حرکت اجسام مختلف در فضا در فیزیک توسط بخش خاصی - مکانیک بررسی می شود. دومی به نوبه خود به سینماتیک و دینامیک تقسیم می شود. در این مقاله قوانین مکانیک در فیزیک را با تمرکز بر دینامیک حرکت انتقالی و چرخشی اجسام در نظر خواهیم گرفت.
پیشینه تاریخی
چگونگی و چرایی حرکت اجسام از دوران باستان مورد توجه فیلسوفان و دانشمندان بوده است. بنابراین ارسطو معتقد بود که اشیاء فقط به این دلیل در فضا حرکت می کنند که تأثیر خارجی بر آنها وجود دارد. اگر این اثر متوقف شود، بدن بلافاصله متوقف می شود. بسیاری از فیلسوفان یونان باستان معتقد بودند که حالت طبیعی همه بدن ها استراحت است.
با ظهور عصر جدید، بسیاری از دانشمندان شروع به مطالعه قوانین حرکت در مکانیک کردند. باید به نام هایی مانند هویگنس، هوک و گالیله اشاره کرد. دومی رویکردی علمی برای مطالعه پدیده های طبیعی ایجاد کرد و در واقع اولین قانون مکانیک را کشف کرد که البته نام خانوادگی او را ندارد.
در سال 1687، یک نشریه علمی منتشر شد که توسطایزاک نیوتن انگلیسی او در کار علمی خود قوانین اساسی حرکت اجسام در فضا را به وضوح فرموله کرد، که همراه با قانون گرانش جهانی، نه تنها اساس مکانیک، بلکه تمام فیزیک کلاسیک مدرن را تشکیل داد.
درباره قوانین نیوتن
آنها را قوانین مکانیک کلاسیک نیز می نامند، برخلاف نسبیتی، که فرضیه های آن در اوایل قرن بیستم توسط آلبرت اینشتین مطرح شد. در اولی، تنها سه قانون اصلی وجود دارد که کل شاخه فیزیک بر اساس آنها استوار است. آنها اینگونه نامیده می شوند:
- قانون اینرسی.
- قانون رابطه بین نیرو و شتاب.
- قانون کنش و واکنش.
چرا این سه قانون اصلی هستند؟ ساده است، هر فرمول مکانیک را می توان از آنها استخراج کرد، با این حال، هیچ اصل نظری به هیچ یک از آنها منتهی نمی شود. این قوانین منحصراً از مشاهدات و آزمایشات متعدد پیروی می کنند. اعتبار آنها با پایایی پیش بینی های به دست آمده با کمک آنها در حل مسائل مختلف در عمل تأیید می شود.
قانون اینرسی
قانون اول نیوتن در مکانیک می گوید که هر جسمی در غیاب تأثیر خارجی بر روی آن حالت سکون یا حرکت مستقیم را در هر چارچوب مرجع اینرسی حفظ می کند.
برای درک این قانون، باید سیستم گزارش دهی را درک کرد. تنها در صورتی اینرسی نامیده می شود که قانون ذکر شده را برآورده کند. به عبارت دیگر، در سیستم اینرسی وجود نداردنیروهای ساختگی وجود دارد که توسط ناظران احساس می شود. به عنوان مثال، سیستمی که به طور یکنواخت و در یک خط مستقیم حرکت می کند را می توان اینرسی در نظر گرفت. از سوی دیگر، سیستمی که به طور یکنواخت حول یک محور می چرخد، به دلیل وجود نیروی گریز از مرکز ساختگی در آن، غیر اینرسی است.
قانون اینرسی دلیل تغییر ماهیت حرکت را مشخص می کند. این دلیل وجود یک نیروی خارجی است. توجه داشته باشید که چندین نیرو می توانند روی بدن اثر بگذارند. در این صورت باید طبق قاعده بردارها جمع شوند، اگر نیروی حاصله برابر با صفر باشد، جسم به حرکت یکنواخت خود ادامه می دهد. همچنین درک این نکته مهم است که در مکانیک کلاسیک بین حرکت یکنواخت یک جسم و حالت سکون آن تفاوتی وجود ندارد.
قانون دوم نیوتن
او می گوید دلیل تغییر ماهیت حرکت بدن در فضا وجود نیروی خارجی غیر صفر است که به آن وارد می شود. در واقع این قانون ادامه قانون قبلی است. نماد ریاضی آن به شرح زیر است:
F¯=ma¯.
