Mekanik

Mekanik (Yunanca: ), fizik'in fiziksel nesnelerin hareketleriyle, özellikle kuvvet, madde ve hareket arasındaki ilişkilerle ilgili alanıdır.
Nesnelere uygulanan kuvvetler yer değiştirmeler veya bir nesnenin çevresine göre konumunda değişikliklerle sonuçlanır.
Fizik'in bu dalının kökenleri Antik Yunanistan'da Aristoteles ve Arşimet'in yazılarında bulunur. (bkz. Klasik mekaniğin tarihi ve Klasik mekaniğin Zaman Çizelgesi). Erken modern dönem sırasında, Galileo, Kepler ve Newton gibi bilim adamları şimdiki klasik mekaniğin temellerini attılar.
Klasik mekanik, duran veya ışık hızından çok daha düşük hızlarla hareket eden cisimlerle ilgili klasik fiziğin bir dalıdır.
Kuantum aleminde olmayan cisimlerin hareketini ve üzerindeki kuvvetleri inceleyen bilim dalı olarak da tanımlanabilir. Alan bugün kuantum teorisi açısından daha az anlaşılmıştır.
Mekaniğin Önemi
İnsan yaşantısında mekanik biliminin yeri dün olduğu gibi bugün de büyüktür. Suyun akışından tutun da, uçağın uçuşuna, makinelerin çalışmasına kadar tabiattaki bütün hareketler mekanik prensiplerine göre gerçekleşir. Başta makine olmak üzere mühendisliğin tüm uygulamalarında, mekanik bilimi ve prensipleri çok önemlidir.
Tarihi
Mekanik, fiziksel bilimlerin en eskisidir.
Antik Çağ
Antik çağda mekaniğin ana teorisi Aristotelesçi mekanik idi. Bu geleneğin sonraki geliştiricilerinden biri Hipparchus'dur.
Kaldıraçları ve suyun kaldırma kuvvetini kapsayan tarihteki ilk yazılı mekanik prensipler Arşimet'e (MÖ 287-MÖ 212) aittir. Makara, eğik düzlem ve somun anahtarı ile ilgili çalışmalar da antik metinlere kaydedilmiştir. Bu dönemde mekanik, bina inşaatı gereksinimlerini karşılamakla sınırlıydı.
Ortaçağ
Orta Çağ'da, Aristoteles'in teorileri, 6. yüzyılda John Philoponus ile başlayan bir dizi figür tarafından eleştirildi ve değiştirildi. Merkezi bir sorun, Hipparchus ve Philoponus tarafından tartışılan mermi hareketi sorunuydu.
1020de Fars İslam bilgesi İbn Sīnā hareket teorisini Şifa Kitabında yayınladı. Fırlatıcı tarafından mermiye itici güç verildiğini ve ve hava direnci gibi dış kuvvetlerin o gücü harcadığını söyledi.
İbn Sina 'kuvvet' ve 'eğim' ("meyl" olarak adlandırılır) arasında bir ayrım yaptı ve bir nesnenin doğal hareketine karşıt olduğunda nesnenin mayl kazandığını savundu. Böylece hareketin devamının cisme aktarılan meyilden kaynaklandığı ve eğim bitene kadar cismin hareket halinde olacağı sonucuna vardı. Ayrıca, boşluktaki merminin, harekete geçilmedikçe durmayacağını da iddia etti. Bu hareket anlayışı, Newton'un birinci hareket yasası olan atalet ile tutarlıdır. Bu, hareket halindeki bir cismin dış bir kuvvet tarafından etkilenmedikçe hareket halinde kalacağını belirtir. Aristotelesçi görüşe karşı çıkan bu fikir daha sonra İbn Sina'nın "Şifa Kitabı"ndan etkilenen John Buridan tarafından "itici" olarak tanımlandı.
12. yüzyıl Yahudi-Arap bilgini Hibat Allah Ebu'l-Barakat al-Baghdaadi (doğumlu Nathanel, Irak, Bağdat), sabit kuvvete maruz kalan cisim konusunda, sürekli kuvvet sabit ivme verir dedi.
