Studimi i fenomeneve natyrore në bazë të një eksperimenti është i mundur vetëm nëse vëzhgohen të gjitha fazat: vëzhgimi, hipoteza, eksperimenti, teoria. Vëzhgimi do të zbulojë dhe krahasojë faktet, hipoteza bën të mundur dhënien e një shpjegimi të detajuar shkencor që kërkon konfirmim eksperimental. Vëzhgimi i lëvizjes së trupave çoi në një përfundim interesant: një ndryshim në shpejtësinë e një trupi është i mundur vetëm nën ndikimin e një trupi tjetër.
Për shembull, nëse vraponi shpejt lart shkallët, atëherë në kthesë ju vetëm duhet të kapni kangjellën (duke ndryshuar drejtimin e lëvizjes), ose të ndaloni (ndryshoni vlerën e shpejtësisë) në mënyrë që të mos përplaseni me muri përballë.
Vëzhgimet e fenomeneve të ngjashme çuan në krijimin e një dege të fizikës që studion shkaqet e ndryshimeve në shpejtësinë e trupave ose deformimin e tyre.
Bazat e Dinamikës
Dynamics thirret për t'iu përgjigjur pyetjes sakramentale se pse trupi fizik lëviz në një mënyrë ose në një tjetër ose është në qetësi.
Kini parasysh gjendjen e pushimit. Bazuar në konceptin e relativitetit të lëvizjes, mund të konkludojmë: nuk ka dhe nuk mund të ketë trupa absolutisht të palëvizshëm. Çdonjë objekt, duke qenë i palëvizshëm në lidhje me një trup referues, lëviz në lidhje me një tjetër. Për shembull, një libër i shtrirë në një tavolinë është i palëvizshëm në lidhje me tryezën, por nëse marrim parasysh pozicionin e tij në lidhje me një person që kalon, nxjerrim një përfundim të natyrshëm: libri është në lëvizje.
Prandaj, ligjet e lëvizjes së trupave konsiderohen në kornizat inerciale të referencës. çfarë është?
Quhet kuadri inercial i referencës, në të cilin trupi është në qetësi ose kryen lëvizje uniforme dhe drejtvizore, me kusht që të mos ketë ndikim të objekteve ose objekteve të tjera mbi të.
Në shembullin e mësipërm, korniza e referencës e lidhur me tabelën mund të quhet inerciale. Një person që lëviz në mënyrë uniforme dhe në një vijë të drejtë mund të shërbejë si një kornizë referimi për ISO. Nëse lëvizja e tij është e përshpejtuar, atëherë është e pamundur të lidhet një CO inerciale me të.
Në fakt, një sistem i tillë mund të lidhet me trupa të fiksuar fort në sipërfaqen e Tokës. Megjithatë, vetë planeti nuk mund të shërbejë si një trup referimi për IFR, pasi ai rrotullohet në mënyrë uniforme rreth boshtit të tij. Trupat në sipërfaqe kanë nxitim centripetal.
Çfarë është momenti?
Fenomeni i inercisë lidhet drejtpërdrejt me ISO. Mos harroni se çfarë ndodh nëse një makinë në lëvizje ndalon papritur? Pasagjerët janë në rrezik ndërsa vazhdojnë udhëtimin e tyre. Mund të ndalet nga një sedilje përpara ose nga rripat e sigurimit. Ky proces shpjegohet nga inercia e pasagjerit. A është e drejtë?
Inercia është një fenomen që presupozon ruajtjenshpejtësi konstante e trupit në mungesë të ndikimit të trupave të tjerë në të. Pasagjeri është nën ndikimin e rripave ose sediljeve. Fenomeni i inercisë nuk vërehet këtu.
Shpjegimi qëndron te vetia e trupit dhe, sipas tij, është e pamundur të ndryshosh në çast shpejtësinë e një objekti. Kjo është inerci. Për shembull, inertiteti i merkurit në një termometër bën të mundur uljen e shiritit nëse tundim termometrin.
Masa e inercisë quhet masa e trupit. Kur ndërveprojmë, shpejtësia ndryshon më shpejt për trupat me më pak masë. Përplasja e një makine me një mur betoni për këtë të fundit vijon thuajse pa gjurmë. Makina më së shpeshti pëson ndryshime të pakthyeshme: ndryshime të shpejtësisë, ndodh deformim i rëndësishëm. Rezulton se inercia e një muri betoni tejkalon ndjeshëm inercinë e një makine.
