Staatika
Staatika jaguneb alaliikideks vastavalt uuritavale objektile. Nii kirjeldab hüdrostaatika (kr. hydor -- vesi) vedelike tasakaalu, elektrostaatika elektriliselt laetud kehade tasakaalu jne. Kui lisandit pole, mõeldakse tavaliselt tahkete makrokehade tasakaaluseisundi uurimist. |
kus keha (süsteemi) olek ei muutu. |
Tasakaalu tingimused. Staatika on lihtne ka sellepärast, et ta koosneb ühest ainsast seadusest: Keha on tasakaalus parajasti siis, kui:b) temale mõjuvate jõumomentide summa on null. | |
Alustame keeleõppest.
| |
Mehaanikas tähendab oleku muutus liikumise muutust:
|
toas laual tänaval Kulgev liikumine on asukoha muutus
Asend:
|
Tasakaalus keha ei tohi hakata ei "kulgema" ega pöörlema. Ülaltoodud
seaduse kaks tingimust käivadki kahe liikumise tüübi kohta.
| Suunatud suuruse -- vektori -- märgi muutmine tähendab suuna muutumist vastupidiseks. |
Õpikutes kasutatakse mõnikord väljendit "algebraline summa".
Sellega tahetakse öelda, et ei piisa, kui jõudusid väljendavad
numbrid tuimalt kokku liita. Tuleb arvestada jõudude märke ja
kontrollida, kas pole tegu vektoritega.
Kui jõud mõjuvad piki sama sirget, piisab märkidest. Kui mitte, tuleb kasutada vektoreid. Jõumomendid - juhul, kui keha on teljele kinnitatud, võivad teda pöörata kas ühes või teises suunas; niisiis piisab ka siin märkidest. See, kumba pööret lugeda positiivseks ja kumba negatiivseks, on kokkuleppe asi, tavaliselt loetakse positiivseks pööre vastu kellaosuti liikumise suunda - nii, et pööre suurendaks pöördenurka. Staatikas, st. tasakaaluolukorras, pole sel loomulikult tähtsust, valida võib mõlemat pidi ja oluline on vaid see, et erisuunalised pöörded oleks ka erimärgilised.
Staatika pole lihtne, ja eesseisvas teoreetilise mehaanika kursuses
õpitakse seda põhjalikult. Meie piirdume kahe (lihtsa?) valemiga.
Neist esimene (ühedimensionaalne) annab pöörlemistasakaalu valemi:
![]() |
![]() b) jõupaar |
Tasakaal kulgeva liikumise suhtes. Teine - vektorvalem (kahe- või kolmedimensionaalne) ![]() paneb tasakaalu lõplikult paika. Kehtima peavad need kaks valemit loomulikult samaaegselt, muidu poleks ju tasakaalu. Vaadelda (matemaatilist mudelit teha) võib aga eraldi. Pakun välja kaks "masinat", esimese pöörlemis-, teise kulgemistasakaalu jaoks: Ülemisel pildil on ratas, mida pööravad täisnurga all olevatele varrastele kinnitatud raskused. Ratas võib teljel pöörelda ning kui tal on tasakaaluasend, peab ülaltoodud tingimus olema täidetud. Arvutuse teeb raskemaks see, et lihtne on määrata koormise kaugust pöörlemisteljest, mitte aga jõu mõjumissihi kaugust, st. jõu õlga. Viimane sõltub seadeldise orientatsioonist (ratta pöördenurgast), mis muutub ratta pöördumise käigus. Alumisel pildil on mudel, kus proovikehale K mõjuvad koormiste P1 ,P2 ,P3 poolt tekitatud jõud F1 ,F2 ,F3. Kus on proovikeha tasakaaluasend? Mõlemal probleemil on geomeetriline lahend. Jõumomentide korral on selleks nn. Archimedese kangi valem: See tähendab, et kui joonisel on vasakpoolse koormise P1 mass kaks korda suurem kui P2 mass, pöörab seadeldis end nii, et kaugus koormisest P1 kuni pöörlemisteljest tõmmatud vertikaalini on kaks korda väiksem kui koormise P2 kaugus. Muidugi ei tohi nad olla samal pool seda vertikaali. Aga miks? Alumise "masina" lahend on samuti geomeetriline: et kolme vektori summa oleks null, peavad nad üksteise otsa tõstetuna moodustama suletud joone - hulknurga. Antud juhul siis kolmnurga. Kui sellise kolmnurga joonistamine on võimalik, on võimalik ka tasakaal. Aga kui ei ole? Ja millisel juhul ei