DINAMIKA: VĒSTURE, TĀS IZPĒTE, LIKUMI UN TEORIJAS - FIZISKĀ - 2025

Dinamiska ir joma, mehānikas, kas pēta mijiedarbību starp iestādēm un to sekām. Tajā paredzēts kvalitatīvi un kvantitatīvi aprakstīt tos, kā arī paredzēt, kā tie laika gaitā attīstīsies.

Pielietojot tās principus, ir zināms, kā ķermeņa kustība tiek modificēta, mijiedarbojoties ar citiem, kā arī, ja šī mijiedarbība to deformē, jo ir pilnīgi iespējams, ka abi efekti notiek vienlaikus.

1. attēls. Mijiedarbība ar velosipēdistu maina viņu kustību. Avots: Pixabay.

Kā dinamikas pamats Rietumos gadsimtiem ilgi dominēja lielā grieķu filozofa Aristoteļa (384-322 BC) uzskati. Viņš domāja, ka objekti pārvietojas kaut kādas enerģijas dēļ, kas tos virza vienā vai otrā virzienā.

Viņš arī novēroja, ka objekta stumšanas laikā tas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, bet, kad stumšana tiek apturēta, tas pārvietojas arvien lēnāk, līdz apstājas.

Pēc Aristoteļa domām, pastāvīga spēka darbība bija nepieciešama, lai kaut kas kustētos nemainīgā ātrumā, bet notiek tas, ka šim filozofam nebija berzes efektu.

Vēl viena viņa ideja bija tāda, ka smagāki priekšmeti nokrita ātrāk nekā vieglāki. Tas bija lieliskais Galileo Galilei (1564-1642), kurš ar eksperimentu palīdzību parādīja, ka visi ķermeņi nokrīt ar vienādu paātrinājumu neatkarīgi no to masas, atstājot novārtā viskozus efektus.

Bet tas ir Īzaks Ņūtons (1642-1727), ievērojamākais zinātnieks, kurš jebkad ir dzīvojis, kurš tiek uzskatīts par mūsdienu dinamikas un matemātisko aprēķinu tēvu kopā ar Gotfrīdu Leibnizu.

2. attēls. Īzaks Ņūtons 1682. gadā pēc Godfrija Knellera. Avots: Wikimedia Commons.

Tās slavenie likumi, kas tika izstrādāti 17. gadsimtā, joprojām ir spēkā un svaigi. Tie ir klasiskās mehānikas pamats, kuru mēs redzam un ietekmē mūs katru dienu. Šie likumi tiks apspriesti tuvākajā laikā.

Ko pēta dinamika?

Dinamika pēta mijiedarbību starp objektiem. Objektu mijiedarbībā mainās to kustība un deformācijas. Konkrēts apgabals, ko sauc par statisku, ir paredzēts tām sistēmām līdzsvara stāvoklī, tām, kas atrodas miera stāvoklī vai ar vienmērīgu taisnu kustību.

Izmantojot dinamikas principus, izmantojot vienādojumus, ir iespējams paredzēt, kādas būs objektu izmaiņas un evolūcija laikā. Lai to izdarītu, atkarībā no pētāmās sistēmas veida tiek izveidoti daži pieņēmumi.

Daļiņas, cietas cietas vielas un nepārtrauktas barotnes

Daļiņu modelis ir visvienkāršākais, lai sāktu piemērot dinamikas principus. Tajā tiek pieņemts, ka pētāmajam objektam ir masa, bet bez dimensijām. Tāpēc daļiņa var būt tik maza kā elektrons vai tikpat liela kā Zeme vai Saule.

Kad vēlaties novērot lieluma ietekmi uz dinamiku, ir jāņem vērā objektu lielums un forma. Modelis, kas to ņem vērā, ir cieta cieta viela - korpuss ar izmērāmiem izmēriem, kas sastāv no ļoti daudzām daļiņām, bet kurš deformējas spēku ietekmē.

Visbeidzot, nepārtraukto datu nesēju mehānika ņem vērā ne tikai objekta izmērus, bet arī tā īpašās īpašības, ieskaitot spēju tam deformēties. Nepārtrauktā vidē ietilpst cietas un necietas cietas vielas, kā arī šķidrumi.

