علم دینامیک شاخه‌ای از مکانیک است که در مورد حرکت اجسام در اثر اعمال نیرو بحث می‌کند. معمولاً در مهندسی، دینامیک پس از استاتیک مورد مطالعه قرار می گیرد و موضوع آن تاثیر نیروها بر اجسام ساکن است. دینامیک دارای دو بخش مجزا می باشد: سینماتیک، که عبارت از مطالعه حرکت بدون در نظر گرفتن عامل آن یعنی نیرو است و سینتیک، علمی است که نیروهای وارد بر جسم را به حرکت ناشی از آنها ارتباط می دهد. دانشجوی مهندسی در می یابد که درک کامل دینامیک، او را به یکی از مفید ترین و قوی ترین ابزرهای تحلیل در مهندسی تجهیز می کند.
موضوع علم دینامیک در مقایسه با استاتیک از نظر تاریخی، نسبتا جدید است. شروع درک دینامیک با استفاده از اصول استدلالی به گالیله (1642- 1564) نسبت داده می شود که در مورد سقوط آزاد اجسام، حرکت روی سطح شیبدار و حرکت پاندول مشاهدات دقیقی را انجام داد. وی در زمینه ارائه روشی علمی برای تحقیقات ودر مسائل فیزیکی مسئولیت بزرگی را متحمل شده است.گالیله به جهت نپذیرفتن اعتقادات زمان خود که مبتنی بر فلسفه ارسطویی بود، مثلاً این عقیده که اجسام سنگین‌تر سریعتر از اجسام سبک تر سقوط می کنند پیوسته مورد انتقاد شدید قرار داشت. فقدان روشهای دقیق برای اندازه گیری زمان از موانع جدی گالیله بود و پیشرفتهای مهم بعدی در دینامیک در انتظار اختراع ساعت پاندولی توسط هویگنس در سال 1657 بود.
نیوتن (1727- 1642) بر اساس تحقیقات گالیله توانست فرمولهای دقیقی را برای قوانین حرکت ارائه کند و در نتیجه، دینامیک را در جایگاه استواری قرار دهد. کار مشهور نیوتن در اولین ویرایش کتابش با عنوان اصول منتشر شد، که معمولاً از آن به عنوان یکی از بزرگترین مقالات علمی ثبت شده یاد می‌شود. نیوتن علاوه بر بیان قوانین حاکم بر حرکت ذرات اولین کسی بود که قانون جاذبه عمومی را به طور صحیح فوموله کرد. با اینکه توصیف ریاضی او دقیق بود، او حس می‌کرد که انتقال خارجی نیروی جاذبه بدون پشتیبانی یک واسطه کار بیهوده ای است. دانشمندانی که پس از دوره نیوتن مشارکت‌های مهمی در توسعه علم مکانیک داشتند عبارتند از: اولر، دالامبر، لاگرانژ، لاپلاس،پوآنسو، کوریولیس، انیشتین و دیگران
از نظر کاربردهای مهندسی دینامیک علم جدیدتری است. فقط از زمانی که ماشینها و سازه هایی با سرعت زیاد و شتاب های قابل توجه به کار افتاده اند محاسبات بر اساس اصول دینامیک در مقایسه با اصول استاتیک ضروری تر شد. امروزه رشد سریع تکنولوژی افزایش کاربردهای اصول مکانیک به ویژه دینامیک را طلب می‌کند. این اصول مبنای تحلیل و طراحی سازه های متحرک، سازه های ثابت با بار ضربه ای، رباتها، سیستمهای کنترل اتوماتیک، راکتها، موشکها، فضاپیماها، وسایل حمل و نقل زمینی و هوایی، بالستیک الکترونیکی در دستگاههای الکتریکی، و انواع ماشینها نظیر توربینها، پمپها، موتورهای پیستونی، بالابرها، ماشینهای ابزار و غیره می‌باشد. دانشجویانی که به یک و یا چند مورد از فعالیتهای مذکور علاقه مند هستند، نیاز مستمر به کارگیری اصول و مبانی دینامیک را در خواهند یافت.
