Studiul fenomenelor naturale pe baza unui experiment este posibil numai dacă sunt respectate toate etapele: observație, ipoteză, experiment, teorie. Observarea va dezvălui și compara faptele, ipoteza face posibilă oferirea lor de o explicație științifică detaliată care necesită confirmare experimentală. Observarea mișcării corpurilor a condus la o concluzie interesantă: o modificare a vitezei unui corp este posibilă numai sub influența altui corp.
De exemplu, dacă alergi rapid pe scări, atunci la viraj trebuie doar să apuci balustrada (schimbând direcția de mișcare) sau să te oprești (schimbând valoarea vitezei) pentru a nu te ciocni cu peretele opus.
Observațiile unor fenomene similare au dus la crearea unei ramuri a fizicii care studiază cauzele modificărilor vitezei corpurilor sau deformării acestora.
Noțiuni de bază privind dinamica
Dynamics este chemat să răspundă la întrebarea sacramentală de ce corpul fizic se mișcă într-un fel sau altul sau este în repaus.
Luați în considerare starea de odihnă. Pe baza conceptului de relativitate a mișcării, putem concluziona: nu există și nu pot exista corpuri absolut nemișcate. Oriceun obiect, fiind nemișcat față de un corp de referință, se mișcă față de altul. De exemplu, o carte întinsă pe o masă este nemișcată în raport cu masă, dar dacă luăm în considerare poziția ei în raport cu o persoană care trece, tragem o concluzie firească: cartea se mișcă.
De aceea, legile mișcării corpurilor sunt considerate în cadre de referință inerțiale. Ce este?
Se numește cadru de referință inerțial, în care corpul este în repaus sau efectuează o mișcare uniformă și rectilinie, cu condiția să nu existe influența altor obiecte sau obiecte asupra acestuia.
În exemplul de mai sus, cadrul de referință asociat tabelului poate fi numit inerțial. O persoană care se mișcă uniform și în linie dreaptă poate servi ca cadru de referință pentru ISO. Dacă mișcarea sa este accelerată, atunci este imposibil să-i asociezi un CO inerțial.
De fapt, un astfel de sistem poate fi corelat cu corpuri fixate rigid pe suprafața Pământului. Cu toate acestea, planeta în sine nu poate servi ca corp de referință pentru IFR, deoarece se rotește uniform în jurul propriei axe. Corpurile de la suprafață au accelerație centripetă.
Ce este impulsul?
Fenomenul de inerție este direct legat de ISO. Vă amintiți ce se întâmplă dacă o mașină în mișcare se oprește brusc? Pasagerii sunt în pericol în timp ce își continuă călătoria. Poate fi oprit de un scaun din față sau de centurile de siguranță. Acest proces se explică prin inerția pasagerului. Este corect?
Inerția este un fenomen care presupune conservareaviteza constantă a corpului în absența influenței altor corpuri asupra acestuia. Pasagerul se află sub influența centurilor sau a scaunelor. Fenomenul de inerție nu este observat aici.
Explicația constă în proprietatea corpului și, conform acesteia, este imposibil să schimbi instantaneu viteza unui obiect. Aceasta este inerția. De exemplu, inerția mercurului dintr-un termometru face posibilă scăderea barei dacă scuturăm termometrul.
Măsura inerției se numește masa corpului. Când interacționează, viteza se schimbă mai repede pentru corpurile cu masă mai mică. Ciocnirea unei mașini cu un perete de beton pentru acesta din urmă are loc aproape fără urmă. Mașina suferă cel mai adesea modificări ireversibile: modificări de viteză, apar deformații semnificative. Se pare că inerția unui perete de beton depășește semnificativ inerția unei mașini.
Este posibil să întâlnim fenomenul de inerție în natură? Condiția în care corpul este fără interconectare cu alte corpuri este spațiul adânc, în care nava spațială se mișcă cu motoarele oprite. Dar chiar și în acest caz, momentul gravitațional este prezent.
Cantități de bază
Studiarea dinamicii la nivel experimental presupune experimentarea cu măsurători ale mărimilor fizice. Cel mai interesant:
- accelerare ca măsură a vitezei de schimbare a vitezei corpurilor; desemnați-l cu litera a, măsurați în m/s2;
- masă ca măsură a inerției; marcat cu litera m, măsurat în kg;
- forța ca măsură a acțiunii reciproce a corpurilor; cel mai adesea notat cu litera F, măsurată în N (newtoni).
Relația dintre aceste cantitățistabilite în trei modele, derivate de cel mai mare fizician englez. Legile lui Newton sunt concepute pentru a explica complexitatea interacțiunii diferitelor corpuri. Precum și procesele care le gestionează. Conceptele de „accelerare”, „forță”, „masă” sunt cele pe care legile lui Newton le leagă de relațiile matematice. Să încercăm să ne dăm seama ce înseamnă.
Acțiunea unei singure forțe este un fenomen excepțional. De exemplu, un satelit artificial care orbitează Pământul este afectat doar de gravitație.
Rezultant
Acțiunea mai multor forțe poate fi înlocuită cu o singură forță.