Shlomo Pines'e göre, el-Bağdadi'nin hareket teorisi, "Aristoteles'in [yani, sabit kuvvetin sabit hareket ürettiğine ilişkin temel dinamik yasasının en eski olumsuzlamasıydı, [ve dolayısıyla] klasik mekaniğin temel yasasının [yani, sabit kuvvetin ivme ürettiğinin] belirsiz bir şekilde önceden tahmin edilmesidir." Aynı yüzyılda İbn Bajjah her kuvvet için her zaman bir tepki kuvveti olduğunu öne sürmüştür. Bu kuvvetlerin eşit olduğunu belirtmemiş olsa da, her eylem için eşit ve zıt bir tepki olduğunu belirten üçüncü hareket yasasının hala erken bir modelidir.
14. yüzyılda yaşamış Fransız rahip Jean Buridan İbn Sina ve el-Bağdadi, gibi daha önceki yazarlardan etkilenerek, daha sonra modern atalet, hız, ivme ve momentum teorilerine dönüşen itici güç teorisi'ni geliştirdi. Bu çalışma ve diğerleri, 14. yüzyıl İngiltere'sinde, düşen cisimlerle ilgili çeşitli yasaları inceleyen ve formüle eden Thomas Bradwardine gibi Oxford Hesaplayıcılar ı tarafından geliştirildi. Cismin temel özelliklerden sabit ivmeli hareket kavramı (düşen cisimler gibi) 14. yüzyılda Oxford Hesaplayıcıları tarafından çalışıldı.
Erken modern çağ
Erken modern çağın iki merkezi kişisi Galileo Galilei ve Isaac Newton'dur. Galileo'nun mekaniği, özellikle de düşen cisimler hakkındaki son ifadesi, onun İki Yeni Bilim' (1638) adlı eseridir. Newton'un 1687 Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica'', yeni geliştirilen calculus matematiğini kullanarak ve Newton mekaniğinin temelini sağlayarak mekaniğin ayrıntılı matematiksel hesabını sağladı.
Çeşitli fikirlerin önceliği konusunda bazı anlaşmazlıklar vardır: Newton'un "Principia"sı kesinlikle ufuk açıcı bir çalışmadır ve son derece etkili olmuştur ve buradaki sistematik matematik daha önce ifade edilmemiş ve olamazdı çünkü kalkülüs geliştirilmemişti. Ancak, özellikle atalet (itici güç) ve düşen cisimler ile ilgili fikirlerin çoğu, hem o zamanın son Galileo'su hem de daha az bilinen ortaçağ öncülleri olan daha önceki araştırmacılar tarafından geliştirilmiş ve belirtilmişti. Ortaçağ ifadelerinin modern ifadelere "eşdeğer" mi yoksa "yeterli" kanıt mı, yoksa bunun yerine modern ifadelere "benzer" mi olduğu ve " 'hipotezler' genellikle tartışmalıdır.
Arşimet'ten sonra gelen Eb'ul-İz el-Cezeri, İbn-i Heysem, İbn-i Sina, İbn Bacce, Galileo, Kepler, Leonardo da Vinci, Varignon, d'Alembert, Stevinus, Newton, Lagrange vb gibi bilim insanlarının çalışmalarıyla mekanik gelişti.
Modern çağ
Mekanikteki iki modern gelişme, Einstein'in genel görelilik ve her ikisi de kısmen 19. yüzyılın başlarındaki fikirlere göre 20. yüzyılda geliştirilen kuantum mekaniği'dir. Modern sürekli ortam mekaniğindeki özellikle elastikiyet, plastisite, akışkanlar dinamiği, elektrodinamiği ve deforme olabilen ortamların termodinamiği alanlarındaki gelişmeler 20. yüzyılın ikinci yarısında başladı.
Mekanik cisim türleri
Sıklıkla kullanılan cisim terimi parçacıklar, mermiler, uzay aracı, yıldızlar, makine parçaları, katı parçalar, akışkanlar, (gazlar ve sıvılar)ın parçaları vb. çok çeşitli nesneleri ifade eder.
Mekaniğin çeşitli alt disiplinleri arasındaki diğer ayrımlar kasdedilen cisimlerin doğasıyla ilgilidir.
Parçacıklar, klasik mekanikte matematiksel noktalar olarak incelenen cisimlerdir.
