Mechanika je obor fyziky, který se zabývá mechanickým pohybem, tedy přemísťováním těles v prostoru a čase a změnami velikostí a tvarů těles. Mezi veličiny, které nejčastěji používá patří poloha, rychlost, zrychlení, síla, energie a hybnost.
Mechanika patří k nejstarším oborům fyziky a od počátku byla úzce spojena s technickými aplikacemi, např. s tvorbou mechanických strojů. Je založena na principech tvořících obecnější teorii (např. speciální teorie relativity, kvantová teorie, teorie chaosu).
Rozdělení mechaniky
Podle vztahu k příčinám pohybu Ve vztahu k příčinám studovaného pohybu lze mechaniku rozdělit na kinematiku – Kinematika popisuje pohyb těles bez ohledu na příčiny pohybu. Zabývá se studiem pohybu těles jen z geometrického a časového hlediska.Jaroslav Kadlčák, Jiří Kytýr, Statika stavebních konstrukcí I., VUTIUM, Brno 1998, , str. 17,18 dynamiku – Dynamika se zabývá příčinami pohybu. Studuje souvislosti mezi pohybem a silami, které pohyb způsobují. Speciálním případem dynamiky je statika, která se zabývá vyšetřováním rovnováhy sil.
Podle skupenství Podle působení sil na tělesa různého skupenství lze mechaniku rozdělit na mechaniku tuhého tělesa – zabývá se pevnými tělesy. hydromechaniku – zabývá se kapalinami. aeromechaniku – zabývá se plyny. mechaniku sypkých hmot – zabývá se chováním písku, pilin aj. sypkých hmot.
Podle způsobu aproximace reálného tělesa Fyzikální přístup ke studiu reality umožňuje provádět zjednodušení při zachování dostatečné přesnosti výsledku (např. nahrazení planety pohybující se v gravitačním poli hmotným bodem může být v mnoha případech postačující). Tento přístup umožňuje rozdělit mechaniku na mechaniku hmotného bodu, můžeme-li zanedbat rozměry a tvar studovaného tělesa a nahradit jej hmotným bodem. mechaniku soustavy hmotných bodů, můžeme-li zanedbat rozměry a tvar jednotlivých těles (popř. částí tělesa) a nahradit je hmotnými body. Náhrada tělesa soustavou hmotných bodů umožňuje popsat složitější tělesa a zohlednit diskrétní strukturu hmoty. mechaniku kontinua, která zkoumá látku bez zřetele k její diskrétní struktuře. Tento přístup je výhodný např. při studiu deformací těles, tedy při zkoumání změn velikosti a tvaru těles. Tento přístup se používá také v reologii při vytváření reologických modelů.
Mechanika těles Část mechaniky zabývající se zkoumáním vlastností a pohybu těles (nikoliv hmotných bodů) v prostoru a změnami jejich velikostí a tvarů bývá označována jako mechanika těles. Mechanika těles využívá nástrojů mechaniky soustavy hmotných bodů a mechaniky kontinua, tzn. reálná tělesa jsou nahrazována soustavou hmotných bodů nebo představou o spojitě rozložené hmotě (tzv. kontinuu). Vlastnosti tělesa jsou určovány podmínkami kladenými na vazby mezi jednotlivými hmotnými body soustavy popisující těleso (popř. viskozitou při popisu kontinuem). Síla těchto vazeb má úzký vztah ke skupenství tělesa. Podle těchto vazeb lze mechaniku těles dělit na mechaniku tuhého tělesa – Vazby v soustavě hmotných bodů jsou dokonale tuhé. Tuhá tělesa nejsou deformovatelná (nelze tedy změnit jejich tvar nebo objem), což znamená, že nepopisují přesně žádné reálné těleso (všechna reálná tělesa jsou totiž deformovatelná). Model tuhého tělesa je však možné využít k popisu rotace tělesa a vyšetřování problémů spojených s konečnými rozměry reálných těles. Model tuhého tělesa je obvykle dobře použitelný při popisu pevného skupenství látky. mechaniku pružného tělesa – Vazby v soustavě hmotných bodů nejsou dokonale tuhé, avšak jsou dostatečně tuhé, aby nedocházelo k tečení. Model pružného tělesa lze využít ke studiu pružnosti a pevnosti těles. mechaniku tekutin – Tekutiny (tedy kapaliny a plyny) jsou deformovatelné (tvarově nestálé), neboť se vyznačují zvláštním druhem mechanického pohybu, tzv. tečením. Mechanika tekutin se vzhledem k rozdílům mezi kapalinami a plyny dále dělí na hydromechaniku – mechanika kapalin (vyznačují se malou stlačitelností, tedy objemovou stálostí) aeromechaniku – mechanika plynů (jsou stlačitelné a vždy vyplňují celý prostor v němž se nachází)
Podle použitých fyzikálních principů Podle fyzikálních principů, na nichž jsou vystavěny postupy lze mechaniku rozdělit na klasickou (Newtonova, nerelativistická) mechaniku – je založena na Newtonových pohybových zákonech. Zabývá se pomalu se pohybujícími (ve srovnání s rychlostí světla) makroskopickými tělesy. relativistickou mechaniku – je založena na teorii relativity, tedy na Einsteinových postulátech. Zabývá se rychle se pohybujícími (rychlost pohybu je srovnatelná s rychlostí světla) makroskopickými tělesy. kvantovou mechaniku – je založena na principech kvantové teorie. Zabývá se mikroskopickými tělesy. Obvykle bývá dále rozdělována na relativistickou a nerelativistickou v závislosti na tom,zda se zabývá pomalu nebo rychle se pohybujícími částicemi.
