Staatika on teadus, mis käsitleb kehadevahelise vastasmõju jõu kvantifitseerimise meetodeid. Need jõud vastutavad tasakaalu hoidmise, kehade liigutamise või nende kuju muutmise eest. Igapäevaelus võib iga päev näha palju erinevaid näiteid. Liikumine ja kuju muutused on kriitilise tähtsusega nii tehislike kui ka looduslike objektide funktsionaalsuse jaoks.
Staatika mõiste
Staatika alused pandi paika üle 2200 aasta tagasi, kui Vana-Kreeka matemaatik Archimedes ja teised tolleaegsed teadlased uurisid võimendusomadusi ja leiutasid lihtsaid mehhanisme, nagu hoob ja telg. Staatika on mehaanika haru, mis tegeleb jõududega, mis mõjuvad kehadele puhkeolekus tasakaalu tingimustes.
See on füüsika haru, mis võimaldab nende tundmatute jõudude tuvastamiseks ja kirjeldamiseks vajalikke analüütilisi ja graafilisi protseduure. Jaotis "staatika" (füüsika) mängib olulist rolli paljudes inseneri-, mehaanika-,tsiviil-, lennundus- ja biotehnika, mis käsitlevad jõudude erinevaid mõjusid. Kui keha on puhkeasendis või liigub ühtlase kiirusega, siis räägime sellest füüsikavaldkonnast. Staatika on keha tasakaalu uurimine.
Selle teadusharu meetodid ja tulemused on osutunud eriti kasulikuks hoonete, sildade ja tammide, aga ka kraanade ja muude sarnaste mehaaniliste seadmete projekteerimisel. Selliste konstruktsioonide ja seadmete mõõtmete arvutamiseks peavad arhitektid ja insenerid kõigepe alt kindlaks määrama jõud, mis mõjuvad nende omavahel ühendatud osadele.
Staatika aksioomid
Staatika on füüsika haru, mis uurib tingimusi, mille korral mehaanilised ja muud süsteemid püsivad teatud olekus, mis ajas ei muutu. See füüsika osa põhineb viiel põhiaksioomil:
1. Jäik keha on staatilises tasakaalus, kui sellele mõjuvad kaks sama intensiivsusega jõudu, asuvad samal toimejoonel ja on suunatud samale joonele vastassuundades.
2. Jäik keha jääb staatiliseks olekuks seni, kuni see on mõjutatud välisjõudude või jõudude süsteemi poolt.
3. Kahe samas materiaalses punktis mõjuva jõu resultant on võrdne kahe jõu vektorsummaga. See aksioom järgib vektorite liitmise põhimõtet.
4. Kaks vastastikku toimivat keha reageerivad üksteisele kahe võrdse intensiivsusega vastassuunalise jõuga samal toimejoonel. Seeaksioomi nimetatakse ka toime ja reaktsiooni printsiibiks.
5. Kui deformeeritav keha on staatilises tasakaalus, siis see ei häiri, kui füüsiline keha jääb tahkesse olekusse. Seda aksioomi nimetatakse ka tahkestumise printsiibiks.
Mehaanika ja selle sektsioonid
Füüsika kreeka keeles (physikos – "looduslik" ja "physis" - "loodus") tähendab sõna-sõn alt teadust, mis tegeleb loodusega. See hõlmab kõiki teadaolevaid mateeria seaduspärasusi ja omadusi, samuti sellele mõjuvaid jõude, sealhulgas gravitatsiooni, soojust, valgust, magnetismi, elektrit ja muid jõude, mis võivad muuta objektide põhiomadusi. Üks teadusharu on mehaanika, mis hõlmab selliseid olulisi alajaotisi nagu staatika ja dünaamika, aga ka kinemaatika.
Mehaanika on füüsika haru, mis uurib jõude, objekte või kehasid, mis on puhke- või liikumises. See on üks suurimaid üksusi teaduse ja tehnoloogia valdkonnas. Staatika ülesanded hõlmavad kehade seisundi uurimist erinevate jõudude mõjul. Kinemaatika on füüsika (mehaanika) haru, mis uurib objektide liikumist, sõltumata liikumist põhjustavatest jõududest.
Teoreetiline mehaanika: staatika
Mehaanika on füüsikateadus, mis käsitleb kehade käitumist jõudude mõjul. Mehaanikat on 3 kategooriat: absoluutselt jäik keha, deformeeritavad kehad ja vedelik. Jäik keha on keha, mis ei deformeeru mõjuljõud. Teoreetiline mehaanika (staatika – osa absoluutselt jäiga keha mehaanikast) hõlmab ka dünaamikat, mis omakorda jaguneb kineetikaks ja kineetikaks.
Deformeeritava keha mehaanika tegeleb kehasiseste jõudude jaotusega ja sellest tulenevate deformatsioonidega. Need sisemised jõud põhjustavad kehas teatud pingeid, mis võivad lõpuks viia materjali enda muutumiseni. Neid küsimusi uuritakse materjalide tugevuskursustel.
Vedelikumehaanika on mehaanika haru, mis tegeleb jõudude jaotusega vedelikes või gaasides. Vedelikke kasutatakse laialdaselt inseneritöös. Neid võib liigitada kokkusurumatuteks või kokkusurutavateks. Rakenduste hulka kuuluvad hüdraulika, lennundus ja palju muud.
