Василиса▶ Я жду вашего обращения. Что Вы хотите узнать?
Логотип
Механика
греч. μηχανική
Название на языке оригинала P1705
Изучается в инженерное дело
Commons-logo.svg   Медиафайлы на Викискладе

Меха́ника ( греч. μηχανική  — искусство построения машин) — раздел физики , наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействие между ними; при этом движением в механике называют изменение во времени взаимного положения тел или их частей в пространстве .

Предмет механики и её разделы

По поводу предмета механики уместно сослаться на слова авторитетного учёного-механика С. М. Тарга из введения к 4-му изданию его широко известного учебника теоретической механики: «Механикой в широком смысле этого слова называется наука, посвящённая решению любых задач, связанных с изучением движения или равновесия тех или иных материальных тел и происходящих при этом взаимодействий между телами. Теоретическая механика представляет собою часть механики, в которой изучаются общие законы движения и взаимодействия материальных тел, то есть те законы, которые, например, справедливы и для движения Земли вокруг Солнца, и для полёта ракеты или артиллерийского снаряда и т. п. Другую часть механики составляют различные общие и специальные технические дисциплины, посвящённые проектированию и расчёту всевозможных конкретных сооружений, двигателей, механизмов и машин или их частей (деталей)» .

В приведённом высказывании упущен из виду тот факт, что изучением общих законов движения и взаимодействия материальных тел занимается также и механика сплошных сред (или механика сплошной среды ) — обширная часть механики, посвящённая движению газообразных, жидких и твёрдых деформируемых тел. В этой связи академик Л. И. Седов отмечал: «В теоретической механике изучаются движения материальной точки, дискретных систем материальных точек и абсолютно твёрдого тела. В механике сплошной среды … рассматриваются движения таких материальных тел, которые заполняют пространство непрерывно, сплошным образом, и расстояния между точками которых во время движения меняются» .

Таким образом, по предмету изучения механика подразделяется на:

Другой важнейший признак, используемый при подразделении механики на отдельные разделы, основан на тех представлениях о свойствах пространства , времени и материи , на которые опирается та или иная конкретная механическая теория. По данному признаку в рамках механики выделяют такие разделы:

Механическая система

Механика занимается изучением так называемых механических систем.

Механическая система обладает определённым числом степеней свободы , а её состояние описывается с помощью обобщённых координат и соответствующих им обобщённых импульсов . Задача механики состоит в изучении свойств механических систем, и, в частности, в выяснении их эволюции во времени.

Являясь одним из классов физических систем , механические системы по характеру взаимодействия с окружением разделяются на замкнутые (изолированные) и незамкнутые , закрытые и открытые , по принципу изменения свойств во времени — на статические и динамические.

Наиболее важными механическими системами являются:

Важнейшие механические дисциплины

Классическая механика
История…
См. также: Портал:Физика
Механика сплошных сред
BernoullisLawDerivationDiagram.svg
Сплошная среда
См. также: Портал:Физика
Квантовая механика
Введение
Математические основы
См. также: Портал:Физика

Стандартные («школьные») разделы механики: кинематика , статика , динамика , законы сохранения. Кроме них, механика включает следующие (во многом перекрывающиеся по содержанию) механические дисциплины:

Некоторые курсы механики ограничиваются только твёрдыми телами. Изучением деформируемых тел занимаются теория упругости ( сопротивление материалов  — её первое приближение) и теория пластичности . В случае, когда речь идёт не о жёстких телах, а о жидкостях и газах, необходимо прибегнуть к механике жидкостей и газов , основными разделами которой являются гидростатика и гидрогазодинамика . Общей теорией, изучающей движение и равновесия жидкостей, газов и деформируемых тел, является механика сплошных сред .

