1.1 Кинетика
Механика — материя қозғалыстың ең қарапайым формасын, яғни денелердің немесе олардың жеке бөліктерінің бір-бірімен салыстырғанда орын ауыстыруын зерттейтін ғылым.
Табиғаттағы қозғалыстың ең қарапайым түрі – механикалық қозғалыс. Оның сан алуан түрлері болуы мүмкін. Жалпы айтқанда, механикалық қозғалыс дегеніміз бір дененің басқа материалдық денелермен салыстырғанда орын ауыстыруы. Кеңістікте қозғалыстағы денелерді қозғалмайтын басқа денелермен салыстырып қарастыратын жүйені санау жүйесі дейді. Практикада қозғалысты сипаттау үшін санау жүйесін құрайтын денелерге бір координаттар жүйесін, мәселен, кәдімгі түзусызықты тікбұрышты координаттар жүйесін байланыстыруға болады.
Физикалық денелердің немесе бөліктерінің қозғалысын қарастырғанда, олардың нүктесінің қозғалысын зерттеу қажет. Өйткені, материалдық нүктенің қозғалысы – кинематиканың заңдылықтарын зерттеудің негізі.
Сонымен материалдық нүкте дегеніміз массасы қарастырылып отырған дененің массасына тең геометриялық нүкте. Денені егер оның бөлшектері бірдей және жүрілген жолдары дененің өлшемімен салыстырғанда айтарлықтай үлкен болғанда ғана материалдық нүкте ретінде қарастыруға болады. Қарастырылып отырған материалдық нүктенің қозғалыс кезінде із қалдыруын оның траекториясы дейді. Траекторияның формасына қарай, қозғалысты түзу сызықты және қисық сызықты деп бөледі.
Түзу сызықты бірқалыпты қозғалыс
Дене түзу бойымен қозғалса, қозғалыс түзу сызықты деп аталады. Егер қозғалған дене кез келген өзара тең уақыт аралығында бірдей жол жүрсе, ондай қозғалыс бірқалыпты қозғалыс деп аталады. Сондықтан қарастырылатын дененің қозғалысы түзу сызықты бірқалыпты болады. Физикалық денелердің немесе бөліктерінің қозғалысын қарастырғанда, олардың нүктесінің қозғалысын зерттеу керек. Материалдық нүкте қозғалысы – кинематиканың заңдылықтарын зерттеудің негізі.
Кинематика — дене қозғалысын қамтамасыз ететін себептерге байланыссыз қозғалысты оқып зерттейді, статика – денелердің тепе-теңдіктегі шартын зерттейді, ал динамика – қозғалыстың сол немесе басқадай сипатын қамтамасыз ететін себептерге байланысты денелердің қозғалысын оқып зерттейді. Уақыт өтуіне байланысты денелердің кеңістікте орын ауыстыруын механикада қозғалыс деп атайды. Күнді айнала эллипс бойымен қозғалуы арқылы түсіндіріледі. Бұл мысалда төрт түрлі табиғат құбылыстары (дененің құлауы, Жердің тартуы, жыл мезгілдерінің ауысуы, Жердің Күнді айнала қозғалуы) аталып отыр.
1.2 Динамика. Материалдық нүкте динамикасы. Ньютонның бірінші заңы. Ньютонның екінші заңы. Ньютонның үшінші заңы
Динамика материалдық нүктелердің немесе денелердің әсерлесу кезіндегі қозғалысының өзгерісін зерттейді. Динамикада Ньютонның үш заңы негізгі заңдар болып алынады. Егер қозғалысты санақ жүйесімен байланыстыратын болсақ, онда қозғалушы дене әсер етуші күштен бөлек және санақ жүйесімен байланысты бір қалыпты және түзу сызықты қозғалыста болады. Динамиканың негізіне ағылшынның ұлы физигі Иссак Ньютон 1687 жылы жарық көрген «Натурал философияның математикалық бастамалары» деген еңбегінде тұжырымдаған денелер қозғалысының заңдары жатады. Бұл еңбек негізгі ұғымдарды (масса, күш, қозғалыс мөлшері, үдеу) механиканың үш заңын бүкіл әлемдік тартылыс заңын қамтиды. Ньютон өзіне дейінгі ғалымдардың механика саласындағы еңбектерін терең зерттей келе және өзінің зерттеулеріне сүйене отырып, механиканың негізгі ұғымдарын (масса, күш, импульс және басқаларды) енгізді және солардың көмегімен қозғалыстың үш заңын тұжырымдады. Ол ньютон заңдары деп аталады. Бұл заңдар тәжірибелердің қорытындысына негізделеді және негізгі заңдары болып саналады.
Ньютонның бірінші заңы
Нүкте (дене) өзінің тыныштық күйін немесе бір қалыпты түзу сызықты қозғалыстағы күйін, оған басқа денелер әсер етіп өзгерткеге дейін, бұзбай сақтайды. Ньютонның бірініші заңы бойынша: дене өзінің тыныштық күйін немесе бір қалыпты және түзу сызықты қозғалыстағы күйін өзгерту үшін оған басқа материялық денелер әсер етуі керек. Бақылауларға қарағанда, Ньютонның бірінші заңы кез келген санақ жүйелерінде (системасында) дұрыс бола бермейтіні анықталған. Ал Ньютонның бірініші заңы орындалатын санақ жүйелері инерциялық санақ жүйелері деп аталады. Инерциялың санақ жүйесі деп, басқа бір инерциялы санақ жүйесімен салыстырғанда тыныштықта тұратын немесе бірқалыпты және түзу сызықты қозғалытын санақ жүйесін айтамыз.
