DINAMIKA: ISTORIJA, JOS STUDIJOS, ĮSTATYMAI IR TEORIJOS - FIZINIS - 2025

Dinamiškas yra mechanikos sritis, kuri studijuoja tarp institucijų ir jų poveikis sąveikos. Jame aprašoma jų kokybė ir kiekybė, taip pat numatoma, kaip jie vystysis laikui bėgant.

Taikant savo principus, žinoma, kaip keičiasi kūno judesys sąveikaujant su kitais, taip pat ar šios sąveikos jį deformuoja, nes visiškai įmanoma, kad abu padariniai pasireiškia tuo pačiu metu.

1 pav. Dviratininko sąveika keičia jų judėjimą. Šaltinis: „Pixabay“.

Didžiojo graikų filosofo Aristotelio (384–322 m. Pr. Kr.) Įsitikinimai per amžius vyravo kaip dinamikos pamatas Vakaruose. Jis manė, kad objektai juda dėl tam tikros energijos, kuri juos pastūmėjo į vieną ar kitą pusę.

Jis taip pat pastebėjo, kad kol daiktas yra stumiamas, jis juda pastoviu greičiu, tačiau sustabdant stūmimą jis juda vis lėčiau, kol sustos.

Aristotelio teigimu, norint, kad kažkas judėtų pastoviu greičiu, reikėjo nuolatinės jėgos, tačiau atsitiko tai, kad šis filosofas neturėjo trinties padarinių.

Kita jo mintis buvo ta, kad sunkesni daiktai krito greičiau nei lengvesni. Tai buvo puikusis Galileo Galilei (1564-1642), kuris eksperimentais parodė, kad visi kūnai krinta tuo pačiu pagreičiu, nepaisant jų masės, nepaisydami klampių padarinių.

Bet būtent Isaacas Newtonas (1642–1727), visų laikų žymiausias kada nors gyvenęs mokslininkas, laikomas moderniosios dinamikos ir matematinių skaičiavimų tėvu kartu su Gottfriedu Leibnizu.

2 paveikslas. Isaacas Newtonas 1682 m., Autorius Godfrey Knelleris. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Garsūs įstatymai, suformuluoti XVII amžiuje, ir šiandien galioja ir yra nauji. Jie yra klasikinės mechanikos pamatas, kurį kasdien matome ir paveikiame. Šie įstatymai bus aptarti netrukus.

Ką tiria dinamika?

Dinamika tiria objektų sąveiką. Kai objektai sąveikauja, pasikeičia jų judėjimas ir deformacijos. Tam tikra sritis, vadinama statiniu, yra skirta toms pusiausvyros sistemoms, toms, kurios yra ramybėje arba turi tolygų tiesinį judesį.

Taikant dinamikos principus, lygtimis galima numatyti, kokie bus objektų pokyčiai ir evoliucija laike. Tam tikslui nustatomos kai kurios prielaidos, atsižvelgiant į tiriamos sistemos tipą.

Dalelės, kietos kietos medžiagos ir ištisinės terpės

Dalelių modelis yra paprasčiausias pradedant taikyti dinamikos principus. Jame daroma prielaida, kad tiriamas objektas turi masę, bet neturi matmenų. Todėl dalelė gali būti tiek maža, kiek elektronas, arba tokia pati, kaip Žemė ar Saulė.

Kai norite stebėti dydžio įtaką dinamikai, būtina atsižvelgti į objektų dydį ir formą. Modelis, kuriame į tai atsižvelgiama, yra standžios kietosios medžiagos - tai kėbulas, kurio matmenis galima išmatuoti iš daugybės dalelių, tačiau kuris, veikiant jėgoms, nesideformuoja.

Galiausiai, nepertraukiamo terpės mechanikoje atsižvelgiama ne tik į objekto matmenis, bet ir į jo ypatybes, įskaitant galimybę jį deformuoti. Nepertraukiamą terpę sudaro kietos ir nelanksčios kietos medžiagos, taip pat skysčiai.

