Mechanika

A mechanika (görögül Μηχανική) a fizikának az egyik fő része. A fizikának az az ága, ami az erők hatását vizsgálja a fizikai testekre (attól függetlenül, hogy ezen erők hatása okoz-e elmozdulást, vagy nem) de a témakör az erők és (ha ez létrejön) a test elmozdulásának a környezetre való hatását is magába foglalja.

A tudományág gyökereit megtalálhatjuk számos ókori civilizációban. A mechanika alapjait elméleteikben illetve tételeikben először a korai újkor tudósai, Galilei, Kepler és teljes rendszerként Newton fektették le. Ezek összességét ma klasszikus mechanikának nevezzük.

A mechanika tudományterületei

A mechanika tanulmányozását a következő táblázat összegzi:

Bővebben: Klasszikus mechanika

Bővebben: Kvantummechanika

Klasszikus mechanika és kvantummechanika

A mechanika két fő ága tehát a klasszikus mechanika és kvantummechanika. Bár ezeket alkalmazási területük közötti különbségeik alapján külön tárgyaljuk, a klasszikus mechanika a kvantummechanika részének, speciális esetének is tekinthető.

Ámbár kora előtt élő tudományos kutatók megfigyelései befolyásolták munkáját, a klasszikus mechanika megteremtőjének Isaac Newtont az angol polihisztort, az angol Királyi Társaság, (Royal Society) egykori elnökét tekintik. Ő fogalmazta meg ugyanis az anyag mozgására vonatkozó három törvény (pontosabban axióma) megfogalmazásával, melyet a 1687-ben megjelent három kötetes Principia Mathematica című könyvében tett közzé.

A klasszikus mechanika jól leírja a makroszkópikus fizikai tárgyak mozgását a rájuk ható erők hatására, de csak a múlt század elején kifejlesztett kvantummechanika képes leírni az anyag molekuláknál kisebb atomok és szubatomi részecskék viselkedését erők hatására. Ugyanakkor, a makroszkópikus világra vonatkozó ilyen kapcsolat kvantummechanikával való kezelését annak bonyolultsága gyakorlatilag lehetetlenné teszi és erre a munkára a klasszikus mechanika tételeit használják.

A klasszikus mechanika tudományágát gyakran az úgynevezett egzakt tudomány, angolul exact science példaképének tekintjük, ami különös jellemzője tételeinek illetve elméleteinek (kísérleti) megfigyeléssel való megalapozása és algebrai képletekkel való leírása valamint a megfigyelés helyességének bizonyítása.

Newton és Einstein

A klasszikus mechanika tárgykörének a szubmolekuláris világ viselkedésére való kiterjesztéséhez hasonlóan Einstein általános és speciális relativitáselmélete lényegében a klasszikus már Galilei által meglátott Newton által tételeiben meghatározott klasszikus mechanika elméletének alapvető pontosítása és kiterjesztése a szubmolekuláris világra és olyan körülményekre, amelyekben a részecskesebesség megközelíti a (átléphetetlen) fénysebességet.

Összefoglalva: a klasszikus vagy newtoni mechanika a makroszkópikus testek mozgásának leírásával és az azokra vonatkozó törvényekkel foglalkozik; a kvantummechanika tárgya ezzel szemben hagyományosan az elemi részecskék fizikájának elmélete.

A test fizikai értelmezése

A test kifejezés a fizikában sokféle tárgyra vonatkozhat: lövedék, űrhajó, csillag, gépészeti egységek, vagy alkatrészek, szilárd anyag részei, folyadékok, vagy azok részecskéi gáz stb.

A mechanika többi különféle ágai a testek megjelenési formáit érintik. A részecskék például az anyagnak olyan részei, amelyek belső felépítéséről tudásunk még hiányos. Ezeket a klasszikus mechanika pontoknak tekinti. Az alakkal és kiterjedéssel rendelkező merev testeket a klasszikus mechanika a részecskékhez hasonlóan kezeli, bár ezekhez még több tulajdonságot, illetve a kémia illetve fizika egyes részterületeiben alkalmazott szabadsági fokot is tulajdoníthat, mint például ezek térbeli orientációját is.

