Статиката е науката за методите за количествено определяне на силата на взаимодействие между телата. Тези сили са отговорни за поддържането на равновесие, движението на телата или промяната на формата им. В ежедневието можете да видите много различни примери всеки ден. Промените в движението и формата са от решаващо значение за функционалността както на създадените от човека, така и на естествените обекти.
Концепцията за статиката
Основите на статиката са положени преди повече от 2200 години, когато древногръцкият математик Архимед и други учени от онова време изучават свойствата на усилване и изобретяват прости механизми като лост и ос. Статиката е клон на механиката, който се занимава със силите, които действат върху тела в покой при условие на равновесие.
Това е клонът на физиката, който прави възможни аналитични и графични процедури, необходими за идентифициране и описание на тези неизвестни сили. Разделът "статика" (физика) играе важна роля в много клонове на инженерството, механиката,гражданско, авиационно и биоинженерство, които се занимават с различните въздействия на силите. Когато тялото е в покой или се движи с еднаква скорост, тогава говорим за тази област на физиката. Статиката е изследване на баланса на тялото.
Методите и резултатите от този клон на науката се оказаха особено полезни при проектирането на сгради, мостове и язовири, както и на кранове и други подобни механични устройства. За да могат да изчислят размерите на такива конструкции и оборудване, архитектите и инженерите трябва първо да определят силите, които действат върху техните взаимосвързани части.
Аксиоми на статиката
Статиката е клон на физиката, който изучава условията, при които механичните и други системи остават в определено състояние, което не се променя с времето. Този раздел от физиката се основава на пет основни аксиоми:
1. Твърдо тяло е в състояние на статично равновесие, ако върху него действат две сили с еднакъв интензитет, лежат на една и съща линия на действие и са насочени в противоположни посоки по една и съща линия.
2. Твърдото тяло ще остане в статично състояние, докато не бъде повлияно от външни сили или система от сили.
3. Резултатът от две сили, действащи в една и съща материална точка, е равна на векторната сума на двете сили. Тази аксиома се подчинява на принципа на векторното сумиране.
4. Две взаимодействащи тела реагират едно на друго с две сили с еднаква интензивност в противоположни посоки по една и съща линия на действие. Товааксиомата се нарича още принцип на действие и реакция.
5. Ако деформируемо тяло е в състояние на статично равновесие, то няма да бъде нарушено, ако физическото тяло остане в твърдо състояние. Тази аксиома се нарича още принцип на втвърдяване.
Механика и нейните раздели
Физика на гръцки (physikos - "естествен" и "physis" - "природа") буквално означава науката, която се занимава с природата. Той обхваща всички известни закони и свойства на материята, както и силите, действащи върху нея, включително гравитацията, топлината, светлината, магнетизма, електричеството и други сили, които могат да променят основните характеристики на обектите. Един от клоновете на науката е механиката, която включва такива важни подраздели като статика и динамика, както и кинематика.
Механиката е клон на физиката, който изучава сили, обекти или тела, които са в покой или в движение. Това е един от най-големите субекти в областта на науката и технологиите. Задачите в статиката включват изследване на състоянието на телата под въздействието на различни сили. Кинематиката е клон от физиката (механика), който изучава движението на обекти, независимо от силите, които причиняват движението.
Теоретична механика: статика
Механиката е физическа наука, която разглежда поведението на телата под действието на силите. Има 3 категории механика: абсолютно твърдо тяло, деформируеми тела и течност. Твърдо тяло е тяло, което не се деформира под действието насили. Теоретичната механика (статиката - част от механиката на абсолютно твърдо тяло) също включва динамика, която от своя страна се разделя на кинематика и кинетика.
Механиката на деформируемо тяло се занимава с разпределението на силите вътре в тялото и произтичащите от това деформации. Тези вътрешни сили причиняват определени напрежения в тялото, което в крайна сметка може да доведе до промяна в самия материал. Тези въпроси се изучават в курсове за здравина на материалите.
Механиката на флуидите е клон на механиката, който се занимава с разпределението на силите в течности или газове. Течностите се използват широко в инженерството. Те могат да бъдат класифицирани като несвиваеми или компресируеми. Приложенията включват хидравлика, аерокосмическа и много други.
