DYNAMIKA: HISTORIA, CO STUDIUJE, PRAWA I TEORIE - FIZYCZNY - 2025

Dynamiczny jest obszar mechaniki, która bada interakcje między organami i ich skutków. Zajmuje się opisaniem ich jakościowo i ilościowo, a także przewidywaniem, jak będą one ewoluować w czasie.

Stosując jej zasady, wiadomo, jak zmienia się ruch ciała podczas interakcji z innymi, a także czy te interakcje je deformują, ponieważ jest całkowicie możliwe, że oba efekty występują w tym samym czasie.

Rysunek 1. Interakcje na rowerzystach modyfikują ich ruch. Źródło: Pixabay.

Wierzenia wielkiego greckiego filozofa Arystotelesa (384-322 pne) przez wieki dominowały jako podstawa dynamiki na Zachodzie. Myślał, że przedmioty poruszają się z powodu jakiejś energii, która popychała je w tym czy innym kierunku.

Zauważył również, że gdy obiekt jest pchany, porusza się ze stałą prędkością, ale po zatrzymaniu pchania porusza się coraz wolniej, aż się zatrzyma.

Według Arystotelesa działanie stałej siły było konieczne, aby coś poruszało się ze stałą prędkością, ale dzieje się tak, że ten filozof nie miał skutków tarcia.

Innym jego pomysłem było to, że cięższe przedmioty spadały szybciej niż lżejsze. To wielki Galileo Galilei (1564-1642) wykazał w eksperymentach, że wszystkie ciała spadają z tym samym przyspieszeniem niezależnie od ich masy, zaniedbując efekty lepkości.

Ale to Izaak Newton (1642-1727), najwybitniejszy naukowiec, jaki kiedykolwiek żył, uważany za ojca nowoczesnej dynamiki i obliczeń matematycznych, razem z Gottfriedem Leibnizem.

Rysunek 2. Izaak Newton w 1682 r. Autorstwa Godfreya Knellera. Źródło: Wikimedia Commons.

Jego słynne prawa, sformułowane w XVII wieku, pozostają aktualne i aktualne. Są podstawą mechaniki klasycznej, którą widzimy i na co dzień na nas wpływają. Te przepisy zostaną wkrótce omówione.

Co studiuje dynamika?

Dynamika bada interakcje między obiektami. Kiedy obiekty oddziałują na siebie, zachodzą zmiany w ich ruchu i deformacjach. Szczególny obszar zwany statycznym jest przeznaczony dla systemów w równowadze, spoczynkowych lub z jednostajnym ruchem prostoliniowym.

Stosując zasady dynamiki można przewidzieć za pomocą równań, jakie będą zmiany i ewolucja obiektów w czasie. Aby to zrobić, ustala się pewne założenia w zależności od rodzaju badanego systemu.

Cząstki, ciała stałe sztywne i media ciągłe

Model cząstek jest najłatwiejszy do rozpoczęcia stosowania zasad dynamiki. Zakłada się w nim, że badany obiekt ma masę, ale nie ma wymiarów. Dlatego cząstka może być tak mała jak elektron lub tak duża jak Ziemia lub Słońce.

Chcąc obserwować wpływ wielkości na dynamikę, należy wziąć pod uwagę wielkość i kształt obiektów. Model, który to bierze pod uwagę, to sztywna bryła, ciało o mierzalnych wymiarach złożone z bardzo wielu cząstek, ale które nie odkształca się pod wpływem sił.

Wreszcie, mechanika mediów ciągłych uwzględnia nie tylko wymiary obiektu, ale także jego szczególne cechy, w tym zdolność do odkształcania się. Media ciągłe obejmują sztywne i niesztywne ciała stałe, a także płyny.

Prawa Newtona

Kluczem do zrozumienia, jak działa dynamika, jest dokładne zrozumienie praw Newtona, które ilościowo łączą siły działające na ciało ze zmianami jego stanu ruchu lub spoczynku.

