Kretanje različitih tijela u prostoru u fizici proučava poseban odjeljak - mehanika. Potonji je pak podijeljen na kinematiku i dinamiku. U ovom članku ćemo razmotriti zakone mehanike u fizici, fokusirajući se na dinamiku translacijskog i rotacijskog kretanja tijela.
Povijesna pozadina
Kako se i zašto tijela kreću zanimalo je filozofe i znanstvenike od davnina. Tako je Aristotel vjerovao da se objekti kreću u prostoru samo zato što na njih postoji neki vanjski utjecaj. Ako se ovaj učinak zaustavi, tijelo će odmah prestati. Mnogi starogrčki filozofi vjerovali su da je prirodno stanje svih tijela mirovanje.
Dolaskom New Agea, mnogi znanstvenici počeli su proučavati zakone gibanja u mehanici. Treba istaknuti imena kao što su Huygens, Hooke i Galileo. Potonji je razvio znanstveni pristup proučavanju prirodnih pojava i, zapravo, otkrio prvi zakon mehanike, koji, međutim, ne nosi njegovo prezime.
Godine 1687. objavljena je znanstvena publikacija čiji je autorEnglez Isaac Newton. U svom znanstvenom radu jasno je formulirao osnovne zakone gibanja tijela u prostoru, koji su zajedno sa zakonom univerzalne gravitacije činili osnovu ne samo mehanike, već i cijele moderne klasične fizike.
O Newtonovim zakonima
Oni se nazivaju i zakonima klasične mehanike, za razliku od relativističkih, čije je postulate početkom 20. stoljeća iznio Albert Einstein. U prvom su samo tri glavna zakona na temelju kojih se temelji cijela grana fizike. Zovu se ovako:
- Zakon inercije.
- Zakon odnosa između sile i ubrzanja.
- Zakon akcije i reakcije.
Zašto su ova tri zakona glavna? Jednostavno je, iz njih se može izvesti bilo koja formula mehanike, međutim, niti jedan teorijski princip ne vodi ni do jednog od njih. Ovi zakoni proizlaze isključivo iz brojnih opažanja i eksperimenata. Njihovu valjanost potvrđuje pouzdanost predviđanja dobivenih uz pomoć njih u rješavanju raznih problema u praksi.
Zakon inercije
Newtonov prvi zakon u mehanici kaže da će svako tijelo u nedostatku vanjskog utjecaja na njega održati stanje mirovanja ili pravocrtnog gibanja u bilo kojem inercijskom referentnom okviru.
Da biste razumjeli ovaj zakon, morate razumjeti sustav izvješćivanja. Inercijskim se naziva samo ako zadovoljava navedeni zakon. Drugim riječima, u inercijskom sustavu nemapostoje fiktivne sile koje bi osjetili promatrači. Na primjer, sustav koji se kreće jednoliko i pravocrtno može se smatrati inercijskim. S druge strane, sustav koji se jednoliko rotira oko osi nije inercijalan zbog prisutnosti fiktivne centrifugalne sile u njemu.
Zakon inercije utvrđuje razlog zašto se priroda kretanja mijenja. Ovaj razlog je prisutnost vanjske sile. Imajte na umu da na tijelo može djelovati nekoliko sila. U ovom slučaju, moraju se dodati prema pravilu vektora, ako je rezultirajuća sila jednaka nuli, tada će tijelo nastaviti svoje jednoliko gibanje. Također je važno razumjeti da u klasičnoj mehanici ne postoji razlika između jednolikog gibanja tijela i njegovog stanja mirovanja.
Newtonov drugi zakon
Kaže da je razlog za promjenu prirode kretanja tijela u prostoru prisutnost vanjske sile različite od nule koja se primjenjuje na njega. Zapravo, ovaj zakon je nastavak prethodnog. Njegova matematička oznaka je sljedeća:
F¯=ma¯.
