Statyka to nauka o metodach ilościowego określania siły interakcji między ciałami. Siły te odpowiadają za utrzymanie równowagi, poruszanie ciałem lub zmianę ich kształtu. W życiu codziennym każdego dnia można zobaczyć wiele różnych przykładów. Zmiany ruchu i kształtu mają kluczowe znaczenie dla funkcjonalności zarówno obiektów stworzonych przez człowieka, jak i naturalnych.
Pojęcie statyki
Podstawy statyki zostały położone ponad 2200 lat temu, kiedy starożytny grecki matematyk Archimedes i inni naukowcy tamtych czasów badali właściwości wzmacniające i wymyślali proste mechanizmy, takie jak dźwignia i oś. Statyka to gałąź mechaniki zajmująca się siłami działającymi na ciała w stanie spoczynku w warunkach równowagi.
Jest to dziedzina fizyki, która umożliwia procedury analityczne i graficzne potrzebne do identyfikacji i opisania tych nieznanych sił. Dział „statyka” (fizyka) odgrywa ważną rolę w wielu gałęziach inżynierii, mechaniki,cywilnej, lotniczej i bioinżynierii, które zajmują się różnymi skutkami sił. Kiedy ciało odpoczywa lub porusza się z jednostajną prędkością, mówimy o tym obszarze fizyki. Statyka to nauka o ciele w równowadze.
Metody i wyniki tej gałęzi nauki okazały się szczególnie przydatne w projektowaniu budynków, mostów i zapór, a także dźwigów i innych podobnych urządzeń mechanicznych. Aby móc obliczyć wymiary takich konstrukcji i wyposażenia, architekci i inżynierowie muszą najpierw określić siły działające na ich połączone części.
Aksjomaty statyki
Statyka to dziedzina fizyki zajmująca się badaniem warunków, w których systemy mechaniczne i inne pozostają w określonym stanie, który nie zmienia się w czasie. Ta część fizyki opiera się na pięciu podstawowych aksjomatach:
1. Ciało sztywne znajduje się w stanie równowagi statycznej, jeśli działają na nie dwie siły o tym samym natężeniu, leżą na tej samej linii działania i są skierowane w przeciwnych kierunkach wzdłuż tej samej linii.
2. Ciało sztywne pozostanie w stanie statycznym, dopóki nie zadziałają na nie siły zewnętrzne lub układ sił.
3. Wypadkowa dwóch sił działających w tym samym punkcie materialnym jest równa sumie wektorowej tych dwóch sił. Aksjomat ten jest zgodny z zasadą sumowania wektorów.
4. Dwa oddziałujące na siebie ciała reagują na siebie dwiema siłami o równym natężeniu w przeciwnych kierunkach wzdłuż tej samej linii działania. Tenaksjomat jest również nazywany zasadą akcji i reakcji.
5. Jeśli ciało odkształcalne jest w stanie równowagi statycznej, nie zostanie zakłócone, jeśli ciało fizyczne pozostanie w stanie stałym. Aksjomat ten nazywany jest również zasadą krzepnięcia.
Mechanika i jej sekcje
Fizyka po grecku (physikos - "naturalna" i "physis" - "natura") dosłownie oznacza naukę, która zajmuje się naturą. Obejmuje wszystkie znane prawa i właściwości materii, a także działające na nią siły, w tym grawitację, ciepło, światło, magnetyzm, elektryczność i inne siły, które mogą zmieniać podstawowe cechy obiektów. Jedną z gałęzi nauki jest mechanika, która obejmuje tak ważne podrozdziały jak statyka i dynamika, a także kinematyka.
Mechanika to dział fizyki zajmujący się badaniem sił, obiektów lub ciał znajdujących się w spoczynku lub w ruchu. Jest jednym z największych podmiotów w dziedzinie nauki i techniki. Zadania statyki obejmują badanie stanu ciał pod wpływem różnych sił. Kinematyka jest gałęzią fizyki (mechaniki), która bada ruch obiektów, niezależnie od sił, które powodują ruch.
Mechanika teoretyczna: statyka
Mechanika to nauka fizyczna, która uwzględnia zachowanie ciał pod działaniem sił. Istnieją 3 kategorie mechaniki: ciało absolutnie sztywne, ciała odkształcalne i ciecz. Ciało sztywne to ciało, które nie odkształca się pod wpływemsiły. Mechanika teoretyczna (statyka - część mechaniki ciała absolutnie sztywnego) obejmuje również dynamikę, która z kolei dzieli się na kinematykę i kinetykę.
Mechanika ciała odkształcalnego zajmuje się rozkładem sił wewnątrz ciała i wynikającymi z tego odkształceniami. Te siły wewnętrzne powodują pewne naprężenia w ciele, które ostatecznie mogą prowadzić do zmiany samego materiału. Zagadnienia te są omawiane na kursach dotyczących wytrzymałości materiałów.
Mechanika płynów jest gałęzią mechaniki zajmującą się rozkładem sił w cieczach lub gazach. Płyny są szeroko stosowane w inżynierii. Można je sklasyfikować jako nieściśliwe lub ściśliwe. Zastosowania obejmują hydraulikę, lotnictwo i wiele innych.
