Статика - это наука о методах количественной оценки силы взаимодействия между телами. Эти силы отвечают за поддержание равновесия, движение тел или изменение их формы. В повседневной жизни можно увидеть множество разнообразных примеров каждый день. Движения и изменения формы имеют решающее значение для функциональности как искусственных, так и природных объектов.
Понятие статики
Основы статики были заложены более 2200 лет назад, когда древнегреческий математик Архимед и другие ученые того времени занимались изучением усилительных свойств и изобретением простых механизмов, таких как рычаг и ось. Статика – это раздел механики, который имеет дело с силами, которые воздействуют на тела в состоянии покоя при условии равновесия.
Это раздел физики, который делает возможными аналитические и графические процедуры, необходимые для определения и описания этих неизвестных сил. Раздел "статика" (физика) играет важную роль во многих отраслях машиностроения, механической, гражданской, авиационной и биоинженерии, которые имеют дело с различными последствиями сил. Когда тело находится в состоянии покоя или движется с равномерной скоростью, то речь идет об этой области физики. Статика - это изучение тела в равновесии.
Методы и результаты данного раздела науки оказались особенно полезными при проектировании зданий, мостов и плотин, а также кранов и других подобных механических устройств. Чтобы иметь возможность рассчитать размеры таких конструкций и оборудования, архитекторы и инженеры должны сначала определить силы, которые действуют на их взаимосвязанные части.
Аксиомы статики
Статика - это раздел физики, который изучает условия, при которых механические и другие системы остаются в определенном состоянии, которое не меняется со временем. Этот раздел физики опирается на пять основных аксиом:
1. Твердое тело находится в состоянии статического равновесия, если на него действуют две силы, имеющие одинаковую интенсивность, лежат на одной линии действия и направлены в противоположные стороны вдоль одной линии.
2. Твердое тело будет находиться в статическом состоянии до тех пор, пока на него не окажут воздействие внешние силы или система сил.
3. Равнодействующая двух сил, действующих в той же материальной точке, равна векторной сумме двух сил. Эта аксиома подчиняется принципу векторного суммирования.
4. Два взаимодействующих тела реагируют друг на друга с двумя силами, равными по интенсивности в противоположных направлениях вдоль одной линии действия. Эта аксиома также называется принципом действия и противодействия.
5. Если деформируемое тело находится в состоянии статического баланса, оно не нарушится, если физическое тело останется в твердом состоянии. Эту аксиому также называют принципом отвердевания.
Механика и ее разделы
Физика в переводе с греческого (physikos – "естественный" и "физис" – "природа") дословно означает науку, которая занимается природой. Она охватывает все известные законы и свойства материи, а также силы, действующие на нее, среди которых гравитация, тепло, свет, магнетизм, электричество и другие силы, которые способны изменить основные характеристики предметов. Одним из разделов науки является механика, включающая такие важные подразделы, как статика и динамика, а также кинематика.
Механика – раздел физики, который занимается изучением сил, объектов или тел, находящихся в покое или в движении. Это один из крупнейших субъектов в области науки и техники. Задачи по статике включают в себя изучение состояния тел под воздействием различных сил. Кинематика – раздел физики (механики), который изучает перемещение объектов вне зависимости от сил, вызывающих движение.
Теоретическая механика: статика
Механика – это физическая наука, которая рассматривает поведение тел под действием сил. Выделяют 3 категории механики: абсолютно твердого тела, деформируемых тел и жидкости. Твердое тело – это тело, которое не деформируется под действием сил. Теоретическая механика (статика - часть механики абсолютно твердого тела) включает также и динамику, которая, в свою очередь, подразделяется на кинематику и кинетику.
Механика деформируемого тела занимается вопросами распределения сил внутри тела и вызываемых в связи с этим деформаций. Эти внутренние силы вызывают определенные напряжения в теле, которые в конечном итоге могут привести к изменению самого материала. Эти вопросы изучаются на курсах сопромата по сопротивлению материалов.
Механика жидкости – это раздел механики, которая занимается вопросами распределения сил внутри жидкостей или газов. Жидкости широко используются в инженерии. Они могут быть классифицированы как несжимаемые или сжимаемые. Областями применения являются гидравлика, аэрокосмическая отрасль и многие другие.