A është e mundur të takojmë fenomenin e inercisë në natyrë? Gjendja në të cilën trupi është pa ndërlidhje me trupat e tjerë është hapësira e thellë, në të cilën anija kozmike lëviz me motorët e fikur. Por edhe në këtë rast, momenti gravitacional është i pranishëm.
sasitë bazë
Studimi i dinamikës në nivel eksperimental përfshin eksperimentimin me matjet e sasive fizike. Më interesantja:
- nxitimi si masë e shpejtësisë së ndryshimit të shpejtësisë së trupave; caktojeni me shkronjën a, matni në m/s2;
- masa si masë e inercisë; e shënuar me shkronjën m, e matur në kg;
- forca si masë e veprimit të ndërsjellë të trupave; më së shpeshti shënohet me shkronjën F, e matur në N (njuton).
Marrëdhënia ndërmjet këtyre sasivetë përcaktuara në tre modele, të nxjerra nga fizikani më i madh anglez. Ligjet e Njutonit janë krijuar për të shpjeguar kompleksitetin e ndërveprimit të trupave të ndryshëm. Si dhe proceset që i menaxhojnë ato. Janë konceptet e "nxitimit", "forcës", "masës" që ligjet e Njutonit i lidhin me marrëdhëniet matematikore. Le të përpiqemi të kuptojmë se çfarë do të thotë.
Veprimi i vetëm një force është një fenomen i jashtëzakonshëm. Për shembull, një satelit artificial që rrotullohet rreth Tokës ndikohet vetëm nga graviteti.
Rezultat
Veprimi i disa forcave mund të zëvendësohet nga një forcë.
Shuma gjeometrike e forcave që veprojnë mbi një trup quhet rezultante.
Po flasim për një shumë gjeometrike, pasi forca është një sasi vektoriale, e cila varet jo vetëm nga pika e zbatimit, por edhe nga drejtimi i veprimit.
Për shembull, nëse keni nevojë të lëvizni një gardërobë mjaft masive, mund të ftoni miqtë. Së bashku arrijmë rezultatin e dëshiruar. Por ju mund të ftoni vetëm një person shumë të fortë. Përpjekja e tij është e barabartë me veprimin e të gjithë miqve. Forca e aplikuar nga heroi mund të quhet rezultante.
Ligjet e lëvizjes së Njutonit janë formuluar në bazë të konceptit të "rezultantit".
Ligji i inercisë
Filloni të studioni ligjet e Njutonit me fenomenin më të zakonshëm. Ligji i parë zakonisht quhet ligji i inercisë, pasi përcakton shkaqet e lëvizjes drejtvizore uniforme ose gjendjen e pjesës tjetër të trupave.
Trupi lëviz në mënyrë të njëtrajtshme dhe drejtvizore oseqëndron nëse nuk vepron mbi të asnjë forcë, ose ky veprim kompensohet.
Mund të argumentohet se rezultanta në këtë rast është e barabartë me zero. Në këtë gjendje është, për shembull, një makinë që lëviz me një shpejtësi konstante në një pjesë të drejtë të rrugës. Veprimi i forcës së tërheqjes kompensohet nga forca e reagimit të mbështetjes, dhe forca e shtytjes së motorit është e barabartë në vlerë absolute me forcën e rezistencës ndaj lëvizjes.
Llambadari qëndron në tavan, pasi forca e gravitetit kompensohet nga tensioni i pajisjeve të tij.
Vetëm ato forca që aplikohen në një trup mund të kompensohen.
Ligji i dytë i Njutonit
Le të vazhdojmë. Arsyet që shkaktojnë ndryshimin e shpejtësisë së trupave konsiderohen nga ligji i dytë i Njutonit. Për çfarë po flet ai?
Rezultantja e forcave që veprojnë në një trup përkufizohet si produkt i masës së trupit dhe nxitimit të fituar nën veprimin e forcave.
2 Ligji i Njutonit (formula: F=ma), për fat të keq, nuk vendos marrëdhënie shkakësore midis koncepteve bazë të kinematikës dhe dinamikës. Ai nuk mund të përcaktojë saktësisht se çfarë po i bën trupat të përshpejtohen.
Le ta formulojmë ndryshe: nxitimi i marrë nga trupi është drejtpërdrejt proporcional me forcat rezultante dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me masën e trupit.
Kështu, mund të vërtetohet se ndryshimi i shpejtësisë ndodh vetëm në varësi të forcës së aplikuar në të dhe masës së trupit.
2 Ligji i Njutonit, formula e të cilit mund të jetë si më poshtë: a=F/m, konsiderohet themelor në formë vektoriale, pasi bën të mundurtë vendosë lidhje ndërmjet degëve të fizikës. Këtu, a është vektori i nxitimit të trupit, F është rezultantja e forcave, m është masa e trupit.
