Dažādu ķermeņu kustību telpā fizikā pēta īpaša sadaļa - mehānika. Pēdējais, savukārt, ir sadalīts kinemātikā un dinamikā. Šajā rakstā mēs aplūkosim fizikas mehānikas likumus, koncentrējoties uz ķermeņu translācijas un rotācijas kustību dinamiku.
Vēstures fons
Kā un kāpēc ķermeņi pārvietojas, jau kopš seniem laikiem ir interesējuši filozofi un zinātnieki. Tātad Aristotelis uzskatīja, ka objekti pārvietojas telpā tikai tāpēc, ka uz tiem ir kāda ārēja ietekme. Ja šī iedarbība tiek pārtraukta, ķermenis nekavējoties apstāsies. Daudzi senie grieķu filozofi uzskatīja, ka visu ķermeņu dabiskais stāvoklis ir atpūta.
Līdz ar Jaunā laikmeta atnākšanu daudzi zinātnieki sāka pētīt kustības likumus mehānikā. Jāatzīmē tādi vārdi kā Huygens, Hooke un Galileo. Pēdējais izstrādāja zinātnisku pieeju dabas parādību izpētei un faktiski atklāja pirmo mehānikas likumu, kas tomēr nesauc viņa uzvārdu.
1687. gadā tika izdota zinātniska publikācija, kuras autors iranglis Īzaks Ņūtons. Savā zinātniskajā darbā viņš skaidri formulēja ķermeņu kustības pamatlikumus telpā, kas kopā ar universālās gravitācijas likumu veidoja ne tikai mehānikas, bet visas mūsdienu klasiskās fizikas pamatu.
Par Ņūtona likumiem
Tos sauc arī par klasiskās mehānikas likumiem atšķirībā no relativistiskajiem likumiem, kuru postulātus 20. gadsimta sākumā noteica Alberts Einšteins. Pirmajā ir tikai trīs galvenie likumi, uz kuriem balstās visa fizikas nozare. Tos sauc šādi:
- Inerces likums.
- Spēka un paātrinājuma attiecības likums.
- Darbības un reakcijas likums.
Kāpēc šie trīs likumi ir galvenie? Tas ir vienkārši, no tiem var atvasināt jebkuru mehānikas formulu, tomēr neviens teorētisks princips ne pie kā nenoved. Šie likumi izriet tikai no daudziem novērojumiem un eksperimentiem. To pamatotību apliecina ar to palīdzību iegūto prognožu ticamība dažādu problēmu risināšanā praksē.
Inerces likums
Pirmais Ņūtona likums mehānikā saka, ka jebkurš ķermenis bez ārējas ietekmes saglabā miera stāvokli vai taisnas kustības jebkurā inerciālā atskaites sistēmā.
Lai saprastu šo likumu, ir jāsaprot ziņošanas sistēma. To sauc par inerciālu tikai tad, ja tas atbilst noteiktajam likumam. Citiem vārdiem sakot, inerciālajā sistēmā navir fiktīvi spēki, kurus sajustu novērotāji. Piemēram, sistēmu, kas pārvietojas vienmērīgi un taisnā līnijā, var uzskatīt par inerciālu. No otras puses, sistēma, kas vienmērīgi griežas ap asi, nav inerciāla, jo tajā atrodas fiktīvs centrbēdzes spēks.
Inerces likums nosaka iemeslu, kāpēc mainās kustības raksturs. Šis iemesls ir ārēja spēka klātbūtne. Ņemiet vērā, ka uz ķermeni var iedarboties vairāki spēki. Šajā gadījumā tie ir jāsaskaita saskaņā ar vektoru likumu, ja iegūtais spēks ir vienāds ar nulli, tad ķermenis turpinās vienmērīgu kustību. Ir arī svarīgi saprast, ka klasiskajā mehānikā nav atšķirības starp ķermeņa vienmērīgu kustību un tā miera stāvokli.
Ņūtona otrais likums
Viņš saka, ka iemesls ķermeņa kustības rakstura maiņai telpā ir tam pielikts ārējs spēks, kas nav nulle. Faktiski šis likums ir iepriekšējā turpinājums. Tā matemātiskais apzīmējums ir šāds:
F¯=ma¯.
