Η μελέτη των φυσικών φαινομένων με βάση ένα πείραμα είναι δυνατή μόνο εάν παρατηρηθούν όλα τα στάδια: παρατήρηση, υπόθεση, πείραμα, θεωρία. Η παρατήρηση θα αποκαλύψει και θα συγκρίνει τα γεγονότα, η υπόθεση καθιστά δυνατή την παροχή μιας λεπτομερούς επιστημονικής εξήγησης που απαιτεί πειραματική επιβεβαίωση. Η παρατήρηση της κίνησης των σωμάτων οδήγησε σε ένα ενδιαφέρον συμπέρασμα: μια αλλαγή στην ταχύτητα ενός σώματος είναι δυνατή μόνο υπό την επίδραση ενός άλλου σώματος.
Για παράδειγμα, αν ανεβείτε γρήγορα τις σκάλες, τότε στη στροφή πρέπει απλώς να πιάσετε το κιγκλίδωμα (αλλάζοντας την κατεύθυνση κίνησης) ή να σταματήσετε (αλλάζοντας την τιμή της ταχύτητας) για να μην συγκρουσθείτε με το απέναντι τοίχο.
Παρατηρήσεις παρόμοιων φαινομένων οδήγησαν στη δημιουργία ενός κλάδου της φυσικής που μελετά τα αίτια των αλλαγών στην ταχύτητα των σωμάτων ή την παραμόρφωσή τους.
Dynamics Basics
Η δυναμική καλείται να απαντήσει στο μυστηριακό ερώτημα γιατί το φυσικό σώμα κινείται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο ή είναι σε ηρεμία.
Σκεφτείτε την κατάσταση ανάπαυσης. Με βάση την έννοια της σχετικότητας της κίνησης, μπορούμε να συμπεράνουμε: δεν υπάρχουν και δεν μπορούν να υπάρχουν απολύτως ακίνητα σώματα. Οποιοςένα αντικείμενο, όντας ακίνητο σε σχέση με ένα σώμα αναφοράς, κινείται σε σχέση με ένα άλλο. Για παράδειγμα, ένα βιβλίο που βρίσκεται σε ένα τραπέζι είναι ακίνητο σε σχέση με το τραπέζι, αλλά αν λάβουμε υπόψη τη θέση του σε σχέση με έναν περαστικό, βγάζουμε ένα φυσικό συμπέρασμα: το βιβλίο κινείται.
Επομένως, οι νόμοι της κίνησης των σωμάτων εξετάζονται σε αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Τι είναι;
Ονομάζεται αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς, στο οποίο το σώμα βρίσκεται σε ηρεμία ή εκτελεί ομοιόμορφη και ευθύγραμμη κίνηση, με την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει επίδραση άλλων αντικειμένων ή αντικειμένων σε αυτό.
Στο παραπάνω παράδειγμα, το πλαίσιο αναφοράς που σχετίζεται με τον πίνακα μπορεί να ονομαστεί αδρανειακό. Ένα άτομο που κινείται ομοιόμορφα και σε ευθεία γραμμή μπορεί να χρησιμεύσει ως πλαίσιο αναφοράς για το ISO. Εάν η κίνησή του επιταχυνθεί, τότε είναι αδύνατο να συσχετιστεί ένα αδρανειακό CO με αυτό.
Στην πραγματικότητα, ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να συσχετιστεί με σώματα στερεωμένα άκαμπτα στην επιφάνεια της Γης. Ωστόσο, ο ίδιος ο πλανήτης δεν μπορεί να χρησιμεύσει ως σώμα αναφοράς για το IFR, καθώς περιστρέφεται ομοιόμορφα γύρω από τον άξονά του. Τα σώματα στην επιφάνεια έχουν κεντρομόλο επιτάχυνση.
