Badanie zjawisk przyrodniczych na podstawie eksperymentu jest możliwe tylko wtedy, gdy obserwowane są wszystkie etapy: obserwacja, hipoteza, eksperyment, teoria. Obserwacja ujawni i porówna fakty, hipoteza umożliwia podanie im szczegółowego wyjaśnienia naukowego, które wymaga eksperymentalnego potwierdzenia. Obserwacja ruchu ciał doprowadziła do ciekawego wniosku: zmiana prędkości ciała jest możliwa tylko pod wpływem innego ciała.
Na przykład, jeśli szybko wbiegasz po schodach, to na zakręcie wystarczy chwycić się poręczy (zmiana kierunku ruchu) lub zatrzymać się (zmiana prędkości), aby nie zderzyć się z przeciwległa ściana.
Obserwacje podobnych zjawisk doprowadziły do powstania działu fizyki zajmującego się badaniem przyczyn zmian prędkości ciał lub ich deformacji.
Podstawy dynamiki
Dynamika ma odpowiedzieć na sakramentalne pytanie, dlaczego ciało fizyczne porusza się w taki czy inny sposób lub jest w spoczynku.
Rozważ stan spoczynku. W oparciu o koncepcję względności ruchu możemy stwierdzić: nie ma i nie może być ciał absolutnie nieruchomych. Każdyobiekt, będąc nieruchomym względem jednego ciała odniesienia, porusza się względem drugiego. Na przykład książka leżąca na stole jest nieruchoma względem stołu, ale jeśli rozważymy jej położenie w stosunku do przechodzącej osoby, wyciągniemy naturalny wniosek: książka się porusza.
Dlatego prawa ruchu ciał są rozpatrywane w inercjalnych układach odniesienia. Co to jest?
Nazywa się inercyjny układ odniesienia, w którym ciało pozostaje w spoczynku lub wykonuje ruch jednostajny i prostoliniowy, pod warunkiem, że nie ma na nie wpływu innych obiektów lub obiektów.
W powyższym przykładzie układ odniesienia powiązany z tabelą może być nazwany inercyjnym. Osoba poruszająca się jednostajnie iw linii prostej może służyć jako układ odniesienia dla ISO. Jeśli jego ruch jest przyspieszony, nie można powiązać z nim bezwładnościowego CO.
W rzeczywistości taki system może być skorelowany z ciałami sztywno zamocowanymi na powierzchni Ziemi. Jednak sama planeta nie może służyć jako ciało odniesienia dla IFR, ponieważ obraca się jednostajnie wokół własnej osi. Ciała na powierzchni mają przyspieszenie dośrodkowe.
Co to jest pęd?
Zjawisko bezwładności jest bezpośrednio związane z ISO. Pamiętasz, co się stanie, jeśli jadący samochód nagle się zatrzyma? Pasażerowie są w niebezpieczeństwie, gdy kontynuują podróż. Można go zatrzymać za pomocą siedzenia z przodu lub pasów bezpieczeństwa. Proces ten tłumaczy się bezwładnością pasażera. Czy to prawda?
Bezwładność jest zjawiskiem, które zakłada ochronęstała prędkość ciała przy braku wpływu innych ciał na nie. Pasażer jest pod wpływem pasów lub siedzeń. Nie obserwuje się tu zjawiska bezwładności.
Wyjaśnienie leży we właściwości ciała i zgodnie z nim niemożliwa jest natychmiastowa zmiana prędkości obiektu. To jest bezwładność. Na przykład bezwładność rtęci w termometrze umożliwia obniżenie poprzeczki, jeśli potrząśniemy termometrem.
Miara bezwładności nazywana jest masą ciała. Podczas interakcji prędkość zmienia się szybciej dla ciał o mniejszej masie. Zderzenie samochodu z betonową ścianą dla tego ostatniego przebiega niemal bez śladu. Samochód najczęściej ulega nieodwracalnym zmianom: zmiany prędkości, dochodzi do znacznej deformacji. Okazuje się, że bezwładność betonowej ściany znacznie przewyższa bezwładność samochodu.
