สถิตยศาสตร์เป็นศาสตร์แห่งวิธีการหาปริมาณแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกาย แรงเหล่านี้มีหน้าที่ในการรักษาสมดุล เคลื่อนไหวร่างกาย หรือเปลี่ยนรูปร่าง ในชีวิตประจำวัน คุณสามารถดูตัวอย่างต่างๆ มากมายได้ทุกวัน การเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนแปลงรูปร่างมีความสำคัญต่อการทำงานของทั้งวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นและธรรมชาติ
แนวคิดของสถิตยศาสตร์
วางรากฐานของสถิตยศาสตร์เมื่อ 2,200 ปีที่แล้ว เมื่ออาร์คิมิดีส นักคณิตศาสตร์ชาวกรีกโบราณและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ในสมัยนั้นกำลังศึกษาการขยายสมบัติและประดิษฐ์กลไกง่ายๆ เช่น คันโยกและเพลา สถิตยศาสตร์เป็นสาขาของกลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับแรงที่กระทำต่อวัตถุที่อยู่นิ่งภายใต้สภาวะสมดุล
นี่คือสาขาของฟิสิกส์ที่ทำให้ขั้นตอนการวิเคราะห์และกราฟิกที่จำเป็นในการระบุและอธิบายกองกำลังที่ไม่รู้จักเหล่านี้เป็นไปได้ ส่วน "สถิตยศาสตร์" (ฟิสิกส์) มีบทบาทสำคัญในหลาย ๆ สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกลโยธา การบิน และวิศวกรรมชีวภาพ ซึ่งจัดการกับผลกระทบต่างๆ ของกำลัง เมื่อร่างกายได้พักหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน เรากำลังพูดถึงฟิสิกส์สาขานี้ สถิตยศาสตร์คือการศึกษาร่างกายให้สมดุล
วิธีการและผลลัพธ์ของสาขาวิชาวิทยาศาสตร์นี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์อย่างยิ่งในการออกแบบอาคาร สะพานและเขื่อน ตลอดจนปั้นจั่นและอุปกรณ์กลไกอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน เพื่อให้สามารถคำนวณขนาดของโครงสร้างและอุปกรณ์ดังกล่าว สถาปนิกและวิศวกรต้องกำหนดแรงที่กระทำต่อชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อถึงกันก่อน
สัจพจน์ของสถิตยศาสตร์
สถิตย์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาสภาวะที่ระบบกลไกและระบบอื่นๆ ยังคงอยู่ในสถานะที่แน่นอนซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ฟิสิกส์ส่วนนี้อิงจากสัจพจน์พื้นฐาน 5 ประการ:
1 วัตถุที่แข็งกระด้างจะอยู่ในสภาวะสมดุลสถิต ถ้าแรงสองแรงที่มีความเข้มข้นเท่ากันกระทำกับมัน อยู่บนแนวการกระทำเดียวกัน และมุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามในแนวเดียวกัน
2 ร่างกายที่แข็งกระด้างจะคงอยู่ในสถานะคงที่จนกว่าจะได้รับผลกระทบจากแรงภายนอกหรือระบบของแรง
3. ผลลัพธ์ของแรงสองตัวที่กระทำต่อจุดวัสดุเดียวกันจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของแรงทั้งสอง สัจพจน์นี้เป็นไปตามหลักการของการบวกเวกเตอร์
4. วัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์กันสองตัวทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกันด้วยแรงสองแรงที่มีความเข้มข้นเท่ากันในทิศทางตรงกันข้ามตามแนวการกระทำเดียวกัน นี้สัจพจน์เรียกอีกอย่างว่าหลักการของการกระทำและปฏิกิริยา
5 หากร่างกายที่บิดเบี้ยวอยู่ในสภาวะสมดุลคงที่ ร่างกายจะไม่ถูกรบกวนหากร่างกายยังคงอยู่ในสถานะของแข็ง สัจพจน์นี้เรียกอีกอย่างว่าหลักการแข็งตัว
กลศาสตร์และส่วนต่างๆ
