U dinamici, osnovni zakoni koje je ustanovio Newton dokazuju postojanje inercijalnog referentnog okvira. U odnosu na njega tijela se gibaju jednoliko i pravocrtno ili miruju. Pod uvjetom da nema utjecaja drugih tijela, ili u slučaju kada se on kompenzira. Ove odredbe su značenje prvog Newtonovog zakona.
Iz povijesti
Postojanje takve pravilnosti pretpostavio je Galileo. Napravio je pokus sa posudom po kojoj se staklena kugla može brže kotrljati. Pustite li ga, otkotrljat će se i zaustaviti tek kada dođe do drugog ruba posude na istoj visini s koje je spuštena. Ako uzmete dužu zdjelu, rezultat će biti identičan.
Ako zamislite beskonačno dugu posudu koja nema drugi rub, lopta će se kretati konstantnom brzinom, koja je pravolinijska i ujednačena, beskonačno vrijeme, jer jednostavno ne postoji drugi rub. Ako zamislimo beskonačno dugačak spremnik koji nema drugi rub, kuglica će se kretati konstantnom brzinom na pravolinijski i ujednačen način beskonačan broj puta, budući da se drugarub jednostavno nedostaje.
Ovo opažanje omogućilo je znanstveniku da shvati da je ovo prirodno stanje objekata. Kretanje je prirodno kao i odmor. Prije toga se vjerovalo da je svaki pokret uzrokovan djelovanjem sile.
Novija istraživanja
Zamislimo padobranca koji skače u dalj. Koje sile djeluju na njega? Prije svega, to je sila gravitacije, koja privlači osobu na zemlju.
Drugo, to je sila otpora zraka, koja se suprotstavlja sili gravitacije. Kada su ove dvije sile jednake, padobranac pada konstantnom brzinom.
Zaključci iz primjera
Može se reći da se temeljno svojstvo manifestira u takvom referentnom okviru. Ako u njemu promatramo neko tijelo, na koje sila ne djeluje, ili je takvo djelovanje kompenzirano, tada tijelo ili miruje, ili se gibanje odvija na jednoličan način, kada je brzina konstantna na jednoj liniji. Osnovni zakoni dinamike očituju se upravo u opisanom procesu.
Analiza Newtonovog drugog zakona
Zamislite biciklista podvrgnutog dvjema horizontalnim silama:
- pedaliranje;
- otpor zraka i trenje.
Kada su ove dvije sile jednake, njihovo ukupno djelovanje je nula. Zatim, u skladu s prvim Newtonovim zakonom, bicikl se kreće ravno i jednoliko.
Što će se dogoditi ako biciklist jače pritisne pedale? Tada će se F(t) povećati ipočet će ubrzanje. Ako uklonite ovu silu, ostat će samo suprotna sila otpora - F (otpor), što će uzrokovati usporavanje pokreta.
Potvrda drugog zakona dinamike
Newton je tvrdio da je sila jednaka masi puta ubrzanju. To znači da se slučajevi razmatraju kada postoji rezultantna sila, a ne postoji ravnoteža. F (jednako) je zbroj svih primijenjenih sila.
Onda slijedi zaključak da je a (ubrzanje)=F (jednako) /m
Slijedi da je sila ta koja uzrokuje ubrzanje, a ne obrnuto. Kada postoji sila, postoji i ubrzanje.
Primjer
Uzmite autobus mase 2000 kg. Na ovo vozilo vodoravno djeluju dvije sile:
- potisak motora;
- otpor zraka i trenje.
Neka vučna sila motora autobusa bude 3000 N, a sila otpora 2500 N. Da bi primjena Newtonovog drugog zakona bila racionalna, potrebno je pronaći rezultantnu silu.
F (jednako)=500 N udesno jer sila ima smjerove.
Slijedi da je ubrzanje sila podijeljena masom, kao što dinamika govori svojim osnovnim zakonima.
Za rješavanje problema korištenjem Newtonovog drugog zakona, važno je točno odrediti ovu rezultantnu silu.
Dokaz Newtonovih zakona
Razmotrite primjer kutije. Kada leži na stolu, na ovaj predmet djeluje nekoliko sila:
- gravitacija;
- reakcije podrške.
Ako gurnete kutiju udesno, između nje i stola nastat će sila trenja. Počnimo računati rezultantnu silu i ubrzanje.
Okomite sile su ovdje uravnotežene, međusobno se pomiču. Rezultirajuća vertikalna sila je nula. Desno i lijevo djeluju sile čija razlika pokazuje prednost udesno. Ubrzanje kutije može se izračunati dijeljenjem mase ovog objekta s razlikom u sili.
Pregled prve dvije tvrdnje Newtona pomogao je u formuliranju pravila osnovnog zakona dinamike gibanja.
O Newtonovom trećem zakonu
Osnovni zakon dinamike u rotacijskom gibanju je činjenica da je djelovanje jednako reakciji. Kada jedno tijelo privlači ili odbija drugo, ono privlači i odbija prvo s istom silom.
Zamislimo automobil koji se velikom brzinom zabija u zid. U tom slučaju stroj pritišće debljinu zida određenom silom. Zid reagira i vrši jednak udarac na vozilo.
