لا يمكن دراسة الظواهر الطبيعية على أساس التجربة إلا إذا تمت ملاحظة جميع المراحل: الملاحظة ، الفرضية ، التجربة ، النظرية. ستكشف الملاحظة الحقائق وتقارنها ، وتجعل الفرضية من الممكن إعطائها شرحًا علميًا مفصلاً يتطلب تأكيدًا تجريبيًا. أدت ملاحظة حركة الأجسام إلى نتيجة مثيرة للاهتمام: التغيير في سرعة الجسم ممكن فقط تحت تأثير جسم آخر.
على سبيل المثال ، إذا صعدت السلم بسرعة ، فعند المنعطف تحتاج فقط إلى إمساك السور (تغيير اتجاه الحركة) ، أو التوقف (تغيير قيمة السرعة) حتى لا تصطدم مع الجدار المقابل
ملاحظات لظواهر مشابهة أدت إلى إنشاء فرع فيزيائي يدرس أسباب التغيرات في سرعة الأجسام أو تشوهها.
أساسيات الديناميكيات
الديناميكيات مدعوة للإجابة على السؤال الأسرار عن سبب تحرك الجسد المادي بطريقة أو بأخرى أو في حالة راحة.
ضع في اعتبارك حالة الراحة. استنادًا إلى مفهوم نسبية الحركة ، يمكننا أن نستنتج: لا توجد أجسام بلا حراك ولا يمكن أن تكون مطلقًا. أيكائن ، كونه ساكنًا فيما يتعلق بجسم مرجعي واحد ، يتحرك بالنسبة إلى جسم آخر. على سبيل المثال ، الكتاب الذي يرقد على طاولة لا يتحرك بالنسبة للطاولة ، ولكن إذا أخذنا في الاعتبار موقعه بالنسبة لشخص عابر ، فإننا نستخلص نتيجة طبيعية: الكتاب يتحرك.
لذلك ، يتم النظر في قوانين حركة الأجسام في إطارات مرجعية بالقصور الذاتي. ما هذا؟
يسمى الإطار المرجعي بالقصور الذاتي ، حيث يكون الجسم في حالة راحة أو يؤدي حركة موحدة ومستقيمة ، بشرط عدم وجود أي تأثير لأشياء أو أشياء أخرى عليه.
في المثال أعلاه ، يمكن تسمية الإطار المرجعي المرتبط بالجدول بالقصور الذاتي. يمكن لأي شخص يتحرك بشكل موحد وفي خط مستقيم أن يكون بمثابة إطار مرجعي لـ ISO. إذا تم تسريع حركتها ، فمن المستحيل ربطها بالقصور الذاتي من أول أكسيد الكربون.
في الواقع ، يمكن ربط مثل هذا النظام بأجسام ثابتة بشكل صارم على سطح الأرض. ومع ذلك ، لا يمكن أن يعمل الكوكب نفسه كهيئة مرجعية لـ IFR ، حيث يدور بشكل موحد حول محوره. الأجسام الموجودة على السطح لها تسارع الجاذبية
ما هو الزخم؟
ظاهرة القصور الذاتي مرتبطة مباشرة بـ ISO. تذكر ماذا يحدث إذا توقفت سيارة متحركة فجأة؟ يتعرض الركاب للخطر وهم يواصلون رحلتهم. يمكن إيقافه بواسطة مقعد أمامي أو بأحزمة أمان. يتم تفسير هذه العملية من خلال القصور الذاتي للراكب. هل هذا صحيح؟
القصور الذاتي ظاهرة تفترض الحفظسرعة ثابتة للجسم في حالة عدم وجود تأثير للأجسام الأخرى عليه. الراكب تحت تأثير الأحزمة أو المقاعد. ظاهرة القصور الذاتي غير ملحوظة هنا
التفسير يكمن في خاصية الجسم ، ووفقًا لذلك ، من المستحيل تغيير سرعة الجسم على الفور. هذا هو القصور الذاتي. على سبيل المثال ، خمول الزئبق في ميزان الحرارة يجعل من الممكن خفض الشريط إذا هزنا ميزان الحرارة.
قياس القصور الذاتي يسمى كتلة الجسم. عند التفاعل ، تتغير السرعة بشكل أسرع بالنسبة للأجسام ذات الكتلة الأقل. إن اصطدام سيارة بجدار خرساني لهذا الأخير يكاد لا يترك أثرا. غالبًا ما تخضع السيارة لتغييرات لا رجعة فيها: تغييرات السرعة ، يحدث تشوه كبير. اتضح أن القصور الذاتي للجدار الخرساني يفوق بشكل كبير جمود السيارة.
هل من الممكن مواجهة ظاهرة القصور الذاتي في الطبيعة؟ الحالة التي يكون فيها الجسم غير متصل بأجسام أخرى هي الفضاء السحيق ، حيث تتحرك المركبة الفضائية مع إيقاف تشغيل المحركات. لكن حتى في هذه الحالة ، فإن لحظة الجاذبية موجودة.