Pojęcie dynamiki
Dynamika dotyczy siły i ruchu. Jedynym sposobem na zmianę ruchu ciała jest użycie siły. Wraz z siłą, dynamika bada inne pojęcia fizyczne, wśród których są: energia, pęd, zderzenie, środek ciężkości, moment obrotowy i moment bezwładności.
Statyczny i dynamiczny to całkowicie przeciwne stany. Dynamika to nauka o ciałach, które nie są w równowadze i następuje przyspieszenie. Kinetyka to nauka o siłach powodujących ruch lub siłach wynikających z ruchu. W przeciwieństwie do takiego pojęcia jak statyka, kinematyka jest doktryną ruchu ciała, która nie uwzględnia faktu, żejak powstaje ruch. Czasami nazywa się to „geometrią ruchu”.
Kinematyka
Zasady kinematyczne są często stosowane do analizy określania położenia, prędkości i przyspieszenia w różnych częściach sprzętu podczas jego eksploatacji. Kinematyka rozpatruje ruch punktu, ciała i układu ciał bez uwzględniania przyczyn ruchu. Ruch jest opisany przez wektor wielkości takich jak przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie wraz ze wskazaniem układu odniesienia. Różne problemy kinematyki są rozwiązywane za pomocą równania ruchu.
Mechanika - statyka: wielkości podstawowe
Historia mechaniki obejmuje ponad sto lat. Podstawowe zasady statyki zostały opracowane dawno temu. Wszelkiego rodzaju dźwignie, pochyłe płaszczyzny i inne zasady były potrzebne we wczesnych cywilizacjach do budowy, na przykład, tak ogromnych konstrukcji jak piramidy.
Podstawowymi wielkościami w mechanice są długość, czas, masa i siła. Pierwsze trzy nazywane są absolutnymi, niezależnymi od siebie. Siła nie jest wartością bezwzględną, ponieważ jest związana z masą i zmianami prędkości.
Długość
Długość to wartość używana do opisania położenia punktu w przestrzeni względem innego punktu. Odległość ta nazywana jest standardową jednostką długości. Powszechnie przyjętą standardową jednostką pomiaru długości jest metr. Ten standardrozwijane i ulepszane przez lata. Początkowo była to jedna dziesięciomilionowa część kwadrantu powierzchni Ziemi, z którą dość trudno było dokonać pomiarów. 20 października 1983 r. metr zdefiniowano jako długość drogi, którą światło przebyło w próżni w ciągu 1/299.792.458 sekundy.
Czas
Czas to określony odstęp między dwoma wydarzeniami. Ogólnie przyjętą standardową jednostką czasu jest druga. Drugi został pierwotnie zdefiniowany jako 1/86,4 średniego okresu obrotu Ziemi na jej osi. W 1956 r. definicja sekundy została poprawiona do 1/31,556 czasu potrzebnego Ziemi na wykonanie jednego obrotu wokół Słońca.
Msza
Masa jest własnością materii. Można to traktować jako ilość materii zawartej w ciele. Ta kategoria określa wpływ grawitacji na ciało i odporność na zmiany w ruchu. Ten opór przed zmianą ruchu nazywa się bezwładnością, która jest wynikiem masy ciała. Ogólnie przyjętą jednostką masy jest kilogram.
Moc
Siła jest jednostką pochodną, ale bardzo ważną jednostką w nauce mechaniki. Często definiuje się ją jako działanie jednego ciała na drugie i może, ale nie musi, być wynikiem bezpośredniego kontaktu między ciałami. Przykładami skutków takiego uderzenia są siły grawitacyjne i elektromagnetyczne. Istnieją dwie zasady oddziaływania sił, które mają tendencję do zmiany ruchów systemu i które mają tendencję dodeformacje. Podstawową jednostką siły jest Newton w systemie SI oraz funt w systemie angielskim.
Równania równowagi
Statyczny oznacza, że przedmiotowe obiekty są całkowicie stałe. Suma wszystkich sił działających na ciało w spoczynku musi być równa zeru, co oznacza, że działające siły równoważą się i nie powinno być tendencji do występowania sił zdolnych do obracania ciała wokół dowolnej osi. Warunki te są od siebie niezależne, a ich wyrażenie w postaci matematycznej tworzy tak zwane równania równowagi.
Istnieją trzy równania równowagi, dlatego można obliczyć tylko trzy nieznane siły. Jeśli istnieją więcej niż trzy nieznane siły, oznacza to, że w konstrukcji lub maszynie jest więcej elementów, niż jest to wymagane do utrzymania określonych obciążeń, lub że istnieje więcej ograniczeń niż jest to konieczne, aby uniemożliwić ruch ciała.
Takie niepotrzebne komponenty lub ograniczenia nazywane są nadmiarowymi (na przykład stół z czterema nogami ma jeden nadmiarowy), a układ sił jest statycznie nieokreślony. Liczba równań dostępnych w statyce jest ograniczona, ponieważ każda bryła sztywna pozostaje stała w każdych warunkach, niezależnie od kształtu i rozmiaru.