Ovdje je veličina a¯ akceleracija koja opisuje brzinu promjene vektora brzine, m je inercijska masa tijela. Budući da je m uvijek veći od nule, vektori sile i ubrzanja pokazuju isti smjer.
Razmatrani zakon primjenjiv je na ogroman broj pojava u mehanici, na primjer, na opis procesa slobodnog pada, kretanje s ubrzanjem automobila, klizanje šipke duž nagnute ravnine, oscilacija od njihala,napetost opružnih vaga i tako dalje. Sigurno je reći da je to glavni zakon dinamike.
Momentum i Momentum
Ako se izravno obratite Newtonovom znanstvenom radu, možete vidjeti da je sam znanstvenik na nešto drugačiji način formulirao drugi zakon mehanike:
Fdt=dp, gdje je p=mv.
Vrijednost p naziva se impuls. Mnogi to pogrešno nazivaju impulsom tijela. Količina gibanja je inercijalno-energetska karakteristika jednaka umnošku mase tijela i njegove brzine.
Promjeniti zamah za neku vrijednost dp može samo vanjska sila F koja djeluje na tijelo tijekom vremenskog intervala dt. Umnožak sile i trajanja njezina djelovanja naziva se impuls sile ili jednostavno impuls.
Kada se dva tijela sudare, između njih djeluje sila sudara, koja mijenja zamah svakog tijela, međutim, budući da je ta sila unutarnja u odnosu na sustav dvaju tijela koja se proučava, ne dovodi do promjene u ukupnom zamahu sustava. Ta se činjenica naziva zakon održanja količine gibanja.
Zavrtite s ubrzanjem
Ako se zakon mehanike koji je formulirao Newton primijeni na gibanje rotacije, tada će se dobiti sljedeći izraz:
M=Iα.
Ovdje M - kutni moment - ovo je vrijednost koja pokazuje sposobnost sile da napravi zaokret u sustavu. Moment sile izračunava se kao umnožak vektorske sile i radijus-vektora usmjerenog od osi prematočka primjene. Količina I je moment inercije. Kao i moment sile, ovisi o parametrima rotacijskog sustava, posebice o geometrijskoj raspodjeli tjelesne mase u odnosu na os. Konačno, vrijednost α je kutno ubrzanje, što vam omogućuje da odredite koliko radijana u sekundi se mijenja kutna brzina.
Ako pažljivo pogledate napisanu jednadžbu i povučete analogiju između njezinih vrijednosti i pokazatelja iz drugog Newtonovog zakona, tada ćemo dobiti njihov potpuni identitet.
Zakon akcije i reakcije
Ostaje nam da razmotrimo treći zakon mehanike. Ako su prva dva, na ovaj ili onaj način, formulirali Newtonovi prethodnici, a sam im je znanstvenik dao samo skladan matematički oblik, onda je treći zakon izvorna zamisao velikog Engleza. Dakle, kaže: ako dva tijela dođu u kontakt sile, tada su sile koje djeluju između njih jednake po veličini i suprotne po smjeru. Ukratko, možemo reći da svaka radnja izaziva reakciju.
F12¯=-F21¯.
Ovdje F12¯ i F21¯ - djelujući sa strane 1. tijela na 2. i sa strane 2. tijela do 1. snage, odnosno.
Postoji mnogo primjera koji potvrđuju ovaj zakon. Na primjer, tijekom skoka, osoba se odbija od površine zemlje, potonja ga gura prema gore. Isto vrijedi i za hodanje hodalice i odgurivanje od zida bazena plivača. Drugi primjer, ako pritisnete ruku na stol, tada se osjeća suprotno.učinak stola na ruku, koji se naziva reakcijska sila oslonca.
Pri rješavanju zadataka o primjeni Newtonovog trećeg zakona ne treba zaboraviti da se sila djelovanja i sila reakcije primjenjuju na različita tijela, pa im daju različita ubrzanja.
