A természeti jelenségek kísérlet alapján történő tanulmányozása csak akkor lehetséges, ha minden szakaszt betartanak: megfigyelés, hipotézis, kísérlet, elmélet. A megfigyelés feltárja és összehasonlítja a tényeket, a hipotézis lehetővé teszi, hogy részletes tudományos magyarázatot adjunk, amely kísérleti megerősítést igényel. A testek mozgásának megfigyelése érdekes következtetésre vezetett: egy test sebességének változása csak egy másik test hatására lehetséges.
Például, ha gyorsan felszalad a lépcsőn, akkor a kanyarban csak meg kell ragadnia a korlátot (változtatja a mozgás irányát), vagy meg kell állnia (változtatja a sebesség értékét), hogy ne ütközzen a szemben a fal.
Hasonló jelenségek megfigyelései a fizika egy olyan ágának létrejöttéhez vezettek, amely a testek sebességében bekövetkező változások vagy alakváltozások okait vizsgálja.
Dinamika alapjai
A Dynamics feladata, hogy válaszoljon arra a szentségi kérdésre, hogy a fizikai test miért mozog ilyen vagy olyan módon, vagy miért van nyugalomban.
Vegye fontolóra a nyugalmi állapotot. A mozgás relativitáselméletének felfogása alapján megállapíthatjuk: nincsenek és nem is lehetnek abszolút mozdulatlan testek. Bármiegy tárgy, mivel az egyik referenciatesthez képest mozdulatlan, a másikhoz képest mozog. Például egy asztalon fekvő könyv mozdulatlan az asztalhoz képest, de ha figyelembe vesszük a helyzetét egy elhaladó emberhez képest, természetes következtetést vonunk le: a könyv mozog.
Ezért a testek mozgásának törvényeit inerciális vonatkoztatási rendszerben vesszük figyelembe. Mi az?
Inerciális vonatkoztatási rendszert nevezünk, amelyben a test nyugalomban van, vagy egyenletes és egyenes vonalú mozgást végez, feltéve, hogy más tárgyak vagy tárgyak nincsenek rá hatással.
A fenti példában a táblázathoz tartozó referenciakeretet inerciálisnak nevezhetjük. Az egyenletesen és egyenes vonalban mozgó személy referenciakeretként szolgálhat az ISO számára. Ha a mozgása felgyorsult, akkor lehetetlen inerciális CO-t társítani hozzá.
Valójában egy ilyen rendszer összefüggésbe hozható a Föld felszínére mereven rögzített testekkel. Maga a bolygó azonban nem szolgálhat referenciatestként az IFR számára, mivel egyenletesen forog saját tengelye körül. A felszínen lévő testek centripetális gyorsulással rendelkeznek.
Mi az a lendület?
A tehetetlenség jelensége közvetlenül összefügg az ISO-val. Emlékszel, mi történik, ha egy mozgó autó hirtelen megáll? Az utasok veszélyben vannak, miközben folytatják útjukat. Megállíthatja az elöl lévő üléssel vagy a biztonsági övekkel. Ezt a folyamatot az utas tehetetlensége magyarázza. Igaz?
A tehetetlenség olyan jelenség, amely a megőrzést feltételezia test állandó sebessége, ha nincs más test befolyása rá. Az utas öv vagy ülés hatása alatt áll. A tehetetlenség jelensége itt nem figyelhető meg.
A magyarázat a test tulajdonságaiban rejlik, és eszerint lehetetlen egy tárgy sebességét azonnal megváltoztatni. Ez a tehetetlenség. Például a higany tehetetlensége a hőmérőben lehetővé teszi, hogy a lécet leengedjük, ha megrázzuk a hőmérőt.
A tehetetlenségi erőt a test tömegének nevezzük. Kölcsönhatáskor a sebesség gyorsabban változik a kisebb tömegű testeknél. Utóbbi miatt egy autó betonfallal való ütközése szinte nyomtalanul halad. Az autó leggyakrabban visszafordíthatatlan változásokon megy keresztül: megváltozik a sebesség, jelentős deformáció lép fel. Kiderült, hogy a betonfal tehetetlensége jelentősen meghaladja egy autó tehetetlenségét.