Katı cisimlerin boyutu ve şekli vardır, ancak uzayda oryantasyon gibi sadece birkaç serbestlik derecesi ekleneyerek parçacığınki gibidir.
Aksi takdirde, cisimler yarı-rijit, yani elastik veya rijit olmayan, yani akışkan olabilir. Bu konuların hem klasik hem de kuantum çalışma bölümleri vardır. Örneğin, uzay aracının yörünge ve konumu (dönme) ile ilgili hareketi klasik mekaniğin göreli teorisi tarafından tanımlanırken, atom çekirdeğinin benzer hareketleri kuantum mekaniğince tanımlanır.
Alt disiplinler
Aşağıdakiler, mekanikte incelenen çeşitli konuların iki listesidir.
Fizikte ayrı bir disiplin oluşturan "alan teorisi"
klasik alanlar veya kuantum alanları olsun, resmen mekanikten farklı olarak ele alınır. Ancak fiili uygulamada, mekaniğe ve alanlara ait konular yakından iç içe geçmiştir.
Bu nedenle, örneğin, parçacıklar üzerinde etkili olan kuvvetler sıklıkla (elektromanyetik veya yerçekimi) alanlarından türetilir ve parçacıklar kaynak olarak hareket ederek alanları oluşturur. Aslında kuantum mekaniğinde parçacıkların kendileri teorik olarak dalga fonksiyonu tarafından tanımlandığı gibi alanlardır.
Klasik
Aşağıdakiler klasik mekaniği oluşturan konulardır:
Newton mekaniği, orijinal hareket teorisi (kinematik) ve kuvvetler (dinamik).
Analitik mekanik Newton mekaniğinin kuvvetlerden ziyade sistem enerjisine vurgu yaparak yeniden formülleştirilmiş halidir. Analitik mekaniğin iki ana dalı vardır:
Hamilton mekaniği, enerjinin korunumu ilkesine dayanan teorik biçimcilik.
Lagrange mekaniği, en az eylem ilkesine dayanan başka bir teorik formalizm.
Klasik istatistiksel mekanik bilinmeyen durumdaki sistemleri dikkate almak için sıradan klasik mekaniği genelleştirir; genellikle termodinamik özelliklerini türetmek için kullanılır.
Gök mekaniği, uzaydaki cisimlerin hareketi: gezegenler, kuyruklu yıldızlar, yıldızlar, galaksiler vb.
Astrodinamik, uzay aracı navigasyon vb.
Katı mekaniği, elastisite, plastisite, viskoelastisite şekil verilebilen katılarca sergilenir.
Kırılma mekaniği
Akustik, katılarda, sıvılarda ve gazlarda ses (= yoğunluk değişimi yayılımı).
Statik, mekanik dengedeki yarı rijit cisimler
Akışkanlar mekaniği, akışkanların hareketi
Zemin mekaniği, zeminlerin mekanik davranışı
Süreklilik mekaniği, (İngilizce:Continuum mechanics) (hem katı hem de akışkan) süreklilik mekaniği
Hidrolik, sıvıların mekanik özellikleri
Akışkan statiği, dengedeki sıvılar
Uygulamalı mekanik veya Mühendislik mekaniği
Biyomekanik, biyolojide katılar, sıvılar vb.
Biyofizik, canlı organizmalardaki fiziksel süreçler
Göreli veya Einsteinian mekanik, evrensel yerçekimi
Kuantum
Aşağıdakiler kuantum mekaniği kapsamında sınıflandırılır:
Schrödinger dalga mekaniği, tek bir parçacığın dalga fonksiyonunun hareketlerini tanımlamak için kullanılır.
Matris mekaniği, sonlu boyutlu durum uzayına sahip sistemlerin dikkate alınmasına izin veren alternatif bir formülasyondur.
Kuantum istatistiksel mekaniği, bilinmeyen durumdaki sistemleri dikkate almak için sıradan kuantum mekaniğini genelleştirir; genellikle termodinamik özelliklerini türetmek için kullanılır.
Parçacık fiziği, parçacıkların hareketi, yapısı ve tepkileri
Nükleer fizik, çekirdeklerin hareketi, yapısı ve reaksiyonları
Yoğun madde fiziği, kuantum gazları, katılar, sıvılar vb.
