Глава 1. Введение

1.1. Предмет механики и ее задачи

Приступая к изучению новой учебной дисциплины, полезно ответить на вопросы: что она изучает, какой метод исследования применяет, а также какое место занимает в системе естествознания и образования среди других наук и дисциплин.

В отношении механики это особенно важно, поскольку в школьных и вузовских учебниках она традиционно ассоциируется с разделом физики, что невольно отводит ей место в ряду таких общеобразовательных дисциплин, как физика или математика. На самом деле механика играет гораздо более важную роль в подготовке специалиста в области строительства или архитектуры.

Напомним, что механика – это наука, изучающая механическое движение материальных объектов, то есть их взаимное перемещение в пространстве и во времени. В качестве материальных объектов помимо дискретных тел могут выступать среды – например, жидкость или газ и поля, поэтому круг объектов, изучаемых механикой очень широк.

В зависимости от физических свойств этих объектов и их размеров всю механику можно разделить на классическую или ньютонову и неклассическую.

Н еклассическая механика  это действительно часть физики, в которой исследуются объекты микро- и макромира с учетом пространственно-временной зависимости.

Классическая механика имеет дело с объектами, протяженность которых приблизительно и с точностью до нескольких порядков заключена в интервале от 10^-10 до 10¹⁰ метра. При их изучении свойства пространства и времени можно считать постоянными. Именно такую ньютонову механику мы и будем рассматривать в дальнейшем.

В зависимости от особенностей модели реальных объектов классическая механика делится на теоретическую механику  с моделью абсолютно твердого тела и механику сплошной среды с моделью деформируемого тела.

Основным методом исследования в механике является гипотетико-дедуктивный. Его суть заключается в выдвижении гипотезы, которая подтверждается или опровергается опытом.

Схематически место механики в системе естествознания можно определить так, как показано на рис.1.1. При этом механика деформируемого тела или механика сплошной среды, образующая ядро этой науки, окружена тремя сегментами, представляющими собой теоретическую механику, неклассическую механику микро- и макромира и прикладную механику, которые примыкают соответственно: к математике, физике и практике в широком смысле этого слова.

Под прикладной механикой понимают раздел механики, в котором ее выводы и методы применяют для решения задач проектирования, строительства и эксплуатации сооружений. Этот термин близок к понятиям «техническая» или «строительная» механика и объединяет такие учебные дисциплины строительного направления, с которыми студенты встречаются в процессе обучения, как «теоретическая механика», «сопротивление материалов», «строительная механика», металлические, железобетонные и другие виды конструкций.

1.2. Предмет теоретической механики

Теоретическая механика  это раздел механики, изучающий движение абсолютно твердого тела.

Абсолютно твердым или недеформируемым называется тело, у которого расстояния между двумя любыми точками остаются неизменными.

Частным случаем твердого тела является материальная точка – это тело, размерами которого в условиях конкретной задачи можно пренебречь.

В зависимости от особенностей механического движения теоретическая механика (ТМ) делится на статику, кинематику и динамику.

Статика рассматривает частный случай механического движения, когда оно не зависит от времени – речь идет о рассмотрении равновесия твердого тела (ТТ), загруженного системой сил и находящегося в состоянии покоя.

Кинематика рассматривает внешнюю сторону механического движения независимо от причин, вызвавших его. Это не что иное, как геометрия в четырехмерном пространстве, где время играет роль четвертого измерения.

Если известно положение движущейся точки в каждый момент времени, то кинематика позволяет построить ее траекторию и определить такие кинематические параметры, как скорость или ускорение.

Динамика исследует общий случай механического движения ТТ с учетом причин, вызвавших его.

Нетрудно догадаться, что при изучении ТМ нас, прежде всего, будет интересовать статика.

Высокая степень абстракции модели абсолютно твердого тела позволяет применять в ТМ, как и в математике, аксиоматико-дедуктивный метод исследования. Это означает, что ТМ (и в частности статика) подобно геометрии построена на системе аксиом, сформулированных Ньютоном, которые играют в механике ту же роль, что и аксиомы Евклида в геометрии.

Таким образом, изучение ТМ помимо решения основной задачи способствует формированию рационального логического мышления.

Остается ответить на вопрос, зачем нужно изучать теоретическую механику архитектору? В значительной мере ответ на этот вопрос уже дан в предисловии к настоящему пособию. В дополнение к этому отметим, что задачей архитектурного проектирования является организация окружающего пространства с учетом:

 функциональных требований,

 законов физики и механики,

 опыта проектирования,

 эстетических концепций,

 экономичности

и ряда других требований.

Знание основных законов строительной механики является необходимым условием проектирования реальных и рациональных сооружений. Их учет позволяет уже на начальной стадии разработки проекта исключить заведомо нереализуемые варианты.

В прошлом незнание этих законов архитекторы могли компенсировать только учетом опыта проектирования и своей интуицией, при этом принятие новых конструктивных решений сопровождалось повышенным риском.

Сегодня такой метод проб и ошибок был бы слишком дорогим и неоправданным, поскольку расширение наших знаний в области строительной механики и появление автоматизированных систем проектирования позволяют архитектору в полной мере реализовать свой творческий потенциал.