Gamtos reiškinių tyrimas eksperimento pagrindu galimas tik tuo atveju, jei laikomasi visų etapų: stebėjimo, hipotezės, eksperimento, teorijos. Stebėjimas atskleis ir palygins faktus, hipotezė leidžia jiems pateikti išsamų mokslinį paaiškinimą, reikalaujantį eksperimentinio patvirtinimo. Kūnų judėjimo stebėjimas leido padaryti įdomią išvadą: kūno greičio pokytis galimas tik veikiant kitam kūnui.
Pavyzdžiui, jei greitai užbėgate laiptais aukštyn, posūkyje tereikia patraukti už turėklų (keisdami judėjimo kryptį) arba sustoti (keisdami greičio reikšmę), kad nesusidurtumėte su priešinga siena.
Panašių reiškinių stebėjimai paskatino sukurti fizikos šaką, tiriančią kūnų greičio pokyčių ar jų deformacijų priežastis.
Dinamikos pagrindai
Dinamika kviečiama atsakyti į sakramentinį klausimą, kodėl fizinis kūnas vienaip ar kitaip juda arba ilsisi.
Apsvarstykite ramybės būseną. Remdamiesi judėjimo reliatyvumo samprata, galime daryti išvadą: absoliučiai nejudančių kūnų nėra ir negali būti. Bet koksobjektas, būdamas nejudantis vieno atskaitos kūno atžvilgiu, juda kito atžvilgiu. Pavyzdžiui, knyga, gulinti ant stalo, stalo atžvilgiu nejuda, tačiau įvertinus jos padėtį praeinančio žmogaus atžvilgiu, padarytume natūralią išvadą: knyga juda.
Todėl kūnų judėjimo dėsniai nagrinėjami inercinėse atskaitos sistemose. Kas tai?
Vadinama inercine atskaitos sistema, kurioje kūnas yra ramybės būsenoje arba atlieka tolygų ir tiesinį judėjimą, jei jai nedaro kiti objektai ar objektai.
Aukščiau pateiktame pavyzdyje su lentele susieta atskaitos sistema gali būti vadinama inercine. Asmuo, judantis tolygiai ir tiesia linija, gali būti ISO atskaitos sistema. Jei jo judėjimas pagreitintas, su juo neįmanoma susieti inercinio CO.
Tiesą sakant, tokią sistemą galima koreliuoti su kūnais, tvirtai pritvirtintais prie Žemės paviršiaus. Tačiau pati planeta negali būti IFR atskaitos kūnas, nes ji tolygiai sukasi aplink savo ašį. Paviršiuje esantys kūnai turi įcentrinį pagreitį.
Kas yra impulsas?
Inercijos reiškinys yra tiesiogiai susijęs su ISO. Prisiminkite, kas atsitiks, jei važiuojantis automobilis staiga sustos? Tęsiant kelionę keleiviams gresia pavojus. Jį gali sustabdyti sėdynė priekyje arba saugos diržai. Šis procesas paaiškinamas keleivio inercija. Ar taip?
Inercija yra reiškinys, kuris suponuoja išsaugojimąpastovus kūno greitis, nesant kitų kūnų įtakos jam. Keleivis yra apsvaigęs nuo diržų ar sėdynių. Inercijos reiškinys čia nepastebimas.
Paaiškinimas slypi kūno savybėje, ir pagal ją neįmanoma akimirksniu pakeisti objekto greičio. Tai yra inercija. Pavyzdžiui, gyvsidabrio inertiškumas termometre leidžia nuleisti stulpelį, jei papurtome termometrą.
Inercijos matas vadinamas kūno mase. Sąveikaujant, greitis kinta greičiau kūnams, kurių masė mažesnė. Automobilio susidūrimas su betonine siena pastarajam vyksta beveik be pėdsakų. Automobilis dažniausiai patiria negrįžtamus pokyčius: keičiasi greitis, atsiranda didelė deformacija. Pasirodo, betoninės sienos inercija gerokai viršija automobilio inerciją.
Ar įmanoma gamtoje sutikti inercijos reiškinį? Sąlyga, kai kūnas yra be ryšio su kitais kūnais, yra gili erdvė, kurioje erdvėlaivis juda išjungus variklius. Tačiau net ir šiuo atveju yra gravitacijos momentas.
