مکانیک کلاسیک

نمودار حرکت مداری یک ماهواره در اطراف زمین ، که نشان دهنده بردارهای سرعت عمود و شتاب (نیرو) می باشد.

مکانیک کلاسیک حرکت اشیاء ماکروسکوپی ، از پرتابه گرفته تا بخش هایی از ماشین آلات و اشیاء نجومی مانند فضاپیما ، سیارات ، ستاره ها و کهکشان ها را توصیف می کند .

اگر وضعیت فعلی یک شی شناخته شود ، می توان با قوانین مکانیک کلاسیک پیش بینی کرد که چگونه در آینده حرکت خواهد کرد (جبرگرایی) و چگونگه در گذشته حرکت کرده است (برگشت پذیری).

نخستین پیشرفت مکانیک کلاسیک اغلب به عنوان مکانیک نیوتنی یاد می شود. این شامل مفاهیم فیزیکی به کار رفته و روشهای ریاضیاتی است که توسط اسحاق نیوتن ، گوتفرید ویلهلم لیبنیتز و دیگران در قرن 17 اختراع شده است تا حرکت اجسام را تحت تأثیر سیستمی از نیروها توصیف کند .

بعداً ، روشهای انتزاعی تری ایجاد شد که منجر به تغییر ساختار مکانیک کلاسیک موسوم به مکانیک لاگرانژی و مکانیک همیلتون شد . این پیشرفت ها ، که عمدتاً در سده های 18 و 19 صورت گرفته، بویژه از طریق استفاده ی آنها از مکانیک تحلیلی،فراتر از کارهای نیوتن است . آنها با برخی اصلاحات در همه زمینه های فیزیک مدرن نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

مکانیک کلاسیک نتایج بسیار دقیقی را در هنگام مطالعه اشیاء بزرگ که خیلی گسترده نیستند و سرعت آنها به سرعت نور نزدیک نیست، فراهم می کند. وقتی اشیاء مورد بررسی اندازه یك قطر اتم را دارند ، لازم است كه رشته فرعی اصلی دیگر مکانیك : مکانیك كوانتومی نیز معرفی شود . برای توصیف سرعتهایی که در مقایسه با سرعت نور کوچک نیستند ، نسبیت خاصی ضروری است. در صورتی که اشیاء خیلی بزرگ شوند ، نسبیت عام قابل اجرا می شود. با این حال ، تعدادی از منابع مدرن شامل مکانیک نسبیت به فیزیک کلاسیک ، که از نظر آنها مکانیک کلاسیک را در پیشرفته ترین و دقیق ترین شکل خود نشان می دهد، می باشند.

تجزیه و تحلیل حرکت پرتابه بخشی از مکانیک کلاسیک است.

در زیر مفاهیم اساسی مکانیک کلاسیک معرفی شده است. برای سادگی ، اغلب اشیاء دنیای واقعی را به عنوان ذرات نقطه ای (اشیاء با اندازه ناچیز) مدل سازی می کنند. حرکت یک ذره نقطه ای با تعداد کمی از پارامترها مشخص می شود : موقعیت ، جرم و نیروهای اعمال شده بر روی آن. هر یک از این پارامترها به نوبه خود بحث شده است.

در واقعیت ، نوع اشیائی که مکانیک کلاسیک می تواند توصیف کند ، همیشه اندازه غیر صفر دارد. (فیزیک ذرات بسیار ریز مانند الکترون توسط مکانیک کوانتومی با دقت بیشتری توصیف می شود. ) اشیاء با اندازه غیر صفر رفتار پیچیده تری نسبت به ذرات اشیای نقطه ای فرضی دارند ، زیرا درجه های آزادی اضافی ، به عنوان مثال ، یک بیس بال می تواند در حین حرکت بچرخد . با این حال ، نتایج ذرات نقطه ای می تواند برای مطالعه چنین اشیائی با استفاده از آنها به عنوان اشیاء کامپوزیت ، که از تعداد زیادی ذرات نقطه ای جمعی ساخته شده است، مورد استفاده قرار گیرد. مرکز جرم یک ماده کامپوزیت مانند یک ذره نقطه‌ای رفتار می کند.

مکانیک کلاسیک از مفاهیم عقل سلیم درباره چگونگی وجود ماده و نیروها و تعامل استفاده می کند. فرض بر این است که ماده و انرژی دارای ویژگی های مشخص و معقولی مانند مکان در فضا و سرعت هستند. مکانیک غیر نسبیتی نیز فرض می کند که نیروها فوراً عمل می کنند (همچنین به عمل از راه دور مراجعه کنید ).

