Pohyb rôznych telies v priestore vo fyzike študuje špeciálna sekcia - mechanika. Ten sa zase delí na kinematiku a dynamiku. V tomto článku sa budeme zaoberať zákonmi mechaniky vo fyzike so zameraním na dynamiku translačného a rotačného pohybu telies.
Historické pozadie
Ako a prečo sa telesá pohybujú bolo predmetom záujmu filozofov a vedcov už od staroveku. Aristoteles teda veril, že predmety sa pohybujú v priestore len preto, že na ne pôsobí nejaký vonkajší vplyv. Ak sa tento účinok zastaví, telo sa okamžite zastaví. Mnoho starovekých gréckych filozofov verilo, že prirodzený stav všetkých tiel je odpočinok.
S príchodom New Age mnohí vedci začali študovať zákony pohybu v mechanike. Treba poznamenať také mená ako Huygens, Hooke a Galileo. Ten vyvinul vedecký prístup k štúdiu prírodných javov a v skutočnosti objavil prvý zákon mechaniky, ktorý však nenesie jeho priezvisko.
V roku 1687 vyšla vedecká publikácia, ktorej autorom jeAngličan Isaac Newton. Vo svojej vedeckej práci jasne formuloval základné zákony pohybu telies v priestore, ktoré spolu so zákonom univerzálnej gravitácie tvorili základ nielen mechaniky, ale celej modernej klasickej fyziky.
O Newtonových zákonoch
Nazývajú sa aj zákony klasickej mechaniky, na rozdiel od relativistických, ktorých postuláty stanovil začiatkom 20. storočia Albert Einstein. V prvom sú len tri hlavné zákony, na ktorých základe je celé odvetvie fyziky založené. Volajú sa takto:
- Zákon zotrvačnosti.
- Zákon vzťahu medzi silou a zrýchlením.
- Zákon akcie a reakcie.
Prečo sú tieto tri zákony hlavné? Je to jednoduché, dá sa z nich odvodiť akýkoľvek vzorec mechaniky, avšak k žiadnemu z nich nevedie žiadny teoretický princíp. Tieto zákony vyplývajú výlučne z početných pozorovaní a experimentov. Ich platnosť potvrdzuje spoľahlivosť predpovedí získaných pomocou nich pri riešení rôznych problémov v praxi.
Zákon o zotrvačnosti
Prvý Newtonov zákon v mechanike hovorí, že každé teleso bez vonkajšieho vplyvu si zachová pokojový alebo priamočiary pohyb v akejkoľvek inerciálnej vzťažnej sústave.
Ak chcete pochopiť tento zákon, musíte pochopiť systém podávania správ. Inerciálny sa nazýva iba vtedy, ak spĺňa uvedený zákon. Inými slovami, v inerciálnej sústave neexistujeexistujú fiktívne sily, ktoré by pozorovatelia pocítili. Napríklad systém pohybujúci sa rovnomerne a priamočiaro možno považovať za inerciálny. Na druhej strane systém, ktorý sa rovnomerne otáča okolo osi, nie je inerciálny v dôsledku prítomnosti fiktívnej odstredivej sily v ňom.
Zákon zotrvačnosti určuje dôvod, prečo sa mení charakter pohybu. Dôvodom je prítomnosť vonkajšej sily. Všimnite si, že na telo môže pôsobiť viacero síl. V tomto prípade sa musia pridať podľa pravidla vektorov, ak sa výsledná sila rovná nule, telo bude pokračovať vo svojom rovnomernom pohybe. Je tiež dôležité pochopiť, že v klasickej mechanike nie je rozdiel medzi rovnomerným pohybom telesa a jeho pokojovým stavom.
Newtonov druhý zákon
Hovorí, že dôvodom zmeny charakteru pohybu tela v priestore je prítomnosť vonkajšej nenulovej sily, ktorá naň pôsobí. V skutočnosti je tento zákon pokračovaním predchádzajúceho. Jeho matematický zápis je nasledovný:
F¯=ma¯.