Találkozhatunk-e a természetben a tehetetlenség jelenségével? Az a feltétel, amelyben a test nincs kapcsolatban más testekkel, a mélyűr, amelyben az űrhajó kikapcsolt hajtóművekkel mozog. De még ebben az esetben is jelen van a gravitációs nyomaték.
Alapmennyiségek
A dinamika kísérleti szintű tanulmányozása magában foglalja a fizikai mennyiségek mérésével való kísérletezést. A legérdekesebb:
- gyorsulás, mint a testek sebességének változási sebességének mértéke; jelölje a betűvel, mérje m/s-ban2;
- tömeg mint a tehetetlenség mértéke; m betűvel jelölve, kg-ban mérve;
- erő, mint a testek kölcsönös hatásának mértéke; leggyakrabban F betűvel jelölik, N-ben (newtonban) mérve.
A mennyiségek közötti kapcsolata legnagyobb angol fizikus által levezetett három mintában. A Newton-törvények célja, hogy megmagyarázzák a különböző testek kölcsönhatásának összetettségét. Valamint az ezeket irányító folyamatok. Newton törvényei a „gyorsulás”, „erő”, „tömeg” fogalmaihoz kapcsolódnak a matematikai összefüggésekhez. Próbáljuk kitalálni, mit jelent.
Csak egy erő hatása kivételes jelenség. Például a Föld körül keringő mesterséges műholdat csak a gravitáció befolyásolja.
Eredmény
Több erő hatását egy erő helyettesítheti.
A testre ható erők geometriai összegét eredőnek nevezzük.
Gometriai összegről beszélünk, hiszen az erő egy vektormennyiség, amely nemcsak az alkalmazási ponttól, hanem a hatás irányától is függ.
Például, ha egy meglehetősen masszív ruhásszekrényt kell áthelyezned, meghívhatsz barátokat. Együtt érjük el a kívánt eredményt. De csak egy nagyon erős embert hívhatsz meg. Erőfeszítése minden barát cselekedetével egyenlő. A hős által alkalmazott erőt eredőnek nevezhetjük.
A Newton-féle mozgástörvények az „eredmény” fogalma alapján fogalmazódnak meg.
Tehetetlenségi törvény
Kezdje el Newton törvényeinek tanulmányozását a leggyakoribb jelenséggel. Az első törvényt általában tehetetlenségi törvénynek nevezik, mivel ez határozza meg az egyenletes egyenes vonalú mozgás okait vagy a testek nyugalmi állapotát.
A test egyenletesen és egyenes vonalúan mozog illnyugszik, ha nem hat rá erő, vagy ezt a műveletet kompenzálják.
Azt állíthatjuk, hogy az eredő ebben az esetben egyenlő nullával. Ilyen állapotban van például egy állandó sebességgel haladó autó az út egyenes szakaszán. A vonzási erő hatását a támasz reakcióereje kompenzálja, és a motor tolóereje abszolút értékben egyenlő a mozgással szembeni ellenállás erejével.
A csillár a mennyezeten támaszkodik, mivel a gravitációs erőt a rögzítőelemek feszültsége kompenzálja.
Csak azok az erők kompenzálhatók, amelyek egy testre hatnak.
Newton második törvénye
Lépjünk tovább. A testek sebességének változását okozó okokat Newton második törvénye veszi figyelembe. Miről beszél?
A testre ható erők eredője a test tömegének és az erők hatására elért gyorsulásnak a szorzata.
2 A Newton-törvény (képlet: F=ma) sajnos nem állapít meg ok-okozati összefüggéseket a kinematika és a dinamika alapfogalmai között. Nem tudja pontosan meghatározni, hogy mi okozza a testek felgyorsulását.
Fogalmazzuk meg másképp: a test által kapott gyorsulás egyenesen arányos az eredő erőkkel és fordítottan arányos a test tömegével.
Így megállapítható, hogy a sebességváltozás csak a rá kifejtett erőtől és a test tömegétől függően következik be.
