Skirtingų kūnų judėjimą erdvėje fizikoje tiria specialus skyrius – mechanika. Pastaroji, savo ruožtu, skirstoma į kinematiką ir dinamiką. Šiame straipsnyje apžvelgsime fizikos mechanikos dėsnius, daugiausia dėmesio skirdami kūnų transliacinio ir sukamojo judėjimo dinamikai.
Istorijos fonas
Kaip ir kodėl kūnai juda, filosofus ir mokslininkus domino nuo senų senovės. Taigi Aristotelis manė, kad objektai erdvėje juda tik todėl, kad jiems yra daroma tam tikra išorinė įtaka. Jei šis poveikis bus sustabdytas, kūnas iš karto sustos. Daugelis senovės graikų filosofų tikėjo, kad natūrali visų kūnų būsena yra poilsis.
Atėjus Naujajam amžiui, daugelis mokslininkų pradėjo tyrinėti mechanikos judėjimo dėsnius. Reikėtų pažymėti tokius pavadinimus kaip Huygens, Hooke ir Galileo. Pastarasis sukūrė mokslinį požiūrį į gamtos reiškinių tyrimą ir, tiesą sakant, atrado pirmąjį mechanikos dėsnį, kuris vis dėlto neturi jo pavardės.
1687 m. buvo išleistas mokslinis leidinys, kurio autoriusanglas Izaokas Niutonas. Savo moksliniame darbe jis aiškiai suformulavo pagrindinius kūnų judėjimo erdvėje dėsnius, kurie kartu su visuotinės gravitacijos dėsniu sudarė ne tik mechanikos, bet ir visos šiuolaikinės klasikinės fizikos pagrindą.
Apie Niutono dėsnius
Jie taip pat vadinami klasikinės mechanikos dėsniais, priešingai nei reliatyvistiniai, kurių postulatus XX amžiaus pradžioje išdėstė Albertas Einšteinas. Pirmajame yra tik trys pagrindiniai dėsniai, kuriais remiasi visa fizikos šaka. Jie vadinami taip:
- Inercijos dėsnis.
- Jėgos ir pagreičio santykio dėsnis.
- Veiksmo ir reakcijos dėsnis.
Kodėl šie trys dėsniai yra pagrindiniai? Tai paprasta, iš jų galima išvesti bet kokią mechanikos formulę, tačiau joks teorinis principas prie jų neveda. Šie dėsniai išimtinai išplaukia iš daugybės stebėjimų ir eksperimentų. Jų pagrįstumą patvirtina jų pagalba gautų prognozių patikimumas sprendžiant įvairias problemas praktiškai.
Inercijos įstatymas
Pirmasis Niutono dėsnis mechanikoje sako, kad bet koks kūnas, nesant išorinio poveikio, išlaikys ramybės būseną arba tiesinį judėjimą bet kurioje inercinėje atskaitos sistemoje.
Norint suprasti šį įstatymą, reikia suprasti ataskaitų teikimo sistemą. Ji vadinama inercine tik tada, kai atitinka nurodytą dėsnį. Kitaip tariant, inercinėje sistemoje nėrayra fiktyvių jėgų, kurias jaustų stebėtojai. Pavyzdžiui, sistema, judanti tolygiai ir tiesia linija, gali būti laikoma inercine. Kita vertus, sistema, kuri tolygiai sukasi apie ašį, yra neinercinė dėl joje esančios fiktyvios išcentrinės jėgos.
Inercijos dėsnis nustato priežastį, kodėl keičiasi judėjimo pobūdis. Ši priežastis yra išorinės jėgos buvimas. Atminkite, kad kūną gali veikti kelios jėgos. Tokiu atveju jie turi būti pridedami pagal vektorių taisyklę, jei gaunama jėga lygi nuliui, tada kūnas tęs tolygų judėjimą. Taip pat svarbu suprasti, kad klasikinėje mechanikoje nėra skirtumo tarp vienodo kūno judėjimo ir jo ramybės būsenos.
Antrasis Niutono dėsnis
Jis teigia, kad kūno judėjimo erdvėje pobūdį keičianti priežastis yra išorinės, nulinės jėgos, veikiančios jį. Tiesą sakant, šis įstatymas yra ankstesnio tęsinys. Jo matematinė žyma yra tokia:
F¯=ma¯.
