Štúdium prírodných javov na základe experimentu je možné len vtedy, ak sú dodržané všetky štádiá: pozorovanie, hypotéza, experiment, teória. Pozorovanie odhalí a porovná fakty, hypotéza im umožňuje podať podrobné vedecké vysvetlenie, ktoré si vyžaduje experimentálne potvrdenie. Pozorovanie pohybu telies viedlo k zaujímavému záveru: zmena rýchlosti telesa je možná len pod vplyvom iného telesa.
Ak napríklad rýchlo vybehnete po schodoch, na odbočke sa stačí chytiť zábradlia (zmena smeru pohybu) alebo zastaviť (zmena hodnoty rýchlosti), aby ste sa nezrazili s oproti stene.
Pozorovania podobných javov viedli k vytvoreniu odvetvia fyziky, ktoré študuje príčiny zmien rýchlosti telies alebo ich deformácií.
Základy dynamiky
Dynamika má odpovedať na sviatostnú otázku, prečo sa fyzické telo pohybuje tak či onak alebo je v pokoji.
Zvážte stav pokoja. Na základe konceptu relativity pohybu môžeme konštatovať: neexistujú a nemôžu existovať absolútne nehybné telesá. akýkoľvekobjekt, ktorý je nehybný vzhľadom na jedno referenčné teleso, sa pohybuje relatívne k druhému. Napríklad kniha ležiaca na stole je nehybná vzhľadom na stôl, ale ak vezmeme do úvahy jej polohu vo vzťahu k okoloidúcej osobe, vyvodíme prirodzený záver: kniha sa hýbe.
Preto sa zákony pohybu telies zohľadňujú v inerciálnych vzťažných sústavách. Čo je to?
Nazýva sa inerciálna vzťažná sústava, v ktorej je teleso v pokoji alebo vykonáva rovnomerný a priamočiary pohyb za predpokladu, že naň nepôsobia iné predmety alebo predmety.
Vo vyššie uvedenom príklade možno referenčnú sústavu spojenú s tabuľkou nazvať inerciálna. Osoba pohybujúca sa rovnomerne a v priamej línii môže slúžiť ako referenčný rámec pre ISO. Ak sa jeho pohyb zrýchli, potom nie je možné spojiť s ním inerciálny CO.
V skutočnosti môže byť takýto systém korelovaný s telesami pevne pripevnenými na povrchu Zeme. Samotná planéta však nemôže slúžiť ako referenčné teleso pre IFR, keďže sa rovnomerne otáča okolo vlastnej osi. Telesá na povrchu majú dostredivé zrýchlenie.
Čo je hybnosť?
Fenomén zotrvačnosti priamo súvisí s ISO. Pamätáte si, čo sa stane, ak idúce auto náhle zastaví? Cestujúci sú v ohrození, keď pokračujú v ceste. Zastaviť ho môže sedadlo vpredu alebo bezpečnostné pásy. Tento proces sa vysvetľuje zotrvačnosťou cestujúceho. Je to tak?
Zotrvačnosť je jav, ktorý predpokladá zachovaniekonštantná rýchlosť telesa pri absencii vplyvu iných telies naň. Spolujazdec je pod vplyvom pásov alebo sedadiel. Fenomén zotrvačnosti tu nie je pozorovaný.
Vysvetlenie spočíva vo vlastnosti tela a podľa nej nie je možné okamžite zmeniť rýchlosť objektu. Toto je zotrvačnosť. Napríklad inertnosť ortuti v teplomere umožňuje znížiť lištu, ak teplomerom zatrasieme.
Miera zotrvačnosti sa nazýva hmotnosť telesa. Pri interakcii sa rýchlosť mení rýchlejšie pre telesá s menšou hmotnosťou. Náraz auta s betónovým múrom pre druhého prebieha takmer bez stopy. Auto najčastejšie prechádza nezvratnými zmenami: mení sa rýchlosť, dochádza k výraznej deformácii. Ukazuje sa, že zotrvačnosť betónovej steny výrazne prevyšuje zotrvačnosť auta.
