De beweging van verschillende lichamen in de ruimte in de natuurkunde wordt bestudeerd door een speciale sectie - mechanica. De laatste is op zijn beurt onderverdeeld in kinematica en dynamica. In dit artikel zullen we de wetten van de mechanica in de natuurkunde beschouwen, met de nadruk op de dynamiek van de translatie- en rotatiebeweging van lichamen.
Historische achtergrond
Hoe en waarom lichamen bewegen is al sinds de oudheid interessant voor filosofen en wetenschappers. Dus Aristoteles geloofde dat objecten alleen in de ruimte bewegen omdat er een externe invloed op hen is. Als dit effect wordt gestopt, stopt het lichaam onmiddellijk. Veel oude Griekse filosofen geloofden dat de natuurlijke staat van alle lichamen rust is.
Met de komst van de New Age begonnen veel wetenschappers de bewegingswetten in de mechanica te bestuderen. Opgemerkt moet worden namen als Huygens, Hooke en Galileo. Deze laatste ontwikkelde een wetenschappelijke benadering van de studie van natuurlijke fenomenen en ontdekte in feite de eerste wet van de mechanica, die echter niet zijn achternaam draagt.
In 1687 werd een wetenschappelijke publicatie gepubliceerd, geschreven doorEngelsman Isaac Newton. In zijn wetenschappelijk werk formuleerde hij duidelijk de basiswetten van beweging van lichamen in de ruimte, die, samen met de wet van de universele zwaartekracht, niet alleen de basis vormden van de mechanica, maar van alle moderne klassieke fysica.
Over de wetten van Newton
Ze worden ook wel de wetten van de klassieke mechanica genoemd, in tegenstelling tot relativistische, waarvan de postulaten in het begin van de 20e eeuw werden uiteengezet door Albert Einstein. In de eerste zijn er slechts drie hoofdwetten waarop de hele tak van de natuurkunde is gebaseerd. Ze worden zo genoemd:
- Wet van traagheid.
- De wet van de relatie tussen kracht en versnelling.
- De wet van actie en reactie.
Waarom zijn deze drie wetten de belangrijkste? Het is eenvoudig, elke mechanica-formule kan ervan worden afgeleid, maar geen enkel theoretisch principe leidt tot een van hen. Deze wetten volgen uitsluitend uit talrijke waarnemingen en experimenten. Hun validiteit wordt bevestigd door de betrouwbaarheid van de voorspellingen die zijn verkregen met behulp van hen bij het oplossen van verschillende problemen in de praktijk.
Traagheidswet
Newtons eerste wet in de mechanica zegt dat elk lichaam bij afwezigheid van externe invloed erop een rusttoestand of rechtlijnige beweging zal handhaven in elk traagheidsreferentiekader.
Om deze wet te begrijpen, moet men het rapportagesysteem begrijpen. Het wordt alleen traagheid genoemd als het voldoet aan de genoemde wet. Met andere woorden, in het traagheidssysteem is er geener zijn fictieve krachten die door waarnemers zouden worden gevoeld. Een systeem dat uniform en in een rechte lijn beweegt, kan bijvoorbeeld als traagheid worden beschouwd. Aan de andere kant is een systeem dat uniform rond een as roteert niet-inertiaal vanwege de aanwezigheid van fictieve middelpuntvliedende kracht erin.
De wet van traagheid bepa alt de reden waarom de aard van de beweging verandert. Deze reden is de aanwezigheid van een externe kracht. Merk op dat er verschillende krachten op het lichaam kunnen werken. In dit geval moeten ze worden opgeteld volgens de regel van vectoren, als de resulterende kracht gelijk is aan nul, zal het lichaam zijn uniforme beweging voortzetten. Het is ook belangrijk om te begrijpen dat er in de klassieke mechanica geen verschil is tussen de uniforme beweging van een lichaam en zijn rusttoestand.
De tweede wet van Newton
Hij zegt dat de reden voor het veranderen van de aard van de beweging van het lichaam in de ruimte de aanwezigheid is van een externe kracht die niet nul is. In feite is deze wet een voortzetting van de vorige. De wiskundige notatie is als volgt:
F¯=ma¯.
