Proučavanje prirodnih pojava na osnovu eksperimenta moguće je samo ako se posmatraju svi stadijumi: posmatranje, hipoteza, eksperiment, teorija. Promatranje će otkriti i uporediti činjenice, hipoteza im omogućava da se daju detaljno naučno objašnjenje koje zahtijeva eksperimentalnu potvrdu. Posmatranje kretanja tijela dovelo je do zanimljivog zaključka: promjena brzine tijela moguća je samo pod utjecajem drugog tijela.
Na primjer, ako brzo trčiš uz stepenice, onda na skretanju samo trebaš uhvatiti ogradu (promjena smjera kretanja), ili stati (promjena vrijednosti brzine) kako se ne bi sudario sa suprotni zid.
Zapažanja sličnih pojava dovela su do stvaranja grane fizike koja proučava uzroke promjena brzine tijela ili njihove deformacije.
Osnove Dynamics
Dynamics je pozvan da odgovori na sakramentalno pitanje zašto se fizičko tijelo kreće na ovaj ili onaj način ili miruje.
Razmotrite stanje mirovanja. Na osnovu koncepta relativnosti kretanja, možemo zaključiti: nema i ne može biti apsolutno nepokretnih tijela. Bilo kojiobjekat, koji je nepokretan u odnosu na jedno referentno tijelo, kreće se u odnosu na drugo. Na primjer, knjiga koja leži na stolu je nepomična u odnosu na sto, ali ako uzmemo u obzir njen položaj u odnosu na osobu u prolazu, dolazimo do prirodnog zaključka: knjiga se kreće.
Zato se zakoni kretanja tijela razmatraju u inercijalnim referentnim okvirima. Šta je to?
Zove se inercijalni referentni okvir u kojem tijelo miruje ili vrši ravnomjerno i pravolinijsko kretanje, pod uslovom da na njega nema utjecaja drugih objekata ili objekata.
U gornjem primjeru, referentni okvir povezan sa tablicom može se nazvati inercijskim. Osoba koja se kreće jednoliko i pravolinijski može poslužiti kao referentni okvir za ISO. Ako je njegovo kretanje ubrzano, tada je nemoguće povezati inercijski CO s njim.
U stvari, takav sistem se može povezati sa tijelima čvrsto fiksiranim na površini Zemlje. Međutim, sama planeta ne može poslužiti kao referentno tijelo za IFR, jer se ravnomjerno rotira oko svoje ose. Tijela na površini imaju centripetalno ubrzanje.
Šta je zamah?
Fenomen inercije je direktno povezan sa ISO. Sjećate se šta se dešava ako se automobil u pokretu naglo zaustavi? Putnici su u opasnosti dok nastavljaju putovanje. Može se zaustaviti sjedištem ispred ili sigurnosnim pojasevima. Ovaj proces se objašnjava inercijom putnika. Je li tako?
Inercija je fenomen koji pretpostavlja očuvanjekonstantna brzina tijela u odsustvu utjecaja drugih tijela na njega. Putnik je pod uticajem pojaseva ili sedišta. Fenomen inercije se ovdje ne opaža.
Objašnjenje leži u svojstvu tijela i, prema njemu, nemoguće je trenutno promijeniti brzinu nekog objekta. Ovo je inercija. Na primjer, inertnost žive u termometru omogućava spuštanje letvice ako protresemo termometar.
Mjera inercije naziva se masa tijela. U interakciji, brzina se mijenja brže za tijela s manjom masom. Sudar automobila sa betonskim zidom za potonje se odvija gotovo bez traga. Automobil najčešće prolazi kroz nepovratne promjene: promjene brzine, dolazi do značajnih deformacija. Ispostavilo se da inercija betonskog zida znatno premašuje inerciju automobila.
Da li je moguće susresti se sa fenomenom inercije u prirodi? Uslov pod kojim se telo nalazi bez međusobne povezanosti sa drugim telima je duboki svemir, u kome se letelica kreće sa ugašenim motorima. Ali čak iu ovom slučaju, gravitacijski moment je prisutan.
Osnovne količine
Proučavanje dinamike na eksperimentalnom nivou uključuje eksperimentisanje sa merenjem fizičkih veličina. Najzanimljivije:
- ubrzanje kao mjera brzine promjene brzine tijela; označite ga slovom a, mjerite u m/s2;
- masa kao mjera inercije; označeno slovom m, mjereno u kg;
- sila kao mjera međusobnog djelovanja tijela; najčešće se označava slovom F, mjereno u N (njutonima).
Odnos između ovih količinapostavljena u tri obrasca, koje je izveo najveći engleski fizičar. Njutnovi zakoni su dizajnirani da objasne složenost interakcije različitih tela. Kao i procesi koji njima upravljaju. Njutnovi zakoni povezuju koncepte "ubrzanja", "sile", "mase" sa matematičkim odnosima. Hajde da pokušamo da shvatimo šta to znači.
Dejstvo samo jedne sile je izuzetan fenomen. Na primjer, na umjetni satelit koji kruži oko Zemlje utječe samo gravitacija.
