La Historia de la Mecánica y el Surgimiento del Enfoque del Medio Continuo

Hablar sobre sobre física siempre será un tema interesante, bueno; casi para todos, y sobre todo para aquellos eruditos interesantes que suelen comprender siempre las matemáticas en su totalidad, pero como yo no soy uno de esos, en este ensayo tratare dejar en la manera más clara posible el tema cuyo titulo se encuentra en la parte superior de esta hoja. Es decir, tratare de explicar al lector los conceptos bases en el tema de la mecánica, una parte de su historia y como surgió el enfoque de los medios continuos, sin más, espero que los siguientes párrafos sean del agrado del lector y que, a él como yo, le sea mucho más fácil comprender. 

Para comenzar, tenemos que entender que la mecánica es la rama de la física que estudia el movimiento y equilibrio de los cuerpos, dentro de esta, existen otras ramas que comprenden: la cinemática, la dinámica y la estática. La mecánica es la rama más antigua de la física, y por esto es una de las primeras en realizar predicciones tan acertadas acerca del movimiento de los cuerpos.

La historia de la mecánica comienza en la antigua Grecia, en donde aquellos sujetos convencidos por saber más crearon artefactos que cumplían con la función de confirmar o rechazar hipótesis planteadas por los mismos sujetos hambrientos de conocimiento, los cuales, desde mi punto de vista, fueron los primeros ingenieros. Un ejemplo de los artefactos anteriormente mencionados son la Rosca de Arquímedes (287-212 a.C), artefacto el cual se componía de un tornillo o rosca de gran tamaño dentro de un tubo o cilindro, el cual, al girar de una manivela permite elevar material de un lugar a otro (comúnmente tierra o agua).

Sin embargo, la mecánica estaba inicialmente basada en observaciones empíricas sin una formulación matemática formal.

Más tarde, en el siglo XVI sería cuando comenzaría el proceso de llevar todo este conocimiento practico o empírico a las matemáticas. Lo anterior empezado por Galileo Galilei el cual a través de la observación del movimiento que tiene un cuerpo en un plano inclinado dejo prácticamente establecido el principio de inercia. Sin embargo, seria Isaac Newton quien más tarde culminaría este proceso a través de la publicación de los “Principia” donde establecería los desarrollos teóricos de las leyes de la mecánica clásica.

Ante esta reformulación matemática de los fenómenos físicos, el proceso de medir tomo una gran importancia y se desarrollan nuevos y más precisos instrumentos de medida. Se construyen aparatos que permiten la comprobación experimental de estas Leyes de la dinámica.

A partir del siglo XVII la mecánica pasó por un proceso de racionalización y matematización a gran escala, separándose cada vez más de la experimentación, se establecieron leyes y teorías mediante desarrollos matemáticos aplicados a modelos, aunque cabe recalcar que esto no se vio reflejado en la enseñanza que se impartía durante el siglo XIX e incluso comienzos del XX.  

Lo anterior nos deja entender que la mecánica no es una ciencia nueva o algo muy moderno en nuestro mundo si no algo que tiene muchísimos años bajo estudio.

Conociendo ya un poco sobre la historia de la mecánica y que es lo que estudia, pasemos entonces al enfoque del medio continuo.

La mecánica de medios continuos es una rama de la mecánica que se ocupa del estudio del comportamiento mecánico de materiales que pueden entenderse como sistemas continuos, pero, ¿Qué es un sistema continuo?, pues bueno, el enfoque del medio continuo se basa en la idea de que, a nivel macroscópico, un material puede considerarse como un medio infinitamente divisible y continuo en lugar de un conjunto de partículas discretas. Este enfoque es especialmente útil cuando se trata con fenómenos que involucran grandes cantidades de partículas interconectadas, como la deformación de sólidos o el flujo de fluidos. Para dejar un poco más claro lo anterior; un medio continuo puede definirse como todo aquel medio en el que la unión de sus partículas es continua, es decir, como si no existieran deformaciones o discontinuidades en su forma. El medio continuo es una idealización en la que caben objetos de naturaleza sólida, líquida, gaseosa y coloidal.

Para comprender de una manera más visual el estudio de la mecánica de los medios continuos podemos apreciar el siguiente diagrama:

Para abordar la mecánica de medios continuos, se utilizan herramientas matemáticas como ecuaciones diferenciales parciales y tensores. Estas ecuaciones describen cómo cambian las propiedades del material en función de la posición y el tiempo. En el caso de los sólidos deformables, por ejemplo, se utilizan tensores de deformación y esfuerzo para definir la respuesta del material a las fuerzas aplicadas y las deformaciones resultantes.