Czy można spotkać zjawisko bezwładności w przyrodzie? Warunkiem, w którym ciało nie jest połączone z innymi ciałami, jest głęboka przestrzeń, w której statek kosmiczny porusza się z wyłączonymi silnikami. Ale nawet w tym przypadku moment grawitacyjny jest obecny.
Ilości podstawowe
Badanie dynamiki na poziomie eksperymentalnym polega na eksperymentowaniu z pomiarami wielkości fizycznych. Najciekawsze:
- przyspieszenie jako miara szybkości zmian prędkości ciał; oznacz ją literą a, zmierz w m/s2;
- masa jako miara bezwładności; oznaczone literą m, mierzone w kg;
- siła jako miara wzajemnego działania ciał; najczęściej oznaczany literą F, mierzony w N (niutonach).
Zależność między tymi wielkościamiprzedstawione w trzech wzorach, zaczerpniętych przez największego angielskiego fizyka. Prawa Newtona mają na celu wyjaśnienie złożoności interakcji różnych ciał. A także procesów, które nimi zarządzają. To właśnie pojęcia „przyspieszenia”, „siły”, „masy” łączą prawa Newtona z zależnościami matematycznymi. Spróbujmy dowiedzieć się, co to oznacza.
Działanie tylko jednej siły jest zjawiskiem wyjątkowym. Na przykład na sztuczny satelita krążący wokół Ziemi działa tylko grawitacja.
Wynik
Działanie kilku sił można zastąpić jedną siłą.
Suma geometryczna sił działających na ciało nazywana jest wypadkową.
Mówimy o sumie geometrycznej, ponieważ siła jest wielkością wektorową, która zależy nie tylko od punktu przyłożenia, ale także od kierunku działania.
Na przykład, jeśli chcesz przenieść dość masywną szafę, możesz zaprosić znajomych. Razem osiągamy pożądany rezultat. Ale możesz zaprosić tylko jedną bardzo silną osobę. Jego wysiłek jest równy działaniu wszystkich przyjaciół. Siłę przyłożoną przez bohatera można nazwać wypadkową.
Prawa dynamiki Newtona są sformułowane na podstawie pojęcia „wypadkowy”.
Prawo bezwładności
Rozpocznij badanie praw Newtona z najpowszechniejszym zjawiskiem. Pierwsze prawo jest zwykle nazywane prawem bezwładności, ponieważ ustala przyczyny ruchu prostoliniowego jednostajnego lub stanu spoczynku ciał.
Ciało porusza się jednostajnie i prostoliniowo lubodpoczywa, jeśli nie działa na niego żadna siła, lub to działanie jest kompensowane.
Można argumentować, że wypadkowa w tym przypadku jest równa zero. W tym stanie znajduje się np. samochód poruszający się ze stałą prędkością na prostym odcinku drogi. Działanie siły przyciągania jest kompensowane siłą reakcji podpory, a siła ciągu silnika jest w wartości bezwzględnej równa sile oporu ruchu.
Żyrandol spoczywa na suficie, ponieważ siła grawitacji jest kompensowana przez naprężenie jego opraw.
Tylko siły działające na jedno ciało mogą być skompensowane.
Drugie prawo Newtona
Przejdźmy dalej. Przyczyny, które powodują zmianę prędkości ciał, uwzględnia drugie prawo Newtona. O czym on mówi?
Wypadkowa sił działających na ciało jest definiowana jako iloczyn masy ciała i przyspieszenia uzyskanego pod działaniem sił.
2 Prawo Newtona (wzór: F=ma) niestety nie ustala związków przyczynowych między podstawowymi pojęciami kinematyki i dynamiki. Nie może dokładnie określić, co powoduje przyspieszenie ciał.
Sformułujmy to inaczej: przyspieszenie otrzymane przez ciało jest wprost proporcjonalne do sił wypadkowych i odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.
W związku z tym można ustalić, że zmiana prędkości następuje tylko w zależności od przyłożonej do niej siły i masy ciała.
