Erinevate kehade liikumist ruumis füüsikas uurib spetsiaalne sektsioon - mehaanika. Viimane jaguneb omakorda kinemaatikaks ja dünaamikaks. Selles artiklis käsitleme mehaanika seadusi füüsikas, keskendudes kehade translatsiooni- ja pöörlemisliikumise dünaamikale.
Ajalooline taust
Kuidas ja miks kehad liiguvad, on filosoofe ja teadlasi huvitanud juba iidsetest aegadest. Niisiis uskus Aristoteles, et objektid liiguvad ruumis ainult seetõttu, et neile on mingi väline mõju. Kui see toime peatatakse, peatub keha koheselt. Paljud Vana-Kreeka filosoofid uskusid, et kõigi kehade loomulik seisund on puhkus.
Uue ajastu tulekuga hakkasid paljud teadlased uurima mehaanika liikumisseadusi. Tuleb märkida selliseid nimesid nagu Huygens, Hooke ja Galileo. Viimane arendas välja loodusnähtuste uurimise teadusliku lähenemise ja tegelikult avastas mehaanika esimese seaduse, mis aga ei kanna tema perekonnanime.
Aastal 1687 ilmus teaduslik väljaanne, mille autoriks oliInglane Isaac Newton. Oma teaduslikus töös sõnastas ta selgelt kehade ruumis liikumise põhiseadused, mis koos universaalse gravitatsiooniseadusega moodustasid aluse mitte ainult mehaanikale, vaid kogu kaasaegsele klassikalisele füüsikale.
Newtoni seaduste kohta
Neid nimetatakse ka klassikalise mehaanika seadusteks, erinev alt relativistlikust, mille postulaadid esitas 20. sajandi alguses Albert Einstein. Esimeses on ainult kolm peamist seadust, millele tugineb kogu füüsikaharu. Neid nimetatakse nii:
- Inertsiseadus.
- Jõu ja kiirenduse vahelise seose seadus.
- Toime ja reaktsiooni seadus.
Miks need kolm seadust on peamised? See on lihtne, neist saab tuletada mis tahes mehaanika valemi, kuid ükski teoreetiline põhimõte ei vii nendeni. Need seadused tulenevad eranditult paljudest vaatlustest ja katsetest. Nende paikapidavust kinnitab nende abil saadud ennustuste usaldusväärsus erinevate ülesannete lahendamisel praktikas.
Inertsiseadus
Newtoni esimene seadus mehaanikas ütleb, et iga keha säilitab ilma välismõjuta puhkeoleku või sirgjoonelise liikumise mis tahes inertsiaalses tugiraamistikus.
Selle seaduse mõistmiseks tuleb mõista aruandlussüsteemi. Seda nimetatakse inertsiaalseks ainult siis, kui see vastab sätestatud seadusele. Teisisõnu, inertsiaalsüsteemis puudubon fiktiivseid jõude, mida vaatlejad tunnetaksid. Näiteks ühtlaselt ja sirgjooneliselt liikuvat süsteemi võib pidada inertsiaalseks. Teisest küljest on süsteem, mis pöörleb ühtlaselt ümber telje, fiktiivse tsentrifugaaljõu tõttu mitteinertsiaalne.
Inertsiseadus määrab põhjuse, miks liikumise olemus muutub. See põhjus on välise jõu olemasolu. Pange tähele, et kehale võivad mõjuda mitmed jõud. Sel juhul tuleb need liita vastav alt vektorite reeglile, kui tekkiv jõud on võrdne nulliga, siis keha jätkab ühtlast liikumist. Samuti on oluline mõista, et klassikalises mehaanikas ei ole keha ühtlasel liikumisel ja puhkeolekul vahet.
Newtoni teine seadus
Ta ütleb, et keha ruumis liikumise olemuse muutmise põhjuseks on sellele rakendatud välise nullist erineva jõu olemasolu. Tegelikult on see seadus eelmise jätk. Selle matemaatiline tähistus on järgmine:
F¯=ma¯.