Niutono įstatymai

Norint suprasti, kaip veikia dinamika, reikia išmanyti Niutono dėsnius, kurie kiekybiškai susieja kūną veikiančias jėgas su jo judesio ar poilsio būsenos pokyčiais.

Niutono pirmasis įstatymas

Pirmojo Niutono dėsnio paaiškinimas. Šaltinis: pačių sukurtas.

Sako taip:

Pirmoji sakinio dalis atrodo gana akivaizdi, nes akivaizdu, kad ramybėje esantis objektas taip ir liks, nebent būtų sutrikdytas. Ir tam reikalinga jėga.

Kita vertus, šiek tiek sunkiau sutikti su tuo, kad objektas juda net tada, kai jo veikimo jėga yra lygi nuliui, nes atrodo, kad objektas galėjo judėti neribotą laiką. O kasdienė patirtis mums sako, kad anksčiau ar vėliau viskas sulėtėja.

Atsakymas į šį akivaizdų prieštaravimą yra trintis. Iš tiesų, jei objektas judėtų visiškai lygiu paviršiumi, jis galėtų tai padaryti neribotą laiką, darant prielaidą, kad jokia kita jėga nesukėlė judesio.

Kadangi neįmanoma visiškai pašalinti trinties, idealizuojama situacija, kai kūnas neribotą laiką juda pastoviu greičiu.

Galiausiai svarbu pažymėti, kad, nors grynoji jėga yra lygi nuliui, tai nebūtinai reiškia visišką jėgų nebuvimą objekte.

Žemės paviršiaus objektai visada patiria gravitacinę trauką. Knyga, esanti ant stalo, išlieka tokia, nes stalo paviršius veikia jėgą, kuri atsveria svorį.

Antrasis Niutono dėsnis

Antrojo Niutono dėsnio paaiškinimas. Šaltinis: pačių sukurtas.

Pirmasis Niutono dėsnis nustato, kas nutinka objektui, kurio grynoji arba susidaranti jėga yra lygi nuliui. Dabar pagrindinis dinamikos dėsnis arba Niutono antrasis dėsnis nurodo, kas nutiks, kai grynoji jėga neatšauks:

Iš tikrųjų, kuo didesnė taikoma jėga, tuo didesnis objekto greičio pokytis. Ir jei ta pati jėga bus taikoma skirtingų masių objektams, didžiausius pokyčius patirs lengvesni ir lengviau judantys objektai. Kasdienė patirtis sutinka su šiais teiginiais.

Trečiasis Niutono įstatymas

Kosminė raketa išmetamų dujų dėka gauna reikiamą varomąją jėgą. Šaltinis: „Pixabay“.

Pirmieji du Niutono įstatymai nurodo vieną objektą. Bet trečiasis įstatymas nurodo du objektus. Pavadinsime juos objektu 1 ir 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Tiesą sakant, kiekvieną kartą, kai kūnas yra paveiktas jėgos, jis yra todėl, kad kitas yra atsakingas už jo sukėlimą. Taigi objektai Žemėje turi svorį, nes jis juos traukia link savo centro. Elektrinį krūvį atstumia kitas to paties ženklo įkrovimas, nes jis sukelia atstumiančiąją jėgą pirmajam ir pan.

3 pav. Niutono dėsnių santrauka. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. Hugo4914.

Išsaugojimo principai

Dinamikoje yra keletas dydžių, kurie išsaugomi judant ir kurių tyrimas yra būtinas. Jie yra tarsi tvirta kolona, ​​prie kurios galima pritvirtinti, kad būtų išspręstos problemos, kuriose jėgos skiriasi labai sudėtingais būdais.

Pavyzdys: kai tik susiduria dvi transporto priemonės, jų sąveika yra labai intensyvi, bet trumpa. Toks intensyvus, kad nereikia atsižvelgti į jokias kitas jėgas, todėl transporto priemones galima laikyti izoliuota sistema.

Tačiau aprašyti šią intensyvią sąveiką nėra lengva užduotis, nes ji apima jėgas, kurios skiriasi ir laiku, ir erdvėje. Tačiau darant prielaidą, kad transporto priemonės sudaro izoliuotą sistemą, jėgos tarp jų yra vidinės ir impulsas išsaugomas.