Ņūtona likumi

Atslēga, lai saprastu, kā darbojas dinamika, ir pilnīga Ņūtona likumu izpratne, kas kvantitatīvi saista spēkus, kas iedarbojas uz ķermeni, ar izmaiņām tā kustības vai atpūtas stāvoklī.

Ņūtona pirmais likums

Ņūtona pirmā likuma skaidrojums. Avots: pašu gatavots.

Saka tā:

Paziņojuma pirmā daļa šķiet diezgan acīmredzama, jo ir acīmredzams, ka miera stāvoklī esošs objekts paliks tādā veidā, ja vien tas netiks traucēts. Un tam ir vajadzīgs spēks.

No otras puses, to, ka objekts turpina kustību pat tad, kad tīrais spēks uz to ir nulle, ir nedaudz grūtāk pieņemt, jo šķiet, ka objekts varētu palikt kustībā bezgalīgi. Un ikdienas pieredze mums saka, ka agrāk vai vēlāk lietas palēninās.

Atbilde uz šo acīmredzamo pretrunu ir berze. Patiešām, ja objekts kustētos uz pilnīgi gludas virsmas, tas varētu to darīt bezgalīgi, pieņemot, ka neviens cits spēks neizraisa kustības mainīgumu.

Tā kā berzi nav iespējams pilnībā novērst, idealizācija ir situācija, kurā ķermenis kustas bezgalīgi ar nemainīgu ātrumu.

Visbeidzot, ir svarīgi atzīmēt, ka, lai arī neto spēks ir nulle, tas nebūt nenozīmē pilnīgu spēku neesamību uz objektu.

Objekti uz zemes virsmas vienmēr piedzīvo gravitācijas pievilcību. Grāmata, kas balstās uz galda, paliek tā, jo galda virsma rada spēku, kas neitralizē svaru.

Otrais Ņūtona likums

Ņūtona otrā likuma skaidrojums. Avots: pašu gatavots.

Ņūtona pirmais likums nosaka, kas notiek ar objektu, kura tīrais vai izrietošais spēks ir nulle. Tagad dinamikas pamatlikums vai Ņūtona otrais likums norāda, kas notiks, kad neto spēks neatcelsies:

Faktiski, jo lielāks ir pieliktais spēks, jo lielākas ir objekta ātruma izmaiņas. Un, ja viens un tas pats spēks tiek piemērots dažādu masu priekšmetiem, vislielākās izmaiņas piedzīvos objekti, kas ir vieglāki un vieglāk pārvietojami. Ikdienas pieredze piekrīt šiem apgalvojumiem.

Ņūtona trešais likums

Kosmiskā raķete saņem nepieciešamo piedziņu, pateicoties izraidītajām gāzēm. Avots: Pixabay.

Ņūtona pirmie divi likumi attiecas uz vienu objektu. Bet trešais likums attiecas uz diviem objektiem. Mēs viņiem nosauksim objektu 1 un objektu 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Patiesībā ikreiz, kad ķermeni ietekmē spēks, tas notiek tāpēc, ka cits par tā izraisīšanu ir atbildīgs. Tādējādi objektiem uz Zemes ir svars, jo tas piesaista tos sava centra virzienā. Elektrisko lādiņu atgrūž ar citu tās pašas zīmes lādiņu, jo tas uz pirmo rada atgrūdošu spēku utt.

3. attēls. Ņūtona likumu kopsavilkums. Avots: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Saglabāšanas principi

Dinamikā ir vairāki daudzumi, kas tiek saglabāti kustības laikā un kuru izpēte ir būtiska. Tās ir kā cieta kolonna, pie kuras ir iespējams piestiprināties, lai atrisinātu problēmas, kurās spēki mainās ļoti sarežģīti.

Piemērs: tieši tad, kad divi transportlīdzekļi saduras, mijiedarbība starp tiem ir ļoti intensīva, bet īsa. Tik intensīva, ka nav jāņem vērā citi spēki, tāpēc transportlīdzekļus var uzskatīt par izolētu sistēmu.

Bet šīs intensīvās mijiedarbības aprakstīšana nav viegls uzdevums, jo tas ietver spēkus, kas mainās gan laikā, gan telpā. Tomēr, pieņemot, ka transportlīdzekļi veido izolētu sistēmu, spēki starp tiem ir iekšēji un impulss tiek saglabāts.