Je možné stretnúť sa s javom zotrvačnosti v prírode? Podmienkou, pri ktorej je teleso bez prepojenia s inými telesami, je hlboký vesmír, v ktorom sa kozmická loď pohybuje s vypnutými motormi. Ale aj v tomto prípade je prítomný gravitačný moment.
Základné množstvá
Štúdium dynamiky na experimentálnej úrovni zahŕňa experimentovanie s meraniami fyzikálnych veličín. Najzaujímavejšie:
- zrýchlenie ako miera rýchlosti zmeny rýchlosti telies; označte ho písmenom a, merajte v m/s2;
- hmotnosť ako miera zotrvačnosti; označené písmenom m, merané v kg;
- sila ako miera vzájomného pôsobenia telies; najčastejšie sa označuje písmenom F, merané v N (newtonoch).
Vzťah medzi týmito veličinamistanovené v troch vzoroch, odvodených od najväčšieho anglického fyzika. Newtonove zákony sú navrhnuté tak, aby vysvetlili zložitosť interakcie rôznych telies. Rovnako ako procesy, ktoré ich riadia. Práve pojmy „zrýchlenie“, „sila“, „hmotnosť“spájajú Newtonove zákony s matematickými vzťahmi. Skúsme prísť na to, čo to znamená.
Pôsobenie iba jednej sily je výnimočný jav. Napríklad umelý satelit obiehajúci okolo Zeme je ovplyvnený iba gravitáciou.
Resultant
Pôsobenie viacerých síl môže byť nahradené jednou silou.
Geometrický súčet síl pôsobiacich na teleso sa nazýva výslednica.
Hovoríme o geometrickom súčte, keďže sila je vektorová veličina, ktorá závisí nielen od bodu pôsobenia, ale aj od smeru pôsobenia.
Ak napríklad potrebujete premiestniť pomerne masívny šatník, môžete pozvať priateľov. Spoločne dosiahneme požadovaný výsledok. Pozvať však môžete len jedného veľmi silného človeka. Jeho úsilie sa rovná činnosti všetkých priateľov. Sila použitá hrdinom sa dá nazvať výsledná.
Newtonove zákony pohybu sú formulované na základe konceptu „výsledku“.
Zákon zotrvačnosti
Začnite študovať Newtonove zákony s najbežnejším javom. Prvý zákon sa zvyčajne nazýva zákon zotrvačnosti, pretože určuje príčiny rovnomerného priamočiareho pohybu alebo stavu pokoja telies.
Telo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro respspočíva, ak naň nepôsobí žiadna sila, alebo ak je toto pôsobenie kompenzované.
Možno tvrdiť, že výslednica sa v tomto prípade rovná nule. V tomto stave je napríklad auto pohybujúce sa konštantnou rýchlosťou na rovnom úseku cesty. Pôsobenie príťažlivej sily je kompenzované reakčnou silou podpery a ťahová sila motora sa v absolútnej hodnote rovná sile odporu voči pohybu.
Luster spočíva na strope, pretože sila gravitácie je kompenzovaná napätím jeho svietidiel.
Len tie sily, ktoré pôsobia na jedno telo, možno kompenzovať.
Newtonov druhý zákon
Poďme ďalej. Príčiny, ktoré spôsobujú zmenu rýchlosti telies, uvažuje druhý Newtonov zákon. O čom to hovorí?
Výsledok síl pôsobiacich na teleso je definovaný ako súčin hmotnosti telesa a zrýchlenia získaného pôsobením síl.
2 Newtonov zákon (vzorec: F=ma), žiaľ, nezakladá kauzálne vzťahy medzi základnými pojmami kinematiky a dynamiky. Nedokáže presne určiť, čo spôsobuje zrýchlenie tiel.
Sformulujme to inak: zrýchlenie prijaté telesom je priamo úmerné výsledným silám a nepriamo úmerné hmotnosti telesa.
Je teda možné stanoviť, že zmena rýchlosti nastáva iba v závislosti od sily, ktorá na ňu pôsobí a od hmotnosti telesa.
