ДИНАМІКА: ІСТОРІЯ, ТЕ, ЩО ВОНА ВИВЧАЄ, ЗАКОНИ ТА ТЕОРІЇ - ФІЗИЧНІ - 2025

Динамічне це область механіки , яка вивчає взаємодію між тілами і їх наслідками. Він стосується опису їх якісно та кількісно, ​​а також передбачення того, як вони розвиватимуться з часом.

Застосовуючи його принципи, відомо, як змінюється рух тіла під час взаємодії з іншими, а також якщо ці взаємодії деформують його, оскільки цілком можливо, що обидва наслідки відбуваються одночасно.

Малюнок 1. Взаємодії на велосипедиста змінюють їх рух. Джерело: Pixabay.

Вірування великого грецького філософа Арістотеля (384-322 рр. До н. Е.) Панували як фундамент динаміки на Заході протягом століть. Він думав, що предмети рухаються через якусь енергію, яка штовхає їх в ту чи іншу сторону.

Він також зауважив, що під час натискання предмета він рухається з постійною швидкістю, але при натисканні зупиняється, він рухається все повільніше і повільніше, поки не зупиниться.

На думку Арістотеля, дія постійної сили була необхідна для того, щоб щось рухатися з постійною швидкістю, але те, що відбувається, полягає в тому, що цей філософ не мав наслідків тертя.

Інша його ідея полягала в тому, що важчі предмети падають швидше, ніж легші. Саме великий Галілей Галілей (1564-1642) продемонстрував за допомогою експериментів, що всі тіла падають з однаковим прискоренням незалежно від їх маси, нехтуючи в'язкими ефектами.

Але саме Ісаак Ньютон (1642-1727), найвидатніший вчений, який коли-небудь жив, вважається батьком сучасної динаміки та математичного обчислення разом з Готфрідом Лейбніцом.

Малюнок 2. Ісаак Ньютон 1682 року Годфрі Кнеллер. Джерело: Wikimedia Commons.

Його відомі закони, сформульовані протягом 17 століття, залишаються такими ж чинними і свіжими і сьогодні. Вони є основою класичної механіки, яку ми бачимо і впливає на нас щодня. Ці закони будуть обговорені найближчим часом.

Що вивчає динаміка?

Динаміка вивчає взаємодію між об'єктами. При взаємодії об'єктів відбуваються зміни в їх русі та деформації. Конкретна область, яка називається статичною, присвячена тим системам, які перебувають у рівновазі, тим, які перебувають у спокої або мають рівномірний прямолінійний рух.

Застосовуючи принципи динаміки, можна за допомогою рівнянь передбачити, якими будуть зміни та еволюція об'єктів у часі. Для цього встановлюються деякі припущення залежно від типу системи, що вивчається.

Частинки, тверді тверді речовини та суцільні середовища

Модель частинок найпростіше почати застосовувати принципи динаміки. У ній передбачається, що об’єкт, що вивчається, має масу, але не має розмірів. Тому частинка може бути такою ж маленькою, як електрон, або такою ж великою, як Земля чи Сонце.

Коли ви хочете спостерігати за впливом розміру на динаміку, необхідно враховувати розмір і форму предметів. Модель, яка враховує це, - це жорстке тверде тіло, тіло з вимірюваними розмірами, що складається з дуже багатьох частинок, але яке не деформується під дією сил.

Нарешті, механіка суцільних середовищ враховує не тільки розміри об'єкта, але й його особливості, включаючи здатність, яку він має деформувати. Безперервні носії охоплюють тверді і нежорсткі тверді речовини, а також рідини.

Закони Ньютона

Ключ до розуміння того, як працює динаміка, полягає в глибокому розумінні законів Ньютона, які кількісно пов'язують сили, що діють на тіло, зі змінами його стану руху або спокою.

Перший закон Ньютона

Пояснення першого закону Ньютона. Джерело: саморобний.

Каже так:

Перша частина твердження здається цілком очевидною, оскільки очевидно, що предмет у спокої залишиться таким, якщо його не порушити. А для цього потрібна сила.

З іншого боку, той факт, що об’єкт продовжується в русі навіть тоді, коли чиста сила на нього дорівнює нулю, прийняти трохи складніше, оскільки здається, що об'єкт може перебувати в русі на невизначений час. І щоденний досвід говорить про те, що рано чи пізно все сповільнюється.

Відповідь на це явне протиріччя - в терті. Дійсно, якби предмет рухався по ідеально гладкій поверхні, він міг би це робити нескінченно, припускаючи, що жодна інша сила не призводить до того, що рух може змінюватися.

