De studie van natuurlijke fenomenen op basis van een experiment is alleen mogelijk als alle stadia worden waargenomen: observatie, hypothese, experiment, theorie. Observatie zal de feiten onthullen en vergelijken, de hypothese maakt het mogelijk om ze een gedetailleerde wetenschappelijke verklaring te geven die experimentele bevestiging vereist. Observatie van de beweging van lichamen leidde tot een interessante conclusie: een verandering in de snelheid van een lichaam is alleen mogelijk onder invloed van een ander lichaam.
Als je bijvoorbeeld snel de trap op rent, hoef je in de bocht alleen maar de reling vast te pakken (de bewegingsrichting veranderen) of stoppen (de snelheidswaarde veranderen) om niet in botsing te komen met de tegenoverliggende muur.
Waarnemingen van soortgelijke verschijnselen leidden tot de oprichting van een tak van de natuurkunde die de oorzaken van veranderingen in de snelheid van lichamen of hun vervorming bestudeert.
Dynamics Basics
Dynamiek wordt opgeroepen om de sacramentele vraag te beantwoorden waarom het fysieke lichaam op de een of andere manier beweegt of in rust is.
Houd rekening met de rusttoestand. Op basis van het concept van de relativiteit van beweging kunnen we concluderen: er zijn geen en kunnen ook niet absoluut onbeweeglijke lichamen zijn. Iedereen object, dat bewegingloos is ten opzichte van het ene referentielichaam, beweegt ten opzichte van een ander. Een boek dat bijvoorbeeld op een tafel ligt, staat bewegingloos ten opzichte van de tafel, maar als we kijken naar zijn positie ten opzichte van een passerende persoon, trekken we een natuurlijke conclusie: het boek beweegt.
Daarom worden de bewegingswetten van lichamen beschouwd in inertiële referentiekaders. Wat is het?
Inertiaal referentiekader wordt genoemd, waarin het lichaam in rust is of een uniforme en rechtlijnige beweging uitvoert, op voorwaarde dat er geen invloed van andere objecten of objecten op is.
In het bovenstaande voorbeeld kan het referentiekader dat aan de tabel is gekoppeld, inertiaal worden genoemd. Een persoon die zich uniform en in een rechte lijn beweegt, kan als referentiekader dienen voor de ISO. Als zijn beweging wordt versneld, is het onmogelijk om er een traagheids-CO mee te associëren.
In feite kan zo'n systeem worden gecorreleerd met lichamen die star op het aardoppervlak zijn bevestigd. De planeet zelf kan echter niet dienen als referentielichaam voor IFR, aangezien deze uniform rond zijn eigen as draait. Lichamen op het oppervlak hebben centripetale versnelling.
Wat is momentum?
Het fenomeen traagheid is direct gerelateerd aan ISO. Weet je nog wat er gebeurt als een rijdende auto abrupt stopt? Passagiers lopen gevaar terwijl ze hun reis voortzetten. Het kan worden gestopt door een stoel voorin of door veiligheidsgordels. Dit proces wordt verklaard door de traagheid van de passagier. Klopt dat?
Traagheid is een fenomeen dat het behoud verondersteltconstante snelheid van het lichaam in afwezigheid van invloed van andere lichamen erop. De passagier is onder invloed van gordels of stoelen. Het fenomeen traagheid wordt hier niet waargenomen.
De verklaring ligt in de eigenschap van het lichaam, en volgens hem is het onmogelijk om de snelheid van een object onmiddellijk te veranderen. Dit is traagheid. De traagheid van kwik in een thermometer maakt het bijvoorbeeld mogelijk om de lat lager te leggen als we de thermometer schudden.
Traagheidsmaat wordt de massa van het lichaam genoemd. Bij interactie verandert de snelheid sneller voor lichamen met minder massa. De botsing van een auto met een betonnen muur voor deze laatste verloopt bijna spoorloos. De auto ondergaat meestal onomkeerbare veranderingen: snelheidsveranderingen, er treedt aanzienlijke vervorming op. Het blijkt dat de traagheid van een betonnen muur aanzienlijk groter is dan de traagheid van een auto.
