Statica is de wetenschap van methoden voor het kwantificeren van de kracht van interactie tussen lichamen. Deze krachten zijn verantwoordelijk voor het handhaven van het evenwicht, het bewegen van lichamen of het veranderen van hun vorm. In het dagelijks leven zie je elke dag veel verschillende voorbeelden. Beweging en vormveranderingen zijn van cruciaal belang voor de functionaliteit van zowel door de mens gemaakte als natuurlijke objecten.
Het concept van statica
De basis van statica werd meer dan 2200 jaar geleden gelegd, toen de oude Griekse wiskundige Archimedes en andere wetenschappers uit die tijd versterkende eigenschappen bestudeerden en eenvoudige mechanismen uitvonden, zoals een hefboom en een as. Statica is een tak van de mechanica die zich bezighoudt met de krachten die op lichamen in rust werken onder de voorwaarde van evenwicht.
Dit is de tak van de natuurkunde die de analytische en grafische procedures mogelijk maakt die nodig zijn om deze onbekende krachten te identificeren en te beschrijven. De sectie "statica" (natuurkunde) speelt een belangrijke rol in vele takken van engineering, mechanische,civiele, luchtvaart en bio-engineering, die zich bezighouden met de verschillende effecten van krachten. Wanneer het lichaam in rust is of met een uniforme snelheid beweegt, dan hebben we het over dit gebied van de fysica. Statica is de studie van het lichaam in balans.
De methoden en resultaten van deze tak van wetenschap zijn bijzonder nuttig gebleken bij het ontwerpen van gebouwen, bruggen en dammen, evenals kranen en andere soortgelijke mechanische apparaten. Om de afmetingen van dergelijke constructies en uitrustingen te kunnen berekenen, moeten architecten en ingenieurs eerst de krachten bepalen die op hun onderling verbonden delen inwerken.
Axioma's van statica
Statica is een tak van de natuurkunde die de omstandigheden bestudeert waaronder mechanische en andere systemen in een bepaalde toestand blijven die niet verandert met de tijd. Dit deel van de natuurkunde is gebaseerd op vijf basisaxioma's:
1. Een star lichaam is in een staat van statisch evenwicht als er twee krachten van dezelfde intensiteit op inwerken, op dezelfde werklijn liggen en in tegengestelde richtingen langs dezelfde lijn worden gericht.
2. Een star lichaam zal in een statische toestand blijven totdat het wordt beïnvloed door externe krachten of een systeem van krachten.
3. De resultante van twee krachten die op hetzelfde materiële punt werken, is gelijk aan de vectorsom van de twee krachten. Dit axioma gehoorzaamt aan het principe van vectorsommatie.
4. Twee op elkaar inwerkende lichamen reageren op elkaar met twee krachten van gelijke intensiteit in tegengestelde richtingen langs dezelfde werklijn. Dezehet axioma wordt ook wel het principe van actie en reactie genoemd.
5. Als een vervormbaar lichaam zich in een staat van statisch evenwicht bevindt, zal het niet worden verstoord als het fysieke lichaam in een vaste toestand blijft. Dit axioma wordt ook wel het stollingsprincipe genoemd.
Mechanica en zijn secties
Natuurkunde in het Grieks (physikos - "natuurlijk" en "physis" - "natuur") betekent letterlijk de wetenschap die zich bezighoudt met de natuur. Het omvat alle bekende wetten en eigenschappen van materie, evenals de krachten die erop werken, waaronder zwaartekracht, warmte, licht, magnetisme, elektriciteit en andere krachten die de basiskenmerken van objecten kunnen veranderen. Een van de takken van de wetenschap is mechanica, die belangrijke subsecties omvat als statica en dynamica, evenals kinematica.
Mechanica is een tak van de natuurkunde die krachten, objecten of lichamen bestudeert die in rust of in beweging zijn. Het is een van de grootste entiteiten op het gebied van wetenschap en technologie. Taken in de statica omvatten de studie van de toestand van lichamen onder invloed van verschillende krachten. Kinematica is een tak van de natuurkunde (mechanica) die de beweging van objecten bestudeert, ongeacht de krachten die de beweging veroorzaken.
Theoretische mechanica: statica
Mechanica is een natuurwetenschap die het gedrag van lichamen onder invloed van krachten beschouwt. Er zijn 3 categorieën mechanica: absoluut star lichaam, vervormbare lichamen en vloeistof. Een star lichaam is een lichaam dat niet vervormt onder invloed vankrachten. Theoretische mechanica (statica - onderdeel van de mechanica van een absoluut star lichaam) omvat ook dynamica, die op zijn beurt is onderverdeeld in kinematica en kinetiek.
De mechanica van een vervormbaar lichaam houdt zich bezig met de verdeling van krachten in het lichaam en de resulterende vervormingen. Deze interne krachten veroorzaken bepaalde spanningen in het lichaam, wat uiteindelijk kan leiden tot een verandering in het materiaal zelf. Deze kwesties worden bestudeerd in cursussen over materiaalsterkte.
Vloeistofmechanica is een tak van de mechanica die zich bezighoudt met de verdeling van krachten in vloeistoffen of gassen. Vloeistoffen worden veel gebruikt in de techniek. Ze kunnen worden geclassificeerd als onsamendrukbaar of samendrukbaar. Toepassingen zijn onder meer hydrauliek, ruimtevaart en nog veel meer.
