Dabas parādību izpēte uz eksperimenta pamata ir iespējama tikai tad, ja tiek ievēroti visi posmi: novērojums, hipotēze, eksperiments, teorija. Novērošana atklās un salīdzinās faktus, hipotēze ļauj tiem sniegt detalizētu zinātnisku skaidrojumu, kam nepieciešams eksperimentāls apstiprinājums. Novērojot ķermeņu kustību, tika izdarīts interesants secinājums: ķermeņa ātruma maiņa iespējama tikai cita ķermeņa ietekmē.
Piemēram, ja jūs ātri skrienat pa kāpnēm, tad pagriezienā jums vienkārši jāsatver margas (mainot kustības virzienu) vai jāapstājas (mainot ātruma vērtību), lai nesadurtos ar pretējai sienai.
Līdzīgu parādību novērojumu rezultātā tika izveidota fizikas nozare, kas pēta ķermeņu ātruma izmaiņu vai to deformāciju cēloņus.
Dinamikas pamati
Dinamika tiek aicināta atbildēt uz sakramentālo jautājumu, kāpēc fiziskais ķermenis tā vai citādi kustas vai atrodas miera stāvoklī.
Apsveriet atpūtas stāvokli. Pamatojoties uz kustības relativitātes jēdzienu, varam secināt: absolūti nekustīgu ķermeņu nav un nevar būt. Jebkuršobjekts, būdams nekustīgs attiecībā pret vienu atskaites ķermeni, pārvietojas attiecībā pret otru. Piemēram, grāmata, kas guļ uz galda, ir nekustīga attiecībā pret galdu, bet, ja ņemam vērā tās pozīciju attiecībā pret garāmejošu cilvēku, mēs izdarām dabisku secinājumu: grāmata kustas.
Tāpēc ķermeņu kustības likumi tiek aplūkoti inerciālās atskaites sistēmās. Kas tas ir?
Tiek izsaukts inerciālais atskaites rāmis, kurā ķermenis atrodas miera stāvoklī vai veic vienmērīgu un taisnu kustību, ja uz to neietekmē citi objekti vai objekti.
Iepriekš minētajā piemērā ar tabulu saistīto atskaites sistēmu var saukt par inerciālu. Persona, kas pārvietojas vienmērīgi un taisnā līnijā, var kalpot par ISO atskaites sistēmu. Ja tā kustība ir paātrināta, tad ar to nav iespējams saistīt inerciālu CO.
Patiesībā šādu sistēmu var korelēt ar ķermeņiem, kas stingri nostiprināti uz Zemes virsmas. Tomēr pati planēta nevar kalpot par IFR atskaites ķermeni, jo tā vienmērīgi griežas ap savu asi. Ķermeņiem uz virsmas ir centripetālais paātrinājums.
Kas ir impulss?
Inerces parādība ir tieši saistīta ar ISO. Atcerieties, kas notiek, ja braucoša automašīna pēkšņi apstājas? Turpinot ceļu, pasažieri ir apdraudēti. To var apturēt ar sēdekli priekšā vai drošības jostām. Šis process ir izskaidrojams ar pasažiera inerci. Vai tā?
Inerce ir parādība, kas paredz saglabāšanunemainīgs ķermeņa ātrums, ja citi ķermeņi to neietekmē. Pasažieris atrodas drošības jostu vai sēdekļu reibumā. Šeit inerces fenomens nav novērots.
Izskaidrojums slēpjas ķermeņa īpašībās, un, saskaņā ar to, nav iespējams momentāli mainīt objekta ātrumu. Tā ir inerce. Piemēram, dzīvsudraba inertums termometrā ļauj pazemināt stieni, ja mēs sakratiet termometru.
Inerces mēru sauc par ķermeņa masu. Mijiedarbojoties, ātrums mainās ātrāk ķermeņiem ar mazāku masu. Automašīnas sadursme ar betona sienu pēdējam norit gandrīz bez pēdām. Automašīnā visbiežāk notiek neatgriezeniskas izmaiņas: mainās ātrums, rodas būtiskas deformācijas. Izrādās, ka betona sienas inerce ievērojami pārsniedz automašīnas inerci.
Vai dabā ir iespējams sastapt inerces fenomenu? Stāvoklis, kurā ķermenis ir bez savienojuma ar citiem ķermeņiem, ir dziļā telpa, kurā kosmosa kuģis pārvietojas ar izslēgtiem dzinējiem. Bet pat šajā gadījumā gravitācijas moments ir klātesošs.
