Meganika

tak van fisika
Subklas van	fisika
Onderdeel van	fisika
Inheemse etiket	μηχανική
Naam van werk	μηχανική
Bestudeer deur	ingenieurswese
Beoefen deur	meganikus

Meganika is die tak van fisika wat handel oor ewewig en beweging van voorwerpe onder die invloed van die kragte wat daarop inwerk.

Kragte wat op voorwerpe toegepas word, lei tot verplasings, of veranderinge van 'n voorwerp se posisie relatief tot sy omgewing.

Teoretiese uiteensettings van hierdie tak van fisika het sy oorsprong in Antieke Griekeland, byvoorbeeld, in die geskrifte van Aristoteles en Archimedes. Gedurende die vroeë moderne tydperk het wetenskaplikes soos Galileo, Kepler, Huygens en Newton die grondslag gelê vir wat nou bekend staan as klassieke meganika.

As 'n tak van klassieke fisika handel meganika oor liggame wat óf in rus is óf met snelhede wat aansienlik minder as die spoed van lig beweeg. Dit kan ook gedefinieer word as die fisiese wetenskap wat handel oor die beweging van en kragte op liggame wat nie in die kwantumrealm is nie.

Agtergrond

Isaac Newton se Bewegingswette (vanuit sy 'Principia Mathematica') vorm die basis van meganika. Dié studieveld bestudeer, onder andere, impuls, en tweedimensionele bewegings.

Die meganika het betrekking op beweging en die kragte wat die beweging veroorsaak. Die begrippe snelheid en versnelling is dan ook presies gedefinieer sodat beweging stelselmatig ontleed kan word. Wanneer die snelheid of versnelling van 'n deeltjie byvoorbeeld bekend is, kan die baan daarvan haarfyn bereken word. Dit is onder meer noodsaaklik in die ballistiek. ŉ Groot aantal wette wat op kragte, traagheid en momentum betrekking het, is deur Newton geformuleer, en is so beduidend dat selfs die gedrag van deeltjies in 'n kernreaksie aan die hand daarvan beskryf kan word. Die snelheid van 'n voorwerp word bepaal uit die afstand wat dit in ŉ sekere tyd aflê. Die gemiddelde snelheid v is dus gelyk aan die afstand s gedeel deur die tyd t:

V ${S \over t}$

Vir die berekening van die snelheid v op 'n gegewe tyd (oombliklike snelheid), word die posisieverandering vir 'n kort oomblik beskou en dan is

V = ${ds(veranderinginafstand) \over dt(veranderingintyd)}$

Snelheid is 'n vektorhoeveelheid, dit wil sê dat daar by snelheid van sowel grootte as rigting sprake is. Wanneer 'n voorwerp voortdurend teen dieselfde snelheid in dieselfde rigting beweeg, word dit eenparige beweging genoem, byvoorbeeld vliegtuie, treine of motors. Wanneer die voertuie 'n bepaalde snelheid bereik en dit handhaaf, het hulle ŉ konstante snelheid en rigting (as die trajek dit toelaat). Iemand wat hom in 'n eenparig bewegende voertuig bevind, sal geen krag ondervind nie, en hy sal dus nie van wee die beweging byvoorbeeld teen sy sitplek vasgedruk word soos wanneer die voertuig versnel nie.

Versnelling

Eenparige beweging is nie moontlik waar twee kragte mekaar nie ophef nie, aangesien die snelheid van die voorwerp elke opeenvolgende oomblik verander. Die twee vektore van die snelheid op twee agtereenvolgende tye aangee, kan dus van mekaar afgetrek word, en as die verskil deur die tydsduur gedeel word, word die versnelling verkry. Die versnelling het dan sy eie grootte en rigting.

Versnelling in die rigting van voortbeweging

Om 'n eenvoudige begrip van versnelling te vorm, moet slegs die snelheidsverandering - soos by 'n voertuig wat wegtrek of stilhou – in die rigting van die snelheid beskou word. Versnelling word in meter/sekonde/sekonde (m/s²) aangegee omdat dit 'n verandering in snelheid (wat self in m/s uitgedruk word) per sekonde aandui.

'n Voertuig wat in 10s van 0 tot 72 km/h (20 m/s) versnel, ondergaan in hierdie tyd 'n versnelling van 2 m/s². Die krag wat vir die versnelling nodig is, word deur die motor self verskaf, en die insittende ondervind dan die versnellende krag deurdat hy teen die rugleuning vasgedruk word. By vertraging (negatiewe versnelling) word 'n ander krag op die persoon uitgeoefen en hy beweeg vorentoe aangesien die eenparige beweging nie meer gehandhaaf word nie.