2 Newton törvénye, amelynek képlete a következő lehet: a=F/m, vektor formában alapvetőnek tekinthető, mivel lehetővé teszikapcsolatokat építeni a fizika ágai között. Itt a a test gyorsulási vektora, F az erők eredője, m a test tömege.
Az autó gyorsított mozgása akkor lehetséges, ha a motorok vonóereje meghaladja a mozgással szembeni ellenállás erejét. Ahogy nő a tolóerő, úgy nő a gyorsulás is. A teherautók nagy teljesítményű motorokkal vannak felszerelve, mert tömegük sokkal nagyobb, mint egy személygépkocsié.
A nagy sebességű versenyzésre tervezett tűzgolyókat úgy világítják meg, hogy a minimálisan szükséges alkatrészek rögzítve legyenek, és a motorteljesítmény a lehető legnagyobb mértékben megnőjön. A sportautók egyik legfontosabb jellemzője a 100 km/órás gyorsulási idő. Minél rövidebb ez az időintervallum, annál jobbak az autó sebességi tulajdonságai.
A kölcsönhatás törvénye
Newton törvényei, amelyek a természeti erőkön alapulnak, kimondják, hogy minden kölcsönhatás egy erőpár megjelenésével jár együtt. Ha a labda egy szálon lóg, akkor megtapasztalja a cselekvését. Ebben az esetben a fonal a labda hatására is megfeszül.
A harmadik szabályszerűség megfogalmazása kiegészíti Newton törvényeit. Röviden így hangzik: a cselekvés egyenlő a reakcióval. Mit jelent ez?
Azok az erők, amelyekkel a testek egymásra hatnak, egyenlő nagyságúak, ellentétes irányúak és a testek középpontjait összekötő egyenes mentén irányulnak. Érdekes módon nem nevezhetők kompenzáltnak, mert különböző testekre hatnak.
A törvények betartatása
A híres „Ló és szekér” probléma zavaró lehet. Az említett kocsihoz felerősített ló mozgatjahelyről. Newton harmadik törvényének megfelelően ez a két tárgy egyenlő erővel hat egymásra, de a gyakorlatban a ló képes mozgatni egy szekeret, ami nem fér bele a minta alapjaiba.
A megoldást akkor találjuk meg, ha figyelembe vesszük, hogy ez a testrendszer nem zárt. Az út mindkét testre hatással van. A ló patáira ható statikus súrlódási erő meghaladja a szekérkerekek gördülési súrlódási erejét. Hiszen a mozgás pillanata a kocsi mozgatásának kísérletével kezdődik. Ha a helyzet megváltozik, akkor a ló semmilyen körülmények között nem mozdítja el a helyéről. A patái megcsúsznak az úton, és nem lesz mozgás.
Gyermekkorában, egymást szánkózva mindenki találkozhatott ilyen példával. Ha két vagy három gyerek ül a szánon, akkor egy gyermek erőfeszítése nyilvánvalóan nem elegendő a mozgatásához.
Az Arisztotelész által kifejtett testek földfelszínre esése ("Minden test tudja a helyét") a fentiek alapján cáfolható. Egy tárgy ugyanazon erő hatására mozog a Föld felé, mint ahogy a Föld feléje. Paramétereiket (a Föld tömege sokkal nagyobb, mint a test tömege) összehasonlítva Newton második törvényének megfelelően azt állítjuk, hogy egy objektum gyorsulása annyiszor nagyobb, mint a Föld gyorsulása. A test sebességének változását figyeljük meg, a Föld nem mozdul el a pályájáról.
Alkalmazhatósági korlátok
A modern fizika nem tagadja Newton törvényeit, csak az alkalmazhatóság határait szabja meg. A 20. század elejéig a fizikusoknak nem volt kétsége afelől, hogy ezek a törvények minden természeti jelenséget megmagyaráznak.
1, 2, 3 törvényNewton teljes mértékben feltárja a makroszkopikus testek viselkedésének okait. Az elhanyagolható sebességű tárgyak mozgását teljes mértékben leírják ezek a posztulátumok.
