Η κίνηση διαφορετικών σωμάτων στο χώρο στη φυσική μελετάται από ειδικό τμήμα - μηχανική. Το τελευταίο, με τη σειρά του, χωρίζεται σε κινηματική και δυναμική. Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τους νόμους της μηχανικής στη φυσική, εστιάζοντας στη δυναμική της μεταφορικής και περιστροφικής κίνησης των σωμάτων.
Ιστορικό υπόβαθρο
Το πώς και γιατί κινούνται τα σώματα ενδιαφέρει τους φιλοσόφους και τους επιστήμονες από την αρχαιότητα. Έτσι ο Αριστοτέλης πίστευε ότι τα αντικείμενα κινούνται στο χώρο μόνο επειδή υπάρχει κάποια εξωτερική επιρροή πάνω τους. Εάν σταματήσει αυτή η επίδραση, το σώμα θα σταματήσει αμέσως. Πολλοί αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι πίστευαν ότι η φυσική κατάσταση όλων των σωμάτων είναι η ηρεμία.
Με την έλευση της Νέας Εποχής, πολλοί επιστήμονες άρχισαν να μελετούν τους νόμους της κίνησης στη μηχανική. Θα πρέπει να σημειωθούν ονόματα όπως Huygens, Hooke και Galileo. Ο τελευταίος ανέπτυξε μια επιστημονική προσέγγιση στη μελέτη των φυσικών φαινομένων και, μάλιστα, ανακάλυψε τον πρώτο νόμο της μηχανικής, ο οποίος όμως δεν φέρει το επίθετό του.
Το 1687, δημοσιεύτηκε μια επιστημονική δημοσίευση, με συγγραφέαΆγγλος Ισαάκ Νεύτων. Στο επιστημονικό του έργο, διατύπωσε ξεκάθαρα τους βασικούς νόμους της κίνησης των σωμάτων στο διάστημα, οι οποίοι, μαζί με τον νόμο της παγκόσμιας έλξης, αποτέλεσαν τη βάση όχι μόνο της μηχανικής, αλλά και όλης της σύγχρονης κλασικής φυσικής.
Σχετικά με τους νόμους του Νεύτωνα
Ονομάζονται επίσης νόμοι της κλασικής μηχανικής, σε αντίθεση με τους σχετικιστικούς, τα αξιώματα της οποίας διατυπώθηκαν στις αρχές του 20ου αιώνα από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν. Στην πρώτη, υπάρχουν μόνο τρεις βασικοί νόμοι στη βάση των οποίων βασίζεται ολόκληρος ο κλάδος της φυσικής. Ονομάζονται ως εξής:
- Νόμος της αδράνειας.
- Ο νόμος της σχέσης μεταξύ δύναμης και επιτάχυνσης.
- Ο νόμος της δράσης και της αντίδρασης.
Γιατί αυτοί οι τρεις νόμοι είναι οι κύριοι; Είναι απλό, οποιοσδήποτε τύπος μηχανικής μπορεί να προκύψει από αυτά, ωστόσο, καμία θεωρητική αρχή δεν οδηγεί σε κανένα από αυτά. Αυτοί οι νόμοι προκύπτουν αποκλειστικά από πολυάριθμες παρατηρήσεις και πειράματα. Η εγκυρότητά τους επιβεβαιώνεται από την αξιοπιστία των προβλέψεων που λαμβάνονται με τη βοήθειά τους στην επίλυση διαφόρων προβλημάτων στην πράξη.
Νόμος αδράνειας
Ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα στη μηχανική λέει ότι οποιοδήποτε σώμα απουσία εξωτερικής επιρροής σε αυτό θα διατηρήσει μια κατάσταση ηρεμίας ή ευθύγραμμης κίνησης σε οποιοδήποτε αδρανειακό σύστημα αναφοράς.