ฟิสิกส์ในภาษากรีก (ฟิสิกส์ - "ธรรมชาติ" และ "ฟิสิกส์" - "ธรรมชาติ") หมายถึงวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับธรรมชาติอย่างแท้จริง ครอบคลุมกฎและสมบัติของสสารที่ทราบทั้งหมด ตลอดจนแรงที่กระทำกับสสาร ซึ่งรวมถึงแรงโน้มถ่วง ความร้อน แสง สนามแม่เหล็ก ไฟฟ้า และแรงอื่นๆ ที่สามารถเปลี่ยนลักษณะพื้นฐานของวัตถุได้ สาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์คือกลศาสตร์ ซึ่งรวมถึงส่วนย่อยที่สำคัญเช่น สถิตยศาสตร์และไดนามิก ตลอดจนจลนศาสตร์
กลศาสตร์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาแรง วัตถุ หรือร่างกายที่อยู่นิ่งหรือเคลื่อนที่ เป็นหนึ่งในหน่วยงานที่ใหญ่ที่สุดในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี งานในสถิตยศาสตร์รวมถึงการศึกษาสถานะของร่างกายภายใต้อิทธิพลของกองกำลังต่างๆ จลนศาสตร์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ (กลศาสตร์) ที่ศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุโดยไม่คำนึงถึงแรงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่
กลศาสตร์เชิงทฤษฎี: สถิตยศาสตร์
กลศาสตร์เป็นศาสตร์ทางกายภาพที่พิจารณาพฤติกรรมของร่างกายภายใต้การกระทำของกองกำลัง กลศาสตร์มี 3 ประเภท: ร่างกายที่แข็งกระด้าง วัตถุที่ผิดรูป และของเหลว ร่างกายที่แข็งกระด้างคือร่างกายที่ไม่เสียรูปภายใต้การกระทำของกองกำลัง. กลศาสตร์เชิงทฤษฎี (สถิตยศาสตร์ - ส่วนหนึ่งของกลไกของร่างกายที่แข็งกระด้างอย่างยิ่ง) ยังรวมถึงไดนามิก ซึ่งในทางกลับกัน แบ่งออกเป็นจลนศาสตร์และจลนศาสตร์
กลไกของร่างกายที่บิดเบี้ยวได้นั้นเกี่ยวข้องกับการกระจายแรงภายในร่างกายและการเสียรูปที่เกิดขึ้น แรงภายในเหล่านี้ทำให้เกิดความเครียดในร่างกาย ซึ่งในที่สุดจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในตัววัสดุเอง ประเด็นเหล่านี้ศึกษาในหลักสูตรกำลังของวัสดุ
กลศาสตร์ของไหลเป็นสาขาหนึ่งของกลศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการกระจายแรงภายในของเหลวหรือก๊าซ ของเหลวใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรม พวกเขาสามารถจัดเป็นอัดแน่นหรืออัด การใช้งานรวมถึงระบบไฮดรอลิกส์ การบินและอวกาศ และอื่นๆ อีกมากมาย
แนวคิดของไดนามิก
ไดนามิกส์เกี่ยวข้องกับแรงและการเคลื่อนไหว วิธีเดียวที่จะเปลี่ยนการเคลื่อนไหวของร่างกายคือการใช้กำลัง นอกเหนือจากแรงแล้ว พลศาสตร์ยังศึกษาแนวคิดทางกายภาพอื่นๆ ซึ่งได้แก่ พลังงาน โมเมนตัม การชน จุดศูนย์ถ่วง แรงบิด และโมเมนต์ความเฉื่อย
สถิตและไดนามิกเป็นสถานะที่ตรงกันข้ามโดยสิ้นเชิง พลวัตคือการศึกษาวัตถุที่ไม่อยู่ในสมดุลและความเร่งเกิดขึ้น จลนศาสตร์คือการศึกษาแรงที่ก่อให้เกิดการเคลื่อนที่หรือแรงที่เกิดจากการเคลื่อนที่ จลนศาสตร์เป็นหลักคำสอนของการเคลื่อนที่ของร่างกายไม่เหมือนกับแนวคิดเช่นสถิตยศาสตร์ซึ่งไม่คำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าวิธีการทำการเคลื่อนไหว บางครั้งเรียกว่า "เรขาคณิตของการเคลื่อนไหว"
จลนศาสตร์
หลักการจลนศาสตร์มักใช้ในการวิเคราะห์การกำหนดตำแหน่ง ความเร็ว และความเร่งในส่วนต่างๆ ของอุปกรณ์ระหว่างการทำงาน จลนศาสตร์พิจารณาการเคลื่อนที่ของจุด วัตถุ และระบบของร่างกายโดยไม่คำนึงถึงสาเหตุของการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่อธิบายโดยเวกเตอร์ของปริมาณ เช่น การกระจัด ความเร็ว และความเร่ง พร้อมด้วยตัวบ่งชี้ของกรอบอ้างอิง ปัญหาต่าง ๆ ในจลนศาสตร์ได้รับการแก้ไขโดยใช้สมการของการเคลื่อนไหว
กลศาสตร์ - สถิตย์: ปริมาณพื้นฐาน