Lëvizja e përshpejtuar e makinës është e mundur nëse forca tërheqëse e motorëve tejkalon forcën e rezistencës ndaj lëvizjes. Me rritjen e shtytjes, rritet edhe nxitimi. Kamionët janë të pajisur me motorë me fuqi të lartë, sepse masa e tyre është shumë më e madhe se masa e një makine pasagjerësh.
Topat e zjarrit të dizajnuara për gara me shpejtësi të lartë ndriçohen në mënyrë të tillë që pjesët minimale të nevojshme t'u ngjiten atyre dhe fuqia e motorit rritet në kufijtë e mundshëm. Një nga karakteristikat më të rëndësishme të makinave sportive është koha e përshpejtimit deri në 100 km / orë. Sa më i shkurtër ky interval kohor, aq më të mira janë vetitë e shpejtësisë së makinës.
Ligji i ndërveprimit
Ligjet e Njutonit, bazuar në forcat e natyrës, thonë se çdo ndërveprim shoqërohet me shfaqjen e një çifti forcash. Nëse topi varet në një fije, atëherë ai përjeton veprimin e tij. Në këtë rast, filli shtrihet edhe nën veprimin e topit.
Formulimi i rregullsisë së tretë plotëson ligjet e Njutonit. Me pak fjalë, tingëllon kështu: veprimi është i barabartë me reagimin. Çfarë do të thotë kjo?
Forcat me të cilat trupat veprojnë mbi njëri-tjetrin janë të barabarta në madhësi, të kundërta në drejtim dhe të drejtuara përgjatë vijës që lidh qendrat e trupave. Është interesante se ato nuk mund të quhen të kompensuara, sepse veprojnë në trupa të ndryshëm.
Zbatimi i ligjeve
Problemi i famshëm "Kali dhe karroca" mund të jetë konfuz. Kali i mbërthyer në vagonin e përmendur e lëviz atënga vendi. Në përputhje me ligjin e tretë të Njutonit, këto dy objekte veprojnë mbi njëri-tjetrin me forca të barabarta, por në praktikë një kalë mund të lëvizë një karrocë, e cila nuk përshtatet në themelet e modelit.
Zgjidhja gjendet nëse kemi parasysh se ky sistem trupash nuk është i mbyllur. Rruga ka efektin e saj në të dy trupat. Forca statike e fërkimit që vepron në thundrat e kalit tejkalon forcën e fërkimit të rrotullimit të rrotave të karrocave. Në fund të fundit, momenti i lëvizjes fillon me një përpjekje për të lëvizur vagonin. Nëse pozicioni ndryshon, atëherë kali në asnjë rrethanë nuk do ta lëvizë atë nga vendi i tij. Thundrat e tij do të rrëshqasin në rrugë dhe nuk do të ketë lëvizje.
Në fëmijëri, duke bërë sajë me njëri-tjetrin, të gjithë mund të hasin një shembull të tillë. Nëse dy ose tre fëmijë ulen në sajë, atëherë përpjekjet e një fëmije nuk janë të mjaftueshme për t'i lëvizur ata.
Rënia e trupave në sipërfaqen e tokës, e shpjeguar nga Aristoteli ("Çdo trup e di vendin e tij") mund të kundërshtohet në bazë të sa më sipër. Një objekt lëviz drejt tokës nën ndikimin e së njëjtës forcë siç lëviz Toka drejt saj. Duke krahasuar parametrat e tyre (masa e Tokës është shumë më e madhe se masa e trupit), në përputhje me ligjin e dytë të Njutonit, pohojmë se nxitimi i një objekti është sa herë më i madh se nxitimi i Tokës. Po vëzhgojmë një ndryshim në shpejtësinë e trupit, Toka nuk lëviz nga orbita e saj.
Kufijtë e zbatueshmërisë
Fizika moderne nuk i mohon ligjet e Njutonit, por vendos vetëm kufijtë e zbatueshmërisë së tyre. Deri në fillim të shekullit të 20-të, fizikanët nuk kishin dyshim se këto ligje shpjegonin të gjitha fenomenet natyrore.
Ligji 1, 2, 3Njutoni zbulon plotësisht shkaqet e sjelljes së trupave makroskopikë. Lëvizja e objekteve me shpejtësi të papërfillshme përshkruhet plotësisht nga këto postulate.
