Proučavanje prirodnih pojava na temelju pokusa moguće je samo ako se promatraju svi stupnjevi: promatranje, hipoteza, eksperiment, teorija. Promatranje će otkriti i uspoređivati činjenice, hipoteza im omogućuje detaljno znanstveno objašnjenje koje zahtijeva eksperimentalnu potvrdu. Promatranje kretanja tijela dovelo je do zanimljivog zaključka: promjena brzine tijela moguća je samo pod utjecajem drugog tijela.
Na primjer, ako brzo trčite uz stepenice, tada u skretanju trebate samo uhvatiti ogradu (promjena smjera kretanja) ili stati (promjena vrijednosti brzine) kako se ne biste sudarili s suprotni zid.
Promatranja sličnih pojava dovela su do stvaranja grane fizike koja proučava uzroke promjena brzine tijela ili njihove deformacije.
Osnove Dynamics
Dynamics je pozvan da odgovori na sakramentalno pitanje zašto se fizičko tijelo kreće na ovaj ili onaj način ili miruje.
Razmotrite stanje mirovanja. Na temelju koncepta relativnosti gibanja možemo zaključiti: nema i ne može biti apsolutno nepomičnih tijela. Bilo kojiobjekt, nepomičan u odnosu na jedno referentno tijelo, kreće se u odnosu na drugo. Na primjer, knjiga koja leži na stolu nepomična je u odnosu na stol, ali ako uzmemo u obzir njen položaj u odnosu na osobu u prolazu, dolazimo do prirodnog zaključka: knjiga se kreće.
Stoga se zakoni gibanja tijela razmatraju u inercijalnim referentnim okvirima. Što je to?
Zove se inercijski referentni okvir u kojem tijelo miruje ili vrši jednoliko i pravocrtno gibanje, pod uvjetom da na njega nema utjecaja drugih objekata ili objekata.
U gornjem primjeru, referentni okvir povezan s tablicom može se nazvati inercijskim. Osoba koja se kreće jednoliko i pravocrtno može poslužiti kao referentni okvir za ISO. Ako je njegovo kretanje ubrzano, nemoguće je povezati s njim inercijski CO.
Zapravo, takav se sustav može povezati s tijelima čvrsto pričvršćenim na površini Zemlje. Međutim, sam planet ne može poslužiti kao referentno tijelo za IFR, jer se jednoliko rotira oko svoje osi. Tijela na površini imaju centripetalno ubrzanje.
Što je zamah?
Fenomen inercije izravno je povezan s ISO. Sjećate se što se događa ako se automobil u pokretu naglo zaustavi? Putnici su u opasnosti dok nastavljaju svoje putovanje. Može se zaustaviti sjedalom ispred ili sigurnosnim pojasevima. Taj se proces objašnjava inercijom putnika. Je li tako?
Inercija je fenomen koji pretpostavlja očuvanjekonstantna brzina tijela u nedostatku utjecaja drugih tijela na njega. Putnik je pod utjecajem pojaseva ili sjedala. Fenomen inercije se ovdje ne opaža.
Objašnjenje leži u svojstvu tijela i, prema njemu, nemoguće je trenutno promijeniti brzinu nekog objekta. Ovo je inercija. Na primjer, inertnost žive u termometru omogućuje spuštanje letvice ako protresemo termometar.
Mjera inercije naziva se masa tijela. U interakciji se brzina mijenja brže za tijela s manjom masom. Sudar automobila s betonskim zidom za potonje se odvija gotovo bez traga. Automobil najčešće prolazi kroz nepovratne promjene: mijenja se brzina, dolazi do značajnih deformacija. Ispada da inercija betonskog zida znatno premašuje inerciju automobila.
Je li moguće susresti fenomen inercije u prirodi? Uvjet pod kojim je tijelo bez međusobne povezanosti s drugim tijelima je duboki svemir, u kojem se letjelica kreće s ugašenim motorima. Ali čak i u ovom slučaju, gravitacijski moment je prisutan.
Osnovne količine
Proučavanje dinamike na eksperimentalnoj razini uključuje eksperimentiranje s mjerenjima fizičkih veličina. Najzanimljivije:
- ubrzanje kao mjera brzine promjene brzine tijela; označi ga slovom a, mjeri u m/s2;
- masa kao mjera inercije; označeno slovom m, mjereno u kg;
- sila kao mjera međusobnog djelovanja tijela; najčešće se označava slovom F, mjereno u N (njutonima).
Odnos između ovih količinapostavljena u tri obrasca, koje je izveo najveći engleski fizičar. Newtonovi zakoni osmišljeni su da objasne složenost međudjelovanja različitih tijela. Kao i procesi koji njima upravljaju. Upravo pojmove "ubrzanja", "sile", "mase" Newtonovi zakoni povezuju s matematičkim odnosima. Pokušajmo shvatiti što to znači.
Djelovanje samo jedne sile izniman je fenomen. Na primjer, na umjetni satelit koji kruži oko Zemlje utječe samo gravitacija.