Pamatdaudzumi
Dinamikas pētīšana eksperimentālā līmenī ietver eksperimentēšanu ar fizisko lielumu mērījumiem. Interesantākais:
- paātrinājums kā ķermeņu ātruma maiņas ātruma mērs; apzīmē to ar burtu a, mēra m/s2;
- masa kā inerces mērs; apzīmēts ar burtu m, mērot kg;
- spēks kā ķermeņu savstarpējās darbības mērs; visbiežāk apzīmē ar burtu F, mērot N (ņūtonos).
Attiecība starp šiem daudzumiemizklāstīti trīs modeļos, kurus atvasinājis izcilākais angļu fiziķis. Ņūtona likumi ir izstrādāti, lai izskaidrotu dažādu ķermeņu mijiedarbības sarežģītību. Kā arī procesi, kas tos pārvalda. Tieši jēdzieni "paātrinājums", "spēks", "masa" Ņūtona likumi saista ar matemātiskām attiecībām. Mēģināsim izdomāt, ko tas nozīmē.
Tikai viena spēka darbība ir ārkārtēja parādība. Piemēram, mākslīgo pavadoni, kas riņķo ap Zemi, ietekmē tikai gravitācija.
Rezultants
Vairāku spēku darbību var aizstāt ar vienu spēku.
Ģeometrisko spēku summu, kas iedarbojas uz ķermeni, sauc par rezultantu.
Runa ir par ģeometrisku summu, jo spēks ir vektora lielums, kas ir atkarīgs ne tikai no pielietojuma punkta, bet arī no darbības virziena.
Piemēram, ja nepieciešams pārvietot diezgan masīvu drēbju skapi, varat uzaicināt draugus. Kopā mēs sasniedzam vēlamo rezultātu. Bet jūs varat uzaicināt tikai vienu ļoti spēcīgu cilvēku. Viņa pūles ir vienādas ar visu draugu rīcību. Varoņa pielikto spēku var saukt par rezultēto.
Ņūtona kustības likumi ir formulēti, pamatojoties uz jēdzienu "rezultants".
Inerces likums
Sāciet pētīt Ņūtona likumus ar visizplatītāko parādību. Pirmo likumu parasti sauc par inerces likumu, jo tas nosaka vienmērīgas taisnas kustības cēloņus vai ķermeņu atpūtas stāvokli.
Ķermenis kustas vienmērīgi un taisni vaiatpūšas, ja uz to neiedarbojas spēks vai šī darbība tiek kompensēta.
Var apgalvot, ka rezultants šajā gadījumā ir vienāds ar nulli. Šādā stāvoklī ir, piemēram, automašīna, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu taisnā ceļa posmā. Pievilkšanas spēka darbību kompensē atbalsta reakcijas spēks, un dzinēja vilces spēks absolūtā vērtībā ir vienāds ar kustības pretestības spēku.
Lustra balstās uz griestiem, jo gravitācijas spēku kompensē tās stiprinājumu spriegojums.
Var kompensēt tikai tos spēkus, kas tiek pielikti vienam ķermenim.
Ņūtona otrais likums
Ejam tālāk. Iemeslus, kas izraisa ķermeņu ātruma izmaiņas, aplūko Ņūtona otrais likums. Par ko viņš runā?
Uz ķermeni iedarbojošo spēku rezultants tiek definēts kā ķermeņa masas un paātrinājuma reizinājums, kas iegūts, iedarbojoties spēkiem.
2 Ņūtona likums (formula: F=ma), diemžēl nenosaka cēloņsakarības starp kinemātikas un dinamikas pamatjēdzieniem. Viņš nevar precīzi noteikt, kas izraisa ķermeņa paātrināšanos.
Formulēsim savādāk: ķermeņa saņemtais paātrinājums ir tieši proporcionāls rezultējošajiem spēkiem un apgriezti proporcionāls ķermeņa masai.
Tādējādi var konstatēt, ka ātruma izmaiņas notiek tikai atkarībā no uz to pieliktā spēka un ķermeņa masas.