La mecánica de medios continuos tiene diversas aplicaciones en la ingeniería y la física. Se utiliza en el diseño y análisis de estructuras, en la modelización de fluidos en aerodinámica y meteorología, y en la comprensión de fenómenos como la propagación de ondas y la transferencia de calor. La mecánica de medios continuos proporciona un marco teórico poderoso para comprender y predecir el comportamiento mecánico de materiales a gran escala. Su aplicación abarca una amplia gama de disciplinas científicas y de ingeniería, convirtiéndola en una herramienta fundamental para el análisis y diseño de sistemas complejos

La historia de la mecánica de medios continuos es un tema muy interesante que abarca varios siglos y se ha desarrollado a través de la interacción entre observaciones empíricas, teorías matemáticas y avances tecnológicos.

La mecánica del medio continuo se originó con los estudios de galileo y sus discípulos. Galileo planteo y resolvió los primeros problemas de resistencia de materiales en su libro “Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze”, impreso en 1638. Las dos nuevas ciencias eran precisamente la mecánica de los sólidos deformables y la cinemática de los proyectiles.

En el siglo XIX, científicos como Augustin-Louis Cauchy y August Toepler comenzaron a considerar materiales como medios continuos en lugar de partículas discretas. Cauchy, en particular, realizó contribuciones fundamentales a la formulación matemática de la mecánica de medios continuos. Cauchy y Kelvin contribuyeron a la teoría de elasticidad, desarrollando ecuaciones que describen la deformación de sólidos bajo la influencia de fuerzas externas.

Los trabajos de Claude-Louis Navier y George Gabriel Stokes en la primera mitad del siglo XIX sentaron las bases para la teoría de fluidos. La ecuación de Navier-Stokes, formulada por Navier y completada por Stokes, se convirtió en un pilar de la mecánica de fluidos.

En el siglo XX, con el advenimiento de la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, la mecánica de medios continuos se consolidó como un enfoque invaluable para describir fenómenos a escalas macroscópicas.

Antes de concluir este texto quiero dejar en claro la importancia que tiene el estudio de esta disciplina para nosotros como futuros ingenieros civiles y con esto comprender por qué los docentes les otorgan estas actividades a sus alumnos.

El estudio de la mecánica de medios continuos es de vital importancia para un ingeniero por diversas razones, ya que este proporciona herramientas fundamentales para comprender y diseñar sistemas complejos en una variedad de disciplinas. A continuación, se detallaré algunos puntos clave que destacan la importancia de este campo para un ingeniero civil:

La mecánica de medios continuos es esencial para el diseño y análisis de estructuras, como puentes, edificios y componentes mecánicos, esta, permite prever y evaluar cómo los materiales se deformarán bajo cargas específicas, lo que es crucial para garantizar la integridad y la seguridad de las estructuras.

Los ingenieros civiles utilizan la mecánica de medios continuos para modelar y analizar el comportamiento de suelos, fundamentos y materiales de construcción y en resumen ayuda en la planificación de proyectos de construcción al prever cómo los materiales responderán a las fuerzas externas y al peso de las estructuras. A continuación, un ejemplo práctico:

·         Modelado del Puente como un Medio Continuo:

En lugar de tratar cada componente del puente como partículas discretas, la mecánica de medios continuos se aplica considerando el puente en su conjunto como un medio continuo. Se asume que el material que compone el puente es homogéneo y continuo, permitiendo utilizar ecuaciones diferenciales para describir su comportamiento.

El desarrollo de este documento me permitió descubrir que el estudio de una disciplina es un proceso muy complejo, en otras palabras, una ciencia no se desarrolla de un día para otro, requiere de demasiado tiempo y esfuerzo de las grandes mentes que la forjan. Este tipo de temas, como lo mencione en la introducción; muchas veces suelen ser complicados para muchos estudiantes, sin embargo, con la lectura de documentos como este, en el cual, y a mi parecer se introduce de forma a clara a temas complejos, con la ayuda del contexto histórico y desmenuce de conceptos bases, el proceso del aprendizaje se facilita.

El estudio de la mecánica, así como su enfoque en los medios continuos no es algo que podamos dejar de lado si buscamos ser ingenieros, sentar bases fuertes, su constante practica y estudio es el pilar para la formación de un buen ingeniero.

Bibliografía:

1.            Tinoco, H. R. (2016). MECANICA DEL MEDIO CONTINUO SCHAUM. www.academia.edu. https://www.academia.edu/23390531/MECANICA_DEL_MEDIO_CONTINUO_SCHAUM

2.            Instrumentos relacionados con la mecánica | MUVHE. (s. f.). https://www.um.es/muvhe/itinerario/instrumentos-relacionados-con-la-mecanica/

3.            Caamal, J. C. (2016, 27 mayo). Importancia de la mecanica vectorial en la ingenieria. Monografias.com. https://www.monografias.com/trabajos108/importancia-mecanica-vectorial-ingenieria/importancia-mecanica-vectorial-ingenieria

4.            Gurtin, M. E., & Drugan, W. J. (1984). An introduction to continuum mechanics. Journal of Applied Mechanics, 51(4), 949-950. https://doi.org/10.1115/1.3167763