Механика

Механика (гр. μηχανική – машина және машина жасау өнері) – материалдық денелердің механикалық қозғалысын және өзара әсерлесуін зерттейтін ғылым.

Исаак Ньютон

Механика

Денелердің немесе олардың бөлшектерінің уақыттың өтуіне байланысты кеңістіктегі орындарының өзгеруі механикалық қозғалыс деп аталады. Табиғатта мұндай қозғалысқа аспан әлеміндегі денелердің қозғалысы, Жер қыртысының тербелуі, мұхит-теңіздер мен ауадағы ағындар тербелісі; техникада – ұшу аппараттарының, көлік құралдарының, әр алуан механизм бөліктерінің қозғалысы, ғимараттар элементтерінің деформациясы, сұйықтықтар мен газдардың қозғалыстары, т.б. жатады. Әдетте, Механика деп Ньютонның механикалық заңдарына негізделген жарық жылдамдығынан әлдеқайда төмен жылдамдықпен қозғалатын кез келген материалдық денелердің қозғалысын сипаттайтын (элементар бөлшектерден басқа) классикалық механиканы айтады.
Механикада материалдық денелердің қозғалысын зерттегенде олардың негізгі қасиеттерін сипаттайтын абстракты ұғымдар пайдаланылады:

1. материалдық нүкте – массасы бар, геометриялық өлшемдері ескерілмейтін дене;
2. абсолют қатты дене – кез келген екі нүктесінің ара қашықтығы барлық жағдайда тұрақты дене;
3. өзгермелі тұтас орта – қатты денелердің, сұйықтықтар мен газдардың қозғалысын зерттегенде олардың молекулалық құрылымын ескермеуге болатын жағдайда қолданылатын ұғым.

Сонымен қатар тұтас ортаны қарастырғанда: идеал серпімді дене, пластикалық дене, идеал сұйық, тұтқыр сұйық, идеал газ сияқты абстракты ұғымдар қолданылады. Осыған байланысты Механика: материалдық нүкте механикасы, материалдық нүктелер жүйесінің механикасы, абсолют қатты денелер механикасы және тұтас орта механикасы болып бөлінеді. Соңғысы серпімді және пластикалық орта теориясына, гидродинамикаға, газ динамикасына бөлінеді. Бұл бөлімдердің әрқайсысы (шығарылатын есептердің сипатына қарай): кинематика, статика және динамика бөлімдеріне ажыратылады. Денелердің механикалық қозғалысын сипаттайтын негізгі заңдар мен принциптер жалпы және теор. Механиканың негізі болып саналады. Өзіндік дербес мәні бар механика бөлімдеріне: тербелістер теориясы, орнықты тепе-теңдік және қозғалыстың орнықтылығы теориялары, гироскоптар теориясы, массасы айнымалы денелердің механикасы, автоматты реттегіштер теориясы, соққы теориясы, т.б. жатады. механика физиканың көптеген бөлімдерімен тығыз байланысқан. Оның көптеген ұғымдары мен тәсілдері оптикада, статистикалық физикада, кванттық механикада, электрдинамикада, салыстырмалы теорияда, т.б. пайдаланылады. Механика астрономияның көптеген бөлімдерінде, соның ішінде аспан Механикасында ерекше орын алады. Механика қазіргі заманғы техниканың көптеген салаларының ғыл. негізі болып саналады.