2 Newtonov zákon, ktorého vzorec môže byť nasledovný: a=F/m, sa považuje za základný vo vektorovej forme, pretože umožňujenadviazať spojenie medzi odvetviami fyziky. Tu je a vektor zrýchlenia telesa, F je výslednica síl, m je hmotnosť telesa.
Zrýchlený pohyb auta je možný, ak ťažná sila motorov prevyšuje silu odporu voči pohybu. So zvyšujúcim sa ťahom sa zvyšuje aj zrýchlenie. Nákladné autá sú vybavené vysokovýkonnými motormi, pretože ich hmotnosť je oveľa vyššia ako hmotnosť osobného auta.
Ohnivé gule určené pre vysokorýchlostné preteky sú odľahčené tak, že je k nim pripevnené minimum potrebných dielov a výkon motora je zvýšený na možné limity. Jednou z najdôležitejších charakteristík športových áut je čas zrýchlenia na 100 km/h. Čím kratší je tento časový interval, tým lepšie sú rýchlostné vlastnosti auta.
Zákon interakcie
Newtonove zákony založené na prírodných silách uvádzajú, že každá interakcia je sprevádzaná objavením sa dvojice síl. Ak loptička visí na niti, zažije svoju činnosť. V tomto prípade sa niť tiež natiahne pôsobením gule.
Formulácia tretej zákonitosti dopĺňa Newtonove zákony. V skratke to znie takto: akcia rovná sa reakcia. Čo to znamená?
Sily, ktorými na seba telesá pôsobia, majú rovnakú veľkosť, opačný smer a smerujú pozdĺž čiary spájajúcej stredy telies. Zaujímavé je, že ich nemožno nazvať kompenzovanými, pretože pôsobia na rôzne telá.
Presadzovanie zákonov
Slávny problém „Kôň a vozík“môže byť mätúci. Kôň zapriahnutý do spomínaného voza ním pohybujez miesta. V súlade s tretím Newtonovým zákonom tieto dva objekty na seba pôsobia rovnakou silou, ale v praxi môže kôň pohybovať vozíkom, ktorý nezapadá do základov vzoru.
Riešenie nájdeme, ak vezmeme do úvahy, že tento systém telies nie je uzavretý. Cesta má svoj vplyv na obe telá. Statická trecia sila pôsobiaca na kopytá koňa prevyšuje valivú treciu silu kolies vozíka. Okamih pohybu totiž začína pokusom pohnúť vagónom. Ak sa poloha zmení, kôň ho za žiadnych okolností nepohne z miesta. Na ceste sa mu pošmyknú kopytá a nebude sa pohybovať.
V detstve pri vzájomnom sánkovaní sa s takýmto príkladom mohol stretnúť každý. Ak na saniach sedia dve alebo tri deti, úsilie jedného dieťaťa zjavne nestačí na to, aby ich pohlo.
Pád telies na povrch zeme, vysvetlený Aristotelom („Každé telo pozná svoje miesto“), možno vyvrátiť na základe vyššie uvedeného. Objekt sa pohybuje smerom k Zemi pod vplyvom rovnakej sily, ako sa Zem pohybuje smerom k nej. Porovnaním ich parametrov (hmotnosť Zeme je oveľa väčšia ako hmotnosť telesa) v súlade s druhým Newtonovým zákonom tvrdíme, že zrýchlenie objektu je toľkokrát väčšie ako zrýchlenie Zeme. Pozorujeme zmenu rýchlosti telesa, Zem sa nepohne zo svojej obežnej dráhy.
Obmedzenia použiteľnosti
Moderná fyzika Newtonove zákony nepopiera, ale iba stanovuje hranice ich použiteľnosti. Až do začiatku 20. storočia fyzici nepochybovali, že tieto zákony vysvetľujú všetky prírodné javy.
1, 2, 3 zákonNewton naplno odhaľuje príčiny správania sa makroskopických telies. Pohyb objektov so zanedbateľnými rýchlosťami je plne popísaný týmito postulátmi.
