Loodusnähtuste uurimine katse põhjal on võimalik ainult siis, kui vaadeldakse kõiki etappe: vaatlus, hüpotees, eksperiment, teooria. Vaatlus paljastab ja võrdleb fakte, hüpotees võimaldab anda neile üksikasjaliku teadusliku seletuse, mis nõuab eksperimentaalset kinnitust. Kehade liikumise jälgimine viis huvitava järelduseni: keha kiiruse muutumine on võimalik ainult teise keha mõjul.
Näiteks kui jooksete kiiresti trepist üles, peate pöördel lihts alt piirdest kinni haarama (liikumissuunda muutes) või peatuma (kiiruse väärtust muutes), et mitte põrkuda vastasseina.
Sarnaste nähtuste vaatluste tulemusel loodi füüsikaharu, mis uurib kehade kiiruse muutumise või nende deformatsiooni põhjuseid.
Dünaamika põhitõed
Dynamics on kutsutud vastama sakramentaalsele küsimusele, miks füüsiline keha ühel või teisel viisil liigub või puhkab.
Mõelge puhkeolekule. Liikumise relatiivsusteooria kontseptsioonist lähtudes võime järeldada: absoluutselt liikumatuid kehasid ei ole ega saagi olla. Ükskõik millineobjekt, olles ühe võrdluskeha suhtes liikumatu, liigub teise suhtes. Näiteks laual lebav raamat on laua suhtes liikumatu, kuid kui arvestada selle asendit mööduva inimese suhtes, siis teeme loomuliku järelduse: raamat liigub.
Seetõttu vaadeldakse kehade liikumisseadusi inertsiaalsetes tugisüsteemides. Mis see on?
Nimetatakse inertsiaalset tugiraamistikku, milles keha on puhkeasendis või sooritab ühtlast ja sirgjoonelist liikumist, eeldusel, et sellele ei avalda mõju teised objektid või objektid.
Ül altoodud näites võib tabeliga seotud tugiraamistikku nimetada inertsiaalseks. Inimene, kes liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt, võib olla ISO võrdlusraamistikuks. Kui selle liikumine on kiirendatud, siis on sellega võimatu seostada inertsiaalset CO-d.
Tegelikult saab sellist süsteemi korreleerida Maa pinnale jäig alt kinnitatud kehadega. Planeet ise ei saa aga olla IFR-i võrdluskehaks, kuna see pöörleb ühtlaselt ümber oma telje. Pinnal olevatel kehadel on tsentripetaalne kiirendus.
Mis on hoog?
Inertsi nähtus on otseselt seotud ISO-ga. Pea meeles, mis juhtub, kui liikuv auto järsult peatub? Reisijad on oma teekonda jätkates ohus. Selle saab peatada ees oleva istme või turvavöö abil. Seda protsessi seletab reisija inerts. Kas see on õige?
Inerts on säilimist eeldav nähtuskeha püsikiirus, kui teised kehad sellele ei mõjuta. Reisija on turvavööde või istmete mõju all. Inertsi nähtust siin ei täheldata.
Seletus peitub keha omadustes ja selle järgi on võimatu objekti kiirust koheselt muuta. See on inerts. Näiteks elavhõbeda inertsus termomeetris võimaldab langetada latti, kui termomeetrit raputada.
Inertsi mõõtu nimetatakse keha massiks. Suheldes muutub kiirus väiksema massiga kehade puhul kiiremini. Viimase jaoks kulgeb auto kokkupõrge betoonseinaga peaaegu jäljetult. Autos toimuvad kõige sagedamini pöördumatud muutused: kiirus muutub, ilmnevad olulised deformatsioonid. Selgub, et betoonseina inerts ületab oluliselt auto inertsust.
Kas looduses on võimalik kohata inertsi fenomeni? Tingimus, milles keha on ilma ühenduseta teiste kehadega, on süvakosmos, milles kosmoselaev liigub väljalülitatud mootoritega. Kuid isegi sel juhul on gravitatsioonimoment olemas.