Ньютонның екінші заңы
Карастырудың алдында күш, салмақ және масса ұғымдарына тоқталайық. Ньютонның екінші заңында физикалық жаңа шама күш туралы ұғым енгізіледі. Ньютонның өзі тұжырымдап айтуынша, қозғалыстың өзгерісі түсірілген күшке тура пропорционал болады және ол күш әсер ететін бағыт бойынша өзгереді.
1.3 Қозғалыс мөлшерінің сақталу заңы
Қозғалыс мөлшерінің (импульстің) сақталу заңы. Қозғалыс мөлшерінің сақталу заңын қорытып шығару үшін кейбір жүйе деп атаймыз. Механикалық жүйедегі материалдық нүктелер арасындағы әсерлесу күштерін ішкі әсерлесу күштері деп атайды. Ал, сыртқы күштер деп, берілген жүйеге кірмейтін материалдық нүктелермен әсерлесу нәтижесінде пайда болатын күштерді атайды. Денелердің механикалық жүйесіне сыртан ешқандай күш әсер етпесе, онда ол жүйені тұйық жүйе деп атайды Тұйықталған жүйе үшін, яғни тек өзара әсерлесетін, бірақ жүйеден тыс ешбір денелермен әсерлеспейтін денелер үшін қозғалыс мөлшерінің өзгерісін қарастырайық.
1.4 Механикалық жүйелердегі энергияның сақтау заңы. Механикалық жұмыс. Қуат. Энегия
Біз қоршаған ортада қандай да бір күшпен (тартылыс серпімділік, тебіліс т.б) біріне-бірі әсер денерді кездестіреміз. Сонда денелер тек күштердің әсерінен орын ауыстырады. Олай болса, күштердің денелердің орын ауыстыруымен байланысты әсеріне сипаттама беру қажет болады. Механикалық жұмыс – күштің түсірілген нүктесінің орын ауыстыру бағытына проекциясының осы орын ауыстыру шамасына көбейтіндісіне тең күш әсерінің өлшемі (1.4.8-сурет).
Қуат Механизмнің уақыты бірлігінде істейтін жұмысын қуат дейді. Ал уақыт бірлігі ішінде істелінген жұмыстың сол уақытқа қатынасымен өлшенетін физикалық шама.
Энергия Энергия (гр. energeіa – әсер, әрекет) – материя қозғалысының әр түрлі формасының жалпы өлшеуіші. Материя қозғалысының әр түрлі формалары бір-біріне айналып (түрленіп) отырады. 19 - ғасырдың орта шенінде осы қозғалыстың барлық формалары бір-біріне белгілі бір сандық мөлшерде ғана айтылатындығы анықталды; осы жағыдай « энергия» ұғымын енгізуге, яғни қозғалыстың әр түрлі физикалық формаларын бірыңғай өлшеуішпен өлшеуге мүмкіндік берді. « Энергия» ұғымы сақталу заңына бағынады.
1.5 Қатты дене механикасы. Күш моменті. Инерция моменті. Айналмалы қозғалыс
Қатты дене механикасы курсын кинематика қарастырмайды, бұл бөлімнен маңызды деген ұғымдарды меңгеру талап етіледі. Динамикадағы негізгі мәселе «Жылжымалы оське қатысты қатты дененің айналмалы қозғалыс динамикасы». Қатты дененің жазықтықтағы қозғалысын екі қарапайым ілгерілемелі және айналмалы қозғалыстың қосындысы деп қарастыруға болады.
Ілгерілемелі қозғалыс – кез келген екі нүктені қосатын түзу өзіне-өзі параллель болып орын ауыстыратын қатты дене қозғалысы. Ілгерілемелі қозғалыс кезінде қатты дененің барлық нүктесі бірдей траектория сызады, сондай-ақ, уақыттың кез келген мезетінде қатты дене нүктелерінің жылдамдықтары мен үдеулері өзінің сан мәні жөнінен де, бағыты бойынша да өзара бірдей болып отырады. Сондықтан дененің ілгерілемелі қозғалысын зерттеу нүкте кинематикасын зерттеуге келтіріледі. Дене қозғалысы ілгерілемелі болмаса, онда қозғалыстың ілгерілемелігін кез келген нүкте емес, белгілі бір нүкте – масса центрін сипаттайды. Ілгерілемелі қозғалыстағы дене нүктесінінің траекториясы, жылдамдығы және үдеуі туралы теорема – ілгерілемелі қозғалыстағы қатты дененің барлық нүктелері біртүрлі қисықтар (траекториялар) сызады және кез келген уақыт кезеңінде жылдамдықтары және үдеулері өзара тең болады.
Айналмалы қозғалыс – центрлері айналыс осі деп аталатын бір түзудің бойында жататын, барлық нүктелері шеңберлер сызатын дененің қозғалысы. Айналмалы қозғалыс – денемен қатты байланысқан екі (ось маңайында айналдырған кезде) немесе бір (нүкте маңайында айналған кезде) нүктесі қозғалмайтын болып қалатын қатты дененің қозғалысы. Аксоид – кеңістікте қозғалмайтын нүктенің маңайында айналатын дененің мезеттік айналу осімен сипатталатын бет. Жылжымайтын аксоид – жылжымайтын кеңістікте лездік өстердің геометриялық орны.
Жылжымалы, аксоид – қозғалыстағы денедегі лездік өстердің геометриялық орны. Қозғалыс кезінде дененің барлық нүктелері шеңберлер сызатын және олардың центрлері айналыс осі деп аталатын бір түзудің бойында жататын қозғалысты айналмалы қозғалыс деп атайды. Айналмалы қозғалысты қарастырғанда бұрыштық жылдамдық және бұрыштық үдеу ұғымдарын енгіземіз.