Tarihsel olarak, klasik mekanik, kuantum mekaniği gelişmeden yaklaşık çeyrek binyıl önceydi. Klasik mekanik, on yedinci yüzyılda geliştirilen Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica'da Isaac Newton'un hareket yasaları ile ortaya çıktı. Kuantum mekaniği daha sonra, on dokuzuncu yüzyılda gelişti, Planck varsayımı ve Albert Einstein'ın fotoelektrik etki açıklaması tarafından hızlandırıldı. Her iki alan da genel olarak fiziksel doğa hakkında var olan en kesin bilgiyi oluşturur.
Klasik mekanik, özellikle çoğu zaman diğer kesin bilim denilenler için bir model olarak görülmüştür. Bu bağlamda, matematiğin teorilerde yaygın olarak kullanılması ve deney tarafından teorilerin üretilmesinde ve test edilmesinde oynadığı belirleyici rol önemlidir.
Kuantum mekanik, klasik mekaniği belirli sınırlı koşullar altında uygulanan bir alt disiplin olarak kapsadığı için daha geniş kapsamlıdır. Benzeşme ilkesi'ne (İngilizce:correspondence principle) göre, iki özne arasında hiçbir çelişki veya çelişki yoktur, her biri yalnızca belirli durumlarla ilgilidir.
Karşılık ilkesi, kuantum teorileri tarafından tanımlanan sistemlerin davranışının klasik fiziği büyük kuantum sayıları sınırında yeniden ürettiğini belirtir, yani kuantum mekaniği büyük sistemlere uygulanırsa (örneğin bir beyzbol topu) klasik mekanik uygulanmış gibi sonuç neredeyse aynı olurdu.
Kuantum mekaniği, temel düzeyde klasik mekaniğin yerini almıştır ve moleküler, atomik ve atom altı düzeydeki süreçlerin açıklanması ve öngörülmesi için vazgeçilmezdir. Ancak, makroskopik süreçler için klasik mekanik, kuantum mekaniğinde (esas olarak hesaplama limitleri nedeniyle) yönetilemeyecek kadar zor olan problemleri çözebilir ve bu nedenle kullanışlı ve iyi bir şekilde kullanılmaya devam eder.
Bu tür davranışların modern tanımları, yer değiştirme (hareket edilen mesafe), zaman, hız, ivme, kütle ve kuvvet gibi niceliklerin dikkatli bir tanımıyla başlar. Ancak yaklaşık 400 yıl öncesine kadar hareket çok farklı bir bakış açısıyla açıklanıyordu. Örneğin, bilim adamları, Yunan filozof ve bilim insanı Aristoteles'in fikirlerini takip ederek, top güllesinin doğal konumu Dünya'da olduğu için yere düştüğünü; güneş, ay ve yıldızlar dünyanın çevresinde daireler çizerek hareket ederler çünkü göksel nesnelerin doğasında mükemmel daireler çizerler.
Genellikle modern bilimin babası olarak anılan Galileo, zamanının diğer büyük düşünürlerinin fikirlerini bir araya getirdi ve hareketi, bir başlangıç konumundan kat edilen mesafe ve aldığı süre cinsinden hesaplamaya başladı. Düşen nesnelerin hızlarının, düşmeleri sırasında sürekli olarak arttığını gösterdi. Bu ivme, hava sürtünmesi (hava direnci) olduğu sürece, ağır nesneler için hafif nesneler için aynıdır. İngiliz matematikçi ve fizikçi Isaac Newton, kuvvet ve kütleyi tanımlayarak ve bunları ivme ile ilişkilendirerek bu analizi geliştirdi.
Işık hızına yakın hızlarda hareket eden nesneler için, Newton yasalarının yerini Albert Einstein'ın görelilik kuramı aldı.
Atomik ve atom altı parçacıklar için Newton yasalarının yerini kuantum kuramı aldı. Ancak günlük olaylar için Newton'un üç hareket yasası, harekete neden olan şeyin incelenmesi olan dinamiğin temel taşı olmaya devam etmektedir.
Ayrıca bakmayın
Fizik
Klasik mekanik
Kuantum mekaniği
Mekatronik
Statik
Dinamik
Mühendislik
Kinematik
Eşekmenaği