Механиканың негізгі ұғымдары мен тәсілдері

Механикада қозғалыстың негізгі кинематикалық өлшемдері: нүкте үшін – жылдамдық пен үдеу, ал қатты дене үшін – ілгерілемелі қозғалыстың жылдамдығы мен үдеуі және айналмалы қозғалыстың бұрыштық жылдамдығы мен бұрыштық үдеуі алынады. Деформацияланатын қатты дененің кинематикалық күйі деформация тензорларымен, ал сұйықтықтар мен газдардың кинематикалық күйі деформация жылдамдықтарының тензорларымен сипатталады; қозғалыстағы сұйықтық жылдамдығының өрісін зерттегенде бөлшектердің айналысын сипаттайтын құйын ұғымы пайдаланылады.
Механикада материалдық денелердің механикалық өзара әсерлесуінің негізі – күш. Тұтас орта механикасында денеге әсер ететін күштер беттік немесе көлемдік таралуымен, яғни күш шамасының дене бетінің ауданына (беттік күштер үшін) немесе көлеміне (массалық күштер үшін) қатынасымен, ал сол ортаның әрбір нүктесінде пайда болатын ішкі кернеулер жанама және нормаль кернеулер жиынымен (кернеулер тензорларымен) анықталады. Теріс таңбамен алынған бір нүктедегі үш нормаль кернеудің орташа арифметикалық мәні осы нүктедегі қысымды анықтайды. Дененің қозғалысына, оған әсер етуші күштерден басқа, оның инерттік дәрежесі де әсерін тигізеді. Материалдық нүкте үшін инерттік өлшем – оның массасы. Материалдық дененің инерттігі оның жалпы массасына және сол массаның дене көлемінде таралуына тәуелді. Сұйықтықтар мен газдардың инерттігі олардың тығыздығымен анықталады.
Механикада Ньютон заңдары нүкте және нүктелер жүйесінің қозғалысын сипаттайтын теңдеулерді береді. Тұтас орта механикасында Ньютон заңдарынан басқа, берілген ортаның физикалық қасиеттерін сипаттайтын (мысалы, сызықты серпімді дене үшін Гук заңы, тұтқыр сұйық үшін Ньютон заңы, т.б.) заңдар да қоса пайдаланылады. Механиканың есептерін шешу кезінде динамикалық қозғалыстың өлшемдері: қозғалыс мөлшері (импульс), қозғалыс мөлшерінің моменті, кинетикалық энергия, күш импульсі, жұмыс дейтін ұғымдар маңызды рөл атқарады.

