مکانیک

مکانیک

مکانیک ( یونانی باستان Μέχανική — دستگاه ، دستگاه ، ماشین ) قدیمی ترین و بزرگترین شاخه اصلی فیزیک است . مکانیک ساده ترین اشکال حرکت ماده (حرکت مکانیکی) یا تغییر موقعیت اجسام مادی در فضا را بسته به زمان مطالعه می کند. تغییرات در وضعیت بدن نتیجه یک علت یا نیروی خارجی است ، بنابراین نیروها در مکانیک نیز مورد مطالعه قرار می گیرند (علل حرکت بررسی می شود). در انجام این کار، قوانین کلی کنش متقابل بین اجسام و نیروها مورد مطالعه قرار می گیرد که سپس با آزمایش تأیید می شود . مشکلات اساسی که مکانیک با آن سروکار دارد، حرکت اجسام و تعادل نیروها است.

با شروع از مفاهیم اولیه مکانیک، فضا ، زمان ، نیرو و جرم ، اسحاق نیوتن پایه گذاری کرد سه قانون اساسی مکانیک را بر اساس آنها استوار است که مکانیک نیوتنی یا کلاسیک . مطالعات نظری پدیده ها و قوانین حرکت، تعیین قوانین و درس های آنها، صرف نظر از معنای واقعی آنها، و تنها با استفاده از ابزارهای ریاضی، متعلق به مکانیک نظری یا عقلانی است. مکانیک که در آن قوانین و روش های مکانیک نظری در فناوری اعمال می شود ، مکانیک فنی یا کاربردی نامیده می شود.

(روش قیاسی) عمدتاً به کار می رود در مکانیک، استنتاج ، ابتدا مفاهیم و قوانین کلی تعیین (فرمول بندی) می شود و سپس سایر دروس با استدلال منطقی با استفاده از روش های ریاضی و هندسی استخراج می شود . از ساده ترین اجسام شروع می شود: ذرات و اجسام جامد، و سپس به تدریج سایر خصوصیات فیزیکی (الاستیسیته، پلاستیسیته و غیره) را در نظر می گیرد و بنابراین به شناخت دقیق تری از قوانین حرکت و تعادل اجسام واقعی در طبیعت نزدیک می شود.

قوانین و روش های مکانیک به طور گسترده در بسیاری از علوم برای حل متنوع ترین و اغلب بسیار پیچیده ترین مسائل فنی استفاده می شود. کلیه محاسبات فنی در حین طراحی و ساخت ساختمان ها ، طراحی و ساخت ماشین آلات و مکانیزم ها، وسایل نقلیه حمل و نقل ، هنگام مطالعه پرواز فضاپیماهای قابل هدایت و غیرهدایت و … بر اساس قوانین مکانیک می باشد. آغاز شد زمانی که عصر اکتشافات فضایی با استفاده از اجرام آسمانی مصنوعی ، مکانیک اهمیت ویژه‌ای پیدا کرد . محاسبات مسیرهای فضایی و توسعه روش های کنترل پرواز فضاپیما مسائل مکانیکی بسیار پیچیده ای هستند. ^[1]

مفروضات در مکانیک

مطالعه حرکت اجسام مادی در مکانیک بر اساس مفروضات زیر است:

• یک ذره ( نقطه مادی ) جسمی با ابعاد ناچیز اما با جرم محدود در نظر گرفته می شود . این اصطلاح به ویژه در دینامیک مهم است، در حالی که در سینماتیک می توان آن را به یک نقطه هندسی تقلیل داد. نقش یک ذره را می توان با مرکز اینرسی منظومه ذرات ایفا کرد، به این ترتیب در نظر گرفته می شود که جرم کل منظومه در آنها متمرکز است، به عنوان مثال، سیارات مشاهده شود ذره هستند اگر حرکت آنها به دور خورشید بدون . با در نظر گرفتن چرخش خود ( چرخش )؛
• کاملاً جامد (صلب) جسم جسمی است که در آن فاصله بین هر دو نقطه آن بدون تغییر باقی بماند. اگر این فاصله تغییر کند، جسم جامد (تغییر شکل) نامیده می شود.
• فرض یک محیط پیوسته ( پیوسته ) اجازه می دهد تا ترتیب متقابل حجم های اصلی (ابتدایی) ( حجم ) را تغییر دهیم. سپس بر خلاف جسم صلب باید تعداد بی نهایت فاکتور (پارامتر) برای تعیین حرکت جسم مشخص شود. به محیط های پیوسته تعلق دارند . جامد , مایع و گاز اجسام