Suma geometrică a forțelor care acționează asupra unui corp se numește rezultanta.
Vorbim despre o sumă geometrică, deoarece forța este o mărime vectorială, care depinde nu numai de punctul de aplicare, ci și de direcția acțiunii.
De exemplu, dacă trebuie să mutați o garderobă destul de masivă, puteți invita prieteni. Împreună obținem rezultatul dorit. Dar nu poți invita decât o singură persoană foarte puternică. Efortul lui este egal cu acțiunea tuturor prietenilor. Forța aplicată de erou poate fi numită rezultată.
Legile mișcării lui Newton sunt formulate pe baza conceptului de „rezultant”.
Legea inerției
Începeți să studiați legile lui Newton cu cel mai frecvent fenomen. Prima lege se numește de obicei legea inerției, deoarece stabilește cauzele mișcării rectilinie uniforme sau starea de repaus a corpurilor.
Corpul se mișcă uniform și rectiliniu sause odihnește dacă nu acționează nicio forță asupra acestuia sau această acțiune este compensată.
Se poate argumenta că rezultanta în acest caz este egală cu zero. În această stare se află, de exemplu, o mașină care se deplasează cu o viteză constantă pe o porțiune dreaptă a drumului. Acțiunea forței de atracție este compensată de forța de reacție a suportului, iar forța de împingere a motorului este egală în valoare absolută cu forța de rezistență la mișcare.
Candelabru se sprijină pe tavan, deoarece forța gravitațională este compensată de tensiunea dispozitivelor sale.
Numai acele forțe care sunt aplicate unui singur corp pot fi compensate.
A doua lege a lui Newton
Să mergem mai departe. Motivele care provoacă o modificare a vitezei corpurilor sunt considerate de legea a doua a lui Newton. Despre ce vorbește?
Rezultanța forțelor care acționează asupra unui corp este definită ca produsul dintre masa corpului și accelerația dobândită sub acțiunea forțelor.
2 Legea lui Newton (formula: F=ma), din păcate, nu stabilește relații cauzale între conceptele de bază ale cinematicii și dinamicii. El nu poate identifica exact ce cauzează accelerarea corpului.
Să o formulăm altfel: accelerația primită de corp este direct proporțională cu forțele rezultante și invers proporțională cu masa corpului.
Astfel, se poate stabili că modificarea vitezei are loc numai în funcție de forța aplicată acesteia și de masa corpului.
2 Legea lui Newton, a cărei formulă poate fi următoarea: a=F/m, este considerată fundamentală sub formă vectorială, deoarece face posibilăstabilirea legăturilor între ramurile fizicii. Aici, a este vectorul de accelerație al corpului, F este rezultanta forțelor, m este masa corpului.
Mișcarea accelerată a mașinii este posibilă dacă forța de tracțiune a motoarelor depășește forța de rezistență la mișcare. Pe măsură ce forța crește, crește și accelerația. Camioanele sunt echipate cu motoare de mare putere, deoarece masa lor este mult mai mare decât masa unui autoturism.
Mingele de foc concepute pentru cursele de mare viteză sunt ușoare astfel încât să fie atașate părțile minime necesare, iar puterea motorului să fie crescută la limitele posibile. Una dintre cele mai importante caracteristici ale mașinilor sport este timpul de accelerare până la 100 km/h. Cu cât acest interval de timp este mai scurt, cu atât proprietățile de viteză ale mașinii sunt mai bune.
Legea interacțiunii
Legile lui Newton, bazate pe forțele naturii, afirmă că orice interacțiune este însoțită de apariția unei perechi de forțe. Dacă mingea atârnă de un fir, atunci își experimentează acțiunea. În acest caz, firul este întins și sub acțiunea mingii.
Formularea celei de-a treia regularități completează legile lui Newton. Pe scurt, sună așa: acțiunea înseamnă reacție. Ce înseamnă asta?
Forțele cu care corpurile acționează unul asupra celuil alt sunt egale ca mărime, opuse ca direcție și direcționate de-a lungul liniei care leagă centrele corpurilor. Interesant este că nu pot fi numite compensate, deoarece acţionează asupra unor corpuri diferite.
Aplicarea legilor
Renumita problemă „Cal și căruță” poate fi confuză. Calul înhămat la căruța menționată îl mișcădin loc. În conformitate cu cea de-a treia lege a lui Newton, aceste două obiecte acționează unul asupra celuil alt cu forțe egale, dar în practică un cal poate mișca o căruță, care nu se încadrează în fundațiile modelului.
Soluția se găsește dacă ținem cont că acest sistem de corpuri nu este închis. Drumul își are efectul asupra ambelor corpuri. Forța de frecare statică care acționează asupra copitelor calului depășește forța de frecare de rulare a roților căruciorului. La urma urmei, momentul mișcării începe cu o încercare de a muta vagonul. Dacă poziția se schimbă, atunci calul în niciun caz nu îl va muta de la locul său. Copitele lui vor aluneca pe drum și nu va fi nicio mișcare.