Концепцията за динамика
Dynamics се занимава със сила и движение. Единственият начин да промените движението на тялото е да използвате сила. Наред със силата, динамиката изучава и други физически понятия, сред които са следните: енергия, импулс, сблъсък, център на тежестта, въртящ момент и инерционен момент.
Статично и динамично са напълно противоположни състояния. Динамиката е изучаване на тела, които не са в равновесие и се получава ускорение. Кинетиката е изследване на силите, които причиняват движение, или силите, които са резултат от движението. За разлика от такова понятие като статика, кинематиката е учението за движението на тялото, което не отчита факта, чекак се извършва движението. Понякога се нарича "геометрия на движението".
Кинематика
Кинематичните принципи често се прилагат за анализиране на определянето на позицията, скоростта и ускорението в различни части на оборудването по време на неговата работа. Кинематиката разглежда движението на точка, тяло и система от тела, без да отчита причините за движението. Движението се описва с вектор от величини като преместване, скорост и ускорение, заедно с индикация на референтна система. Различни задачи в кинематиката се решават с помощта на уравнението на движението.
Механика - статика: фундаментални величини
Историята на механиката обхваща повече от един век. Основните принципи на статиката са разработени много отдавна. Всички видове лостове, наклонени равнини и други принципи са били необходими по време на ранните цивилизации, за да се изградят, например, такива огромни структури като пирамидите.
Основните величини в механиката са дължина, време, маса и сила. Първите три се наричат абсолютни, независими един от друг. Силата не е абсолютна стойност, тъй като е свързана с масата и промените в скоростта.
Дължина
Length е стойност, използвана за описание на позицията на точка в пространството спрямо друга точка. Това разстояние се нарича стандартна единица за дължина. Общоприетата стандартна единица за измерване на дължината е метърът. Този стандартразвиван и усъвършенстван през годините. Първоначално това беше една десетмилионна част от квадранта на земната повърхност, с която беше доста трудно да се правят измервания. На 20 октомври 1983 г. метърът е определен като дължината на пътя, изминат от светлината във вакуум за 1/299.792.458 от секундата.
Време
Времето е определен интервал между две събития. Общоприетата стандартна единица за време е секундата. Вторият първоначално е определен като 1/86,4 от средния период на въртене на Земята по оста. През 1956 г. дефиницията на секундата е подобрена до 1/31,556 от времето, необходимо на Земята да извърши един оборот около Слънцето.
Маса
Масата е свойство на материята. Може да се разглежда като количеството материя, съдържаща се в тялото. Тази категория определя ефекта на гравитацията върху тялото и съпротивлението на промяна в движението. Това съпротивление срещу промяна в движението се нарича инерция, което е резултат от масата на тялото. Общоприетата единица за маса е килограм.
Мощност
Силата е производна единица, но много важна единица в изучаването на механиката. Често се определя като действие на едно тяло върху друго и може или не може да бъде резултат от директен контакт между телата. Гравитационните и електромагнитните сили са примери за резултата от такова въздействие. Има два принципа на влияние, на силите, които са склонни да променят движенията на системата и които са склоннидеформации. Основната единица за сила е Нютон в системата SI и паунд в английската система.
Равновесни уравнения
Статично означава, че въпросните обекти са абсолютно твърди. Сумата от всички сили, действащи върху покойно тяло, трябва да бъде равна на нула, тоест участващите сили се балансират взаимно и не трябва да има тенденция за сили, способни да завъртят тялото около която и да е ос. Тези условия са независими едно от друго и тяхното изразяване в математическа форма представлява така наречените уравнения на равновесие.
Има три уравнения на равновесие и следователно само три неизвестни сили могат да бъдат изчислени. Ако има повече от три неизвестни сили, това означава, че има повече компоненти в конструкцията или машината, отколкото са необходими за поддържане на определени натоварвания, или че има повече ограничения, отколкото е необходимо, за да се предотврати движението на тялото.
Такива ненужни компоненти или ограничения се наричат излишни (например маса с четири крака има един излишен), а системата от сили е статично неопределена. Броят на наличните уравнения в статиката е ограничен, тъй като всяко твърдо тяло остава твърдо при всякакви условия, независимо от формата и размера.