Rezultant
Djelovanje nekoliko sila može se zamijeniti jednom silom.
Geometrijski zbroj sila koje djeluju na tijelo naziva se rezultanta.
Govorimo o geometrijskom zbroju, budući da je sila vektorska veličina, koja ne ovisi samo o točki primjene, već io smjeru djelovanja.
Na primjer, ako trebate premjestiti prilično masivni ormar, možete pozvati prijatelje. Zajedno postižemo željeni rezultat. Ali možete pozvati samo jednu vrlo jaku osobu. Njegov trud jednak je djelovanju svih prijatelja. Sila koju primjenjuje junak može se nazvati rezultantom.
Newtonovi zakoni gibanja formulirani su na temelju koncepta "rezultanta".
Zakon inercije
Počnite proučavati Newtonove zakone s najčešćim fenomenom. Prvi zakon se obično naziva zakonom inercije, budući da utvrđuje uzroke jednolikog pravocrtnog gibanja ili stanja mirovanja tijela.
Tijelo se giba jednoliko i pravocrtno ilimiruje ako na njega ne djeluje sila ili se ova radnja kompenzira.
Može se tvrditi da je rezultanta u ovom slučaju jednaka nuli. U tom stanju je, na primjer, automobil koji se kreće stalnom brzinom na ravnom dijelu ceste. Djelovanje sile privlačenja kompenzira se reakcijskom silom oslonca, a sila potiska motora je po apsolutnoj vrijednosti jednaka sili otpora kretanju.
Luster leži na stropu, jer je sila gravitacije kompenzirana napetošću njegovih učvršćenja.
Mogu se kompenzirati samo one sile koje se primjenjuju na jedno tijelo.
Newtonov drugi zakon
Idemo dalje. Razloge koji uzrokuju promjenu brzine tijela razmatra Newtonov drugi zakon. O čemu on priča?
Rezultanta sila koje djeluju na tijelo definirana je kao umnožak mase tijela i akceleracije stečene pod djelovanjem sila.
2 Newtonov zakon (formula: F=ma), nažalost, ne uspostavlja uzročne veze između osnovnih pojmova kinematike i dinamike. Ne može točno odrediti što uzrokuje ubrzanje tijela.
Formulirajmo to drugačije: ubrzanje koje primi tijelo izravno je proporcionalno rezultantnim silama i obrnuto proporcionalno masi tijela.
Dakle, može se ustanoviti da se promjena brzine događa samo ovisno o sili koja se na nju primjenjuje i masi tijela.
2 Newtonov zakon, čija formula može biti sljedeća: a=F/m, smatra se temeljnim u vektorskom obliku, jer omogućujeuspostaviti veze između grana fizike. Ovdje je a vektor ubrzanja tijela, F je rezultanta sila, m je masa tijela.
Ubrzano kretanje automobila moguće je ako vučna sila motora premašuje silu otpora kretanju. Kako se potisak povećava, tako se povećava i ubrzanje. Kamioni su opremljeni motorima velike snage, jer je njihova masa mnogo veća od mase osobnog automobila.
Vatrene kugle dizajnirane za utrke velikih brzina su osvijetljene na način da se na njih pričvrste minimalno potrebni dijelovi, a snaga motora se povećava do mogućih granica. Jedna od najvažnijih karakteristika sportskih automobila je vrijeme ubrzanja do 100 km/h. Što je ovaj vremenski interval kraći, to su bolje karakteristike brzine automobila.
Zakon interakcije
Newtonovi zakoni, temeljeni na silama prirode, navode da je svaka interakcija popraćena pojavom para sila. Ako lopta visi na niti, tada doživljava svoje djelovanje. U ovom slučaju, konac se također rasteže pod djelovanjem kuglice.
Formulacija treće pravilnosti upotpunjuje Newtonove zakone. Ukratko, zvuči ovako: akcija je jednaka reakciji. Što to znači?
Sile kojima tijela djeluju jedno na drugo jednake su po veličini, suprotnog smjera i usmjerene duž linije koja spaja središta tijela. Zanimljivo je da se ne mogu nazvati kompenziranim, jer djeluju na različita tijela.
Provedba zakona
Čuveni problem "Konja i kola" može biti zbunjujući. Konj upregnut u spomenuta kola pomiče gas mjesta. U skladu s Newtonovim trećim zakonom, ova dva objekta djeluju jedan na drugog jednakim silama, ali u praksi konj može pomicati kola, što se ne uklapa u temelje uzorka.
Rješenje je pronađeno ako uzmemo u obzir da ovaj sustav tijela nije zatvoren. Cesta djeluje na oba tijela. Statička sila trenja koja djeluje na kopita konja premašuje silu trenja kotača kola. Uostalom, trenutak kretanja počinje pokušajem pomicanja vagona. Ako se položaj promijeni, konj ga ni pod kojim uvjetima neće pomaknuti s mjesta. Kopa će mu skliznuti na cesti i neće biti pomaka.
