Mișcarea diferitelor corpuri în spațiu în fizică este studiată de o secțiune specială - mecanică. Acesta din urmă, la rândul său, este împărțit în cinematică și dinamică. În acest articol, vom lua în considerare legile mecanicii din fizică, concentrându-ne pe dinamica mișcării de translație și rotație a corpurilor.
Context istoric
Cum și de ce se mișcă corpurile a fost de interes pentru filozofi și oameni de știință încă din cele mai vechi timpuri. Deci Aristotel credea că obiectele se mișcă în spațiu doar pentru că există o influență externă asupra lor. Dacă acest efect este oprit, organismul se va opri imediat. Mulți filozofi greci antici credeau că starea naturală a tuturor corpurilor este odihna.
Odată cu apariția New Age, mulți oameni de știință au început să studieze legile mișcării în mecanică. Trebuie remarcate nume precum Huygens, Hooke și Galileo. Acesta din urmă a dezvoltat o abordare științifică a studiului fenomenelor naturale și, de fapt, a descoperit prima lege a mecanicii, care însă nu îi poartă numele de familie.
În 1687, a fost publicată o publicație științifică, scrisă deenglezul Isaac Newton. În activitatea sa științifică, el a formulat clar legile de bază ale mișcării corpurilor în spațiu, care, împreună cu legea gravitației universale, au format baza nu numai a mecanicii, ci și a întregii fizicii clasice moderne.
Despre legile lui Newton
Sunt numite și legile mecanicii clasice, spre deosebire de relativiste, ale căror postulate au fost expuse la începutul secolului al XX-lea de Albert Einstein. În primul, există doar trei legi principale pe baza cărora se bazează întreaga ramură a fizicii. Se numesc astfel:
- Legea inerției.
- Legea relației dintre forță și accelerație.
- Legea acțiunii și a reacției.
De ce sunt aceste trei legi principalele? Este simplu, orice formulă a mecanicii poate fi derivată din ele, totuși, niciun principiu teoretic nu duce la niciuna dintre ele. Aceste legi rezultă exclusiv din numeroase observații și experimente. Valabilitatea lor este confirmată de fiabilitatea predicțiilor obținute cu ajutorul lor în rezolvarea diverselor probleme în practică.
Legea inerției
Prima lege a lui Newton în mecanică spune că orice corp, în absența unei influențe externe asupra sa, va menține o stare de repaus sau o mișcare rectilinie în orice cadru de referință inerțial.
Pentru a înțelege această lege, trebuie să înțelegeți sistemul de raportare. Se numește inerțial numai dacă îndeplinește legea enunțată. Cu alte cuvinte, în sistemul inerțial nu existăexistă forțe fictive care ar fi resimțite de observatori. De exemplu, un sistem care se mișcă uniform și în linie dreaptă poate fi considerat inerțial. Pe de altă parte, un sistem care se rotește uniform în jurul unei axe nu este inerțial datorită prezenței unei forțe centrifuge fictive în el.
Legea inerției stabilește motivul pentru care natura mișcării se schimbă. Acest motiv este prezența unei forțe externe. Rețineți că mai multe forțe pot acționa asupra corpului. În acest caz, acestea trebuie adăugate conform regulii vectorilor, dacă forța rezultată este egală cu zero, atunci corpul își va continua mișcarea uniformă. De asemenea, este important să înțelegem că în mecanica clasică nu există nicio diferență între mișcarea uniformă a unui corp și starea lui de repaus.
A doua lege a lui Newton
El spune că motivul schimbării naturii mișcării corpului în spațiu este prezența unei forțe externe non-nule aplicate acestuia. De fapt, această lege este o continuare a celei anterioare. Notația sa matematică este următoarea:
F¯=ma¯.
Aici, mărimea a¯ este accelerația care descrie viteza de schimbare a vectorului viteză, m este masa inerțială a corpului. Deoarece m este întotdeauna mai mare decât zero, vectorii forță și accelerație indică în aceeași direcție.
Legea considerată este aplicabilă unui număr mare de fenomene din mecanică, de exemplu, la descrierea procesului de cădere liberă, mișcare cu accelerația unei mașini, alunecarea unei bare de-a lungul unui plan înclinat, oscilație a unui pendul,tensiunea solzilor de arc și așa mai departe. Este sigur să spunem că este legea principală a dinamicii.
Momentum și Momentum
Dacă vă referiți direct la munca științifică a lui Newton, puteți vedea că însuși savantul a formulat a doua lege a mecanicii oarecum diferit:
Fdt=dp, unde p=mv.
Valoarea p se numește impuls. Mulți îl numesc în mod greșit impulsul corpului. Cantitatea de mișcare este o caracteristică de energie inerțială egală cu produsul dintre masa corpului și viteza acestuia.
Schimbarea impulsului cu o anumită valoare dp se poate face numai de o forță externă F care acționează asupra corpului în intervalul de timp dt. Produsul unei forțe și durata acțiunii acesteia se numește impuls al forței sau pur și simplu impuls.
Când două corpuri se ciocnesc, între ele acționează o forță de ciocnire, care modifică impulsul fiecărui corp, totuși, deoarece această forță este internă față de sistemul de două corpuri studiat, ea nu duce la o schimbare în impulsul total al sistemului. Acest fapt se numește legea conservării impulsului.
Rotire cu accelerație
Dacă mișcării de rotație se aplică legea mecanicii formulată de Newton, atunci se va obține următoarea expresie:
M=Iα.
Aici M - moment unghiular - aceasta este o valoare care arată capacitatea forței de a face o întoarcere în sistem. Momentul forței se calculează ca produsul dintre forța vectorială și vectorul rază îndreptat de la axa cătrepunct de aplicare. Mărimea I este momentul de inerție. Ca și momentul forței, depinde de parametrii sistemului rotativ, în special de distribuția geometrică a masei corporale în raport cu axa. În cele din urmă, valoarea α este accelerația unghiulară, ceea ce vă permite să determinați câți radiani pe secundă se modifică viteza unghiulară.
Dacă te uiți cu atenție la ecuația scrisă și faci o analogie între valorile și indicatorii acesteia din a doua lege newtoniană, atunci vom obține identitatea lor completă.
Legea acțiunii și reacției
Rămâne să luăm în considerare a treia lege a mecanicii. Dacă primele două, într-un fel sau altul, au fost formulate de predecesorii lui Newton, iar omul de știință însuși le-a dat doar o formă matematică armonioasă, atunci a treia lege este creația originală a marelui englez. Deci, se spune: dacă două corpuri intră în contact cu forța, atunci forțele care acționează între ele sunt egale ca mărime și opuse ca direcție. Mai pe scurt, putem spune că orice acțiune provoacă o reacție.
F12¯=-F21¯.
Aici F12¯ și F21¯ - acționând din partea primului corp la al 2-lea și din partea celui de-al 2-lea la prima putere, respectiv.
Există multe exemple care confirmă această lege. De exemplu, în timpul unui s alt, o persoană este respinsă de la suprafața pământului, aceasta din urmă o împinge în sus. Același lucru este valabil și pentru mersul pe jos și împingerea de pe peretele piscinei unui înotător. Un alt exemplu, dacă apeși mâna pe masă, atunci se simte contrariul.efectul mesei asupra mâinii, care se numește forța de reacție a suportului.
La rezolvarea problemelor privind aplicarea celei de-a treia legi a lui Newton, nu trebuie uitat că forța de acțiune și forța de reacție sunt aplicate unor corpuri diferite, prin urmare le dau accelerații diferite.
