סטטיקה היא מדע השיטות לכימות כוח האינטראקציה בין גופים. כוחות אלו אחראים על שמירה על שיווי משקל, הזזת גופים או שינוי צורתם. בחיי היומיום, אתה יכול לראות דוגמאות רבות ושונות מדי יום. שינויי תנועה וצורה הם קריטיים לפונקציונליות של חפצים מעשה ידי אדם וטבעיים כאחד.
המושג סטטי
היסודות של הסטטיקה הונחו לפני למעלה מ-2200 שנה, כשהמתמטיקאי היווני הקדום ארכימדס ומדענים אחרים של אותה תקופה חקרו תכונות הגברה והמציאו מנגנונים פשוטים כמו מנוף וסרן. סטטיקה היא ענף של מכניקה העוסק בכוחות הפועלים על גופים במנוחה בתנאי שיווי משקל.
זהו הענף של הפיזיקה שמאפשר את ההליכים האנליטיים והגרפיים הדרושים כדי לזהות ולתאר את הכוחות הלא ידועים הללו. הסעיף "סטטיקה" (פיסיקה) ממלא תפקיד חשוב בענפים רבים של הנדסה, מכונות,הנדסה אזרחית, תעופה וביו-הנדסה, העוסקות בהשפעות השונות של כוחות. כאשר הגוף במנוחה או נע במהירות אחידה, אז אנחנו מדברים על תחום זה של הפיזיקה. סטטיקה היא חקר הגוף באיזון.
השיטות והתוצאות של ענף מדעי זה הוכחו כשימושיים במיוחד בתכנון של מבנים, גשרים וסכרים, כמו גם מנופים והתקנים מכניים דומים אחרים. כדי להיות מסוגלים לחשב את הממדים של מבנים וציוד כאלה, על אדריכלים ומהנדסים לקבוע תחילה את הכוחות הפועלים על החלקים המחוברים ביניהם.
האקסיומות של סטטיקה
סטטיקה היא ענף בפיזיקה החוקר את התנאים שבהם מערכות מכניות ואחרות נשארות במצב מסוים שאינו משתנה עם הזמן. חלק זה של הפיזיקה מבוסס על חמש אקסיומות בסיסיות:
1. גוף קשיח נמצא במצב של שיווי משקל סטטי אם שני כוחות באותה עוצמה פועלים עליו, שוכבים על אותו קו פעולה ומכוונים לכיוונים מנוגדים לאורך אותו קו.
2. גוף קשיח יישאר במצב סטטי עד שיושפע מכוחות חיצוניים או ממערכת כוחות.
3. התוצאה של שני כוחות הפועלים באותה נקודה חומרית שווה לסכום הווקטור של שני הכוחות. אקסיומה זו מצייתת לעיקרון של סיכום וקטור.
4. שני גופים המקיימים אינטראקציה מגיבים זה לזה בשני כוחות בעוצמה שווה בכיוונים מנוגדים לאורך אותו קו פעולה. זֶההאקסיומה נקראת גם עקרון הפעולה והתגובה.
5. אם גוף ניתן לעיוות נמצא במצב של איזון סטטי, הוא לא יופרע אם הגוף הפיזי יישאר במצב מוצק. אקסיומה זו נקראת גם עקרון ההתמצקות.
מכניקה והקטעים שלה
פיזיקה ביוונית (physikos - "טבעי" ו"פיזיס" - "טבע") פירושה, מילולית, המדע העוסק בטבע. הוא מכסה את כל החוקים והמאפיינים הידועים של החומר, כמו גם את הכוחות הפועלים עליו, לרבות כוח המשיכה, חום, אור, מגנטיות, חשמל וכוחות אחרים שיכולים לשנות את המאפיינים הבסיסיים של עצמים. אחד מענפי המדע הוא מכניקה, הכוללת תת-סעיפים חשובים כמו סטטיקה ודינמיקה, כמו גם קינמטיקה.
מכניקה היא ענף בפיזיקה החוקר כוחות, עצמים או גופים שנמצאים במנוחה או בתנועה. זהו אחד הגופים הגדולים ביותר בתחום המדע והטכנולוגיה. משימות בסטטיקה כוללות חקר מצב הגופים בהשפעת כוחות שונים. קינמטיקה היא ענף בפיזיקה (מכניקה) החוקר את תנועתם של עצמים, ללא קשר לכוחות הגורמים לתנועה.
מכניקה תיאורטית: סטטיקה
מכניקה היא מדע פיזיקלי המחשיב את התנהגותם של גופים תחת פעולת כוחות. ישנן 3 קטגוריות של מכניקה: גוף קשיח לחלוטין, גופים הניתנים לעיוות ונוזל. גוף נוקשה הוא גוף שאינו מתעוות תחת פעולתו שלכוחות. מכניקה תיאורטית (סטטיקה - חלק מהמכניקה של גוף קשיח לחלוטין) כוללת גם דינמיקה, אשר, בתורה, מחולקת לקינמטיקה וקינטיקה.
המכניקה של גוף ניתן לעיוות עוסקת בחלוקת הכוחות בתוך הגוף ובעיוותים הנובעים מכך. כוחות פנימיים אלו גורמים ללחצים מסוימים בגוף, אשר יכולים להוביל בסופו של דבר לשינוי בחומר עצמו. נושאים אלו נלמדים בקורסי חוזק של חומרים.
מכניקת נוזלים היא ענף של מכניקה העוסק בחלוקת כוחות בתוך נוזלים או גזים. נוזלים נמצאים בשימוש נרחב בהנדסה. ניתן לסווג אותם כבלתי ניתנים לדחיסה או דחיסה. היישומים כוללים הידראוליקה, תעופה וחלל ועוד רבים אחרים.