Τι είναι η ορμή;
Το φαινόμενο της αδράνειας σχετίζεται άμεσα με το ISO. Θυμάστε τι συμβαίνει αν ένα κινούμενο αυτοκίνητο σταματήσει απότομα; Οι επιβάτες κινδυνεύουν καθώς συνεχίζουν το ταξίδι τους. Μπορεί να σταματήσει από ένα κάθισμα μπροστά ή τις ζώνες ασφαλείας. Αυτή η διαδικασία εξηγείται από την αδράνεια του επιβάτη. Είναι έτσι;
Η αδράνεια είναι ένα φαινόμενο που προϋποθέτει τη διατήρησησταθερή ταχύτητα του σώματος απουσία επιρροής άλλων σωμάτων σε αυτό. Ο επιβάτης βρίσκεται υπό την επήρεια ζωνών ή καθισμάτων. Το φαινόμενο της αδράνειας δεν παρατηρείται εδώ.
Η εξήγηση βρίσκεται στην ιδιότητα του σώματος και, σύμφωνα με αυτήν, είναι αδύνατο να αλλάξει αμέσως η ταχύτητα ενός αντικειμένου. Αυτό είναι αδράνεια. Για παράδειγμα, η αδράνεια του υδραργύρου σε ένα θερμόμετρο καθιστά δυνατό να χαμηλώσουμε τη μπάρα αν κουνήσουμε το θερμόμετρο.
Μέτρο αδράνειας ονομάζεται μάζα του σώματος. Κατά την αλληλεπίδραση, η ταχύτητα αλλάζει πιο γρήγορα για σώματα με μικρότερη μάζα. Σχεδόν χωρίς ίχνος προχωρά η σύγκρουση αυτοκινήτου με τσιμεντένιο τοίχο για τον τελευταίο. Το αυτοκίνητο υφίσταται τις περισσότερες φορές μη αναστρέψιμες αλλαγές: αλλαγές ταχύτητας, σημαντική παραμόρφωση. Αποδεικνύεται ότι η αδράνεια ενός τοίχου από σκυρόδεμα υπερβαίνει σημαντικά την αδράνεια ενός αυτοκινήτου.
Είναι δυνατόν να συναντήσουμε το φαινόμενο της αδράνειας στη φύση; Η κατάσταση υπό την οποία το σώμα είναι χωρίς διασύνδεση με άλλα σώματα είναι το βαθύ διάστημα, στο οποίο το διαστημόπλοιο κινείται με σβηστούς κινητήρες. Αλλά ακόμα και σε αυτήν την περίπτωση, η βαρυτική στιγμή είναι παρούσα.
Βασικές ποσότητες
Η μελέτη της δυναμικής σε πειραματικό επίπεδο περιλαμβάνει πειραματισμό με μετρήσεις φυσικών μεγεθών. Το πιο ενδιαφέρον:
- επιτάχυνση ως μέτρο της ταχύτητας μεταβολής της ταχύτητας των σωμάτων. προσδιορίστε το με το γράμμα a, μετρήστε σε m/s2;
- μάζα ως μέτρο αδράνειας. σημειώνεται με το γράμμα m, μετρημένο σε kg;
- δύναμη ως μέτρο της αμοιβαίας δράσης των σωμάτων. πιο συχνά συμβολίζεται με το γράμμα F, μετρημένο σε N (νεύτονα).
Η σχέση μεταξύ αυτών των ποσοτήτωνεκτίθενται σε τρία μοτίβα, που προέρχονται από τον μεγαλύτερο Άγγλο φυσικό. Οι νόμοι του Νεύτωνα έχουν σχεδιαστεί για να εξηγούν την πολυπλοκότητα της αλληλεπίδρασης διαφόρων σωμάτων. Καθώς και οι διαδικασίες που τα διαχειρίζονται. Είναι οι έννοιες «επιτάχυνση», «δύναμη», «μάζα» που οι νόμοι του Νεύτωνα συνδέουν με τις μαθηματικές σχέσεις. Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι σημαίνει.
Η δράση μιας μόνο δύναμης είναι εξαιρετικό φαινόμενο. Για παράδειγμα, ένας τεχνητός δορυφόρος που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη επηρεάζεται μόνο από τη βαρύτητα.
