Изследването на природните явления въз основа на експеримент е възможно само ако се спазват всички етапи: наблюдение, хипотеза, експеримент, теория. Наблюдението ще разкрие и съпостави фактите, хипотезата дава възможност да им се даде подробно научно обяснение, което изисква експериментално потвърждение. Наблюдението на движението на телата доведе до интересно заключение: промяна в скоростта на едно тяло е възможна само под влияние на друго тяло.
Например, ако бързо бягате нагоре по стълбите, тогава на завой просто трябва да хванете парапета (промяна на посоката на движение) или да спрете (промяна на стойността на скоростта), за да не се сблъскате с срещуположната стена.
Наблюденията на подобни явления доведоха до създаването на клон от физиката, който изучава причините за промените в скоростта на телата или тяхната деформация.
Основи на Dynamics
Dynamics е призвана да отговори на сакраменталния въпрос защо физическото тяло се движи по един или друг начин или е в покой.
Помислете за състоянието на покой. Въз основа на концепцията за относителността на движението можем да заключим: няма и не може да има абсолютно неподвижни тела. Всякаквиобект, като е неподвижен спрямо едно референтно тяло, се движи спрямо друго. Например, една книга, лежаща на маса, е неподвижна спрямо масата, но ако разгледаме нейната позиция спрямо преминаващ човек, ще направим естествен извод: книгата се движи.
Следователно, законите за движение на телата се разглеждат в инерционни референтни системи. Какво е?
Нарича се инерционна референтна система, в която тялото е в покой или извършва равномерно и праволинейно движение, при условие че няма влияние на други обекти или обекти върху него.
В горния пример референтната рамка, асоциирана с таблицата, може да се нарече инерционна. Човек, който се движи равномерно и праволинейно, може да служи като референтна рамка за ISO. Ако движението му е ускорено, тогава е невъзможно да се свърже инерционен CO с него.
Всъщност такава система може да бъде съотнесена с тела, твърдо фиксирани на повърхността на Земята. Самата планета обаче не може да служи като референтно тяло за IFR, тъй като се върти равномерно около собствената си ос. Телата на повърхността имат центростремително ускорение.
Какво е инерцията?
Явлението инерция е пряко свързано с ISO. Спомнете си какво се случва, ако движеща се кола спре рязко? Пътниците са в опасност, докато продължават пътуването си. Може да се спре от седалка отпред или предпазни колани. Този процес се обяснява с инерцията на пътника. Вярно ли е?
Инерцията е явление, което предполага запазванетопостоянна скорост на тялото при липса на влияние на други тела върху него. Пътникът е под въздействието на колани или седалки. Тук не се наблюдава феноменът на инерцията.
Обяснението се крие в свойството на тялото и според него е невъзможно моментално да се промени скоростта на обект. Това е инерция. Например, инертността на живака в термометъра позволява да се намали лентата, ако разклатим термометъра.
Мярката за инерция се нарича маса на тялото. При взаимодействие скоростта се променя по-бързо за тела с по-малка маса. Сблъсъкът на автомобил с бетонна стена за последния протича почти без следа. Автомобилът най-често претърпява необратими промени: скоростта се променя, възниква значителна деформация. Оказва се, че инерцията на бетонната стена значително надвишава инерцията на автомобил.
Възможно ли е да се срещне явлението инерция в природата? Условието, при което тялото е без взаимовръзка с други тела, е дълбокото пространство, в което космическият кораб се движи с изключени двигатели. Но дори и в този случай гравитационният момент е налице.
Основни количества
Изучаването на динамиката на експериментално ниво включва експериментиране с измервания на физически величини. Най-интересно:
- ускорение като мярка за скоростта на промяна в скоростта на телата; обозначете го с буквата a, измервайте в m/s2;
- маса като мярка за инерция; обозначено с буквата m, измерено в кг;
- сила като мярка за взаимното действие на телата; най-често се обозначава с буквата F, измерена в N (нютони).
Връзката между тези количестваизложени в три модела, извлечени от най-великия английски физик. Законите на Нютон са предназначени да обяснят сложността на взаимодействието на различни тела. Както и процесите, които ги управляват. Именно понятията "ускорение", "сила", "маса" са тези, които законите на Нютон свързват с математическите отношения. Нека се опитаме да разберем какво означава това.
Действието само на една сила е изключително явление. Например, изкуствен спътник, обикалящ около Земята, се влияе само от гравитацията.
Резултат
Действието на няколко сили може да бъде заменено с една сила.