U djetinjstvu, sanjkajući jedni druge, svatko je mogao naići na takav primjer. Ako dvoje ili troje djece sjedi na sanjkama, onda napori jednog djeteta očito nisu dovoljni da ih pomakne.
Pad tijela na površinu zemlje, koji je objasnio Aristotel ("Svako tijelo zna svoje mjesto") može se opovrgnuti na temelju gore navedenog. Predmet se kreće prema zemlji pod utjecajem iste sile kao što se Zemlja kreće prema njemu. Uspoređujući njihove parametre (masa Zemlje je mnogo veća od mase tijela), u skladu s drugim Newtonovim zakonom, tvrdimo da je akceleracija objekta isto toliko puta veća od akceleracije Zemlje. Promatramo promjenu brzine tijela, Zemlja se ne pomiče sa svoje orbite.
Granice primjenjivosti
Moderna fizika ne poriče Newtonove zakone, već samo utvrđuje granice njihove primjenjivosti. Sve do početka 20. stoljeća fizičari nisu sumnjali da ti zakoni objašnjavaju sve prirodne pojave.
1, 2, 3 zakonNewton u potpunosti otkriva uzroke ponašanja makroskopskih tijela. Kretanje objekata s zanemarivim brzinama u potpunosti je opisano ovim postulatima.
Pokušaj da se na njihovoj osnovi objasni gibanje tijela brzinama bliskim brzini svjetlosti osuđen je na neuspjeh. Potpuna promjena svojstava prostora i vremena pri tim brzinama ne dopušta korištenje Newtonove dinamike. Osim toga, zakoni mijenjaju svoj oblik u neinercijalnim FR. Za njihovu primjenu uvodi se koncept inercijalne sile.
Newtonovi zakoni mogu objasniti kretanje astronomskih tijela, pravila njihovog položaja i interakcije. U tu svrhu uvodi se zakon univerzalne gravitacije. Nemoguće je vidjeti rezultat privlačenja malih tijela, jer je sila oskudna.
Međusobna privlačnost
Postoji legenda prema kojoj je g. Newton, koji je sjedio u vrtu i gledao kako padaju jabuke, imao briljantnu ideju: objasniti kretanje objekata blizu površine Zemlje i kretanje svemirska tijela na temelju međusobne privlačnosti. Nije to tako daleko od istine. Promatranja i točan izračun nisu se ticali samo pada jabuka, već i kretanja mjeseca. Zakoni ovog kretanja dovode do zaključka da sila privlačenja raste s povećanjem mase tijela u interakciji i opada s povećanjem udaljenosti između njih.
Na temelju Newtonovog drugog i trećeg zakona, zakon univerzalne gravitacije je formuliran na sljedeći način: sva tijela u svemiru privlače se jedno drugom silom usmjerenom duž linije koja spaja središta tijela, proporcionalnom mase tijela iobrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti između središta tijela.
Matematički zapis: F=GMm/r2, gdje je F sila privlačenja, M, m su mase tijela u interakciji, r je udaljenost između njih. Koeficijent proporcionalnosti (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) naziva se gravitacijska konstanta.
Fizičko značenje: ova konstanta jednaka je sili privlačenja između dva tijela mase 1 kg na udaljenosti od 1 m. Jasno je da je za tijela malih masa sila toliko neznatna da se može zanemaren. Za planete, zvijezde, galaksije, sila privlačnosti je toliko ogromna da u potpunosti određuje njihovo kretanje.
Newtonov zakon gravitacije kaže da je za lansiranje raketa potrebno gorivo koje može stvoriti takav mlazni potisak kako bi se prevladao utjecaj Zemlje. Brzina potrebna za to je prva brzina bijega, koja je 8 km/s.
Moderna raketna tehnologija omogućuje lansiranje bespilotnih stanica kao umjetnih satelita Sunca na druge planete radi istraživanja. Brzina koju razvija takav uređaj je druga svemirska brzina, jednaka 11 km/s.
Algoritam za primjenu zakona
Rješavanje problema dinamike podliježe određenom slijedu radnji:
- Analizirajte zadatak, identificirajte podatke, vrstu kretanja.
- Nacrtajte crtež koji pokazuje sve sile koje djeluju na tijelo i smjer ubrzanja (ako postoji). Odaberite koordinatni sustav.
- Napišite prvi ili drugi zakon, ovisno o dostupnostiubrzanje tijela, u vektorskom obliku. Uzmite u obzir sve sile (rezultantna sila, Newtonovi zakoni: prva, ako se brzina tijela ne mijenja, druga, ako postoji ubrzanje).
- Prepišite jednadžbu u projekcijama na odabrane koordinatne osi.
- Ako rezultirajući sustav jednadžbi nije dovoljan, onda zapišite druge: definicije sila, jednadžbe kinematike, itd.
- Riješi sustav jednadžbi za željenu vrijednost.
- Izvršite provjeru dimenzija kako biste utvrdili je li rezultirajuća formula točna.
- Izračunaj.
Obično su ovi koraci dovoljni za bilo koji standardni zadatak.
