مطالعه پدیده های طبیعی بر اساس آزمایش تنها در صورتی امکان پذیر است که همه مراحل مشاهده شود: مشاهده، فرضیه، آزمایش، نظریه. مشاهده حقایق را آشکار و مقایسه می‌کند، فرضیه این امکان را فراهم می‌کند که توضیح علمی دقیقی به آنها ارائه شود که نیاز به تأیید تجربی دارد. مشاهده حرکت اجسام به نتیجه جالبی منجر شد: تغییر در سرعت جسم تنها تحت تأثیر جسم دیگری امکان پذیر است.
به عنوان مثال، اگر به سرعت از پله ها بالا می روید، در پیچ فقط باید نرده را بگیرید (تغییر جهت حرکت)، یا توقف کنید (تغییر مقدار سرعت) تا با آن برخورد نکنید. دیوار مقابل.
مشاهده پدیده های مشابه منجر به ایجاد شاخه ای از فیزیک شد که به بررسی علل تغییرات سرعت اجسام یا تغییر شکل آنها می پردازد.
اصول دینامیک
Dynamics برای پاسخ دادن به این سؤال مقدس که چرا بدن فیزیکی به یک شکل حرکت می کند یا در حال استراحت است، پاسخ می دهد.
حالت استراحت را در نظر بگیرید. بر اساس مفهوم نسبیت حرکت، می‌توان نتیجه گرفت: اجسام کاملاً بی حرکت وجود ندارند و نمی‌توانند باشند. هریک جسم که نسبت به یک جسم مرجع بی حرکت است، نسبت به جسم دیگر حرکت می کند. به عنوان مثال، کتابی که روی میز خوابیده است نسبت به میز بی حرکت است، اما اگر موقعیت آن را نسبت به شخص رهگذر در نظر بگیریم، نتیجه طبیعی می گیریم: کتاب در حال حرکت است.
بنابراین، قوانین حرکت اجسام در چارچوب های مرجع اینرسی در نظر گرفته می شوند. چیست؟
چارچوب مرجع اینرسی نامیده می شود که در آن جسم در حالت استراحت است یا حرکتی یکنواخت و مستطیل انجام می دهد، مشروط بر اینکه اجسام یا اجسام دیگر بر آن تأثیر نداشته باشند.
در مثال بالا، چارچوب مرجع مرتبط با جدول را می توان اینرسی نامید. فردی که به طور یکنواخت و در یک خط مستقیم حرکت می کند می تواند به عنوان یک چارچوب مرجع برای ISO عمل کند. اگر حرکت آن شتاب داشته باشد، دیگر نمی‌توان CO اینرسی را با آن مرتبط کرد.
در واقع، چنین سیستمی را می توان با اجسامی که به طور صلب روی سطح زمین ثابت شده اند، مرتبط کرد. با این حال، خود سیاره نمی تواند به عنوان بدنه مرجع برای IFR عمل کند، زیرا به طور یکنواخت حول محور خود می چرخد. اجسام روی سطح دارای شتاب مرکزگرا هستند.
تحرک چیست؟
پدیده اینرسی ارتباط مستقیمی با ISO دارد. به یاد داشته باشید اگر یک ماشین در حال حرکت ناگهان متوقف شود چه اتفاقی می افتد؟ مسافران در ادامه سفر در خطر هستند. می توان آن را با یک صندلی جلو یا کمربند ایمنی متوقف کرد. این روند با اینرسی مسافر توضیح داده می شود. درست است؟
اینرسی پدیده ای است که حفظ را پیش فرض می گیردسرعت ثابت بدن در صورت عدم تأثیر اجسام دیگر بر روی آن. مسافر تحت تأثیر کمربند یا صندلی است. پدیده اینرسی در اینجا مشاهده نمی شود.
توضیح در خاصیت جسم نهفته است و طبق آن، تغییر فوری سرعت یک جسم غیرممکن است. این اینرسی است. به عنوان مثال، بی اثر بودن جیوه در یک دماسنج باعث می شود اگر دماسنج را تکان دهیم، میله را پایین بیاوریم.
اندازه گیری اینرسی را جرم بدن می گویند. هنگام تعامل، سرعت برای اجسام با جرم کمتر سریعتر تغییر می کند. برخورد خودرو با دیوار بتنی برای دومی تقریباً بدون هیچ اثری ادامه دارد. ماشین اغلب دستخوش تغییرات غیرقابل برگشت می شود: تغییر سرعت، تغییر شکل قابل توجهی رخ می دهد. معلوم شد که اینرسی یک دیوار بتنی به طور قابل توجهی از اینرسی یک ماشین بیشتر است.