Оскільки повністю усунути тертя неможливо, ситуація, в якій тіло рухається нескінченно з постійною швидкістю, є ідеалізацією.

Нарешті, важливо зазначити, що хоча сила нетто дорівнює нулю, це не обов'язково являє собою повну відсутність сил на об’єкт.

Об'єкти на земній поверхні завжди відчувають гравітаційне тяжіння. Книга, що спирається на стіл, залишається таким чином, оскільки поверхня столу чинить силу, яка протидіє вазі.

Другий закон Ньютона

Пояснення другого закону Ньютона. Джерело: саморобний.

Перший закон Ньютона встановлює, що відбувається з об'єктом, на який чиста або результуюча сила дорівнює нулю. Тепер основний закон динаміки або другий закон Ньютона вказує, що станеться, коли чиста сила не скасується:

Фактично, чим більша сила прикладена, тим більша зміна швидкості руху предмета. І якщо однакова сила буде застосована до об’єктів різної маси, найбільші зміни зазнають об’єкти, які легші та легші для переміщення. Щоденний досвід погоджується з цими твердженнями.

Третій закон Ньютона

Космічна ракета отримує необхідне русло завдяки викинутим газам. Джерело: Pixabay.

Перші два закони Ньютона стосуються одного об'єкта. Але третій закон стосується двох об’єктів. Назвемо їх об'єктом 1 і об'єктом 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Насправді, кожного разу, коли на організм впливає сила, це відбувається тому, що за його причину відповідає інший. Таким чином, предмети на Землі мають вагу, оскільки вона притягує їх до свого центру. Електричний заряд відштовхується іншим зарядом того ж знака, оскільки він чинить відштовхувальну силу на перший тощо.

Малюнок 3. Підсумок законів Ньютона. Джерело: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Принципи збереження

У динаміці є кілька величин, які зберігаються під час руху і вивчення яких є важливим. Вони - як суцільний стовпчик, до якого можна приєднатися, щоб вирішити проблеми, в яких сили змінюються дуже складними способами.

Приклад: саме коли стикаються два транспортні засоби, взаємодія між ними дуже інтенсивна, але коротка. Настільки інтенсивні, що ніяких інших сил не потрібно враховувати, тому транспортні засоби можна розглядати як ізольовану систему.

Але описати цю інтенсивну взаємодію - непросте завдання, оскільки воно передбачає сили, що змінюються у часі, а також у просторі. Однак, якщо припустити, що транспортні засоби складають ізольовану систему, сили між ними внутрішні, і імпульс зберігається.

Зберігаючи імпульс, можна передбачити, як будуть рухатися транспортні засоби відразу після зіткнення.

Ось два найважливіші принципи збереження в Динаміці:

Енергозбереження

У природі існує два типи сил: консервативна та неконсервативна. Вага - хороший приклад першого, тоді як тертя - хороший приклад другого.

Ну, консервативні сили характеризуються тим, що вони пропонують можливість зберігання енергії в конфігурації системи. Це так звана потенційна енергія.

Коли тіло має потенційну енергію завдяки дії консервативної сили, такої як вага, і переходить у рух, ця потенційна енергія перетворюється на кінетичну енергію. Сума обох енергій називається механічною енергією системи і є такою, яка зберігається, тобто залишається постійною.

Нехай U - потенційна енергія, K - кінетична енергія, а E _m - механічна енергія. Якщо на об'єкт діють лише консервативні сили, то це правда, що:

Таким чином:

Збереження імпульсу

Цей принцип застосовується не лише при зіткненні двох транспортних засобів. Це закон фізики з розмахом, що виходить за межі макроскопічного світу.

Імпульс зберігається на рівні сонячної, зоряної та галактичної систем. І це також робить це в масштабі атома та атомного ядра, незважаючи на те, що ньютонівська механіка перестає діяти там.

Нехай P - вектор імпульсу, заданий:

Р = м. v

Отримання П щодо часу:

Якщо маса залишається постійною:

Тому ми можемо написати другий закон Ньютона так:

_Чистий F = d P / dt

Якщо два тіла m ₁ і m ₂ складають ізольовану систему, сили між ними є внутрішніми і згідно третього закону Ньютона вони рівні і протилежні F ₁ = - F ₂ , виконуючи, що:

Якщо похідна відносно часу величини дорівнює нулю, це означає, що величина залишається постійною. Тому в ізольованій системі можна констатувати, що імпульс системи зберігається:

P ₁ + P ₂ = постійна

Незважаючи на це, P ₁ і P ₂ можуть змінюватись індивідуально. Імпульс системи може бути перерозподілений, але важливо, що його сума залишається незмінною.