Понятие о динамике
Динамика имеет дело с силой и движением. Единственный способ изменить движение тела – это использовать силу. Наряду с силой динамика изучает другие физические понятия, среди которых следующие: энергия, импульс, коллизия, центр тяжести, крутящий момент и момент инерции.
Статика и динамика являются совершенно противоположными состояниями. Динамика - это учение о телах, которые не находятся в равновесии, при этом возникает ускорение. Кинетика занимается изучением сил, вызывающих движение, или сил, которые возникают в результате движения. В отличие от такого понятия, как статика, кинематика - учение о движении тела, в котором не учитывается тот факт, каким именно образом производится движение. Иногда ее называют "геометрией движения".
Кинематика
Кинематические принципы часто применяются для анализа определения позиции, скорости и ускорения в различных частях оборудования во время его эксплуатации. Кинематика рассматривает движение точки, тела и системы тел без рассмотрения причин движения. Движение описывается вектором величин, таких, как перемещение, скорость и ускорение наряду с указанием системы отсчета. Различные проблемы в кинематике решаются с помощью уравнения движения.
Механика – статика: фундаментальные величины
История механики насчитывает не одно столетие. Основные принципы статики были разработаны уже давным-давно. Всевозможные рычаги, наклонные плоскости и другие принципы были необходимы во времена ранних цивилизаций для построения, например, таких огромных конструкций, как пирамиды.
Фундаментальными величинами в механике являются длина, время, масса и сила. Первые три называются абсолютными, не зависящими друг от друга. Сила не является абсолютной величиной, поскольку она связана с массой и изменениями скорости.
Длина
Длина - это величина, которая используется для описания положения точки в пространстве относительно другой точки. Это расстояние называется стандартной единицей длины. Общепринятой стандартной единицей измерения длины является метр. Этот стандарт формировался и совершенствовался на протяжении многих лет. Изначально это была одна десятимиллионная часть земной поверхности квадранте, с помощью которой производить измерения было довольно сложно. 20 октября 1983 году метр был определен как длина пути, пройденного светом в вакууме за 1/299,792,458 секунды.
Время
Время – это определенный интервал между двумя событиями. Общепринятой стандартной единицей времени является секунда. Второй был первоначально определен как 1/86,4 среднего периода обращения Земли вокруг своей оси. В 1956 году определение секунды было усовершенствовано и составило 1/31,556 времени, необходимого для полного оборота, который совершает Земля вокруг Солнца.
Масса
Масса – это свойство материи. Ее можно рассматривать как количество вещества, содержащегося в теле. Эта категория определяет воздействие тяжести на тело и сопротивление изменениям в движении. Это сопротивление изменению движения называется инерцией, которая является результатом массы тела. Общепринятой единицей массы является килограмм.
Сила
Сила – это производная единица, но очень важный блок в изучении механики. Она часто определяется как действие одного тела на другое, а также может быть или не быть результатом прямого контакта между телами. Гравитационные и электромагнитные силы являются примерами результата такого воздействия. Существует два принципа воздействия, сил, которые стремятся изменить движения системы и которые имеют тенденцию к ее деформации. Основной единицей силы является Ньютон в системе СИ и фунт в английской системе.
Уравнения равновесия
Статика предполагает, что предметы, о которых идет речь, являются абсолютно твердыми. Сумма всех сил, действующих на тело в состоянии покоя, должна быть равна нулю, то есть участвующие силы уравновешивают друг друга и не должно быть никакой тенденции для сил, способных повернуть тело вокруг любой оси. Эти условия являются независимыми друг от друга, и их выражение в математической форме составляет так называемые уравнения равновесия.
Существует три уравнения равновесия, и поэтому только три неизвестные силы могут быть вычислены. Если неизвестных сил будет более трех, это означает, что компонентов в структуре или машине несколько больше, чем требуется для поддержания определенных нагрузок, или что существует больше ограничений, чем необходимо, чтобы удержать тело от перемещения.
Такие ненужные компоненты или ограничения называются избыточными (например, стол на четырех ножках имеет одну избыточную), и система сил является статически неопределенной. Число уравнений, доступных в статике, ограничено, так как любое твердое тело остается твердым при любых условиях, независимо от формы и размера.