Taupant greitį galima numatyti, kaip transporto priemonės judės iškart po susidūrimo.

Čia yra du svarbiausi „Dynamics“ išsaugojimo principai:

Energijos taupymas

Gamtoje yra dviejų tipų jėgos: konservatyvios ir nekonservatyvios. Svoris yra geras ankstesnių pavyzdžių pavyzdys, o trintis yra geras pastarųjų pavyzdys.

Na, konservatyvioms jėgoms būdinga, nes jos suteikia galimybę kaupti energiją sistemos konfigūracijoje. Tai yra vadinamoji potenciali energija.

Kai kūnas turi potencialią energiją dėl konservatyvios jėgos, tokios kaip svoris, veikimo ir judama, ši potenciali energija virsta kinetine energija. Abiejų energijų suma vadinama mechanine sistemos energija ir yra ta, kuri yra išsaugota, tai yra, ji išlieka pastovi.

Tegul U yra potencinė energija, K - kinetinė energija, o E _m - mechaninė energija. Jei objekte veikia tik konservatyvios jėgos, tiesa, kad:

Taigi:

Pagreitio išsaugojimas

Šis principas taikomas ne tik kai susiduria dvi transporto priemonės. Tai fizikos dėsnis, kurio taikymo sritis peržengia makroskopinį pasaulį.

Pagreitis išsaugomas saulės, žvaigždžių ir galaktikų sistemų lygyje. Tai ji daro ir atomo bei atomo branduolio mastu, nepaisant to, kad Niutono mechanika nustoja galioti ten.

Tegul P yra impulsų vektorius, kurį suteikia:

P = m. v

Išvestis P laiko atžvilgiu:

Jei masė išlieka pastovi:

Todėl antrąjį Niutono dėsnį galime parašyti taip:

_Grynasis F = d P / dt

Jei du kūnai m ₁ ir m ₂ sudaro izoliuotą sistemą, jėgos tarp jų yra vidinės ir pagal Niutono trečiąjį dėsnį jos yra lygios ir priešingos F ₁ = - F ₂ , įvykdant tai:

Jei darinys didumo laiko atžvilgiu yra lygus nuliui, tai reiškia, kad didumas išlieka pastovus. Todėl izoliuotoje sistemoje galima teigti, kad sistemos impulsas yra išsaugotas:

P ₁ + P ₂ = konstanta

Nepaisant to, P ₁ ir P ₂ gali skirtis atskirai. Sistemos impulsą galima perskirstyti, tačiau svarbu yra tai, kad jos suma nesikeis.

Teminės dinamikos sąvokos

Dinamikoje yra daug svarbių sąvokų, tačiau išsiskiria dvi: masė ir jėga. Prie jau anksčiau komentuotos jėgos ir žemiau yra sąrašas su svarbiausiomis sąvokomis, kurios atsiranda šalia dinamikos tyrimo:

Inercija

Tai yra savybė, kurią daiktai turi atsispirti ramybės ar judėjimo būsenos pokyčiams. Visi daiktai, kurių masė yra masė, turi inerciją ir tai patiriama labai dažnai, pavyzdžiui, važiuodami greičiausiu automobiliu, keleiviai linkę ilsėtis, o tai suvokiama kaip prispaudimo prie sėdynės galo pojūtis.

Ir jei automobilis staigiai sustoja, keleiviai linkę apvirsti atlikdami judesį pirmyn, kurį anksčiau turėjo, todėl svarbu visada dėvėti saugos diržus.

4 pav. Važiuodami automobiliu, inercija sukelia avariją, kai automobilis staigiai stabdo. Šaltinis: „Pixabay“.

Mišios

Masė yra inercijos matas, nes kuo didesnė kūno masė, tuo sunkiau ją perkelti ar priversti pakeisti savo judesį. Masė yra skalinis dydis, tai reiškia, kad norint nurodyti kūno masę, reikia pateikti skaitinę vertę ir pasirinktą vienetą, kuris gali būti kilogramas, svaras, gramas ir dar daugiau.