Pagrindiniai kiekiai
Dinamikos studijavimas eksperimentiniu lygiu apima eksperimentavimą su fizikinių dydžių matavimais. Įdomiausia:
- pagreitis kaip kūnų greičio kitimo greičio matas; pažymėkite jį raide a, matuokite m/s2;
- masė kaip inercijos matas; pažymėta raide m, matuojama kg;
- jėga kaip kūnų tarpusavio veikimo matas; dažniausiai žymima raide F, matuojama N (niutonais).
Ryšys tarp šių dydžiųišdėstyti trimis modeliais, kuriuos sukūrė didžiausias anglų fizikas. Niutono dėsniai yra skirti paaiškinti įvairių kūnų sąveikos sudėtingumą. Taip pat procesus, kurie juos valdo. Būtent „pagreičio“, „jėgos“, „masės“sąvokas Niutono dėsniai sieja su matematiniais ryšiais. Pabandykime išsiaiškinti, ką tai reiškia.
Tik vienos jėgos veikimas yra išskirtinis reiškinys. Pavyzdžiui, dirbtinis palydovas, skriejantis aplink Žemę, yra veikiamas tik gravitacijos.
Rezultatas
Kelių jėgų veikimą galima pakeisti viena jėga.
Kūną veikiančių jėgų geometrinė suma vadinama rezultatine.
Kalbame apie geometrinę sumą, nes jėga yra vektorinis dydis, kuris priklauso ne tik nuo taikymo taško, bet ir nuo veikimo krypties.
Pavyzdžiui, jei reikia perkelti gana masyvią drabužių spintą, galite pakviesti draugų. Kartu pasiekiame norimą rezultatą. Bet jūs galite pakviesti tik vieną labai stiprų žmogų. Jo pastangos prilygsta visų draugų veiksmams. Herojaus taikoma jėga gali būti vadinama rezultatu.
Niutono judėjimo dėsniai suformuluoti remiantis „rezultato“sąvoka.
Inercijos dėsnis
Pradėkite tyrinėti Niutono dėsnius nuo labiausiai paplitusio reiškinio. Pirmasis dėsnis paprastai vadinamas inercijos dėsniu, nes jis nustato vienodo tiesinio judėjimo priežastis arba kūnų poilsio būseną.
Kūnas juda tolygiai ir tiesia linija arbastovi, jei jo neveikia jokia jėga arba šis veiksmas yra kompensuojamas.
Galima teigti, kad rezultatas šiuo atveju yra lygus nuliui. Tokios būklės yra, pavyzdžiui, automobilis, judantis pastoviu greičiu tiesia kelio atkarpa. Traukos jėgos veikimą kompensuoja atramos reakcijos jėga, o variklio traukos jėga absoliučia verte lygi pasipriešinimo judėjimui jėgai.
Sietynas remiasi į lubas, nes gravitacijos jėgą kompensuoja jos tvirtinimo elementų įtempimas.
Gali būti kompensuojamos tik tos jėgos, kurios veikia vieną kūną.
Antrasis Niutono dėsnis
Eime toliau. Priežastys, dėl kurių kinta kūnų greitis, nagrinėjamos antrajame Niutono dėsnyje. Apie ką jis kalba?
Kūną veikiančių jėgų rezultatas apibrėžiamas kaip kūno masės ir pagreičio sandauga, gaunama veikiant jėgoms.
2 Niutono dėsnis (formulė: F=ma), deja, nenustato priežastinių ryšių tarp pagrindinių kinematikos ir dinamikos sąvokų. Jis negali tiksliai nustatyti, dėl ko kūnai įsibėgėja.
Suformuluokime kitaip: kūno gaunamas pagreitis yra tiesiogiai proporcingas gaunamoms jėgoms ir atvirkščiai proporcingas kūno masei.
Taigi galima nustatyti, kad greičio pokytis vyksta tik priklausomai nuo jį veikiančios jėgos ir kūno masės.