Saglabājot impulsu, ir iespējams paredzēt, kā transportlīdzekļi pārvietosies tieši pēc sadursmes.

Šeit ir divi no vissvarīgākajiem Dynamics saglabāšanas principiem:

Enerģijas taupīšana

Dabā ir divu veidu spēki: konservatīvs un nekonservatīvs. Svars ir labs bijušā piemērs, savukārt berze ir labs pēdējās piemērs.

Konservatīvos spēkus raksturo tas, ka tie piedāvā enerģijas uzkrāšanas iespēju sistēmas konfigurācijā. Tā ir tā saucamā potenciālā enerģija.

Kad ķermenim ir potenciāla enerģija, pateicoties tāda konservatīva spēka kā svars iedarbībai, un tā nonāk kustībā, šī potenciālā enerģija tiek pārveidota kinētiskajā enerģijā. Abu enerģiju summu sauc par sistēmas mehānisko enerģiju, un tā ir tā, kas tiek saglabāta, tas ir, tā paliek nemainīga.

Ļaujiet U būt potenciālajai enerģijai, K kinētiskajai enerģijai un E _m mehāniskajai enerģijai. Ja uz objektu darbojas tikai konservatīvi spēki, ir taisnība, ka:

Tādējādi:

Impulsa saglabāšana

Šis princips ir piemērojams ne tikai tad, ja saduras divi transportlīdzekļi. Tas ir fizikas likums, kura darbības joma pārsniedz makroskopisko pasauli.

Impulss tiek saglabāts Saules, zvaigžņu un galaktiku sistēmu līmenī. Un tas tiek darīts arī atoma un atoma kodola mērogā, neskatoties uz to, ka Ņūtona mehānika tur zaudē spēku.

Ļaujiet P ir impulsa vektors, ko piešķir:

P = m. v

P atvasināšana attiecībā uz laiku:

Ja masa paliek nemainīga:

Tāpēc mēs varam uzrakstīt Ņūtona otro likumu šādi:

_Neto F = d P / dt

Ja divi ķermeņi m ₁ un m ₂ veido izolētu sistēmu, spēki starp tiem ir iekšēji un saskaņā ar Ņūtona trešo likumu tie ir vienādi un pretēji F ₁ = - F ₂ , izpildot:

Ja atvasinājums attiecībā pret lieluma laiku ir nulle, tas nozīmē, ka lielums paliek nemainīgs. Tāpēc izolētā sistēmā var apgalvot, ka sistēmas impulss tiek saglabāts:

P ₁ + P ₂ = konstante

Pat ja tā, P ₁ un P ₂ var atšķirties atsevišķi. Sistēmas impulsu var pārdalīt, bet vissvarīgākais ir tas, ka tās summa paliek nemainīga.

Piedāvātie jēdzieni dinamikā

Dinamikā ir daudz svarīgu jēdzienu, taču izceļas divi no tiem: masa un spēks. Spēkiem, kas jau ir komentēti iepriekš, un zemāk ir saraksts ar visredzamākajiem jēdzieniem, kas parādās dinamikas izpētē blakus tam:

Inerce

Tas ir īpašums, kas objektiem ir pretoties izmaiņām viņu atpūtas vai pārvietošanās stāvoklī. Visiem priekšmetiem ar masu ir inerce, un tas tiek piedzīvots ļoti bieži, piemēram, braucot paātrinātā automašīnā, pasažieri mēdz palikt miera stāvoklī, kas tiek uztverts kā sajūta, ka pieķeras sēdekļa aizmugurē.

Un, ja automašīna pēkšņi apstājas, pasažieriem ir tendence apgāzties, sekojot iepriekšējai kustībai, kāda viņiem bija iepriekš, tāpēc ir svarīgi vienmēr lietot drošības jostas.

4. attēls. Braucot ar automašīnu, inerce izraisa avāriju, kad automašīna strauji bremzē. Avots: Pixabay.

