معرفی:
برای بررسی مسائل فیزیکی بود. گالیله به دلیل امتناع از پذیرفتن اعتقادات ثابت شده در عصر خود، مانند فلسفه ارسطو که مثلاً معتقد بود اجسام سنگین با سرعت بیشتری نسبت به اجسام سبک سقوط می¬کنند، مورد انتقاد شدید قرار می¬گرفت. فقدان ابزار دقیق برای اندازه¬گیری زمان، مانع جدی برای گالیله بود و پیشرفت قابل توجه دیگر در دینامیک، در انتظار اختراع ساعت پاندولی توسط هویگنس در سال 1657 بود. نیوتن (1642-1727)، با پیروی از کارهای گالیله، توانست یک فرمول دقیق از قوانین حرکت ایجاد کند و بنابراین، دینامیک را بر اساس صوت قرار دهد. اثر مشهور نیوتن در چاپ اول، اصول وی منتشر شد، که به طور کلی به عنوان یکی از بزرگ¬ترین کمک¬های ثبت شده در دانش شناخته می¬شود. نیوتن علاوه بر بیان قوانین حاکم بر حرکت یک ذره، اولین شخصی بود که قانون جهانی گرانش را به درستی تنظیم کرد. اگرچه توصیف ریاضی او دقیق بود، اما او احساس کرد که مفهوم انتقال از راه دور نیروی گرانش بدون محیط پشتیبانی یک مفهوم پوچ است. به دنبال دوره نیوتن، کمک¬های مهمی به مکانیک توسط اولر، دالمبرت، لاگرانژ، لاپلاس، پوینسوت، کوریولیس، انیشتین و دیگران انجام شد. اپلیکیشن¬های دینامیک
فقط از آن¬جا که ماشین آلات و سازه¬ها با سرعت بالا و شتاب قابل توجهی کار کرده¬اند، انجام محاسبات بر اساس اصول دینامیک به جای اصول استاتیک ضروری بوده است. تحولات سریع فن آوری امروز به افزایش کاربرد اصول مکانیک، به ویژه دینامیک، نیاز دارد. این اصول، پایه-ای برای تجزیه و تحلیل و طراحی سازه¬های متحرک، سازه¬های فلزی تحت بارهای شوک، دستگاه¬های رباتیک، سیستم¬های کنترل خودکار، راکت¬ها، موشک¬ها و فضاپیماها، وسایل نقلیه حمل و نقل هوایی و زمینی، و بالستیک الکترونی، دستگاه¬های الکتریکی و ماشین آلات از انواع مختلف مانند توربین، پمپ، موتور رفت و برگشت، بالابر ، ابزار ماشین آلات و غیره است. دانشجویانی که به یک یا چند مورد از این فعالیت¬ها و فعالیت¬های دیگر علاقه مند هستند، دائماً باید اصول پایه دینامیک را به کار گیرند.
مفاهیم پایه مکانیک در استاتیک بخش 1/2 جلد 1 بیان شده است. این مطالب در این¬جا به همراه نظرات اضافی مربوط به مطالعه دینامیک به طور خلاصه ارائه می¬شوند. فضا منطقه هندسی است که توسط اجسام اشغال شده است. موقعیت در فضا با استفاده از اندازه گیری¬های خطی و زاویه¬ای نسبت به برخی از سیستم¬های مرجع هندسی تعیین می¬شود. چارچوب مرجع اصلی قوانین مکانیک نیوتنی، سیستم اینرسی اولیه یا چارچوب مرجع نجومی است که مجموعه¬ای خیالی از محورهای مستطیل شکل است و فرض می¬شود هیچ حرکت انتقالی یا چرخشی در فضا ندارد. اندازه گیری¬ها نشان می¬دهد که قوانین مکانیک نیوتنی برای این سیستم مرجع معتبر است به شرطی که هر نوع سرعت در مقایسه با سرعت نور که 300000 کیلومتر بر ثانیه یا 186000 مایل بر ثانیه است ناچیز باشد. گفته می¬شود اندازه گیری¬های انجام شده با توجه به این مرجع مطلق است و این سیستم مرجع ممکن است در فضا "ثابت" تلقی شود.