آیا می توان با پدیده اینرسی در طبیعت روبرو شد؟ شرایطی که بدن بدون ارتباط با اجسام دیگر است، فضای عمیق است که در آن فضاپیما با موتورهای خاموش حرکت می کند. اما حتی در این مورد، لحظه گرانشی وجود دارد.
تعداد پایه
مطالعه دینامیک در سطح تجربی شامل آزمایش با اندازه گیری مقادیر فیزیکی است. جالب ترین:
- شتاب به عنوان اندازه گیری سرعت تغییر در سرعت اجسام. آن را با حرف a تعیین کنید، با m/s اندازه بگیرید2;
- جرم به عنوان اندازه گیری اینرسی. علامت گذاری شده با حرف m، اندازه گیری شده در کیلوگرم؛
- نیرو به عنوان معیاری برای عمل متقابل اجسام. اغلب با حرف F نشان داده می شود که با N (نیوتن) اندازه گیری می شود.
رابطه بین این مقادیردر سه الگو که توسط بزرگترین فیزیکدان انگلیسی مشتق شده است. قوانین نیوتن برای توضیح پیچیدگی تعامل اجسام مختلف طراحی شده اند. و همچنین فرآیندهایی که آنها را مدیریت می کنند. این مفاهیم «شتاب»، «نیرو»، «جرم» است که قوانین نیوتن آن را با روابط ریاضی مرتبط می کند. بیایید سعی کنیم معنی آن را بفهمیم.
عمل تنها یک نیرو یک پدیده استثنایی است. به عنوان مثال، یک ماهواره مصنوعی که به دور زمین می چرخد، تنها تحت تأثیر جاذبه قرار می گیرد.
نتیجه
عمل چند نیرو را می توان با یک نیرو جایگزین کرد.
مجموع هندسی نیروهای وارد بر جسم را برآیند می گویند.
ما در مورد یک جمع هندسی صحبت می کنیم، زیرا نیرو یک کمیت برداری است که نه تنها به نقطه اعمال، بلکه به جهت عمل نیز بستگی دارد.
برای مثال، اگر می خواهید کمد لباس نسبتاً بزرگی را جابجا کنید، می توانید دوستان خود را دعوت کنید. با هم به نتیجه دلخواه می رسیم. اما شما فقط می توانید یک فرد بسیار قوی را دعوت کنید. تلاش او برابر است با عمل همه دوستان. نیروی اعمال شده توسط قهرمان را می توان نتیجه نامید.
قوانین حرکت نیوتن بر اساس مفهوم "نتیجه" فرمول بندی شده اند.
قانون اینرسی
شروع به مطالعه قوانین نیوتن با رایج ترین پدیده کنید. قانون اول معمولاً قانون اینرسی نامیده می شود، زیرا علل حرکت مستقیم یکنواخت یا وضعیت بقیه اجسام را تعیین می کند.
بدن به طور یکنواخت و مستقیم حرکت می کند یااگر نیرویی روی آن وارد نشود، یا این عمل جبران شود، باقی می ماند.
می توان استدلال کرد که حاصل در این حالت برابر با صفر است. در این حالت، برای مثال، خودرویی در حال حرکت با سرعت ثابت در یک بخش مستقیم از جاده است. عمل نیروی جاذبه با نیروی واکنش تکیه گاه جبران می شود و نیروی رانش موتور از نظر مقدار مطلق برابر با نیروی مقاومت در برابر حرکت است.
لوستر روی سقف قرار می گیرد، زیرا نیروی گرانش با کشش وسایل آن جبران می شود.
تنها نیروهایی که به یک جسم وارد می شوند را می توان جبران کرد.
قانون دوم نیوتن
بیایید ادامه دهیم. دلایلی که باعث تغییر سرعت اجسام می شود توسط قانون دوم نیوتن در نظر گرفته شده است. او در مورد چه چیزی صحبت می کند؟
برآیند نیروهای وارد بر جسم به عنوان حاصل ضرب جرم بدن و شتاب حاصل از عمل نیروها تعریف می شود.
قانون نیوتن (فرمول: F=ma)، متأسفانه، روابط علی بین مفاهیم اساسی سینماتیک و دینامیک برقرار نمی کند. او نمی تواند دقیقاً مشخص کند که چه چیزی باعث شتاب بدن می شود.
بیایید آن را طور دیگری فرمول بندی کنیم: شتاب دریافتی توسط بدن نسبت مستقیم با نیروهای حاصله و با جرم بدن نسبت معکوس دارد.