Is het mogelijk om het fenomeen traagheid in de natuur te ontmoeten? De toestand waarin het lichaam geen verbinding met andere lichamen heeft, is de diepe ruimte, waarin het ruimtevaartuig beweegt met uitgeschakelde motoren. Maar zelfs in dit geval is het zwaartekrachtsmoment aanwezig.
Basishoeveelheden
Het bestuderen van dynamiek op experimenteel niveau houdt in dat er wordt geëxperimenteerd met metingen van fysieke grootheden. Meest interessant:
- versnelling als maat voor de snelheid van verandering in de snelheid van lichamen; geef het aan met de letter a, meet in m/s2;
- massa als maat voor traagheid; gemarkeerd met de letter m, gemeten in kg;
- kracht als maat voor de onderlinge actie van lichamen; meestal aangeduid met de letter F, gemeten in N (newton).
De relatie tussen deze hoeveelhedenuiteengezet in drie patronen, afgeleid door de grootste Engelse natuurkundige. De wetten van Newton zijn ontworpen om de complexiteit van de interactie van verschillende lichamen te verklaren. Evenals de processen die ze beheren. Het zijn de begrippen "versnelling", "kracht", "massa" die de wetten van Newton verbinden met wiskundige relaties. Laten we proberen uit te zoeken wat het betekent.
De actie van slechts één kracht is een uitzonderlijk fenomeen. Een kunstmatige satelliet die in een baan om de aarde draait, wordt bijvoorbeeld alleen beïnvloed door de zwaartekracht.
Resulterend
De actie van meerdere krachten kan worden vervangen door één kracht.
De geometrische som van krachten die op een lichaam inwerken, wordt de resultante genoemd.
We hebben het over een geometrische som, aangezien kracht een vectorgrootheid is, die niet alleen afhangt van het aangrijpingspunt, maar ook van de richting van de actie.
Als je bijvoorbeeld een behoorlijk grote kledingkast moet verhuizen, kun je vrienden uitnodigen. Samen bereiken we het gewenste resultaat. Maar je kunt maar één heel sterk persoon uitnodigen. Zijn inspanning is gelijk aan de actie van alle vrienden. De kracht die door de held wordt uitgeoefend, kan de resultante worden genoemd.
De bewegingswetten van Newton zijn geformuleerd op basis van het concept van "resultant".
Wet van traagheid
Begin de wetten van Newton te bestuderen met het meest voorkomende fenomeen. De eerste wet wordt gewoonlijk de traagheidswet genoemd, omdat deze de oorzaken van een eenparige rechtlijnige beweging of de rusttoestand van lichamen vaststelt.
Het lichaam beweegt uniform en rechtlijnig ofrust als er geen kracht op werkt, of als deze actie wordt gecompenseerd.
Er kan worden gesteld dat de resultante in dit geval gelijk is aan nul. In deze toestand bevindt zich bijvoorbeeld een auto die met constante snelheid op een recht stuk weg rijdt. De werking van de aantrekkingskracht wordt gecompenseerd door de reactiekracht van de steun, en de stuwkracht van de motor is in absolute waarde gelijk aan de kracht van weerstand tegen beweging.
De kroonluchter rust op het plafond, omdat de zwaartekracht wordt gecompenseerd door de spanning van de armaturen.
Alleen die krachten die op één lichaam worden uitgeoefend, kunnen worden gecompenseerd.
De tweede wet van Newton
Laten we verder gaan. De redenen die een verandering in de snelheid van lichamen veroorzaken, worden beschouwd door de tweede wet van Newton. Waar heeft hij het over?
De resultante van de krachten die op een lichaam inwerken, wordt gedefinieerd als het product van de massa van het lichaam en de versnelling die wordt verkregen onder invloed van de krachten.
2 De wet van Newton (formule: F=ma) legt helaas geen causale verbanden tussen de basisconcepten van kinematica en dynamica. Hij kan niet precies vaststellen waardoor de lichamen versnellen.
Laten we het anders formuleren: de door het lichaam ontvangen versnelling is recht evenredig met de resulterende krachten en omgekeerd evenredig met de massa van het lichaam.
Zo kan worden vastgesteld dat de verandering in snelheid alleen plaatsvindt afhankelijk van de kracht die erop wordt uitgeoefend en de massa van het lichaam.