ole? Veel üks probleem: Kolmest lõigust annab kokku panna ainult ühe kolmnurga, ja sedagi mitte alati. See-eest rohkema arvu jõudude korral on võimalike kinniste murdjoonte arv suurem. Näiteks võime neljast lõigust kokku panna juba kaks kinnist joont: Mida see tähendab tasakaalu koha pealt? Pingutage ajusid! Kinemaatika"Kinemaatika" tuleneb kreekakeelsest sõnast kinema ehk lühemalt kino. Tähendab see liikumist; ja vastav mehaanika osa uuribki liikumist - mitte niivõrd selle põhjusi kui just liikumise matemaatilise kirjeldamise võimalusi. |
|
Aja muutumine pole meie poolt kontrollitav, aeg muutub iseenesest (nagu tihti öeldakse - voolab) ja seetõttu kulgeb enamus looduslikke protsesse nagunii olekute ajalise järgnevusena. Seejuures pole aeg ise ühegi protsessi põhjustajaks. Aeg pole ka mõõdetav, vähemalt mitte nii, nagu me mõõdame tavalisi suurusi. See, mida me nimetame "aja mõõtmiseks" on tavaliselt mingi ajas kulgeva protsessi võrdlemine teise, lihtsama (perioodilise) protsessiga, nagu Maa pöörlemine või kellapendli võnkumine. |
- ehk liikumisi võrreldakse aja mõiste abil. Kas saite aru? Mõelge hoolega! |
Veel räägitakse, et aeg voolab ainult ühes suunas (minevikust tulevikku) ja seepärast on kõik põhjuslikku laadi seosed võimalikud vaid sel kujul, et põhjus eelneb (ajaliselt) tagajärjele. Mida selline aeg endast kujutab, selle üle on filosoofid vaielnud aastatuhandeid. Matemaatika vaatepunktist on aeg universaalne ja väga kasulik vahemuutuja, mille abil saab siduda üsnagi erinevate protsesside võrrandeid.
Kogu see jutt ei tohiks häirida meie igapäevaseid suhteid ajaga. Kell
on hea riist, pole tähtis, miks ja kuidas ta töötab. Peaasi, et aega
näitab.
|
Aja nool:
põhjus t1 peab eelnema tagajärjele t2,st
|
![]()
|
Ta näitab uuritava keha asukohta taustkeha suhtes |
Füüsikud tavatsevad ütelda, et liikumine toimub kolmemõõtmelises
eukleidilises ruumis. Matemaatiliselt on ruum
mitmeparameetriliste muutujate hulk, millest igaüht kirjeldab korraga
kaks või rohkem arvu. Tegelikult on ruumi mõiste tulnud
matemaatikasse just füüsikast, kus ta tähistab "kohta, kus liiguvad
kehad". Eestikeelne termin on tulnud saksa keelest (Raum - tuba),
inglise keel kasutab siin mõistet "tühjus" (space), vene keel mõistet "ulatus" (prostranstvo ).
Selle igapäevase ruumi matemaatiliseks kirjeldamiseks töötasid vanad kreeklased välja erilise teaduse - geomeetria, mis rajanes deduktiivsetel järeldustel Eukleidese poolt kirja pandud viiest aksioomist. Alles möödunud sajandil leidsid matemaatikud, et Eukleidese ruum polegi ainuvõimalik, vaid kujutab erijuhtu, üleminekuvormi kahe kõvera ruumi - avatud (hüperboolse) meetrikaga Lobatševski ruumi ning suletud (elliptilise) Riemanni ruumi vahel. Küll on aga Eukleidese ruum neist kõige lihtsam ja kuna ta on tavafüüsika tarbeks ka piisavalt täpne, kasutatakse teda endistviisi. Ainult väga tugevate jõuväljade ning ülisuurte mastaapide korral kasutatakse ka mitte-eukleidilisi ruume.
|
![]() Ühemõõtmelised ruumid:
|
Koordinaadid. Termin kolmemõõtmeline väljendab
vektori kirjapanekuks vajalike sõltumatute muutujate - koordinaatide
- hulka. Igapäevakogemus kinnitab. et keha asukoha määramiseks
piisab kolmest arvust (tinglikult pikkus, laius ja kõrgus). Nende
kolme arvu saamiseks tuleb konstrueerida koordinaatsüsteem -
reeglistik nimetatud arvude leidmiseks.
Lihtsaim ja sagedamini
kasutatav on ristkoordinaadistik (ka Descartes'i või
Cartesiuse koordinaadid): kolm üksteisega risti olevat
ühikvektorit, mille suunale projekteeritakse kirjeldatav kohavektor.