Rezultant
Delovanje nekoliko sila može se zameniti jednom silom.
Geometrijski zbir sila koje djeluju na tijelo naziva se rezultanta.
Razgovaramo o geometrijskom zbiru, pošto je sila vektorska veličina, koja ne zavisi samo od tačke primene, već i od smera delovanja.
Na primjer, ako trebate premjestiti prilično masivnu garderobu, možete pozvati prijatelje. Zajedno postižemo željeni rezultat. Ali možete pozvati samo jednu veoma jaku osobu. Njegov trud jednak je akciji svih prijatelja. Sila koju primjenjuje heroj može se nazvati rezultantom.
Njutnovi zakoni kretanja su formulisani na osnovu koncepta "rezultanta".
Zakon inercije
Počnite proučavati Newtonove zakone sa najčešćim fenomenom. Prvi zakon se obično naziva zakon inercije, jer utvrđuje uzroke ravnomjernog pravolinijskog kretanja ili stanja mirovanja tijela.
Tijelo se kreće jednoliko i pravolinijski ilimiruje ako na njega ne djeluje sila ili se ova radnja kompenzira.
Može se tvrditi da je rezultanta u ovom slučaju jednaka nuli. U ovom stanju je, na primjer, automobil koji se kreće konstantnom brzinom na ravnoj dionici puta. Djelovanje sile privlačenja kompenzira se reakcijskom silom oslonca, a sila potiska motora je po apsolutnoj vrijednosti jednaka sili otpora kretanju.
Luster leži na plafonu, pošto je sila gravitacije kompenzovana napetošću njegovih fiksatora.
Mogu se kompenzovati samo one sile koje se primjenjuju na jedno tijelo.
Njutnov drugi zakon
Idemo dalje. Razlozi koji uzrokuju promjenu brzine tijela razmatra drugi Newtonov zakon. O čemu on priča?
Rezultanta sila koje djeluju na tijelo definirana je kao proizvod mase tijela i ubrzanja stečenog pod djelovanjem sila.
2 Njutnov zakon (formula: F=ma), nažalost, ne uspostavlja uzročne veze između osnovnih pojmova kinematike i dinamike. Ne može tačno odrediti šta uzrokuje ubrzanje tijela.
Formulirajmo to drugačije: ubrzanje koje primi tijelo je direktno proporcionalno rezultantnim silama i obrnuto proporcionalno masi tijela.
Dakle, može se utvrditi da do promjene brzine dolazi samo u zavisnosti od sile koja se na nju primjenjuje i mase tijela.
2 Newtonov zakon, čija formula može biti sljedeća: a=F/m, smatra se fundamentalnim u vektorskom obliku, jer omogućavauspostaviti veze između grana fizike. Ovdje je a vektor ubrzanja tijela, F je rezultanta sila, m je masa tijela.
Ubrzano kretanje automobila moguće je ako vučna sila motora premašuje silu otpora kretanju. Kako se potisak povećava, tako se povećava i ubrzanje. Kamioni su opremljeni motorima velike snage, jer je njihova masa mnogo veća od mase putničkog automobila.
Vatrene kugle dizajnirane za trke velikih brzina su osvijetljene na način da se na njih pričvrste minimalni potrebni dijelovi, a snaga motora se povećava do mogućih granica. Jedna od najvažnijih karakteristika sportskih automobila je vrijeme ubrzanja do 100 km/h. Što je kraći ovaj vremenski interval, to su bolje karakteristike brzine automobila.
Zakon interakcije
Njutnovi zakoni, zasnovani na silama prirode, kažu da je svaka interakcija praćena pojavom para sila. Ako lopta visi o niti, tada doživljava svoje djelovanje. U ovom slučaju, konac se također rasteže pod djelovanjem kuglice.
Formulacija treće pravilnosti upotpunjuje Newtonove zakone. Ukratko, zvuči ovako: akcija je jednaka reakciji. Šta ovo znači?
Sile kojima tijela djeluju jedno na drugo jednake su po veličini, suprotnog smjera i usmjerene duž linije koja spaja centre tijela. Zanimljivo je da se ne mogu nazvati kompenziranim, jer djeluju na različita tijela.
Sprovođenje zakona
Čuveni problem "Konja i zaprege" može biti zbunjujući. Konj upregnut u navedeni vagon ga pomičesa mesta. U skladu sa trećim Newtonovim zakonom, ova dva objekta djeluju jedan na drugog jednakim silama, ali u praksi konj može pomicati kola koja se ne uklapaju u osnove šablona.
Rješenje se nalazi ako se uzme u obzir da ovaj sistem tijela nije zatvoren. Put utiče na oba tijela. Statička sila trenja koja djeluje na kopita konja premašuje silu trenja kotrljanja kotača kola. Uostalom, trenutak kretanja počinje pokušajem pomicanja vagona. Ako se položaj promijeni, konj ga ni pod kojim okolnostima neće pomjeriti sa svog mjesta. Njegova kopita će skliznuti na putu i neće biti pomaka.
