A különböző testek térbeli mozgását a fizikában egy speciális rész – a mechanika – tanulmányozza. Ez utóbbi viszont kinematikára és dinamikára oszlik. Ebben a cikkben megvizsgáljuk a fizika mechanikai törvényeit, a testek transzlációs és forgó mozgásának dinamikájára összpontosítva.
Történelmi háttér
A testek mozgásának módja és miértje ősidők óta foglalkoztatja a filozófusokat és a tudósokat. Arisztotelész tehát úgy gondolta, hogy a tárgyak csak azért mozognak a térben, mert valamilyen külső hatás éri őket. Ha ez a hatás megszűnik, a test azonnal leáll. Sok ókori görög filozófus úgy gondolta, hogy minden test természetes állapota a pihenés.
A New Age eljövetelével sok tudós elkezdte tanulmányozni a mozgás törvényeit a mechanikában. Meg kell jegyezni az olyan neveket, mint Huygens, Hooke és Galileo. Utóbbi kidolgozta a természeti jelenségek tanulmányozásának tudományos megközelítését, és valójában felfedezte a mechanika első törvényét, amely azonban nem az ő vezetéknevét viseli.
1687-ben tudományos publikáció jelent meg, szerzőjeaz angol Isaac Newton. Tudományos munkájában világosan megfogalmazta a testek térbeli mozgásának alaptörvényeit, amelyek az egyetemes gravitáció törvényével együtt nemcsak a mechanika, hanem az egész modern klasszikus fizika alapját képezték.
Newton törvényeiről
Ezeket a klasszikus mechanika törvényeinek is nevezik, ellentétben a relativistával, amelynek posztulátumait Albert Einstein fogalmazta meg a 20. század elején. Az elsőben csak három fő törvény van, amelyeken a fizika egész ága alapul. Így hívják őket:
- Tehetetlenségi törvény.
- Az erő és a gyorsulás kapcsolatának törvénye.
- A cselekvés és a reakció törvénye.
Miért ez a három törvény a legfontosabb? Egyszerű, bármilyen mechanikai képlet levezethető belőlük, azonban egyetlen elméleti elv sem vezet ezekhez. Ezek a törvények kizárólag számos megfigyelésből és kísérletből következnek. Érvényességüket igazolja a segítségükkel kapott előrejelzések megbízhatósága különböző problémák gyakorlati megoldásában.
Tehetetlenségi törvény
Newton első törvénye a mechanikában azt mondja, hogy bármely test, ha nincs rá külső hatás, nyugalmi állapotot vagy egyenes vonalú mozgást tart fenn bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben.
E törvény megértéséhez meg kell érteni a jelentési rendszert. Inerciálisnak csak akkor nevezzük, ha teljesíti a kimondott törvényt. Más szóval, az inerciarendszerben nincsvannak fiktív erők, amelyeket a megfigyelők éreznének. Például egy egyenletesen és egyenes vonalban mozgó rendszer tehetetlenséginek tekinthető. Másrészt egy tengely körül egyenletesen forgó rendszer nem tehetetlen, mivel fiktív centrifugális erő van benne.
A tehetetlenség törvénye megállapítja, hogy miért változik a mozgás természete. Ennek oka egy külső erő jelenléte. Vegye figyelembe, hogy a testre többféle erő hathat. Ebben az esetben a vektorok szabálya szerint össze kell adni őket, ha a kapott erő nullával egyenlő, akkor a test egyenletes mozgást folytat. Azt is fontos megérteni, hogy a klasszikus mechanikában nincs különbség a test egyenletes mozgása és nyugalmi állapota között.
Newton második törvénye
Azt mondja, hogy a test térbeli mozgása természetének megváltoztatásának oka a rá ható külső, nullától eltérő erő jelenléte. Valójában ez a törvény az előző folytatása. A matematikai jelölése a következő:
F¯=ma¯.
