Cơ học là một nhánh của vật lý nghiên cứu hành vi của các vật thể khi chịu tác dụng của lực hoặc sự dịch chuyển và tác động tiếp theo của các vật thể đó lên môi trường của chúng. Lĩnh vực này có thể được chia thành hai lĩnh vực chính: tĩnh học , nghiên cứu các vật thể đứng yên, và động lực học , nghiên cứu các vật thể đang chuyển động.
Tĩnh học liên quan đến việc phân tích tải trọng (lực, mô men/mômen) trên các hệ thống vật lý ở trạng thái cân bằng tĩnh, nghĩa là ở trạng thái mà vị trí tương đối của các hệ thống con không thay đổi theo thời gian hoặc khi các thành phần và cấu trúc có vận tốc không đổi . Một khái niệm quan trọng trong tĩnh học là ý tưởng về trạng thái cân bằng, trong đó tổng các lực và tổng mômen đối với một điểm bất kỳ phải bằng không.
Ví dụ, hãy xem xét trường hợp đơn giản về một cuốn sách nằm trên bàn. Trọng lượng của cuốn sách tác dụng một lực hướng xuống do trọng lực, và cái bàn đỡ cuốn sách với một lực bằng và ngược chiều gọi là lực pháp tuyến. Theo định luật thứ ba của Newton, các lực này có độ lớn bằng nhau và ngược chiều nhau, đảm bảo cuốn sách vẫn đứng yên.
Động lực học là nghiên cứu về lực và chuyển động của vật thể. Nó còn được chia thành động học, tập trung vào mô tả chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân của nó, và động học, nghiên cứu các lực gây ra hoặc làm thay đổi chuyển động của vật thể.
Các khái niệm chính trong động lực học bao gồm các định luật chuyển động của Newton, có thể được tóm tắt như sau:
Một ví dụ thể hiện động lực học là chuyển động tăng tốc của ô tô trên đường. Khi người lái nhấn bàn đạp ga, động cơ sẽ sinh ra một lực đẩy xe về phía trước. Theo định luật thứ hai của Newton, gia tốc của ô tô được xác định bởi lực do động cơ tạo ra và khối lượng của ô tô.
Năng lượng là một khái niệm then chốt trong cơ học, liên quan đến khả năng thực hiện công. Có hai loại cơ năng chính: động năng , năng lượng của chuyển động và thế năng , năng lượng được tích trữ trong một vật do vị trí hoặc sự sắp xếp của nó.
Nguyên lý bảo toàn cơ năng phát biểu rằng nếu chỉ có các lực bảo toàn (như lực hấp dẫn và lực đàn hồi) sinh công thì tổng cơ năng của một hệ không đổi. Điều này có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình \(E_{total} = K + U\) , trong đó \(E_{total}\) là tổng cơ năng, \(K\) là động năng và \(U\) là thế năng.
Máy cơ đơn giản là thiết bị có thể làm thay đổi hướng hoặc độ lớn của lực. Chúng là thành phần cơ bản của các máy phức tạp hơn. Sáu máy cơ đơn giản cổ điển là đòn bẩy, bánh xe và trục, ròng rọc, mặt phẳng nghiêng, nêm và vít.
Ví dụ, đòn bẩy là một cỗ máy đơn giản có thể được sử dụng để nâng vật nặng với ít sức lực hơn. Nguyên tắc đằng sau đòn bẩy là khái niệm về lợi thế cơ học, xuất phát từ quy luật mô men: lực tác dụng nhân với khoảng cách của nó đến trục quay phải bằng lực tải nhân với khoảng cách của nó với trục quay. Điều này có thể được biểu thị dưới dạng \(F_1d_1 = F_2d_2\) , trong đó \(F_1\) và \(F_2\) là các lực và \(d_1\) và \(d_2\) là khoảng cách từ trục quay.
Cơ học là một nhánh cơ bản của vật lý cung cấp sự hiểu biết toàn diện về thế giới vật chất thông qua việc nghiên cứu các lực và chuyển động. Cả tĩnh học và động lực học đều cung cấp những hiểu biết cần thiết về trạng thái cân bằng và chuyển động của các vật thể, trong khi các khái niệm về năng lượng và máy móc đơn giản minh họa các ứng dụng thực tế của những nguyên lý này trong các tình huống thực tế. Nghiên cứu về cơ học không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về vũ trụ mà còn nâng cao khả năng của chúng ta trong việc thiết kế các giải pháp cho các vấn đề hàng ngày.
