L'estudi dels fenòmens naturals a partir d'un experiment només és possible si s'observen totes les etapes: observació, hipòtesi, experiment, teoria. L'observació revelarà i compararà els fets, la hipòtesi permet donar-los una explicació científica detallada que requereix confirmació experimental. L'observació del moviment dels cossos va portar a una conclusió interessant: un canvi en la velocitat d'un cos només és possible sota la influència d'un altre cos.
Per exemple, si puges ràpidament les escales, al gir només cal agafar la barana (canviant la direcció del moviment) o aturar-se (canviant el valor de la velocitat) per no xocar amb el paret oposada.
Les observacions de fenòmens similars van donar lloc a la creació d'una branca de la física que estudia les causes dels canvis en la velocitat dels cossos o la seva deformació.
Conceptes bàsics de la dinàmica
La Dynamics està cridada a respondre a la pregunta sacramental de per què el cos físic es mou d'una manera o altra o està en repòs.
Considereu l'estat de repòs. A partir del concepte de relativitat del moviment, podem concloure: no hi ha ni no hi pot haver cossos absolutament immòbils. Capun objecte, en estar immòbil respecte a un cos de referència, es mou en relació a un altre. Per exemple, un llibre estirat sobre una taula està immòbil respecte a la taula, però si tenim en compte la seva posició en relació amb una persona que passa, en traem una conclusió natural: el llibre es mou.
Per tant, les lleis del moviment dels cossos es consideren en marcs de referència inercials. Què és?
S'anomena marc de referència inercial, en què el cos està en repòs o realitza un moviment uniforme i rectilini, sempre que no hi hagi influència d' altres objectes o objectes sobre ell.
A l'exemple anterior, el marc de referència associat a la taula es pot anomenar inercial. Una persona que es mou uniformement i en línia recta pot servir com a marc de referència per a la ISO. Si el seu moviment és accelerat, llavors és impossible associar-hi un CO inercial.
De fet, aquest sistema es pot correlacionar amb cossos rígidament fixats a la superfície de la Terra. Tanmateix, el planeta en si no pot servir com a cos de referència per a IFR, ja que gira de manera uniforme al voltant del seu propi eix. Els cossos a la superfície tenen acceleració centrípeta.
Què és l'impuls?
El fenomen de la inèrcia està directament relacionat amb la ISO. Recordeu què passa si un cotxe en moviment s'atura bruscament? Els passatgers estan en perill mentre continuen el seu viatge. Es pot aturar amb un seient davant o amb els cinturons de seguretat. Aquest procés s'explica per la inèrcia del passatger. És correcte?
La inèrcia és un fenomen que pressuposa la conservacióvelocitat constant del cos en absència d'influència d' altres cossos sobre ell. El passatger està sota la influència dels cinturons o seients. Aquí no s'observa el fenomen de la inèrcia.
L'explicació rau en la propietat del cos i, segons ella, és impossible canviar instantàniament la velocitat d'un objecte. Això és inèrcia. Per exemple, la inercia del mercuri en un termòmetre fa possible baixar la barra si ho sacsegem.
La mesura de la inèrcia s'anomena massa del cos. En interactuar, la velocitat canvia més ràpidament per als cossos amb menys massa. La col·lisió d'un cotxe amb un mur de formigó per a aquest últim transcorre gairebé sense deixar rastre. El cotxe pateix més sovint canvis irreversibles: canvis de velocitat, es produeix una deformació important. Resulta que la inèrcia d'un mur de formigó supera significativament la inèrcia d'un cotxe.
És possible conèixer el fenomen de la inèrcia a la natura? La condició en què el cos està sense interconnexió amb altres cossos és l'espai profund, en el qual la nau espacial es mou amb els motors apagats. Però fins i tot en aquest cas, el moment gravitatori és present.
Quantitats bàsiques
Estudiar la dinàmica a nivell experimental implica experimentar amb mesures de magnituds físiques. El més interessant:
- acceleració com a mesura de la velocitat de canvi en la velocitat dels cossos; designeu-lo amb la lletra a, mesura en m/s2;
- massa com a mesura de la inèrcia; marcat amb la lletra m, mesurat en kg;
- força com a mesura de l'acció mútua dels cossos; més sovint es denota amb la lletra F, mesurada en N (newtons).
La relació entre aquestes quantitatsexposat en tres patrons, derivats pel més gran físic anglès. Les lleis de Newton estan dissenyades per explicar la complexitat de la interacció de diversos cossos. Així com els processos que els gestionen. Són els conceptes d'"acceleració", "força", "massa" que les lleis de Newton connecten amb les relacions matemàtiques. Intentem esbrinar què vol dir.
L'acció d'una sola força és un fenomen excepcional. Per exemple, un satèl·lit artificial que orbita la Terra només es veu afectat per la gravetat.