Hier is de hoeveelheid a¯ de versnelling die de veranderingssnelheid van de snelheidsvector beschrijft, m is de traagheidsmassa van het lichaam. Aangezien m altijd groter is dan nul, wijzen de kracht- en versnellingsvectoren in dezelfde richting.
De weloverwogen wet is van toepassing op een groot aantal verschijnselen in de mechanica, bijvoorbeeld op de beschrijving van het proces van vrije val, beweging met de versnelling van een auto, glijden van een staaf langs een hellend vlak, oscillatie van een slinger,spanning van veerschalen enzovoort. Het is veilig om te zeggen dat dit de belangrijkste wet van de dynamiek is.
Momentum en Momentum
Als je direct naar het wetenschappelijke werk van Newton gaat, kun je zien dat de wetenschapper zelf de tweede wet van de mechanica enigszins anders formuleerde:
Fdt=dp, waarbij p=mv.
De waarde p wordt het momentum genoemd. Velen noemen het ten onrechte de impuls van het lichaam. De hoeveelheid beweging is een traagheids-energiekenmerk dat gelijk is aan het product van de massa en de snelheid van het lichaam.
Verander het momentum met een bepaalde waarde dp kan alleen worden gedaan door een externe kracht F die op het lichaam inwerkt gedurende het tijdsinterval dt. Het product van een kracht en de duur van zijn actie wordt de impuls van de kracht of eenvoudig de impuls genoemd.
Wanneer twee lichamen botsen, werkt er een botsingskracht tussen hen in, die het momentum van elk lichaam verandert, maar aangezien deze kracht intern is met betrekking tot het systeem van twee lichamen die worden bestudeerd, leidt dit niet tot een verandering in het totale momentum van het systeem. Dit feit wordt de wet van behoud van impuls genoemd.
Spin met versnelling
Als de door Newton geformuleerde wet van de mechanica wordt toegepast op de rotatiebeweging, wordt de volgende uitdrukking verkregen:
M=ikα.
Hier M - impulsmoment - dit is een waarde die het vermogen van de kracht aangeeft om een bocht in het systeem te maken. Het krachtmoment wordt berekend als het product van de vectorkracht en de straalvector gericht van de as naartoepassing punt. De grootheid I is het traagheidsmoment. Net als het krachtmoment hangt het af van de parameters van het roterende systeem, in het bijzonder van de geometrische verdeling van de lichaamsmassa ten opzichte van de as. Ten slotte is de waarde α de hoekversnelling, waarmee u kunt bepalen hoeveel radialen per seconde de hoeksnelheid verandert.
Als je goed naar de geschreven vergelijking kijkt en een analogie trekt tussen de waarden en indicatoren van de tweede Newtoniaanse wet, dan krijgen we hun volledige identiteit.
De wet van actie en reactie
Het blijft aan ons om de derde wet van de mechanica te overwegen. Als de eerste twee, op de een of andere manier, werden geformuleerd door de voorgangers van Newton, en de wetenschapper zelf gaf ze alleen een harmonieuze wiskundige vorm, dan is de derde wet het oorspronkelijke geesteskind van de grote Engelsman. Er staat dus: als twee lichamen met elkaar in contact komen, dan zijn de krachten die ertussen werken even groot en tegengesteld gericht. Korter gezegd kunnen we zeggen dat elke actie een reactie veroorzaakt.
F12¯=-F21¯.
Hier F12¯ en F21¯ - handelend vanaf de zijkant van het 1e lichaam naar het 2e en vanaf de zijkant van het 2e respectievelijk naar de 1e sterkte.
Er zijn veel voorbeelden die deze wet bevestigen. Tijdens een sprong wordt een persoon bijvoorbeeld van het aardoppervlak afgestoten, de laatste duwt hem omhoog. Hetzelfde geldt voor het lopen van een rollator en het afduwen van de zwembadmuur van een zwemmer. Een ander voorbeeld, als je je hand op de tafel drukt, wordt het tegenovergestelde gevoeld.het effect van de tafel op de hand, wat de reactiekracht van de steun wordt genoemd.
Bij het oplossen van problemen met de toepassing van de derde wet van Newton, moet men niet vergeten dat de actiekracht en de reactiekracht op verschillende lichamen worden uitgeoefend, daarom geven ze ze verschillende versnellingen.
