Στατική είναι η επιστήμη των μεθόδων για την ποσοτικοποίηση της δύναμης της αλληλεπίδρασης μεταξύ των σωμάτων. Αυτές οι δυνάμεις είναι υπεύθυνες για τη διατήρηση της ισορροπίας, την κίνηση των σωμάτων ή την αλλαγή του σχήματός τους. Στην καθημερινή ζωή, μπορείτε να δείτε πολλά διαφορετικά παραδείγματα κάθε μέρα. Οι αλλαγές κίνησης και σχήματος είναι κρίσιμες για τη λειτουργικότητα τόσο των τεχνητών όσο και των φυσικών αντικειμένων.
Η έννοια της στατικής
Τα θεμέλια της στατικής τέθηκαν πριν από περισσότερα από 2200 χρόνια, όταν ο αρχαίος Έλληνας μαθηματικός Αρχιμήδης και άλλοι επιστήμονες εκείνης της εποχής μελετούσαν τις ιδιότητες ενίσχυσης και εφευρίσκονταν απλούς μηχανισμούς όπως ένας μοχλός και ένας άξονας. Η στατική είναι ένας κλάδος της μηχανικής που ασχολείται με τις δυνάμεις που δρουν σε σώματα σε ηρεμία υπό την προϋπόθεση της ισορροπίας.
Αυτός είναι ο κλάδος της φυσικής που καθιστά δυνατές τις αναλυτικές και γραφικές διαδικασίες που απαιτούνται για τον εντοπισμό και την περιγραφή αυτών των άγνωστων δυνάμεων. Η ενότητα "στατική" (φυσική) παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλούς κλάδους της μηχανικής, της μηχανολογίας,της πολιτικής, της αεροπορίας και της βιομηχανικής, που ασχολούνται με τις διάφορες επιπτώσεις των δυνάμεων. Όταν το σώμα βρίσκεται σε ηρεμία ή κινείται με ομοιόμορφη ταχύτητα, τότε μιλάμε για αυτόν τον τομέα της φυσικής. Η στατική είναι η μελέτη του σώματος σε ισορροπία.
Οι μέθοδοι και τα αποτελέσματα αυτού του κλάδου της επιστήμης έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμα στο σχεδιασμό κτιρίων, γεφυρών και φραγμάτων, καθώς και γερανών και άλλων παρόμοιων μηχανικών συσκευών. Για να είναι σε θέση να υπολογίσουν τις διαστάσεις τέτοιων κατασκευών και εξοπλισμού, οι αρχιτέκτονες και οι μηχανικοί πρέπει πρώτα να καθορίσουν τις δυνάμεις που δρουν στα διασυνδεδεμένα μέρη τους.
Αξιώματα της στατικής
Η στατική είναι ένας κλάδος της φυσικής που μελετά τις συνθήκες κάτω από τις οποίες τα μηχανικά και άλλα συστήματα παραμένουν σε μια ορισμένη κατάσταση που δεν αλλάζει με το χρόνο. Αυτό το τμήμα της φυσικής βασίζεται σε πέντε βασικά αξιώματα:
1. Ένα άκαμπτο σώμα βρίσκεται σε κατάσταση στατικής ισορροπίας εάν δύο δυνάμεις ίδιας έντασης δρουν πάνω του, βρίσκονται στην ίδια γραμμή δράσης και κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος της ίδιας ευθείας.
2. Ένα άκαμπτο σώμα θα παραμείνει σε στατική κατάσταση μέχρι να επηρεαστεί από εξωτερικές δυνάμεις ή ένα σύστημα δυνάμεων.
3. Το αποτέλεσμα δύο δυνάμεων που δρουν στο ίδιο υλικό σημείο είναι ίσο με το διανυσματικό άθροισμα των δύο δυνάμεων. Αυτό το αξίωμα υπακούει στην αρχή της άθροισης των διανυσμάτων.
4. Δύο σώματα που αλληλεπιδρούν αντιδρούν μεταξύ τους με δύο δυνάμεις ίσης έντασης σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος της ίδιας γραμμής δράσης. Αυτότο αξίωμα ονομάζεται επίσης αρχή της δράσης και της αντίδρασης.
5. Εάν ένα παραμορφώσιμο σώμα βρίσκεται σε κατάσταση στατικής ισορροπίας, δεν θα διαταραχθεί εάν το φυσικό σώμα παραμείνει σε στερεή κατάσταση. Αυτό το αξίωμα ονομάζεται επίσης αρχή στερεοποίησης.
Η Μηχανική και τα τμήματα της
Φυσική στα ελληνικά (physikos - "φυσικό" και "physis" - "φύση") σημαίνει κυριολεκτικά την επιστήμη που ασχολείται με τη φύση. Καλύπτει όλους τους γνωστούς νόμους και ιδιότητες της ύλης, καθώς και τις δυνάμεις που δρουν σε αυτήν, συμπεριλαμβανομένης της βαρύτητας, της θερμότητας, του φωτός, του μαγνητισμού, του ηλεκτρισμού και άλλων δυνάμεων που μπορούν να αλλάξουν τα βασικά χαρακτηριστικά των αντικειμένων. Ένας από τους κλάδους της επιστήμης είναι η μηχανική, η οποία περιλαμβάνει τόσο σημαντικές υποενότητες όπως η στατική και η δυναμική, καθώς και η κινηματική.