جسم سخت به جسمی گفته می¬شود که تغییرات شکل آن در مقایسه با ابعاد کلی جسم یا تغییرات موقعیت جسم به طور کلی ناچیز باشد. به عنوان یک نمونه از فرض سختی، مشخصاً حرکت کوچک برانگیخته نوک بال هواپیما از طریق هوای متلاطم نتیجه¬ای برای توصیف حرکت هواپیما به طور کلی در طول مسیر حرکت آن ندارد. برای این منظور، هواپیمای مورد بحث به عنوان یک جسم سخت یک تقریب قابل قبول است. از طرف دیگر، اگر ما نیاز به بررسی تنش¬های داخلی در ساختار بال در اثر تغییر بارهای دینامیکی داشته باشیم، باید مشخصات تغییر شکل سازه مورد بررسی قرار گیرد و برای این منظور هواپیما دیگر نمی¬تواند یک جسم سخت باشد. دینامیک شامل استفاده مکرر از مشتقات زمانی هر دو بردار و اسکالر است. به عنوان یک خلاصه نویسی، از نماد یک دات اغلب برای نشان دادن یک مشتق با توجه به زمان استفاده می¬شود. بنابراین، x˙ به معنای dx ∕ dt است و x¨ مخفف d2 x ∕ dt2 است.
سه قانون حرکت نیوتن، که در استاتیک بخش 1/4 جلد 1 بیان شده، به دلیل اهمیت ویژه¬ای که در دینامیک دارد، در این¬جا تکرار می¬شود. در اصطلاحات مدرن، آن¬ها عبارتند از: قانون 1. یک ذره، در صورت عدم وجود نیروی نامتعادل بر روی آن، یا در حالت سکون باقی می¬ماند و یا با سرعت یکنواخت (در یک خط مستقیم با سرعت ثابت) حرکت می¬کند. قانون 2. شتاب یک ذره متناسب با نیروی حاصل از آن است و در جهت این نیرو قرار دارد. قانون 3. نیروهای کنش و واکنش بین اجسام متقابل از نظر اندازه برابر، اما در جهت مخالف و در یک خط مستقیم هستند. این قوانین توسط تعداد بیشماری اندازه گیری فیزیکی تأیید شده است. دو قانون اول برای اندازه گیری¬های انجام شده در یک چارچوب مرجع مطلق اعمال می¬شوند، اما وقتی حرکت نسبت به یک سیستم مرجع دارای شتاب اندازه گیری می¬شود، مانند یکی که به سطح زمین متصل است، تحت برخی اصلاحات قرار می¬گیرند. قانون دوم نیوتن اساس بسیاری از تجزیه و تحلیل¬ها در دینامیک است. برای ذره¬ای از جرم m تحت نیروی F نتیجه، قانون می-تواند به صورت بیان شود:
که در آن a شتاب حاصل در یک مرجع بدون شتاب اندازه گیری می¬شود. قانون اول نیوتن نتیجه قانون دوم است زیرا وقتی نیرو صفر است شتابی وجود ندارد و بنابراین ذره در حالت سکون است یا با سرعت ثابت در حال حرکت است. قانون سوم اصل کنش و واکنش را تشکیل می¬دهد که باید در کار خود به طور کامل با آن در زمینه استاتیک آشنا باشید. هر دو سیستم بین المللی واحد متریک (SI) و سیستم مرسوم واحدهای ایالات متحده در جلد 2 دینامیک تعریف و استفاده می-شوند، اگرچه تأکید بیش¬تری بر سیستم متریک می¬شود زیرا این سیستم، جایگزین سیستم عادی ایالات متحده می¬شود. با این حال، برای سال¬های آینده، حرفه مهندسی در ایالات متحده اغلب به تبدیل عددی از یک سیستم به سیستم دیگر نیاز است. برای آشنایی با هر سیستم لازم است مستقیماً در آن سیستم فکر کنید. آشنایی با سیستم جدید به سادگی با تبدیل نتایج عددی از سیستم قدیمی حاصل نمی¬شود.
مطالعه دینامیک مربوط به درک و توصیف حرکات اجسام است. این توصیف که تا حد زیادی ریاضی است، امکان پیشبینی رفتار دینامیک را فراهم میکند. یک فرایند تفکر دوگانه در تنظیم این توصیف ضروری است. لازم است هم از نظر وضعیت فیزیکی و هم از نظر توصیف ریاضی مربوطه اندیشید. در تجزیه و تحلیل همه مسائل، این انتقال مکرر فکر بین فیزیک و ریاضی لازم است.
یکی از بزرگترین مشکلات دانشجویان، ناتوانی در انجام این انتقال آزادانه است. شما باید تشخیص دهید که فرمول بندی ریاضی یک مسئله فیزیکی ، توصیف یا الگویی ایده آل و محدود کننده را نشان میدهد که تقریبی است اما هرگز کاملاً مطابق با وضعیت واقعی فیزیکی نیست.