Čia dydis a¯ yra pagreitis, apibūdinantis greičio vektoriaus kitimo greitį, m yra kūno inercinė masė. Kadangi m visada didesnis už nulį, jėgos ir pagreičio vektoriai nukreipti ta pačia kryptimi.
Nagrinėjamas dėsnis taikomas daugeliui mechanikos reiškinių, pavyzdžiui, aprašant laisvojo kritimo procesą, judėjimą su automobilio pagreičiu, strypo slydimą išilgai nuožulnios plokštumos, svyravimą. iš švytuoklės,spyruoklinių svarstyklių įtempimas ir pan. Galima drąsiai teigti, kad tai pagrindinis dinamikos dėsnis.
Pagreitis ir pagreitis
Jei pažvelgsite tiesiai į Niutono mokslinį darbą, pamatysite, kad pats mokslininkas antrąjį mechanikos dėsnį suformulavo kiek kitaip:
Fdt=dp, kur p=mv.
Vertė p vadinama impulsu. Daugelis klaidingai tai vadina kūno impulsu. Judesio kiekis yra inercinės energijos charakteristika, lygi kūno masės ir jo greičio sandaugai.
Pakeisti impulsą tam tikra reikšme dp galima tik išorinei jėgai F, veikiančiai kūną laiko intervalu dt. Jėgos ir jos veikimo trukmės sandauga vadinama jėgos impulsu arba tiesiog impulsu.
Kai susiduria du kūnai, tarp jų veikia susidūrimo jėga, kuri keičia kiekvieno kūno impulsą, tačiau kadangi ši jėga yra vidinė dviejų tiriamų kūnų sistemos atžvilgiu, ji nekeičia bendrame sistemos impulse. Šis faktas vadinamas impulso išsaugojimo dėsniu.
Sukite su pagreičiu
Jei Niutono suformuluotas mechanikos dėsnis taikomas sukimosi judesiui, bus gauta tokia išraiška:
M=Iα.
Čia M – kampinis momentas – tai reikšmė, rodanti jėgos gebėjimą apsisukti sistemoje. Jėgos momentas apskaičiuojamas kaip vektoriaus jėgos ir spindulio vektoriaus, nukreipto nuo ašies įtaikymo taškas. Dydis I yra inercijos momentas. Kaip ir jėgos momentas, jis priklauso nuo besisukančios sistemos parametrų, ypač nuo geometrinio kūno masės pasiskirstymo ašies atžvilgiu. Galiausiai vertė α yra kampinis pagreitis, leidžiantis nustatyti, kiek radianų per sekundę keičiasi kampinis greitis.
Jei atidžiai pažvelgsite į parašytą lygtį ir padarysite analogiją tarp jos reikšmių ir antrojo Niutono dėsnio rodiklių, gausime visą jų tapatybę.
Veiksmo ir reakcijos dėsnis
Mums belieka apsvarstyti trečiąjį mechanikos dėsnį. Jei pirmuosius du vienaip ar kitaip suformulavo Niutono pirmtakai, o pats mokslininkas jiems suteikė tik darnią matematinę formą, tai trečiasis dėsnis yra originalus didžiojo anglo protas. Taigi, sakoma: jei du kūnai liečiasi jėga, tai tarp jų veikiančios jėgos yra vienodo dydžio ir priešingos krypties. Trumpiau tariant, galime pasakyti, kad bet koks veiksmas sukelia reakciją.
F12¯=-F21¯.
Čia F12¯ ir F21¯ - veikia nuo 1-ojo kūno pusės iki 2-ojo ir iš 2-ojo kūno pusės atitinkamai iki 1 stiprumo.
Yra daug pavyzdžių, patvirtinančių šį dėsnį. Pavyzdžiui, šuolio metu žmogus atstumiamas nuo žemės paviršiaus, pastarasis jį stumia aukštyn. Tas pats pasakytina apie vaikščiojimą vaikštyne ir stumdymąsi nuo plaukiko baseino sienos. Kitas pavyzdys, jei spaudžiate ranką ant stalo, tada jaučiamas priešingas.stalo poveikis rankai, kuris vadinamas atramos reakcijos jėga.
Spręsdami trečiojo Niutono dėsnio taikymo uždavinius, nereikėtų pamiršti, kad veikimo jėga ir reakcijos jėga veikia skirtingus kūnus, todėl suteikia jiems skirtingą pagreitį.