Põhikogused
Dünaamika uurimine eksperimentaalsel tasemel hõlmab katsetamist füüsikaliste suuruste mõõtmisega. Kõige huvitavam:
- kiirendus kui kehade kiiruse muutumise kiiruse mõõt; tähistage seda tähega a, mõõtke m/s2;
- mass inertsi mõõduna; tähistatud tähega m, mõõdetuna kg;
- jõud kehade vastastikuse toime mõõdupuuna; kõige sagedamini tähistatakse tähega F, mõõdetuna N (njuutonites).
Nende koguste vaheline seosvälja toodud kolme mustrina, mille on tuletanud suurim inglise füüsik. Newtoni seadused on loodud selleks, et selgitada erinevate kehade vastastikmõju keerukust. Nagu ka protsessid, mis neid haldavad. Just mõisted "kiirendus", "jõud", "mass" seovad Newtoni seadused matemaatiliste seostega. Proovime aru saada, mida see tähendab.
Ainult ühe jõu mõju on erandlik nähtus. Näiteks Maa ümber tiirlevat tehissatelliiti mõjutab ainult gravitatsioon.
Tulemus
Mitme jõu tegevust saab asendada ühe jõuga.
Kehale mõjuvate jõudude geomeetrilist summat nimetatakse resultandiks.
Me räägime geomeetrilisest summast, kuna jõud on vektorsuurus, mis ei sõltu ainult rakenduspunktist, vaid ka toimesuunast.
Näiteks kui teil on vaja kolida üsna massiivne riidekapp, võite kutsuda sõpru. Koos saavutame soovitud tulemuse. Kuid võite kutsuda ainult ühe väga tugeva inimese. Tema pingutus on võrdne kõigi sõprade tegevusega. Kangelase rakendatud jõudu võib nimetada resultantiks.
Newtoni liikumisseadused on sõnastatud "tulemuse" kontseptsiooni alusel.
Inertsiseadus
Hakkake Newtoni seadusi uurima kõige tavalisema nähtusega. Esimest seadust nimetatakse tavaliselt inertsiseaduseks, kuna see määrab kindlaks kehade ühtlase sirgjoonelise liikumise põhjused või kehade puhkeoleku.
Keha liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt võitoetub, kui sellele jõud ei mõju või see tegevus kompenseeritakse.
Võib väita, et resultant on sel juhul võrdne nulliga. Sellises olekus on näiteks sirgel teelõigul ühtlase kiirusega liikuv auto. Tõmbejõu mõju kompenseerib toe reaktsioonijõud ja mootori tõukejõud on absoluutväärtuses võrdne liikumistakistusjõuga.
Lühter toetub laele, kuna gravitatsioonijõud kompenseeritakse selle kinnitusdetailide pingega.
Kompenseerida saab ainult neid jõude, mis mõjuvad ühele kehale.
Newtoni teine seadus
Lähme edasi. Põhjuseid, mis põhjustavad kehade kiiruse muutumist, käsitleb Newtoni teine seadus. Millest ta räägib?
Kehale mõjuvate jõudude resultant on määratletud kui keha massi ja jõudude mõjul saavutatud kiirenduse korrutis.
2 Newtoni seadus (valem: F=ma) ei kehtesta kahjuks põhjuslikke seoseid kinemaatika ja dünaamika põhimõistete vahel. Ta ei suuda täpselt kindlaks teha, mis põhjustab kehade kiirenemist.
Sõnastame teisiti: kehale vastuvõetav kiirendus on võrdeline resultantjõududega ja pöördvõrdeline keha massiga.
Seega saab kindlaks teha, et kiiruse muutus toimub ainult sõltuv alt sellele rakendatavast jõust ja keha massist.