Пропоновані поняття в динаміці

У динаміці існує багато важливих понять, але два з них виділяються: маса і сила. На силі, що вже коментується раніше та нижче, є список із найвизначнішими поняттями, які з’являються поруч із нею при вивченні динаміки:

Інертність

Це властивість об'єктам доводиться чинити опір змінам у стані спокою чи руху. Усі об'єкти з масою мають інерцію, і це відчувається дуже часто, наприклад, коли подорожують у прискореному автомобілі, пасажири, як правило, залишаються в спокої, що сприймається як відчуття прилипання до спинки сидіння.

І якщо машина різко зупиняється, пасажири, як правило, перекидаються, слідуючи руху вперед, який вони раніше мали, тому важливо завжди носити ремені безпеки.

Малюнок 4. Під час подорожі на автомобілі інерція призводить до краху, коли машина сильно гальмує. Джерело: Pixabay.

Меса

Маса - міра інерції, оскільки чим більша маса тіла, тим складніше його перемістити або змусити змінити його рух. Маса - це скалярна величина, це означає, що для визначення маси тіла необхідно надати числове значення плюс вибрану одиницю, яка може бути кілограмами, кілограмами, грамами і більше.

Вага

Вага - це сила, з якою Земля тягне предмети близько до її поверхні до центру.

Оскільки це сила, вага має векторний характер, тому він повністю уточнюється, коли вказуються його величина чи числове значення, його напрямок та відчуття, які ми вже знаємо вертикально вниз.

Таким чином, хоча і пов'язані між собою, вага і маса не рівні, не рівнозначні, оскільки перший є вектором, а другий - скаляром.

Системи відліку

Опис руху може змінюватись в залежності від обраного посилання. Ті, хто піднімається в ліфті, знаходяться в спокої відповідно до закріпленої за ним орієнтиру, але помічений спостерігачем на землі, пасажири рухаються.

Якщо тіло відчуває рух навколо однієї системи відліку, але знаходиться в спокої в іншій, закони Ньютона не можуть стосуватися обох. Насправді закони Ньютона застосовні до певних систем відліку: тих, що є інерційними.

В інерціальних системах відліку тіла не прискорюються, якщо їх не порушують певним чином - шляхом прикладання сили.

Надумані сили

Вигадані сили або псевдосили з'являються при аналізі руху тіла в прискореному відліку. Вигадана сила вирізняється тим, що неможливо ідентифікувати агента, відповідального за її появу.

Відцентрова сила - хороший приклад вигаданої сили. Однак той факт, що це є, не робить його менш реальним для тих, хто відчуває це, коли повертається у свої машини і відчуває, що невидима рука виштовхує їх з кривої.

Прискорення

Цей важливий вектор вже згадувався раніше. Об'єкт відчуває прискорення, поки існує сила, яка змінює свою швидкість.

Робота та енергія

Коли сила діє на предмет і вона змінює його положення, сила зробила роботу. І ця робота може зберігатися у вигляді енергії. Тому на об’єкті проводяться роботи, завдяки яким він набуває енергії.

Наступний приклад прояснює суть: Припустимо, людина піднімає горщик певної висоти над рівнем землі.

Для цього вона повинна застосувати силу і подолати гравітацію, тому вона спрацьовує на горщику, і ця робота зберігається у вигляді гравітаційної потенційної енергії в горщику, пропорційній його масі та висоті, яку вона досягла над підлогою. :

Де m - маса, g - сила тяжіння, h - висота. Що може зробити горщик, коли він знаходиться на висоті h? Ну, він може впасти, і коли він падає, гравітаційна потенційна енергія, яку він зменшує, в той час як кінетична або енергія руху збільшуються.

Щоб сила працювала, вона повинна виробляти зміщення, яке повинно бути паралельним силі. Якщо цього не відбувається, сила все одно діє на об’єкт, але не робить на ньому роботи.

Пов'язані теми

Перший закон Ньютона.

Другий закон Ньютона.

Третій закон Ньютона.

Закон збереження речовини.

Список літератури

1. Bauer, W. 2011. Фізика для інженерії та наук. Том 1. Mc Graw Hill.
2. Фігероа, Д. 2005. Серія: Фізика для наук та техніки. Том 2. Динаміка. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
3. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6-ий .. Ед Прентіс Холл.
4. Хьюїтт, Пол. 2012. Концептуальна фізична наука. 5-й. Ред. Пірсон.
5. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6-е скорочене видання. Cengage Learning.
6. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
7. Вікіпедія. Динамічний. Відновлено з: es.wikipedia.org.