Pierwsza zasada Newtona

Wyjaśnienie pierwszego prawa Newtona. Źródło: wykonane samodzielnie.

Tak mówi:

Pierwsza część wypowiedzi wydaje się dość oczywista, ponieważ jest oczywiste, że przedmiot w stanie spoczynku pozostanie w tym stanie, chyba że zostanie naruszony. A do tego potrzebna jest siła.

Z drugiej strony fakt, że obiekt porusza się dalej, nawet gdy działająca na niego siła wypadkowa wynosi zero, jest nieco trudniejszy do zaakceptowania, ponieważ wydaje się, że obiekt mógłby pozostawać w ruchu w nieskończoność. A codzienne doświadczenie mówi nam, że prędzej czy później sprawy zwalniają.

Odpowiedzią na tę pozorną sprzeczność jest tarcie. Rzeczywiście, gdyby obiekt poruszał się po idealnie gładkiej powierzchni, mógłby to robić w nieskończoność, zakładając, że żadna inna siła nie powoduje zmiany ruchu.

Ponieważ nie można całkowicie wyeliminować tarcia, sytuacja, w której ciało porusza się w nieskończoność ze stałą prędkością, jest idealizacją.

Na koniec należy zauważyć, że chociaż siła wypadkowa wynosi zero, niekoniecznie oznacza to całkowity brak sił na obiekcie.

Obiekty na powierzchni Ziemi zawsze doświadczają przyciągania grawitacyjnego. Książka spoczywająca na stole pozostaje w ten sposób, ponieważ powierzchnia stołu wywiera siłę, która przeciwdziała ciężarowi.

Drugie prawo Newtona

Wyjaśnienie drugiego prawa Newtona. Źródło: wykonane samodzielnie.

Pierwsze prawo Newtona określa, co dzieje się z obiektem, na którym siła wypadkowa lub wypadkowa wynosi zero. Teraz podstawowe prawo dynamiki lub drugie prawo Newtona wskazuje, co się stanie, gdy siła wypadkowa nie zniesie się:

W efekcie im większa przyłożona siła, tym większa zmiana prędkości obiektu. A jeśli ta sama siła zostanie przyłożona do obiektów o różnej masie, największych zmian doświadczą obiekty lżejsze i łatwiejsze do poruszania. Codzienne doświadczenia zgadzają się z tymi stwierdzeniami.

Trzecie prawo Newtona

Rakieta kosmiczna otrzymuje niezbędny napęd dzięki wyrzucanym gazom. Źródło: Pixabay.

Pierwsze dwa prawa Newtona odnoszą się do pojedynczego obiektu. Ale trzecie prawo odnosi się do dwóch obiektów. Nazwijmy je obiekt 1 i obiekt 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

W rzeczywistości, ilekroć na ciało działa jakaś siła, dzieje się tak dlatego, że inna osoba jest odpowiedzialna za jej wywołanie. Tak więc obiekty na Ziemi mają wagę, ponieważ przyciągają je do swojego środka. Ładunek elektryczny jest odpychany przez inny ładunek o tym samym znaku, ponieważ działa odpychająco na pierwszy i tak dalej.

Rysunek 3. Podsumowanie praw Newtona. Źródło: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Zasady ochrony

W dynamice istnieje kilka wielkości, które są zachowywane podczas ruchu i których badanie jest niezbędne. Przypominają solidną kolumnę, do której można się przyczepić, aby rozwiązać problemy, w których siły zmieniają się w bardzo złożony sposób.

Przykład: gdy zderzają się dwa pojazdy, interakcja między nimi jest bardzo intensywna, ale krótkotrwała. Tak intensywne, że nie trzeba brać pod uwagę innych sił, dlatego pojazdy można uznać za izolowany system.

Ale opisanie tej intensywnej interakcji nie jest łatwym zadaniem, ponieważ wiąże się z siłami zmieniającymi się w czasie, a także w przestrzeni. Jednak zakładając, że pojazdy stanowią układ izolowany, siły między nimi są wewnętrzne, a pęd zostaje zachowany.

