Erilaisten kappaleiden liikkumista avaruudessa fysiikassa tutkii erityinen osa - mekaniikka. Jälkimmäinen puolestaan jaetaan kinematiikkaan ja dynamiikkaan. Tässä artikkelissa tarkastelemme fysiikan mekaniikan lakeja keskittyen kappaleiden translaatio- ja pyörimisliikkeen dynamiikkaan.
Historiallista taustaa
Miten ja miksi ruumiit liikkuvat, on kiinnostanut filosofeja ja tiedemiehiä muinaisista ajoista lähtien. Joten Aristoteles uskoi, että esineet liikkuvat avaruudessa vain siksi, että niihin on jokin ulkoinen vaikutus. Jos tämä vaikutus lopetetaan, keho pysähtyy välittömästi. Monet antiikin kreikkalaiset filosofit uskoivat, että kaikkien kehojen luonnollinen tila on lepo.
New Agen tultua monet tiedemiehet alkoivat tutkia mekaniikan liikelakeja. On syytä huomata sellaiset nimet kuin Huygens, Hooke ja Galileo. Jälkimmäinen kehitti tieteellisen lähestymistavan luonnonilmiöiden tutkimiseen ja itse asiassa löysi mekaniikan ensimmäisen lain, joka ei kuitenkaan kanna hänen sukunimeään.
Vuonna 1687 julkaistiin tieteellinen julkaisu, jonka kirjoittajaenglantilainen Isaac Newton. Tieteellisissä työssään hän muotoili selkeästi kappaleiden avaruudessa liikkumisen peruslait, jotka yhdessä universaalin gravitaatiolain kanssa muodostivat perustan ei vain mekaniikalle, vaan myös koko modernille klassiselle fysiikan.
Newtonin laeista
Niitä kutsutaan myös klassisen mekaniikan laeiksi, toisin kuin relativistinen laki, jonka postulaatit esitti Albert Einstein 1900-luvun alussa. Ensimmäisessä on vain kolme päälakia, joihin koko fysiikan ala perustuu. Niitä kutsutaan näin:
- Hiitauslaki.
- Voiman ja kiihtyvyyden välisen suhteen laki.
- Toiminnan ja reaktion laki.
Miksi nämä kolme lakia ovat tärkeimmät? Se on yksinkertaista, niistä voidaan johtaa mikä tahansa mekaniikan kaava, mutta mikään teoreettinen periaate ei johda mihinkään niistä. Nämä lait perustuvat yksinomaan lukuisiin havaintoihin ja kokeisiin. Niiden pätevyyden vahvistaa niiden avulla saatujen ennusteiden luotettavuus erilaisten ongelmien ratkaisemisessa käytännössä.
Inertialaki
Newtonin ensimmäinen mekaniikan laki sanoo, että mikä tahansa kappale ilman ulkoista vaikutusta säilyttää lepotilan tai suoraviivaisen liikkeen missä tahansa inertiaalisessa vertailukehyksessä.
Tämän lain ymmärtämiseksi on ymmärrettävä raportointijärjestelmä. Sitä kutsutaan inertiaksi vain, jos se täyttää esitetyn lain. Toisin sanoen inertiajärjestelmässä ei oleon kuvitteellisia voimia, jotka havaitsevat. Esimerkiksi tasaisesti ja suorassa linjassa liikkuvaa järjestelmää voidaan pitää inertiana. Toisa alta järjestelmä, joka pyörii tasaisesti akselin ympäri, on ei-inertia, koska siinä on kuvitteellinen keskipakovoima.
Hiitauslaki määrittää syyn, miksi liikkeen luonne muuttuu. Tämä syy on ulkoisen voiman läsnäolo. Huomaa, että kehoon voi vaikuttaa useita voimia. Tässä tapauksessa ne on lisättävä vektoreiden säännön mukaisesti, jos tuloksena oleva voima on yhtä suuri kuin nolla, keho jatkaa tasaista liikettä. On myös tärkeää ymmärtää, että klassisessa mekaniikassa ei ole eroa kehon tasaisen liikkeen ja sen lepotilan välillä.
Newtonin toinen laki
Hän sanoo, että syy kehon liikkeen luonteen muuttamiseen avaruudessa on siihen kohdistuvan ulkoisen nollasta poikkeavan voiman läsnäolo. Itse asiassa tämä laki on jatkoa edelliselle. Sen matemaattinen merkintä on seuraava:
F¯=ma¯.