2 Ņūtona likums, kura formula var būt šāda: a=F/m, tiek uzskatīts par fundamentālu vektora formā, jo tas ļaujizveidot savienojumus starp fizikas nozarēm. Šeit a ir ķermeņa paātrinājuma vektors, F ir spēku rezultants, m ir ķermeņa masa.
Automašīnas paātrināta kustība ir iespējama, ja dzinēju vilces spēks pārsniedz kustības pretestības spēku. Palielinoties vilces spēkam, palielinās arī paātrinājums. Kravas automašīnas ir aprīkotas ar lieljaudas dzinējiem, jo to masa ir daudz lielāka nekā vieglā automobiļa masa.
Ātrgaitas sacīkstēm paredzētās ugunsbumbas tiek izgaismotas tā, lai tām piestiprinātu minimāli nepieciešamās detaļas, un dzinēja jauda tiek palielināta līdz iespējamajām robežām. Viena no svarīgākajām sporta automašīnu īpašībām ir paātrinājuma laiks līdz 100 km/h. Jo īsāks šis laika intervāls, jo labākas ir automašīnas ātruma īpašības.
Mijiedarbības likums
Ņūtona likumi, kuru pamatā ir dabas spēki, nosaka, ka jebkuru mijiedarbību pavada spēku pāra parādīšanās. Ja bumba karājas uz pavediena, tad tā piedzīvo savu darbību. Šajā gadījumā vītne tiek izstiepta arī bumbas iedarbībā.
Trešās likumsakarības formulējums pabeidz Ņūtona likumus. Īsāk sakot, tas izklausās šādi: darbība ir vienāda ar reakciju. Ko tas nozīmē?
Spēki, ar kuriem ķermeņi iedarbojas viens uz otru, ir vienādi pēc lieluma, pretējā virzienā un vērsti pa līniju, kas savieno ķermeņu centrus. Interesanti, ka tos nevar saukt par kompensētiem, jo tie iedarbojas uz dažādiem ķermeņiem.
Likumu izpilde
Slavenā "Zirgu un ratu" problēma var radīt neskaidrības. Pie minētā vagona iejūgtais zirgs to pārvietono vietas. Saskaņā ar Ņūtona trešo likumu šie divi objekti iedarbojas viens uz otru ar vienādiem spēkiem, taču praksē zirgs var pārvietot pajūgu, kas neiekļaujas raksta pamatos.
Risinājums ir atrasts, ja ņemam vērā, ka šī ķermeņu sistēma nav slēgta. Ceļam ir sava ietekme uz abiem ķermeņiem. Statiskais berzes spēks, kas iedarbojas uz zirga nagiem, pārsniedz ratu riteņu rites berzes spēku. Galu galā kustības moments sākas ar mēģinājumu pārvietot vagonu. Ja pozīcija mainās, tad zirgs nekādā gadījumā to nepārvietos no vietas. Viņa nagi paslīdēs uz ceļa un nebūs nekādas kustības.
Bērnībā, viens otru vizinot ar ragaviņām, katrs varēja sastapties ar šādu piemēru. Ja uz ragaviņām sēž divi vai trīs bērni, tad ar viena bērna pūlēm viennozīmīgi nepietiek, lai viņus izkustinātu.
Aristoteļa skaidroto ķermeņu krišanu uz zemes virsmas ("Katrs ķermenis zina savu vietu") var atspēkot, pamatojoties uz iepriekš minēto. Objekts virzās uz zemi tāda paša spēka ietekmē, kā Zeme virzās uz to. Salīdzinot to parametrus (Zemes masa ir daudz lielāka par ķermeņa masu), saskaņā ar Ņūtona otro likumu mēs apgalvojam, ka objekta paātrinājums ir tikpat reižu lielāks nekā Zemes paātrinājums. Mēs novērojam ķermeņa ātruma izmaiņas, Zeme neizkustas no savas orbītas.
Pielietojamības ierobežojumi
Mūsdienu fizika nenoliedz Ņūtona likumus, bet tikai nosaka to pielietojamības robežas. Līdz 20. gadsimta sākumam fiziķiem nebija šaubu, ka šie likumi izskaidro visas dabas parādības.
1, 2, 3 likumsŅūtons pilnībā atklāj makroskopisko ķermeņu uzvedības cēloņus. Objektu kustību ar nenozīmīgu ātrumu pilnībā apraksta šie postulāti.