2 Newtoni seadust, mille valem võib olla järgmine: a=F/m, peetakse vektorkujul põhiliseks, kuna see võimaldabluua seoseid füüsikaharude vahel. Siin on a keha kiirendusvektor, F on jõudude resultant, m on keha mass.
Auto kiirendatud liikumine on võimalik, kui mootorite veojõud ületab liikumistakistusjõu. Tõukejõu kasvades suureneb ka kiirendus. Veoautod on varustatud suure võimsusega mootoritega, kuna nende mass on palju suurem kui sõiduauto mass.
Kiirsõiduks mõeldud tulepallid on valgustatud nii, et nende külge kinnitatakse minimaalselt vajalikud osad ning mootori võimsus tõstetakse võimalike piiridesse. Sportautode üks olulisemaid omadusi on kiirendusaeg kuni 100 km/h. Mida lühem on see ajavahemik, seda paremad on auto kiirusomadused.
Intektsiooniseadus
Newtoni seadused, mis põhinevad loodusjõududel, väidavad, et igasuguse vastasmõjuga kaasneb jõudude paari ilmumine. Kui pall ripub niidil, kogeb see oma tegevust. Sel juhul venitatakse niit ka kuuli mõjul.
Kolmanda seaduspärasuse sõnastus täiendab Newtoni seadusi. Lühid alt kõlab see nii: tegevus võrdub reaktsiooniga. Mida see tähendab?
Jõud, millega kehad üksteisele mõjuvad, on suuruselt võrdsed, vastassuunalised ja suunatud piki kehade keskpunkte ühendavat joont. Huvitaval kombel ei saa neid nimetada kompenseerituks, kuna need toimivad erinevatele kehadele.
Seaduste jõustamine
Kuulus "Hobuse ja vankri" probleem võib segadust tekitada. Nimetatud vankri külge kinnitatud hobune liigutab sedakohast. Vastav alt Newtoni kolmandale seadusele mõjuvad need kaks objekti üksteisele võrdsete jõududega, kuid praktikas võib hobune liigutada vankrit, mis ei mahu mustri alustesse.
Lahendus leitakse, kui arvestada, et see kehade süsteem ei ole suletud. Teel on oma mõju mõlemale kehale. Hobuse kabjadele mõjuv staatiline hõõrdejõud ületab vankri rataste veerehõõrdejõu. Liikumise hetk algab ju katsest vagunit liigutada. Kui asend muutub, ei liiguta hobune seda mingil juhul oma koh alt. Tema kabjad libisevad teel ja liikumist ei toimu.
Lapsepõlves üksteist kelgutades võis igaüks sellise näitega kokku puutuda. Kui kelgul istub kaks või kolm last, siis ühe lapse pingutustest nende liigutamiseks ilmselgelt ei piisa.
Aristotelese selgitatud kehade langemist maapinnale ("Iga keha teab oma kohta") saab eelneva põhjal ümber lükata. Objekt liigub Maa poole sama jõu mõjul, nagu Maa liigub tema poole. Võrreldes nende parameetreid (Maa mass on palju suurem kui keha mass), kinnitame vastav alt Newtoni teisele seadusele, et objekti kiirendus on sama mitu korda suurem kui Maa kiirendus. Me jälgime keha kiiruse muutumist, Maa ei liigu oma orbiidilt.
Rakendatavuse piirangud
Kaasaegne füüsika ei eita Newtoni seadusi, vaid kehtestab ainult nende rakendatavuse piirid. Kuni 20. sajandi alguseni ei kahelnud füüsikud, et need seadused selgitavad kõiki loodusnähtusi.
1, 2, 3 seadusNewton paljastab täielikult makroskoopiliste kehade käitumise põhjused. Need postulaadid kirjeldavad täielikult objektide liikumist tühise kiirusega.
