Ruch różnych ciał w przestrzeni w fizyce jest badany przez specjalną sekcję - mechanikę. Ten z kolei dzieli się na kinematykę i dynamikę. W tym artykule rozważymy prawa mechaniki w fizyce, skupiając się na dynamice ruchu postępowego i obrotowego ciał.
Tło historyczne
Jak i dlaczego ciała się poruszają, od czasów starożytnych interesowali się filozofowie i naukowcy. Arystoteles uważał więc, że przedmioty poruszają się w przestrzeni tylko dlatego, że istnieje na nie jakiś wpływ zewnętrzny. Jeśli ten efekt zostanie zatrzymany, organizm natychmiast się zatrzyma. Wielu starożytnych filozofów greckich wierzyło, że naturalnym stanem wszystkich ciał jest odpoczynek.
Z nastaniem New Age wielu naukowców zaczęło studiować prawa ruchu w mechanice. Należy zwrócić uwagę na takie nazwiska jak Huygens, Hooke i Galileo. Ten ostatni rozwinął naukowe podejście do badania zjawisk przyrodniczych i faktycznie odkrył pierwsze prawo mechaniki, które jednak nie nosi jego nazwiska.
W 1687 roku opublikowano publikację naukową autorstwaAnglik Izaak Newton. W swojej pracy naukowej jasno sformułował podstawowe prawa ruchu ciał w przestrzeni, które wraz z prawem powszechnego ciążenia stanowią podstawę nie tylko mechaniki, ale całej współczesnej fizyki klasycznej.
O prawach Newtona
Nazywa się je również prawami mechaniki klasycznej, w przeciwieństwie do relatywistycznych, których postulaty zostały sformułowane na początku XX wieku przez Alberta Einsteina. W pierwszym istnieją tylko trzy główne prawa, na których opiera się cała gałąź fizyki. Nazywają się tak:
- Prawo bezwładności.
- Prawo zależności między siłą a przyspieszeniem.
- Prawo akcji i reakcji.
Dlaczego te trzy prawa są głównymi? To proste, można z nich wyprowadzić dowolny wzór mechaniki, jednak żadna teoretyczna zasada nie prowadzi do żadnej z nich. Prawa te wynikają wyłącznie z licznych obserwacji i eksperymentów. Ich trafność potwierdza wiarygodność uzyskanych za ich pomocą przewidywań w rozwiązywaniu różnych problemów w praktyce.
Prawo bezwładności
Pierwsze prawo Newtona w mechanice mówi, że każde ciało przy braku zewnętrznego wpływu na nie utrzyma stan spoczynku lub ruchu prostoliniowego w dowolnym bezwładnościowym układzie odniesienia.
Aby zrozumieć to prawo, należy zrozumieć system raportowania. Nazywa się to bezwładnością tylko wtedy, gdy spełnia określone prawo. Innymi słowy, w układzie inercjalnym nie maistnieją fikcyjne siły, które odczuwaliby obserwatorzy. Na przykład układ poruszający się jednostajnie i po linii prostej można uznać za bezwładnościowy. Z drugiej strony układ, który obraca się równomiernie wokół osi, jest bezwładnościowy ze względu na obecność w nim fikcyjnej siły odśrodkowej.
Prawo bezwładności określa przyczynę zmiany charakteru ruchu. Tym powodem jest obecność siły zewnętrznej. Zauważ, że na ciało może działać kilka sił. W takim przypadku należy je dodać zgodnie z zasadą wektorów, jeśli wynikowa siła jest równa zeru, to ciało będzie kontynuowało ruch jednostajny. Ważne jest również zrozumienie, że w mechanice klasycznej nie ma różnicy między ruchem jednostajnym ciała a jego stanem spoczynku.
Drugie prawo Newtona
Mówi, że przyczyną zmiany charakteru ruchu ciała w przestrzeni jest przyłożona do niego zewnętrzna niezerowa siła. W rzeczywistości to prawo jest kontynuacją poprzedniego. Jego zapis matematyczny jest następujący:
F¯=ma¯.
