Dynamiikka ( kreikaksi δύναμις "voima, voima") on mekaniikan osa, joka tutkii mekaanisen liikkeen muutosten syitä , kun taas kinematiikka tutkii tapoja kuvata liikettä . Klassisessa mekaniikassa nämä syyt ovat voimia . Dynamiikka toimii myös sellaisilla käsitteillä kuin massa , impulssi , kulmamomentti , energia [1] .
Myös dynamiikaksi kutsutaan usein suhteessa muihin fysiikan alueisiin (esimerkiksi kenttäteoriaan) sitä tarkasteltavan teorian osaa, joka on enemmän tai vähemmän suoraan analoginen mekaniikan dynamiikan kanssa, yleensä vastakohtana kinematiikalle (kinematiikka tällaisiin teorioihin sisältyvät yleensä esimerkiksi suureiden muunnoksista saadut suhteet vertailujärjestelmää vaihtaessa).
Joskus sanaa dynamiikka käytetään fysiikassa eikä kuvaillussa merkityksessä, vaan yleisemmässä kirjallisessa merkityksessä: tarkoittamaan yksinkertaisesti ajan kuluessa kehittyviä prosesseja, tiettyjen määrien riippuvuutta ajasta, ei välttämättä viitata tiettyyn mekanismiin tai syystä tämä riippuvuus.
Newtonin lakeihin perustuvaa dynamiikkaa kutsutaan klassiseksi dynamiikaksi. Klassinen dynamiikka kuvaa esineiden liikkeitä, joiden nopeus vaihtelee millimetrin murto-osista kilometreihin sekunnissa.
Nämä menetelmät eivät kuitenkaan enää päde hyvin pienikokoisten esineiden liikkeisiin (katso kvanttimekaniikka ) eivätkä liikkeisiin, joiden nopeuksilla on lähellä valonnopeutta (katso relativistinen mekaniikka ). Tällaisiin liikkeisiin sovelletaan muita lakeja.
Dynaamisten lakien avulla tutkitaan myös jatkuvan väliaineen eli elastisesti ja plastisesti muotoaan muuttavien kappaleiden, nesteiden ja kaasujen liikettä.
Dynaamisten menetelmien soveltamisen seurauksena tiettyjen esineiden liikkeen tutkimiseen syntyi joukko erityisiä tieteenaloja: taivaan mekaniikka , ballistinen , laivan , lentokoneen dynamiikka jne.
Ernst Mach uskoi, että Galileo loi dynamiikan perustan [2] .
Historiallisesti jako dynamiikan suoriin ja käänteisiin ongelmiin on kehittynyt seuraavasti [3] .
Klassinen dynamiikka perustuu Newtonin kolmeen peruslakiin:
missä on kappaleen kiihtyvyys , aineelliseen pisteeseen kohdistuvat voimat ja sen massa , tai
Klassisessa (Newtonin) mekaniikassa materiaalin pisteen massan oletetaan olevan ajallisesti vakio ja riippumaton sen liikkeen ja vuorovaikutuksen piirteistä muiden kappaleiden kanssa [4] [5] .
Newtonin toinen laki voidaan ilmaista myös liikemäärän käsitteellä :
Inertiavertailujärjestelmissä materiaalipisteen liikemäärän aikaderivaatta on yhtä suuri kuin siihen vaikuttava voima [6] .
missä on pisteen liikemäärä (momentum), on sen nopeus ja aika . Tällä formulaatiolla, kuten aiemmin, uskotaan, että materiaalipisteen massa on muuttumaton ajallisesti [7] [8] [9] .
Jos otetaan huomioon vuorovaikutuksessa olevat materiaalipisteet, molemmat nämä voimat vaikuttavat niitä yhdistävää suoraa linjaa pitkin. Tämä johtaa siihen, että kahdesta aineellisesta pisteestä koostuvan järjestelmän kokonaiskulmaliikemäärä vuorovaikutusprosessissa pysyy muuttumattomana. Siten Newtonin toisesta ja kolmannesta laista voidaan saada liikemäärän ja liikemäärän säilymisen lait
Inertiaalisten viitekehysten olemassaolo oletetaan vain Newtonin ensimmäisessä laissa. Todellisilla vertailujärjestelmillä, jotka liittyvät esimerkiksi maahan tai aurinkoon , ei ole täysin inertiaalisuutta johtuen niiden ympyräliikkeestä. Yleisesti ottaen IRF:n olemassaoloa on mahdotonta todistaa kokeellisesti, koska se vaatii vapaan kappaleen (kehon, johon ei vaikuta voimia) läsnäoloa, ja se tosiasia, että keho on vapaa, voidaan osoittaa vain IFR:ssä. Liikkeen kuvaaminen ei-inertiaalisissa vertailukehyksissä, jotka liikkuvat kiihtyvyydellä suhteessa inertiaalisiin vertailukehyksiin, edellyttää ns. kuvitteelliset voimat, kuten inertiavoima , keskipakovoima tai Coriolis-voima . Nämä "voimat" eivät johdu kappaleiden vuorovaikutuksesta, eli luonteeltaan ne eivät ole voimia ja ne otetaan käyttöön vain Newtonin toisen lain muodon säilyttämiseksi:
,missä on kaikkien ei-inertiaalisessa vertailukehyksessä syntyvien kuvitteellisten voimien summa.
Monia dynamiikan lakeja ei voida kuvata Isaac Newtonin laeista, vaan vähiten toiminnan periaatteesta.
tai vektorimuodossa :
lähellä maan pintaa:
Mekaanisten järjestelmien tasapainoolosuhteiden tutkimus käsittelee statiikkaa .
Muotoilevien kappaleiden dynamiikka:
Makroskooppisten järjestelmien yleisimpiä ominaisuuksia tutkii termodynamiikka , jonka saavutukset otetaan huomioon mekaniikassa.