Dünaamika mõiste
Dünaamika tegeleb jõu ja liikumisega. Ainus viis keha liikumist muuta on kasutada jõudu. Dünaamika uurib koos jõuga ka teisi füüsikalisi mõisteid, mille hulgas on järgmised: energia, impulss, kokkupõrge, raskuskese, pöördemoment ja inertsimoment.
Staatiline ja dünaamiline on täiesti vastandlikud olekud. Dünaamika uurib kehasid, mis ei ole tasakaalus ja toimub kiirendus. Kineetika on liikumist põhjustavate jõudude või liikumisest tulenevate jõudude uurimine. Erinev alt sellisest mõistest nagu staatika on kinemaatika keha liikumise õpetus, mis ei võta arvesse asjaolu, etkuidas liigutus tehakse. Seda nimetatakse mõnikord "liikumise geomeetriaks".
Kinemaatika
Kinemaatilisi printsiipe rakendatakse sageli seadmete eri osade asukoha, kiiruse ja kiirenduse määramise analüüsimiseks selle töö ajal. Kinemaatika käsitleb punkti, keha ja kehade süsteemi liikumist, arvestamata liikumise põhjuseid. Liikumist kirjeldatakse selliste suuruste vektoriga, nagu nihe, kiirus ja kiirendus, koos võrdlusraamistiku viitega. Liikumisvõrrandi abil lahendatakse erinevaid kinemaatika probleeme.
Mehaanika – staatika: põhisuurused
Mehaanika ajalugu hõlmab rohkem kui ühte sajandit. Staatika põhiprintsiibid töötati välja juba ammu. Varajaste tsivilisatsioonide ajal oli vaja igasuguseid hoobasid, kaldtasapindu ja muid põhimõtteid, et ehitada näiteks selliseid tohutuid ehitisi nagu püramiidid.
Mehaanika põhisuurused on pikkus, aeg, mass ja jõud. Esimest kolme nimetatakse absoluutseks, üksteisest sõltumatuks. Jõud ei ole absoluutväärtus, kuna see on seotud massi ja kiiruse muutustega.
Pikkus
Pikkus on väärtus, mida kasutatakse punkti asukoha kirjeldamiseks ruumis teise punkti suhtes. Seda kaugust nimetatakse standardseks pikkuseühikuks. Üldtunnustatud standardne pikkuse mõõtühik on meeter. See standardaastate jooksul arenenud ja täiustatud. Esialgu oli see üks kümnemiljondik osa maapinna kvadrandist, millega oli mõõtmisi üsna raske teha. 20. oktoobril 1983 määrati meeter valguse poolt vaakumis läbitud tee pikkuseks 1/299 792 458 sekundis.
Aeg
Aeg on teatud intervall kahe sündmuse vahel. Üldtunnustatud standardne ajaühik on teine. Teine määratleti algselt kui 1/86,4 Maa keskmisest pöörlemisperioodist ümber oma telje. 1956. aastal täiustati sekundi määratlust 1/31,556 ajast, mis kulub Maal ühe tiiru ümber Päikese sooritamiseks.
Miss
Mass on mateeria omadus. Seda võib pidada kehas sisalduva aine koguseks. See kategooria määratleb gravitatsiooni mõju kehale ja vastupidavuse liikumise muutustele. Seda takistust liikumise muutumisele nimetatakse inertsiks, mis tuleneb keha massist. Üldtunnustatud massiühik on kilogramm.
Toide
Jõud on tuletatud üksus, kuid mehaanika uurimisel väga oluline üksus. Seda määratletakse sageli kui ühe keha mõju teisele ja see võib, kuid ei pruugi olla kehadevahelise otsese kontakti tulemus. Gravitatsioonilised ja elektromagnetilised jõud on näited sellise löögi tagajärgedest. Mõjutamisel on kaks põhimõtet: jõud, mis kipuvad muutma süsteemi liikumisi ja mis kipuvad seda muutmadeformatsioonid. Jõu põhiühikuks on SI-süsteemis Newton ja Inglise süsteemis nael.
Tasakaaluvõrrandid
Staatiline tähendab, et kõnealused objektid on täiesti tahked. Kõigi puhkeolekus kehale mõjuvate jõudude summa peab olema võrdne nulliga, see tähendab, et kaasatud jõud tasakaalustavad üksteist ja ei tohiks olla kalduvusi jõududele, mis on võimelised keha ümber mis tahes telje pöörama. Need tingimused on üksteisest sõltumatud ja nende väljendamine matemaatilisel kujul moodustab nn tasakaaluvõrrandid.
Tasakaaluvõrrandit on kolm ja seetõttu saab arvutada ainult kolm tundmatut jõudu. Kui tundmatuid jõude on rohkem kui kolm, tähendab see, et konstruktsioonis või masinas on rohkem komponente, kui on vaja teatud koormuse kandmiseks, või on rohkem piiranguid, kui on vaja, et keha ei liiguks.
Selliseid mittevajalikke komponente või piiranguid nimetatakse üleliigseteks (näiteks nelja jalaga laual on üks üleliigne) ja jõudude süsteem on staatiliselt määramatu. Staatikas saadaolevate võrrandite arv on piiratud, kuna iga jäik keha jääb kujust ja suurusest olenemata mis tahes tingimustes tahkeks.