Mēģinājums izskaidrot, pamatojoties uz tiem, ķermeņu kustība ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, ir lemta neveiksmei. Pilnīga telpas un laika īpašību maiņa pie šiem ātrumiem neļauj izmantot Ņūtona dinamiku. Turklāt likumi maina savu formu neinerciālajos FR. To piemērošanai tiek ieviests inerces spēka jēdziens.
Ņūtona likumi var izskaidrot astronomisko ķermeņu kustību, to atrašanās vietas un mijiedarbības noteikumus. Šim nolūkam ir ieviests universālās gravitācijas likums. Mazo ķermeņu pievilkšanas rezultātu nav iespējams redzēt, jo spēks ir niecīgs.
Savstarpēja pievilcība
Ir leģenda, saskaņā ar kuru Ņūtona kungam, kurš sēdēja dārzā un vēroja ābolu krišanu, radās ģeniāla ideja: izskaidrot objektu kustību Zemes virsmas tuvumā un kosmosa ķermeņi uz savstarpējas pievilkšanās pamata. Tas nav tik tālu no patiesības. Novērojumi un precīzi aprēķini attiecās ne tikai uz ābolu krišanu, bet arī uz mēness kustību. Šīs kustības likumi liek secināt, ka pievilkšanās spēks palielinās, palielinoties mijiedarbojošo ķermeņu masām, un samazinās, palielinoties attālumam starp tiem.
Pamatojoties uz Ņūtona otro un trešo likumu, universālās gravitācijas likums ir formulēts šādi: visi ķermeņi Visumā tiek piesaistīti viens otram ar spēku, kas vērsts pa līniju, kas savieno ķermeņu centrus un ir proporcionāls ķermeņu masas unapgriezti proporcionāls kvadrātam attālumam starp ķermeņu centriem.
Matemātiskais apzīmējums: F=GMm/r2, kur F ir pievilkšanās spēks, M, m ir mijiedarbojošo ķermeņu masas, r ir attālums starp tiem. Proporcionalitātes koeficientu (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) sauc par gravitācijas konstante.
Fiziskā nozīme: šī konstante ir vienāda ar pievilkšanās spēku starp diviem ķermeņiem, kuru masa ir 1 kg un atrodas 1 m attālumā. Ir skaidrs, ka mazas masas ķermeņiem spēks ir tik nenozīmīgs, ka to var atstāta novārtā. Planētām, zvaigznēm, galaktikām pievilkšanās spēks ir tik milzīgs, ka tas pilnībā nosaka to kustību.
Tas ir Ņūtona gravitācijas likums, kas nosaka, ka, lai palaistu raķetes, ir nepieciešama degviela, kas spēj radīt tādu strūklas vilci, lai pārvarētu Zemes ietekmi. Tam nepieciešamais ātrums ir pirmais evakuācijas ātrums, kas ir 8 km/s.
Mūsdienu raķešu tehnoloģija ļauj palaist bezpilota stacijas kā mākslīgos Saules pavadoņus uz citām planētām, lai tās izpētītu. Šādas ierīces izstrādātais ātrums ir otrais kosmosa ātrums, kas vienāds ar 11 km/s.
Likumu piemērošanas algoritms
Dinamikas problēmu risināšana ir pakļauta noteiktai darbību secībai:
- Analizējiet uzdevumu, identificējiet datus, kustības veidu.
- Uzzīmējiet zīmējumu, kurā norādīti visi spēki, kas iedarbojas uz ķermeni, un paātrinājuma virziens (ja tāds ir). Izvēlieties koordinātu sistēmu.
- Rakstiet pirmo vai otro likumu atkarībā no pieejamībasķermeņa paātrinājums vektora formā. Ņem vērā visus spēkus (rezultējošais spēks, Ņūtona likumi: pirmais, ja ķermeņa ātrums nemainās, otrs, ja ir paātrinājums).
- Pārrakstiet vienādojumu projekcijās uz atlasītajām koordinātu asīm.
- Ja ar iegūto vienādojumu sistēmu nepietiek, tad pierakstiet citus: spēku definīcijas, kinemātikas vienādojumus utt.
- Atrisiniet vēlamās vērtības vienādojumu sistēmu.
- Veiciet izmēru pārbaudi, lai noteiktu, vai iegūtā formula ir pareiza.
- Aprēķināt.
Parasti ar šīm darbībām pietiek jebkuram standarta uzdevumam.