Η Μηχανική είναι κλάδος της φυσικής που μελετά δυνάμεις, αντικείμενα ή σώματα που βρίσκονται σε ηρεμία ή σε κίνηση. Είναι ένας από τους μεγαλύτερους φορείς στον τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Τα καθήκοντα στη στατική περιλαμβάνουν τη μελέτη της κατάστασης των σωμάτων υπό την επίδραση διαφόρων δυνάμεων. Η κινηματική είναι ένας κλάδος της φυσικής (μηχανικής) που μελετά την κίνηση των αντικειμένων, ανεξάρτητα από τις δυνάμεις που προκαλούν την κίνηση.
Θεωρητική μηχανική: στατική
Η Μηχανική είναι μια φυσική επιστήμη που εξετάζει τη συμπεριφορά των σωμάτων υπό τη δράση δυνάμεων. Υπάρχουν 3 κατηγορίες μηχανικών: απολύτως άκαμπτο σώμα, παραμορφώσιμα σώματα και υγρά. Άκαμπτο σώμα είναι ένα σώμα που δεν παραμορφώνεται υπό την επίδραση τουδυνάμεις. Η θεωρητική μηχανική (στατική - μέρος της μηχανικής ενός απολύτως άκαμπτου σώματος) περιλαμβάνει επίσης τη δυναμική, η οποία, με τη σειρά της, χωρίζεται σε κινηματική και κινητική.
Η μηχανική ενός παραμορφώσιμου σώματος ασχολείται με την κατανομή των δυνάμεων μέσα στο σώμα και τις παραμορφώσεις που προκύπτουν. Αυτές οι εσωτερικές δυνάμεις προκαλούν ορισμένες πιέσεις στο σώμα, οι οποίες μπορεί τελικά να οδηγήσουν σε αλλαγή στο ίδιο το υλικό. Αυτά τα θέματα μελετώνται σε μαθήματα αντοχής των υλικών.
Η μηχανική ρευστών είναι ένας κλάδος της μηχανικής που ασχολείται με την κατανομή των δυνάμεων εντός υγρών ή αερίων. Τα υγρά χρησιμοποιούνται ευρέως στη μηχανική. Μπορούν να ταξινομηθούν ως ασυμπίεστα ή συμπιεστά. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν υδραυλικά, αεροδιαστημική και πολλά άλλα.
Η έννοια της δυναμικής
Το
Το Dynamics ασχολείται με τη δύναμη και την κίνηση. Ο μόνος τρόπος να αλλάξεις την κίνηση ενός σώματος είναι να χρησιμοποιήσεις δύναμη. Μαζί με τη δύναμη, η δυναμική μελετά και άλλες φυσικές έννοιες, μεταξύ των οποίων είναι οι ακόλουθες: ενέργεια, ορμή, σύγκρουση, κέντρο βάρους, ροπή και ροπή αδράνειας.
Η στατική και η δυναμική είναι εντελώς αντίθετες καταστάσεις. Η δυναμική είναι η μελέτη των σωμάτων που δεν βρίσκονται σε ισορροπία και συμβαίνει επιτάχυνση. Η κινητική είναι η μελέτη των δυνάμεων που προκαλούν κίνηση ή των δυνάμεων που προκύπτουν από την κίνηση. Σε αντίθεση με μια έννοια όπως η στατική, η κινηματική είναι το δόγμα της κίνησης ενός σώματος, το οποίο δεν λαμβάνει υπόψη το γεγονός ότιπώς γίνεται η κίνηση. Μερικές φορές αναφέρεται ως "γεωμετρία της κίνησης".
Kinematics
Οι κινηματικές αρχές εφαρμόζονται συχνά για την ανάλυση του προσδιορισμού της θέσης, της ταχύτητας και της επιτάχυνσης σε διάφορα μέρη του εξοπλισμού κατά τη λειτουργία του. Η κινηματική εξετάζει την κίνηση ενός σημείου, ενός σώματος και ενός συστήματος σωμάτων χωρίς να εξετάζει τα αίτια της κίνησης. Η κίνηση περιγράφεται από ένα διάνυσμα μεγεθών όπως η μετατόπιση, η ταχύτητα και η επιτάχυνση μαζί με μια ένδειξη ενός πλαισίου αναφοράς. Διάφορα προβλήματα στην κινηματική επιλύονται χρησιμοποιώντας την εξίσωση της κίνησης.
Μηχανική - στατική: θεμελιώδη μεγέθη
Η ιστορία της μηχανικής εκτείνεται σε περισσότερο από έναν αιώνα. Οι βασικές αρχές της στατικής αναπτύχθηκαν εδώ και πολύ καιρό. Όλα τα είδη μοχλών, κεκλιμένα επίπεδα και άλλες αρχές χρειάζονταν κατά τη διάρκεια των πρώιμων πολιτισμών για την κατασκευή, για παράδειγμα, τεράστιων κατασκευών όπως οι πυραμίδες.