Egyébként a testek lehetnek merevek, rugalmasak (elasztikusak) vagy folyékonyak (folyadékok és gázok) és ezeknek lehetnek esetei a mechanika mindkét fő részében.

Így egy űrhajó térbeli mozgását, vagyis keringési irányát és forgását a klasszikus mechanika tárgyalja míg hasonló mozgástípusokat a kvantummechanika kezeli amikor a test nagysága azt a kvantummechanika nagyságrendi tartományába helyezi.

A mechanika alcsoportjai annak két fő ágában

Megjegyzendő itt, hogy a térelmélet amit azelőtt a fizika külön ágaként kezeltek ma a mechanika mindkét fő ágában szerepel és mind a kettőre érvényes. Az elmélet szerepel mind a klasszikus erőtér térelméletében, mind a kvantum erőtér térelméletében, de gyakorlatilag a tárgy nem független, hanem a mechanikához tartozik ahol annak két fő része között közeli, bonyolult kapcsolatban van. Így a részecskékre ható erők hatása egy (elektromágneses vagy gravitációs) erőtérből eredhet. A kvantummechanikában a részecskék maguk szolgáltatják az erőteret amit elméletileg egy hullámfüggvény ír le.

A klasszikus mechanika részterületei

• Newtoni mechanika: a mozgás (kinematika) és az erők (dinamika) eredeti elmélete
• Hamilton-féle mechanika: az eredeti formalizmus, (angolul formalism), vagyis a tételek képletes alkalmazása az energia megmaradási elvének figyelembe vételével, azzal való egyeztetéssel
• Lagrange-féle mechanika: az elv képletes leírása a minimális hatás elvének (angolul least action principle) alkalmazására
• Égi mechanika: Az égi testek, bolygók, üstökösök, csillagok és galaxisok stb. mozgása
• Asztrodinamika: űrhajó navigáció, vagy kormányzás stb.
• Szilárdtestfizika: a rugalmasság, a deformálható testek tulajdonsága
• Akusztika, vagy hangtan (= a sűrűségvariáció előrehaladása, terjedése) szilárd, folyékony és gáznemű anyagokban.
• Statika: fél-merev testek mechanikai egyensúlyban
• Áramlástan (angolul fluid mechanics, más néven ’’folyadékok mechanikája’’): folyadékok és gázok mozgásban
• Talajmechanika: a talaj mechanikai magatartása
• Kontinuum mechanika: mind szilárd, mind folyékony anyagok esetében
• Hidraulika: folyadékok mechanikai tulajdonságai
• Pneumatika: gázok mechanikai tulajdonságai
• Folyadékok statikája: folyadékok egyensúlyban
• Alkalmazott mechanika, vagy mérnöki mechanika
• Biomechanika: szilárd és folyékony anyagok viselkedése az élettanban
• Biofizika: az élő szervezet fizikai folyamatai
• Statisztikus mechanika: determinisztikusan nem kezelhető részecskekomplexumok
• Relativisztikus, vagy Einstein-féle mechanika és univerzális (általános) gravitáció

A kvantummechanika részterületei

• Részecskefizika: Részecskék szerkezete, mozgása és köztük előálló reakciók
• Magfizika: atommag mozgása, szerkezete és reakcióik
• Kondenzátumfizika: gázok, szilárd anyagok, folyadékok és gázok fizikája.
• Statisztikus kvantum mechanika: Részecskekomplexumok, aggregátumok

Jegyzetek:

• Nagy Károly: Elméleti mechanika, Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. 2002, ISBN 963-19-3955-3
• Budó Ágoston: Mechanika, Tankönyvkiadó,1991, ISBN 963-18-3457-3
• L. D. Landau · E. M. Lifsic: Elméleti fizika I. Mechanika, Typotex 2009, ISBN 978-963-2791-28-9

Források

• A cikk részben az angol nyelvű cikket használta forrásként, de egyes részei, például a részterületek listája az angol cikk direkt fordításként készültek.