تقسیم بندی پایه مکانیک

مکانیک ها معمولاً به دو دسته تقسیم می شوند:

• مکانیک ذرات (نقاط ماده)،
• مکانیک سیستم های ذرات (نقاط مادی)،
• مکانیک یک جسم جامد (صلب) که بیشتر به موارد زیر تقسیم می شود:
  • استاتیک ،
  • سینماتیک ،
  • دینامیک ،
  • مکانیک تغییر شکل
• مکانیک رسانه های پیوسته (مکانیک پیوسته)، که بیشتر به موارد زیر تقسیم می شود:
  • علم قدرت (نظریه ارتجاعی)،
  • هیدرومکانیک ( هیدرودینامیک )
  • هوا مکانیک،
  • مکانیک سیالات (مکانیک گاز، دینامیک گاز)،
  • هیدرولیک .

به منظور پاسخگویی به مشکلات خاص هر شاخه در حوزه های مختلف فناوری، حوزه های خاصی از فناوری توسعه یافته است، مانند نظریه مکانیزم، دینامیک ماشین، نظریه ژیروسکوپ، بالستیک، دینامیک موشک که قوانین مکانیک بدنه صلب را اعمال می کند. علم استحکام یا مقاومت مواد و هیدرولیک مبانی مشترکی با تئوری الاستیسیته یعنی هیدرودینامیک دارند، اما با روش‌های عملی محاسبه سروکار دارند که نتایج آزمایش‌ها را اندکی تغییر می‌دهند. مکانیک به عنوان قدیمی ترین شاخه فیزیک به موازات سایر شاخه های فیزیک مانند ترمودینامیک، اپتیک و غیره توسعه یافت.

استاتیک

مقاله اصلی: استاتیک

استاتیک رشته ای از مکانیک است که در آن شرایط تعادل با مشاهده سکون به عنوان حالت خاصی از حرکت بررسی می شود. در استاتیک، ما فقط با اصطلاحات: فضا و نیرو کار می کنیم .

سینماتیک

نوشتار اصلی: سینماتیک

سینماتیک رشته ای از مکانیک است که حرکت اجسام را بدون توجه به علت ایجاد چنین حرکتی مطالعه می کند. حرکت در شرایط هندسی داده شده بسته به زمان مشاهده می شود و بنابراین فقط با مفاهیم: فضا و زمان کار می کند .

دینامیک

مقاله اصلی: دینامیک

دینامیک رشته‌ای از مکانیک است که در آن وابستگی بین حرکت و نیروهای وارد بر جسم با در نظر گرفتن جرم آن مورد مطالعه قرار می‌گیرد، بنابراین فقط با مفاهیم فضا، زمان، نیرو و جرم کار می‌کند .

مکانیک نسبیتی

باید در نظر داشت که مکانیک کلاسیک فقط به طور تقریبی وفادارانه پدیده های حرکت در طبیعت را توصیف می کند، زیرا بر فرضیاتی استوار است که هندسه جهان و نحوه عمل اجسام در طبیعت را به طور کامل بیان نمی کند. این امر پس از آن آشکار شد که آلبرت انیشتین را ارائه کرد نظریه نسبیت خاص ، که مکانیک نسبیتی مبتنی بر آن است. با این حال، مکانیک کلاسیک، که در واقع یک مورد خاص (به طور دقیق تر، مرزی) از مکانیک نسبیتی است، معنای خود را از دست نمی دهد، زیرا آموزه های آن برای سرعت های حرکتی که در مقایسه با سرعت نور به اندازه کافی کوچک هستند، الزامات بسیاری از شاخه ها را برآورده می کند. تکنولوژی با بسیار بالا دقت .

اصطلاحات و روش های اساسی مکانیک

قوانین مکانیک کلاسیک در مورد سیستم های مختصات اینرسی یا گالیله ای اعمال می شود، بنابراین در محدوده مکانیک کلاسیک (نیوتنی)، زمان را می توان مستقل از فضا در نظر گرفت. معیارهای اصلی حرکتی حرکت عبارتند از سرعت، که دارای خاصیت بردار است زیرا نه تنها مسیر تغییر مسیر را با زمان تعیین می کند، بلکه جهت حرکت را نیز تعیین می کند، و شتاب (شتاب) که نشان دهنده میزان تغییر است. بردار سرعت به عنوان تابعی از زمان.

