Undersøgelsen af naturfænomener på grundlag af et eksperiment er kun mulig, hvis alle stadier observeres: observation, hypotese, eksperiment, teori. Observation vil afsløre og sammenligne fakta, hypotesen gør det muligt at give dem en detaljeret videnskabelig forklaring, der kræver eksperimentel bekræftelse. Observation af kroppens bevægelse førte til en interessant konklusion: en ændring i en krops hastighed er kun mulig under påvirkning af en anden krop.
Hvis du for eksempel hurtigt løber op ad trappen, skal du på svinget bare tage fat i rækværket (ændre bevægelsesretningen) eller stoppe (ændre hastighedsværdien) for ikke at kollidere med modsatte væg.
Observationer af lignende fænomener førte til skabelsen af en gren af fysikken, der studerer årsagerne til ændringer i kroppens hastighed eller deres deformation.
Dynamics Basics
Dynamics er opfordret til at besvare det sakramentale spørgsmål om, hvorfor den fysiske krop bevæger sig på den ene eller anden måde eller er i ro.
Overvej hviletilstanden. Baseret på begrebet bevægelses relativitet kan vi konkludere: der er ingen og kan ikke være absolut ubevægelige kroppe. Nogenet objekt, der er ubevægeligt i forhold til et referencelegeme, bevæger sig i forhold til et andet. For eksempel er en bog, der ligger på et bord, ubevægelig i forhold til bordet, men hvis vi overvejer dens position i forhold til en forbipasserende person, drager vi en naturlig konklusion: bogen bevæger sig.
Derfor betragtes legemers bevægelseslove i inerti-referencerammer. Hvad er det?
Inertiel referenceramme kaldes, hvor kroppen er i hvile eller udfører ensartet og retlinet bevægelse, forudsat at der ikke er nogen indflydelse fra andre genstande eller genstande på den.
I ovenstående eksempel kan referencerammen forbundet med tabellen kaldes inerti. En person, der bevæger sig ensartet og i en lige linje, kan tjene som referenceramme for ISO. Hvis dens bevægelse accelereres, er det umuligt at forbinde en inerti-CO med den.
Faktisk kan et sådant system korreleres med kroppe, der er stift fastgjort på Jordens overflade. Planeten selv kan dog ikke tjene som referencelegeme for IFR, da den roterer ensartet omkring sin egen akse. Legemer på overfladen har centripetal acceleration.
Hvad er momentum?
Fænomenet inerti er direkte relateret til ISO. Husk, hvad der sker, hvis en kørende bil stopper brat? Passagerer er i fare, mens de fortsætter deres rejse. Den kan stoppes af et sæde foran eller sikkerhedsseler. Denne proces forklares af passagerens inerti. Er det rigtigt?
Inerti er et fænomen, der forudsætter bevarelsenkroppens konstante hastighed i fravær af indflydelse fra andre kroppe på den. Passageren er påvirket af seler eller sæder. Fænomenet inerti er ikke observeret her.
Forklaringen ligger i kroppens egenskaber, og ifølge den er det umuligt at ændre et objekts hastighed øjeblikkeligt. Dette er inerti. For eksempel gør inertiteten af kviksølv i et termometer det muligt at sænke barren, hvis vi ryster termometeret.
Mål for inerti kaldes kroppens masse. Når man interagerer, ændres hastigheden hurtigere for kroppe med mindre masse. Kollisionen af en bil med en betonvæg for sidstnævnte forløber næsten sporløst. Bilen gennemgår oftest irreversible ændringer: hastighedsændringer, der opstår betydelig deformation. Det viser sig, at inertien af en betonvæg væsentligt overstiger en bils inerti.
Er det muligt at møde fænomenet inerti i naturen? Den tilstand, hvorunder kroppen er uden forbindelse med andre kroppe, er det dybe rum, hvor rumfartøjet bevæger sig med slukkede motorer. Men selv i dette tilfælde er gravitationsmomentet til stede.
Grundlæggende mængder
At studere dynamik på eksperimentelt niveau involverer at eksperimentere med målinger af fysiske størrelser. Mest interessant:
- acceleration som et mål for hastigheden af ændringer i kroppens hastighed; benævn det med bogstavet a, mål i m/s2;
- masse som et mål for inerti; markeret med bogstavet m, målt i kg;
- kraft som et mål for kroppes gensidige handling; oftest angivet med bogstavet F, målt i N (newtons).
Forholdet mellem disse mængderopstillet i tre mønstre, udledt af den største engelske fysiker. Newtons love er designet til at forklare kompleksiteten af interaktionen mellem forskellige kroppe. Samt de processer, der styrer dem. Det er begreberne "acceleration", "kraft", "masse", som Newtons love forbinder med matematiske sammenhænge. Lad os prøve at finde ud af, hvad det betyder.
Kun én krafts handling er et exceptionelt fænomen. For eksempel er en kunstig satellit, der kredser om Jorden, kun påvirket af tyngdekraften.