Mise

Masa ir inerces mērs, jo, jo lielāka ir ķermeņa masa, jo grūtāk to pārvietot vai izraisīt tā kustības maiņu. Masa ir skalārs lielums, tas nozīmē, ka, lai norādītu ķermeņa masu, ir jādod skaitliskā vērtība plus izvēlētā vienība, kas var būt kilogrami, mārciņas, grami un vairāk.

Svars

Svars ir spēks, ar kuru Zeme velk objektus tuvu savai virsmai tās centra virzienā.

Tā kā tas ir spēks, svaram ir vektora raksturs, tāpēc tas ir pilnīgi noteikts, kad tiek norādīts tā lielums vai skaitliskā vērtība, virziens un jēga, kas, kā mēs jau zinām, ir vertikāli uz leju.

Tādējādi, kaut arī svars ir saistīts, svars un masa nav vienādi, pat nav līdzvērtīgi, jo pirmais ir vektors, bet otrais - skalārs.

Atsauces sistēmas

Kustības apraksts var atšķirties atkarībā no izvēlētās atsauces. Tie, kas kāpj liftā, atrodas miera stāvoklī atbilstoši tam piestiprinātajam atskaites rāmim, bet, ko novērotājs novēro uz zemes, pasažieri pārvietojas.

Ja ķermenis izjūt kustību par vienu atskaites rāmi, bet citā atrodas miera stāvoklī, Ņūtona likumi nevar attiekties uz abiem. Faktiski Ņūtona likumi ir piemērojami noteiktiem atskaites punktiem: tiem, kas ir inerciāli.

Inerciālos atskaites rāmjos ķermeņi nepaātrinās, ja vien tie kaut kādā veidā netiek traucēti - pieliekot spēku.

Fiktīvi spēki

Fiktīvi spēki vai pseido spēki parādās, analizējot ķermeņa kustību paātrinātā atskaites kadrā. Izceļas fiktīvs spēks, jo nav iespējams noteikt aģentu, kurš ir atbildīgs par tā izskatu.

Centrbēdzes spēks ir labs fiktīva spēka piemērs. Tomēr tas, ka tas ir, nepadara to mazāk reālu tiem, kas to piedzīvo, pagriežoties automašīnās un jūtot, ka kāda neredzama roka viņus izstumj no līkuma.

Paātrinājums

Šis svarīgais vektors jau ir minēts iepriekš. Objekts piedzīvo paātrinājumu, kamēr vien ir spēks, kas maina tā ātrumu.

Darbs un enerģija

Kad spēks iedarbojas uz objektu un tas maina tā stāvokli, spēks ir paveicis darbu. Un šo darbu var uzglabāt enerģijas veidā. Tāpēc objektam tiek veikts darbs, pateicoties kuram tas iegūst enerģiju.

Šis piemērs izskaidro punktu: Pieņemsim, ka persona paaugstina podu noteiktā augstumā virs zemes līmeņa.

Lai to panāktu, tam jāpieliek spēks un jāpārvar gravitācija, tāpēc tas darbojas uz poda, un šis darbs tiek saglabāts gravitācijas potenciālās enerģijas veidā katlā proporcionāli tā masai un augstumam, ko tas sasniedzis virs grīdas. :

Kur m ir masa, g ir smagums, un h ir augstums. Ko pods var darīt, kad tas ir h augstumā? Nu, tas var nokrist, un, krītot, tā gravitācijas potenciālā enerģija samazinās, bet kinētiskā vai kustības enerģija palielinās.

Lai spēks veiktu darbu, tam jārada pārvietojums, kam jābūt paralēlam spēkam. Ja tas nenotiek, spēks joprojām iedarbojas uz objektu, bet neveic darbu pie tā.

Saistītās tēmas

Ņūtona pirmais likums.

Otrais Ņūtona likums.

Ņūtona trešais likums.

Materiālu saglabāšanas likums.

Atsauces

1. Bauers, W. 2011. Fizika inženierzinātnēm un zinātnēm. 1. sējums. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Sērija: Zinātņu un inženierzinātņu fizika. 2. sējums. Dinamika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. .. Eda Prentice zāle.
4. Hevits, Pols. 2012. Konceptuālā fiziskā zinātne. 5. Ed Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6. saīsināts izdevums. Cengage mācīšanās.
6. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons.
7. Wikipedia. Dinamiska. Atgūts no: es.wikipedia.org.