بردار سرعت زاویه ای و بردار شتاب زاویه ای به عنوان معیارهای حرکت دایره ای (چرخش) یک جسم صلب عمل می کنند. در استاتیک یک جسم الاستیک، معنای اصلی بردار جابجایی و تانسور کرنش متناظر آن است که شامل مفاهیم ازدیاد طول نسبی و لغزش است.

هنگام مطالعه میدان سرعت یک سیال در حالت حرکت، از مفاهیم گرداب که چرخش یک ذره را مشخص می کند و مفاهیم تانسور نرخ کرنش استفاده می شود.

زور

نوشتار اصلی: نیرو

نیرو مفهوم عمل متقابل اجسام است که تغییر حرکت مکانیکی را بسته به زمان مشخص می کند. تمام ویژگی های اساسی نیرو، مانند قدرت (شدت)، جهت و جهت عمل، و چنگ زدن آن به طور منحصر به فرد نیرو را به عنوان یک بردار تعیین می کند .

مفهوم نیرو توسط قوانین مکانیک نیوتن معرفی شد. قانون اول نیوتن (قانون اینرسی) حرکت اجسام را با توجه به شرایط انزوای آنها از اجسام دیگر یا زمانی که اعمال خارجی متعادل هستند مشخص می کند. قانون دوم نیوتن رابطه کمی بین نیروی وارد بر یک ذره و تغییر در مقدار حرکت ناشی از آن نیرو برقرار می کند. قانون سوم نیوتن بیان می کند که اعمال متقابل دو جسم همیشه برابر و دارای جهت عمل یکسان هستند، اما در جهت مخالف هستند. در حالی که دو قانون اول به یک ذره اشاره دارد، سومین قانون برای سیستم های ذرات معنایی اساسی دارد. به موازات این سه قانون اساسی دینامیک، قانون استقلال عمل نیرو نیز معتبر است که در قاعده متوازی الاضلاع نیروها خلاصه می شود.

تکانه و انرژی جنبشی

علاوه بر عباراتی که در بالا ذکر شد، مقادیر دیگری از حرکت و عمل نیز در مکانیک به کار می رود. مهمترین آنها عبارتند از: کمیت برداری، مقدار حرکت ، که برابر با حاصل ضرب جرم و بردار سرعت است، و کمیت اسکالر، انرژی جنبشی ، که برابر با نصف حاصلضرب جرم و مربع است. از سرعت در حین چرخش (چرخش) جسم صلب، خواص اینرسی آن توسط تانسور اینرسی داده می شود که ممان دینامیکی اینرسی و گشتاورهای گریز از مرکز را در هر نقطه از بدن نسبت به سه محوری که از آن نقطه می گذرد، تعیین می کند. به عنوان اندازه گیری حرکت دایره ای یک جسم صلب، بردار گشتاور تکانه که برابر است با حاصلضرب ممان اینرسی و سرعت زاویه ای است.

نیروی تکانه و کار مکانیکی

به عنوان معیارهای عمل نیرو، از موارد زیر استفاده می شود: بردار اندازه گیری ضربه نیرو ، که برابر است با حاصل ضرب نیرو و کسری از زمان عمل آن، و اندازه گیری اسکالر کار مکانیکی ، که حاصل ضرب اسکالر نیرو است. بردار نیرو و جابجایی اساسی چنگال آن. در حرکت دایره ای، لحظه نیرو به عنوان معیار عمل عمل می کند.

قانون هوک

مقاله اصلی: قانون هوک

مطالعه تعادل و حرکت در مکانیک محیط پیوسته (مکانیک پیوسته) بر اساس قوانین ارتباط بین تانسورهای کرنش یا نرخ کرنش است. قانون هوک در استاتیک جسم الاستیک خطی و قانون نیوتن در دینامیک سیال چسبناک است. روابط دیگری نیز وجود دارد که پدیده هایی را که در بدن واقعی رخ می دهند، با دقت بیشتری توصیف می کنند، مانند نظریه خزش، نظریه آرامش و غیره.