در اینجا، کمیت a¯ شتابی است که میزان تغییر بردار سرعت را توصیف می کند، m جرم اینرسی جسم است. از آنجایی که m همیشه بزرگتر از صفر است، بردارهای نیرو و شتاب در یک جهت هستند.
قانون در نظر گرفته شده برای تعداد زیادی از پدیده ها در مکانیک قابل اجرا است، به عنوان مثال، برای توصیف فرآیند سقوط آزاد، حرکت با شتاب خودرو، لغزش میله در امتداد صفحه شیب دار، نوسان. از یک آونگ،کشش فلس های فنری و غیره. به جرات می توان گفت که قانون اصلی دینامیک است.
Momentum and Momentum
اگر مستقیماً به کار علمی نیوتن رجوع کنید، می بینید که خود دانشمند قانون دوم مکانیک را تا حدودی متفاوت فرموله کرده است:
Fdt=dp، که در آن p=mv.
مقدار p تکانه نامیده می شود. بسیاری به اشتباه آن را تکانه بدن می نامند. مقدار حرکت یک مشخصه انرژی اینرسی است که برابر با حاصل ضرب جرم بدن و سرعت آن است.
تغییر تکانه با مقداری dp فقط توسط نیروی خارجی F که در بازه زمانی dt بر بدن وارد می شود انجام می شود. حاصل ضرب یک نیرو و مدت اثر آن را تکانه نیرو یا به سادگی ضربه می گویند.
هنگام برخورد دو جسم، نیروی برخوردی بین آنها وارد می شود که تکانه هر جسم را تغییر می دهد، اما از آنجایی که این نیرو نسبت به سیستم دو جسم مورد بررسی داخلی است، منجر به تغییر نمی شود. در کل حرکت سیستم این واقعیت را قانون بقای حرکت می نامند.
چرخش با شتاب
اگر قانون مکانیک فرموله شده توسط نیوتن برای حرکت چرخش اعمال شود، عبارت زیر به دست می آید:
M=Iα.
در اینجا M - تکانه زاویه ای - این مقداری است که توانایی نیرو را برای چرخش در سیستم نشان می دهد. ممان نیرو به عنوان حاصل ضرب نیروی بردار و بردار شعاع هدایت شده از محور به محاسبه می شود.نقطه کاربرد کمیت I لحظه اینرسی است. مانند لحظه نیرو، به پارامترهای سیستم دوار، به ویژه، به توزیع هندسی جرم بدن نسبت به محور بستگی دارد. در نهایت، مقدار α شتاب زاویه‌ای است که به شما امکان می‌دهد تعیین کنید که سرعت زاویه‌ای چند رادیان در ثانیه تغییر می‌کند.
اگر به معادله نوشته شده با دقت نگاه کنید و بین مقادیر و شاخص های آن از قانون دوم نیوتنی قیاسی ترسیم کنید، هویت کامل آنها را به دست خواهیم آورد.
قانون کنش و واکنش
باقی مانده است که قانون سوم مکانیک را در نظر بگیریم. اگر دو مورد اول، به هر طریقی، توسط پیشینیان نیوتن فرموله شده باشد، و خود دانشمند فقط یک شکل ریاضی هماهنگ به آنها داده است، پس قانون سوم زاییده فکر اصلی انگلیسی بزرگ است. پس می‌گوید: اگر دو جسم با هم برخورد کنند، نیروهای وارده بین آنها از نظر قدر مساوی و از جهت مخالف هستند. به طور خلاصه می توان گفت که هر عملی باعث واکنش می شود.
F12¯=-F21¯.
در اینجا F12¯ و F21¯ - از سمت بدنه اول به بدنه دوم و از سمت بدنه دوم عمل می کند. به ترتیب به قدرت اول رسید.
مثالهای زیادی وجود دارد که این قانون را تأیید می کند. به عنوان مثال، در هنگام پرش، شخص از سطح زمین دفع می شود، دومی او را به سمت بالا هل می دهد. همین امر در مورد راه رفتن با واکر و فشار دادن دیوار استخر شناگر نیز صدق می کند. مثال دیگر، اگر دست خود را روی میز فشار دهید، عکس آن احساس می شود.تاثیر میز روی دست که به آن نیروی واکنش ساپورت می گویند.
هنگام حل مسائل مربوط به کاربرد قانون سوم نیوتن، نباید فراموش کرد که نیروی عمل و نیروی واکنش به اجسام مختلف اعمال می شود، بنابراین آنها شتاب های متفاوتی به آنها می دهند.