2 Niutono dėsnis, kurio formulė gali būti tokia: a=F/m, laikomas pagrindiniu vektorine forma, nes tai leidžiaužmegzti ryšius tarp fizikos šakų. Čia a yra kūno pagreičio vektorius, F yra jėgų rezultatas, m yra kūno masė.
Pagreitintas automobilio judėjimas įmanomas, jei variklių traukos jėga viršija pasipriešinimo judėjimui jėgą. Didėjant traukai, didėja ir pagreitis. Sunkvežimiuose sumontuoti didelės galios varikliai, nes jų masė yra daug didesnė už lengvojo automobilio masę.
Greito greičio lenktynėms sukurti ugnies kamuoliai yra apšviesti taip, kad prie jų būtų pritvirtintos minimalios reikalingos detalės, o variklio galia padidinama iki galimų ribų. Viena iš svarbiausių sportinių automobilių savybių – įsibėgėjimo laikas iki 100 km/val. Kuo trumpesnis šis laiko intervalas, tuo geresnės automobilio greičio savybės.
Sąveikos dėsnis
Niutono dėsniai, pagrįsti gamtos jėgomis, teigia, kad bet kokią sąveiką lydi jėgų poros atsiradimas. Jei rutulys kabo ant sriegio, jis patiria savo veiksmą. Šiuo atveju siūlas taip pat ištempiamas veikiant rutuliui.
Trečiojo dėsningumo formuluotė užbaigia Niutono dėsnius. Trumpai tariant, tai skamba taip: veiksmas lygus reakcijai. Ką tai reiškia?
Jėgos, kuriomis kūnai veikia vienas kitą, yra vienodo dydžio, priešingos krypties ir nukreiptos išilgai linijos, jungiančios kūnų centrus. Įdomu tai, kad jų negalima vadinti kompensuotais, nes jie veikia skirtingus kūnus.
Įstatymų vykdymas
Žymioji „Arklio ir vežimo“problema gali sukelti painiavą. Prie minėto vagono pakinktas arklys jį judinaiš vietos. Pagal trečiąjį Niutono dėsnį šie du objektai vienas kitą veikia vienodomis jėgomis, tačiau praktiškai arklys gali pajudinti vežimą, kuris netelpa į modelio pamatus.
Sprendimas rastas, jei atsižvelgsime į tai, kad ši kūnų sistema nėra uždara. Kelias turi įtakos abiem kūnams. Statinė trinties jėga, veikianti arklio kanopas, viršija vežimo ratų riedėjimo trinties jėgą. Juk judėjimo momentas prasideda nuo bandymo pajudinti vagoną. Jei padėtis pasikeičia, arklys jokiu būdu nepajudins jo iš savo vietos. Jo kanopos paslys ant kelio ir nebus jokio judėjimo.
Vaikystėje, važinėdami rogutėmis, kiekvienas galėjo susidurti su tokiu pavyzdžiu. Jei ant rogučių sėdi du ar trys vaikai, vieno vaiko pastangų jiems pajudinti tikrai neužtenka.
Kūnų kritimas ant žemės paviršiaus, paaiškintas Aristotelio („Kiekvienas kūnas žino savo vietą“), gali būti paneigtas remiantis tuo, kas išdėstyta aukščiau. Objektas juda link žemės veikiamas tos pačios jėgos, kaip ir Žemė juda link jos. Palyginus jų parametrus (Žemės masė yra daug didesnė už kūno masę), pagal antrąjį Niutono dėsnį tvirtiname, kad objekto pagreitis yra tiek pat kartų didesnis nei Žemės pagreitis. Mes stebime kūno greičio kitimą, Žemė nepajuda iš savo orbitos.
Taikymo ribos
Šiuolaikinė fizika neneigia Niutono dėsnių, o tik nustato jų taikymo ribas. Iki XX amžiaus pradžios fizikai neabejojo, kad šie dėsniai paaiškina visus gamtos reiškinius.
1, 2, 3 įstatymasNiutonas visiškai atskleidžia makroskopinių kūnų elgesio priežastis. Nereikšmingo greičio objektų judėjimas yra visiškai aprašytas šiais postulatais.
