L'estàtica és la ciència dels mètodes per quantificar la força d'interacció entre cossos. Aquestes forces s'encarreguen de mantenir l'equilibri, moure cossos o canviar-ne la forma. A la vida quotidiana, podeu veure molts exemples diferents cada dia. El moviment i els canvis de forma són fonamentals per a la funcionalitat dels objectes naturals i artificials.
El concepte d'estàtica
Les bases de l'estàtica es van establir fa més de 2200 anys, quan l'antic matemàtic grec Arquímedes i altres científics d'aquella època estudiaven les propietats d'amplificació i inventaven mecanismes senzills com una palanca i un eix. L'estàtica és una branca de la mecànica que s'ocupa de les forces que actuen sobre els cossos en repòs en condicions d'equilibri.
Aquesta és la branca de la física que fa possible els procediments analítics i gràfics necessaris per identificar i descriure aquestes forces desconegudes. La secció "estàtica" (física) té un paper important en moltes branques de l'enginyeria, mecànica,civil, aviació i bioenginyeria, que tracten els diferents efectes de les forces. Quan el cos està en repòs o es mou a una velocitat uniforme, llavors estem parlant d'aquesta àrea de la física. L'estàtica és l'estudi del cos en equilibri.
Els mètodes i resultats d'aquesta branca de la ciència han demostrat ser especialment útils en el disseny d'edificis, ponts i preses, així com grues i altres dispositius mecànics similars. Per poder calcular les dimensions d'aquestes estructures i equips, els arquitectes i els enginyers han de determinar primer les forces que actuen sobre les seves parts interconnectades.
Axiomes de l'estàtica
L'estàtica és una branca de la física que estudia les condicions en què els sistemes mecànics i altres es mantenen en un estat determinat que no canvia amb el temps. Aquesta secció de física es basa en cinc axiomes bàsics:
1. Un cos rígid es troba en un estat d'equilibri estàtic si hi actuen dues forces de la mateixa intensitat, es troben en la mateixa línia d'acció i es dirigeixen en direccions oposades al llarg de la mateixa línia.
2. Un cos rígid romandrà en estat estàtic fins que es vegi afectat per forces externes o un sistema de forces.
3. La resultant de dues forces que actuen en el mateix punt material és igual a la suma vectorial de les dues forces. Aquest axioma obeeix al principi de la suma vectorial.
4. Dos cossos que interactuen reaccionen entre si amb dues forces d'igual intensitat en direccions oposades al llarg de la mateixa línia d'acció. Aixòl'axioma també s'anomena principi d'acció i reacció.
5. Si un cos deformable es troba en estat d'equilibri estàtic, no es veurà alterat si el cos físic roman en estat sòlid. Aquest axioma també s'anomena principi de solidificació.
Mecànica i les seves seccions
Física en grec (physikos - "natural" i "physis" - "natura") significa literalment la ciència que s'ocupa de la natura. Cobreix totes les lleis i propietats conegudes de la matèria, així com les forces que actuen sobre ella, incloent la gravetat, la calor, la llum, el magnetisme, l'electricitat i altres forces que poden canviar les característiques bàsiques dels objectes. Una de les branques de la ciència és la mecànica, que inclou subapartats tan importants com l'estàtica i la dinàmica, així com la cinemàtica.
La mecànica és una branca de la física que estudia forces, objectes o cossos que estan en repòs o en moviment. És una de les entitats més grans en l'àmbit de la ciència i la tecnologia. Les tasques d'estàtica inclouen l'estudi de l'estat dels cossos sota la influència de diverses forces. La cinemàtica és una branca de la física (mecànica) que estudia el moviment dels objectes, independentment de les forces que provoquen el moviment.
Mecànica teòrica: estàtica
La mecànica és una ciència física que considera el comportament dels cossos sota l'acció de les forces. Hi ha 3 categories de mecànica: cos absolutament rígid, cossos deformables i líquid. Un cos rígid és un cos que no es deforma sota l'acció deforces. La mecànica teòrica (estàtica - part de la mecànica d'un cos absolutament rígid) també inclou la dinàmica, que, al seu torn, es divideix en cinemàtica i cinètica.
La mecànica d'un cos deformable s'ocupa de la distribució de forces a l'interior del cos i de les deformacions resultants. Aquestes forces internes provoquen determinades tensions en el cos, que eventualment poden provocar un canvi en el propi material. Aquestes qüestions s'estudien als cursos de resistència dels materials.
La mecànica de fluids és una branca de la mecànica que s'ocupa de la distribució de forces dins dels líquids o gasos. Els fluids s'utilitzen àmpliament en enginyeria. Es poden classificar en incompressibles o compressibles. Les aplicacions inclouen hidràulica, aeroespacial i moltes més.