Dakle, kada automobil gura zid naprijed, ovaj drugi gura automobil natrag. Djelovanje tih sila je potpuno drugačije. Zid ostaje u istom položaju, a transport je puno manje sreće. Razlog za ovaj učinak je značajna razlika u masi:
a=F/m
Zid ima malu masu i veliko ubrzanje. I obrnuto, u odnosu na auto. Kada dva tijela međusobno djeluju, nastaju dvije sile koje moraju ispuniti zahtjeve:
- biti jednak uveličina;
- suprotno u smjeru;
- biti vezan uz različita tijela;
- imaju istu prirodu.
Iskustvo balonom
Osnovni zakon tjelesne dinamike može se vidjeti na primjeru lopte na napuhavanje. Kada je puštena, lopta će potisnuti zrak iz mlaznice, što pomaže guranju naprijed. Ovo će biti dokaz trećeg Newtonovog zakona. Jednostavan je, ali često teško primjenjiv za rješavanje problema.
O dinamici rotacijskog kretanja
Poznavanje osnovnog zakona dinamike krutog tijela omogućuje nam razmatranje obrazaca rotacijskog gibanja. Da bismo to učinili, potrebno je prisjetiti se rješenja osnovnih problema mehanike, kada je u svakom trenutku moguće naznačiti položaj tijela u prostoru u odnosu na druga tijela.
U ovom slučaju govorimo o jednodimenzionalnom kretanju. Poznato je da postoji vrsta kretanja u kojoj se svaka točka kreće duž osi rotacije.
U ovom slučaju, različite točke tijela kreću se različitim brzinama duž različitih putanja. U ovom slučaju, os i kutovi rotacije ostaju zajednički. S obzirom na rotacijsko gibanje, bolje je uzeti u obzir da je glavni problem mehanike riješen ako je bilo moguće odrediti kut rotacije tijela u bilo kojem trenutku.
Ovo će biti primjena osnovnog zakona dinamike u odnosu na rotirajuće tijelo.
Kako izračunati ubrzanje tijela?
Osnovni zakon dinamike rotacijskog gibanja tijela zahtijeva određivanje tih silakoje utječu na njega. Znajući ove informacije, možete primijeniti Newtonov drugi zakon i pronaći ubrzanje tijela u bilo kojem trenutku.
Poznavajući takve podatke i primjenjujući zakone kinematike, možete pronaći koordinate tijela u ovom trenutku. Takva je tehnologija rješavanja osnovnog problema mehanike. Preformulirajmo ga pod rotacijskim kretanjem, krećući se u smjeru suprotnom od željenog rezultata. Da biste u bilo kojem trenutku odredili vrijednost kuta rotacije tijela, morate zapamtiti kinematiku rotacijskog gibanja, što uključuje kutno ubrzanje.
Postoji jednadžba koja odgovara na pitanje kolika će biti kutna akceleracija.
Da biste stvorili takvu jednadžbu, morate se sjetiti zakona kinematike o rotacijskom gibanju. Ako je translacijski tip gibanja karakteriziran brzinom, tada će sličan koncept pri razmatranju rotacijskog gibanja biti pokazatelji kutne brzine - fizičke veličine koja određuje kako se kut za koji se tijelo okreće u određenom vremenskom razdoblju odnosi na vrijeme ovaj odnos.
Ugaona brzina se mora pomnožiti s udaljenosti od osi rotacije do točke koja nas zanima. Najjednostavniji tip rotacijske rotacije je jednoličan, kada se tijelo rotira kroz iste kutove u isto vrijeme bez ubrzanja.
Na tijelu koje se ravnomjerno rotira, svaka točka ima svoju brzinu kretanja. Štoviše, mijenja se u smjeru s indikatorima centripetalnog ubrzanja.
Smjer ove akcije je tangencijalan na središte polumjerakrugovi.
Neravnomjerna rotacija - ovo je pokazatelj omjera s kojim se kutna brzina mijenja tijekom vremenskog razdoblja u odnosu na trajanje ovog intervala.
Odavde slijedi zakon o promjeni kutne brzine:
W(t)=Wo+Et
Ubrzanje komponente može se usmjeriti ne samo duž radijusa, već i duž tangente. Ovo je važno uzeti u obzir prilikom mjerenja.
Sažeti
Prema osnovnim zakonima dinamike, tijelo se giba jednoliko i pravocrtno sve dok na njega ne djeluju druge sile. Ako tijelo miruje, to će se nastaviti sve dok sila ne počne djelovati na njega.
Iz toga slijedi da je kretanje jednako prirodno za tijelo kao i odmor. Da biste promijenili ovo ili ono stanje, na tijelo se mora primijeniti određena sila.
Druga točka osnovnog zakona dinamike kaže da rezultantna sila uzrokuje ubrzanje. Ako je F (jednako)=0, tada će broj ubrzanja biti nula. U ovom slučaju, indikatori brzine također će biti konstantni ili nula.
Odavde slijedi da se pravilo prvog Newtonovog zakona glatko ulijeva u drugi. Za znanstvenike iz 17. stoljeća ovaj je dokaz bio najveće otkriće.
Uz pomoć Newtonovog trećeg zakona moguće je uspješno riješiti probleme iz odjeljka "Dynamics".
