Luonnonilmiöiden tutkiminen kokeen perusteella on mahdollista vain, jos kaikki vaiheet huomioidaan: havainto, hypoteesi, koe, teoria. Tarkkailu paljastaa ja vertailee tosiasiat, hypoteesi mahdollistaa yksityiskohtaisen tieteellisen selityksen, joka vaatii kokeellista vahvistusta. Kappaleiden liikkeen havainnointi johti mielenkiintoiseen johtopäätökseen: kehon nopeuden muutos on mahdollista vain toisen kappaleen vaikutuksesta.
Jos esimerkiksi juokset nopeasti ylös portaita, sinun tarvitsee käännöksessä vain tarttua kaiteeseen (muuttaa liikesuuntaa) tai pysähtyä (muuttaa nopeusarvoa), jotta et törmää vastapäätä seinää.
Samank altaisten ilmiöiden havainnot johtivat fysiikan haaran syntymiseen, joka tutkii kappaleiden nopeuden muutosten tai niiden muodonmuutosten syitä.
Dynamiikan perusteet
Dynamics on kutsuttu vastaamaan sakramenttikysymykseen, miksi fyysinen ruumis liikkuu tavalla tai toisella tai on levossa.
Ota huomioon lepotila. Liikkeen suhteellisuuden käsitteen perusteella voimme päätellä: ei ole eikä voi olla täysin liikkumattomia kappaleita. Minkä tahansaesine, joka on liikkumaton yhden vertailukappaleen suhteen, liikkuu suhteessa toiseen. Esimerkiksi pöydällä makaava kirja on liikkumaton pöytään nähden, mutta jos tarkastelemme sen sijaintia ohikulkevaan ihmiseen nähden, teemme luonnollisen johtopäätöksen: kirja liikkuu.
Siksi kappaleiden liikelakeja tarkastellaan inertiaalisissa viitekehyksessä. Mikä se on?
Kutsutaan inertiaalista vertailukehystä, jossa keho on levossa tai suorittaa tasaista ja suoraviivaista liikettä edellyttäen, että muut esineet tai esineet eivät vaikuta siihen.
Yllä olevassa esimerkissä taulukkoon liittyvää viitekehystä voidaan kutsua inertiaksi. Tasaisesti ja suorassa linjassa liikkuva henkilö voi toimia viitekehyksenä ISO:lle. Jos sen liikettä kiihdytetään, siihen on mahdotonta liittää inertia-CO.
Itse asiassa tällainen järjestelmä voidaan korreloida kappaleiden kanssa, jotka on kiinnitetty jäykästi maan pintaan. Planeetta itse ei kuitenkaan voi toimia IFR:n vertailukappaleena, koska se pyörii tasaisesti oman akselinsa ympäri. Pinnalla olevilla kappaleilla on keskikiihtyvyys.
Mikä on vauhti?
Inertia-ilmiö liittyy suoraan ISO:han. Muistatko mitä tapahtuu, jos liikkuva auto pysähtyy äkillisesti? Matkustajat ovat vaarassa jatkaessaan matkaansa. Sen voi pysäyttää etuistuimella tai turvavöillä. Tämä prosessi selittyy matkustajan inertialla. Pitääkö paikkansa?
Inertia on ilmiö, joka edellyttää säilymistäkehon vakionopeus, kun muut kehot eivät vaikuta siihen. Matkustaja on turvavyön tai istuimen vaikutuksen alaisena. Hitausilmiötä ei havaita tässä.
Selitys piilee kehon ominaisuuksissa, ja sen mukaan kohteen nopeutta on mahdotonta muuttaa välittömästi. Tämä on inertiaa. Esimerkiksi lämpömittarissa olevan elohopean inertisyys mahdollistaa tankon laskemisen, jos ravistellaan lämpömittaria.
Inertian mittaa kutsutaan kehon massaksi. Vuorovaikutuksessa nopeus muuttuu nopeammin kappaleissa, joilla on pienempi massa. Jälkimmäisen vuoksi auton törmäys betoniseinään etenee lähes jälkiä jättämättä. Autossa tapahtuu useimmiten peruuttamattomia muutoksia: nopeus muuttuu, tapahtuu merkittäviä muodonmuutoksia. Osoittautuu, että betoniseinän inertia ylittää merkittävästi auton hitausvoiman.