Pokus vysvetliť na ich základe pohyb telies s rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla je odsúdený na neúspech. Úplná zmena vlastností priestoru a času pri týchto rýchlostiach neumožňuje použiť newtonovskú dynamiku. Okrem toho zákony menia svoju formu v neinerciálnych FR. Pre ich aplikáciu sa zavádza pojem zotrvačnej sily.
Newtonove zákony dokážu vysvetliť pohyb astronomických telies, pravidlá ich polohy a interakcie. Na tento účel je zavedený zákon univerzálnej gravitácie. Nie je možné vidieť výsledok príťažlivosti malých telies, pretože sila je malá.
Vzájomná príťažlivosť
Existuje legenda, podľa ktorej pán Newton, ktorý sedel v záhrade a pozoroval padanie jabĺk, dostal geniálny nápad: vysvetliť pohyb predmetov blízko povrchu Zeme a pohyb vesmírne telesá na základe vzájomnej príťažlivosti. Nie je to až tak ďaleko od pravdy. Pozorovania a presný výpočet sa týkali nielen pádu jabĺk, ale aj pohybu Mesiaca. Zákonitosti tohto pohybu vedú k záveru, že sila príťažlivosti rastie so zvyšujúcou sa hmotnosťou interagujúcich telies a klesá s rastúcou vzdialenosťou medzi nimi.
Na základe druhého a tretieho Newtonovho zákona je zákon univerzálnej gravitácie formulovaný takto: všetky telesá vo vesmíre sú k sebe priťahované silou smerujúcou pozdĺž čiary spájajúcej stredy telies, úmerné hmotnosti tiel anepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi stredmi telies.
Matematický zápis: F=GMm/r2, kde F je sila príťažlivosti, M, m sú hmotnosti interagujúcich telies, r je vzdialenosť medzi nimi. Koeficient proporcionality (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) sa nazýva gravitačná konštanta.
Fyzikálny význam: táto konštanta sa rovná príťažlivej sile medzi dvoma telesami s hmotnosťou 1 kg vo vzdialenosti 1 m. Je zrejmé, že pre telesá malých hmotností je sila taká nepatrná, že môže byť zanedbané. Pre planéty, hviezdy, galaxie je sila príťažlivosti taká obrovská, že úplne určuje ich pohyb.
Je to Newtonov gravitačný zákon, ktorý hovorí, že na odpálenie rakiet potrebujete palivo, ktoré dokáže vytvoriť taký prúdový ťah na prekonanie vplyvu Zeme. Rýchlosť potrebná na to je prvá úniková rýchlosť, ktorá je 8 km/s.
Moderná raketová technológia umožňuje vypúšťať bezpilotné stanice ako umelé satelity Slnka na iné planéty, aby ich preskúmali. Rýchlosť vyvinutá takýmto zariadením je druhá vesmírna rýchlosť, ktorá sa rovná 11 km/s.
Algoritmus na uplatňovanie zákonov
Riešenie problémov dynamiky podlieha určitej postupnosti akcií:
- Analyzujte úlohu, identifikujte údaje, typ pohybu.
- Nakreslite nákres označujúci všetky sily pôsobiace na telo a smer zrýchlenia (ak existuje). Vyberte súradnicový systém.
- Napíšte prvý alebo druhý zákon v závislosti od dostupnostizrýchlenie tela vo vektorovej forme. Vezmite do úvahy všetky sily (výslednú silu, Newtonove zákony: prvá, ak sa rýchlosť telesa nemení, druhá, ak dôjde k zrýchleniu).
- Prepíšte rovnicu v projekciách na vybraných súradnicových osiach.
- Ak výsledný systém rovníc nestačí, napíšte ďalšie: definície síl, rovnice kinematiky atď.
- Vyriešte sústavu rovníc pre požadovanú hodnotu.
- Vykonajte kontrolu rozmerov, aby ste zistili, či je výsledný vzorec správny.
- Vypočítať.
Tieto kroky zvyčajne postačujú na akúkoľvek štandardnú úlohu.
