Движението на различни тела в пространството във физиката се изучава от специален раздел - механика. Последният от своя страна се разделя на кинематика и динамика. В тази статия ще разгледаме законите на механиката във физиката, като се фокусираме върху динамиката на транслационното и ротационното движение на телата.
Историческа справка
Как и защо телата се движат е от интерес за философите и учените от древни времена. Така че Аристотел вярвал, че обектите се движат в пространството само защото има някакво външно влияние върху тях. Ако този ефект бъде спрян, тялото незабавно ще спре. Много древногръцки философи вярвали, че естественото състояние на всички тела е покой.
С настъпването на Новата ера много учени започнаха да изучават законите на движението в механиката. Трябва да се отбележат имена като Хюйгенс, Хук и Галилей. Последният развива научен подход към изучаването на природните явления и всъщност открива първия закон на механиката, който обаче не носи неговото фамилно име.
През 1687 г. е публикувана научна публикация, чийто автор еангличанинът Исак Нютон. В своята научна работа той ясно формулира основните закони на движението на телата в пространството, които заедно със закона за всемирното притегляне са в основата не само на механиката, но и на цялата съвременна класическа физика.
За законите на Нютон
Те също се наричат закони на класическата механика, за разлика от релативистките, постулатите на които са изложени в началото на 20-ти век от Алберт Айнщайн. В първия има само три основни закона, на основата на които се основава целият клон на физиката. Наричат се така:
- Закон за инерцията.
- Законът за връзката между сила и ускорение.
- Законът на действието и реакцията.
Защо тези три закона са основните? Това е просто, всяка формула на механиката може да бъде извлечена от тях, но никой теоретичен принцип не води до нито един от тях. Тези закони следват изключително от многобройни наблюдения и експерименти. Тяхната валидност се потвърждава от надеждността на получените с тях прогнози при решаването на различни задачи на практика.
Закон за инерцията
Първият закон на Нютон в механиката казва, че всяко тяло при липса на външно влияние върху него ще поддържа състояние на покой или праволинейно движение във всяка инерционна референтна система.
За да се разбере този закон, човек трябва да разбере системата за отчитане. Тя се нарича инерционна само ако отговаря на посочения закон. С други думи, в инерционната система нямаима фиктивни сили, които биха се усетили от наблюдателите. Например, система, движеща се равномерно и праволинейно, може да се счита за инерционна. От друга страна, система, която се върти равномерно около една ос, е неинерционна поради наличието на фиктивна центробежна сила в нея.
Законът за инерцията установява причината, поради която естеството на движението се променя. Тази причина е наличието на външна сила. Имайте предвид, че върху тялото могат да действат няколко сили. В този случай те трябва да се добавят по правилото на векторите, ако получената сила е равна на нула, тогава тялото ще продължи равномерното си движение. Също така е важно да се разбере, че в класическата механика няма разлика между равномерното движение на тялото и неговото състояние на покой.
Втори закон на Нютон
Той казва, че причината за промяна на естеството на движението на тялото в пространството е наличието на външна ненулева сила, приложена към него. Всъщност този закон е продължение на предишния. Неговото математическо обозначение е както следва:
F¯=ma¯.
Тук, количеството a¯ е ускорението, което описва скоростта на промяна на вектора на скоростта, m е инерционната маса на тялото. Тъй като m винаги е по-голямо от нула, векторите на силата и ускорението сочат в една и съща посока.
Разглежданият закон е приложим за огромен брой явления в механиката, например за описанието на процеса на свободно падане, движение с ускорение на автомобил, плъзгане на прът по наклонена равнина, трептене на махало,напрежение на пружинните везни и др. Безопасно е да се каже, че това е основният закон на динамиката.
Импулс и импулс
Ако се обърнете директно към научната работа на Нютон, можете да видите, че самият учен е формулирал втория закон на механиката малко по-различно:
Fdt=dp, където p=mv.
Стойността p се нарича импулс. Мнозина погрешно го наричат импулс на тялото. Количеството на движението е инерционно-енергийна характеристика, равна на произведението на масата на тялото и неговата скорост.
Промяна на импулса с някаква стойност dp може да се извърши само от външна сила F, действаща върху тялото през интервала от време dt. Продуктът на силата и продължителността на нейното действие се нарича импулс на силата или просто импулс.
Когато две тела се сблъскат, между тях действа сила на сблъсък, която променя импулса на всяко тяло, но тъй като тази сила е вътрешна по отношение на системата от две изследвани тела, тя не води до промяна в общия импулс на системата. Този факт се нарича закон за запазване на импулса.
Завъртане с ускорение
Ако законът на механиката, формулиран от Нютон, се приложи към движението на въртене, тогава ще се получи следният израз:
M=Iα.
Тук M - ъглов импулс - това е стойност, която показва способността на силата да направи завой в системата. Моментът на силата се изчислява като произведението на векторната сила и радиус вектора, насочен от оста къмточка на приложение. Величината I е инерционният момент. Подобно на момента на сила, той зависи от параметрите на въртящата се система, по-специално от геометричното разпределение на телесната маса спрямо оста. И накрая, стойността α е ъгловото ускорение, което ви позволява да определите колко радиана в секунда се променя ъгловата скорост.
Ако внимателно разгледате написаното уравнение и направите аналогия между неговите стойности и показатели от втория нютонов закон, тогава ще получим пълната им идентичност.
Законът на действието и реакцията
Остава да разгледаме третия закон на механиката. Ако първите две, по един или друг начин, са формулирани от предшествениците на Нютон и самият учен им е дал само хармонична математическа форма, то третият закон е оригиналното рожба на великия англичанин. И така, той казва: ако две тела влязат в силов контакт, тогава силите, действащи между тях, са равни по големина и противоположни по посока. По-накратко можем да кажем, че всяко действие предизвиква реакция.
F12¯=-F21¯.
Тук F12¯ и F21¯ - действа от страната на 1-во тяло към 2-ро и от страната на 2-ро до 1-ва сила, съответно.
Има много примери, които потвърждават този закон. Например, по време на скок, човек се отблъсква от повърхността на земята, последната го избутва нагоре. Същото важи и за ходене на проходилка и отблъскване от стената на басейна на плувеца. Друг пример, ако натиснете ръката си върху масата, тогава се усеща обратното.ефектът на масата върху ръката, който се нарича сила на реакция на опората.
При решаване на задачи по прилагането на третия закон на Нютон не трябва да се забравя, че силата на действие и силата на реакция се прилагат към различни тела, поради което те им дават различни ускорения.