Šeit lielums a¯ ir paātrinājums, kas raksturo ātruma vektora izmaiņu ātrumu, m ir ķermeņa inerciālā masa. Tā kā m vienmēr ir lielāks par nulli, spēka un paātrinājuma vektori norāda vienā virzienā.
Aplūkotais likums ir piemērojams ļoti daudzām parādībām mehānikā, piemēram, brīvā kritiena procesa aprakstam, kustībai ar automašīnas paātrinājumu, stieņa slīdēšanu pa slīpu plakni, svārstībām no svārsta,atsperu svaru spriegums un tā tālāk. Var droši teikt, ka tas ir galvenais dinamikas likums.
Momentum un Momentum
Ja pievēršas tieši Ņūtona zinātniskajam darbam, var redzēt, ka pats zinātnieks otro mehānikas likumu formulēja nedaudz savādāk:
Fdt=dp, kur p=mv.
Vērtību p sauc par impulsu. Daudzi to kļūdaini sauc par ķermeņa impulsu. Kustības apjoms ir inerciālās enerģijas raksturlielums, kas vienāds ar ķermeņa masas un tā ātruma reizinājumu.
Mainīt impulsu par kādu vērtību dp var tikai ārējs spēks F, kas iedarbojas uz ķermeni laika intervālā dt. Spēka un tā darbības ilguma reizinājumu sauc par spēka impulsu vai vienkārši impulsu.
Kad saduras divi ķermeņi, starp tiem iedarbojas sadursmes spēks, kas maina katra ķermeņa impulsu, taču, tā kā šis spēks ir iekšējs attiecībā pret divu pētāmo ķermeņu sistēmu, tas neizraisa izmaiņas. sistēmas kopējā impulsā. Šo faktu sauc par impulsa saglabāšanas likumu.
Pagrieziet ar paātrinājumu
Ja Ņūtona formulēto mehānikas likumu piemēro rotācijas kustībai, tad tiks iegūta šāda izteiksme:
M=Iα.
Šeit M - leņķiskais impulss - tā ir vērtība, kas parāda spēka spēju veikt pagriezienu sistēmā. Spēka momentu aprēķina kā vektora spēka un rādiusa vektora reizinājumu, kas vērsts no ass uzpieteikšanās punkts. Lielums I ir inerces moments. Tāpat kā spēka moments, tas ir atkarīgs no rotējošās sistēmas parametriem, jo īpaši no ķermeņa masas ģeometriskā sadalījuma attiecībā pret asi. Visbeidzot, vērtība α ir leņķiskais paātrinājums, kas ļauj noteikt, cik radiānu sekundē mainās leņķiskais ātrums.
Ja uzmanīgi apskatīsit rakstīto vienādojumu un izveido analoģiju starp tā vērtībām un rādītājiem no otrā Ņūtona likuma, mēs iegūsim to pilnīgu identitāti.
Darbības un reakcijas likums
Mums atliek apsvērt trešo mehānikas likumu. Ja pirmos divus tā vai citādi formulēja Ņūtona priekšgājēji, un pats zinātnieks tiem piešķīra tikai harmonisku matemātisko formu, tad trešais likums ir diženā angļa oriģinālais prāts. Tātad, tas saka: ja divi ķermeņi nonāk spēka saskarē, tad spēki, kas darbojas starp tiem, ir vienādi pēc lieluma un pretēji virzienam. Īsāk sakot, mēs varam teikt, ka jebkura darbība izraisa reakciju.
F12¯=-F21¯.
Šeit F12¯ un F21¯ - darbojas no 1. korpusa sāniem uz 2. un no 2. korpusa puses līdz 1. stiprumam, attiecīgi.
Ir daudz piemēru, kas apstiprina šo likumu. Piemēram, lēciena laikā cilvēks tiek atgrūsts no zemes virsmas, pēdējais viņu stumj uz augšu. Tas pats attiecas uz staigāšanu ar staigulīti un atgrūšanos no peldētāja baseina sienas. Cits piemērs, ja piespiež roku uz galda, tad jūtams pretējais.galda ietekme uz roku, ko sauc par atbalsta reakcijas spēku.
Risinot uzdevumus par Ņūtona trešā likuma piemērošanu, nevajadzētu aizmirst, ka darbības spēks un reakcijas spēks tiek pielietots dažādiem ķermeņiem, tāpēc tiem tiek piešķirti dažādi paātrinājumi.