W tym przypadku wielkość a¯ jest przyspieszeniem opisującym szybkość zmiany wektora prędkości, m jest masą bezwładną ciała. Ponieważ m jest zawsze większe od zera, wektory siły i przyspieszenia wskazują ten sam kierunek.
Rozważane prawo ma zastosowanie do ogromnej liczby zjawisk w mechanice, na przykład do opisu procesu swobodnego spadania, ruchu z przyspieszeniem samochodu, poślizgu pręta po nachylonej płaszczyźnie, oscylacji wahadła,napięcie łusek sprężynowych i tak dalej. Można śmiało powiedzieć, że jest to główne prawo dynamiki.
Pęd i pęd
Jeśli zwrócisz się bezpośrednio do pracy naukowej Newtona, zobaczysz, że sam naukowiec sformułował drugie prawo mechaniki nieco inaczej:
Fdt=dp, gdzie p=mv.
Wartość p nazywana jest pędem. Wielu błędnie nazywa to impulsem ciała. Wielkość ruchu jest charakterystyką bezwładnościowo-energetyczną równą iloczynowi masy ciała i jego prędkości.
Zmiana pędu o pewną wartość dp może być dokonana tylko przez zewnętrzną siłę F działającą na ciało w przedziale czasu dt. Iloczyn siły i czas jej działania nazywamy impulsem siły lub po prostu impulsem.
Kiedy zderzają się dwa ciała, działa między nimi siła zderzenia, która zmienia pęd każdego ciała, jednak ponieważ siła ta jest wewnętrzna w stosunku do układu dwóch badanych ciał, nie prowadzi do zmiany w całkowitym pędzie systemu. Fakt ten nazywany jest prawem zachowania pędu.
Obracaj z przyspieszeniem
Jeżeli prawo mechaniki sformułowane przez Newtona zostanie zastosowane do ruchu obrotowego, to otrzymamy następujące wyrażenie:
M=Iα.
Tutaj M - moment pędu - jest to wartość, która pokazuje zdolność siły do wykonania skrętu w układzie. Moment siły jest obliczany jako iloczyn siły wektora i wektora promienia skierowanego od osi dopunkt aplikacji. Wielkość I to moment bezwładności. Podobnie jak moment siły, zależy od parametrów układu wirującego, w szczególności od geometrycznego rozkładu masy ciała względem osi. Wreszcie wartość α to przyspieszenie kątowe, które pozwala określić, o ile radianów na sekundę zmienia się prędkość kątowa.
Jeżeli dokładnie przyjrzymy się zapisanemu równaniu i narysujemy analogię między jego wartościami a wskaźnikami z drugiego prawa Newtona, wtedy uzyskamy ich pełną tożsamość.
Prawo akcji i reakcji
Pozostaje nam rozważenie trzeciego prawa mechaniki. Jeśli pierwsze dwa, w taki czy inny sposób, zostały sformułowane przez poprzedników Newtona, a sam naukowiec nadał im tylko harmonijną matematyczną formę, to trzecie prawo jest pierwotnym pomysłem wielkiego Anglika. Tak więc mówi: jeśli dwa ciała wejdą w kontakt siłowy, to siły działające między nimi są równe co do wielkości i przeciwne w kierunku. Krótko mówiąc, możemy powiedzieć, że każde działanie wywołuje reakcję.
F12¯=-F21¯.
Tutaj F12¯ i F21¯ - działające od strony 1 ciała do 2 i od strony 2 odpowiednio do 1. siły.
Istnieje wiele przykładów potwierdzających to prawo. Na przykład podczas skoku osoba jest odpychana od powierzchni ziemi, ta ostatnia popycha go do góry. To samo dotyczy chodzenia z chodzikiem i odpychania się od ściany basenu. Inny przykład, jeśli naciśniesz rękę na stole, poczujesz coś przeciwnego.wpływ stołu na rękę, który nazywamy siłą reakcji podpory.
Rozwiązując problemy z zastosowaniem trzeciego prawa Newtona, nie należy zapominać, że siła działania i siła reakcji są przykładane do różnych ciał, dlatego nadają im różne przyspieszenia.
