Физическо тяло в физиката — определение, видове и свойства

Във физиката физическото тяло (понякога наричано просто тяло или дори обект) е съвкупност от маси, разглеждани като един обект. Това е абстракция, която позволява да описваме и моделираме движението и взаимодействията на нещо, без да се налага да следим всяка отделна молекула или атом.

Например топката за крикет може да се разглежда като обект, но тя се състои и от много частици (частици материя). В зависимост от задачата тази топка може да бъде моделирана като:

точкова частица — ако ни интересува само позицията на центъра ѝ и нейните размери не влияят на процеса;
твърдо тяло (твърдо и непроменящо форма) — когато размерът и въртенето имат значение, но деформациите са пренебрежими;
деформируемо тяло — когато е важна промяната на формата, напр. при удар или еластични деформации;
система от частици или континуум — за анализ на вътрешни напрежения, температура, хидродинамика и т.н.

Физическото тяло в биологичен контекст

Физическото тяло на човека и животното се състои от органи и тъкани и е част от цялостното живо същество, което при човека може да включва и психологически или духовен компонент. В науките за живота физическото тяло се разглежда както като механичен обект (масово разпределение, движение), така и като сложна система с обмен на вещества и енергия.

Основни свойства и характеристики

Маса — количествена мярка за инертността на тялото и неговото гравитационно взаимодействие.
Размери и форма — определят обема, границите и как тялото взаимодейства със средата (дръпване на флуид, контактни сили и др.).
Положение и ориентация — за твърдите тела важни са както координатите на центъра, така и ъгловото положение.
Център на масите — точката, около която може да се разглежда сумарното влияние на масата при движение и сила; при сложни тела това е полезен модел за анализ на транслации.
Момент на инерция — мярка за разпределението на масата спрямо ос на въртене; определя как тялото противопоставя промяна в ъгловата скорост.
Еластичност и пластичност — свойства, които определят дали тялото ще се деформира обратимо или трайно под натоварване.

Движение и степени на свобода

При моделиране на движението се използват различни приближения:

Точкова частица — 3 степени на свобода (позиция в триизмерно пространство).
Твърдо тяло в пространството — 6 степени на свобода (3 транслационни + 3 ротационни).
Деформируемо тяло/континуум — безкраен брой степени на свобода; движението се описва чрез полета (например полета на изместване, скорост, напрежение).

За анализ на движението се прилагат вторият закон на Нютон, уравнения на консервация (маса, импулс, енергия) и уравнения на механика на материалите при деформации.

Взаимодействия и закони

Външни сили — гравитация, контактни сили, електромагнитни сили и др.
Вътрешни сили — сили между частици в тялото, които определят напрежения и деформации.
Принципът на суперпозиция в линейни системи и принципите за енергийна и механична консервация са основни инструменти при анализа.

Примери и приложения

Моделиране на сгради и мостове като твърди или еластични тела при статични и динамични натоварвания.
Анализ на движение на планети и сателити, където те се третират като точкови маси или твърди тела.
Биомеханика — движение на човешкото тяло, сили в ставите и мускулите, където се комбинират механични и биологични аспекти.

Разбирането на това какво е физическо тяло и какви видове модели са приложими в дадена ситуация е ключово за решаването на практически задачи във физиката, инженерството, биомедицината и други науки.