Studium přírodních jevů na základě experimentu je možné pouze při dodržení všech fází: pozorování, hypotéza, experiment, teorie. Pozorování odhalí a porovná fakta, hypotéza jim umožňuje podat podrobné vědecké vysvětlení, které vyžaduje experimentální potvrzení. Pozorování pohybu těles vedlo k zajímavému závěru: změna rychlosti tělesa je možná pouze pod vlivem jiného tělesa.
Pokud například rychle vyběhnete po schodech, pak se v zatáčce stačí chytit zábradlí (změna směru pohybu) nebo zastavit (změna hodnoty rychlosti), abyste se nesrazili s protější stěna.
Pozorování podobných jevů vedlo k vytvoření oboru fyziky, který studuje příčiny změn rychlosti těles nebo jejich deformací.
Základy dynamiky
Dynamika má odpovědět na svátostnou otázku, proč se fyzické tělo pohybuje tak či onak nebo je v klidu.
Zvažte stav klidu. Na základě konceptu relativity pohybu můžeme dojít k závěru: neexistují a nemohou existovat absolutně nehybná tělesa. Žádnýobjekt, který je nehybný vzhledem k jednomu referenčnímu tělesu, se pohybuje relativně k jinému. Například kniha ležící na stole je nehybná vzhledem ke stolu, ale pokud vezmeme v úvahu její polohu ve vztahu k procházející osobě, vyvodíme přirozený závěr: kniha se pohybuje.
Proto jsou zákony pohybu těles uvažovány v inerciálních vztažných soustavách. Co to je?
Nazývá se inerciální vztažná soustava, ve které je těleso v klidu nebo vykonává rovnoměrný a přímočarý pohyb za předpokladu, že na něj nepůsobí žádné jiné předměty nebo předměty.
Ve výše uvedeném příkladu může být vztažná soustava spojená s tabulkou nazývána inerciální. Osoba pohybující se rovnoměrně a v přímé linii může sloužit jako referenční rámec pro ISO. Pokud je jeho pohyb zrychlen, pak je nemožné s ním spojit inerciální CO.
Ve skutečnosti lze takový systém korelovat s tělesy pevně upevněnými na povrchu Země. Samotná planeta však nemůže sloužit jako referenční těleso pro IFR, protože se rovnoměrně otáčí kolem své vlastní osy. Tělesa na povrchu mají dostředivé zrychlení.
Co je hybnost?
Jev setrvačnosti přímo souvisí s ISO. Pamatujete si, co se stane, když jedoucí auto náhle zastaví? Cestující jsou v nebezpečí, když pokračují v cestě. Lze jej zastavit sedadlem vpředu nebo bezpečnostními pásy. Tento proces se vysvětluje setrvačností cestujícího. Je to tak?
Setrvačnost je jev, který předpokládá zachováníkonstantní rychlost tělesa při absenci vlivu jiných těles na něj. Spolujezdec je pod vlivem pásů nebo sedadel. Jev setrvačnosti zde není pozorován.
Vysvětlení spočívá ve vlastnosti těla a podle ní je nemožné okamžitě změnit rychlost předmětu. To je setrvačnost. Například inertnost rtuti v teploměru umožňuje snížit laťku, pokud teploměrem zatřeseme.
Míra setrvačnosti se nazývá hmotnost tělesa. Při interakci se rychlost mění rychleji u těles s menší hmotností. Srážka auta s betonovou zdí u druhého probíhá téměř beze stopy. Vůz nejčastěji prochází nevratnými změnami: mění se rychlost, dochází k výrazné deformaci. Ukazuje se, že setrvačnost betonové zdi výrazně převyšuje setrvačnost automobilu.
Je možné setkat se s fenoménem setrvačnosti v přírodě? Podmínkou, ve které je těleso bez propojení s ostatními tělesy, je hluboký vesmír, ve kterém se kosmická loď pohybuje s vypnutými motory. Ale i v tomto případě je gravitační moment přítomen.
Základní množství
Studium dynamiky na experimentální úrovni zahrnuje experimentování s měřením fyzikálních veličin. Nejzajímavější:
- zrychlení jako míra rychlosti změny rychlosti těles; označte jej písmenem a, měřte v m/s2;
- hmotnost jako míra setrvačnosti; označeno písmenem m, měřeno v kg;
- síla jako míra vzájemného působení těles; nejčastěji se označuje písmenem F, měřeno v N (newtonech).
Vztah mezi těmito veličinamistanoveny ve třech vzorech, odvozených od největšího anglického fyzika. Newtonovy zákony jsou navrženy tak, aby vysvětlily složitost interakce různých těles. Stejně jako procesy, které je řídí. Právě pojmy „zrychlení“, „síla“, „hmotnost“spojují Newtonovy zákony s matematickými vztahy. Zkusme přijít na to, co to znamená.