در بخش 1/8 جلد 1 استاتیک، ما به طور گسترده در مورد روش حل مسائل در استاتیک بحث کردیم. بنابراین ما فرض میکنیم که شما با این رویکرد آشنا هستید، که ما در اینجا آن را همانطور که در دینامیک به کار برده میشود خلاصه میکنیم.
تقریب در مدلهای ریاضی
ساخت یک مدل ریاضی ایدهآل برای یک مسئله مهندسی معین همیشه مستلزم انجام تقریب است. برخی از این تقریبها ممکن است ریاضی باشند، در حالی که برخی دیگر فیزیکی هستند. به عنوان مثال، غالباً لازم است از فواصل کوچک، زاویهها یا نیروها در مقایسه با فواصل زیاد، زاویهها یا نیروها غافل شوید. اگر تغییر سرعت جسم با زمان تقریباً یکنواخت باشد، فرض شتاب ثابت ممکن است قابل توجیه باشد. فاصله حرکتی که به راحتی نمیتوان به طور کامل توصیف کرد، اغلب به مراحل کوچک تقسیم می-شود که هر یک از آنها قابل تقریب است.
به عنوان مثال دیگر، در صورت کم بودن نیروهای اصطکاک در مقایسه با سایر نیروهای اعمال شده، ممکن است اثر اصطکاک غلتکی بر روی حرکت ماشین نادیده گرفته شود. اما اگر هدف از تحقیق تعیین کاهش کارایی دستگاه به دلیل فرآیند اصطکاک باشد، نمیتوان از همین نیروهای اصطکاک چشم پوشی کرد. بنابراین، نوع فرضیاتی که میگیرید به اطلاعات مورد نظر و دقت مورد نیاز بستگی دارد.
شما باید دائماً نسبت به پیش فرضهای مختلفی که در فرمولبندی مسائل واقعی فراخوانده شدهاند هوشیار باشید. توانایی درک و استفاده از مفروضات مناسب در هنگام تدوین و حل مسائل مهندسی قطعاً یکی از مهمترین ویژگیهای یک مهندس موفق است.
همراه با توسعه اصول و ابزارهای تحلیلی مورد نیاز برای دینامیک مدرن، یکی از اهداف اصلی این کتاب فراهم آوردن فرصتهای بسیاری برای توسعه توانایی تدوین مدلهای ریاضی خوب است. تأكيد شديد بر طيف وسيعي از مشكلات عملي است كه نه تنها شما را مجبور به استفاده از نظريه ميكنند بلكه شما را مجبور به انجام فرضهاي مربوطه ميكنند.
کاربرد اصول اساسی
موضوع دینامیک مبتنی بر چند مفهوم و اصول بنیادی شگفت آور است که با این وجود میتوانند در دامنه وسیعی از شرایط گسترش یافته و به کار گرفته شوند. مطالعه دینامیک تا حدی با ارزش است که تجربه در استدلال از مبانی را فراهم میکند. این تجربه را نمیتوان صرفاً با خاطر سپردن معادلات حرکتی و دینامیکی که حرکات مختلف را توصیف میکنند، به دست آورد. این باید از طریق قرار گرفتن در معرض طیف گستردهای از شرایط مشکل به دست آید که نیاز به انتخاب، استفاده و گسترش اصول اساسی برای تأمین شرایط داده شده است.
در توصیف روابط بین نیروها و حرکاتی که آنها ایجاد میکنند، تعریف واضح سیستمی که یک اصل برای آن اعمال میشود ضروری است. در بعضی مواقع، یک ذره یا یک جسم صلب، سیستمی است که باید جدا شود، در حالی که در زمانهای دیگر، روی هم رفته دو یا چند جسم، سیستم را تشکیل میدهند.
تعریف سیستم مورد تجزیه و تحلیل با ساخت نمودار جسم آزاد آن روشن میشود. این نمودار شامل یک طرح کلی از مرز خارجی سیستم است. تمام اجسامی که با سیستم در ارتباط هستند و به آن نیرو وارد میکنند اما بخشی از آن نیستند، برداشته میشوند و با بردارهایی که نمایانگر نیروهایی هستند که بر سیستم ایزوله شده اعمال میکنند جایگزین میشوند. به این ترتیب، ما بین کنش و واکنش هر نیرو تمایز واضحی قائل میشویم و کلیه نیروهای داخل و خارج از سیستم حساب میشوند. ما فرض میکنیم که شما با روش ترسیم نمودارهای جسم آزاد از کارهای قبلی خود در زمینه استاتیک آشنا هستید.