Zachowując pęd, można przewidzieć, jak pojazdy będą się poruszać tuż po zderzeniu.

Oto dwie z najważniejszych zasad ochrony w Dynamics:

Oszczędzanie energii

W naturze istnieją dwa rodzaje sił: konserwatywne i niekonserwatywne. Waga jest dobrym przykładem tego pierwszego, podczas gdy tarcie jest dobrym przykładem drugiego.

Otóż ​​siły zachowawcze charakteryzują się tym, że dają możliwość magazynowania energii w konfiguracji systemu. Jest to tak zwana energia potencjalna.

Kiedy ciało ma energię potencjalną dzięki działaniu konserwatywnej siły, takiej jak ciężar, i wprawia się w ruch, ta energia potencjalna jest przekształcana w energię kinetyczną. Suma obu energii nazywana jest energią mechaniczną systemu i jest tą, która jest zachowana, to znaczy pozostaje stała.

Niech U będzie energią potencjalną, K energią kinetyczną, a E _m energią mechaniczną. Jeśli na przedmiot działają tylko siły konserwatywne, prawdą jest, że:

A zatem:

Zachowanie pędu

Zasada ta ma zastosowanie nie tylko w przypadku zderzenia dwóch pojazdów. Jest to prawo fizyki o zasięgu wykraczającym poza makroskopowy świat.

Pęd jest zachowany na poziomie układów słonecznych, gwiazdowych i galaktyk. Robi to również w skali atomu i jądra atomowego, mimo że mechanika Newtona przestaje tam obowiązywać.

Niech P będzie wektorem pędu określonym wzorem:

P = m. v

Wyprowadzenie P w odniesieniu do czasu:

Jeśli masa pozostaje stała:

Dlatego możemy napisać drugie prawo Newtona w ten sposób:

F _netto = d P / dt

Jeżeli dwa korpusy m ₁ i m ₂ składają się na wydzielonych siły między nimi wewnętrznej, a według trzeciej prawa Newtona, są równe i przeciwnie F ₁ = - f ₂ , spełniając że:

Jeśli pochodna względem czasu wielkości wynosi zero, oznacza to, że wielkość pozostaje stała. Dlatego w systemie izolowanym można stwierdzić, że pęd układu jest zachowany:

P ₁ + P ₂ = stała

Mimo to P ₁ i P ₂ mogą się różnić indywidualnie. Pęd systemu można redystrybuować, ale liczy się to, że jego suma pozostaje niezmieniona.

Wyróżnione koncepcje w dynamice

W dynamice jest wiele ważnych pojęć, ale wyróżniają się dwa: masa i siła. Na temat siły już wcześniej skomentowanej i poniżej znajduje się lista z najważniejszymi koncepcjami, które pojawiają się obok niej w badaniu dynamiki:

Bezwładność

Właściwością jest to, że obiekty muszą opierać się zmianom stanu spoczynku lub ruchu. Wszystkie przedmioty o masie mają bezwładność i jest ona bardzo często odczuwana, np. Podczas podróży przyspieszającym samochodem pasażerowie mają tendencję do pozostawania w spoczynku, co jest odczuwane jako uczucie przyklejenia się do oparcia siedzenia.

A jeśli samochód nagle się zatrzyma, pasażerowie mają tendencję do przewracania się zgodnie z wcześniejszym ruchem do przodu, dlatego ważne jest, aby zawsze zapinać pasy bezpieczeństwa.

Rysunek 4. Podczas podróży samochodem bezwładność powoduje, że zderzamy się, gdy samochód gwałtownie hamuje. Źródło: Pixabay.