Механиканың негізгі даму кезеңі

Механика – ежелгі ғылымдардың бірі. Оның дамуы қоғамның өндіргіш күштерінің өркендеуімен, адамзаттың күнделікті өміріндегі іс-мұқтажымен, тұрмыс-салтымен тікелей байланысты. Механиканың басқа бөлімдеріне қарағанда статика бөлімі (құрылыс техникасының сұранысына орай) бұрынырақ дами бастаған. Бұған ежелгі Вавилон мен Египеттегі құрылыс қалдықтары куә. Статиканың ғылыми негізін ертедегі грек ғалымы Архимед (б.з.б. 3 ғ.) салды. Оның әрі қарай дамуына Леонардо да Винчи (15 ғ.), голландиялық ғалымы С. Стевин (16 ғ.), француз ғалымы П. Вариньон (17 ғ.) мен Л. Пуансо (1804) елеулі үлес қосты. Грекияда Механика жөнінде жазылған трактаттардан ең бірінші бізге жеткені Аристотельдің (б.з.б. 4 ғ.) табиғат туралы философ. шығармалары. Аристотель ғылымға “Механика” терминін енгізді. Күрделі қозғалыс туралы қарапайым кинематик. есептерді шешу Аристотель шығармаларында, сондай-ақ ежелгі грек ғалымдарының астрономиялық теорияларында (мысалы, Птолемейдің эпициклдер теориясы) байқалады. Механиканың дамуына үлкен ықпал жасаған поляк ғалымы Н.Коперник (16 ғ.) пен планеталардың қозғалыс заңдарын ашқан неміс астрономы И.Кеплер (17 ғ-дың басы), динамиканың негізін салған итальян ғалымы Г.Галилей болды. Механика заңдарының ең жетілдірілген тұжырымдамасын И.Ньютон жасады (1687). Ол өзінен бұрынғы ғалымдардың жұмыстарын қорытындылай келіп, күш туралы ұғымды жалпылады және М-ға масса туралы ұғымды енгізді. Ньютон зерттеулері классикалық механиканың негізін жасаумен аяқталады. 18 ғ-дан бастап материалдық нүктелер, нүктелер жүйесі және қатты денелер Механикасының, сондай-ақ аспан механикасының есептерін шешудің аналитикалық тәсілдері қауырт дами бастады. Ньютон мен Г.Лейбниц ашқан шексіз аз есептеулер теориясы аспан механикасында қолданылды. Тұтас орта механикасында Л.Эйлер, Ж. Лагранж, Д’Аламбер және Д.Бернуллидің ғылыми еңбектерінің нәтижесінде идеал сұйықтықтар гидродинамикасының теориялық негіздері құрылды. 19 ғ-да тұтас орта Механикасы француз ғалымдары Л.Навье, О.Коши, С.Пуассон, А.Сен-Венан, Г.Ляме, ағылшын ғалымдары Дж.Грин, У.Томсон, О.Рейнольдс, неміс ғалымдары Г.Гельмгольц (құйындар туралы), Л.Прандтль (шекаралық қабаттар теориясы) еңбектерінде одан әрі ауқымды түрде дамытылды. 20 ғ-да техниканың жаңа салалары – сызықтық емес тербелістердің теориясы (негізін салушылар орыс ғалымы А.М. Ляпунов пен француз ғалымы А.Пуанкаре), массалары айнымалы денелер Механикасы мен ракеталар динамикасы (орыс ғалымдары И.В. Мещерский мен К.Э. Циолковский) қарқынды дамыды. Тұтас орта Механикасында: аэродинамика (негізін салушы Н.Е. Жуковский), газ динамикасы (негізін салушы С.А. Чаплыгин) және космонавтика (негізін салушы С.П. Королев, М.В. Келдыш, Л.И. Седов, т.б.) бөлімдері пайда болды. Қазақстанда Механикадан алғашқы жұмыстарды 20 ғ-дың 30-жылдарының соңында И.Д. Молюков пен М.Сәтбаев реал құралымы тербелісін зерттеу және кейбір аэродинамик. есептерді шешу кезінде орындады. Теор. Механиканың қозғалыс орнықтылығы теориясы мен шексіз жүйедегі гамильтондық формализм саласындағы зерттеулерді 40-жылдары К.П. Персидский мен О.Жәутіков жүргізді. 60-жылдардан бастап Қаз МУ-де (қазіргі ҚазөУ) модельдеуші қондырғылар жасалып, олардың көмегімен механиканың кинематик. есептері шешілді (А.Т. Лукьянов, т.б.). Қазақстан ұА-ның Сейсмология инcтитутында Жер айналысының жалпы теориясы жасалды, өзгермелі және қабат-қабат болып орналасқан массивті гиростаттың тартылу центрі өрісіндегі қозғалысы мен орнықтылығы зерттелді (Ж.Ержанов, А.Қалыбаев, т.б.). Айнымалы массалар Механикасы саласынан Қазақстан ұА-ның Астрофизика институтында галактика динамикасы бойынша массасы айнымалы денелер қозғалысының гиперболалық теориясы жасалды (Т.Омаров). Машиналардың динамикасы мен беріктігі саласынан жоғары класты жазық рычагті механизмдердің күштік есептеу теориясы және СТБ типті тоқыма станоктары түйіндерінің беріктігін, динамикасын есептеу тәсілдері (Ө.Жолдасбеков, Ж.Байкөншеков, т.б.) жасалды. Сұйықтық және газ механикасы бойынша зерттеулер 1950 – 60 ж. ҚазМУ-де және Қазақ ғылыми-зерттеу энергетика институтында (Л.А. Вулистің жетекшілігімен) дами түсті. Мұнда тұтқыр сұйық ағынының теориясы едәуір кеңейтілді (В.П.Кашкаров, Ш.А. Ершин, т.б.), газ жалынының аэродинамик. теориясы және технологиясы процестер үшін құйынды аппараттар теориясы жасалды (Б.П. Устименко), турбуленттілікті тәжірибе жүзінде зерттеу тәсілдері мен құралдары жасалды (С.Исатаев). Деформацияланатын қатты дене механикасы Қазақстан ұА-ның Математика және механика, Сейсмологиялық институттарында қарқынды дамыды (Ержановтың басшылығымен). Мұнда жер қойнауындағы процестерді зерттеу үшін серпімділік, тұтқыр серпімділік, пластикалық теорияларының шекаралық есептерін шешуге (Ш.Айталиев, М.Әлімжанов, т.б.), тектоникалық және сейсмикалық процестер теориясын негіздеуге (Н.Жұбаев, Қ.Көксалов, т.б.) байланысты жүйелі қорытындылар жасалды. Тау жынысы механикасы бойынша тау жынысы сырғымалылығының математика теориясын және жер асты құрылыстары мен құралымдарының беріктігін, орнықтылығы мен сейсмикалық төзімділігін есептеу әдістерін жасауға қатысты зерттеулер дамытылды (Ержанов, Ә.Сағынов, т.б.). Қазіргі кезде механиканың басқа ғылымдармен шекараларында көптеген жаңа есептер туындауда. Оған гидротермохимиядағы, биодинамикадағы (бұлшық еттерде пайда болатын күштер), т.б. механикалық процестер мысал бола алады. Механиканың көптеген есептерін (әсіресе, сызықтық емес теңдеулерін) шешуде электрондық есептеу машиналары қолданылады. Механиканың күрделі есептерін шешудің жаңа тәсілдерін жетілдіру де қазіргі кездегі өте өзекті мәселелердің біріне жатады.