Podle vztahu k jiným oborům Biomechanika – aplikace mechaniky ve spojitosti s živými či neživými organismy. Geomechanika – aplikace mechaniky ve spojitosti s geologickými či hornickými obory. Mechatronika – aplikace mechaniky pro potřeby elektroniky, softwarového inženýrství, pohonů atp. aj.
Aplikace mechaniky Dynamika rotorů Mechanický stroj – Mezi mechanické stroje se řadí především jednoduché stroje, převody a hydraulická a pneumatická zařízení. Gravitace Tření Biomechanika
Historie
Počátky K prvnímu využívání principů patřících do mechaniky docházelo již za dob předchůdců současného člověka. Bylo to využívání jednoduchých kamenných, kostěných, dřevěných a později také kovových nástrojů, které usnadňovaly každodenní život a přinášely výhodu v boji o přežití. Snadno si lze představit, že se pravěký člověk naučil používat páku k manipulaci s břemeny, využíval vlastnosti pohybu těles při šikmém vrhu, uměl házet oštěpem, později střílet z luku, a znal také chování primitivních plavidel na vodě. Nejstarší nalezené kosterní pozůstatky a kamenné nástroje příslušníka rodu Homo, pocházejí z doby před cca dvěma miliony let.Ivan Štoll, Dějiny fyziky, Prometheus s.r.o., Praha 2011, dotisk 1. vydání, , str. 23
Velký pokrok techniky nastal s rozvojem zemědělství, díky jehož trvalejším přebytkům a možnosti tvoření zásob byl umožněn rozvoj řemesel.Jan Sokol, Moc, peníze a právo; Esej o společnosti a jejích institucích; Vydavatelství a nakladatelství Aleš Čeněk, s.r.o., Plzeň 2007; , str.58 Závlahové zemědělství je spojeno se vznikem prvních civilizací v okolí velkých řek, Eufratu a Tigridu, Nilu, Indu a Žluté řeky. Počátky neolitického zemědělství v Mezopotámii a v Egyptě spadají do doby někdy kolem 8 000 př. n. l.Ivan Štoll, Dějiny fyziky, Prometheus s.r.o., Praha 2011, dotisk 1. vydání, , str. 29-48
vlevo|náhled|Již Sumerové využívali princip kola. Sumerové a Babyloňané vyvinuli vyspělou techniku, při své stavební činnosti využívali vlastnosti jednoduchých strojů a měřili délky, obsahy, objemy a čas a také vážili. Sumerům pak náleží jedna z největších vymožeností lidstva – vynález kola, které je vlastně jednou z aplikací páky.
Egyptská kultura se vyvíjela souběžně se sumersko-babylonskou a částečně pod jejím vlivem. Dochovala se zobrazení rovnoramenných vah a závaží v podobě prstenců z drahých kovů. Egypťané projektovali, vytyčovali a stavěli velkolepé stavby, pyramidy a chrámy. Na rozdíl od Babyloňanů nezanechali rozsáhlé knihovny ani systematické záznamy o astronomických úkazech. Přesto víme, že prováděli velmi přesná astronomická pozorování, mimo jiné také pomocí přístroje zvaného merchet, jakéhosi vizíru.