Геометричната сума от силите, действащи върху тяло, се нарича резултант.
Говорим за геометрична сума, тъй като силата е векторна величина, която зависи не само от точката на приложение, но и от посоката на действие.
Например, ако трябва да преместите доста масивен гардероб, можете да поканите приятели. Заедно постигаме желания резултат. Но можете да поканите само един много силен човек. Неговите усилия са равни на действията на всички приятели. Силата, приложена от героя, може да се нарече резултат.
Законите за движение на Нютон са формулирани въз основа на концепцията за "резултат".
Закон за инерцията
Започнете да изучавате законите на Нютон с най-често срещаното явление. Първият закон обикновено се нарича закон за инерцията, тъй като той установява причините за равномерно праволинейно движение или състоянието на покой на телата.
Тялото се движи равномерно и праволинейно илипочива, ако върху него не действа сила или това действие е компенсирано.
Може да се твърди, че резултатът в този случай е равен на нула. В това състояние е например автомобил, движещ се с постоянна скорост по прав участък от пътя. Действието на силата на привличане се компенсира от силата на реакция на опората, а силата на тягата на двигателя е равна по абсолютна стойност на силата на съпротивление на движение.
Полилеят лежи на тавана, тъй като силата на гравитацията се компенсира от напрежението на неговите тела.
Могат да бъдат компенсирани само онези сили, които са приложени към едно тяло.
Втори закон на Нютон
Да продължим. Причините, които предизвикват промяна в скоростта на телата, се разглеждат от втория закон на Нютон. За какво говори?
Резултантната на силите, действащи върху тяло, се дефинира като произведение на масата на тялото и ускорението, придобито под действието на силите.
2 Законът на Нютон (формула: F=ma), за съжаление, не установява причинно-следствени връзки между основните понятия за кинематика и динамика. Той не може да определи точно какво кара телата да се ускоряват.
Нека го формулираме по различен начин: ускорението, получено от тялото, е право пропорционално на резултантните сили и обратно пропорционално на масата на тялото.
По този начин може да се установи, че промяната в скоростта настъпва само в зависимост от приложената към нея сила и масата на тялото.
2 Законът на Нютон, чиято формула може да бъде както следва: a=F/m, се счита за основен във векторна форма, тъй като го прави възможноустановяват връзки между клоновете на физиката. Тук a е векторът на ускорението на тялото, F е резултатът на силите, m е масата на тялото.
Ускореното движение на автомобила е възможно, ако теглителната сила на двигателите надвишава силата на съпротивление на движение. С увеличаване на тягата се увеличава и ускорението. Камионите са оборудвани с двигатели с висока мощност, тъй като масата им е много по-висока от масата на лек автомобил.
Огнените топки, предназначени за високоскоростни състезания, са олекотени по такъв начин, че към тях са прикрепени минимално необходими части, а мощността на двигателя се увеличава до възможните граници. Една от най-важните характеристики на спортните автомобили е времето за ускорение до 100 км/ч. Колкото по-кратък е този интервал от време, толкова по-добри са скоростните характеристики на автомобила.
Законът на взаимодействието
Законите на Нютон, базирани на природните сили, гласи, че всяко взаимодействие е придружено от появата на двойка сили. Ако топката виси на нишка, тогава тя изпитва своето действие. В този случай нишката също се разтяга под действието на топката.
Формулирането на третата закономерност допълва законите на Нютон. Накратко, звучи така: действието е равно на реакция. Какво означава това?
Силите, с които телата действат едно върху друго, са равни по големина, противоположни по посока и насочени по линията, свързваща центровете на телата. Интересното е, че те не могат да бъдат наречени компенсирани, защото действат върху различни тела.
Прилагане на законите
Прочутият проблем „Кон и каруца“може да бъде объркващ. Конят, впрегнат в споменатия вагон, го движиот място. В съответствие с третия закон на Нютон тези два обекта действат един върху друг с еднакви сили, но на практика конят може да движи каруца, която не се вписва в основите на модела.
Решението се намира, ако вземем предвид, че тази система от тела не е затворена. Пътят има своето въздействие и върху двете тела. Силата на статично триене, действаща върху копитата на коня, надвишава силата на триене при търкаляне на колелата на каруцата. В крайна сметка моментът на движение започва с опит за преместване на вагона. Ако позицията се промени, тогава конят при никакви обстоятелства няма да го премести от мястото си. Копитата му ще се плъзнат по пътя и няма да има движение.