Resultant
Handlingen af flere styrker kan erstattes af én kraft.
Den geometriske sum af kræfter, der virker på et legeme, kaldes resultanten.
Vi taler om en geometrisk sum, da kraft er en vektorstørrelse, som ikke kun afhænger af påføringspunktet, men også af virkningsretningen.
Hvis du for eksempel har brug for at flytte en temmelig massiv garderobe, kan du invitere venner. Sammen opnår vi det ønskede resultat. Men du kan kun invitere én meget stærk person. Hans indsats er lig med alle venners handling. Den kraft, som helten udøver, kan kaldes resultanten.
Newtons bevægelseslove er formuleret ud fra begrebet "resultant".
Lov om inerti
Begynd at studere Newtons love med det mest almindelige fænomen. Den første lov kaldes norm alt inertiloven, da den fastslår årsagerne til ensartet retlinet bevægelse eller kroppens hviletilstand.
Kroppen bevæger sig ensartet og retlinet ellerhviler, hvis ingen kraft virker på den, eller denne handling kompenseres.
Det kan argumenteres for, at resultanten i dette tilfælde er lig med nul. I denne tilstand er for eksempel en bil, der bevæger sig med konstant hastighed på et lige stykke af vejen. Tiltrækningskraftens virkning kompenseres af støttens reaktionskraft, og motorens trykkraft er i absolut værdi lig med modstandskraften mod bevægelse.
Lysekronen hviler på loftet, da tyngdekraften kompenseres af spændingen af dens armaturer.
Kun de kræfter, der påføres én krop, kan kompenseres.
Newtons anden lov
Lad os komme videre. Årsagerne, der forårsager en ændring i kroppens hastighed, betragtes af Newtons anden lov. Hvad taler han om?
Resultanten af de kræfter, der virker på et legeme, er defineret som produktet af kroppens masse og accelerationen opnået under kræfternes påvirkning.
2 Newtons lov (formel: F=ma) etablerer desværre ikke årsagssammenhænge mellem de grundlæggende begreber kinematik og dynamik. Han kan ikke præcisere, hvad der får kroppene til at accelerere.
Lad os formulere det anderledes: den acceleration, kroppen modtager, er direkte proportional med de resulterende kræfter og omvendt proportional med kroppens masse.
Det kan således fastslås, at hastighedsændringen kun sker afhængigt af den kraft, der påføres den og kroppens masse.
2 Newtons lov, hvis formel kan være som følger: a=F/m, anses for fundamental i vektorform, da den gør det muligtetablere forbindelser mellem grene af fysikken. Her er a kroppens accelerationsvektor, F er resultanten af kræfter, m er kroppens masse.
Bilens accelererede bevægelse er mulig, hvis motorernes trækkraft overstiger modstandskraften mod bevægelse. Efterhånden som fremdriften øges, øges accelerationen også. Lastbiler er udstyret med højeffektmotorer, fordi deres masse er meget højere end en personbils masse.
Ildkugler, der er designet til højhastigheds-racing, er lette på en sådan måde, at de mindst nødvendige dele er fastgjort til dem, og motorkraften øges til de mulige grænser. En af de vigtigste egenskaber ved sportsvogne er accelerationstiden til 100 km/t. Jo kortere dette tidsinterval er, jo bedre er bilens hastighedsegenskaber.
Interaktionsloven
Newtons love, baseret på naturens kræfter, siger, at enhver vekselvirkning ledsages af tilsynekomsten af et par kræfter. Hvis bolden hænger på en tråd, så oplever den sin handling. I dette tilfælde strækkes tråden også under påvirkning af bolden.
Formuleringen af den tredje regularitet fuldender Newtons love. Kort sagt lyder det sådan: handling er lig med reaktion. Hvad betyder det?
Kræfterne, hvormed legemerne virker på hinanden, er lige store, modsatte i retning og rettet langs linjen, der forbinder legemernes centre. Interessant nok kan de ikke kaldes kompenseret, fordi de virker på forskellige kroppe.
Håndhævelse af love
Det berømte "hest og vogn"-problem kan være forvirrende. Hesten spændt til den nævnte vogn flytter denfra sted. I overensstemmelse med Newtons tredje lov virker disse to objekter på hinanden med lige store kræfter, men i praksis kan en hest flytte en vogn, som ikke passer ind i mønsterets fundament.
Løsningen findes, hvis vi tager i betragtning, at dette system af organer ikke er lukket. Vejen har sin effekt på begge kroppe. Den statiske friktionskraft, der virker på hestens hove, overstiger vognens rullende friktionskraft. Bevægelsesøjeblikket begynder jo med et forsøg på at flytte vognen. Hvis positionen ændres, vil hesten under ingen omstændigheder flytte den fra sin plads. Hans hove vil glide på vejen, og der vil ikke være nogen bevægelse.