Čínská civilizace patří k nejstarším na světě, ve 3. tisíciletí př. n. l. vstoupila do doby bronzové. O tisíc let později se rozvíjí pěstování rýže, výroba hedvábí, kolová doprava, vzniká písmo, literatura a věda – matematika, astronomie. Z hlediska přírodovědy patří mezi nejdůležitější spisy Kniha proměn, která se pokouší vystihnout jednotu světa, jeho proměny a hybné síly, vznik a zánik věcí, vztahy nebe a země a místo člověka v přírodě.
vpravo|náhled|Thales z Milétu (asi 625-547 př. n. l.), považovaný za prvního evropského fyzika Příchod Řeků z původních sídel kdesi v eurasijských stepích se odehrál někdy začátkem 2. tisíciletí př. n. l. a souvisel s velkým stěhováním nejstarších indoevropských národů. Někdy v 8. st. př. n. l., po několika "temných stoletích" vzniká Homérova Ilias a Odyssea, jimiž začíná evropská literatura a v 7. st. př. n. l. se naplno začíná rozvíjet kultura, filozofie a věda, základ evropského racionálního myšlení a technické civilizace, to vše během několika století, kterým se říká "řecký zázrak". Oproti ostatním dávným civilizacím, které prošly tisíciletým vývojem matematiky, astronomie a přírodních věd, se Řekové začali pokoušet o rozumové, logické vysvětlování jevů, hledání a vyjadřování přírodních zákonů, formulování matematických vět a jejich dokazování. Znalost geometrie umožnila Řekům rozvinout dvě oblasti fyziky – statiku, tedy část mechaniky zabývající se rovnováhou a katoptriku, část optiky zabývající se lomem světla a popisem zrcadel. Poprvé oddělili náboženství a mytologii od filozofie a vytvořili první racionální modely světa.Ivan Štoll, Dějiny fyziky, Prometheus s.r.o., Praha 2011, dotisk 1. vydání, , str. 51-92
Iónská přírodní filozofie se zrodila v maloasijském Milétu. Tamní filozofická škola hledala jednotnou podstatu světa v podobě nějaké univerzální pralátky (arché), podobně jako moderní fyzika hledá jednotný základ všech druhů sil. Za prvního z ionských filozofů a vůbec prvního evropského vědce, astronoma, matematika a fyzika považujeme Thaleta z Milétu (asi 625-547 př. n. l.). Za pralátku považoval Thales všepronikající a všudypřítomnou vodu. Jeho přítel a žák Anaximandros s ním v tomto nesouhlasil a za pralátku a prapočátek všeho považoval cosi neurčeného, neomezeného, co nazýval apeiron, princip všeho vznikání a zanikání, které trochu připomíná čínské tao. Dnes bychom si jí mohli představit třeba jako určitou obdobu energie. Na rozdíl od Tháleta považoval Zemi za válec, který se nachází ve středu světa a volně se v něm vznáší, není ničím poután a na svém místě se udržuje jen tím, že je od všech konců stejně vzdálen. Země nemůže padat "dolů", protože ve světovém prostoru není určeno, kde je "nahoře" a kde "dole". To je geniální myšlenka, Anaximandros zde poprvé použil fyzikální princip symetrie. Dalšími z milétských byli Anaximenés, který považoval za pralátku vzduch (pneuma), Hérakleitos, který za pralátku považoval oheň a Anaxagorás (500-428 př. n. l.), který je počítán k posledním představitelům ionské filozofie. Pro iónské Řeky byly samozřejmou součástí života kola s loukotěmi, stavba plachetnic, lodí poháněných vesly, používání vah, olovnice, vodováhy, úhloměru, kružítka, kleští, kovářského měchu, páky, klínu, kladky, sifonu, vodních hodin.Ivo Kraus, Fyzika od Tháleta k Newtonovi: kapitoly z dějin fyziky, Academia, Praha 2007, 1. vydání, Edice Galileo, , str. 13
vlevo|náhled|Archytas (428-365 př. n. l.), je považován za zakladatele řecké mechaniky K dalším, kteří významně zasáhli do dějin matematiky a fyziky a ovlivnili mnohé následovníky, byli pythagoreici, vlastně příslušníci jakési sekty pod vedením Pythagora (asi 580-500 př. n. l.). Poprvé uvedli Zemi do pohybu, i když tato myšlenka se prosadila až koncem novověku a astronomicky byla prokázána s konečnou platností až v 18. století. Do jejich řad bývají počítáni Empedoklés, Filolaos, Eudoxos, Hérakleitos a za zakladatele řecké mechaniky je považován Archytas z Tarentu (428-365 př. n. l.). Matematické metody používal i k praktickým fyzikálním aplikacím a k řešení technických problémů. Zabýval se teorií kladky, kola na hřídeli a šroubu, konstruoval mechanizmy poháněné stlačeným vzduchem.