موقعیت و مشتقات آن

SI مشتق شده "مکانیکی"



<br> (یعنی الکترومغناطیسی یا حرارتی نیست )



<br> واحدهای نشان داده شده با کیلوگرم ، متر و ثانیه

موقعیت	م
موقعیت زاویه ای / زاویه	بی واحد (رادیان)
سرعت	m · s −1
سرعت زاویه ای	s -1
شتاب	m · s −2
شتاب زاویه ای	s −2
پرتاب	متر · −3
"پرتاب زاویه ای"	−3
انرژی خاص	m 2 · s −2
میزان دوز جذب شده	m 2 · s −3
ممان اینرسی	کیلوگرم · متر 2
تکانه	kg · m · s s1
حرکت زاویه ای	kg · m 2 · s s 1
نیرو	kg · m · s −2
گشتاور	kg · m 2 · s s2
انرژی	kg · m 2 · s s2
توان	kg · m 2 · s s3
فشار و چگالی انرژی	kg · m · 1 · s s2
کشش سطحی	کیلوگرم s 2
ثابت فنر	کیلوگرم s 2
تابش و جریان انرژی	کیلوگرم s 3
اصطحکاک جنبشی	m 2 · s −1
ویسکوزیته پویا	kg · m − 1 · s −1
چگالی ( تراکم جرم)	کیلوگرم · متر 3
چگالی ( تراکم وزن)	kg · m · 2 · s s2
چگالی عددی	متر 3
عمل	kg · m 2 · s s 1

موقعیت یک ذره نقطهای در رابطه با یک سیستم مختصات با محوریت یک نقطه مرجع ثابت دلخواه در فضا به نام مبدا O تعریف می شود . یک سیستم مختصات ساده ممکن است موقعیت یک ذره P را با یک بردار نشان داده شده توسط یک فلش برچسب r که از مبدا O تا نقطه P امتداد می یابد را، توصیف کند . به طور کلی ، ذره نقطه ای نیازی نیست که نسبت به O ثابت باشد. در مواردی که P در حال حرکت نسبت به O است، r بهعنوان یک تابعی از t، زمان تعریف می شود. در نسبیت قبل از انیشتین (معروف به نسبیت گالیله ) ، زمان به عنوان مطلق در نظر گرفته می شود ، یعنی فاصله زمانی که بین هر جفت معین از وقایع مشاهده شود برای همه ناظران یکسان است. مکانیک کلاسیک علاوه بر اتکا به زمان مطلق ، هندسه اقلیدسی را برای ساختار فضا فرض می کند.

سرعت

سرعت یا سرعت تغییر موقعیت با زمان به عنوان مشتقی از موقعیت با توجه به زمان تعریف می شود:

$\mathbf {v} ={\mathrm {d} \mathbf {r} \over \mathrm {d} t}\,\!$ .

در مکانیک کلاسیک، سرعت به طور مستقیم افزوده و کم می شود. به عنوان مثال ، اگر یک اتومبیل با سرعت 60 کیلومتر بر ساعت به سمت شرق در حرکت باشد   و از اتومبیل دیگری که در همان مسیر با سرعت 50 کیلومتر در ساعت حرکت می کند عبور می دهد، اتومبیل کندتر درک می کند که سرعت حرکت اتومبیل سریع تر برابر با 60 − 50 = 10 km/h می باشد . با این حال ، از منظر اتومبیل سریعتر ، اتومبیل آهسته تر به میزان 10 کیلومتر بر ساعت کندتر حرکت می کند، که اغلب به عنوان -10 نشان داده در جهت عکس نشان داده می شود. سرعتها به عنوان مقادیر برداری به طور مستقیم افزایشی هستند. آنها باید با استفاده از تجزیه و تحلیل برداری مورد بررسی قرار گیرند.

نیوتن اصول فلسفه طبیعی خود را در سه قانون پیشنهادی حرکت ایجاد کرد : قانون اینرسی ، قانون دوم شتاب او (که در بالا ذکر شد) ، و قانون عمل و عکس العمل . و از این رو پایه و اساس مکانیک کلاسیک را بنا نهاد. هر دو قانون دوم و سوم نیوتن در علوم علمی و ریاضیات مناسب در Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica نیوتن مورد استفاده قرار گرفت . در اینجا آنها از تلاش های قبلی برای توضیح پدیده های مشابه ، که یا ناقص ، نادرست و یا بیان ریاضی کمی دقیق تری داشتند، متمایز می شوند. نیوتن همچنین اصول حفظ ممان و ممان زاویه ای را به کار برد . در مکانیک ، نیوتن نیز اولین کسی بود که اولین فرمول صحیح علمی و ریاضی گرانش را در قانون گرانش جهانی نیوتن ارائه داد . ترکیبی از قوانین حرکت و گرانش نیوتن کامل ترین و دقیق ترین توصیف مکانیک کلاسیک را ارائه می دهد. وی نشان داد كه این قوانین در مورد اشیاء روزمره و نیز اشیاء آسمانی اعمال می شود. به طور خاص ، او توضیح نظری خود را در مورد قوانین حرکت کپلر سیارات به ارائه داد.