Klassisk mekanikk

Mekanikken er den delen av fysikken som befatter seg med deformasjon eller bevegelse (eller manglende bevegelse) av materie ved påvirkning av krefter. Mekanikk deles tradisjonelt i statikk, kinetikk/kinematikk og dynamikk. Mekanikkens utgangspunkt er at materialet som utsettes for krefter er å betrakte som en partikkel (dss et massepunkt), det vil si at all masse er konsentrert i ett punkt og legemet har følgelig ikke noen utstrekning. Dette idealiserte utgangspunktet utvides i forskjellige retninger innenfor mekanikken.

Inndeling av mekanikken etter materialets beskaffenhet

Inndeling av mekanikken etter materialets evne til energilagring

I mekaniske systemer er spenninger å betrakte som krefter som fordeles over en flate eller et volum. Spenninger er å regne som belastning på systemet og deles etter sin kraftvirkning (dvs sin måte å gi opphav til deformasjonsenergi eller bevegelsesenergi innen materialet) i skjærspenninger og normalspenninger (dvs trykk- og strekk spenninger). Et stivt legeme har evne til å belastes med både normalspenninger og skjærspenninger, mens en væske bare kan belastes med trykkspenninger. Ut fra kraftvirkningen kan man tilsvarende dele mekanikken inn i de underområdene som tidligere nevnt. For stive legemer er kraftvirkningen av skjærkrefter deformasjoner såsom nedbøying mens normalkrefter gir deformasjoner som stukning eller strekning (tøyning). Kraften virker derfor slik at systemet har fått økt sin deformasjonsenergi. For fluider kan skjærkrefter gi opphav til strømvirvler (turbulens) innen systemet mens normalkrefter fordeler seg homogent i alle retninger og gir det som kalles hydrostatisk trykk. I dette tilfellet er energien fra kraften overført som dels dynamisk virvlingsenergi, dels laminær strømningsenergi og dels deformasjonsenergi.

Mekanikkens historie

Isaac Newton la grunnlaget for denne delen av fysikken med sitt banebrytende verk Philosophiæ naturalis principia mathematica (1687). Men Newton var selv svært bevisst på at hans arbeid bygget på tidligere utført arbeid av Kepler, Galilei og Kopernikus. Newton erstattet den Aristoteliske bevegelseslære. Etterhvert kom andre mekaniske teorier fra matematikere som Pierre-Simon Laplace, Hamilton, d'Alembert og flere. Disse ble betraktet som alternative formuleringer av samme fysiske fenomen, og ikke i strid med Newton. Det finnes riktignok ikke noe formelt bevis for at de forskjellige formuleringene er ekvivalente. Newton ble ikke motsagt før inntil begynnelsen av 1900-tallet, da personligheter som Max Planck, Albert Einstein og Niels Bohr fant løsninger på problemer som:

• Hvordan fungerer Newtons lover sammen med den da nyoppdagede atomfysikken?
• Hvorfor stemmer ikke Newtons lover med de stadig mer nøyaktige målingene til astronomene?
• Er lys en bølge eller er det en strøm av partikler?
• Hvorfor var det så vanskelig å forene Newtons mekanikk med den nyutviklede elektromagntismen?
• Hva er gravitasjon og hvordan virker det?

Den klassiske mekanikken kunne ikke gi noen gode svar på disse spørsmålene, og man måtte finne nye løsninger. Relativitetsteorien ble utviklet, sammen med kvantemekanikk og annet som bygger på dette.

Anvendelser

Den klassiske mekanikken blir nå sett på som et spesialtilfelle av de nyere og mer generelle teoriene. Newtons arbeider brukes fortsatt i stor utstrekning, men med to viktige forbehold. Klassisk mekanikk kan ikke brukes til å beskrive forhold som:

1. har noe med atomer eller kjernepartikler å gjøre, eller som er så små at atomenes indre egenskaper får betydning.
2. beveger seg i nærheten av lysets hastighet. En tommelfingerregel er at klassisk mekanikk gir gode resultater for hastigheter under 10% av lyshastigheten. Da er den relativistiske korreksjonen mindre enn 0,5%.

På mer avansert nivå har man utviklet metoder for å se på et hvert materiale som en uendelig mengde med uendelig små gjenstander (partikler) som påvirker hverandre etter Newtons lover. Man samler sammen disse partiklene i et sett med integraler, og behandler det som et kontinuerlig medium. Dette kalles kontinuumsmekanikken. Metodene bryter selvfølgelig med ideen om et gitt antall atomer, men ble utviklet lenge før atomfysikk og gjelder fortsatt under de samme betingelsene som den klassiske mekanikken.

Gjennom kontinuumsmekanikken, gjerne kombinert med termodynamikk og forskjellige andre teorier, brukes klassisk mekanikk fortsatt i forskning og beregninger innen:

• Krefter og spenninger i faste stoffer, konstruksjoner og materialer.
  • Styrkeberegninger innen bygg, anlegg og industri. Biler, huser, båt osv.
  • Elastisitet
  • Brudd
• Strømninger i væsker og gasser.
  • Turbulens (strømvirvler og andre tilsynelatende kaotiskere strømning)
  • Meteorologi (værsystemer)
  • Oseanografi (strømninger i sjø og hav)
  • Geofysikk (vulkanske masser, strømninger i jordens indre)
  • Klimaberegninger
  • Påvirkning på biler, hus, båter og andre konstruksjoner
• Stoffer som befinner seg mellom fast masse, væskeform- og gass, og gjerne grenseverdiene mellom disse.

Eksterne lenker