ایستایی یا استاتیک – مقدمه و تعاریف

علم ایستایی یا استاتیک در چه موردی بحث می کند؟

ایستایی یا استاتیک شاخه ای از علم مکانیک است. این علم به بحث و مطالعه درباره اجسام در حال تعادل و ایستا (تعادل استاتیکی) و تاثیر نیروها بر آن می پردازد. استاتیک از علوم پایه برای مهندسی ساختمان است. داشتن دانش کافی در این علم برای درک رفتار سازه ها، که در مباحث بعدی به آن خواهیم پرداخت، بسیار حائز اهمیت است.

مقدمه ایستایی

علم ایستایی از کجا آغاز می شود؟

چنان که گفته شد، ایستایی به تاثیر نیروها بر اجسام صلب در حال تعادل و ایستا می پردازد. بنابراین، علم ایستایی از تعریف جسم صلب آغاز می شود. برای شروع بحث پیرامون علم استاتیک و مباحث لازم آن برای رشته معماری، بایستی با بعضی تعاریف پرکاربرد و مهم آن کاملا آشنا شویم.

تعریف جسم صلب:

اولین قدم برای درک علم ایستایی، تعریف جسم صلب است. جسم صلب جسمی است که از تغییر شکل آن تحت بارهای وارده، صرفنظر شده است. این تعریف در تئوری وجود دارد. در دنیای واقعیت، هیچ جسم کاملا صلبی وجود ندارد. در حقیقت، اجسام مختلف دارای سختی های متفاوتی هستند. اجسام با سختی بسیار بالا هم در اثر نیرویی که به آنها وارد می شود، دچار تغییر شکل های کوچکی می شوند.

در واقع فرض صلب بودن اجسام هنگامی مطرح می شود که تغییر شکل جسم در اثر نیروهای وارده اهمیتی در مسئله نداشته باشد. ایستایی هم دقیقا به همین موضوع می پردازد.

جسم صلب جسمی است که در اثر نیروهای وارد بر آن تغییر شکل ندهد.

بردار

تعریف بردار:

هر کمیتی را که غلاوه بر مقدار و بزرگی، دارای جهت و راستا نیز باشد، با بردار نشان می دهند. برای مثال کمیت هایی مانند نیرو، سرعت و شتاب کمیت های برداری هستند. زیرا علاوه بر مقدار، جهت آنها نیز مهم است.

نیرو

تعریف نیرو:

نیرو کمیتی برداری است که باعث ایجاد حرکت یا تغییر شکل یا چرخش در اجسام گردد. نیرو کمیتی است دارای جهت و بزرگی و بنابراین با بردار نمایش داده می شود. به زبان کاملا ساده، نیرو به معنای هل دادن یک جسم یا کشیدن آن به طرف خود است. نیرو باعث می شود یک جسم به حرکت درآید، شتاب بگیرد یا از شتابش کاسته شود یا در یک مکان باقی بماند.

قوانین نیوتن:

قوانین سه گانه حرکت نیوتن بنیان مکانیک کلاسیک را شکل می دهند.

قانون اول نیوتن: اگر برآیند نیروهای وارد بر جسمی صفر باشد، آن جسم اگر ساکن باشد، در حالت سکون باقی می ماند و اگر متحرک باشد به حرکت خود با سرعت ثابت  در همان راستا ادامه می دهد.

قانون دوم نیوتن: اگر برآیند نیروهای وارد بر جسمی صفر نباشد، جسم در جهت نیروی برآیند شتاب می گیرد. به عبارت دیگر، شتابی که تحت تاثیر نیرویی ایجاد شده متناسب با نیرو و در جهت آن است. رابطه زیر قانون دوم نیوتن را نشان می دهد:

F=m.a یا a=F/m

که در آن F نیرو، a شتاب و m جرم جسم است. این رابطه نشان می دهد که شتاب با مقدار و جهت نیرو رابطه مستقیم و با جرم جسم رابطه معکوس دارد.

قانون سوم نیوتن: هرگاه جسمی به جسم دیگر نیرویی وارد کند، جسم دوم نیرویی به همان اندازه و در جهت مخالف به جسم اول وارد می کند. (قانون عمل و عکس العمل)

جرم و وزن

تعریف جرم:

جرم مفهومی بنیادی در فیزیک است ولی تعریف آن سرشار از ابهام می باشد. به طور معمول بر اساس قانون دوم نیوتن، جرم مقاومت جسم در برابر شتاب در هنگام اعمال نیرو را نشان میدهد. واضح است که در این تعریف جسم صلب در نظر گرفته شده و از اثر اصطکاک صرفنظر شده است. اما به زبان کاملا ساده، جرم مقدار ماده تشکیل دهنده جسم است. جرم کمیتی عددی و فاقد جهت است و واحد اندازه گیری آن اغلب کیلوگرم است.

جرم با وزن متفاوت است. وزن نیرویی است که به علت گرانش بر جسمی با جرم مشخص وارد می شود. وزن کمیتی برداری است و مقدار آن همیشه ثابت نیست و به مقدار شتاب گرانش بستگی دارد. واحد اندازه گیری وزن اغلب نیوتن است. به عنوان مثال جسمی به جرم ۱۰ کیلوگرم در سطح آب های آزاد، وزنی معادل تقریبا ۱۰۰۰ نیوتن دارد. همین جسم با همین جرم در ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین تنها در حدود ۷۵ نیوتن وزن خواهد داشت. بنابراین جرم همواره ثابت است و وزن با تغییر مقدار شتاب جاذبه تغییر می کند.

این چند تعریف مهم مقدمه ای برای ورود به بحث اصلی ایستایی است.

در مطلب بعدی به جبر برداری به عنوان اساس محاسبات مربوط به نیروها خواهیم پرداخت.

گذاشتن یک دیدگاه