2 Prawo Newtona, którego wzór może wyglądać następująco: a=F/m, jest uważane za fundamentalne w postaci wektorowej, ponieważ umożliwiaustanowić powiązania między gałęziami fizyki. Tutaj a jest wektorem przyspieszenia ciała, F jest wypadkową sił, m jest masą ciała.
Przyspieszony ruch samochodu jest możliwy, jeśli siła pociągowa silników przekroczy siłę oporu ruchu. Wraz ze wzrostem ciągu zwiększa się przyspieszenie. Samochody ciężarowe wyposażone są w silniki o dużej mocy, ponieważ ich masa jest znacznie większa niż masa samochodu osobowego.
Ogniste kule przeznaczone do szybkich wyścigów są lżejsze w taki sposób, że przymocowane są do nich minimum niezbędnych części, a moc silnika jest zwiększana do granic możliwości. Jedną z najważniejszych cech samochodów sportowych jest czas przyspieszania do 100 km/h. Im krótszy ten przedział czasu, tym lepsze właściwości prędkości samochodu.
Prawo interakcji
Prawa Newtona, oparte na siłach natury, stwierdzają, że każdej interakcji towarzyszy pojawienie się pary sił. Jeśli piłka wisi na nitce, wtedy doświadcza swojego działania. W tym przypadku nić jest również rozciągana pod działaniem kulki.
Sformułowanie trzeciej prawidłowości uzupełnia prawa Newtona. W skrócie brzmi to tak: akcja równa się reakcja. Co to oznacza?
Siła, z jaką ciała oddziałują na siebie, są równe co do wielkości, przeciwne w kierunku i skierowane wzdłuż linii łączącej środki ciał. Co ciekawe, nie można ich nazwać kompensowanymi, ponieważ działają na różne ciała.
Egzekwowanie prawa
Słynny problem „konia i wozu” może być mylący. Koń zaprzęgnięty do wspomnianego wozu porusza nimz miejsca. Zgodnie z trzecim prawem Newtona te dwa obiekty działają na siebie z jednakowymi siłami, ale w praktyce koń może poruszać wozem, co nie mieści się w podstawach wzoru.
Rozwiązanie znajdziemy, jeśli weźmiemy pod uwagę, że ten system ciał nie jest zamknięty. Droga ma wpływ na oba ciała. Siła tarcia statycznego działająca na kopyta konia przekracza siłę tarcia tocznego kół wózka. Przecież moment ruchu zaczyna się od próby poruszenia wozu. Jeśli pozycja się zmieni, to koń w żadnym wypadku nie przeniesie go ze swojego miejsca. Jego kopyta ześlizgną się na drodze i nie będzie się ruszać.
W dzieciństwie, jeżdżąc na sankach, każdy mógł natknąć się na taki przykład. Jeśli na saniach siedzi dwoje lub troje dzieci, to wysiłek jednego dziecka wyraźnie nie wystarczy, aby je przesunąć.
Upadek ciał na powierzchni ziemi, wyjaśniony przez Arystotelesa („Każde ciało zna swoje miejsce”), można obalić na podstawie powyższego. Obiekt porusza się w kierunku ziemi pod wpływem tej samej siły, z jaką porusza się Ziemia w jego kierunku. Porównując ich parametry (masa Ziemi jest znacznie większa niż masa ciała), zgodnie z drugim prawem Newtona stwierdzamy, że przyspieszenie obiektu jest tyleż razy większe niż przyspieszenie Ziemi. Obserwujemy zmianę prędkości ciała, Ziemia nie rusza się ze swojej orbity.
Granice zastosowania
Współczesna fizyka nie zaprzecza prawom Newtona, a jedynie ustala granice ich stosowalności. Do początku XX wieku fizycy nie mieli wątpliwości, że te prawa wyjaśniały wszystkie zjawiska naturalne.
1, 2, 3 prawoNewton w pełni ujawnia przyczyny zachowania ciał makroskopowych. Ruch obiektów o znikomych prędkościach jest w pełni opisany przez te postulaty.