Αποτέλεσμα
Η δράση πολλών δυνάμεων μπορεί να αντικατασταθεί από μία δύναμη.
Το γεωμετρικό άθροισμα των δυνάμεων που δρουν σε ένα σώμα ονομάζεται αποτέλεσμα.
Μιλάμε για ένα γεωμετρικό άθροισμα, αφού η δύναμη είναι ένα διανυσματικό μέγεθος, το οποίο εξαρτάται όχι μόνο από το σημείο εφαρμογής, αλλά και από την κατεύθυνση της δράσης.
Για παράδειγμα, εάν θέλετε να μετακινήσετε μια αρκετά μεγάλη γκαρνταρόμπα, μπορείτε να προσκαλέσετε φίλους. Μαζί πετυχαίνουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Αλλά μπορείτε να προσκαλέσετε μόνο ένα πολύ δυνατό άτομο. Η προσπάθειά του ισούται με τη δράση όλων των φίλων. Η δύναμη που εφαρμόζει ο ήρωας μπορεί να ονομαστεί προκύπτουσα.
Οι νόμοι της κίνησης του Νεύτωνα διατυπώνονται με βάση την έννοια του "προκύπτοντος".
Νόμος της αδράνειας
Ξεκινήστε να μελετάτε τους νόμους του Νεύτωνα με το πιο κοινό φαινόμενο. Ο πρώτος νόμος συνήθως ονομάζεται νόμος της αδράνειας, καθώς καθορίζει τα αίτια της ομοιόμορφης ευθύγραμμης κίνησης ή την κατάσταση της ηρεμίας των σωμάτων.
Το σώμα κινείται ομοιόμορφα και ευθύγραμμα ήηρεμεί εάν δεν ασκηθεί δύναμη πάνω του ή αυτή η ενέργεια αντισταθμιστεί.
Μπορεί να υποστηριχθεί ότι το αποτέλεσμα σε αυτή την περίπτωση είναι ίσο με μηδέν. Σε αυτή την κατάσταση βρίσκεται, για παράδειγμα, ένα αυτοκίνητο που κινείται με σταθερή ταχύτητα σε ένα ευθύ τμήμα του δρόμου. Η δράση της δύναμης έλξης αντισταθμίζεται από τη δύναμη αντίδρασης του στηρίγματος και η δύναμη ώθησης του κινητήρα είναι ίση σε απόλυτη τιμή με τη δύναμη αντίστασης στην κίνηση.
Ο πολυέλαιος στηρίζεται στην οροφή, καθώς η δύναμη της βαρύτητας αντισταθμίζεται από την τάση των εξαρτημάτων του.
Μόνο εκείνες οι δυνάμεις που ασκούνται σε ένα σώμα μπορούν να αντισταθμιστούν.
δεύτερος νόμος του Νεύτωνα
Ας προχωρήσουμε. Οι λόγοι που προκαλούν αλλαγή στην ταχύτητα των σωμάτων εξετάζονται από τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα. Για τι μιλάει;
Το αποτέλεσμα των δυνάμεων που ασκούνται σε ένα σώμα ορίζεται ως το γινόμενο της μάζας του σώματος και της επιτάχυνσης που αποκτάται υπό τη δράση των δυνάμεων.
2 Ο νόμος του Νεύτωνα (τύπος: F=ma), δυστυχώς, δεν καθιερώνει αιτιώδεις σχέσεις μεταξύ των βασικών εννοιών της κινηματικής και της δυναμικής. Δεν μπορεί να εντοπίσει ακριβώς τι προκαλεί την επιτάχυνση των σωμάτων.
Ας το διατυπώσουμε διαφορετικά: η επιτάχυνση που δέχεται το σώμα είναι ευθέως ανάλογη με τις δυνάμεις που προκύπτουν και αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα του σώματος.
Έτσι, μπορεί να διαπιστωθεί ότι η αλλαγή στην ταχύτητα συμβαίνει μόνο ανάλογα με τη δύναμη που εφαρμόζεται σε αυτήν και τη μάζα του σώματος.