الكميات الأساسية
تتضمن دراسة الديناميكيات على المستوى التجريبي تجربة قياسات الكميات الفيزيائية. الأكثر إثارة للاهتمام:
- التسارع كمقياس لسرعة التغير في سرعة الأجسام ؛ عيّنه بالحرف أ ، قس بوحدة م / ث2؛
- الكتلة كمقياس للقصور الذاتي ؛ مميزة بالحرف م ، مقاسة بالكيلو جرام ؛
- القوة كمقياس للعمل المشترك للهيئات ؛ غالبًا ما يُشار إليه بالحرف F ، ويقاس بـ N (نيوتن).
العلاقة بين هذه الكمياتمبين في ثلاثة أنماط ، اشتقها أعظم فيزيائي إنجليزي. تم تصميم قوانين نيوتن لشرح مدى تعقيد تفاعل الهيئات المختلفة. فضلا عن العمليات التي تديرها. إن مفاهيم "التسارع" و "القوة" و "الكتلة" هي التي تربط قوانين نيوتن بالعلاقات الرياضية. دعونا نحاول معرفة ما تعنيه.
عمل قوة واحدة فقط هو ظاهرة استثنائية. على سبيل المثال ، يتأثر القمر الصناعي الذي يدور حول الأرض بالجاذبية فقط.
الناتج
يمكن استبدال عمل عدة قوى بقوة واحدة.
يسمى المجموع الهندسي للقوى المؤثرة على الجسم بالنتيجة.
نحن نتحدث عن مجموع هندسي ، لأن القوة هي كمية متجهة ، والتي لا تعتمد فقط على نقطة التطبيق ، ولكن أيضًا على اتجاه العمل.
على سبيل المثال ، إذا كنت بحاجة إلى نقل خزانة ملابس ضخمة إلى حد ما ، فيمكنك دعوة الأصدقاء. معا نحقق النتيجة المرجوة. لكن يمكنك فقط دعوة شخص واحد قوي جدًا. جهده يساوي عمل جميع الأصدقاء. يمكن تسمية القوة التي يمارسها البطل بالنتيجة.
قوانين نيوتن للحركة تمت صياغتها على أساس مفهوم "المحصلة".
قانون القصور الذاتي
ابدأ في دراسة قوانين نيوتن مع الظاهرة الأكثر شيوعًا. عادة ما يسمى القانون الأول قانون القصور الذاتي ، لأنه يحدد أسباب الحركة المستقيمة المنتظمة أو حالة بقية الأجسام.
يتحرك الجسم بشكل موحد ومستقيم أويقع في حالة عدم وجود قوة مؤثرة عليه ، أو يتم تعويض هذا الإجراء.
يمكن القول أن الناتج في هذه الحالة يساوي صفرًا. في هذه الحالة ، على سبيل المثال ، تتحرك السيارة بسرعة ثابتة في جزء مستقيم من الطريق. يتم تعويض تأثير قوة الجذب بواسطة قوة رد الفعل للدعم ، وتكون قوة الدفع للمحرك مساوية في القيمة المطلقة لقوة مقاومة الحركة.
تقع الثريا على السقف حيث يتم تعويض قوة الجاذبية بتوتر تركيباتها
فقط تلك القوى التي يتم تطبيقها على جسم واحد يمكن تعويضها.
قانون نيوتن الثاني
دعنا ننتقل. يعتبر قانون نيوتن الثاني الأسباب التي تسبب تغييرًا في سرعة الأجسام. ما الذي يتحدث عنه؟
يتم تعريف ناتج القوى المؤثرة على الجسم على أنه ناتج كتلة الجسم والتسارع المكتسب تحت تأثير القوى.
2 قانون نيوتن (الصيغة: F=ma) ، للأسف ، لا يؤسس علاقات سببية بين المفاهيم الأساسية للديناميكيات والديناميكيات. لا يستطيع أن يحدد بالضبط سبب تسارع الأجسام
دعونا نصيغها بشكل مختلف: التسارع الذي يستقبله الجسم يتناسب طرديا مع القوى الناتجة ويتناسب عكسيا مع كتلة الجسم.
وهكذا يمكن إثبات أن التغيير في السرعة يحدث فقط اعتمادًا على القوة المؤثرة عليها وكتلة الجسم.
2 قانون نيوتن ، الذي قد تكون صيغته على النحو التالي: أ=F / م ، يعتبر أساسيًا في شكل متجه ، لأنه يجعل ذلك ممكنًاإقامة صلات بين فروع الفيزياء. هنا ، a هو متجه تسارع الجسم ، F هو ناتج القوى ، m كتلة الجسم.