В детството, карайки се с шейни, всеки можеше да срещне такъв пример. Ако две или три деца седят на шейната, тогава усилията на едно дете очевидно не са достатъчни, за да ги преместят.
Падането на телата върху повърхността на земята, обяснено от Аристотел („Всяко тяло си знае мястото“) може да бъде опровергано въз основа на горното. Един обект се движи към земята под въздействието на същата сила, както Земята се движи към него. Сравнявайки техните параметри (масата на Земята е много по-голяма от масата на тялото), в съответствие с втория закон на Нютон, ние твърдим, че ускорението на обект е толкова пъти по-голямо от ускорението на Земята. Наблюдаваме промяна в скоростта на тялото, Земята не се движи от орбитата си.
Граници на приложимост
Съвременната физика не отрича законите на Нютон, а само установява границите на тяхната приложимост. До началото на 20-ти век физиците не се съмняваха, че тези закони обясняват всички природни явления.
1, 2, 3 законНютон напълно разкрива причините за поведението на макроскопичните тела. Движението на обекти с незначителни скорости е напълно описано от тези постулати.
Опитът да се обясни на тяхна основа движението на тела със скорости, близки до скоростта на светлината, е обречен на провал. Пълна промяна в свойствата на пространството и времето при тези скорости не позволява използването на нютонова динамика. Освен това законите променят формата си в неинерционни FR. За тяхното приложение се въвежда понятието инерционна сила.
Законите на Нютон могат да обяснят движението на астрономическите тела, правилата за тяхното местоположение и взаимодействие. За целта е въведен законът за всемирното притегляне. Невъзможно е да се види резултатът от привличането на малки тела, защото силата е оскъдна.
Взаимно привличане
Има една легенда, според която г-н Нютон, който седял в градината и наблюдавал падането на ябълки, имал брилянтна идея: да обясни движението на обекти близо до повърхността на Земята и движението на космически тела на основата на взаимното привличане. Не е толкова далеч от истината. Наблюденията и точните изчисления засягат не само падането на ябълки, но и движението на луната. Законите на това движение водят до заключението, че силата на привличане нараства с увеличаване на масите на взаимодействащите тела и намалява с увеличаване на разстоянието между тях.
Въз основа на втория и третия закон на Нютон, законът за универсалната гравитация е формулиран по следния начин: всички тела във Вселената се привличат едно към друго със сила, насочена по линията, свързваща центровете на телата, пропорционална на масите на телата иобратно пропорционално на квадрата на разстоянието между центровете на телата.
Математическа нотация: F=GMm/r2, където F е силата на привличане, M, m са масите на взаимодействащите тела, r е разстоянието между тях. Коефициентът на пропорционалност (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) се нарича гравитационна константа.
Физически смисъл: тази константа е равна на силата на привличане между две тела с маса от 1 kg на разстояние 1 м. Ясно е, че за тела с малки маси силата е толкова незначителна, че може да бъде пренебрегнати. За планети, звезди, галактики силата на привличане е толкова огромна, че напълно определя тяхното движение.
Законът на Нютон за гравитацията гласи, че за изстрелване на ракети се нуждаете от гориво, което може да създаде такава реактивна тяга, за да преодолее влиянието на Земята. Необходимата скорост за това е първата скорост на бягство, която е 8 km/s.
Модерната ракетна технология прави възможно изстрелването на безпилотни станции като изкуствени спътници на Слънцето към други планети за изследване. Скоростта, развивана от такова устройство, е втората космическа скорост, равна на 11 km/s.
Алгоритъм за прилагане на закони
Решаването на задачи на динамиката е подчинено на определена последователност от действия:
- Анализирайте задачата, идентифицирайте данни, тип движение.
- Начертайте чертеж, показващ всички сили, действащи върху тялото, и посоката на ускорение (ако има такава). Изберете координатна система.
- Напишете първи или втори закон, в зависимост от наличносттаускорение на тялото във векторна форма. Вземете предвид всички сили (резултантна сила, законите на Нютон: първата, ако скоростта на тялото не се променя, втората, ако има ускорение).
- Препишете уравнението в проекции върху избраните координатни оси.
- Ако получената система от уравнения не е достатъчна, тогава запишете други: дефиниции на силите, уравнения на кинематиката и т.н.
- Решете системата от уравнения за желаната стойност.
- Извършете проверка на размерите, за да определите дали получената формула е правилна.
- Изчислете.
Обикновено тези стъпки са достатъчни за всяка стандартна задача.
