Mekanikk er læren om krefter og kreftenes påvirkning der hvor de virker. Derfor vil alt som behandles i mekanikkfaget ha en tilknytning til krefter på en eller annen måte. Hva er egentlig en kraft? Når et legeme ikke henger i løse lufta men faller ned mot bakken, så skyldes det jordas tyngdekraft som virker på legemet og gir legemet akselerasjon.
En vanlig definisjon av kraft er at kraft er den fysiske påvirkningen som skaper akselerasjon, og hver gang vi observerer et legeme som akselererer, så må det være en kraftpåvirkning til stede. Mekanikk bygger på Newtons tre kraftlover. Lovene kan virke enkle, men å forstå Newtons kraftlover fullt ut krever en hel del innsats.
1. lov: Når summen av de ytre kreftene som virker på et legeme er null så er hastigheten konstant Hvis legemet er i ro så forblir legemet i ro.
2. lov: Når summen av de ytre kreftene som virker på et legeme ikke er lik null så får legemet en akselerasjon tilsvarende ΣF = ma. Akselerasjon virker i samme retning som nettokraften.
3. lov: Når et legeme påfører kraft på et annet legeme, så vil det andre legemet samtidig påføre en kraft som like stor og motsatt rettet på det første legemet.
Forenklet kan vi si at Newtons første lov tar for seg legemer i ro og loven kan skrives som ΣF = 0. Newtons andre lov omhandler legemer med akselerasjon og kan skrives som ΣF = m·a. Newtons tredje lov sier at kraft er lik motkraft. Strengt tatt gjelder ikke Newtons lover for svært store hastigheter og for svært små partikler, men for vanlige ingeniøroppgaver vil lovene gjelde med stor nøyaktighet. Du kan lese mer om kraft og motkraft og om statisk likevekt.
Newtons andre lov forklarer hvorfor det fallende legemet akselererer. Det er en proporsjonal sammenheng mellom kraft og akselerasjon og med legemets masse som proporsjonalitetskonstanten. Derfor er det slik at når en stor kraft virker på et legeme med liten masse så får vi stor akselerasjon. Newtons andre lov kan skrives på følgende alternative måte:
$$ {\rm{\Sigma }}F = ma = \frac{{d\left( {mv} \right)}}{{dt}} $$Kraften som virker på legemet gir altså en endring i legemets bevegelsesmengde mv som er like stor som kraften. Endringen i bevegelsesmengde er uavhengig av legemets masse, og det betyr at alle legemer får samme endring i bevegelsesmengde som følge av kraftens virkning. Legemer med stor masse får liten hastighetsendring og legemer med liten masse får stor hastighetsendring.
Arbeid og kinetisk energi
Hvis en kraft får anledning til å virke en stund så vil legemet forflytte seg i kraftens retning og dermed utfører kraften arbeid på legemet. Og dersom akselerasjonen får virke en stund så vil hastigheten øke og legemet tilføres kinetisk energi. En direkte følge av Newtons andre lov er derfor at krefter tilfører kinetisk energi til legemer. Denne egenskapen ved kraft kan uttrykkes som
$$ F \cdot s = \frac{1}{2}m{\left( {{\rm{\Delta }}v} \right)^2} $$Krefter gjør langt mer enn å skape akselerasjon og tilføre kinetisk energi. Det er krefter som får legemer til å flytte på seg og det er krefter som gjør at legemer blir deformert.
Når en kraft virker på et legeme som forflytter seg fra punkt A til punkt B utføres følgende arbeid
$$W = \mathop \int \limits_{A}^B Fdx$$I og med at akselerasjon er den tidsderiverte av hastigheten kan Newtons andre lov formuleres på følgende alternative måte
$${\rm{\Sigma }}F = ma = \frac{{d(mv)}}{{dt}}$$Det utførte arbeidet fra kraften blir da
$$ W = \mathop \int \limits_{x = A}^B Fdx = \mathop \int \limits_A^B \left( {m\frac{{dv}}{{dt}}} \right)dx = m\mathop \int \limits_A^B \frac{{dx}}{{dt}}dv = m\mathop \int \limits_A^B vdv = m\left[ {\frac{1}{2}{v^2}} \right]_A^B = \frac{1}{2}mv_B^2 - \frac{1}{2}mv_A^2 $$