力学は、力や変位を受けたときの物体の挙動と、物体が環境に及ぼすその後の影響を扱う物理学の分野です。この分野は、静止している物体を研究する静力学と、運動している物体を研究する動力学の 2 つの主な領域に分けられます。
静力学は、静的平衡状態、つまりサブシステムの相対位置が時間とともに変化しない状態、またはコンポーネントと構造が一定速度である状態における物理システムにかかる負荷 (力、トルク/モーメント) の分析に関係します。静力学における重要な概念は、力の合計と任意の点に関するモーメントの合計がゼロになる平衡の概念です。
たとえば、テーブルの上に置かれた本という単純なケースを考えてみましょう。本の重さは重力によって下向きの力を発揮し、テーブルは法線力と呼ばれる同じ大きさで反対向きの力で本を支えます。ニュートンの第 3 法則によれば、これらの力は大きさが等しく方向が反対であるため、本は静止したままになります。
力学は、物体の力と運動を研究する学問です。さらに、原因に関係なく運動の記述に重点を置く運動学と、物体の運動を引き起こしたり修正したりする力を研究する運動学に分かれます。
力学における重要な概念にはニュートンの運動の法則があり、次のように要約できます。
動力学を示す例として、道路上で加速する車の動きが挙げられます。ドライバーがアクセルペダルを踏むと、エンジンは車を前進させる力を生み出します。ニュートンの第 2 法則によれば、車の加速はエンジンが生み出す力と車の質量によって決まります。
エネルギーは、仕事をする能力に関連する、力学における重要な概念です。力学的エネルギーには、運動エネルギーである運動エネルギーと、位置または配置によって物体に蓄えられるエネルギーである位置エネルギーの 2 つの主な種類があります。
機械的エネルギー保存の原理は、保存力（重力や弾性力など）のみが仕事をしている場合、システムの機械的エネルギーの合計は一定のままであると述べています。これは、式\(E_{total} = K + U\)で表すことができます。ここで、 \(E_{total}\)は機械的エネルギーの合計、 \(K\)は運動エネルギー、 \(U\)は位置エネルギーです。
単純機械とは、力の方向や大きさを変えることができる装置です。これらは、より複雑な機械の基本的な構成要素です。 典型的な単純機械は、てこ、車輪と車軸、滑車、傾斜面、くさび、ねじの 6 つです。
たとえば、てこは、少ない労力で重いものを持ち上げることができる単純な機械です。てこの原理は、モーメントの法則から生じる機械的利点の概念です。つまり、加えられた力に支点からの距離を掛けた値は、負荷力に支点からの距離を掛けた値と等しくなければなりません。これは、 \(F_1d_1 = F_2d_2\)と表すことができます。ここで、 \(F_1\)と\(F_2\)は力、 \(d_1\)と\(d_2\)支点からの距離です。
力学は物理学の基礎的な分野であり、力と運動の研究を通じて物理世界に関する包括的な理解を提供します。静力学と動力学はどちらも物体の平衡と運動に関する重要な洞察を提供し、エネルギーと単純な機械の概念は、現実世界のシナリオにおけるこれらの原理の実際的な応用を示しています。力学の研究は、宇宙に対する理解を深めるだけでなく、日常の問題に対する解決策を設計する能力を高めます。