Tässä suure a¯ on kiihtyvyys, joka kuvaa nopeusvektorin muutosnopeutta, m on kappaleen inertiamassa. Koska m on aina suurempi kuin nolla, voima- ja kiihtyvyysvektorit osoittavat samaan suuntaan.
Tarkasteltu laki koskee v altavaa määrää mekaniikan ilmiöitä, esimerkiksi vapaan pudotuksen prosessin kuvaukseen, liikkumiseen auton kiihtyvyydellä, tangon liukumiseen k altevaa tasoa pitkin, värähtelyyn heilurista,jousivaakojen kireys ja niin edelleen. On turvallista sanoa, että se on dynamiikan päälaki.
Momentumia ja vauhtia
Jos siirryt suoraan Newtonin tieteelliseen työhön, huomaat, että tiedemies itse muotoili mekaniikan toisen lain hieman eri tavalla:
Fdt=dp, missä p=mv.
Arvoa p kutsutaan liikemääräksi. Monet kutsuvat sitä virheellisesti kehon impulssiksi. Liikkeen määrä on inertiaenergia-ominaisuus, joka on yhtä suuri kuin kehon massan ja sen nopeuden tulo.
Voiman muuttaminen jollain arvolla dp voidaan tehdä vain ulkopuolisella voimalla F, joka vaikuttaa kehoon ajanjakson dt aikana. Voiman ja sen toiminnan keston tuloa kutsutaan voiman impulssiksi tai yksinkertaisesti impulssiksi.
Kahden kappaleen törmäyksessä vaikuttaa niiden välillä törmäysvoima, joka muuttaa kunkin kappaleen liikemäärää, mutta koska tämä voima on sisäinen kahden tutkittavan kappaleen järjestelmän suhteen, se ei johda muutokseen järjestelmän kokonaisvauhdissa. Tätä tosiasiaa kutsutaan liikemäärän säilymisen laiksi.
Pyörä kiihdytyksellä
Jos Newtonin muotoilemaa mekaniikan lakia sovelletaan pyörimisliikkeeseen, saadaan seuraava lauseke:
M=Iα.
Tässä M - kulmamomentti - tämä on arvo, joka osoittaa voiman kyvyn tehdä käännös järjestelmässä. Voiman momentti lasketaan vektorivoiman ja akselilta suuntautuvan sädevektorin tulonasovelluskohta. Suuruus I on hitausmomentti. Kuten voimamomentti, se riippuu pyörivän järjestelmän parametreista, erityisesti kehon massan geometrisestä jakautumisesta akseliin nähden. Lopuksi arvo α on kulmakiihtyvyys, jonka avulla voit määrittää kuinka monta radiaania sekunnissa kulmanopeus muuttuu.
Jos tarkastelet huolellisesti kirjoitettua yhtälöä ja vedät analogian sen arvojen ja toisen Newtonin lain indikaattoreiden välille, saamme niiden täydellisen identiteetin.
Toiminnan ja reaktion laki
Meidän on vielä harkittava mekaniikan kolmatta lakia. Jos kaksi ensimmäistä, tavalla tai toisella, muotoilivat Newtonin edeltäjät, ja tiedemies itse antoi heille vain harmonisen matemaattisen muodon, niin kolmas laki on suuren englantilaisen alkuperäinen aivotuote. Joten se sanoo: jos kaksi kappaletta joutuvat kosketukseen, niin niiden välillä vaikuttavat voimat ovat suuruudeltaan yhtä suuret ja vastakkaiset. Lyhyesti sanottuna voimme sanoa, että mikä tahansa toiminta aiheuttaa reaktion.
F12¯=-F21¯.
Tässä F12¯ ja F21¯ - toimii 1. kehon puolelta toiselle ja 2:n puolelta 1. vahvuuteen.
On monia esimerkkejä, jotka vahvistavat tämän lain. Esimerkiksi hypyn aikana ihminen karkotetaan maan pinn alta, jälkimmäinen työntää hänet ylös. Sama pätee kävelijän kävelemiseen ja uima- altaan seinältä työntämiseen. Toinen esimerkki, jos painat kättäsi pöytää vasten, tuntuu päinvastoin.pöydän vaikutus käteen, jota kutsutaan tuen reaktiovoimaksi.
Newtonin kolmannen lain soveltamisongelmia ratkaistaessa ei pidä unohtaa, että toimintavoima ja reaktiovoima kohdistuvat eri kappaleisiin, joten ne antavat niille eri kiihtyvyydet.