I barndommen kunne alle støde på sådan et eksempel. Hvis to eller tre børn sidder på slæden, er det ene barns indsats tydeligvis ikke nok til at flytte dem.
Kroppens fald på jordens overflade, forklaret af Aristoteles ("Enhver krop kender sin plads") kan tilbagevises på baggrund af ovenstående. En genstand bevæger sig mod jorden under påvirkning af den samme kraft, som Jorden bevæger sig mod den. Ved at sammenligne deres parametre (Jordens masse er meget større end kroppens masse), i overensstemmelse med Newtons anden lov, hævder vi, at accelerationen af et objekt er lige så mange gange større end jordens acceleration. Vi observerer en ændring i kroppens hastighed, Jorden bevæger sig ikke fra sin bane.
Anvendelsesbegrænsninger
Moderne fysik benægter ikke Newtons love, men fastlægger kun grænserne for deres anvendelighed. Indtil begyndelsen af det 20. århundrede var fysikere ikke i tvivl om, at disse love forklarede alle naturlige fænomener.
1, 2, 3 lovNewton afslører fuldt ud årsagerne til makroskopiske kroppes adfærd. Bevægelsen af genstande med ubetydelige hastigheder er fuldt ud beskrevet af disse postulater.
Forsøg på at forklare på deres grundlag bevægelsen af legemer med hastigheder tæt på lysets hastighed er dømt til at mislykkes. En fuldstændig ændring af egenskaberne for rum og tid ved disse hastigheder tillader ikke brugen af newtonsk dynamik. Derudover ændrer lovene deres form i ikke-inertielle FR'er. Til deres anvendelse introduceres begrebet inertikraft.
Newtons love kan forklare astronomiske legemers bevægelser, reglerne for deres placering og interaktion. Loven om universel gravitation er indført til dette formål. Det er umuligt at se resultatet af tiltrækningen af små kroppe, fordi kraften er ringe.
Gensidig attraktion
Der er en legende, ifølge hvilken Mr. Newton, der sad i haven og så æblernes fald, havde en genial idé: at forklare bevægelsen af genstande nær Jordens overflade og bevægelsen af rumlegemer på basis af gensidig tiltrækning. Det er ikke så langt fra sandheden. Observationer og nøjagtige beregninger vedrørte ikke kun æblers fald, men også månens bevægelse. Lovene for denne bevægelse fører til den konklusion, at tiltrækningskraften stiger med stigende masser af interagerende legemer og aftager med stigende afstand mellem dem.
Baseret på Newtons anden og tredje lov er loven om universel tyngdekraft formuleret som følger: alle legemer i universet tiltrækkes af hinanden med en kraft rettet langs linjen, der forbinder kroppens centre, proportional med masser af kroppe ogomvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem centrene i kroppene.
Matematisk notation: F=GMm/r2, hvor F er tiltrækningskraften, M, m er masserne af de interagerende legemer, r er afstanden mellem dem. Proportionalitetskoefficienten (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) kaldes gravitationskonstant.
Fysisk betydning: denne konstant er lig med tiltrækningskraften mellem to legemer med masser af 1 kg i en afstand af 1 m. Det er klart, at for legemer med små masser er kraften så ubetydelig, at den kan være negligeret. For planeter, stjerner, galakser er tiltrækningskraften så enorm, at den fuldstændig bestemmer deres bevægelse.
Det er Newtons tyngdelov, der siger, at for at affyre raketter skal du bruge brændstof, der kan skabe sådan en jet-kraft for at overvinde Jordens indflydelse. Den nødvendige hastighed hertil er den første flugthastighed, som er 8 km/s.
Moderne raketteknologi gør det muligt at opsende ubemandede stationer som Solens kunstige satellitter til andre planeter for at udforske. Hastigheden udviklet af en sådan enhed er den anden rumhastighed, lig med 11 km/s.
Algorithme til anvendelse af love
Løsning af problemer med dynamik er underlagt en bestemt rækkefølge af handlinger:
- Analyser opgaven, identificer data, type bevægelse.
- Tegn en tegning, der viser alle de kræfter, der virker på kroppen, og accelerationsretningen (hvis nogen). Vælg koordinatsystem.
- Skriv første eller anden lov, afhængigt af tilgængelighedkropsacceleration, i vektorform. Tag hensyn til alle kræfter (resulterende kraft, Newtons love: den første, hvis kroppens hastighed ikke ændrer sig, den anden, hvis der er acceleration).
- Omskriv ligningen i projektioner på de valgte koordinatakser.
- Hvis det resulterende ligningssystem ikke er nok, så skriv andre ned: definitioner af kræfter, kinematikligninger osv.
- Løs ligningssystemet for den ønskede værdi.
- Udfør en dimensionskontrol for at afgøre, om den resulterende formel er korrekt.
- Beregn.
Norm alt er disse trin tilstrækkelige til enhver standardopgave.
