A mechanika alapvető törvényei-leírás, jellemzők és képletek

A különböző testek mozgását az űrben a fizikában egy speciális szakasz - mechanika-tanulmányozza. Ez utóbbi viszont fel van osztva kinematika és dinamika. Ebben a cikkben megvizsgáljuk a fizika mechanikájának törvényeit, különös tekintettel a testek transzlációs és rotációs mozgásának dinamikájára.

Történelmi háttér

Hogyan és miért mozognak a testek, az ősi idők óta érdekli a filozófusokat és a tudósokat. Tehát Arisztotelész úgy vélte, hogy a tárgyak csak azért mozognak az űrben, mert valamilyen külső befolyás van rájuk. Ha ez a hatás leáll, a test azonnal leáll. Sok ókori görög filozófus úgy gondolta, hogy minden test természetes állapota pihenés.

A Modern idők megjelenésével sok tudós tanulmányozta a mozgás törvényeit a mechanikában. Meg kell jegyezni olyan vezetékneveket, mint Huygens, Hooke és Galileo. Ez utóbbi tudományos megközelítést dolgozott ki a természeti jelenségek tanulmányozására, sőt felfedezte a mechanika első törvényét, amely azonban nem viseli a vezetéknevét.

1687-ben megjelent egy tudományos kiadvány, amelynek szerzője Isaac Newton Angol volt. Tudományos munkájában egyértelműen megfogalmazta a testek térbeli mozgásának alapvető törvényeit, amelyek együtt az egyetemes gravitáció törvénye, nemcsak a mechanika, hanem az összes modern klasszikus fizika alapját képezte.

Newton törvényei

Ezeket a klasszikus mechanika törvényeinek is nevezik, ellentétben a relativisztikával, amelynek posztulátumait Albert Einstein a XX. század elején határozta meg. Az elsőben csak három fő törvény létezik, amelyek alapján a fizika teljes szakasza alapul. Így hívják őket:

1. A tehetetlenség törvénye.
2. Az erő és a gyorsulás közötti kapcsolat törvénye.
3. A cselekvés és az ellenhatás törvénye.

Miért ez a három törvény a fő? Minden egyszerű, a mechanika bármely képlete megszerezhető ezek alapján, azonban egyetlen elméleti elv sem vezet egyikükhöz sem. Ezek a törvények kizárólag számos megfigyelésből és kísérletből származnak. Érvényességüket megerősíti a segítségével kapott előrejelzések megbízhatósága, amikor a gyakorlatban különböző problémákat oldanak meg.

Tehetetlenségi törvény

Newton első törvénye a mechanikában kimondja, hogy bármely test ennek hiányában , a rá gyakorolt külső hatás fenntartja a nyugalmi állapotot vagy az egyenes vonalú mozgást bármely inerciális rendszerben.

A törvény megértéséhez meg kell értenie a jelentési rendszert. Csak akkor nevezik inerciálisnak, ha megfelel a megadott törvénynek. Más szavakkal, a tehetetlenségi rendszerben nincsenek fiktív erők, amelyeket a megfigyelők éreznének. Például egy egyenletesen és egyenes vonalban mozgó rendszer inerciálisnak tekinthető. Másrészt egy tengely körül egyenletesen forgó rendszer nem inerciális, mivel fiktív centrifugális erő van benne.

A tehetetlenség törvénye beállítja az okot, amely szerint a mozgás jellege megváltozik. Ez az oka egy külső erő jelenléte. Ne feledje, hogy több erő hathat a testre. Ebben az esetben a vektorok szabálya szerint kell egymásra rakni, ha a kapott erő nulla, akkor a test folytatja egyenletes mozgását. Fontos megérteni azt is, hogy a klasszikus mechanikában nincs különbség a test egyenletes mozgása és nyugalmi állapota között.

A második newtoni törvény

Azt mondja, hogy a test térbeli mozgásának természetében bekövetkező változás oka egy külső, nem nulla erő jelenléte. Valójában ez a törvény az előző folytatása. Matematikai jelölése így néz ki:

F = m * a.