Neid nn. baasivektoreid tähistatakse tähtedega ![]() ![]() ![]()
Kui selline reeper on konstrueeritud, saab iga vektorit kirja panna
kui kolme teljesuunalise vektori summat:
![]() asendades raskestimõistetava kujundi ![]() ![]()
|
Reeper ja koordinaadid
|
Kuhu jäi taustkeha? Pole ta kuhugi kadunud - meie "reeperi" moodustabki taustkeha. Telgede suunad, ehkki suvaliselt valitud, jäävad edaspidi taustkeha suhtes paigale. Muidugi kulgeb kohavektor "punktist punkti" ja kirjeldab seega vaid uuritava keha kindla punkti liikumist taustkeha mingi kindla punkti suhtes. Aga kulgliikumise tarbeks sellest piisab: et liikumise määrab mitte kohavektor ise, vaid selle muutus ("nihe"), siis liiguvad samal kombel ka kõik uuritava keha ülejäänud punktid - ning seejuures taustkeha ükskõik millise punkti suhtes.
| Kulgeval liikumisel liiguvad keha kõik punktid ühesugust teed mööda. Seepärast piisab ühe punkti liikumise kirjeldamisest. |
Täpsuse huvides tasuks viimase lause üle järele mõelda.
|
|
![]() Kus on siin energia? Aga tänapäeva (kvant)füüsikas määrabki sagedus energia(kvandi) suuruse. Ja samuti: aatomisisese ülemineku energia annab alati ühesuguse sageduse. See, miks on valitud just tseesium ja miks just kirjeldatud üleminek, on määratud tehnikaga: toodud skeemi on lihtsalt kõige odavam realiseerida. Pikkusühiku meetri saab määrata juba ajaühiku kaudu. Teades (relatiivsusteooriast!), et valguse kiirus on ühesugune kõigil planeetidel ja kõigis taustsüsteemides, määrataksegi meeter kui kindla aja jooksul valguse poolt läbitud tee: |
|
Meie jaoks on nii sekund kui meeter olemas vastavates erilaborites kontrollitud ning reguleeritud mõõteriistade kujul. Nii me kasutamegi mõõdulinti ja kella ning ei mõtle rohkem etaloonide (ühikuid määravate eeskirjade) peale.
|
Liikumisvõrrand väljendab keha asukoha (kohavektori, st. selle kolme koordinaadi) sõltuvust ajast. |
Seega on liikumisvõrrandiks vektorvõrrand
![]() kus ![]() ![]() ![]()
Klassikalises (Newtoni) mehaanikas antakse liikumisvõrrand tavaliselt
kas teist järku diferentsiaalvõrrandi või ruutpolünoomi kujul. Neist
esimene
![]() kujutab Newtoni II seadust, teine |
Punkt muutujat tähistava tähe kohal märgib tuletist aja järgi; kaks punkti - teist järku tuletist aja järgi jne. |
![]() tavalist koolifüüsika "ühtlaselt muutuva liikumise valemit", kus algasend ![]() ![]() ![]() |
|
Mis vahe on neil kahel võrrandil? Kui on tegu "ühtlaselt muutuva
liikumisega", st. kui kiirendus Liikumisvõrrandi lahendamine kuulub dünaamikasse. Ja ega kinemaatika polegi mingi iseseisev mehaanika osa.
|   |
![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() |
Pöördenurga ![]() | |
![]() See on väga mugav ühik, kui meil on tarvis leida pöörleva keha mistahes punkti joonkiirust. Kui pöördenurka mõõta radiaanides, tuleb nurkkiiruse ühikuks "radiaani sekundi kohta" (rad/s või lihtsalt 1/s - radiaan kui kaare pikkuse ja raadiuse pikkuse suhe on tegelikult dimensioonita suurus). Et saada joonkiirust (kiirust, millega liigub pöörleva keha mingi punkt), tuleb nurkkiirus korrutada vaadeldava punkti kaugusega pöördeteljest.
|
![]() |
Pöördenurga märgist. Keha saab teljel pöörata kas ühele või teisele poole. Üht neist pöördeist tuleks lugeda positiivseks, teist negatiivseks. See tuleb jällegi kokku leppida. Ja kokkulepe on nii, et positiivseks loetakse pööre vastu kellaosuti liikumise suunada.
See on lihtne vaid paberile joonistatult. Kui vaadata pöörlevat keha ruumis ühelt poolt, näeme teda pöörlevana üht, teiselt poolt vaadatuna aga teistpidi. See, kummalt poolt vaadatakse, määratakse teljele kantud suuna -- pöörlemisvektori -- abil. Aga sellest hiljem, tahke keha liikumist kirjeldavas osas.
|
![]() Pöördenurga märk sõltub pöörde suunast |
Joont, mis ühendab keha asukohti järjestikustel ajamomentidel, nimetatakse keha trajektooriks. Keha liigub ruumis piki trajektoori. Trajektoor on sile joon; temas ei ole katkevusi ja muid iseäralikke punkte. Kiirusvektor on trajektoorile alati puutujaks, ta näitab liikumissuunda. Kiirendusvektor seevastu võib olla trajektoori suhtes ka nurga all. Ta on seda alati, kui keha liigub piki kõverjoont. Et kõverjooneline liikumine tähendab liikumissuuna muutust, peab sellega kaasnema kiirusvektori muutumine isegi siis, kui kiiruse väärtus (vektori moodul) ei muutu.
|
Keha liikumissuunda näitab kiirusvektor.
Kui kiirusvektori suund liikumise käigus muutub, nimetatakse liikumist kõverjooneliseks.
|