Resultant
L'acció de diverses forces es pot substituir per una força.
La suma geomètrica de forces que actuen sobre un cos s'anomena resultant.
Estem parlant d'una suma geomètrica, ja que la força és una magnitud vectorial, que depèn no només del punt d'aplicació, sinó també de la direcció de l'acció.
Per exemple, si necessites moure un armari bastant gran, pots convidar amics. Junts aconseguim el resultat desitjat. Però només pots convidar una persona molt forta. El seu esforç és igual a l'acció de tots els amics. La força aplicada per l'heroi es pot anomenar resultant.
Les lleis del moviment de Newton es formulen a partir del concepte de "resultant".
Llei de la inèrcia
Comenceu a estudiar les lleis de Newton amb el fenomen més comú. La primera llei sol anomenar-se llei de la inèrcia, ja que estableix les causes del moviment rectilini uniforme o l'estat de repòs dels cossos.
El cos es mou uniformement i rectilini odescansa si no hi actua cap força o aquesta acció es compensa.
Es pot argumentar que la resultant en aquest cas és igual a zero. En aquest estat es troba, per exemple, un cotxe que es mou a una velocitat constant en un tram recte de la carretera. L'acció de la força d'atracció es compensa amb la força de reacció del suport, i la força d'empenta del motor és igual en valor absolut a la força de resistència al moviment.
El canelobre es recolza al sostre, ja que la força de gravetat es compensa amb la tensió dels seus accessoris.
Només es poden compensar les forces que s'apliquen a un cos.
Segona llei de Newton
Anem endavant. Les raons que provoquen un canvi en la velocitat dels cossos són considerades per la segona llei de Newton. De què està parlant?
La resultant de les forces que actuen sobre un cos es defineix com el producte de la massa del cos i l'acceleració adquirida sota l'acció de les forces.
2 La llei de Newton (fórmula: F=ma), malauradament, no estableix relacions causals entre els conceptes bàsics de cinemàtica i dinàmica. No pot identificar exactament què fa que els cossos s'acceleren.
Formulem-ho d'una altra manera: l'acceleració que rep el cos és directament proporcional a les forces resultants i inversament proporcional a la massa del cos.
Així, es pot establir que el canvi de velocitat es produeix només en funció de la força que s'hi aplica i de la massa del cos.
2 La llei de Newton, la fórmula de la qual pot ser la següent: a=F/m, es considera fonamental en forma vectorial, ja que fa possibleestablir connexions entre branques de la física. Aquí, a és el vector acceleració del cos, F és la resultant de les forces, m és la massa del cos.
El moviment accelerat del cotxe és possible si la força de tracció dels motors supera la força de resistència al moviment. A mesura que augmenta l'empenta, també augmenta l'acceleració. Els camions estan equipats amb motors de gran potència, perquè la seva massa és molt superior a la massa d'un turisme.
Les boles de foc dissenyades per a curses d' alta velocitat s'alleugerien de manera que s'hi adjunten les peces mínimes necessàries i s'augmenta la potència del motor fins als límits possibles. Una de les característiques més importants dels cotxes esportius és el temps d'acceleració a 100 km/h. Com més curt sigui aquest interval de temps, millors són les propietats de velocitat del cotxe.
La llei de la interacció
Les lleis de Newton, basades en les forces de la natura, afirmen que qualsevol interacció va acompanyada de l'aparició d'un parell de forces. Si la pilota penja d'un fil, llavors experimenta la seva acció. En aquest cas, el fil també s'estira sota l'acció de la pilota.
La formulació de la tercera regularitat completa les lleis de Newton. En resum, sona així: acció és igual a reacció. Què vol dir això?
Les forces amb les quals actuen els cossos entre si són d'igual magnitud, de direcció oposada i dirigides al llarg de la línia que uneix els centres dels cossos. Curiosament, no es poden dir compensats, perquè actuen sobre diferents cossos.
Aplicació de les lleis
El famós problema "Cavall i carro" pot ser confús. El cavall enganxat al dit vagó el moudel lloc. D'acord amb la tercera llei de Newton, aquests dos objectes actuen l'un sobre l' altre amb forces iguals, però a la pràctica un cavall pot moure un carro, que no encaixa en els fonaments del patró.
La solució es troba si tenim en compte que aquest sistema de cossos no està tancat. La carretera té el seu efecte en ambdós cossos. La força de fricció estàtica que actua sobre les peülles del cavall supera la força de fricció de rodament de les rodes del carro. Després de tot, el moment del moviment comença amb un intent de moure el vagó. Si la posició canvia, el cavall en cap cas el mourà del seu lloc. Les seves peülles relliscaran per la carretera i no hi haurà moviment.
En la infància, fent trineu els uns als altres, tothom es podria trobar amb un exemple així. Si dos o tres nens s'asseuen al trineu, és evident que els esforços d'un nen no són suficients per moure'ls.