Próba wyjaśnienia na ich podstawie ruchu ciał o prędkościach bliskich prędkości światła jest skazana na niepowodzenie. Całkowita zmiana właściwości przestrzeni i czasu przy tych prędkościach nie pozwala na zastosowanie dynamiki newtonowskiej. Ponadto przepisy zmieniają swoją formę w nieinercyjnych FR. Do ich zastosowania wprowadzono pojęcie siły bezwładności.
Prawa Newtona mogą wyjaśnić ruch ciał astronomicznych, zasady ich lokalizacji i interakcji. W tym celu wprowadza się prawo powszechnego ciążenia. Nie można zobaczyć skutków przyciągania małych ciał, ponieważ siła jest niewielka.
Wzajemna atrakcja
Istnieje legenda, według której pan Newton, który siedział w ogrodzie i obserwował spadające jabłka, wpadł na genialny pomysł: wyjaśnić ruch obiektów w pobliżu powierzchni Ziemi i ruch ciała kosmiczne na zasadzie wzajemnego przyciągania. To nie jest tak dalekie od prawdy. Obserwacje i dokładne obliczenia dotyczyły nie tylko upadku jabłek, ale także ruchu księżyca. Prawa tego ruchu prowadzą do wniosku, że siła przyciągania wzrasta wraz ze wzrostem mas oddziałujących ze sobą ciał i maleje wraz ze wzrostem odległości między nimi.
Na podstawie drugiego i trzeciego prawa Newtona prawo powszechnego ciążenia jest sformułowane w następujący sposób: wszystkie ciała we wszechświecie przyciągane są do siebie siłą skierowaną wzdłuż linii łączącej środki ciał, proporcjonalnej do masy ciał iodwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między środkami ciał.
Zapis matematyczny: F=GMm/r2, gdzie F to siła przyciągania, M, m to masy ciał oddziałujących, r to odległość między nimi. Współczynnik proporcjonalności (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) nazywa się stała grawitacyjna.
Znaczenie fizyczne: ta stała jest równa sile przyciągania między dwoma ciałami o masie 1 kg w odległości 1 m. Jasne jest, że dla ciał o małych masach siła jest tak nieznaczna, że może być zaniedbany. W przypadku planet, gwiazd, galaktyk siła przyciągania jest tak duża, że całkowicie determinuje ich ruch.
To prawo grawitacji Newtona mówi, że do wystrzeliwania rakiet potrzebne jest paliwo, które może wytworzyć taki ciąg odrzutowy, aby przezwyciężyć wpływ Ziemi. Wymagana do tego prędkość to pierwsza prędkość ucieczki, która wynosi 8 km/s.
Nowoczesna technologia rakietowa umożliwia wystrzeliwanie bezzałogowych stacji jako sztucznych satelitów Słońca na inne planety w celu zbadania. Prędkość rozwijana przez takie urządzenie to druga prędkość kosmiczna, równa 11 km/s.
Algorytm stosowania praw
Rozwiązywanie problemów dynamiki podlega określonej sekwencji działań:
- Przeanalizuj zadanie, zidentyfikuj dane, rodzaj ruchu.
- Narysuj rysunek wskazujący wszystkie siły działające na ciało oraz kierunek przyspieszenia (jeśli występuje). Wybierz układ współrzędnych.
- Napisz pierwsze lub drugie prawo, w zależności od dostępnościprzyspieszenie ciała w postaci wektorowej. Weź pod uwagę wszystkie siły (siła wypadkowa, prawa Newtona: pierwsza, jeśli prędkość ciała się nie zmienia, druga, jeśli jest przyspieszenie).
- Przepisz równanie w rzutach na wybrane osie współrzędnych.
- Jeżeli otrzymany układ równań nie wystarczy, zapisz inne: definicje sił, równania kinematyki itp.
- Rozwiąż układ równań dla żądanej wartości.
- Przeprowadź kontrolę wymiarów, aby określić, czy otrzymana formuła jest poprawna.
- Oblicz.
Zazwyczaj te kroki są wystarczające dla każdego standardowego zadania.