فضا ناحیه هندسی اشغال شده توسط جسم می باشد. موقعیت در فضا بوسیله اندازه‌گیری‌های خطی و زاویه ای نسبت به سیستم مرجع هندسی تعیین می شود. چارچوب اساسی سیستم مرجع در قوانین مکانیک نیوتن عبارت است از سیستم اینرسی اصلی یا دستگاه مرجع نجومی، که سیستم مختصاتی مجازی با محورهای متعامد می‌باشد و فرض می شود که هیچگونه انتقال یا دورانی در فضا نداشته باشد. اندازه‌گیری‌ها نشان می دهند که اعتبار قوانین مکانیک نیوتنی در این سیستم مختصات تا هنگامی است که سرعتها در مقایسه سرعت نور که برابر km/s 000،300 یا mi/s 000،186 می باشد قابل صرفنظر کردن باشند. به اندازه گیری هایی که نسبت به این دستگاه صورت می گیرند مطلق گفته می شود و این سیستم مرجع در فضا «ثابت» در نظر گرفته می شود. دستگاه مرجع الصاقی به سطح زمین دارای حرکت پیچیده ای در سیستم مرجع اصلی است و بنابراین باید بر مبنای اندازه گیریهای انجام شده در دستگاه مرجع روی زمین، تصحیحاتی در معادلات اساسی مکانیک صورت گیرد. مثلاً حرکت مطلق زمین در محاسبه مسیر راکتها و پروازهای فضایی پارامتر مهمی محسوب می‌شود. در بیشتر مسائل مهندسی مربوط ب ماشینها و سازه هایی که بطور ثابت در سطح زمین مستقر شده اند، تصحیحات فوق الذکر کوچک بوده و می توان از آن صرفنظر کرد. در چنین مسائلی قوانین مکانیک را می توان مستقیما در اندازه گیریهای انجام شده نسبت به زمین بکار برد، که در عمل چنین اندازه گیریهای مطلق تلقی می شوند.
زمان عبارت است از سنجش وقایع متوالی که در مکانیک نیوتنی به عنوان کمیت مطلق در نظر گرفته می شود.
جرم عبارت از سنجش کمی اینرسی یا مقاومت در مقابل تغییر حرکت یک جسم است. همچنین جرم را می توان کمیت مادی موجود در یک جسم در نظر گرفت که سبب جاذبه می شود.
نیرو بردار عمل یک جسم بر جسم دیگر است. خواص نیرو ها در کتاب استاتیک به طور کامل مورد بحث قرار گرفته است.
ذره جسمی است با ابعاد ناچیز. همچنین هنگامی که ابعاد جسمی در توصیف حرکت آن یا عمل نیروهای وارد بر آن بی تاثیر باشند با آن می توان بصورت یک ذره برخورد کرد. مثلاً برای توصیف مسیر پرواز هواپیما می توان آن را بصورت یک ذره در نظر گرفت.
جسم صلب جسمی است که تغییر شکل آن در مقایسه با ابعاد کلی و یا تغییر مکان جسم به عنوان یک کل ناچیز باشد. به عنوان مثال از فرض صلبیت می توان حرکت خمشی کوچک لبه بال هواپیمای در حال پرواز در یک هوای آشفته را در توصیف حرکت کلی هواپیما در سراسر مسیر پروازش کاملا بی تاثیر دانست. به همین جهت این فرض که هواپیما یک صلب است هیچگونه مشکلی ایجاد نمی کند. از طرفی، اگر منظور مسئله یافتن تنشهای داخلی موجود در بال در اثر تغییر بارهای دینامیکی باشد، در آن صورت باید مشخصات تغییر شکل سازه در نظر گرفته شود، و به همین دلیل هواپیما را نمی توان بصورت جسم صلب در نظر گرفت.
بردار و اسکالر کمیتهایی هستند که در کتاب استاتیک مورد بحث بسیار قرار گرفته اند و اکنون باید فرق آنها را به روشنی مشخص کرد. کمیتهای اسکالر با حروف نازک و کمیتهای برداری با حروف سیاه نشان داده می شوند. در نتیجه v اندزه اسکالری بردار v است. بنابراین استفاده از علائم خاص بسیار مهم است، مثلاً خط تیره زیرین در v که در نوشتن تمام بردارها می توان آن را جایگزین حروف چاپی سیاه کرد. برای دوبردار غیر موازی، باید به خاطر داشت که V1+V2 و V1+V2 دارای دو مفهوم کاملا متفاوت می‌باشند.
در دینامیک مشتقات بردار و اسکالر نسبت به زمان اغلب مورد استفاده قرار می گیرد. اکثرا برای تسریع در نوشتن، جهت بیان مشتق نسبت به زمان یک کمیت، از یک نقطه در بالا استفاده می شود. بنابراین، به معنای و به مفهوم d2x/dt2 می باشد.
قانون اول: تا هنگامی که نیروی نامتوازنی به یک ذره اثر نکند یا ساکن می ماند و یا به حرکت مستقیم الخط با سرعت ثابت ادامه می دهد.
قانون دوم: شتاب یک ذره متناسب با برآیند نیروهای وارد بر آن بوده و در جهت این نیرو می باشد.
قانون سوم: نیروهای عمل و عکس العمل میان اجسام عمل کننده با تاثیر متقابل، از نظر اندازه، مساوی و در جهت مخالف یکدیگر بوده و هم راستا هستند.