Bandymas jais remiantis paaiškinti kūnų judėjimą, kurio greitis artimas šviesos greičiui, yra pasmerktas žlugti. Visiškas erdvės ir laiko savybių pasikeitimas šiais greičiais neleidžia naudoti Niutono dinamikos. Be to, dėsniai keičia savo formą neinercinėse FR. Jų taikymui įvedama inercinės jėgos sąvoka.
Niutono dėsniai gali paaiškinti astronominių kūnų judėjimą, jų išsidėstymo ir sąveikos taisykles. Šiuo tikslu įvedamas visuotinės gravitacijos dėsnis. Neįmanoma pamatyti mažų kūnų traukos rezultato, nes jėgos yra menkos.
Abipusis potraukis
Egzistuoja legenda, pagal kurią ponas Niutonas, kuris sėdėjo sode ir stebėjo obuolių kritimą, turėjo puikią idėją: paaiškinti objektų judėjimą šalia Žemės paviršiaus ir jų judėjimą. erdvės kūnai abipusės traukos pagrindu. Tai nėra taip toli nuo tiesos. Stebėjimai ir tikslus skaičiavimas buvo susiję ne tik su obuolių kritimu, bet ir su mėnulio judėjimu. Šio judėjimo dėsniai leidžia daryti išvadą, kad traukos jėga didėja didėjant sąveikaujančių kūnų masėms ir mažėja didėjant atstumui tarp jų.
Remiantis antruoju ir trečiuoju Niutono dėsniais, visuotinės gravitacijos dėsnis suformuluotas taip: visi visatos kūnai yra traukiami vienas prie kito jėga, nukreipta išilgai linijos, jungiančios kūnų centrus, proporcingą kūnų masės iratvirkščiai proporcingas atstumo tarp kūnų centrų kvadratui.
Matematinis žymėjimas: F=GMm/r2, kur F – traukos jėga, M, m – sąveikaujančių kūnų masės, r – atstumas tarp jų. Proporcingumo koeficientas (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) vadinamas gravitacinė konstanta.
Fizinė reikšmė: ši konstanta lygi traukos jėgai tarp dviejų 1 kg masės kūnų, esančių 1 m atstumu. Akivaizdu, kad mažų masių kūnams jėga yra tokia nereikšminga, kad gali būti apleistas. Planetų, žvaigždžių, galaktikų traukos jėga yra tokia didžiulė, kad visiškai nulemia jų judėjimą.
Tai Niutono gravitacijos dėsnis, kuriame teigiama, kad norint paleisti raketas, reikia kuro, kuris gali sukurti tokią reaktyvinio srauto trauką, kad įveiktų Žemės įtaką. Tam reikalingas greitis yra pirmasis pabėgimo greitis, kuris yra 8 km/s.
Šiuolaikinė raketų technologija leidžia paleisti nepilotuojamas stotis kaip dirbtinius Saulės palydovus į kitas planetas tyrinėti. Tokio prietaiso išvystomas greitis yra antrasis erdvės greitis, lygus 11 km/s.
Įstatymų taikymo algoritmas
Dinamikos uždavinių sprendimas priklauso nuo tam tikros veiksmų sekos:
- Analizuokite užduotį, nustatykite duomenis, judėjimo tipą.
- Nubraižykite brėžinį, nurodantį visas kūną veikiančias jėgas ir pagreičio kryptį (jei yra). Pasirinkite koordinačių sistemą.
- Parašykite pirmąjį arba antrąjį dėsnius, atsižvelgiant į prieinamumąkūno pagreitis, vektorinė forma. Atsižvelkite į visas jėgas (atsiduodančią jėgą, Niutono dėsnius: pirmąją, jei kūno greitis nesikeičia, antrąją, jei yra pagreitis).
- Perrašykite lygtį pasirinktų koordinačių ašių projekcijose.
- Jei gautos lygčių sistemos nepakanka, užsirašykite kitus: jėgų apibrėžimus, kinematikos lygtis ir kt.
- Išspręskite norimos reikšmės lygčių sistemą.
- Atlikite matmenų patikrą, kad nustatytumėte, ar gauta formulė yra teisinga.
- Apskaičiuoti.
Paprastai šių veiksmų pakanka bet kuriai standartinei užduočiai atlikti.