2 Ο νόμος του Νεύτωνα, ο τύπος του οποίου μπορεί να είναι ο ακόλουθος: a=F/m, θεωρείται θεμελιώδης σε διανυσματική μορφή, καθώς το καθιστά δυνατόνα δημιουργήσει συνδέσεις μεταξύ των κλάδων της φυσικής. Εδώ, a είναι το διάνυσμα επιτάχυνσης του σώματος, F είναι το αποτέλεσμα των δυνάμεων, m είναι η μάζα του σώματος.
Η επιταχυνόμενη κίνηση του αυτοκινήτου είναι δυνατή εάν η ελκτική δύναμη των κινητήρων υπερβαίνει τη δύναμη αντίστασης στην κίνηση. Όσο αυξάνεται η ώθηση, αυξάνεται και η επιτάχυνση. Τα φορτηγά είναι εξοπλισμένα με κινητήρες υψηλής ισχύος, επειδή η μάζα τους είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μάζα ενός επιβατικού αυτοκινήτου.
Οι βολίδες που έχουν σχεδιαστεί για αγώνες υψηλής ταχύτητας φωτίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να προσαρμόζονται τα ελάχιστα απαραίτητα εξαρτήματα και η ισχύς του κινητήρα αυξάνεται στα δυνατά όρια. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των σπορ αυτοκινήτων είναι ο χρόνος επιτάχυνσης στα 100 km/h. Όσο μικρότερο είναι αυτό το χρονικό διάστημα, τόσο καλύτερες είναι οι ιδιότητες ταχύτητας του αυτοκινήτου.
Ο νόμος της αλληλεπίδρασης
Οι νόμοι του Νεύτωνα, βασισμένοι στις δυνάμεις της φύσης, αναφέρουν ότι οποιαδήποτε αλληλεπίδραση συνοδεύεται από την εμφάνιση ενός ζεύγους δυνάμεων. Αν η μπάλα κρέμεται σε μια κλωστή, τότε βιώνει τη δράση της. Σε αυτή την περίπτωση, το νήμα τεντώνεται επίσης κάτω από τη δράση της μπάλας.
Η διατύπωση της τρίτης κανονικότητας συμπληρώνει τους νόμους του Νεύτωνα. Εν ολίγοις, ακούγεται κάπως έτσι: δράση ίσον αντίδραση. Τι σημαίνει αυτό;
Οι δυνάμεις με τις οποίες δρουν τα σώματα μεταξύ τους είναι ίσες σε μέγεθος, αντίθετες στην κατεύθυνση και κατευθύνονται κατά μήκος της γραμμής που συνδέει τα κέντρα των σωμάτων. Είναι ενδιαφέρον ότι δεν μπορούν να ονομαστούν αποζημιωμένοι, επειδή δρουν σε διαφορετικά σώματα.
Εφαρμογή νόμων
Το περίφημο πρόβλημα "άλογο και κάρο" μπορεί να προκαλέσει σύγχυση. Το άλογο που είναι αρματωμένο στο εν λόγω βαγόνι το μετακινείαπό τόπο. Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, αυτά τα δύο αντικείμενα δρουν μεταξύ τους με ίσες δυνάμεις, αλλά στην πράξη ένα άλογο μπορεί να κινήσει ένα κάρο, το οποίο δεν χωράει στα θεμέλια του σχεδίου.
Η λύση βρίσκεται αν λάβουμε υπόψη ότι αυτό το σύστημα σωμάτων δεν είναι κλειστό. Ο δρόμος έχει την επίδρασή του και στα δύο σώματα. Η στατική δύναμη τριβής που ασκείται στις οπλές του αλόγου υπερβαίνει τη δύναμη τριβής κύλισης των τροχών του καροτσιού. Άλλωστε, η στιγμή της κίνησης ξεκινά με μια προσπάθεια μετακίνησης του βαγονιού. Εάν αλλάξει η θέση, τότε το άλογο σε καμία περίπτωση δεν θα το μετακινήσει από τη θέση του. Οι οπλές του θα γλιστρήσουν στο δρόμο και δεν θα υπάρχει κίνηση.