המושג של דינמיקה
Dynamics עוסקת בכוח ובתנועה. הדרך היחידה לשנות את תנועת הגוף היא להשתמש בכוח. יחד עם כוח, הדינמיקה חוקרת מושגים פיזיקליים נוספים, ביניהם: אנרגיה, תנע, התנגשות, מרכז כובד, מומנט ומומנט אינרציה.
סטטי ודינמי הם מצבים הפוכים לחלוטין. דינמיקה היא חקר גופים שאינם בשיווי משקל, ומתרחשת תאוצה. קינטיקה היא חקר הכוחות הגורמים לתנועה, או הכוחות הנובעים מתנועה. בניגוד למושג כמו סטטיקה, קינמטיקה היא תורת התנועה של הגוף, שאינה לוקחת בחשבון את העובדה שאיך נעשית התנועה. לפעמים זה מכונה "גיאומטריית התנועה".
Kinematics
עקרונות קינמטיים מיושמים לעתים קרובות כדי לנתח את קביעת המיקום, המהירות והתאוצה בחלקים שונים של הציוד במהלך פעולתו. קינמטיקה מתייחסת לתנועה של נקודה, גוף ומערכת של גופים מבלי להתחשב בסיבות לתנועה. תנועה מתוארת על ידי וקטור של כמויות כגון תזוזה, מהירות ותאוצה יחד עם אינדיקציה של מסגרת ייחוס. בעיות שונות בקינמטיקה נפתרות באמצעות משוואת התנועה.
מכניקה - סטטיקה: כמויות בסיסיות
ההיסטוריה של המכניקה משתרעת על פני יותר ממאה שנה. העקרונות הבסיסיים של סטטיקה פותחו לפני זמן רב. כל מיני מנופים, מטוסים משופעים ועקרונות אחרים היו נחוצים במהלך התרבויות המוקדמות כדי לבנות, למשל, מבנים ענקיים כמו הפירמידות.
הגדלים הבסיסיים במכניקה הם אורך, זמן, מסה וכוח. שלושת הראשונים נקראים מוחלטים, בלתי תלויים זה בזה. כוח אינו ערך מוחלט מכיוון שהוא קשור למסה ולשינויים במהירות.
Length
אורך הוא ערך המשמש לתיאור המיקום של נקודה במרחב ביחס לנקודה אחרת. מרחק זה נקרא יחידת האורך הסטנדרטית. היחידה הסטנדרטית המקובלת למדידת אורך היא המטר. התקן הזההתפתח והשתפר עם השנים. בתחילה, זה היה חלק עשרת המיליונים מרביע פני כדור הארץ, שאיתו היה די קשה לבצע מדידות. ב-20 באוקטובר 1983, המטר הוגדר כאורך השביל שעבר האור בוואקום ב-1/299.792.458 של שנייה.
Time
זמן הוא מרווח מסוים בין שני אירועים. יחידת הזמן הסטנדרטית המקובלת היא השנייה. השני הוגדר במקור כ-1/86.4 מתקופת הסיבוב הממוצעת של כדור הארץ על צירו. בשנת 1956, ההגדרה של שנייה שופרה ל-1/31.556 מהזמן שלוקח לכדור הארץ להשלים סיבוב אחד סביב השמש.
מסה
מסה היא תכונה של חומר. אפשר לחשוב על זה ככמות החומר הכלול בגוף. קטגוריה זו מגדירה את השפעת כוח המשיכה על הגוף וההתנגדות לשינוי בתנועה. התנגדות זו לשינוי בתנועה נקראת אינרציה, שהיא תוצאה של מסת הגוף. יחידת המסה המקובלת בדרך כלל היא הקילוגרם.
Power
כוח הוא יחידה נגזרת, אבל יחידה חשובה מאוד בחקר המכניקה. לעתים קרובות הוא מוגדר כפעולה של גוף אחד על גוף אחר, ויכול להיות או לא תוצאה של מגע ישיר בין גופים. כוחות כבידה ואלקטרומגנטיים הם דוגמאות לתוצאה של פגיעה כזו. ישנם שני עקרונות של השפעה, של כוחות שנוטים לשנות את תנועות המערכת ושנוטים לכךדפורמציות. יחידת הכוח הבסיסית היא הניוטון במערכת SI והפאונד במערכת האנגלית.
משוואות שיווי משקל
סטטי פירושו שהאובייקטים המדוברים מוצקים לחלוטין. סכום כל הכוחות הפועלים על גוף במנוחה חייב להיות שווה לאפס, כלומר, הכוחות המעורבים מאזנים זה את זה ולא צריכה להיות נטייה לכוחות המסוגלים לסובב את הגוף סביב כל ציר. תנאים אלו אינם תלויים זה בזה, וביטוים בצורה מתמטית מהווה את מה שנקרא משוואות שיווי המשקל.
ישנן שלוש משוואות שיווי משקל, ולכן ניתן לחשב רק שלושה כוחות לא ידועים. אם יש יותר משלושה כוחות לא ידועים, זה אומר שיש יותר רכיבים במבנה או במכונה ממה שנדרש כדי לתמוך בעומסים מסוימים, או שיש יותר הגבלות מהנדרש כדי למנוע מהגוף לנוע.
רכיבים או אילוצים מיותרים כאלה נקראים מיותרים (לדוגמה, לטבלה עם ארבע רגליים יש מיותרת אחת), ומערכת הכוחות אינה מוגדרת סטטית. מספר המשוואות הזמינות בסטטיקה מוגבל, מכיוון שכל גוף קשיח נשאר מוצק בכל תנאי, ללא קשר לצורה ולגודל.
