Механіка — це розділ фізики, який вивчає поведінку фізичних тіл під час дії сил або зміщень, а також подальший вплив тіл на навколишнє середовище. Цю галузь можна розділити на дві основні області: статику , вивчення тіл у стані спокою, і динаміку , вивчення тіл у русі.
Статика займається аналізом навантажень (сила, крутний момент/момент) на фізичні системи в статичній рівновазі, тобто в стані, коли відносне положення підсистем не змінюється з часом, або де компоненти та структури мають постійну швидкість . Важливою концепцією в статиці є ідея рівноваги, де сума сил і сума моментів відносно будь-якої точки повинні дорівнювати нулю.
Наприклад, розглянемо простий випадок, коли книга лежить на столі. Вага книги тисне вниз через силу тяжіння, а стіл підтримує книгу рівною протилежною силою, відомою як звичайна сила. Згідно з третім законом Ньютона, ці сили рівні за величиною та протилежні за напрямком, що гарантує, що книга залишається в спокої.
Динаміка - це вивчення сил і руху об'єктів. Далі вона поділяється на кінематику, яка зосереджується на описі руху без урахування його причин, і кінетику, яка досліджує сили, які викликають або змінюють рух об’єктів.
Ключові поняття динаміки включають закони руху Ньютона, які можна підсумувати таким чином:
Прикладом, що демонструє динаміку, є рух автомобіля, що розганяється по дорозі. Коли водій натискає на педаль газу, двигун створює силу, яка штовхає автомобіль вперед. Згідно з другим законом Ньютона, прискорення автомобіля визначається силою, створюваною двигуном, і масою автомобіля.
Енергія є ключовим поняттям у механіці, яке стосується здатності виконувати роботу. Існує два основних типи механічної енергії: кінетична енергія , енергія руху, і потенціальна енергія , енергія, що зберігається в об’єкті завдяки його положенню або розташуванню.
Принцип збереження механічної енергії стверджує, що якщо тільки консервативні сили (такі як сили тяжіння та сили пружності) виконують роботу, повна механічна енергія системи залишається постійною. Це можна представити у вигляді рівняння \(E_{total} = K + U\) , де \(E_{total}\) — повна механічна енергія, \(K\) — кінетична енергія, а \(U\) – потенційна енергія.
Прості машини - це пристрої, які можуть змінювати напрям або величину сили. Вони є основними компонентами більш складних машин. Шість класичних простих машин - це важіль, колесо і вісь, шків, похила площина, клин і гвинт.
Наприклад, важіль — це проста машина, за допомогою якої можна піднімати важкі ваги з меншими зусиллями. Принцип, що лежить в основі важеля, — це концепція механічної переваги, яка виникає із закону моментів: прикладена сила, помножена на відстань від шарніра, має дорівнювати силі навантаження, помноженій на відстань від шарніру. Це можна виразити як \(F_1d_1 = F_2d_2\) , де \(F_1\) і \(F_2\) — сили, а \(d_1\) і \(d_2\) — відстані від опори.
Механіка є основоположним розділом фізики, який забезпечує всебічне розуміння фізичного світу через вивчення сил і руху. Як статика, так і динаміка пропонують суттєве уявлення про рівновагу та рух об’єктів, тоді як поняття енергії та простих машин ілюструють практичне застосування цих принципів у сценаріях реального світу. Вивчення механіки не тільки поглиблює наше розуміння Всесвіту, але й покращує нашу здатність розробляти рішення повсякденних проблем.