Τα θεμελιώδη μεγέθη στη μηχανική είναι το μήκος, ο χρόνος, η μάζα και η δύναμη. Τα τρία πρώτα ονομάζονται απόλυτα, ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Η δύναμη δεν είναι απόλυτη τιμή καθώς σχετίζεται με τη μάζα και τις αλλαγές στην ταχύτητα.
Μήκος
Το
Μήκος είναι μια τιμή που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη θέση ενός σημείου στο διάστημα σε σχέση με ένα άλλο σημείο. Αυτή η απόσταση ονομάζεται τυπική μονάδα μήκους. Η γενικά αποδεκτή τυπική μονάδα για τη μέτρηση του μήκους είναι ο μετρητής. Αυτό το πρότυποαναπτύχθηκε και βελτιώθηκε με τα χρόνια. Αρχικά, ήταν το ένα δέκατο εκατομμυριοστό τμήμα του επιφανειακού τεταρτημορίου της γης, με το οποίο ήταν αρκετά δύσκολο να γίνουν μετρήσεις. Στις 20 Οκτωβρίου 1983, το μέτρο ορίστηκε ως το μήκος της διαδρομής που διανύει το φως στο κενό σε 1/299.792.458 του δευτερολέπτου.
Ώρα
Ο χρόνος είναι ένα ορισμένο διάστημα μεταξύ δύο γεγονότων. Η γενικά αποδεκτή τυπική μονάδα χρόνου είναι η δεύτερη. Το δεύτερο αρχικά ορίστηκε ως το 1/86,4 της μέσης περιστροφικής περιόδου της Γης στον άξονά της. Το 1956, ο ορισμός του δευτερολέπτου βελτιώθηκε στο 1/31.556 του χρόνου που χρειάζεται για να ολοκληρώσει η Γη μια περιστροφή γύρω από τον Ήλιο.
Μάζα
Η μάζα είναι ιδιότητα της ύλης. Μπορεί να θεωρηθεί ως η ποσότητα ύλης που περιέχεται στο σώμα. Αυτή η κατηγορία ορίζει την επίδραση της βαρύτητας στο σώμα και την αντίσταση στην αλλαγή στην κίνηση. Αυτή η αντίσταση στην αλλαγή στην κίνηση ονομάζεται αδράνεια, η οποία είναι το αποτέλεσμα της μάζας του σώματος. Η γενικά αποδεκτή μονάδα μάζας είναι το κιλό.
Ισχύς
Η δύναμη είναι μια παράγωγη μονάδα, αλλά μια πολύ σημαντική μονάδα στη μελέτη της μηχανικής. Συχνά ορίζεται ως η δράση ενός σώματος σε ένα άλλο και μπορεί να είναι ή όχι αποτέλεσμα άμεσης επαφής μεταξύ των σωμάτων. Οι βαρυτικές και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις είναι παραδείγματα του αποτελέσματος μιας τέτοιας πρόσκρουσης. Υπάρχουν δύο αρχές επιρροής, δυνάμεων που τείνουν να αλλάξουν τις κινήσεις του συστήματος και που τείνουν ναπαραμορφώσεις. Η βασική μονάδα δύναμης είναι ο Νεύτωνας στο σύστημα SI και η λίβρα στο αγγλικό σύστημα.
Εξισώσεις ισορροπίας
Στατικό σημαίνει ότι τα εν λόγω αντικείμενα είναι απολύτως συμπαγή. Το άθροισμα όλων των δυνάμεων που ασκούνται σε ένα σώμα σε ηρεμία πρέπει να είναι ίσο με μηδέν, δηλαδή οι δυνάμεις που εμπλέκονται να ισορροπούν μεταξύ τους και να μην υπάρχει τάση για δυνάμεις ικανές να στρέψουν το σώμα γύρω από οποιονδήποτε άξονα. Αυτές οι συνθήκες είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους και η έκφρασή τους σε μαθηματική μορφή αποτελεί τις λεγόμενες εξισώσεις ισορροπίας.
Υπάρχουν τρεις εξισώσεις ισορροπίας, και επομένως μόνο τρεις άγνωστες δυνάμεις μπορούν να υπολογιστούν. Εάν υπάρχουν περισσότερες από τρεις άγνωστες δυνάμεις, σημαίνει ότι υπάρχουν περισσότερα εξαρτήματα στη δομή ή στο μηχάνημα από όσα απαιτούνται για την υποστήριξη ορισμένων φορτίων ή ότι υπάρχουν περισσότεροι περιορισμοί από αυτούς που είναι απαραίτητοι για να μην κινείται το σώμα.
Τέτοια περιττά στοιχεία ή περιορισμοί ονομάζονται περιττοί (για παράδειγμα, ένας πίνακας με τέσσερα σκέλη έχει ένα περιττό) και το σύστημα δυνάμεων είναι στατικά απροσδιόριστο. Ο αριθμός των διαθέσιμων εξισώσεων στη στατική είναι περιορισμένος, καθώς κάθε άκαμπτο σώμα παραμένει στερεό κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες, ανεξάρτητα από το σχήμα και το μέγεθος.
