en el vacío, y es el límite superior de la velocidad a la que pueden viajar la energía, la materia, la información o la causalidad . La velocidad de la luz en el vacío es, por tanto, el límite superior de la velocidad para todos los sistemas físicos.
Además, la velocidad de la luz es una magnitud invariable : tiene el mismo valor independientemente de la posición o la velocidad del observador. Esta propiedad hace que la velocidad de la luz c sea una unidad de medida natural de la velocidad y una constante fundamental de la naturaleza.
En 2019, la velocidad de la luz se redefinió junto con las siete unidades básicas del SI utilizando lo que se denomina "la formulación de constante explícita", donde cada "unidad se define indirectamente especificando explícitamente un valor exacto para una constante fundamental bien reconocida", como se hizo para la velocidad de la luz. Se propuso una redacción nueva, pero completamente equivalente, de la definición del metro: "El metro, símbolo m, es la unidad de longitud; su magnitud se establece fijando el valor numérico de la velocidad de la luz en el vacío para que sea exactamente igual a299 792 458 cuando se expresa en la unidad SI ms −1 ." [27] Este cambio implícito en la velocidad de la luz fue uno de los cambios que se incorporaron en la revisión de 2019 del SI , también denominada Nuevo SI . [28]
Algunos movimientos parecen a los ojos de un observador superar la velocidad de la luz. Las explosiones de energía que se desplazan a lo largo de los chorros relativistas emitidos por estos objetos pueden tener un movimiento propio que parece mayor que la velocidad de la luz. Se cree que todas estas fuentes contienen un agujero negro , responsable de la expulsión de masa a altas velocidades. Los ecos de luz también pueden producir un movimiento superlumínico aparente. [29] Esto ocurre debido a que el movimiento se calcula a menudo a grandes distancias; a menudo, los cálculos no tienen en cuenta el hecho de que la velocidad de la luz es finita. Al medir el movimiento de objetos distantes a través del cielo, hay un gran retraso temporal entre lo que se ha observado y lo que ha ocurrido, debido a la gran distancia que tiene que recorrer la luz del objeto distante para llegar hasta nosotros. El error en el cálculo ingenuo anterior proviene del hecho de que cuando un objeto tiene un componente de velocidad dirigido hacia la Tierra, a medida que el objeto se acerca a la Tierra, ese retraso temporal se hace menor. Esto significa que la velocidad aparente calculada anteriormente es mayor que la velocidad real. En consecuencia, si el objeto se aleja de la Tierra, el cálculo anterior subestima la velocidad real. [30]
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