กลศาสตร์มีประวัติศาสตร์ยาวนานกว่าศตวรรษ หลักการพื้นฐานของสถิตยศาสตร์ได้รับการพัฒนามาเป็นเวลานานแล้ว ต้องใช้คันโยกทุกชนิด เครื่องบินลาดเอียง และหลักการอื่นๆ ในช่วงอารยธรรมยุคแรกๆ ในการสร้าง เช่น โครงสร้างขนาดใหญ่อย่างปิรามิด
ปริมาณพื้นฐานในกลศาสตร์คือ ความยาว เวลา มวล และแรง สามตัวแรกเรียกว่าสัมบูรณ์เป็นอิสระจากกัน แรงไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์เนื่องจากเกี่ยวข้องกับมวลและการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว
ความยาว
Length คือค่าที่ใช้อธิบายตำแหน่งของจุดในช่องว่างที่สัมพันธ์กับจุดอื่น ระยะทางนี้เรียกว่าหน่วยความยาวมาตรฐาน หน่วยมาตรฐานที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับการวัดความยาวคือเมตร มาตรฐานนี้พัฒนาและปรับปรุงตลอดหลายปีที่ผ่านมา ในขั้นต้น มันเป็นหนึ่งในสิบล้านของจตุภาคพื้นผิวโลก ซึ่งค่อนข้างยากที่จะทำการวัด เมื่อวันที่ 20 ตุลาคม พ.ศ. 2526 เมตรถูกกำหนดให้เป็นความยาวของเส้นทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศใน 1/299.792.458 วินาที
เวลา
เวลาคือช่วงเวลาหนึ่งระหว่างสองเหตุการณ์ หน่วยเวลามาตรฐานที่ยอมรับโดยทั่วไปคือหน่วยที่สอง ช่วงที่สองถูกกำหนดให้เป็น 1/86.4 ของคาบการหมุนเฉลี่ยของโลกบนแกนของมัน ในปีพ.ศ. 2499 คำจำกัดความของวินาทีได้รับการปรับปรุงเป็น 1/31.556 ของเวลาที่โลกใช้ในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ครบ 1 รอบ
มวล
มวลเป็นสมบัติของสสาร สามารถคิดได้ว่าเป็นปริมาณของสารที่มีอยู่ในร่างกาย หมวดหมู่นี้กำหนดผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อร่างกายและความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนไหว การต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนไหวนี้เรียกว่าความเฉื่อยซึ่งเป็นผลมาจากมวลของร่างกาย หน่วยมวลที่ยอมรับโดยทั่วไปคือกิโลกรัม
กำลัง
แรงเป็นหน่วยที่ได้รับ แต่เป็นหน่วยที่สำคัญมากในการศึกษากลศาสตร์ มักถูกกำหนดให้เป็นการกระทำของร่างกายหนึ่งต่ออีกบุคคลหนึ่งและอาจเป็นผลมาจากการสัมผัสโดยตรงระหว่างร่างกาย แรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นตัวอย่างของผลลัพธ์ของการกระแทกดังกล่าว หลักการอิทธิพลมีอยู่ 2 ประการ คือ แรงที่มีแนวโน้มจะเปลี่ยนการเคลื่อนตัวของระบบและมีแนวโน้มว่าการเสียรูป หน่วยแรงพื้นฐานคือนิวตันในระบบ SI และปอนด์ในระบบภาษาอังกฤษ
สมการสมดุล
คงที่ หมายความว่าวัตถุที่เป็นปัญหานั้นเป็นของแข็งอย่างแน่นอน ผลรวมของแรงทั้งหมดที่กระทำต่อวัตถุที่อยู่นิ่งต้องเท่ากับศูนย์ กล่าวคือ แรงที่เกี่ยวข้องกันทำให้สมดุลกัน และไม่มีแนวโน้มว่าแรงที่สามารถทำให้ร่างกายหมุนรอบแกนใดๆ ได้ เงื่อนไขเหล่านี้เป็นอิสระจากกัน และการแสดงออกในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ถือเป็นสมการดุลยภาพที่เรียกว่า
มีสมการดุลยภาพสามสมการ ดังนั้นจึงสามารถคำนวณกำลังที่ไม่ทราบค่าได้เพียงสามแรงเท่านั้น หากมีแรงไม่ทราบมากกว่าสามแรง แสดงว่ามีส่วนประกอบในโครงสร้างหรือเครื่องจักรมากกว่าที่จำเป็นเพื่อรองรับน้ำหนักบรรทุกบางตัว หรือมีข้อจำกัดมากกว่าที่จำเป็นในการป้องกันไม่ให้ร่างกายเคลื่อนที่
ส่วนประกอบหรือข้อจำกัดที่ไม่จำเป็นดังกล่าวเรียกว่าซ้ำซ้อน (เช่น โต๊ะสี่ขามีความซ้ำซ้อน 1 อัน) และระบบแรงไม่แน่นอนแบบคงที่ จำนวนของสมการในสถิตย์มีจำกัด เนื่องจากวัตถุที่แข็งทื่อใด ๆ ยังคงเป็นของแข็งภายใต้สภาวะใด ๆ โดยไม่คำนึงถึงรูปร่างและขนาด