U djetinjstvu, sanjkajući jedni druge, svako je mogao naići na takav primjer. Ako dvoje ili troje djece sjedi na sanjkama, onda napori jednog djeteta očigledno nisu dovoljni da ih pomjere.
Pad tijela na površinu zemlje, objašnjen od Aristotela ("Svako tijelo zna svoje mjesto") može se opovrgnuti na osnovu gore navedenog. Predmet se kreće prema zemlji pod uticajem iste sile kao što se Zemlja kreće prema njemu. Uspoređujući njihove parametre (masa Zemlje je mnogo veća od mase tijela), u skladu s drugim Newtonovim zakonom, tvrdimo da je ubrzanje objekta isto toliko puta veće od ubrzanja Zemlje. Posmatramo promjenu brzine tijela, Zemlja se ne pomiče sa svoje orbite.
Granice primjenjivosti
Savremena fizika ne poriče Newtonove zakone, već samo uspostavlja granice njihove primjenjivosti. Sve do početka 20. veka, fizičari nisu sumnjali da ovi zakoni objašnjavaju sve prirodne pojave.
1, 2, 3 zakonNewton u potpunosti otkriva uzroke ponašanja makroskopskih tijela. Kretanje objekata sa zanemarivim brzinama u potpunosti je opisano ovim postulatima.
Pokušaj da se na njihovoj osnovi objasni kretanje tijela sa brzinama bliskim brzini svjetlosti osuđen je na neuspjeh. Potpuna promjena svojstava prostora i vremena pri ovim brzinama ne dozvoljava korištenje Njutnove dinamike. Osim toga, zakoni mijenjaju svoju formu u neinercijalnim FR. Za njihovu primjenu uvodi se koncept inercijalne sile.
Newtonovi zakoni mogu objasniti kretanje astronomskih tijela, pravila za njihovu lokaciju i interakciju. U tu svrhu uvodi se zakon univerzalne gravitacije. Nemoguće je vidjeti rezultat privlačenja malih tijela, jer je sila oskudna.
Uzajamna privlačnost
Postoji legenda prema kojoj je g. Newton, koji je sjedio u vrtu i gledao kako padaju jabuke, imao briljantnu ideju: objasniti kretanje objekata blizu površine Zemlje i kretanje svemirska tijela na osnovu međusobne privlačnosti. Nije tako daleko od istine. Zapažanja i tačni proračuni nisu se ticali samo pada jabuka, već i kretanja mjeseca. Zakoni ovog kretanja dovode do zaključka da sila privlačenja raste sa povećanjem masa tijela u interakciji i opada sa povećanjem udaljenosti između njih.
Zasnovano na drugom i trećem Newtonovom zakonu, zakon univerzalne gravitacije je formuliran na sljedeći način: sva tijela u svemiru se privlače jedno prema drugom silom usmjerenom duž linije koja spaja centre tijela, proporcionalnom mase tijela iobrnuto proporcionalno kvadratu udaljenosti između centara tijela.
Matematička notacija: F=GMm/r2, gdje je F sila privlačenja, M, m su mase tijela u interakciji, r je udaljenost između njih. Koeficijent proporcionalnosti (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) naziva se gravitaciona konstanta.
Fizičko značenje: ova konstanta je jednaka sili privlačenja između dva tijela mase 1 kg na udaljenosti od 1 m. Jasno je da je za tijela male mase sila toliko neznatna da može biti zanemaren. Za planete, zvijezde, galaksije, sila privlačenja je toliko ogromna da u potpunosti određuje njihovo kretanje.
Njutnov zakon gravitacije kaže da je za lansiranje raketa potrebno gorivo koje može da stvori takav mlazni potisak da bi se prevazišao uticaj Zemlje. Brzina potrebna za ovo je prva brzina bijega, koja je 8 km/s.
Moderna raketna tehnologija omogućava lansiranje bespilotnih stanica kao vještačkih satelita Sunca na druge planete radi istraživanja. Brzina koju razvija takav uređaj je druga svemirska brzina, jednaka 11 km/s.
Algoritam za primjenu zakona
Rješavanje problema dinamike podliježe određenom slijedu radnji:
- Analizirajte zadatak, identifikujte podatke, vrstu kretanja.
- Nacrtajte crtež koji pokazuje sve sile koje djeluju na tijelo i smjer ubrzanja (ako postoji). Odaberite koordinatni sistem.
- Napišite prvi ili drugi zakon, ovisno o dostupnostiubrzanje tijela, u vektorskom obliku. Uzmite u obzir sve sile (rezultantna sila, Newtonovi zakoni: prva, ako se brzina tijela ne mijenja, druga, ako postoji ubrzanje).
- Prepišite jednačinu u projekcijama na odabrane koordinatne ose.
- Ako dobijeni sistem jednačina nije dovoljan, onda zapišite druge: definicije sila, jednačine kinematike, itd.
- Riješi sistem jednačina za željenu vrijednost.
- Izvršite provjeru dimenzija da utvrdite da li je rezultirajuća formula tačna.
- Izračunaj.
Obično su ovi koraci dovoljni za bilo koji standardni zadatak.