By 'n botsing is die vertraging groot 'n voertuig met ŉ snelheid van 50 km/h wat binne 0,5s tot stilstand kom, ondergaan byvoorbeeld 'n vertraging van 27,8 m/s². Versnelling of vertraging kan ook in 9 (die versnelling vir swaartekrag) uitgedruk word (g = 9,81 m/s²), en by bogenoemde voorbeeld ondervind die voertuig dus 'n vertraging van ongeveer 3 g. Dit is asof daar 'n na vore gerigte swaartekrag aanwesig is, waarin alles drie maal so swaar soos die na benede gerigte krag voel.

Posisieberekening

Die posisie van 'n voorwerp wat tussen 2 punte beweeg, kan uit die snelheid waarteen dit beweeg en die tyd wat verloop het, bereken word:

s = V.t.

Hierby moet die eenhede links en regs in die vergelyking altyd ooreenstemmend wees, want as die snelheid in km/h uitgedruk word, moet die tyd in uur, die afstand in km, die snelheid in km/h en die versnelling in km/h² gegee word. As die afstand byvoorbeeld in m gegee word, word daar met m, s en m/s gewerk. 'n Eenparig versnelde beweging is wanneer 'n voorwerp gelykmatig versnel word. Die versnelling van die voorwerp, wat uit rus eenparig versnel word, word uit die vergelyking bepaal: v = at. Die afstand wat afgelê is, word uit die vergelyking s= ½ at² gevind.

Valbeweging

'n Voorwerp wat na die aardoppervlak val, ondervind ŉ versnelling van ongeveer 9,8 m/s² (die versnelling as gevolg van die swaartekrag is nie konstant nie, maar tot op 'n hoogte van ongeveer 30 km bokant die aarde is afwykings minder as 1 %). As die voorwerp horisontaal weggewerp word, sal dit eenparig oor die aardoppervlak beweeg, maar terselfdertyd 'n versnellende valbeweging uitvoer en 'n paraboliese baan (trajek) volg. Die afstand wat in die horisontale rigting afgelê word, is dan:

s = t X v (horisontaal).

'n Koeël se baan 'n Projektiel wat met 'n snelheid v onder 'n hoek 0' oor die aardoppervlak weggeskiet word, het op tydstip t 'r; snelheid met sowel 'n horisontale as 'n vertikale komponent. Die bereik van geskut is maksimaal vir α = 45˚,

waar S = ${v^{2} \over g}$

Die afstand wat 'n waaghals met 'n motor of motorfiets deur die lug kan aflê, is ongeveer 75 m, as sy aanloop teen 'n hoek α van 45° met 'n snelheid van 100 km/h plaasvind.

Traagheid

Om 'n voorwerp met massa m 'n versnelling of vertraging van a te laat ondergaan, moet ŉ krag F daarop uitgeoefen word: F = m x a. Volgens die beginsel "aksie = reaksie" oefen die voorwerp dan ŉ teenoorgestelde krag (- F) uit, en hierdie krag word die traagheidskrag van die voorwerp genoem. 'n Voorwerp wat by 'n botsing in 1 s vanaf 72 km/h (20 m/s) tot stilstand kom (terwyl dit 'n vrag van 10 ton dra), ondervind byvoorbeeld 'n traagheidskrag van 200 000 N.

Oorsprong

Die oorsprong is uit Antieke Griekeland met die geskrifte van Aristoteles en Archimedes. Tydens die vroeë moderne era, het wetenskaplikes soos Khayaam, Galileo, Kepler en Newton die fondasie gelê van wat nou bekend staan as klassieke meganika. Dit is 'n deel van klassieke fisika wat te doen het met partikels wat of in rus is of beweeg teen snelhede wat beduidend laer is as die spoed van lig.

Sub-velde

Meganika kan opgedeel word in die sub-velde van klassieke meganika en kwantummeganika.

Klassieke meganika

Klassieke meganika bestaan uit onder ander Newtoniese-meganika (die oorspronklike deel vanaf Newton), analitiese meganika (wat bestaan uit Lagrange-meganika en Hamiltoniese meganika), astrodinamika ('Astrodynamics'), vloeimeganika ('Fluid mechanics'), breukmeganika ('Fracture mechanics'), kontinuümmeganika ('Continuum mechanics'), ingenieurs meganika, ens.

Kwantummeganika

Sien kwantummeganika.

Bronnelys

Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409591, volume 18, bl. 104