Përpjekja për të shpjeguar në bazë të tyre lëvizjen e trupave me shpejtësi afër shpejtësisë së dritës është e dënuar të dështojë. Një ndryshim i plotë në vetitë e hapësirës dhe kohës me këto shpejtësi nuk lejon përdorimin e dinamikës Njutoniane. Përveç kësaj, ligjet ndryshojnë formën e tyre në FR jo-inerciale. Për zbatimin e tyre prezantohet koncepti i forcës inerciale.
Ligjet e Njutonit mund të shpjegojnë lëvizjen e trupave astronomikë, rregullat për vendndodhjen dhe ndërveprimin e tyre. Ligji i gravitetit universal është futur për këtë qëllim. Është e pamundur të shihet rezultati i tërheqjes së trupave të vegjël, sepse forca është e pakët.
Trheqje reciproke
Ekziston një legjendë sipas së cilës zoti Njuton, i cili ishte ulur në kopsht dhe shikonte rënien e mollëve, kishte një ide të shkëlqyer: të shpjegonte lëvizjen e objekteve pranë sipërfaqes së tokës dhe lëvizjen e trupat hapësinorë në bazë të tërheqjes reciproke. Nuk është edhe aq larg së vërtetës. Vëzhgimet dhe llogaritjet e sakta kishin të bënin jo vetëm me rënien e mollëve, por edhe me lëvizjen e hënës. Ligjet e kësaj lëvizjeje çojnë në përfundimin se forca e tërheqjes rritet me rritjen e masës së trupave ndërveprues dhe zvogëlohet me rritjen e distancës ndërmjet tyre.
Bazuar në ligjet e dyta dhe të treta të Njutonit, ligji i gravitetit universal është formuluar si më poshtë: të gjithë trupat në univers tërhiqen nga njëri-tjetri me një forcë të drejtuar përgjatë vijës që lidh qendrat e trupave, në përpjesëtim me masat e trupave dhenë përpjesëtim të zhdrejtë me katrorin e distancës ndërmjet qendrave të trupave.
Shënimi matematik: F=GMm/r2, ku F është forca e tërheqjes, M, m janë masat e trupave që ndërveprojnë, r është distanca ndërmjet tyre. Koeficienti i proporcionalitetit (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) quhet konstante gravitacionale.
Kuptimi fizik: kjo konstante është e barabartë me forcën e tërheqjes ndërmjet dy trupave me masë 1 kg në një distancë prej 1 m. Është e qartë se për trupat me masa të vogla forca është aq e parëndësishme sa mund të jetë i lënë pas dore. Për planetët, yjet, galaktikat, forca e tërheqjes është aq e madhe sa që përcakton plotësisht lëvizjen e tyre.
Është ligji i gravitetit të Njutonit që thotë se për të lëshuar raketa, ju nevojitet karburant që mund të krijojë një shtytje të tillë avionësh për të kapërcyer ndikimin e Tokës. Shpejtësia e kërkuar për këtë është shpejtësia e parë e ikjes, e cila është 8 km/s.
Teknologjia moderne e raketave bën të mundur lëshimin e stacioneve pa pilot si satelitë artificialë të Diellit në planetë të tjerë për të eksploruar. Shpejtësia e zhvilluar nga një pajisje e tillë është shpejtësia e dytë hapësinore, e barabartë me 11 km/s.
Algoritmi për zbatimin e ligjeve
Zgjidhja e problemeve të dinamikës i nënshtrohet një sekuence të caktuar veprimesh:
- Analizo detyrën, identifiko të dhënat, llojin e lëvizjes.
- Vizatoni një vizatim që tregon të gjitha forcat që veprojnë në trup dhe drejtimin e nxitimit (nëse ka). Zgjidh sistemin e koordinatave.
- Shkruani ligjet e para ose të dyta, në varësi të disponueshmërisënxitimi i trupit, në formë vektoriale. Merrni parasysh të gjitha forcat (forca rezultuese, ligjet e Njutonit: e para, nëse shpejtësia e trupit nuk ndryshon, e dyta, nëse ka nxitim).
- Rishkruaje ekuacionin në projeksione në boshtet e zgjedhura të koordinatave.
- Nëse sistemi rezultues i ekuacioneve nuk është i mjaftueshëm, atëherë shkruani të tjerat: përkufizimet e forcave, ekuacionet e kinematikës, etj.
- Zgjidhni sistemin e ekuacioneve për vlerën e dëshiruar.
- Kryer një kontroll dimensionesh për të përcaktuar nëse formula që rezulton është e saktë.
- Llogarit.
Zakonisht këta hapa janë të mjaftueshëm për çdo detyrë standarde.