2 De wet van Newton, waarvan de formule als volgt kan zijn: a=F/m, wordt in vectorvorm als fundamenteel beschouwd, omdat het mogelijk isverbindingen leggen tussen takken van de natuurkunde. Hier is a de versnellingsvector van het lichaam, F is de resultante van krachten, m is de massa van het lichaam.
De versnelde beweging van de auto is mogelijk als de trekkracht van de motoren groter is dan de kracht van de weerstand tegen beweging. Naarmate de stuwkracht toeneemt, neemt ook de versnelling toe. Vrachtwagens zijn uitgerust met krachtige motoren, omdat hun massa veel hoger is dan de massa van een personenauto.
Vuurballen die zijn ontworpen voor racen op hoge snelheid, zijn zo verlicht dat de minimaal benodigde onderdelen eraan zijn bevestigd en het motorvermogen tot het uiterste wordt verhoogd. Een van de belangrijkste kenmerken van sportwagens is de acceleratietijd tot 100 km/u. Hoe korter dit tijdsinterval, hoe beter de snelheidseigenschappen van de auto.
De wet van interactie
De wetten van Newton, gebaseerd op de krachten van de natuur, stellen dat elke interactie gepaard gaat met het verschijnen van een paar krachten. Als de bal aan een draad hangt, ervaart hij zijn actie. In dit geval wordt de draad ook uitgerekt onder invloed van de bal.
De formulering van de derde regelmaat voltooit de wetten van Newton. In het kort klinkt het als volgt: actie is reactie. Wat betekent dit?
De krachten waarmee de lichamen op elkaar inwerken zijn even groot, tegengesteld in richting en gericht langs de lijn die de middelpunten van de lichamen verbindt. Interessant is dat ze niet gecompenseerd kunnen worden genoemd, omdat ze op verschillende lichamen inwerken.
Handhaving van wetten
Het beroemde "paard en wagen"-probleem kan verwarrend zijn. Het paard dat aan de wagen is vastgemaakt, beweegt hetvan plaats. In overeenstemming met de derde wet van Newton werken deze twee objecten met gelijke krachten op elkaar in, maar in de praktijk kan een paard een kar verplaatsen, wat niet in de fundamenten van het patroon past.
De oplossing wordt gevonden als we er rekening mee houden dat dit systeem van lichamen niet gesloten is. De weg heeft zijn effect op beide lichamen. De statische wrijvingskracht die op de hoeven van het paard inwerkt, is groter dan de rollende wrijvingskracht van de karwielen. Het bewegingsmoment begint immers met een poging om de wagen te verplaatsen. Als de positie verandert, zal het paard het in geen geval van zijn plaats verplaatsen. Zijn hoeven zullen op de weg glijden en er zal geen beweging zijn.
In de kindertijd, met elkaar sleeën, kon iedereen zo'n voorbeeld tegenkomen. Als er twee of drie kinderen op de slee zitten, is de inspanning van één kind duidelijk niet genoeg om ze te verplaatsen.
De val van lichamen op het aardoppervlak, uitgelegd door Aristoteles ("Ieder lichaam kent zijn plaats") kan op basis van het bovenstaande worden weerlegd. Een object beweegt naar de aarde toe onder invloed van dezelfde kracht als de aarde ernaartoe beweegt. Als we hun parameters vergelijken (de massa van de aarde is veel groter dan de massa van het lichaam), in overeenstemming met de tweede wet van Newton, stellen we dat de versnelling van een object even vaak groter is dan de versnelling van de aarde. We observeren een verandering in de snelheid van het lichaam, de aarde beweegt niet uit zijn baan.
Grenzen van toepasbaarheid
De moderne natuurkunde ontkent de wetten van Newton niet, maar stelt alleen de grenzen van hun toepasbaarheid vast. Tot het begin van de 20e eeuw twijfelden natuurkundigen er niet aan dat deze wetten alle natuurlijke fenomenen verklaarden.
1, 2, 3 wetNewton onthult volledig de oorzaken van het gedrag van macroscopische lichamen. De beweging van objecten met verwaarloosbare snelheden wordt volledig beschreven door deze postulaten.
