Mekanik är den gren av fysiken som handlar om fysiska kroppars beteende när de utsätts för krafter eller förskjutningar, och den efterföljande effekten av kropparna på deras miljö. Detta område kan delas in i två huvudområden: statik , studiet av kroppar i vila, och dynamik , studiet av kroppar i rörelse.
Statik handlar om analys av belastningar (kraft, vridmoment/moment) på fysiska system i statisk jämvikt, det vill säga i ett tillstånd där delsystemens relativa positioner inte varierar över tiden, eller där komponenter och strukturer har en konstant hastighet . Ett viktigt begrepp inom statik är idén om jämvikt, där summan av krafterna, och summan av momenten kring vilken punkt som helst, måste vara noll.
Tänk till exempel ett enkelt fall av en bok som vilar på ett bord. Bokens vikt utövar en nedåtriktad kraft på grund av gravitationen, och bordet stödjer boken med en lika stor och motsatt kraft som kallas normalkraften. Enligt Newtons tredje lag är dessa krafter lika stora och motsatta i riktning, vilket säkerställer att boken förblir i vila.
Dynamik är studiet av föremåls krafter och rörelse. Den är ytterligare uppdelad i kinematik, som fokuserar på beskrivningen av rörelse utan hänsyn till dess orsaker, och kinetik, som undersöker krafterna som orsakar eller modifierar objektens rörelse.
Nyckelbegrepp inom dynamik inkluderar Newtons rörelselagar, som kan sammanfattas enligt följande:
Ett exempel som visar dynamik är rörelsen hos en bil som accelererar på en väg. När föraren trycker på gaspedalen genererar motorn en kraft som driver bilen framåt. Enligt Newtons andra lag bestäms bilens acceleration av kraften som genereras av motorn och bilens massa.
Energi är ett nyckelbegrepp inom mekanik, relaterat till förmågan att utföra arbete. Det finns två huvudtyper av mekanisk energi: kinetisk energi , rörelseenergin och potentiell energi , energin som lagras i ett objekt på grund av dess position eller arrangemang.
Principen för bevarande av mekanisk energi säger att om bara konservativa krafter (såsom gravitationskrafter och elastiska krafter) fungerar, förblir den totala mekaniska energin i ett system konstant. Detta kan representeras som ekvationen \(E_{total} = K + U\) , där \(E_{total}\) är den totala mekaniska energin, \(K\) är den kinetiska energin och \(U\) är den potentiella energin.
Enkla maskiner är enheter som kan ändra riktningen eller storleken på en kraft. De är de grundläggande komponenterna i mer komplexa maskiner. De sex klassiska enkla maskinerna är spaken, hjulet och axeln, remskivan, det lutande planet, kilen och skruven.
Till exempel är en spak en enkel maskin som kan användas för att lyfta tunga vikter med mindre ansträngning. Principen bakom en spak är begreppet mekanisk fördel, som härrör från momentlagen: kraften som appliceras multiplicerad med dess avstånd från svängtappen måste vara lika med belastningskraften multiplicerad med dess avstånd från svängtappen. Detta kan uttryckas som \(F_1d_1 = F_2d_2\) , där \(F_1\) och \(F_2\) är krafterna och \(d_1\) och \(d_2\) är avstånden från pivoten.
Mekanik är en grundläggande gren av fysiken som ger en omfattande förståelse av den fysiska världen genom studier av krafter och rörelse. Både statik och dynamik erbjuder viktiga insikter i objekts jämvikt och rörelse, medan begreppen energi och enkla maskiner illustrerar de praktiska tillämpningarna av dessa principer i verkliga scenarier. Studiet av mekanik fördjupar inte bara vår förståelse av universum utan förbättrar också vår förmåga att konstruera lösningar på vardagliga problem.