Στην παιδική ηλικία, κάνοντας έλκηθρο ο ένας τον άλλον, όλοι θα μπορούσαν να συναντήσουν ένα τέτοιο παράδειγμα. Εάν δύο ή τρία παιδιά κάθονται στο έλκηθρο, τότε οι προσπάθειες ενός παιδιού δεν αρκούν σαφώς για να τα μετακινήσει.
Η πτώση των σωμάτων στην επιφάνεια της γης, που εξηγεί ο Αριστοτέλης («Κάθε σώμα γνωρίζει τη θέση του») μπορεί να διαψευσθεί με βάση τα παραπάνω. Ένα αντικείμενο κινείται προς τη γη υπό την επίδραση της ίδιας δύναμης που κινείται η Γη προς αυτήν. Συγκρίνοντας τις παραμέτρους τους (η μάζα της Γης είναι πολύ μεγαλύτερη από τη μάζα του σώματος), σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, υποστηρίζουμε ότι η επιτάχυνση ενός αντικειμένου είναι τόσες φορές μεγαλύτερη από την επιτάχυνση της Γης. Παρατηρούμε μια αλλαγή στην ταχύτητα του σώματος, η Γη δεν μετακινείται από την τροχιά της.
Όρια εφαρμογής
Η σύγχρονη φυσική δεν αρνείται τους νόμους του Νεύτωνα, αλλά καθορίζει μόνο τα όρια της εφαρμογής τους. Μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα, οι φυσικοί δεν είχαν καμία αμφιβολία ότι αυτοί οι νόμοι εξηγούσαν όλα τα φυσικά φαινόμενα.
Νόμος 1, 2, 3Ο Νεύτωνας αποκαλύπτει πλήρως τα αίτια της συμπεριφοράς των μακροσκοπικών σωμάτων. Η κίνηση των αντικειμένων με αμελητέες ταχύτητες περιγράφεται πλήρως από αυτά τα αξιώματα.
Η προσπάθεια να εξηγηθεί στη βάση τους η κίνηση των σωμάτων με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός είναι καταδικασμένη σε αποτυχία. Μια πλήρης αλλαγή στις ιδιότητες του χώρου και του χρόνου σε αυτές τις ταχύτητες δεν επιτρέπει τη χρήση της Νευτώνειας δυναμικής. Επιπλέον, οι νόμοι αλλάζουν τη μορφή τους σε μη αδρανειακά FR. Για την εφαρμογή τους εισάγεται η έννοια της αδρανειακής δύναμης.
Οι νόμοι του Νεύτωνα μπορούν να εξηγήσουν την κίνηση των αστρονομικών σωμάτων, τους κανόνες για τη θέση και την αλληλεπίδρασή τους. Για το σκοπό αυτό εισάγεται ο νόμος της παγκόσμιας έλξης. Είναι αδύνατο να δούμε το αποτέλεσμα της έλξης μικρών σωμάτων, γιατί η δύναμη είναι ελάχιστη.
Αμοιβαία έλξη
Υπάρχει ένας θρύλος σύμφωνα με τον οποίο ο κύριος Newton, ο οποίος καθόταν στον κήπο και παρακολουθούσε την πτώση των μήλων, είχε μια εξαιρετική ιδέα: να εξηγήσει την κίνηση των αντικειμένων κοντά στην επιφάνεια της Γης και την κίνηση της διαστημικά σώματα στη βάση της αμοιβαίας έλξης. Δεν απέχει και τόσο από την αλήθεια. Οι παρατηρήσεις και οι ακριβείς υπολογισμοί αφορούσαν όχι μόνο την πτώση των μήλων, αλλά και την κίνηση του φεγγαριού. Οι νόμοι αυτής της κίνησης οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η δύναμη έλξης αυξάνεται με την αύξηση της μάζας των σωμάτων που αλληλεπιδρούν και μειώνεται με την αύξηση της απόστασης μεταξύ τους.