Působení pouze jedné síly je výjimečný jev. Například umělá družice obíhající kolem Země je ovlivněna pouze gravitací.
Resultant
Působení několika sil může být nahrazeno jednou silou.
Geometrický součet sil působících na těleso se nazývá výslednice.
Hovoříme o geometrickém součtu, protože síla je vektorová veličina, která závisí nejen na místě působení, ale také na směru působení.
Pokud například potřebujete přestěhovat poměrně masivní šatník, můžete pozvat přátele. Společně dosáhneme požadovaného výsledku. Pozvat ale můžete jen jednoho velmi silného člověka. Jeho úsilí se rovná jednání všech přátel. Sílu aplikovanou hrdinou lze nazvat výslednicí.
Newtonovy pohybové zákony jsou formulovány na základě konceptu „výsledku“.
Zákon setrvačnosti
Začněte studovat Newtonovy zákony s nejčastějším jevem. První zákon se obvykle nazývá zákon setrvačnosti, protože určuje příčiny rovnoměrného přímočarého pohybu nebo stavu klidu těles.
Tělo se pohybuje rovnoměrně a přímočaře neboodpočívá, pokud na něj nepůsobí žádná síla nebo je toto působení kompenzováno.
Lze tvrdit, že výslednice je v tomto případě rovna nule. V tomto stavu je např. automobil pohybující se konstantní rychlostí na rovném úseku silnice. Působení přitažlivé síly je kompenzováno reakční silou podpěry a tahová síla motoru je v absolutní hodnotě rovna síle odporu vůči pohybu.
Lustr spočívá na stropě, protože gravitační síla je kompenzována napětím jeho svítidel.
Kompenzovat lze pouze síly, které působí na jedno těleso.
Newtonův druhý zákon
Pojďme dál. Příčiny, které způsobují změnu rychlosti těles, uvažuje druhý Newtonův zákon. O čem to mluví?
Výsledek sil působících na těleso je definován jako součin hmotnosti tělesa a zrychlení získaného působením sil.
2 Newtonův zákon (vzorec: F=ma) bohužel nezakládá kauzální vztahy mezi základními pojmy kinematiky a dynamiky. Nedokáže přesně určit, co způsobuje zrychlení těles.
Pojďme to formulovat jinak: zrychlení přijaté tělesem je přímo úměrné výsledným silám a nepřímo úměrné hmotnosti tělesa.
Je tedy možné stanovit, že ke změně rychlosti dochází pouze v závislosti na síle, která na ni působí, a hmotnosti tělesa.
2 Newtonův zákon, jehož vzorec může být následující: a=F/m, je považován za základní ve vektorové formě, protože umožňujenavázat spojení mezi obory fyziky. Zde a je vektor zrychlení tělesa, F je výslednice sil, m je hmotnost tělesa.
Zrychlený pohyb vozu je možný, pokud tažná síla motorů překročí sílu odporu vůči pohybu. S rostoucím tahem roste i zrychlení. Nákladní automobily jsou vybaveny vysoce výkonnými motory, protože jejich hmotnost je mnohem vyšší než hmotnost osobního automobilu.
Ohnivé koule určené pro vysokorychlostní závody jsou odlehčeny tak, že je k nim připevněno minimum nezbytných dílů a výkon motoru je zvýšen na možné limity. Jednou z nejdůležitějších vlastností sportovních vozů je doba zrychlení na 100 km/h. Čím kratší je tento časový interval, tím lepší jsou rychlostní vlastnosti vozu.
Zákon interakce
Newtonovy zákony, založené na přírodních silách, říkají, že jakákoliv interakce je doprovázena objevením se dvojice sil. Pokud koule visí na niti, zažije svou akci. V tomto případě se nit také natáhne působením kuličky.
Formulace třetí pravidelnosti doplňuje Newtonovy zákony. Ve zkratce to zní takto: akce rovná se reakce. Co to znamená?
Síly, kterými na sebe tělesa působí, jsou stejné velikosti, opačného směru a směřují podél čáry spojující středy těles. Je zajímavé, že je nelze nazvat kompenzovanými, protože působí na různá těla.
Vymáhání zákonů
Slavný problém „Kůň a vozík“může být matoucí. Kůň zapřažený do zmíněného vozu jej pohybujez místa. V souladu s třetím Newtonovým zákonem na sebe tyto dva předměty působí stejnými silami, ale v praxi může kůň pohybovat vozíkem, který nezapadá do základů vzoru.
Řešení najdeme, vezmeme-li v úvahu, že tato soustava těles není uzavřená. Silnice má svůj vliv na obě těla. Statická třecí síla působící na koňská kopyta převyšuje odvalovací třecí sílu kol vozíku. Okamžik pohybu totiž začíná pokusem pohnout vagónem. Pokud se poloha změní, kůň jej za žádných okolností nepohne z místa. Jeho kopyta uklouznou na silnici a nebude se hýbat.
