El moviment de diferents cossos a l'espai en física és estudiat per una secció especial: la mecànica. Aquest últim, al seu torn, es divideix en cinemàtica i dinàmica. En aquest article, considerarem les lleis de la mecànica en física, centrant-nos en la dinàmica del moviment de translació i rotació dels cossos.
Antecedents històrics
Com i per què es mouen els cossos ha estat d'interès per a filòsofs i científics des de l'antiguitat. Així Aristòtil creia que els objectes es mouen a l'espai només perquè hi ha alguna influència externa sobre ells. Si s'atura aquest efecte, el cos s'aturarà immediatament. Molts filòsofs grecs antics creien que l'estat natural de tots els cossos és el repòs.
Amb l'arribada de la Nova Era, molts científics van començar a estudiar les lleis del moviment en mecànica. Cal destacar noms com Huygens, Hooke i Galileo. Aquest últim va desenvolupar una aproximació científica a l'estudi dels fenòmens naturals i, de fet, va descobrir la primera llei de la mecànica, que, però, no porta el seu cognom.
L'any 1687 es va publicar una publicació científica, de la qual va escriureL'anglès Isaac Newton. En el seu treball científic, va formular clarament les lleis bàsiques del moviment dels cossos a l'espai, que, juntament amb la llei de la gravitació universal, van formar la base no només de la mecànica, sinó de tota la física clàssica moderna.
Sobre les lleis de Newton
També s'anomenen lleis de la mecànica clàssica, a diferència de les relativistes, els postulats de les quals van ser exposats a principis del segle XX per Albert Einstein. En el primer, només hi ha tres lleis principals sobre les quals es basa tota la branca de la física. S'anomenen així:
- Llei de la inèrcia.
- La llei de la relació entre força i acceleració.
- La llei de l'acció i la reacció.
Per què aquestes tres lleis són les principals? És senzill, qualsevol fórmula de la mecànica se'n pot derivar, però, cap principi teòric condueix a cap d'ells. Aquestes lleis es deriven exclusivament de nombroses observacions i experiments. La seva validesa queda confirmada per la fiabilitat de les prediccions obtingudes amb l'ajuda d'elles en la resolució de diversos problemes a la pràctica.
Llei de la inèrcia
La primera llei de Newton en mecànica diu que qualsevol cos en absència d'influència externa sobre ell mantindrà un estat de repòs o moviment rectilini en qualsevol marc de referència inercial.
Per entendre aquesta llei, cal entendre el sistema d'informació. Només s'anomena inercial si compleix la llei establerta. És a dir, en el sistema inercial no n'hi hahi ha forces fictícies que es sentirien pels observadors. Per exemple, un sistema que es mou uniformement i en línia recta es pot considerar inercial. D' altra banda, un sistema que gira uniformement al voltant d'un eix no és inercial a causa de la presència de força centrífuga fictícia en ell.
La llei de la inèrcia estableix el motiu pel qual canvia la naturalesa del moviment. Aquest motiu és la presència d'una força externa. Tingueu en compte que diverses forces poden actuar sobre el cos. En aquest cas, s'han de sumar segons la regla dels vectors, si la força resultant és igual a zero, aleshores el cos continuarà el seu moviment uniforme. També és important entendre que en la mecànica clàssica no hi ha cap diferència entre el moviment uniforme d'un cos i el seu estat de repòs.
Segona llei de Newton
Diu que la raó per canviar la naturalesa del moviment del cos a l'espai és la presència d'una força externa diferent de zero aplicada a ell. De fet, aquesta llei és una continuació de l'anterior. La seva notació matemàtica és la següent:
F¯=ma¯.
Aquí, la quantitat a¯ és l'acceleració que descriu la velocitat de canvi del vector velocitat, m és la massa inercial del cos. Com que m és sempre més gran que zero, els vectors força i acceleració apunten en la mateixa direcció.
La llei considerada és aplicable a un gran nombre de fenòmens en mecànica, per exemple, a la descripció del procés de caiguda lliure, moviment amb l'acceleració d'un cotxe, lliscament d'una barra al llarg d'un pla inclinat, oscil·lació d'un pèndol,tensió de les escates de molla, etc. És segur dir que és la llei principal de la dinàmica.
Momentum i Momentum
Si us dirigiu directament al treball científic de Newton, podeu veure que el mateix científic va formular la segona llei de la mecànica d'una manera una mica diferent:
Fdt=dp, on p=mv.
El valor p s'anomena impuls. Molts l'anomenen erròniament l'impuls del cos. La quantitat de moviment és una característica d'energia inercial igual al producte de la massa del cos per la seva velocitat.
Canviar l'impuls per algun valor dp només es pot fer mitjançant una força externa F que actua sobre el cos durant l'interval de temps dt. El producte d'una força per la durada de la seva acció s'anomena impuls de la força o simplement impuls.
Quan dos cossos xoquen, actua entre ells una força de col·lisió, que modifica el moment de cada cos, però, com que aquesta força és interna respecte al sistema de dos cossos objecte d'estudi, no comporta cap canvi. en l'impuls total del sistema. Aquest fet s'anomena llei de conservació de la quantitat de moviment.
Gira amb acceleració
Si s'aplica la llei de la mecànica formulada per Newton al moviment de rotació, s'obtindrà la següent expressió:
M=Iα.
Aquí M - moment angular - aquest és un valor que mostra la capacitat de la força per fer un gir en el sistema. El moment de força es calcula com el producte de la força vectorial i el vector de radi dirigit des de l'eix cap apunt d'aplicació. La magnitud I és el moment d'inèrcia. Igual que el moment de la força, depèn dels paràmetres del sistema giratori, en particular, de la distribució geomètrica de la massa corporal respecte de l'eix. Finalment, el valor α és l'acceleració angular, que permet determinar quants radians per segon canvia la velocitat angular.
Si observeu atentament l'equació escrita i feu una analogia entre els seus valors i indicadors de la segona llei newtoniana, obtindrem la seva identitat completa.
La llei de l'acció i la reacció
Ens queda considerar la tercera llei de la mecànica. Si els dos primers, d'una manera o altra, van ser formulats pels predecessors de Newton, i el mateix científic només els va donar una forma matemàtica harmònica, aleshores la tercera llei és la idea original del gran anglès. Així doncs, diu: si dos cossos entren en contacte amb força, aleshores les forces que actuen entre ells són iguals en magnitud i oposades en sentit. Més breument, podem dir que qualsevol acció provoca una reacció.
F12¯=-F21¯.
Aquí F12¯ i F21¯ - actuant des del costat del 1r cos al 2n i des del costat del 2n a la primera força, respectivament.
Hi ha molts exemples que confirmen aquesta llei. Per exemple, durant un s alt, una persona és repel·lida des de la superfície de la terra, aquesta l'empeny cap amunt. El mateix passa amb caminar un caminador i expulsar la paret de la piscina d'un nedador. Un altre exemple, si premeu la mà sobre la taula, llavors se sent el contrari.l'efecte de la taula sobre la mà, que s'anomena força de reacció del suport.
Quan es resolen problemes sobre l'aplicació de la tercera llei de Newton, no s'ha d'oblidar que la força d'acció i la força de reacció s'apliquen a diferents cossos, per tant, els donen acceleracions diferents.
