Proučevanje naravnih pojavov na podlagi eksperimenta je možno le, če so opazovane vse stopnje: opazovanje, hipoteza, eksperiment, teorija. Opazovanje bo razkrilo in primerjalo dejstva, hipoteza jim omogoča podrobno znanstveno razlago, ki zahteva eksperimentalno potrditev. Opazovanje gibanja teles je pripeljalo do zanimivega zaključka: sprememba hitrosti telesa je možna le pod vplivom drugega telesa.
Na primer, če hitro stečete po stopnicah, morate v zavoju samo prijeti ograjo (spreminjanje smeri gibanja) ali se ustaviti (spreminjanje vrednosti hitrosti), da ne trčite v nasprotna stena.
Opazovanja podobnih pojavov so privedla do nastanka veje fizike, ki proučuje vzroke za spremembe hitrosti teles ali njihove deformacije.
Osnove Dynamics
Dynamics je poklicana, da odgovori na zakramentalno vprašanje, zakaj se fizično telo giblje na tak ali drugačen način ali miruje.
Upoštevajte stanje počitka. Na podlagi koncepta relativnosti gibanja lahko sklepamo: absolutno nepremičnih teles ni in ne more biti. Kajpredmet, ki je negiben glede na eno referenčno telo, se premika glede na drugo. Na primer, knjiga, ki leži na mizi, je negibna glede na mizo, vendar če upoštevamo njen položaj glede na osebo, ki gre mimo, pridemo do naravnega zaključka: knjiga se premika.
Zato se zakoni gibanja teles obravnavajo v inercialnih referenčnih okvirih. Kaj je?
Imenujemo inercialni referenčni okvir, v katerem telo miruje ali izvaja enakomerno in pravokotno gibanje, če nanj ni vpliva drugih predmetov ali predmetov.
V zgornjem primeru lahko referenčni okvir, povezan s tabelo, imenujemo inercialni. Oseba, ki se giblje enakomerno in v ravni črti, lahko služi kot referenčni okvir za ISO. Če je njegovo gibanje pospešeno, je nemogoče z njim povezati inercialni CO.
Pravzaprav je tak sistem mogoče povezati s telesi, ki so togo pritrjena na površini Zemlje. Vendar pa sam planet ne more služiti kot referenčno telo za IFR, saj se enakomerno vrti okoli svoje osi. Telesa na površini imajo centripetalni pospešek.
Kaj je zagon?
Fenomen vztrajnosti je neposredno povezan z ISO. Se spomnite, kaj se zgodi, če se premikajoči se avto nenadoma ustavi? Potniki so v nevarnosti, ko nadaljujejo pot. Lahko se ustavi s sedežem spredaj ali z varnostnimi pasovi. Ta proces je razložen z vztrajnostjo potnika. Je tako?
Inercija je pojav, ki predpostavlja ohranitevkonstantna hitrost telesa v odsotnosti vpliva drugih teles nanj. Potnik je pod vplivom pasov ali sedežev. Pojav vztrajnosti tukaj ni opažen.
Razlaga je v lastnosti telesa in po njej je nemogoče takoj spremeniti hitrost predmeta. To je vztrajnost. Na primer, inertnost živega srebra v termometru omogoča znižanje palice, če termometer stresemo.
Mero vztrajnosti imenujemo masa telesa. Pri interakciji se hitrost spreminja hitreje pri telesih z manjšo maso. Trčenje avtomobila z betonsko steno za slednjo poteka skoraj brez sledu. Avto najpogosteje doživi nepopravljive spremembe: spremembe hitrosti, pride do znatnih deformacij. Izkazalo se je, da vztrajnost betonske stene bistveno presega vztrajnost avtomobila.
Ali je mogoče v naravi srečati pojav vztrajnosti? Pogoj, v katerem je telo brez medsebojne povezanosti z drugimi telesi, je globok vesolje, v katerem se vesoljsko plovilo premika z ugasnjenimi motorji. Toda tudi v tem primeru je gravitacijski moment prisoten.
Osnovne količine
Proučevanje dinamike na eksperimentalni ravni vključuje eksperimentiranje z meritvami fizikalnih veličin. Najbolj zanimivo:
- pospešek kot merilo hitrosti spreminjanja hitrosti teles; označite ga s črko a, merite v m/s2;
- masa kot merilo vztrajnosti; označeno s črko m, merjeno v kg;
- sila kot merilo medsebojnega delovanja teles; najpogosteje označeno s črko F, merjeno v N (njutonih).
Razmerje med temi količinamizastavljene v treh vzorcih, ki jih je izpeljal največji angleški fizik. Newtonovi zakoni so zasnovani tako, da razložijo kompleksnost interakcije različnih teles. Pa tudi procesi, ki jih upravljajo. Prav pojme "pospešek", "sila", "masa" Newtonovi zakoni povezujejo z matematičnimi odnosi. Poskusimo ugotoviti, kaj to pomeni.
Delovanje samo ene sile je izjemen pojav. Na primer, na umetni satelit, ki kroži okoli Zemlje, vpliva samo gravitacija.