Ha ezek alapján próbálják megmagyarázni a fénysebességhez közeli sebességű testek mozgását, az kudarcra van ítélve. A tér és idő tulajdonságainak teljes megváltozása ilyen sebességeknél nem teszi lehetővé a newtoni dinamika alkalmazását. Ezenkívül a törvények megváltoztatják formájukat a nem inerciális FR-ekben. Alkalmazásukhoz bevezetjük a tehetetlenségi erő fogalmát.
Newton törvényei megmagyarázhatják a csillagászati testek mozgását, elhelyezkedésük és kölcsönhatásuk szabályait. Ebből a célból bevezetik az egyetemes gravitáció törvényét. A kis testek vonzásának nem lehet látni az eredményt, mert az erő csekély.
Kölcsönös vonzalom
Van egy legenda, amely szerint Mr. Newtonnak, aki a kertben ült és nézte az almák hullását, zseniális ötlete támadt: megmagyarázni a tárgyak mozgását a Föld felszíne közelében és a tértestek kölcsönös vonzás alapján. Nincs is olyan messze az igazságtól. A megfigyelések és a pontos számítások nemcsak az alma esésére vonatkoztak, hanem a hold mozgására is. Ennek a mozgásnak a törvényei arra a következtetésre vezetnek, hogy a vonzás ereje növekszik a kölcsönhatásban lévő testek tömegének növekedésével, és csökken a köztük lévő távolság növekedésével.
Newton második és harmadik törvénye alapján az univerzális gravitáció törvénye a következőképpen fogalmazódik meg: az univerzum minden teste a testek középpontját összekötő egyenes mentén ható erővel vonzza egymást, arányos a testek tömegei ésfordítottan arányos a testek középpontjai közötti távolság négyzetével.
Matematikai jelölés: F=GMm/r2, ahol F a vonzási erő, M, m a kölcsönhatásban lévő testek tömege, r a köztük lévő távolság. Az arányossági együtthatót (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) az ún. gravitációs állandó.
Fizikai jelentés: ez az állandó egyenlő két 1 kg tömegű test között 1 m távolságra lévő vonzási erővel. Nyilvánvaló, hogy kis tömegű testeknél az erő annyira jelentéktelen, hogy az elhanyagolt. A bolygók, csillagok, galaxisok vonzási ereje olyan hatalmas, hogy teljesen meghatározza mozgásukat.
Newton gravitációs törvénye kimondja, hogy a rakéták kilövéséhez olyan üzemanyagra van szükség, amely képes olyan tolóerőt létrehozni, hogy legyőzze a Föld befolyását. Az ehhez szükséges sebesség az első menekülési sebesség, ami 8 km/s.
A modern rakétatechnológia lehetővé teszi, hogy pilóta nélküli állomásokat indítsanak a Nap mesterséges műholdjaként más bolygókra, hogy felfedezzék őket. Az ilyen eszköz által kifejlesztett sebesség a második térsebesség, ami 11 km/s.
Algoritmus a törvények alkalmazásához
A dinamikai problémák megoldása egy bizonyos műveletsor függvénye:
- Elemezze a feladatot, azonosítsa az adatokat, a mozgás típusát.
- Rajzoljon egy rajzot, amelyen a testre ható összes erőt és a gyorsulás irányát (ha van ilyen) feltüntetve. Válasszon koordinátarendszert.
- Írja meg az első vagy a második törvényt, az elérhetőségtől függőentestgyorsulás, vektoros formában. Vegyél figyelembe minden erőt (eredő erő, Newton törvényei: az első, ha a test sebessége nem változik, a második, ha van gyorsulás).
- Írja át az egyenletet vetületekben a kiválasztott koordinátatengelyekre.
- Ha a kapott egyenletrendszer nem elég, akkor írjon fel másokat is: erődefiníciókat, kinematikai egyenleteket stb.
- Foldja meg az egyenletrendszert a kívánt értékhez.
- Végezzen méretellenőrzést annak megállapítására, hogy az eredményül kapott képlet helyes-e.
- Számítás.
Általában ezek a lépések elegendőek bármely szabványos feladathoz.