Основной математический аппарат классической механики: дифференциальное и интегральное исчисление, разработанное специально для этого Ньютоном и Лейбницем . К современному математическому аппарату классической механики относятся, прежде всего, теория дифференциальных уравнений, дифференциальная геометрия (симплектическая геометрия, контактная геометрия, тензорный анализ, векторные расслоения, теория дифференциальных форм), функциональный анализ и теория операторных алгебр, теория катастроф и бифуркаций. В современной классической механике используются и другие разделы математики. В классической формулировке, механика базируется на трёх законах Ньютона . Решение многих задач механики упрощается, если уравнения движения допускают возможность формулировки законов сохранения (импульса, энергии, момента импульса и других динамических переменных).

Различные формулировки механики

Все три закона Ньютона для широкого класса механических систем (консервативных систем, лагранжевых систем, гамильтоновых систем) связаны с различными вариационными принципами . В этой формулировке классическая механика таких систем строится на основе принципа стационарности действия : системы движутся так, чтобы обеспечить стационарность функционала действия . Такая формулировка используется, например, в лагранжевой механике и в гамильтоновой механике . Уравнениями движения в лагранжевой механике являются уравнения Эйлера — Лагранжа , а в гамильтоновой — уравнения Гамильтона.

Независимыми переменными, описывающими состояние системы в гамильтоновой механике , являются обобщённые координаты и импульсы , а в механике Лагранжа — обобщённые координаты и их производные по времени.

Если использовать функционал действия , определённый на реальной траектории системы, соединяющей некую начальную точку с произвольной конечной, то аналогом уравнений движения будут уравнения Гамильтона — Якоби .

Следует отметить, что все формулировки классической механики, основанные на голономных вариационных принципах, являются менее общими, чем формулировка механики, основанная на уравнениях движения. Не все механические системы имеют уравнения движения, представимые в виде уравнения Эйлера — Лагранжа , уравнения Гамильтона или уравнения Гамильтона — Якоби. Тем не менее, все формулировки являются как полезными с практической точки зрения, так и плодотворными с теоретической. Лагранжева формулировка оказалась особенно полезной в теории поля и релятивистской физике , а гамильтонова и Гамильтона — Якоби — в квантовой механике .

Классическая механика

Основная статья: Классическая механика

Классическая механика основана на законах Ньютона , преобразовании скоростей Галилея и существовании инерциальных систем отсчёта .

Границы применимости классической механики

В настоящее время известно три типа ситуаций, в которых классическая механика перестаёт отражать реальность.

  • Свойства микромира не могут быть поняты в рамках классической механики. В частности, в сочетании с термодинамикой она порождает ряд противоречий (см.  Классическая механика ). Адекватным языком для описания свойств атомов и субатомных частиц является квантовая механика . Подчеркнём, что переход от классической к квантовой механике — это не просто замена уравнений движения, а полная перестройка всей совокупности понятий (что такое физическая величина, наблюдаемое, процесс измерения и т. д.)
  • При скоростях, близких к скорости света, классическая механика также перестаёт работать, и необходимо переходить к специальной теории относительности . Опять же, этот переход подразумевает полный пересмотр парадигмы, а не простое видоизменение уравнений движения. Если же, пренебрегая новым взглядом на реальность, попытаться всё же привести уравнение движения к виду , то придётся вводить тензор масс, компоненты которого растут с ростом скорости. Эта конструкция уже долгое время служит источником многочисленных заблуждений, поэтому пользоваться ей не рекомендуется.
  • Классическая механика становится неэффективной при рассмотрении систем с очень большим числом частиц (или же большим числом степеней свободы). В этом случае практически целесообразно переходить к статистической физике .

См. также

Примечания

  1. Механика  — Статья в Физической энциклопедии
  2. На конец 2012 г. выдержал 18 изданий на русском языке и издан в переводах не менее, чем на 14 языках.
  3. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. 4-е изд. — М. : Наука, 1966. — С. 11.
  4. , с. 9.

Литература

© 2014-2020 ЯВИКС - все права защищены.
Наши контакты/Карта ссылок