Rezultant
Delovanje več sil lahko nadomesti ena sila.
Geometrijska vsota sil, ki delujejo na telo, se imenuje rezultanta.
Govorimo o geometrijski vsoti, saj je sila vektorska količina, ki ni odvisna samo od točke uporabe, ampak tudi od smeri delovanja.
Na primer, če morate premakniti precej masivno garderobo, lahko povabite prijatelje. Skupaj dosežemo želeni rezultat. Lahko pa povabiš samo eno zelo močno osebo. Njegov trud je enak dejanju vseh prijateljev. Silo, ki jo uporabi junak, lahko imenujemo rezultanta.
Newtonovi zakoni gibanja so oblikovani na podlagi koncepta "rezultanta".
Zakon vztrajnosti
Začnite preučevati Newtonove zakone z najpogostejšim pojavom. Prvi zakon običajno imenujemo zakon vztrajnosti, saj ugotavlja vzroke za enakomerno pravokotno gibanje ali stanje mirovanja teles.
Telo se giblje enakomerno in pravokotno ozpočiva, če nanj ne deluje nobena sila ali je to dejanje kompenzirano.
Lahko trdimo, da je rezultanta v tem primeru enaka nič. V tem stanju je na primer avtomobil, ki se giblje s konstantno hitrostjo po ravnem odseku ceste. Delovanje privlačne sile se kompenzira z reakcijsko silo podpore, potisna sila motorja pa je po absolutni vrednosti enaka sili upora proti gibanju.
Lesten leži na stropu, saj je sila teže kompenzirana z napetostjo njegovih napeljav.
Kompenzirajo se lahko samo tiste sile, ki delujejo na eno telo.
Newtonov drugi zakon
Pojdimo naprej. Razloge, ki povzročajo spremembo hitrosti teles, obravnava Newtonov drugi zakon. O čem govori?
Rezultanta sil, ki delujejo na telo, je definirana kot produkt mase telesa in pospeška, pridobljenega pod delovanjem sil.
2 Newtonov zakon (formula: F=ma) žal ne vzpostavlja vzročne zveze med osnovnimi pojmi kinematike in dinamike. Ne more natančno določiti, kaj povzroča pospeševanje teles.
Formulirajmo ga drugače: pospešek, ki ga prejme telo, je neposredno sorazmeren z rezultantnimi silami in obratno sorazmeren z maso telesa.
Tako je mogoče ugotoviti, da je sprememba hitrosti odvisna samo od sile, ki deluje nanjo, in mase telesa.
2 Newtonov zakon, katerega formula je lahko naslednja: a=F/m, velja za temeljnega v vektorski obliki, saj omogočavzpostaviti povezave med vejami fizike. Tukaj je a vektor pospeška telesa, F je rezultanta sil, m je masa telesa.
Pospešeno gibanje avtomobila je možno, če vlečna sila motorjev presega silo upora gibanju. Ko se potisk poveča, se poveča tudi pospešek. Tovornjaki so opremljeni z motorji velike moči, saj je njihova masa veliko večja od mase osebnega avtomobila.
Ognjene krogle, zasnovane za dirkanje z visokimi hitrostmi, so olajšane tako, da so nanje pritrjeni minimalni potrebni deli, moč motorja pa se poveča do meje možnih. Ena najpomembnejših značilnosti športnih avtomobilov je čas pospeška do 100 km/h. Krajši kot je ta časovni interval, boljše so hitrostne lastnosti avtomobila.
Zakon interakcije
Newtonovi zakoni, ki temeljijo na naravnih silah, pravijo, da vsako interakcijo spremlja pojav para sil. Če žogica visi na niti, potem doživi svoje delovanje. V tem primeru se nit raztegne tudi pod delovanjem kroglice.
Formulacija tretje pravilnosti dopolnjuje Newtonove zakone. Skratka, zveni takole: akcija je enaka reakciji. Kaj to pomeni?
Sile, s katerimi telesa delujejo druga na drugo, so enake po velikosti, nasprotne smeri in usmerjene vzdolž premice, ki povezuje središča teles. Zanimivo je, da jih ni mogoče imenovati kompenziranih, ker delujejo na različna telesa.
Uveljavljanje zakonov
Sloviti problem "Konj in voziček" je lahko zmeden. Konj, vprežen v omenjeni voz, ga premikaiz kraja. V skladu z Newtonovim tretjim zakonom ta dva predmeta delujeta drug na drugega z enakimi silami, v praksi pa lahko konj premika voz, ki se ne prilega v temelje vzorca.
Rešitev najdemo, če upoštevamo, da ta sistem teles ni zaprt. Cesta vpliva na oba telesa. Statična sila trenja, ki deluje na konjska kopita, presega silo kotalnega trenja koles vozička. Konec koncev se trenutek gibanja začne s poskusom premikanja vagona. Če se položaj spremeni, ga konj v nobenem primeru ne bo premaknil s svojega mesta. Njegova kopita bodo zdrsnila po cesti in ne bo premikanja.
