Глава 2. МЕХАНИКА
«Опыт показывает, что к новым открытиям приходили почти исключительно посредством конкретных механических представлений.»
Л.Больцман. Лекции по теории газов
2.1. Предмет механики
Механика (от греч. mechanike) - наука о простейшей форме движения материи - механическом движении, которое состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени и происходящих при этом взаимодействиях между телами. Примерами таких движений являются: в природе - движения небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения, тепловое движение молекул и т.п., а в технике - движения различных летательных аппаратов и транспортных средств, частей всевозможных двигателей и механизмов, деформации элементов различных конструкций и сооружений, движения жидкостей и газов и т.д.
Рассматриваемые в механике взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, результатом которых являются изменения механического движения этих тел. Их примерами могут быть притяжения тел по закону всемирного тяготения, взаимные давления соприкасающихся тел, воздействия частиц жидкостей или газа друг на друга и на движущиеся в них тела и т.п.
При изучении движения материальных тел в механике вводится ряд абстрактных понятий, отражающих те или иные свойства реальных тел. Ими являются:
- материальная точка - объект пренебрежимо малых размеров, имеющий массу; понятие применимо, если реальными размерами такого объекта можно пренебречь по сравнению с проходимым им расстоянием;
- абсолютно твердое тело - тело, расстояние между двумя любыми точками которого всегда остается неизменным, это понятие применимо, когда можно пренебречь деформацией тела;
- сплошная изменяемая среда - это понятие применимо, когда при изучении движения изменяемой среды (жидкости, газа) можно пренебречь молекулярной структурой среды; сюда же примыкает понятие идеальной жидкости - несжимаемой невязкой жидкости и идеального газа, не обладающего вязкостью.
Соответственно механика разделяется на:
- механику материальной точки;
- механику системы материальных точек;
- механику абсолютно твердого тела;
- механику сплошной среды, которая подразделяется на теорию упругости, теорию пластичности, гидромеханику, аэромеханику, газовую динамику и пр.
В каждом из этих разделов в соответствии с характером решаемых задач выделяют статику - учение о равновесии тел под действием сил, кинематику - учение о геометрических свойствах движения тел без учета их масс и действующих на них сил и динамику - учение о движении тел под действием сил.
Разделами механики, имеющими важное самостоятельное значение, являются также: теория колебаний, теория устойчивости равновесия и устойчивости движения, теория гироскопа, механика тел переменной массы, теория автоматического регулирования, теория удара.
Изучение основных законов и принципов, которым подчиняется механическое движение тел, и вытекающих из этих законов и принципов общих теорем и уравнений составляет содержание теоретической механики.
Важное место в механике, особенно в механике сплошных сред, занимают экспериментальные исследования.
Разделы гидромеханики и аэромеханики объединяются общим названием гидроаэромеханики.
Гидроаэромеханикой называется раздел механики, посвященный изучению равновесия и движения жидких и газообразных сред и их взаимодействию между собой и с твердыми телами. В гидроаэромеханике отвлекаются от молекулярного строения жидкостей и газов, рассматривая их как сплошную среду, непрерывно распределенную в пространстве.
Гидроаэростатикой называется отдел гидроаэромеханики, в котором рассматриваются условия и закономерности равновесия жидкостей и газов под действием приложенных к ним сил.
Гидроаэродинамикой называется отдел гидроаэромеханики, в котором изучаются законы движения жидкостей и газов и их взаимодействия с твердыми телами.
Отличительной особенностью жидкостей и газов по сравнению с твердыми телами является их текучесть, т. е. малая сопротивляемость деформации сдвига. При неограниченном уменьшении скорости деформации силы сопротивления жидкости или газа этой деформации стремятся к нулю. Основное различие между жидкостью и газом заключается в характере зависимости их плотности от давления, т.е. в практической несжимаемости жидкостей и заметной сжимаемости газов. Однако в реальных жидкостях при весьма малых скоростях проявляются упругие силы сцепления молекул.
В гидроаэромеханике для жидкостей и газов обычно пользуются единым термином «жидкость» (несжимаемая или сжимаемая).
Несжимаемой жидкостью называется жидкость или газ, зависимостью плотности которого от давления в рассматриваемой задаче можно пренебречь. Сжимаемой жидкостью называется газ, зависимостью плотности от которого в рассматриваемой задаче пренебречь нельзя.
Идеальной жидкостью называется жидкость, в которой отсутствует внутреннее трение. Вязкими жидкостями называются жидкости, для которых явлением внутреннего трения пренебречь нельзя.
Баротропной жидкостью называют жидкость, плотность которой зависит только от давления.
Рассмотрение задач гидростатики может быть основано на принципе отвердевания: равновесие жидкости не нарушится, если какой-либо элемент ее объема считать отвердевшим.
Различают два типа внешних сил, действующих на элемент объема жидкости, - массовые и поверхностные.