În copilărie, făcând sănie unul pe altul, toată lumea ar putea întâlni un astfel de exemplu. Dacă doi sau trei copii stau pe sanie, atunci eforturile unui copil nu sunt în mod clar suficiente pentru a-i muta.
Căderea corpurilor pe suprafața pământului, explicată de Aristotel („Fiecare corp își cunoaște locul”) poate fi infirmată pe baza celor de mai sus. Un obiect se deplasează spre pământ sub influența aceleiași forțe cu care se mișcă Pământul spre el. Comparând parametrii lor (masa Pământului este mult mai mare decât masa corpului), în conformitate cu cea de-a doua lege a lui Newton, afirmăm că accelerația unui obiect este de atâtea ori mai mare decât accelerația Pământului. Observăm o schimbare a vitezei corpului, Pământul nu se mișcă de pe orbita sa.
Limite de aplicabilitate
Fizica modernă nu neagă legile lui Newton, ci doar stabilește limitele aplicabilității lor. Până la începutul secolului al XX-lea, fizicienii nu au avut nicio îndoială că aceste legi explicau toate fenomenele naturale.
Legea 1, 2, 3Newton dezvăluie pe deplin cauzele comportamentului corpurilor macroscopice. Mișcarea obiectelor cu viteze neglijabile este pe deplin descrisă de aceste postulate.
Încercarea de a explica pe baza lor mișcarea corpurilor cu viteze apropiate de viteza luminii este sortită eșecului. O schimbare completă a proprietăților spațiului și timpului la aceste viteze nu permite utilizarea dinamicii newtoniene. În plus, legile își schimbă forma în FR-uri neinerțiale. Pentru aplicarea lor se introduce conceptul de forță inerțială.
Legile lui Newton pot explica mișcarea corpurilor astronomice, regulile de localizare și interacțiune a acestora. În acest scop este introdusă legea gravitației universale. Este imposibil de văzut rezultatul atracției corpurilor mici, deoarece forța este puțină.
Atracție reciprocă
Există o legendă conform căreia domnul Newton, care stătea în grădină și privea căderea merelor, a avut o idee genială: să explice mișcarea obiectelor de lângă suprafața Pământului și mișcarea corpuri spațiale pe baza atracției reciproce. Nu este atât de departe de adevăr. Observațiile și calculele precise au vizat nu numai căderea merelor, ci și mișcarea lunii. Legile acestei mișcări conduc la concluzia că forța de atracție crește odată cu creșterea maselor de corpuri care interacționează și scade odată cu creșterea distanței dintre ele.
Pe baza celei de-a doua și a treia legi a lui Newton, legea gravitației universale este formulată după cum urmează: toate corpurile din univers sunt atrase unele de altele cu o forță îndreptată de-a lungul liniei care leagă centrele corpurilor, proporțională cu masele corpurilor şiinvers proporțional cu pătratul distanței dintre centrele corpurilor.
Notație matematică: F=GMm/r2, unde F este forța de atracție, M, m sunt masele corpurilor care interacționează, r este distanța dintre ele. Coeficientul de proporționalitate (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) se numește constantă gravitațională.
Semnificație fizică: această constantă este egală cu forța de atracție dintre două corpuri de mase de 1 kg la o distanță de 1 m. Este clar că pentru corpurile de mase mici forța este atât de nesemnificativă încât poate fi neglijat. Pentru planete, stele, galaxii, forța de atracție este atât de mare încât determină complet mișcarea acestora.
Este legea gravitației a lui Newton care spune că pentru a lansa rachete, ai nevoie de combustibil care poate crea o astfel de propulsie pentru a depăși influența Pământului. Viteza necesară pentru aceasta este prima viteză de evacuare, care este de 8 km/s.
Tehnologia modernă a rachetelor face posibilă lansarea de stații fără pilot ca sateliți artificiali ai Soarelui pe alte planete pentru a fi explorate. Viteza dezvoltată de un astfel de dispozitiv este a doua viteză spațială, egală cu 11 km/s.
Algoritm pentru aplicarea legilor
Rezolvarea problemelor de dinamică este supusă unei anumite secvențe de acțiuni:
- Analizați sarcina, identificați datele, tipul de mișcare.
- Desenați un desen indicând toate forțele care acționează asupra corpului și direcția de accelerație (dacă există). Selectați sistemul de coordonate.
- Scrieți prima sau a doua lege, în funcție de disponibilitateaccelerația corpului, sub formă vectorială. Luați în considerare toate forțele (forța rezultată, legile lui Newton: prima, dacă viteza corpului nu se modifică, a doua, dacă există accelerație).
- Rescrieți ecuația în proiecții pe axele de coordonate selectate.
- Dacă sistemul de ecuații rezultat nu este suficient, atunci scrieți altele: definiții ale forțelor, ecuații ale cinematicii etc.
- Rezolvați sistemul de ecuații pentru valoarea dorită.
- Efectuați o verificare dimensională pentru a determina dacă formula rezultată este corectă.
- Calculați.
De obicei, acești pași sunt suficienti pentru orice sarcină standard.