Onko mahdollista kohdata inertia-ilmiö luonnossa? Olosuhteet, joissa ruumis on ilman yhteyttä muihin kappaleisiin, on syvä avaruus, jossa avaruusalus liikkuu moottorit sammutettuina. Mutta myös tässä tapauksessa gravitaatiomomentti on läsnä.
Perusmäärät
Dynamiikan opiskelu kokeellisella tasolla sisältää kokeilun fysikaalisten suureiden mittauksilla. Mielenkiintoisin:
- kiihtyvyys kappaleiden nopeuden muutosnopeuden mittana; merkitse se kirjaimella a, mittaa m/s2;
- massa hitausmittana; merkitty kirjaimella m, mitattuna kg;
- voima ruumiiden keskinäisen toiminnan mittana; useimmiten merkitty kirjaimella F, mitattuna N (newtoneina).
Näiden määrien välinen suhdeesitetään kolmessa suurimman englantilaisen fyysikon johtamassa mallissa. Newtonin lait on suunniteltu selittämään eri kappaleiden vuorovaikutuksen monimutkaisuutta. Sekä niitä hallitsevat prosessit. Newtonin lait yhdistävät matemaattisiin suhteisiin käsitteet "kiihtyvyys", "voima", "massa". Yritetään selvittää, mitä se tarkoittaa.
Vain yhden voiman toiminta on poikkeuksellinen ilmiö. Esimerkiksi maata kiertävään keinotekoiseen satelliittiin vaikuttaa vain painovoima.
Tulostaja
Useiden voimien toiminta voidaan korvata yhdellä voimalla.
Kehoon vaikuttavien voimien geometristä summaa kutsutaan resultantiksi.
Puhumme geometrisesta summasta, koska voima on vektorisuure, joka ei riipu pelkästään kohdistamispisteestä vaan myös toiminnan suunnasta.
Jos esimerkiksi haluat siirtää melko massiivisen vaatekaapin, voit kutsua ystäviä. Yhdessä saavutamme halutun tuloksen. Mutta voit kutsua vain yhden erittäin vahvan henkilön. Hänen ponnistelunsa on yhtä suuri kuin kaikkien ystävien toiminta. Sankarin käyttämää voimaa voidaan kutsua resultantiksi.
Newtonin liikelait on muotoiltu "resultantin" käsitteen perusteella.
Hiitauslaki
Aloita Newtonin lakien tutkiminen yleisimmällä ilmiöllä. Ensimmäistä lakia kutsutaan yleensä hitauslaiksi, koska se määrittää tasaisen suoraviivaisen liikkeen tai kappaleiden lepotilan syyt.
Vartalo liikkuu tasaisesti ja suoraviivaisesti tailepää, jos siihen ei vaikuta voimaa tai tämä toiminta kompensoituu.
Voidaan väittää, että resultantti tässä tapauksessa on nolla. Tässä tilassa on esimerkiksi auto, joka liikkuu tasaisella nopeudella suoralla tieosuudella. Vetovoiman vaikutus kompensoidaan tuen reaktiovoimalla, ja moottorin työntövoima on absoluuttisesti sama kuin liikevastusvoima.
Kruunu lepää kattoon, koska painovoima kompensoituu sen kiinnikkeiden jännityksellä.
Vain yhteen kappaleeseen kohdistuvat voimat voidaan kompensoida.
Newtonin toinen laki
Jatketaan. Syitä, jotka aiheuttavat muutoksia kappaleiden nopeudessa, tarkastellaan Newtonin toisessa laissa. Mistä hän puhuu?
Kehoon vaikuttavien voimien resultantti määritellään kehon massan ja voimien vaikutuksesta saadun kiihtyvyyden tulona.
2 Newtonin laki (kaava: F=ma) ei valitettavasti muodosta kausaalisia suhteita kinematiikan ja dynamiikan peruskäsitteiden välille. Hän ei voi määrittää tarkasti, mikä saa kehot kiihtymään.
Muotoilkaamme toisin: kehon vastaanottama kiihtyvyys on suoraan verrannollinen resultantvoimiin ja kääntäen verrannollinen kehon massaan.
Siten voidaan todeta, että nopeuden muutos tapahtuu vain riippuen siihen kohdistetusta voimasta ja kehon massasta.
