Füüsiline keha füüsikas: definitsioon, omadused ja näited
Füüsikaline keha: selge definitsioon, põhilised omadused ja praktilised näited — mõista massi, kuju ja süsteemikäitumist kiiresti ja arusaadavalt.
Füüsikas on füüsikaline keha (mõnikord nimetatakse seda lihtsalt kehaks või objektiks) masside kogum, kui neid vaadelda ainult ühe objektina. Selline kirjeldus on abstraktne mudel: see tähendab, et keeruline süsteem lihtsustatakse nii, et selle liikumist ja vastastikmõjusid saab analüüsida kui üht tervikut.
Mõisted ja lihtsustused
Füüsikalise keha kirjeldamiseks kasutatakse erinevaid idealiseeritud mudeleid, olenevalt vajalikust täpsusest:
- punktmass ehk osake — keha asendit kirjeldatakse ühe punktiga, massi suurus on ainuüksi oluline; sobib väga väikeste või kaugel paiknevate objektide puhul;
- jäik keha — keha kuju ja mõõtmed jäävad muutumatuks, seda kasutatakse näiteks mehaanika ülesannetes; ideaalne jäik keha esineb tegelikult harva, kuid mudel lihtsustab pöörlemise ja jõuanalüüse;
- deformeeruv/painduv keha — keha sisemine struktuur ja kuju võivad jõudude mõjul muutuda; sellist kirjeldust nõuavad materjaliteadus ja elastomehaanika;
- kontinuummudel — keha käsitletakse pideva ainejaotusega (nt tihedusfunktsioon), vajalik pingete ja deformatsioonide uurimiseks;
- diskreetne mudel — keha kui paljude osakeste hulk, mida analüüsitakse eraldi (kasutatakse näiteks granulaarsüsteemide puhul).
Põhiomadused
Olulised füüsikalise keha omadused, mida tihti määratletakse ja mõõdetakse:
- mass — keha kogusaineline omadus, mis määrab inertsuse ja gravitatsioonilise mõju;
- keskmass — punkt, mille suhtes keha massi jaotust peetakse tasakaalupunktiks; keerulisemate kujude korral leitakse see tihedusjaotuse integreerimisel;
- moment inertsiast — pöörlemisel tähtis suurus, mis sõltub massijaotusest pöörlemistelje suhtes;
- tihedus ja maht — määravad keha massi ja ruumilise levimise;
- kuju ja pinnatingimus — mõjutavad aerodünaamikat, hõõrdumist ja kontaktjõude;
- vabadusastmete arv — määrab, mitu sõltumatut liigutust keha võib teha (näiteks tõus/aland, liikumine tasapinnal, pöörlemine jne).
Näited
Näiteks kriketipalli võib füüsikas mõista kui üht objekti — selle liikumist löögi või viske järel modelleeritakse sageli kui jäiku palli, kuigi pall koosneb paljudest väiksematest osakestest ja materjalikihtidest (ainetükkidest).
Inimese ja looma füüsiline keha koosneb organitest ja kudedest ning kuulub laiemasse süsteemi — tervik elusolendist. Biomehaanika kirjeldab inimese keha liikumist ja jõude, arvestades nii jäikade kui ka deformeeruvate komponentide (luud, lihased, sidekude) omadusi. Lisaks võib inimese puhul esineda ka psühholoogilist või vaimset komponenti, mis kuulub rohkem psühholoogia ja filosoofia valdkonda, kuid ei muuda füüsilise keha materiaalse olemuse kirjeldust.
Mõõtmine ja analüüs
Füüsikalise keha omaduste määramiseks kasutatakse mitmesuguseid meetodeid ja seadmeid: massi mõõdetakse kaalude või löögikaalude abil, keskmaasu asukohta määratakse tasakaalude või inertsiapõhiste mõõtmistega, momenti inertsi mõõdetakse pöörlemiskatse kaudu. Kuna reaalne keha on sageli keeruline, kasutatakse arvutisimulatsioone (nt FEA — lõpp-elementide analüüs) ja lihtsustusi sõltuvalt probleemi kontekstist.
Rakendused
- inseneriteadus ja konstruktsioon — struktuuride tugevuse ja stabiilsuse analüüs;
- biomehaanika — liikumise, vigastuste ja proteeside uuring;
- astrodünaamika — satelliitide ja planeetide liikumise modelleerimine;
- robotite projekteerimine — jäikade ja liigendatud Keerukate süsteemide juhtimine;
- materjaliteadus — deformatsioonide ja murdumise uurimine;
Tähtsad tähelepanekud
- Füüsikas on sageli otstarbekas kasutada lihtsustatud mudelit (punktmass või jäik keha), kuid tuleb olla teadlik mudeli piirangutest.
- Täielikult jäiget keha reaalses maailmas ei eksisteeri — kõik materjalid deformeeruvad, kui neile rakendatakse jõudu.
- Skaala määrab, milline mudel sobib: mikroskaalal (molekulaarne tase) on vaja kvant- või statistilist lähenemist, makroskaalal piisab sageli klassikalisest mehaanikast.
Kokkuvõttes on füüsikaline keha kasulik kontseptsioon, mis võimaldab keerulisi süsteeme lihtsustada ning analüüsida liikumist, jõude ja energiaülekannet selgelt ja järjepidevalt.