Itt az a¯ mennyiség a sebességvektor változási sebességét leíró gyorsulás, m pedig a test tehetetlenségi tömege. Mivel m mindig nagyobb nullánál, az erő- és a gyorsulásvektorok ugyanabba az irányba mutatnak.
A figyelembe vett törvény a mechanikában nagyon sok jelenségre alkalmazható, például a szabadesés folyamatának leírására, az autó gyorsulásával történő mozgásra, egy rúd ferde sík mentén történő elcsúszására, rezgésre egy ingáról,a rugós mérlegek feszültsége és így tovább. Nyugodtan kijelenthetjük, hogy ez a dinamika fő törvénye.
Lendület és lendület
Ha közvetlenül Newton tudományos munkásságához fordul, láthatja, hogy maga a tudós is kissé másképp fogalmazta meg a mechanika második törvényét:
Fdt=dp, ahol p=mv.
A p értéket lendületnek nevezzük. Sokan tévesen a test impulzusának nevezik. A mozgás mértéke a test tömegének és sebességének szorzatával egyenlő inercia-energia karakterisztikája.
Az impulzus valamilyen dp értékkel történő megváltoztatása csak a testre ható külső F erő hatására lehetséges a dt időintervallumban. Az erő és a hatás időtartamának szorzatát az erő impulzusának vagy egyszerűen impulzusnak nevezzük.
Két test ütközésekor ütközési erő hat közöttük, ami megváltoztatja az egyes testek lendületét, de mivel ez az erő két vizsgált test rendszeréhez képest belső, nem vezet változáshoz. a rendszer teljes lendületében. Ezt a tényt a lendület megmaradásának törvényének nevezik.
Pörgetés gyorsítással
Ha a Newton által megfogalmazott mechanika törvényét alkalmazzuk a forgási mozgásra, akkor a következő kifejezést kapjuk:
M=Iα.
Itt M - szögimpulzus - ez egy olyan érték, amely azt mutatja, hogy az erő képes-e fordulni a rendszerben. Az erőnyomatékot a vektorerő és a tengelytől a felé irányuló sugárvektor szorzataként számítjuk ki.alkalmazási pont. Az I mennyiség a tehetetlenségi nyomaték. Az erőnyomatékhoz hasonlóan ez is a forgó rendszer paramétereitől, különösen a testtömeg tengelyhez viszonyított geometriai eloszlásától függ. Végül az α érték a szöggyorsulás, amely lehetővé teszi annak meghatározását, hogy másodpercenként hány radiánnal változik a szögsebesség.
Ha figyelmesen megnézi az írott egyenletet, és analógiát von a második newtoni törvény értékei és mutatói között, akkor megkapjuk a teljes azonosságot.
A cselekvés és a reakció törvénye
Még a mechanika harmadik törvényét kell figyelembe vennünk. Ha az első kettőt így vagy úgy Newton elődei fogalmazták meg, és maga a tudós csak harmonikus matematikai formát adott nekik, akkor a harmadik törvény a nagy angol eredeti agyszüleménye. Tehát azt mondja: ha két test érintkezik egymással, akkor a közöttük ható erők egyenlő nagyságúak és ellentétes irányúak. Rövidebben azt mondhatjuk, hogy minden cselekvés reakciót vált ki.
F12¯=-F21¯.
Itt F12¯ és F21¯ - az 1. test oldaláról a 2. oldalra és a 2. oldalról hat az 1. erősségig.
Számos példa van, amely megerősíti ezt a törvényt. Például egy ugrás során egy embert taszítanak a föld felszínéről, ez utóbbi löki fel. Ugyanez vonatkozik a gyalogló sétálására és az úszómedence falának lökésére. Egy másik példa, ha megnyomja a kezét az asztalon, akkor az ellenkezője érződik.az asztal hatása a kézre, amit a támasz reakcióerejének nevezünk.
A Newton harmadik törvényének alkalmazásával kapcsolatos feladatok megoldása során nem szabad elfelejteni, hogy a cselekvési erő és a reakcióerő különböző testekre hat, ezért eltérő gyorsulást adnak nekik.