Een poging om op basis daarvan de beweging van lichamen met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen, te verklaren is gedoemd te mislukken. Een volledige verandering in de eigenschappen van ruimte en tijd bij deze snelheden maakt het gebruik van Newtoniaanse dynamiek niet mogelijk. Bovendien veranderen de wetten hun vorm in niet-inertiële FR's. Voor hun toepassing wordt het concept van traagheidskracht geïntroduceerd.
De wetten van Newton kunnen de beweging van astronomische lichamen verklaren, de regels voor hun locatie en interactie. Hiervoor wordt de wet van de universele zwaartekracht geïntroduceerd. Het is onmogelijk om het resultaat van de aantrekking van kleine lichamen te zien, omdat de kracht schaars is.
Wederzijdse aantrekkingskracht
Er is een legende volgens welke meneer Newton, die in de tuin zat en naar de val van appels keek, een briljant idee had: de beweging van objecten nabij het aardoppervlak en de beweging van ruimtelichamen op basis van wederzijdse aantrekkingskracht. Het is niet zo ver van de waarheid. Waarnemingen en nauwkeurige berekeningen hadden niet alleen betrekking op de val van appels, maar ook op de beweging van de maan. De wetten van deze beweging leiden tot de conclusie dat de aantrekkingskracht toeneemt met toenemende massa van op elkaar inwerkende lichamen en afneemt met toenemende afstand tussen hen.
Gebaseerd op de tweede en derde wet van Newton, wordt de wet van universele zwaartekracht als volgt geformuleerd: alle lichamen in het universum worden tot elkaar aangetrokken met een kracht die is gericht langs de lijn die de middelpunten van de lichamen verbindt, evenredig met de massa's van de lichamen enomgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen de middelpunten van de lichamen.
Wiskundige notatie: F=GMm/r2, waarbij F de aantrekkingskracht is, M, m de massa's van de op elkaar inwerkende lichamen, r de afstand ertussen is. De evenredigheidscoëfficiënt (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) wordt de zwaartekrachtconstante.
Fysieke betekenis: deze constante is gelijk aan de aantrekkingskracht tussen twee lichamen met massa's van 1 kg op een afstand van 1 m. Het is duidelijk dat voor lichamen met een kleine massa de kracht zo onbeduidend is dat het kan worden verwaarloosd. Voor planeten, sterren, melkwegstelsels is de aantrekkingskracht zo groot dat het hun beweging volledig bepa alt.
Het is de zwaartekrachtswet van Newton die stelt dat om raketten te lanceren, je brandstof nodig hebt die een dergelijke stuwkracht kan creëren om de invloed van de aarde te overwinnen. De snelheid die hiervoor nodig is, is de eerste ontsnappingssnelheid, die 8 km/s is.
Moderne rakettechnologie maakt het mogelijk om onbemande stations als kunstmatige satellieten van de zon naar andere planeten te lanceren om te verkennen. De snelheid die door een dergelijk apparaat wordt ontwikkeld, is de tweede ruimtesnelheid, gelijk aan 11 km / s.
Algoritme voor het toepassen van wetten
Het oplossen van dynamische problemen is onderhevig aan een bepaalde volgorde van acties:
- Analyseer de taak, identificeer gegevens, type beweging.
- Teken een tekening die alle krachten aangeeft die op het lichaam werken en de richting van de versnelling (indien aanwezig). Selecteer coördinatensysteem.
- Schrijf de eerste of tweede wet, afhankelijk van beschikbaarheidlichaamsversnelling, in vectorvorm. Houd rekening met alle krachten (resulterende kracht, wetten van Newton: de eerste, als de snelheid van het lichaam niet verandert, de tweede, als er versnelling is).
- Herschrijf de vergelijking in projecties op de geselecteerde coördinaatassen.
- Als het resulterende systeem van vergelijkingen niet genoeg is, schrijf dan andere op: definities van krachten, vergelijkingen van kinematica, enz.
- Los het stelsel vergelijkingen op voor de gewenste waarde.
- Voer een dimensionale controle uit om te bepalen of de resulterende formule correct is.
- Berekenen.
Meestal zijn deze stappen voldoende voor elke standaardtaak.
