Mechanica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met het gedrag van fysieke lichamen wanneer ze worden blootgesteld aan krachten of verplaatsingen, en het daaropvolgende effect van de lichamen op hun omgeving. Dit vakgebied kan worden onderverdeeld in twee hoofdgebieden: statica , de studie van lichamen in rust, en dynamica , de studie van bewegende lichamen.
Statica houdt zich bezig met de analyse van belastingen (kracht, koppel/moment) op fysieke systemen in statisch evenwicht, dat wil zeggen in een toestand waarin de relatieve posities van subsystemen niet variëren in de tijd, of waar componenten en structuren een constante snelheid hebben. . Een belangrijk concept in de statica is het idee van evenwicht, waarbij de som van de krachten en de som van de momenten rond elk punt nul moet zijn.
Neem bijvoorbeeld een eenvoudig geval waarin een boek op een tafel ligt. Het gewicht van het boek oefent een neerwaartse kracht uit als gevolg van de zwaartekracht, en de tafel ondersteunt het boek met een gelijke en tegengestelde kracht die bekend staat als de normaalkracht. Volgens de derde wet van Newton zijn deze krachten even groot en tegengesteld in richting, waardoor het boek in rust blijft.
Dynamica is de studie van de krachten en beweging van objecten. Het is verder opgesplitst in kinematica, die zich richt op de beschrijving van beweging zonder rekening te houden met de oorzaken ervan, en kinetiek, die de krachten onderzoekt die de beweging van objecten veroorzaken of wijzigen.
Sleutelbegrippen in de dynamiek zijn onder meer de bewegingswetten van Newton, die als volgt kunnen worden samengevat:
Een voorbeeld dat de dynamiek demonstreert, is de beweging van een auto die accelereert op een weg. Wanneer de bestuurder het gaspedaal indrukt, genereert de motor een kracht die de auto vooruit duwt. Volgens de tweede wet van Newton wordt de versnelling van de auto bepaald door de kracht die door de motor wordt gegenereerd en de massa van de auto.
Energie is een sleutelbegrip in de mechanica, gerelateerd aan het vermogen om arbeid te verrichten. Er zijn twee hoofdtypen mechanische energie: kinetische energie , de bewegingsenergie, en potentiële energie , de energie die in een object is opgeslagen vanwege de positie of opstelling ervan.
Het principe van het behoud van mechanische energie stelt dat als alleen conservatieve krachten (zoals zwaartekracht en elastische krachten) werk verrichten, de totale mechanische energie van een systeem constant blijft. Dit kan worden weergegeven als de vergelijking \(E_{total} = K + U\) , waarbij \(E_{total}\) de totale mechanische energie is, \(K\) de kinetische energie, en \(U\) is de potentiële energie.
Eenvoudige machines zijn apparaten die de richting of grootte van een kracht kunnen veranderen. Het zijn de fundamentele componenten van complexere machines. De zes klassieke eenvoudige machines zijn de hefboom, het wiel en de as, de katrol, het hellende vlak, de wig en de schroef.
Een hendel is bijvoorbeeld een eenvoudige machine waarmee je met minder inspanning zware gewichten kunt tillen. Het principe achter een hefboom is het concept van mechanisch voordeel, dat voortkomt uit de wet van de momenten: de uitgeoefende kracht vermenigvuldigd met de afstand tot het draaipunt moet gelijk zijn aan de belastingskracht vermenigvuldigd met de afstand tot het draaipunt. Dit kan worden uitgedrukt als \(F_1d_1 = F_2d_2\) , waarbij \(F_1\) en \(F_2\) de krachten zijn en \(d_1\) en \(d_2\) de afstanden vanaf het draaipunt.
Mechanica is een fundamentele tak van de natuurkunde die een uitgebreid begrip van de fysieke wereld biedt door de studie van krachten en beweging. Zowel de statica als de dynamica bieden essentiële inzichten in het evenwicht en de beweging van objecten, terwijl de concepten van energie en eenvoudige machines de praktische toepassingen van deze principes in realistische scenario's illustreren. De studie van de mechanica verdiept niet alleen ons begrip van het universum, maar vergroot ook ons vermogen om oplossingen te bedenken voor alledaagse problemen.