La caiguda de cossos a la superfície de la terra, explicada per Aristòtil ("Cada cos coneix el seu lloc") es pot refutar a partir de l'anterior. Un objecte es mou cap a la Terra sota la influència de la mateixa força que la Terra es mou cap a ella. Comparant els seus paràmetres (la massa de la Terra és molt més gran que la massa del cos), d'acord amb la segona llei de Newton, afirmem que l'acceleració d'un objecte és tantes vegades més gran que l'acceleració de la Terra. Estem observant un canvi en la velocitat del cos, la Terra no es mou de la seva òrbita.
Límits d'aplicabilitat
La física moderna no nega les lleis de Newton, sinó que només estableix els límits de la seva aplicabilitat. Fins a principis del segle XX, els físics no tenien cap dubte que aquestes lleis explicaven tots els fenòmens naturals.
1, 2, 3 lleiNewton revela completament les causes del comportament dels cossos macroscòpics. Aquests postulats descriuen completament el moviment d'objectes amb velocitats insignificants.
L'intent d'explicar sobre la seva base el moviment dels cossos amb velocitats properes a la velocitat de la llum està condemnat al fracàs. Un canvi complet en les propietats de l'espai i el temps a aquestes velocitats no permet l'ús de la dinàmica newtoniana. A més, les lleis canvien de forma en FR no inercials. Per a la seva aplicació, s'introdueix el concepte de força inercial.
Les lleis de Newton poden explicar el moviment dels cossos astronòmics, les regles per a la seva ubicació i interacció. Amb aquest propòsit s'introdueix la llei de la gravitació universal. És impossible veure el resultat de l'atracció dels cossos petits, perquè la força és escassa.
Atracció mútua
Hi ha una llegenda segons la qual el senyor Newton, que estava assegut al jardí mirant la caiguda de pomes, va tenir una idea genial: explicar el moviment dels objectes prop de la superfície de la Terra i el moviment de les pomes. cossos espacials sobre la base de l'atracció mútua. No està tan lluny de la veritat. Les observacions i el càlcul precís es refereixen no només a la caiguda de les pomes, sinó també al moviment de la lluna. Les lleis d'aquest moviment porten a la conclusió que la força d'atracció augmenta amb l'augment de les masses de cossos que interactuen i disminueix amb l'augment de la distància entre ells.
Basant-se en la segona i la tercera llei de Newton, la llei de la gravitació universal es formula de la següent manera: tots els cossos de l'univers s'atreuen entre si amb una força dirigida al llarg de la línia que connecta els centres dels cossos, proporcional a la masses dels cossos iinversament proporcional al quadrat de la distància entre els centres dels cossos.
Notació matemàtica: F=GMm/r2, on F és la força d'atracció, M, m són les masses dels cossos que interactuen, r és la distància entre ells. El coeficient de proporcionalitat (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) s'anomena constant gravitatòria.
Significat físic: aquesta constant és igual a la força d'atracció entre dos cossos de masses d'1 kg a una distància d'1 m. És evident que per als cossos de petites masses la força és tan insignificant que pot ser descuidat. Per als planetes, estrelles i galàxies, la força d'atracció és tan gran que determina completament el seu moviment.
És la llei de la gravetat de Newton que estableix que per llançar coets, cal combustible que pugui crear aquesta empenta de raig per superar la influència de la Terra. La velocitat necessària per a això és la primera velocitat d'escapada, que és de 8 km/s.
La tecnologia moderna de coets permet llançar estacions no tripulades com a satèl·lits artificials del Sol a altres planetes per explorar-los. La velocitat desenvolupada per aquest dispositiu és la segona velocitat espacial, igual a 11 km/s.
Algorisme per aplicar les lleis
La resolució de problemes de dinàmica està subjecta a una determinada seqüència d'accions:
- Analitzar la tasca, identificar dades, tipus de moviment.
- Dibuixa un dibuix indicant totes les forces que actuen sobre el cos i la direcció de l'acceleració (si n'hi ha). Seleccioneu el sistema de coordenades.
- Escriu la primera o la segona llei, segons la disponibilitatacceleració corporal, en forma vectorial. Tingueu en compte totes les forces (força resultant, lleis de Newton: la primera, si la velocitat del cos no varia, la segona, si hi ha acceleració).
- Reescriu l'equació en projeccions als eixos de coordenades seleccionats.
- Si el sistema d'equacions resultant no és suficient, escriu-ne altres: definicions de forces, equacions de cinemàtica, etc.
- Resol el sistema d'equacions per al valor desitjat.
- Realitza una comprovació dimensional per determinar si la fórmula resultant és correcta.
- Calcula.
En general, aquests passos són suficients per a qualsevol tasca estàndard.