Για να κατανοήσει κανείς αυτόν τον νόμο, πρέπει να κατανοήσει το σύστημα αναφοράς. Ονομάζεται αδρανειακό μόνο εάν ικανοποιεί τον αναφερόμενο νόμο. Με άλλα λόγια, στο αδρανειακό σύστημα δεν υπάρχειυπάρχουν πλασματικές δυνάμεις που θα γίνονταν αισθητές από τους παρατηρητές. Για παράδειγμα, ένα σύστημα που κινείται ομοιόμορφα και σε ευθεία γραμμή μπορεί να θεωρηθεί αδρανειακό. Από την άλλη πλευρά, ένα σύστημα που περιστρέφεται ομοιόμορφα γύρω από έναν άξονα είναι μη αδρανειακό λόγω της παρουσίας πλασματικής φυγόκεντρης δύναμης σε αυτό.
Ο νόμος της αδράνειας καθορίζει τον λόγο για τον οποίο αλλάζει η φύση της κίνησης. Αυτός ο λόγος είναι η παρουσία μιας εξωτερικής δύναμης. Σημειώστε ότι πολλές δυνάμεις μπορούν να δράσουν στο σώμα. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να προστεθούν σύμφωνα με τον κανόνα των διανυσμάτων, εάν η δύναμη που προκύπτει είναι ίση με μηδέν, τότε το σώμα θα συνεχίσει την ομοιόμορφη κίνησή του. Είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσουμε ότι στην κλασική μηχανική δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ της ομοιόμορφης κίνησης ενός σώματος και της κατάστασης ηρεμίας του.
Δεύτερος Νόμος του Νεύτωνα
Λέει ότι ο λόγος για την αλλαγή της φύσης της κίνησης του σώματος στο χώρο είναι η παρουσία μιας εξωτερικής μη μηδενικής δύναμης που εφαρμόζεται σε αυτό. Στην πραγματικότητα, ο νόμος αυτός αποτελεί συνέχεια του προηγούμενου. Η μαθηματική του σημειογραφία είναι η εξής:
F¯=ma¯.
Εδώ, η ποσότητα a¯ είναι η επιτάχυνση που περιγράφει τον ρυθμό μεταβολής του διανύσματος της ταχύτητας, m είναι η αδρανειακή μάζα του σώματος. Επειδή το m είναι πάντα μεγαλύτερο από το μηδέν, τα διανύσματα δύναμης και επιτάχυνσης δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση.
Ο εξεταζόμενος νόμος εφαρμόζεται σε έναν τεράστιο αριθμό φαινομένων στη μηχανική, για παράδειγμα, στην περιγραφή της διαδικασίας ελεύθερης πτώσης, κίνηση με την επιτάχυνση ενός αυτοκινήτου, ολίσθηση μιας ράβδου κατά μήκος ενός κεκλιμένου επιπέδου, ταλάντωση ενός εκκρεμούς,τάση των ζυγών ελατηρίου και ούτω καθεξής. Είναι ασφαλές να πούμε ότι είναι ο κύριος νόμος της δυναμικής.
Momentum and Momentum
Αν στραφείτε απευθείας στο επιστημονικό έργο του Νεύτωνα, μπορείτε να δείτε ότι ο ίδιος ο επιστήμονας διατύπωσε τον δεύτερο νόμο της μηχανικής κάπως διαφορετικά:
Fdt=dp, όπου p=mv.
Η τιμή p ονομάζεται ορμή. Πολλοί το αποκαλούν λανθασμένα ώθηση του σώματος. Το μέγεθος της κίνησης είναι ένα χαρακτηριστικό αδρανειακής ενέργειας ίσο με το γινόμενο της μάζας του σώματος και της ταχύτητάς του.
Η αλλαγή της ορμής κατά κάποια τιμή dp μπορεί να γίνει μόνο από μια εξωτερική δύναμη F που ασκεί στο σώμα κατά το χρονικό διάστημα dt. Το γινόμενο μιας δύναμης και η διάρκεια της δράσης της ονομάζεται ώθηση της δύναμης ή απλά ώθηση.