Itt az a érték a sebességvektor változásának sebességét leíró gyorsulás, m a test tehetetlenségi tömege. Mivel m mindig nagyobb, mint nulla, az erő-és gyorsulási Vektorok ugyanabba az irányba irányulnak.

A szóban forgó törvény a mechanika számos jelenségére alkalmazható, például a szabad esés folyamatának leírására, az autó gyorsulására, a rúd csúszására egy ferde síkon, az inga oszcillációjára, a rugós súlyok nyújtására stb. Nyugodtan mondhatjuk, hogy ez a dinamika fő törvénye.

A mozgás és a lendület mennyisége

Ha közvetlenül Newton tudományos munkájához fordulunk, láthatjuk, hogy maga a tudós kissé másképp fogalmazta meg a mechanika második törvényét:

F * dt = dp, ahol p = m * v.

A p értékét a mozgás mértékének nevezzük. Sokan tévesen hívják a test impulzusának. A mozgás mennyisége egy inerciális energiajellemző, amely megegyezik a test tömegének szorzatával a sebességével.

Csak egy külső erő, amely a testre hat a DT időintervallum alatt, megváltoztathatja a mozgás mennyiségét egy bizonyos mennyiséggel dp. Az erő hatását a cselekvés időtartamára erőimpulzusnak vagy egyszerűen impulzusnak nevezzük.

Amikor két test ütközik, ütközési erő hat közöttük, ami megváltoztatja az egyes testek mozgásának mértékét, mivel azonban ez az erő két test vizsgált rendszerén belül van, ez nem vezet a rendszer teljes mozgásának változásához. Ezt a tényt a lendület megőrzésének törvényének nevezik.

Forgás gyorsulással

Ha a Newton által megfogalmazott mechanika törvényét alkalmazzák a forgás mozgására, akkor a következő kifejezést kapjuk:

M = I*ons.

Itt M A lendület pillanata - ez az az érték, amely megmutatja az erő lehetőségét, hogy megforduljon a rendszerben. Az erő pillanatát a vektor erő szorzataként számítják ki a tengelytől az alkalmazási pontig irányított sugárvektor által. Az I érték a tehetetlenségi nyomaték. Az erő pillanatához hasonlóan ez a forgó rendszer paramétereitől is függ, különösen a testtömeg tengelyhez viszonyított geometriai eloszlásától. Végül, az érték a ++ A szöggyorsulás, amely lehetővé teszi annak meghatározását, hogy hány radián másodpercenként változik a szögsebesség.

Ha alaposan megvizsgáljuk az írott egyenletet, és analógiát rajzolunk az értékei és a második newtoni törvény mutatói között, akkor teljes identitást kapunk.

A cselekvés és az ellenhatás törvénye

Továbbra is figyelembe kell vennünk a mechanika harmadik törvényét. Ha az első kettőt, így vagy úgy, Newton elődei fogalmazták meg, és maga a tudós csak harmonikus matematikai formát adott nekik, akkor a harmadik törvény a nagy angol eredeti agyszüleménye. Tehát azt mondja: ha két test érintkezésbe kerül, akkor a közöttük ható erők modulusukban egyenlőek, irányukban pedig ellentétesek. Röviden elmondhatjuk, hogy minden cselekvés reakciót vált ki.

F₁₂= - F₂₁¯.

Itt F₁₂ és F₂₁ - az 1. testtől a 2., illetve a 2. - től az 1. erőig ható erők.

Számos példa megerősíti ezt a törvényt. Például egy ugrás során egy személy eltolja a Föld felszínét, az utóbbi felfelé tolja. Ugyanez vonatkozik a gyalogos gyaloglásra, valamint az úszónak a medence falától való eltolására. Egy másik példa, ha megnyomja a kezét az asztalra, akkor az asztal ellentétes hatása a kézre érezhető, amit a tartó reakcióerejének neveznek.

A harmadik newtoni törvény alkalmazásával kapcsolatos problémák megoldásakor nem szabad elfelejteni, hogy a cselekvés ereje és a reakció ereje különböző testekre vonatkozik, ezért különböző gyorsulásokat kapnak.