El concepte de dinàmica
La dinàmica tracta la força i el moviment. L'única manera de canviar el moviment d'un cos és utilitzar la força. Juntament amb la força, la dinàmica estudia altres conceptes físics, entre els quals destaquen els següents: energia, moment, xoc, centre de gravetat, parell i moment d'inèrcia.
Estàtic i dinàmic són estats completament oposats. La dinàmica és l'estudi dels cossos que no estan en equilibri i es produeix l'acceleració. La cinètica és l'estudi de les forces que provoquen el moviment, o les forces que resulten del moviment. A diferència d'un concepte com l'estàtica, la cinemàtica és la doctrina del moviment d'un cos, que no té en compte el fet quecom es fa el moviment. De vegades s'anomena "geometria del moviment".
Cinemàtica
Els principis cinemàtics s'apliquen sovint per analitzar la determinació de la posició, la velocitat i l'acceleració en diverses parts de l'equip durant el seu funcionament. La cinemàtica considera el moviment d'un punt, un cos i un sistema de cossos sense considerar les causes del moviment. El moviment es descriu mitjançant un vector de magnituds com ara el desplaçament, la velocitat i l'acceleració juntament amb una indicació d'un marc de referència. Diversos problemes de cinemàtica es resolen mitjançant l'equació del moviment.
Mecànica - estàtica: quantitats fonamentals
La història de la mecànica abasta més d'un segle. Els principis bàsics de l'estàtica es van desenvolupar fa molt de temps. Durant les primeres civilitzacions es necessitaven tot tipus de palanques, plans inclinats i altres principis per construir, per exemple, estructures tan grans com les piràmides.
Les magnituds fonamentals en mecànica són la longitud, el temps, la massa i la força. Els tres primers s'anomenen absoluts, independents els uns dels altres. La força no és un valor absolut, ja que està relacionada amb la massa i els canvis de velocitat.
Longitud
La longitud és un valor que s'utilitza per descriure la posició d'un punt a l'espai en relació amb un altre punt. Aquesta distància s'anomena unitat estàndard de longitud. La unitat estàndard generalment acceptada per mesurar la longitud és el metre. Aquesta normadesenvolupat i millorat al llarg dels anys. Inicialment, era una deu milionèsima part del quadrant de la superfície terrestre, amb la qual cosa era bastant difícil fer mesures. El 20 d'octubre de 1983, el metre es va definir com la longitud del camí recorregut per la llum en el buit en 1/299.792.458 de segon.
Hora
El temps és un interval determinat entre dos esdeveniments. La unitat de temps estàndard generalment acceptada és la segona. El segon es va definir originalment com 1/86,4 del període de rotació mitjà de la Terra sobre el seu eix. El 1956, la definició de segon es va millorar a 1/31,556 del temps que triga la Terra a completar una revolució al voltant del Sol.
Missa
La massa és una propietat de la matèria. Es pot considerar com la quantitat de matèria que conté el cos. Aquesta categoria defineix l'efecte de la gravetat sobre el cos i la resistència al canvi de moviment. Aquesta resistència al canvi de moviment s'anomena inèrcia, que és el resultat de la massa del cos. La unitat de massa generalment acceptada és el quilogram.
Poder
La força és una unitat derivada, però una unitat molt important en l'estudi de la mecànica. Sovint es defineix com l'acció d'un cos sobre un altre, i pot ser o no el resultat del contacte directe entre cossos. Les forces gravitatòries i electromagnètiques són exemples del resultat d'aquest impacte. Hi ha dos principis d'influència, de forces que tendeixen a canviar els moviments del sistema i que tendeixen adeformacions. La unitat bàsica de força és el Newton en el sistema SI i la lliura en el sistema anglès.
Equacions d'equilibri
Estàtic significa que els objectes en qüestió són absolutament sòlids. La suma de totes les forces que actuen sobre un cos en repòs ha de ser igual a zero, és a dir, les forces implicades s'equilibren entre elles i no hi hauria d'haver tendència a les forces capaces de girar el cos al voltant de qualsevol eix. Aquestes condicions són independents entre si, i la seva expressió en forma matemàtica constitueix les anomenades equacions d'equilibri.
Hi ha tres equacions d'equilibri i, per tant, només es poden calcular tres forces desconegudes. Si hi ha més de tres forces desconegudes, vol dir que hi ha més components a l'estructura o a la màquina que els necessaris per suportar determinades càrregues, o que hi ha més restriccions de les necessàries per evitar que el cos es mogui.
Aquests components o restriccions innecessàries s'anomenen redundants (per exemple, una taula amb quatre potes en té una redundant) i el sistema de forces és estàticament indeterminat. El nombre d'equacions disponibles en estàtica és limitat, ja que qualsevol cos rígid roman sòlid en qualsevol condició, independentment de la forma i la mida.