V otroštvu, ko so se sankali, je vsak lahko naletel na tak primer. Če dva ali trije otroci sedijo na sani, potem trud enega otroka očitno ni dovolj, da bi jih premaknil.
Padec teles na površje zemlje, ki ga je razložil Aristotel ("Vsako telo pozna svoje mesto"), je mogoče na podlagi zgoraj navedenega ovreči. Predmet se premika proti zemlji pod vplivom iste sile, kot se Zemlja giblje proti njemu. Če primerjamo njihove parametre (masa Zemlje je veliko večja od mase telesa), v skladu z drugim Newtonovim zakonom trdimo, da je pospešek predmeta tolikokrat večji od pospeška Zemlje. Opažamo spremembo hitrosti telesa, Zemlja se ne premakne iz svoje orbite.
Meje uporabe
Sodobna fizika ne zanika Newtonovih zakonov, ampak le določa meje njihove uporabnosti. Do začetka 20. stoletja fiziki niso dvomili, da ti zakoni pojasnjujejo vse naravne pojave.
1, 2, 3 zakonNewton v celoti razkriva vzroke za vedenje makroskopskih teles. Gibanje predmetov z zanemarljivimi hitrostmi je v celoti opisano s temi postulati.
Poskus na njihovi podlagi razložiti gibanje teles s hitrostmi blizu svetlobne hitrosti je obsojen na neuspeh. Popolna sprememba lastnosti prostora in časa pri teh hitrostih ne dovoljuje uporabe Newtonove dinamike. Poleg tega zakoni spremenijo svojo obliko v neinercialnih FR. Za njihovo uporabo je uveden koncept inercialne sile.
Newtonovi zakoni lahko razložijo gibanje astronomskih teles, pravila za njihovo lokacijo in interakcijo. V ta namen je uveden zakon univerzalne gravitacije. Nemogoče je videti rezultat privlačnosti majhnih teles, ker je sila skromna.
vzajemna privlačnost
Obstaja legenda, po kateri je gospod Newton, ki je sedel na vrtu in opazoval padanje jabolk, imel briljantno idejo: razložiti gibanje predmetov blizu površja Zemlje in gibanje vesoljska telesa na podlagi medsebojne privlačnosti. Ni tako daleč od resnice. Opazovanja in natančni izračuni niso zadevali le padca jabolk, ampak tudi gibanja lune. Zakoni tega gibanja vodijo do zaključka, da se sila privlačnosti povečuje z naraščajočo maso medsebojno delujočih teles in pada z naraščajočo razdaljo med njimi.
Na podlagi Newtonovega drugega in tretjega zakona je zakon univerzalne gravitacije formuliran na naslednji način: vsa telesa v vesolju se med seboj privlačijo s silo, usmerjeno vzdolž črte, ki povezuje središča teles, sorazmerno z mase teles inobratno sorazmerno s kvadratom razdalje med središči teles.
Matematični zapis: F=GMm/r2, kjer je F sila privlačnosti, M, m mase medsebojno delujočih teles, r razdalja med njimi. Koeficient sorazmernosti (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) se imenuje gravitacijska konstanta.
Fizični pomen: ta konstanta je enaka sili privlačnosti med telesoma z maso 1 kg na razdalji 1 m. Jasno je, da je za telesa majhnih mas sila tako nepomembna, da jo je mogoče zanemarjen. Za planete, zvezde, galaksije je sila privlačnosti tako ogromna, da popolnoma določa njihovo gibanje.
To je Newtonov zakon gravitacije, ki pravi, da za izstrelitev raket potrebujete gorivo, ki lahko ustvari tak reaktivni potisk, da premaga vpliv Zemlje. Hitrost, ki je potrebna za to, je prva ubežna hitrost, ki je 8 km/s.
Sodobna raketna tehnologija omogoča izstrelitev postaj brez posadke kot umetnih satelitov Sonca na druge planete za raziskovanje. Hitrost, ki jo razvije taka naprava, je druga vesoljska hitrost, enaka 11 km / s.
Algoritem za uporabo zakonov
Reševanje problemov dinamike je odvisno od določenega zaporedja dejanj:
- Analizirajte nalogo, identificirajte podatke, vrsto gibanja.
- Nariši risbo, ki prikazuje vse sile, ki delujejo na telo, in smer pospeška (če obstaja). Izberite koordinatni sistem.
- Napišite prvi ali drugi zakon, odvisno od razpoložljivostitelesni pospešek v vektorski obliki. Upoštevajte vse sile (posledična sila, Newtonovi zakoni: prva, če se hitrost telesa ne spremeni, druga, če obstaja pospešek).
- Prepišite enačbo v projekcijah na izbrane koordinatne osi.
- Če dobljeni sistem enačb ne zadostuje, zapišite druge: definicije sil, enačbe kinematike itd.
- Rešite sistem enačb za želeno vrednost.
- Izvedite preverjanje dimenzij, da ugotovite, ali je nastala formula pravilna.
- Izračunaj.
Običajno ti koraki zadostujejo za vsako standardno opravilo.