Veličina a¯ je tu zrýchlenie, ktoré popisuje rýchlosť zmeny vektora rýchlosti, m je zotrvačná hmotnosť telesa. Keďže m je vždy väčšie ako nula, vektory sily a zrýchlenia smerujú rovnakým smerom.
Uvažovaný zákon sa vzťahuje na veľké množstvo javov v mechanike, napríklad na popis procesu voľného pádu, pohybu so zrýchlením auta, posúvania tyče po naklonenej rovine, kmitania kyvadla,napätie pružinových šupín a pod. Dá sa povedať, že je to hlavný zákon dynamiky.
Momentum a hybnosť
Ak sa obrátite priamo na Newtonovu vedeckú prácu, môžete vidieť, že samotný vedec sformuloval druhý zákon mechaniky trochu inak:
Fdt=dp, kde p=mv.
Hodnota p sa nazýva hybnosť. Mnohí to mylne nazývajú impulzom tela. Množstvo pohybu je charakteristika zotrvačnej energie, ktorá sa rovná súčinu hmotnosti telesa a jeho rýchlosti.
Zmeniť hybnosť o nejakú hodnotu dp je možné vykonať iba vonkajšou silou F pôsobiacou na teleso počas časového intervalu dt. Súčin sily a trvania jej pôsobenia sa nazýva impulz sily alebo jednoducho impulz.
Pri zrážke dvoch telies medzi nimi pôsobí kolízna sila, ktorá mení hybnosť každého telesa, avšak keďže táto sila je vnútorná vzhľadom na sústavu dvoch skúmaných telies, nevedie k zmene v celkovej hybnosti systému. Táto skutočnosť sa nazýva zákon zachovania hybnosti.
Točte so zrýchlením
Ak sa na pohyb otáčania aplikuje zákon mechaniky formulovaný Newtonom, získame nasledujúci výraz:
M=Iα.
Tu M - moment hybnosti - toto je hodnota, ktorá ukazuje schopnosť sily vykonať obrat v systéme. Moment sily sa vypočíta ako súčin vektorovej sily a vektora polomeru smerovaného od osi kbod aplikácie. Množstvo I je moment zotrvačnosti. Rovnako ako moment sily závisí od parametrov rotačného systému, najmä od geometrického rozloženia hmotnosti tela vzhľadom na os. Nakoniec, hodnota α je uhlové zrýchlenie, ktoré vám umožňuje určiť, o koľko radiánov za sekundu sa zmení uhlová rýchlosť.
Ak sa pozorne pozriete na napísanú rovnicu a nakreslíte analógiu medzi jej hodnotami a indikátormi z druhého Newtonovho zákona, potom získame ich úplnú identitu.
Zákon akcie a reakcie
Zostáva nám zvážiť tretí zákon mechaniky. Ak prvé dva, tak či onak, sformulovali Newtonovi predchodcovia a samotný vedec im dal iba harmonickú matematickú formu, potom je tretí zákon pôvodným výplodom veľkého Angličana. Hovorí sa teda: ak sa dve telesá dostanú do silového kontaktu, potom sily pôsobiace medzi nimi sú rovnakej veľkosti a opačného smeru. Stručne povedané, môžeme povedať, že každá akcia spôsobí reakciu.
F12¯=-F21¯.
Tu F12¯ a F21¯ - pôsobiace zo strany 1. tela na 2. a zo strany 2. do 1. sily.
Je veľa príkladov, ktoré potvrdzujú tento zákon. Napríklad pri skoku je človek odrazený od povrchu zeme, ten ho tlačí hore. To isté platí pre chôdzu na chodci a odtláčanie steny plaveckého bazéna. Ďalší príklad, ak stlačíte ruku na stôl, pocítite opak.účinok stola na ruku, ktorý sa nazýva reakčná sila podpery.
Pri riešení úloh aplikácie tretieho Newtonovho zákona by sme nemali zabúdať, že akčná sila a reakčná sila pôsobia na rôzne telesá, a preto im dávajú rôzne zrýchlenia.