بنابراین، می توان ثابت کرد که تغییر در سرعت فقط بسته به نیروی وارد شده به آن و جرم بدن رخ می دهد.
2 قانون نیوتن، که فرمول آن ممکن است به شرح زیر باشد: a=F/m، به صورت برداری اساسی در نظر گرفته می شود، زیرا این امکان را فراهم می کند.برقراری ارتباط بین شاخه های فیزیک در اینجا a بردار شتاب جسم است، F حاصل نیروها، m جرم جسم است.
حرکت سریع خودرو در صورتی امکان پذیر است که نیروی کشش موتورها از نیروی مقاومت در برابر حرکت بیشتر باشد. با افزایش رانش، شتاب نیز افزایش می یابد. کامیون ها به موتورهای پرقدرت مجهز هستند، زیرا جرم آنها بسیار بیشتر از جرم یک خودروی سواری است.
گلوله های آتشین طراحی شده برای مسابقات پرسرعت به گونه ای سبک می شوند که حداقل قطعات لازم به آنها متصل می شود و قدرت موتور تا حد ممکن افزایش می یابد. یکی از مهم ترین ویژگی های خودروهای اسپورت، شتاب گیری تا 100 کیلومتر در ساعت است. هر چه این فاصله زمانی کوتاهتر باشد، ویژگی های سرعت خودرو بهتر است.
قانون تعامل
قوانین نیوتن بر اساس نیروهای طبیعت بیان می کند که هر تعاملی با ظهور یک جفت نیرو همراه است. اگر توپ روی نخی آویزان شود، عمل خود را تجربه می کند. در این حالت نخ نیز تحت تأثیر توپ کشیده می شود.
فرمول بندی نظم سوم قوانین نیوتن را کامل می کند. به طور خلاصه، به نظر می رسد: عمل برابر است با واکنش. این به چه معناست؟
نیروهایی که اجسام بر روی یکدیگر عمل می کنند از نظر قدر مساوی، در جهت مخالف و در امتداد خطی که مراکز اجسام را به هم متصل می کند، هدایت می شوند. جالب است که آنها را نمی توان جبران نامید، زیرا آنها بر روی بدن های مختلف عمل می کنند.
اجرای قوانین
مشکل معروف "اسب و گاری" می تواند گیج کننده باشد. اسب مهار شده به واگن مذکور آن را به حرکت در می آورداز محل طبق قانون سوم نیوتن، این دو جسم با نیروهای مساوی بر روی یکدیگر عمل می کنند، اما در عمل اسب می تواند گاری را حرکت دهد که در پایه های الگو قرار نمی گیرد.
راه حل پیدا می شود اگر در نظر بگیریم که این سیستم اجسام بسته نیست. جاده تاثیر خود را بر هر دو بدن دارد. نیروی اصطکاک استاتیکی که بر روی سم اسب وارد می شود از نیروی اصطکاک چرخشی چرخ های گاری بیشتر است. از این گذشته، لحظه حرکت با تلاش برای حرکت واگن آغاز می شود. اگر موقعیت تغییر کند، اسب تحت هیچ شرایطی آن را از جای خود حرکت نمی دهد. سم های او در جاده می لغزد و هیچ حرکتی وجود نخواهد داشت.
در دوران کودکی، سورتمه زدن یکدیگر، همه ممکن است با چنین مثالی روبرو شوند. اگر دو یا سه کودک روی سورتمه بنشینند، مشخص است که تلاش یک کودک برای حرکت دادن آنها کافی نیست.
سقوط اجسام در سطح زمین که توسط ارسطو توضیح داده شده است ("هر جسمی مکان خود را می داند") بر اساس موارد فوق قابل رد است. یک جسم تحت تأثیر همان نیرویی که زمین به سمت آن حرکت می کند به سمت زمین حرکت می کند. با مقایسه پارامترهای آنها (جرم زمین بسیار بیشتر از جرم بدن است)، مطابق با قانون دوم نیوتن، ادعا می کنیم که شتاب یک جسم چند برابر بیشتر از شتاب زمین است. ما در حال مشاهده تغییر در سرعت جسم هستیم، زمین از مدار خود حرکت نمی کند.
محدودیت کاربرد
فیزیک مدرن قوانین نیوتن را انکار نمی کند، بلکه فقط محدودیت های کاربرد آنها را تعیین می کند. تا آغاز قرن بیستم، فیزیکدانان هیچ شکی نداشتند که این قوانین همه پدیده های طبیعی را توضیح می دهند.
قانون 1، 2، 3نیوتن به طور کامل علل رفتار اجسام ماکروسکوپی را آشکار می کند. حرکت اجسام با سرعت ناچیز به طور کامل توسط این فرضیه ها توصیف می شود.