Βάσει του δεύτερου και τρίτου νόμου του Νεύτωνα, ο νόμος της παγκόσμιας έλξης διατυπώνεται ως εξής: όλα τα σώματα στο σύμπαν έλκονται μεταξύ τους με μια δύναμη που κατευθύνεται κατά μήκος της γραμμής που συνδέει τα κέντρα των σωμάτων, ανάλογη με την μάζες των σωμάτων καιαντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ των κέντρων των σωμάτων.
Μαθηματική σημειογραφία: F=GMm/r2, όπου F είναι η δύναμη έλξης, M, m είναι οι μάζες των σωμάτων που αλληλεπιδρούν, r είναι η απόσταση μεταξύ τους. Ο συντελεστής αναλογικότητας (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) ονομάζεται σταθερά βαρύτητας.
Φυσική έννοια: αυτή η σταθερά είναι ίση με τη δύναμη έλξης μεταξύ δύο σωμάτων μάζας 1 kg σε απόσταση 1 m. Είναι σαφές ότι για σώματα μικρής μάζας η δύναμη είναι τόσο ασήμαντη που μπορεί να είναι αφρόντιστος. Για πλανήτες, αστέρια, γαλαξίες, η δύναμη έλξης είναι τόσο τεράστια που καθορίζει πλήρως την κίνησή τους.
Είναι ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα που δηλώνει ότι για να εκτοξεύσεις πυραύλους, χρειάζεσαι καύσιμο που μπορεί να δημιουργήσει τέτοια ώθηση αεριωθουμένων για να ξεπεράσεις την επιρροή της Γης. Η ταχύτητα που απαιτείται για αυτό είναι η πρώτη ταχύτητα διαφυγής, η οποία είναι 8 km/s.
Η σύγχρονη τεχνολογία πυραύλων καθιστά δυνατή την εκτόξευση μη επανδρωμένων σταθμών ως τεχνητών δορυφόρων του Ήλιου σε άλλους πλανήτες για εξερεύνηση. Η ταχύτητα που αναπτύσσεται από μια τέτοια συσκευή είναι η δεύτερη διαστημική ταχύτητα, ίση με 11 km / s.
Αλγόριθμος για την εφαρμογή νόμων
Η επίλυση προβλημάτων δυναμικής υπόκειται σε μια συγκεκριμένη σειρά ενεργειών:
- Ανάλυση της εργασίας, προσδιορισμός δεδομένων, τύπος κίνησης.
- Σχεδιάστε ένα σχέδιο που να δείχνει όλες τις δυνάμεις που ασκούνται στο σώμα και την κατεύθυνση της επιτάχυνσης (εάν υπάρχει). Επιλέξτε σύστημα συντεταγμένων.
- Γράψτε πρώτους ή δεύτερους νόμους, ανάλογα με τη διαθεσιμότηταεπιτάχυνση σώματος, σε διανυσματική μορφή. Λάβετε υπόψη όλες τις δυνάμεις (προκύπτουσα δύναμη, νόμοι του Νεύτωνα: η πρώτη, εάν η ταχύτητα του σώματος δεν αλλάζει, η δεύτερη, εάν υπάρχει επιτάχυνση).
- Γράψτε ξανά την εξίσωση σε προβολές στους επιλεγμένους άξονες συντεταγμένων.
- Αν το προκύπτον σύστημα εξισώσεων δεν είναι αρκετό, τότε γράψτε άλλα: ορισμούς δυνάμεων, εξισώσεις κινηματικής κ.λπ.
- Λύστε το σύστημα εξισώσεων για την επιθυμητή τιμή.
- Εκτελέστε έναν έλεγχο διαστάσεων για να προσδιορίσετε εάν ο τύπος που προκύπτει είναι σωστός.
- Υπολογισμός.
Συνήθως αυτά τα βήματα είναι επαρκή για οποιαδήποτε τυπική εργασία.