Svoris

Svoris yra jėga, kuria Žemė tempia daiktus arti savo paviršiaus link savo centro.

Kadangi tai yra jėga, svoris turi vektorinį pobūdį, todėl jis yra visiškai nurodytas, kai nurodomas jo dydis ar skaitinė reikšmė, jo kryptis ir prasmė, kuriuos mes jau žinome vertikaliai žemyn.

Taigi, nors svoris ir masė yra nesusiję, net nėra lygiaverčiai, nes pirmasis yra vektorius, o antrasis - skaliarinis.

Etaloninės sistemos

Judėjimo aprašymas gali skirtis priklausomai nuo pasirinktos nuorodos. Tie, kurie kyla liftu, ramiai laikosi pagal pritvirtintą atskaitos rėmą, tačiau, matydami stebėtoją ant žemės, keleiviai juda.

Jei kūnas patiria judesį dėl vieno atskaitos rėmo, bet ramiai gyvena kitame, Niutono įstatymai negali būti taikomi abiem. Tiesą sakant, Niutono įstatymai yra taikomi tam tikriems pamatiniams rėmams: inerciniams.

Inerciniuose atskaitos rėmuose kūnai neįsibėgėja, nebent jie būtų kažkokiu būdu sutrikdyti - veikiant jėgai.

Fiktyvios pajėgos

Išgalvotos jėgos arba pseudo jėgos atsiranda, kai analizuojamas kūno judėjimas pagreitintame atskaitos kadre. Skiriama fiktyvi jėga, nes neįmanoma nustatyti agento, atsakingo už jo išvaizdą.

Išcentrinė jėga yra geras fiktyvios jėgos pavyzdys. Tačiau tai, kad jis yra, nepadaro to mažiau tikru tiems, kurie tai patiria apsisukę savo automobiliuose ir jaučia, kad nematoma ranka išstumia juos iš posūkio.

Pagreitis

Šis svarbus vektorius jau buvo minėtas anksčiau. Objektas patiria pagreitį tol, kol yra jėga, kuri keičia jo greitį.

Darbas ir energija

Kai jėga veikia objektą ir jis keičia jo padėtį, jėga padarė darbą. Ir šį darbą galima laikyti energijos pavidalu. Todėl darbas su objektu atliekamas, jo dėka jis įgyja energijos.

Šis pavyzdys išvalo tašką: Tarkime, kad žmogus pakelia puodą tam tikru aukščiu virš žemės lygio.

Tam jis turi naudoti jėgą ir įveikti gravitaciją, todėl jis veikia puodą ir šis darbas kaupiamas puodo gravitacinės potencijos energijos pavidalu, proporcingas jo masei ir aukščiui, kurį jis pasiekė virš grindų. :

Kur m yra masė, g yra gravitacija, o h yra aukštis. Ką puodas gali padaryti, kai jis yra aukštyje h? Na, ji gali kristi, o krentant jos turima gravitacinė potencinė energija mažėja, o kinetinė arba judesio energija didėja.

Kad jėga dirbtų, ji turi atlikti poslinkį, kuris turi būti lygiagretus jėgai. Jei to neatsitiks, jėga vis tiek veikia objektą, tačiau jo nedaro.

Susijusios temos

Niutono pirmasis įstatymas.

Antrasis Niutono dėsnis.

Trečiasis Niutono įstatymas.

Medžiagos apsaugos įstatymas.

Nuorodos

1. Bauer, W. 2011. Fizika inžinerijai ir mokslams. 1 tomas. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika mokslams ir inžinerijai. 2 tomas. Dinamika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6 .. Ed Prentice salė.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualus fizikos mokslas. 5-asis. Ed Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: žvilgsnis į pasaulį. 6-as sutrumpintas leidimas. „Cengage“ mokymasis.
6. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.
7. Vikipedija. Dinamiškas. Atkurta iš: es.wikipedia.org.