Siin on suurus a¯ kiirendus, mis kirjeldab kiirusvektori muutumise kiirust, m on keha inertsiaalmass. Kuna m on alati suurem kui null, näitavad jõu- ja kiirendusvektorid samas suunas.
Vaatatav seadus on rakendatav väga paljudele mehaanika nähtustele, näiteks vabalangemise protsessi kirjeldamisele, auto kiirendusega liikumisele, varda libisemisele piki kaldtasapinda, võnkumisele pendlist,vedrukaalude pinge ja nii edasi. Võib kindl alt öelda, et see on dünaamika peamine seadus.
Momentum ja Momentum
Kui pöörduda otse Newtoni teadusliku töö poole, on näha, et teadlane ise sõnastas mehaanika teise seaduse mõnevõrra teisiti:
Fdt=dp, kus p=mv.
Väärtust p nimetatakse impulsiks. Paljud nimetavad seda ekslikult keha impulsiks. Liikumise maht on inertsiaalenergia karakteristik, mis võrdub keha massi ja kiiruse korrutisega.
Muuda impulsi mingi väärtuse dp võrra saab teha ainult kehale ajavahemikul dt mõjuva välisjõu F toimel. Jõu ja selle toime kestuse korrutist nimetatakse jõu impulsiks või lihts alt impulsiks.
Kahe keha põrkumisel mõjub nende vahel kokkupõrkejõud, mis muudab iga keha impulssi, kuid kuna see jõud on kahe uuritava keha süsteemi suhtes sisemine, ei too see kaasa muutust süsteemi koguhoos. Seda fakti nimetatakse impulsi jäävuse seaduseks.
Keeruta kiirendusega
Kui Newtoni sõnastatud mehaanikaseadust rakendada pöörlemise liikumisele, saadakse järgmine avaldis:
M=Iα.
Siin M – nurkimpulss – see on väärtus, mis näitab jõu võimet teha süsteemis pööret. Jõumoment arvutatakse vektori jõu ja raadiusvektori korrutisena, mis on suunatud teljestrakenduspunkt. Suurus I on inertsimoment. Nagu jõumoment, sõltub see pöörleva süsteemi parameetritest, eelkõige kehamassi geomeetrilisest jaotusest telje suhtes. Lõpuks on väärtus α nurkkiirendus, mis võimaldab teil määrata, mitu radiaani sekundis nurkkiirus muutub.
Kui vaatate hoolik alt kirjutatud võrrandit ja teete analoogia selle väärtuste ja teise Newtoni seaduse näitajate vahel, saame nende täieliku identiteedi.
Toime ja reaktsiooni seadus
Meil jääb üle mõelda mehaanika kolmandale seadusele. Kui kaks esimest sõnastasid nii või teisiti Newtoni eelkäijad ja teadlane ise andis neile vaid harmoonilise matemaatilise kuju, siis kolmas seadus on suure inglase algne vaimusünnitus. Niisiis, see ütleb: kui kaks keha puutuvad kokku, on nende vahel mõjuvad jõud võrdse suurusega ja vastupidised. Lühid alt võib öelda, et iga tegevus põhjustab reaktsiooni.
F12¯=-F21¯.
Siin F12¯ ja F21¯ - toimib 1. keha küljelt 2. keha külge ja 2. keha küljelt vastav alt 1. tugevusele.
Seal on palju näiteid, mis seda seadust kinnitavad. Näiteks hüppe ajal tõrjutakse inimene maapinn alt eemale, viimane ajab ta üles. Sama kehtib ka jalutajaga kõndimise ja ujuja basseini sein alt mahatõukamise kohta. Teine näide, kui vajutate käega lauale, on tunda vastupidist.laua mõju käele, mida nimetatakse toe reaktsioonijõuks.
Newtoni kolmanda seaduse rakendamise ülesandeid lahendades ei tohi unustada, et mõjujõud ja reaktsioonijõud rakenduvad erinevatele kehadele, mistõttu annavad need neile erineva kiirenduse.