Masa

Miarą bezwładności jest masa, ponieważ im większa masa ciała, tym trudniej jest nim poruszyć lub spowodować zmianę jego ruchu. Masa jest wielkością skalarną, co oznacza, że ​​do określenia masy ciała konieczne jest podanie wartości liczbowej plus wybrana jednostka, którą mogą być kilogramy, funty, gramy i więcej.

Waga

Ciężar to siła, z jaką Ziemia przyciąga obiekty blisko swojej powierzchni w kierunku jej środka.

Ponieważ jest to siła, ciężar ma charakter wektorowy, dlatego jest on całkowicie określony, gdy wskaże się jego wielkość lub wartość liczbową, kierunek i zwrot, o którym już wiemy, że jest pionowo w dół.

Tak więc, chociaż są ze sobą powiązane, waga i masa nie są równe, nie są nawet równoważne, ponieważ pierwsza jest wektorem, a druga skalarem.

Systemy odniesienia

Opis ruchu może się różnić w zależności od wybranego odniesienia. Ci, którzy wjeżdżają windą, są w spoczynku zgodnie z przymocowanym do niej układem odniesienia, ale widziani przez obserwatora na ziemi, pasażerowie się poruszają.

Jeśli ciało doświadcza ruchu w jednym układzie odniesienia, ale spoczywa w innym, prawa Newtona nie mogą mieć zastosowania do obu. W rzeczywistości prawa Newtona mają zastosowanie do pewnych układów odniesienia: tych, które są inercyjne.

W inercjalnych układach odniesienia ciała nie przyspieszają, chyba że zostaną w jakiś sposób zaburzone - przez przyłożenie siły.

Fikcyjne siły

Fikcyjne siły lub pseudo-siły pojawiają się, gdy analizowany jest ruch ciała w przyspieszonym układzie odniesienia. Wyróżnia się fikcyjną siłę, ponieważ nie można zidentyfikować agenta odpowiedzialnego za jej pojawienie się.

Siła odśrodkowa jest dobrym przykładem siły fikcyjnej. Jednak fakt, że tak jest, nie czyni go mniej realnym dla tych, którzy tego doświadczają, kiedy skręcają w swoich samochodach i czują, że niewidzialna ręka wypycha ich z zakrętu.

Przyśpieszenie

O tym ważnym wektorze wspomniano już wcześniej. Obiekt doświadcza przyspieszenia, o ile istnieje siła, która zmienia jego prędkość.

Praca i energia

Kiedy siła oddziałuje na obiekt i zmienia on swoje położenie, siła wykonała pracę. Ta praca może być przechowywana w postaci energii. Dlatego na obiekcie prowadzona jest praca, dzięki czemu pozyskuje on energię.

Poniższy przykład wyjaśnia sprawę: załóżmy, że ktoś podnosi doniczkę na pewną wysokość nad poziomem gruntu.

W tym celu musi przyłożyć siłę i przezwyciężyć grawitację, dlatego działa na garnku i ta praca jest przechowywana w postaci grawitacyjnej energii potencjalnej w donicy, proporcjonalnej do jego masy i wysokości, jaką osiągnął nad podłogą. :

Gdzie m to masa, g to grawitacja, a h to wysokość. Co może zrobić garnek na wysokości h? Cóż, może spaść, a gdy spada, potencjalna energia grawitacyjna, którą ma, maleje, podczas gdy energia kinetyczna lub ruchowa wzrasta.

Aby siła działała, musi powodować przemieszczenie, które musi być równoległe do siły. Jeśli tak się nie stanie, siła nadal działa na obiekt, ale nie działa na niego.

powiązane tematy

Pierwsze prawo Newtona.

Drugie prawo Newtona.

Trzecie prawo Newtona.

Prawo zachowania materii.

Bibliografia

1. Bauer, W. 2011. Fizyka dla inżynierii i nauki. Tom 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Seria: Physics for Sciences and Engineering. Tom 2. Dynamika. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th .. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualne nauki fizyczne. 5. Ed Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba.
7. Wikipedia. Dynamiczny. Odzyskane z: es.wikipedia.org.