2 Newtonin lakia, jonka kaava voi olla seuraava: a=F/m, pidetään vektorimuodossa perustavanlaatuisena, koska se mahdollistaaluoda yhteyksiä fysiikan alojen välille. Tässä a on kappaleen kiihtyvyysvektori, F on voimien resultantti, m on kappaleen massa.
Auton kiihdytetty liike on mahdollista, jos moottoreiden vetovoima ylittää liikkeen vastustusvoiman. Kun työntövoima kasvaa, niin myös kiihtyvyys kasvaa. Kuorma-autot on varustettu suuritehoisilla moottoreilla, koska niiden massa on paljon suurempi kuin henkilöauton massa.
Nopeaa kilpailua varten suunnitellut tulipallot kevennetään siten, että niihin kiinnitetään mahdollisimman vähän tarvittavia osia ja moottorin teho nostetaan mahdollisiin rajoihin. Yksi urheiluautojen tärkeimmistä ominaisuuksista on kiihtyvyys 100 km/h. Mitä lyhyempi tämä aikaväli, sitä paremmat ovat auton nopeusominaisuudet.
Vuorovaikutuksen laki
Newtonin lait, jotka perustuvat luonnonvoimiin, väittävät, että mihin tahansa vuorovaikutukseen liittyy voimien parin ilmaantuminen. Jos pallo roikkuu langan päällä, se kokee toimintansa. Tässä tapauksessa lanka venyy myös pallon vaikutuksesta.
Kolmannen säännönmukaisuuden muotoilu täydentää Newtonin lait. Lyhyesti sanottuna se kuulostaa tältä: toiminta vastaa reaktiota. Mitä tämä tarkoittaa?
Voimat, joilla kappaleet vaikuttavat toisiinsa, ovat suuruudeltaan yhtä suuret, vastakkaiset ja suuntautuvat kappaleiden keskipisteitä yhdistävää linjaa pitkin. Mielenkiintoista kyllä, niitä ei voida kutsua korvatuiksi, koska ne vaikuttavat eri elimiin.
Lakien täytäntöönpano
Kuuluisa "hevonen ja kärry" -ongelma voi olla hämmentävä. Kyseiseen vaunuun valjastettu hevonen liikuttaa sitäpaik alta. Newtonin kolmannen lain mukaan nämä kaksi kohdetta vaikuttavat toisiinsa yhtäläisin voimin, mutta käytännössä hevonen voi liikuttaa kärryä, joka ei sovi kuvion perustuksiin.
Ratkaisu löytyy, jos otamme huomioon, että tämä kappalejärjestelmä ei ole suljettu. Tie vaikuttaa molempiin kehoihin. Hevosen kavioihin vaikuttava staattinen kitkavoima ylittää kärryn pyörien vierintäkitkavoiman. Loppujen lopuksi liikkeen hetki alkaa yrityksellä siirtää vaunua. Jos asento muuttuu, hevonen ei missään olosuhteissa siirrä sitä paik altaan. Hänen kaviansa luisuvat tiellä, eikä liikettä ole.
Lapsuudessa, kelkkaillessa toisiaan, jokainen saattoi törmätä tällaiseen esimerkkiin. Jos kaksi tai kolme lasta istuu kelkassa, yhden lapsen ponnistelut eivät selvästikään riitä siirtämään heitä.
Aristoteleen selittämä kappaleiden putoaminen maan pinnalle ("Jokainen ruumis tietää paikkansa") voidaan kumota edellä olevan perusteella. Esine liikkuu maata kohti saman voiman vaikutuksesta kuin maa liikkuu sitä kohti. Vertaamalla niiden parametreja (Maan massa on paljon suurempi kuin kehon massa) Newtonin toisen lain mukaisesti väitämme, että kohteen kiihtyvyys on yhtä monta kertaa suurempi kuin Maan kiihtyvyys. Havaitsemme kehon nopeuden muutosta, maa ei liiku kiertorad altaan.
Käyttörajat
Nykyaikainen fysiikka ei kiellä Newtonin lakeja, vaan asettaa vain rajat niiden sovellettaville. 1900-luvun alkuun asti fyysikoilla ei ollut epäilystäkään siitä, että nämä lait selittivät kaikki luonnonilmiöt.
1, 2, 3 lakiNewton paljastaa täysin makroskooppisten kappaleiden käyttäytymisen syyt. Nämä oletukset kuvaavat täysin kohteiden liikkumista, joiden nopeus on mitätön.