تاریخ مکانیک

نوشتار اصلی: تاریخچه مکانیک کلاسیک

بسیاری از آثار تاریخی می گویند که مردم حتی در گذشته های دور به مکانیک مشغول بودند. اهرام مصر باستان ، باغ های معلق بابل ، استون هنج ، معابد و بنادر یونان باستان ، پل ها و قنات های روم باستان و بسیاری از بناهای دیگر ثابت می کنند که مردم در دوران باستان داشته اند دانش تجربی در زمینه مکانیک . چرخ چوبی لیوبلیانا قدیمی ترین چرخ چوبی با محور در جهان است و حدود 5150 سال قدمت دارد. بسیار سروکار داشتند علاوه بر این، مردم قدیم با مکانیک سماوی، مشاهده و بررسی حرکت اجرام سماوی ، به طوری که می توان گفت که آغازین مکانیک همان آغاز تمدن و دین بشری است . مکانیسم Antikythera یک وسیله مکانیکی پیچیده با چرخ دنده و صفحه است و برای پیش بینی موقعیت سیارات ، خورشید و ماه استفاده می شود و فرض بر این است که قدمت آن بین 150 تا 100 قبل از میلاد باشد. Kr.

قرون وسطی دوره ایجاد مبانی مکانیک بود. با گسترش تجارت های جدید، تجارت، دریانوردی و مهارت های جنگی و در ارتباط با این دانش جدید گردآوری شد، در قرن 14 و 15 میلادی ( رنسانس رونق گرفت ) علم و هنر . رویدادی که دیدگاه قبلی نسبت به جهان و زندگی را به طور اساسی تغییر داد، اثر نیکلاس کوپرنیک منتشر کرد (1473 – 1543) بود که منظومه هلیومرکزی (کوپرنیک) جهان را که بر اساس این ادعا است که زمین حول محور خود می چرخد. و به دور خورشید می چرخد . این ادعاها خیلی زود در محافل علمی پذیرفته شد.

اعتبار اصلی برای تعیین دقیق قوانین اساسی مکانیک کلاسیک متعلق به اسحاق نیوتن (1643 – 1728) است، که در اثر اصول ریاضی فلسفه طبیعی (در آن زمان فیزیک را فلسفه طبیعی می نامیدند) که در سال 1687 منتشر شد، تمام مطالب قبلی را گردآوری کرد. دانش در زمینه مکانیک و مسیر پیشرفت بیشتر مکانیک را برای چندین قرن پیش رو نشان داد. نیوتن مفهوم جرم را معرفی می کند ، مفهوم نیرو را به طور دقیق تر تعریف می کند و با کمک سه قانون حرکت نیوتن خود ، کل مکانیک را می سازد. نیوتن همچنین قانون اصطکاک داخلی ( ویسکوزیته ) را در مایعات و گازها کشف کرد. کار او آغاز دوره جدیدی از مکانیک نظری است. بر اساس نتیجه گیری کپلر در مورد جاذبه بین اجرام آسمانی و تلاش های دیگر در قرن هفدهم، قانون گرانش نیوتن توضیح داد . از آن، او قوانین کپلر را به صورت ریاضی استخراج کرد و این را دلیلی بر این دانست که فرضی که قانون گرانش ایجاد می کند به خوبی انتخاب شده است. نیز معتبر است نیوتن معتقد بود که این قانون برای مکانیک روی زمین ، به طوری که علت سقوط سنگ در آن جاذبه عمومی است و در وسعت آسمان نیز معتبر است. با این حال، نیوتن ماهیت این جاذبه را تعیین نکرد ( گرانش )، زیرا این امر مستلزم ایجاد فرضیاتی است که از آزمایش‌ها ناشی نمی‌شوند و او آن را غیرقابل قبول می‌داند.

ارتقای اساسی مکانیک کلاسیک نیوتن در آغاز قرن بیستم در دو جهت آغاز شد: نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین (1905) و انرژی توسط پلانک اولیه کشف کوانتوم (1900). یکی از پیامدهای مهم نظریه نسبیت، برخلاف مکانیک کلاسیک، این است که جرم یک ثابت نیست، بلکه تابعی از سرعت حرکت بدن است و بین جرم و انرژی برابری وجود دارد، E = m o _. xc ² یا جرم (m) و انرژی (E) فقط دو شکلی هستند که ماده را نشان می دهند .