درستی این قوانین با اندازه گیریهای فیزیکی فراوان به اثبات رسیده است. در قانون اول و دوم برای اندازه گیریهایی که در دستگاه مرجع مطلق انجام گرفته صادق است، اما هنگامی که همانند دستگاه الصاقی به سطح زمین، حرکت نسبت به دستگاه مرجعی صورت می گیرد که خود دارای شتاب است، باید تصحیحاتی انجام شود.
قانون دوم نیوتن مبنای اکثر تحلیلهای دینامیکی را تشکیل می دهد. این قانون برای ذره‌ای به جرم m که تحت تاثیر نیروی برآیند F قرار گرفته، چنین بیان می شود:
F = ma
که در آن a شتاب برآینده اندازه گیری شده در دستگاه مرجع بدون شتاب می باشد. قانون اول نیوتن نتیجه قانون دوم است زیرا هنگامی که نیرو صفر باشد هیچگونه شتابی وجود ندارد و ذره یا در حال سکون است و یا با سرعت ثابت حرکت می نماید. قانون سوم نیوتن بیانگر اصل عمل و عکس العمل است که ما می بایست در مسائل استاتیک با آن کاملا آشنا باشیم.
قانون جاذبه نیوتن که بر جاذبه متقابل بین دو جسم حاکم است بصورت زیر می باشد:
که در آن:
F = نیروی جاذبه متقابل بین دو ذره
G = ثابت جهانی موسوم به ثابت جاذبه
m1, m2 = جرم دو ذره
r = فاصله بین مراکز ذرات
مقدار عددی ثابت جاذبه از روی آزمایش برابر G= 6/673 (10-11) m3/ (kg.s2) بدست آمده است. تنها نیروی جاذبه‌ای که بزرگی آن قابل توجه است نیروی ناشی از جاذبه زمین می‌باشد. مثلاً دو کره آهنی به قطر mm 100 ، با نیروی جاذبه N 1/37 به سمت زمین جذب می شوند، که وزن نامیده می شود، اما هنگامی که کاملا به هم نزدیک باشند نیروی جاذبه متقابل بین آنها برابر تا N 0000000951/0 می شود.
چون جاذبه ثقلی یا وزن جسم از جنس نیرو بنابراین باید همیشه بر حسب واحدهای نیرو یعنی نیوتن (N) در سیستم SI و پوند نیرو ( lb) در سیستم آمریکایی بیان شوند. متاسفانه در کارهای روزمره واحد جرم یعنی کیلوگرم بطور گسترده‌ای برای اندازه‌‌گیری وزن بکار می رود. هنگامی که «وزن» بر حسب کیلوگرم بیان می شود، معنای فنی آن جرم خواهد بود.
نیروی جاذبه‌ای که از طرف زمین به جسم وارد می شود بستگی به موقعیت جسم نسبت به زمین دارد. اگر زمین یک کره کامل با همان حجم می بود در آن صورت جسمی به جرم دقیقا 1kg با نیروی برابر با N 825/9 در ارتفاع 1kg ، با نیروی N 523/9 در ارتفاع km 100 ، با نیروی N 340/7 در ارتفاع km 1000، و با نیروی N 456/2 در ارتفاعی برابر با شعاع متوسط زمین (km 6371 ) به سمت زمین جذب می شد. کاملا واضح است که برای راکتها و فضاپیماهائی که در ارتفاع بالا حرکت می کنند، تغییرات جاذبه از اهمیت ویژه ای برخوردار می شود.
هر شیئی که از نزدیک سطح زمین سقوط کند همان شتاب g را خواهد داشت . این مطلب را می توان با ترکیب معادله 1/1 و 2/1 و حذف جرم شئی در حال سقوط یافت. نتیجه ترکیب این معادلات چنین است
که me جرم زمین و R شعاع آن می باشد. جرم me و شعاع متوسط R زمین از طریق آزمایش به ترتیب برابر 6/371 (106) m, 5/976 (1024) kg بدست آمده اند. پس از جایگزینی این مقادیر به همراه مقدار G در رابطه مربوط به g، مقدار متوسطی برابر با g=9/825 m/s2 بدست می آید.
در تعیین شتاب جاذبه از روی قانون آن،از محورهایی استفاده می شود که در مرکز زمین قرار داشته و بدون دوران می باشند. در این صورت با «ثابت» بودن محورها، این مقدار برابر با مقدار مطلق g خواهد بود. با توجه به این واقعیت که زمین در حال چرخش است، شتاب سقوط آزاد یک جسم که از سطح زمین اندازه گیری می شود قدری کمتر از مقدار مطلق آن است. اندازه گیری مقادیر دقیق شتاب جاذبه نسبت به زمین بر اساس این واقعیت صورت می گیرد که زمین شبه کره دواری است که در قطبها فشرده و نیز مسطح است.