تلاش برای توضیح بر اساس آنها حرکت اجسامی با سرعت نزدیک به سرعت نور محکوم به شکست است. تغییر کامل در خواص فضا و زمان در این سرعت ها اجازه استفاده از دینامیک نیوتنی را نمی دهد. علاوه بر این، قوانین شکل خود را در FR های غیر اینرسی تغییر می دهند. برای کاربرد آنها، مفهوم نیروی اینرسی معرفی شده است.
قوانین نیوتن می تواند حرکت اجسام نجومی، قوانین مکان و تعامل آنها را توضیح دهد. قانون گرانش جهانی برای این منظور معرفی شده است. دیدن نتیجه جذب اجسام کوچک غیرممکن است، زیرا نیرو ناچیز است.
جاذبه متقابل
افسانه ای وجود دارد که طبق آن آقای نیوتن که در باغ نشسته بود و سقوط سیب ها را تماشا می کرد، ایده درخشانی داشت: توضیح حرکت اجسام در نزدیکی سطح زمین و حرکت آنها. اجسام فضایی بر اساس جاذبه متقابل. آنقدرها هم دور از واقعیت نیست. مشاهدات و محاسبه دقیق نه تنها مربوط به سقوط سیب، بلکه حرکت ماه نیز بود. قوانین این حرکت به این نتیجه می رسد که نیروی جاذبه با افزایش جرم اجسام در حال تعامل افزایش می یابد و با افزایش فاصله بین آنها کاهش می یابد.
بر اساس قوانین دوم و سوم نیوتن، قانون گرانش جهانی به صورت زیر فرموله شده است: تمام اجسام در جهان با نیرویی که در امتداد خطی که مراکز اجسام را به هم متصل می کند، به یکدیگر جذب می شوند، متناسب با توده های بدن ونسبت معکوس با مجذور فاصله بین مراکز اجسام.
نماد ریاضی: F=GMm/r2، که در آن F نیروی جاذبه است، M، m جرم اجسام برهم کنش، r فاصله بین آنهاست.. ضریب تناسب (G=6.62 x 10-11 Nm2/kg2) نامیده می شود ثابت گرانشی.
معنای فیزیکی: این ثابت برابر است با نیروی جاذبه بین دو جسم با جرم 1 کیلوگرم در فاصله 1 متر. واضح است که برای اجسام کوچک جرم آنقدر ناچیز است که می توان آن را غفلت. برای سیارات، ستاره‌ها، کهکشان‌ها، نیروی جاذبه آنقدر عظیم است که حرکت آنها را کاملاً تعیین می‌کند.
قانون گرانش نیوتن است که بیان می کند که برای پرتاب موشک، به سوختی نیاز دارید که بتواند چنین نیروی رانش جت برای غلبه بر نفوذ زمین ایجاد کند. سرعت مورد نیاز برای این اولین سرعت فرار است که 8 کیلومتر بر ثانیه است.
فناوری موشکی مدرن این امکان را فراهم می کند که ایستگاه های بدون سرنشین را به عنوان ماهواره های مصنوعی خورشید به سیارات دیگر برای اکتشاف پرتاب کنیم. سرعت توسعه یافته توسط چنین وسیله ای دومین سرعت فضایی است که برابر با 11 کیلومتر بر ثانیه است.
الگوریتم برای اعمال قوانین
حل مسائل دینامیک منوط به دنباله خاصی از اقدامات است:
- تحلیل کار، شناسایی داده ها، نوع حرکت.
- نقاشی بکشید که تمام نیروهای وارد بر بدن و جهت شتاب (در صورت وجود) را نشان می دهد. سیستم مختصات را انتخاب کنید.
- قانون اول یا دوم را بسته به در دسترس بودن بنویسیدشتاب بدن، به صورت برداری. همه نیروها را در نظر بگیرید (نیروی حاصل، قوانین نیوتن: اول، اگر سرعت بدن تغییر نکند، دوم، اگر شتاب وجود داشته باشد).
- معادله را در پیش بینی ها روی محورهای مختصات انتخاب شده بازنویسی کنید.
- اگر سیستم معادلات به دست آمده کافی نیست، بقیه را بنویسید: تعاریف نیروها، معادلات سینماتیک و غیره.
- سیستم معادلات را برای مقدار مورد نظر حل کنید.
- برای تعیین اینکه آیا فرمول به دست آمده درست است، بررسی ابعادی انجام دهید.
- محاسبه.
معمولا این مراحل برای هر کار استاندارد کافی است.