Katse selgitada nende põhjal valguse kiirusele lähedase kiirusega kehade liikumist on määratud läbikukkumisele. Ruumi ja aja omaduste täielik muutumine nendel kiirustel ei võimalda kasutada Newtoni dünaamikat. Lisaks muudavad seadused oma vormi mitteinertsiaalsetes FR-des. Nende rakendamiseks võetakse kasutusele inertsiaaljõu mõiste.
Newtoni seadused võivad selgitada astronoomiliste kehade liikumist, nende asukoha ja vastastikmõju reegleid. Selleks võetakse kasutusele universaalse gravitatsiooni seadus. Väikeste kehade külgetõmbe tulemust on võimatu näha, sest jõud on napp.
Vastastikune külgetõmme
On legend, mille kohaselt aias istunud ja õunte kukkumist jälginud härra Newtonil tekkis geniaalne idee: selgitada Maa pinna lähedal asuvate objektide liikumist ja nende liikumist. ruumikehad vastastikuse külgetõmbe alusel. See pole tõest nii kaugel. Vaatlused ja täpne arvutus ei puudutanud mitte ainult õunte kukkumist, vaid ka Kuu liikumist. Selle liikumise seadused viivad järeldusele, et külgetõmbejõud suureneb koos vastasmõjus olevate kehade masside suurenemisega ja väheneb nendevahelise kauguse suurenedes.
Newtoni teisele ja kolmandale seadusele tuginedes on universaalse gravitatsiooni seadus sõnastatud järgmiselt: kõik universumi kehad tõmbuvad üksteise poole jõuga, mis on suunatud piki kehade keskpunkte ühendavat joont, mis on võrdeline kehade massid japöördvõrdeline kehade keskpunktide vahelise kauguse ruuduga.
Matemaatiline tähistus: F=GMm/r2, kus F on tõmbejõud, M, m on vastastikmõjus olevate kehade massid, r on nendevaheline kaugus. Proportsionaalsuskoefitsienti (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) nimetatakse gravitatsioonikonstant.
Füüsiline tähendus: see konstant on võrdne tõmbejõuga kahe 1 kg massiga keha vahel 1 m kaugusel. On selge, et väikese massiga kehade puhul on jõud nii tühine, et seda saab tähelepanuta jäetud. Planeetide, tähtede ja galaktikate jaoks on külgetõmbejõud nii suur, et see määrab täielikult nende liikumise.
See on Newtoni gravitatsiooniseadus, mis ütleb, et rakettide käivitamiseks on vaja kütust, mis suudab tekitada reaktiivtõukejõu, et ületada Maa mõju. Selleks vajalik kiirus on esimene põgenemiskiirus, mis on 8 km/s.
Kaasaegne raketitehnoloogia võimaldab saata mehitamata jaamu Päikese tehissatelliitidena teistele planeetidele, et neid uurida. Sellise seadme poolt välja töötatud kiirus on teine ruumikiirus, mis on võrdne 11 km/s.
Seaduste rakendamise algoritm
Dünaamikaprobleemide lahendamine sõltub teatud toimingute jadast:
- Analüüsige ülesannet, tuvastage andmed, liikumise tüüp.
- Joonistage joonis, millel on näidatud kõik kehale mõjuvad jõud ja kiirenduse suund (kui on). Valige koordinaatsüsteem.
- Sõltuv alt saadavusest kirjutage esimene või teine seaduskeha kiirendus, vektorkujul. Arvestage kõiki jõude (tulemusjõud, Newtoni seadused: esimene, kui keha kiirus ei muutu, teine, kui on kiirendus).
- Kirjutage võrrand ümber projektsioonides valitud koordinaattelgedel.
- Kui saadud võrrandisüsteemist ei piisa, siis kirjuta üles muud: jõudude definitsioonid, kinemaatika võrrandid jne.
- Lahendage võrrandisüsteem soovitud väärtuse jaoks.
- Kontrollige mõõtmeid, et teha kindlaks, kas saadud valem on õige.
- Arvuta.
Tavaliselt piisab nendest sammudest iga tavatoimingu jaoks.