V dětství při vzájemném sáňkování se s takovým příkladem mohl setkat každý. Pokud na saních sedí dvě nebo tři děti, pak úsilí jednoho dítěte zjevně nestačí k jejich pohybu.
Pád těl na zemský povrch, vysvětlený Aristotelem („Každé tělo zná své místo“), lze vyvrátit na základě výše uvedeného. Předmět se pohybuje směrem k Zemi pod vlivem stejné síly, jakou se Země pohybuje směrem k ní. Porovnáním jejich parametrů (hmotnost Země je mnohem větší než hmotnost tělesa) v souladu s druhým Newtonovým zákonem tvrdíme, že zrychlení objektu je mnohonásobně větší než zrychlení Země. Pozorujeme změnu rychlosti tělesa, Země se nepohybuje ze své oběžné dráhy.
Omezení použitelnosti
Moderní fyzika Newtonovy zákony nepopírá, ale pouze stanovuje hranice jejich použitelnosti. Až do začátku 20. století fyzici nepochybovali, že tyto zákony vysvětlují všechny přírodní jevy.
1, 2, 3 zákonNewton plně odhaluje příčiny chování makroskopických těles. Pohyb objektů se zanedbatelnou rychlostí je plně popsán těmito postuláty.
Pokus vysvětlit na jejich základě pohyb těles s rychlostmi blízkými rychlosti světla je odsouzen k nezdaru. Úplná změna vlastností prostoru a času při těchto rychlostech neumožňuje použití newtonovské dynamiky. Navíc zákony mění svou formu v neinerciálních FR. Pro jejich aplikaci je zaveden koncept setrvačné síly.
Newtonovy zákony mohou vysvětlit pohyb astronomických těles, pravidla pro jejich umístění a vzájemné působení. Pro tento účel je zaveden zákon univerzální gravitace. Není možné vidět výsledek přitahování malých těles, protože síla je malá.
Vzájemná přitažlivost
Existuje legenda, podle které dostal pan Newton, který seděl na zahradě a pozoroval pád jablek, geniální nápad: vysvětlit pohyb objektů v blízkosti povrchu Země a pohyb vesmírných těles na základě vzájemné přitažlivosti. Není to tak daleko od pravdy. Pozorování a přesný výpočet se týkaly nejen pádu jablek, ale i pohybu Měsíce. Zákony tohoto pohybu vedou k závěru, že přitažlivá síla roste s rostoucí hmotností interagujících těles a klesá s rostoucí vzdáleností mezi nimi.
Na základě druhého a třetího Newtonova zákona je zákon univerzální gravitace formulován následovně: všechna tělesa ve vesmíru jsou k sobě přitahována silou směřující podél čáry spojující středy těles, úměrné hmotnosti těl anepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti mezi středy těles.
Matematický zápis: F=GMm/r2, kde F je přitažlivá síla, M, m jsou hmotnosti interagujících těles, r je vzdálenost mezi nimi. Koeficient proporcionality (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) se nazývá gravitační konstanta.
Fyzikální význam: tato konstanta je rovna přitažlivé síle mezi dvěma tělesy o hmotnosti 1 kg ve vzdálenosti 1 m. Je zřejmé, že pro tělesa o malých hmotnostech je síla tak nepatrná, že může být zanedbané. U planet, hvězd, galaxií je síla přitažlivosti tak obrovská, že zcela určuje jejich pohyb.
Je to Newtonův gravitační zákon, který říká, že k odpálení raket potřebujete palivo, které dokáže vytvořit takový proudový tah k překonání vlivu Země. Rychlost potřebná k tomu je první úniková rychlost, která je 8 km/s.
Moderní raketová technologie umožňuje vypouštět bezpilotní stanice jako umělé družice Slunce na jiné planety k průzkumu. Rychlost vyvinutá takovým zařízením je druhá vesmírná rychlost, rovna 11 km/s.
Algoritmus pro aplikaci zákonů
Řešení dynamických problémů podléhá určité posloupnosti akcí:
- Analyzujte úkol, identifikujte data, typ pohybu.
- Nakreslete nákres udávající všechny síly působící na těleso a směr zrychlení (pokud existuje). Vyberte souřadnicový systém.
- Napište první nebo druhý zákon v závislosti na dostupnostizrychlení těla ve vektorové podobě. Vezměte v úvahu všechny síly (výsledná síla, Newtonovy zákony: první, pokud se rychlost tělesa nemění, druhá, pokud dojde ke zrychlení).
- Přepište rovnici do projekcí na vybrané souřadnicové osy.
- Pokud výsledný systém rovnic nestačí, zapište další: definice sil, rovnice kinematiky atd.
- Vyřešte soustavu rovnic pro požadovanou hodnotu.
- Proveďte kontrolu rozměrů, abyste zjistili, zda je výsledný vzorec správný.
- Vypočítat.
Tyto kroky obvykle postačují pro jakýkoli standardní úkol.