Yritetään selittää niiden perusteella kappaleiden liike, joiden nopeus on lähellä valonnopeutta, on tuomittu epäonnistumaan. Avaruuden ja ajan ominaisuuksien täydellinen muutos näillä nopeuksilla ei salli newtonilaisen dynamiikan käyttöä. Lisäksi lait muuttavat muotoaan ei-inertiaalisissa FR:issä. Niiden soveltamista varten otetaan käyttöön inertiavoiman käsite.
Newtonin lait voivat selittää tähtitieteellisten kappaleiden liikkeen, niiden sijainnin ja vuorovaikutuksen säännöt. Universaalin gravitaatiolaki otetaan käyttöön tätä tarkoitusta varten. Pienten kappaleiden vetovoiman tulosta on mahdoton nähdä, koska voima on niukka.
keskinen vetovoima
On legenda, jonka mukaan herra Newtonilla, joka istui puutarhassa ja katseli omenoiden putoamista, oli loistava idea: selittää esineiden liikettä lähellä maan pintaa ja avaruuskappaleet keskinäisen vetovoiman perusteella. Se ei ole niin kaukana totuudesta. Havainnot ja tarkka laskelma koskivat omenoiden putoamisen lisäksi myös kuun liikettä. Tämän liikkeen lait johtavat johtopäätökseen, että vetovoima kasvaa vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden massojen kasvaessa ja vähenee niiden välisen etäisyyden kasvaessa.
Newtonin toiseen ja kolmanteen lakiin perustuen universaalin gravitaatiolaki on muotoiltu seuraavasti: kaikki maailmankaikkeuden kappaleet vetäytyvät toisiinsa voimalla, joka on suunnattu kappaleiden keskipisteitä yhdistävää linjaa pitkin ja joka on verrannollinen ruumiiden massat jakääntäen verrannollinen kappaleiden keskipisteiden välisen etäisyyden neliöön.
Matemaattinen merkintä: F=GMm/r2, missä F on vetovoima, M, m ovat vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden massat, r on niiden välinen etäisyys. Suhteellisuuskerrointa (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) kutsutaan gravitaatiovakio.
Fysikaalinen merkitys: tämä vakio on yhtä suuri kuin vetovoima kahden mass altaan 1 kg:n kappaleen välillä 1 m etäisyydellä. On selvää, että pienimassaisille kappaleille voima on niin merkityksetön, että se voi olla laiminlyöty. Planeettojen, tähtien ja galaksien vetovoima on niin v altava, että se määrää niiden liikkeen kokonaan.
Newtonin painovoimalaki sanoo, että rakettien laukaisemiseen tarvitaan polttoainetta, joka voi luoda suihkun työntövoiman voittamaan Maan vaikutuksen. Tätä varten vaadittava nopeus on ensimmäinen pakonopeus, joka on 8 km/s.
Nykyaikainen rakettitekniikka mahdollistaa miehittämättömien asemien lähettämisen keinotekoisina Auringon satelliitteina muille planeetoille tutkittavaksi. Tällaisen laitteen kehittämä nopeus on toinen avaruusnopeus, joka on 11 km/s.
Lakien soveltamisalgoritmi
Dynamiikan ongelmien ratkaiseminen edellyttää tiettyä toimintosarjaa:
- Analysoi tehtävä, tunnista tiedot, liikkeen tyyppi.
- Piirrä piirustus, jossa näkyy kaikki kehoon vaikuttavat voimat ja kiihtyvyyssuunta (jos sellainen on). Valitse koordinaattijärjestelmä.
- Kirjoita ensimmäinen tai toinen laki saatavuuden mukaankehon kiihtyvyys vektorimuodossa. Ota huomioon kaikki voimat (tulosvoima, Newtonin lait: ensimmäinen, jos kehon nopeus ei muutu, toinen, jos on kiihtyvyys).
- Kirjoita yhtälö uudelleen projektioihin valituilla koordinaattiakseleilla.
- Jos tuloksena oleva yhtälöjärjestelmä ei riitä, kirjoita muistiin muita: voimien määritelmät, kinemaattiset yhtälöt jne.
- Ratkaise yhtälöjärjestelmä halutulle arvolle.
- Suorita mittatarkistus selvittääksesi, onko tuloksena saatu kaava oikea.
- Laske.
Yleensä nämä vaiheet riittävät mihin tahansa vakiotehtävään.