Όταν δύο σώματα συγκρούονται, ενεργεί μεταξύ τους μια δύναμη σύγκρουσης, η οποία αλλάζει την ορμή κάθε σώματος, ωστόσο, δεδομένου ότι αυτή η δύναμη είναι εσωτερική σε σχέση με το σύστημα δύο σωμάτων υπό μελέτη, δεν οδηγεί σε αλλαγή στη συνολική ορμή του συστήματος. Αυτό το γεγονός ονομάζεται νόμος διατήρησης της ορμής.
Περιστροφή με επιτάχυνση
Αν ο νόμος της μηχανικής που διατυπώθηκε από τον Νεύτωνα εφαρμοστεί στην κίνηση περιστροφής, τότε θα ληφθεί η ακόλουθη έκφραση:
M=Iα.
Εδώ M - γωνιακή ορμή - αυτή είναι μια τιμή που δείχνει την ικανότητα της δύναμης να κάνει μια στροφή στο σύστημα. Η ροπή δύναμης υπολογίζεται ως το γινόμενο της διανυσματικής δύναμης και του διανύσματος ακτίνας που κατευθύνεται από τον άξονα προςσημείο εφαρμογής. Η ποσότητα I είναι η ροπή αδράνειας. Όπως και η στιγμή της δύναμης, εξαρτάται από τις παραμέτρους του περιστρεφόμενου συστήματος, ιδίως από τη γεωμετρική κατανομή της μάζας του σώματος σε σχέση με τον άξονα. Τέλος, η τιμή α είναι η γωνιακή επιτάχυνση, η οποία σας επιτρέπει να προσδιορίσετε πόσα ακτίνια ανά δευτερόλεπτο αλλάζει η γωνιακή ταχύτητα.
Αν κοιτάξετε προσεκτικά τη γραπτή εξίσωση και σχεδιάσετε μια αναλογία μεταξύ των τιμών και των δεικτών της από τον δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, τότε θα λάβουμε την πλήρη ταυτότητά τους.
Ο νόμος της δράσης και της αντίδρασης
Απομένει να εξετάσουμε τον τρίτο νόμο της μηχανικής. Εάν τα δύο πρώτα, με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, διατυπώθηκαν από τους προκατόχους του Νεύτωνα και ο ίδιος ο επιστήμονας τους έδωσε μόνο μια αρμονική μαθηματική μορφή, τότε ο τρίτος νόμος είναι το αρχικό πνευματικό τέκνο του μεγάλου Άγγλου. Έτσι, λέει: εάν δύο σώματα έρθουν σε επαφή με δύναμη, τότε οι δυνάμεις που ενεργούν μεταξύ τους είναι ίσες σε μέγεθος και αντίθετες ως προς την κατεύθυνση. Πιο συνοπτικά, μπορούμε να πούμε ότι οποιαδήποτε ενέργεια προκαλεί αντίδραση.
F12¯=-F21¯.
Εδώ F12¯ και F21¯ - ενεργώντας από την πλευρά του 1ου σώματος στο 2ο και από την πλευρά του 2ου στην 1η δύναμη, αντίστοιχα.
Υπάρχουν πολλά παραδείγματα που επιβεβαιώνουν αυτόν τον νόμο. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια ενός άλματος, ένα άτομο απωθείται από την επιφάνεια της γης, το τελευταίο τον σπρώχνει προς τα πάνω. Το ίδιο ισχύει για το περπάτημα ενός περιπατητή και το σπρώξιμο από τον τοίχο της πισίνας ενός κολυμβητή. Ένα άλλο παράδειγμα, αν πιέσετε το χέρι σας στο τραπέζι, τότε γίνεται αισθητό το αντίθετο.η επίδραση του τραπεζιού στο χέρι, που ονομάζεται δύναμη αντίδρασης του στηρίγματος.
Κατά την επίλυση προβλημάτων σχετικά με την εφαρμογή του τρίτου νόμου του Νεύτωνα, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η δύναμη δράσης και η δύναμη αντίδρασης εφαρμόζονται σε διαφορετικά σώματα, επομένως τους δίνουν διαφορετικές επιταχύνσεις.
