Pohyb různých těles v prostoru ve fyzice studuje speciální sekce - mechanika. Ten se zase dělí na kinematiku a dynamiku. V tomto článku se budeme zabývat zákony mechaniky ve fyzice se zaměřením na dynamiku translačního a rotačního pohybu těles.
Historické pozadí
Jak a proč se tělesa pohybují, je předmětem zájmu filozofů a vědců již od starověku. Aristoteles tedy věřil, že předměty se pohybují v prostoru jen proto, že na ně působí nějaký vnější vliv. Pokud se tento účinek zastaví, tělo se okamžitě zastaví. Mnoho starověkých řeckých filozofů věřilo, že přirozeným stavem všech těl je odpočinek.
S příchodem New Age začalo mnoho vědců studovat zákony pohybu v mechanice. Je třeba poznamenat taková jména jako Huygens, Hooke a Galileo. Ten vyvinul vědecký přístup ke studiu přírodních jevů a ve skutečnosti objevil první zákon mechaniky, který však nenese jeho příjmení.
V roce 1687 byla vydána vědecká publikace, jejímž autorem jeAngličan Isaac Newton. Ve své vědecké práci jasně formuloval základní zákony pohybu těles v prostoru, které spolu se zákonem univerzální gravitace tvořily základ nejen mechaniky, ale celé moderní klasické fyziky.
O Newtonových zákonech
Nazývají se také zákony klasické mechaniky, na rozdíl od relativistických, jejichž postuláty stanovil na počátku 20. století Albert Einstein. V prvním jsou pouze tři hlavní zákony, na kterých je založeno celé odvětví fyziky. Jmenují se takto:
- Zákon setrvačnosti.
- Zákon vztahu mezi silou a zrychlením.
- Zákon akce a reakce.
Proč jsou tyto tři zákony hlavní? Je to jednoduché, lze z nich odvodit jakýkoli vzorec mechaniky, nicméně žádný teoretický princip k žádné z nich nevede. Tyto zákony vyplývají výhradně z četných pozorování a experimentů. Jejich platnost potvrzuje spolehlivost předpovědí získaných pomocí nich při řešení různých problémů v praxi.
Zákon setrvačnosti
První Newtonův zákon v mechanice říká, že každé těleso bez vnějšího vlivu si zachová klidový nebo přímočarý pohyb v jakékoli inerciální vztažné soustavě.
Abyste pochopili tento zákon, musíte rozumět systému hlášení. Inerciální se nazývá pouze tehdy, pokud splňuje uvedený zákon. Jinými slovy, v inerciální soustavě neexistujeexistují fiktivní síly, které by pozorovatelé pocítili. Například soustavu pohybující se rovnoměrně a přímočaře lze považovat za inerciální. Na druhou stranu systém, který se rovnoměrně otáčí kolem osy, není inerciální kvůli přítomnosti fiktivní odstředivé síly v něm.
Zákon setrvačnosti určuje důvod, proč se povaha pohybu mění. Důvodem je přítomnost vnější síly. Všimněte si, že na tělo může působit několik sil. V tomto případě musí být přidány podle pravidla vektorů, pokud je výsledná síla rovna nule, bude tělo pokračovat ve svém rovnoměrném pohybu. Je také důležité pochopit, že v klasické mechanice není žádný rozdíl mezi rovnoměrným pohybem tělesa a jeho klidovým stavem.
Newtonův druhý zákon
Říká, že důvodem pro změnu povahy pohybu těla v prostoru je přítomnost vnější nenulové síly, která na něj působí. Ve skutečnosti tento zákon navazuje na předchozí. Jeho matematický zápis je následující:
F¯=ma¯.
Veličina a¯ je zde zrychlení, které popisuje rychlost změny vektoru rychlosti, m je setrvačná hmotnost tělesa. Protože m je vždy větší než nula, vektory síly a zrychlení směřují stejným směrem.
Uvažovaný zákon platí pro velké množství jevů v mechanice, například pro popis procesu volného pádu, pohybu se zrychlením automobilu, klouzání tyče po nakloněné rovině, kmitání kyvadla,napětí pružinových šupin a tak dále. Dá se s jistotou říci, že je to hlavní zákon dynamiky.
Momentum a hybnost
Pokud se obrátíte přímo na Newtonovu vědeckou práci, můžete vidět, že sám vědec formuloval druhý zákon mechaniky poněkud jinak:
Fdt=dp, kde p=mv.
Hodnota p se nazývá hybnost. Mnozí to mylně nazývají impulsem těla. Množství pohybu je inerciálně-energetická charakteristika rovna součinu hmotnosti tělesa a jeho rychlosti.
Změnu hybnosti o nějakou hodnotu dp lze provést pouze vnější silou F působící na těleso v časovém intervalu dt. Součin síly a doby jejího působení se nazývá impuls síly nebo jednoduše impuls.
Při srážce dvou těles mezi nimi působí srážková síla, která mění hybnost každého tělesa, nicméně jelikož je tato síla vnitřní vzhledem k soustavě dvou zkoumaných těles, nevede ke změně v celkové hybnosti systému. Tato skutečnost se nazývá zákon zachování hybnosti.
Otáčení se zrychlením
Pokud se na pohyb rotace aplikuje zákon mechaniky formulovaný Newtonem, dostaneme následující výraz:
M=Iα.
Zde M - moment hybnosti - toto je hodnota, která ukazuje schopnost síly provést obrat v systému. Moment síly se vypočítá jako součin vektorové síly a vektoru poloměru směrovaného od osy kaplikační bod. Veličina I je moment setrvačnosti. Stejně jako moment síly závisí na parametrech rotačního systému, zejména na geometrickém rozložení hmoty těla vzhledem k ose. Konečně hodnota α je úhlové zrychlení, které vám umožňuje určit, o kolik radiánů za sekundu se změní úhlová rychlost.
Pokud se pozorně podíváte na psanou rovnici a nakreslíte analogii mezi jejími hodnotami a indikátory z druhého Newtonova zákona, pak získáme jejich úplnou identitu.
Zákon akce a reakce
Zbývá nám zvážit třetí zákon mechaniky. Jestliže první dva, tak či onak, formulovali Newtonovi předchůdci a sám vědec jim dal pouze harmonickou matematickou formu, pak je třetí zákon původním výplodem velkého Angličana. Říká se tedy: pokud se dvě tělesa dostanou do silového kontaktu, pak síly působící mezi nimi jsou stejné velikosti a opačného směru. Stručně řečeno, můžeme říci, že jakákoli akce způsobí reakci.
F12¯=-F21¯.
Zde F12¯ a F21¯ - působí ze strany 1. těla na 2. a ze strany 2. do 1. síly.
Existuje mnoho příkladů, které tento zákon potvrzují. Například při skoku je člověk odpuzován od povrchu země, ten ho tlačí nahoru. Totéž platí pro chůzi na chodítku a odrážení stěny plaveckého bazénu. Další příklad, když stisknete ruku na stůl, pak je cítit opak.účinek stolu na ruku, který se nazývá reakční síla podpory.
Při řešení problémů s aplikací třetího Newtonova zákona bychom neměli zapomínat, že akční síla a reakční síla působí na různá tělesa, a proto jim dávají různá zrychlení.