Het concept van dynamiek
Dynamiek gaat over kracht en beweging. De enige manier om de beweging van een lichaam te veranderen, is door kracht te gebruiken. Naast kracht bestudeert dynamiek andere fysische concepten, waaronder de volgende: energie, momentum, botsing, zwaartepunt, koppel en traagheidsmoment.
Statisch en dynamisch zijn volledig tegengestelde toestanden. Dynamiek is de studie van lichamen die niet in evenwicht zijn, en er vindt versnelling plaats. Kinetiek is de studie van de krachten die beweging veroorzaken, of de krachten die het gevolg zijn van beweging. In tegenstelling tot een concept als statica, is kinematica de leer van de beweging van een lichaam, die geen rekening houdt met het feit dathoe de beweging wordt gemaakt. Het wordt soms de "geometrie van beweging" genoemd.
Kinematica
Kinematische principes worden vaak toegepast om de bepaling van positie, snelheid en versnelling in verschillende delen van apparatuur tijdens de werking ervan te analyseren. Kinematica beschouwt de beweging van een punt, een lichaam en een systeem van lichamen zonder rekening te houden met de oorzaken van beweging. Beweging wordt beschreven door een vector van grootheden zoals verplaatsing, snelheid en versnelling, samen met een indicatie van een referentiekader. Verschillende problemen in de kinematica worden opgelost met behulp van de bewegingsvergelijking.
Mechanica - statica: fundamentele grootheden
De geschiedenis van de mechanica omspant meer dan een eeuw. De basisprincipes van statica zijn lang geleden ontwikkeld. Tijdens de vroege beschavingen waren allerlei hefbomen, hellende vlakken en andere principes nodig om bijvoorbeeld enorme bouwwerken als de piramides te bouwen.
De fundamentele grootheden in de mechanica zijn lengte, tijd, massa en kracht. De eerste drie worden absoluut genoemd, onafhankelijk van elkaar. Kracht is geen absolute waarde omdat het verband houdt met massa en snelheidsveranderingen.
Lengte
Lengte is een waarde die wordt gebruikt om de positie van een punt in de ruimte ten opzichte van een ander punt te beschrijven. Deze afstand wordt de standaard lengte-eenheid genoemd. De algemeen aanvaarde standaardeenheid voor het meten van lengte is de meter. Deze standaarddoor de jaren heen ontwikkeld en verbeterd. Aanvankelijk was het een tienmiljoenste deel van het aardoppervlak, waarmee het vrij moeilijk was om metingen te doen. Op 20 oktober 1983 werd de meter gedefinieerd als de lengte van het pad dat licht in een vacuüm in 1/299.792.458 van een seconde aflegde.
Tijd
Tijd is een bepaald interval tussen twee gebeurtenissen. De algemeen aanvaarde standaard tijdseenheid is de tweede. De tweede werd oorspronkelijk gedefinieerd als 1/86,4 van de gemiddelde rotatieperiode van de aarde om zijn as. In 1956 werd de definitie van een seconde verbeterd tot 1/31.556 van de tijd die de aarde nodig heeft om één omwenteling rond de zon te voltooien.
Massa
Massa is een eigenschap van materie. Het kan worden gezien als de hoeveelheid materie in het lichaam. Deze categorie definieert het effect van de zwaartekracht op het lichaam en de weerstand tegen verandering in beweging. Deze weerstand tegen verandering in beweging wordt traagheid genoemd, wat het resultaat is van de massa van het lichaam. De algemeen aanvaarde eenheid van massa is de kilogram.
Kracht
Kracht is een afgeleide eenheid, maar een zeer belangrijke eenheid in de studie van mechanica. Het wordt vaak gedefinieerd als de actie van het ene lichaam op het andere, en kan al dan niet het resultaat zijn van direct contact tussen lichamen. Zwaartekracht- en elektromagnetische krachten zijn voorbeelden van het gevolg van zo'n inslag. Er zijn twee beïnvloedingsprincipes, van krachten die de bewegingen van het systeem veranderen en die de neiging hebben om:vervormingen. De basiseenheid van kracht is de Newton in het SI-systeem en het pond in het Engelse systeem.
Equilibriumvergelijkingen
Statisch betekent dat de objecten in kwestie absoluut solide zijn. De som van alle krachten die op een lichaam in rust werken, moet gelijk zijn aan nul, dat wil zeggen dat de betrokken krachten elkaar in evenwicht houden en dat er geen neiging mag zijn voor krachten die het lichaam om een willekeurige as kunnen draaien. Deze voorwaarden zijn onafhankelijk van elkaar en hun uitdrukking in wiskundige vorm vormt de zogenaamde evenwichtsvergelijkingen.
Er zijn drie evenwichtsvergelijkingen en daarom kunnen er maar drie onbekende krachten worden berekend. Als er meer dan drie onbekende krachten zijn, betekent dit dat er meer componenten in de constructie of machine zijn dan nodig zijn om bepaalde belastingen te dragen, of dat er meer beperkingen zijn dan nodig om te voorkomen dat het lichaam beweegt.
Zulke onnodige componenten of beperkingen worden redundant genoemd (bijvoorbeeld een tafel met vier poten heeft er één redundant), en het krachtensysteem is statisch onbepaald. Het aantal beschikbare vergelijkingen in de statica is beperkt, aangezien elk star lichaam onder alle omstandigheden solide blijft, ongeacht vorm en grootte.