الحركة المتسارعة للسيارة ممكنة إذا تجاوزت قوة الجر للمحركات قوة مقاومة الحركة. كلما زاد الدفع ، زاد التسارع. تم تجهيز الشاحنات بمحركات عالية الطاقة ، لأن كتلتها أكبر بكثير من كتلة سيارة ركاب.
يتم تفتيح الكرات النارية المصممة للسباقات عالية السرعة بحيث يتم ربط الحد الأدنى من الأجزاء الضرورية بها ، وزيادة قوة المحرك إلى أقصى الحدود الممكنة. من أهم خصائص السيارات الرياضية تسارعها الزمن إلى 100 كم / ساعة. كلما كان الفاصل الزمني أقصر ، كانت خصائص سرعة السيارة أفضل.
قانون التفاعل
تنص قوانين نيوتن ، القائمة على قوى الطبيعة ، على أن أي تفاعل يكون مصحوبًا بظهور زوج من القوى. إذا كانت الكرة معلقة على خيط ، فإنها تتعرض لعملها. في هذه الحالة ، يتم أيضًا شد الخيط تحت تأثير الكرة.
تكمل صياغة الانتظام الثالث قوانين نيوتن. باختصار ، يبدو الأمر هكذا: الفعل يساوي رد الفعل. ماذا يعني هذا؟
القوى التي تعمل بها الأجسام على بعضها البعض متساوية في الحجم ، ومعاكسة في الاتجاه وموجهة على طول الخط الذي يربط بين مراكز الأجسام. ومن المثير للاهتمام أنه لا يمكن أن يطلق عليهم تعويض ، لأنهم يتصرفون على أجسام مختلفة.
تطبيق القوانين
قد تكون مشكلة "الحصان والعربة" الشهيرة محيرة. الحصان الذي تم تسخيره للعربة المذكورة يحركهامن مكان. وفقًا لقانون نيوتن الثالث ، يعمل هذان الجسمان على بعضهما البعض بقوة متساوية ، ولكن في الممارسة العملية يمكن للحصان أن يحرك عربة ، والتي لا تتناسب مع أسس النموذج.
تم العثور على الحل إذا أخذنا في الاعتبار أن نظام الهيئات هذا ليس مغلقًا. الطريق له تأثيره على كلا الجسمين. قوة الاحتكاك الساكن المؤثرة على حوافر الحصان تتجاوز قوة الاحتكاك المتدحرج لعجلات العربة. بعد كل شيء ، تبدأ لحظة الحركة بمحاولة تحريك العربة. إذا تغير الوضع ، فلن يحركه الحصان تحت أي ظرف من الظروف. ستنزلق حوافره على الطريق ولن تكون هناك حركة
في الطفولة ، كان يمكن للجميع أن يصادفوا مثل هذا المثال. إذا جلس طفلان أو ثلاثة أطفال على الزلاجة ، فمن الواضح أن جهود طفل واحد لا تكفي لتحريكهم.
سقوط الجثث على سطح الأرض ، الذي شرحه أرسطو ("كل جسد يعرف مكانه") يمكن دحضه على أساس ما سبق. يتحرك الجسم نحو الأرض تحت تأثير نفس القوة التي تتحرك بها الأرض تجاهه. بمقارنة معاملاتهم (كتلة الأرض أكبر بكثير من كتلة الجسم) ، وفقًا لقانون نيوتن الثاني ، نؤكد أن تسارع الجسم أكبر بعدة مرات من تسارع الأرض. نحن نلاحظ تغير في سرعة الجسم فالأرض لا تتحرك من مدارها
حدود التطبيق
الفيزياء الحديثة لا تنكر قوانين نيوتن ، لكنها تحدد فقط حدود قابليتها للتطبيق. حتى بداية القرن العشرين ، لم يكن لدى الفيزيائيين أدنى شك في أن هذه القوانين فسرت كل الظواهر الطبيعية.
1، 2، 3 قانونيكشف نيوتن تمامًا عن أسباب سلوك الأجسام العيانية. يتم وصف حركة الأشياء ذات السرعات الضئيلة بشكل كامل من خلال هذه الافتراضات.
محاولة شرح على أساسها أن حركة الأجسام ذات السرعات القريبة من سرعة الضوء محكوم عليها بالفشل. التغيير الكامل في خصائص المكان والزمان بهذه السرعات لا يسمح باستخدام الديناميكيات النيوتونية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن القوانين تغير شكلها في FRs غير بالقصور الذاتي. لتطبيقهم ، تم تقديم مفهوم القوة بالقصور الذاتي.
يمكن لقوانين نيوتن أن تشرح حركة الأجرام الفلكية ، وقواعد موقعها وتفاعلها. تم تقديم قانون الجاذبية الكونية لهذا الغرض. من المستحيل رؤية نتيجة جاذبية الأجسام الصغيرة ، لأن القوة هزيلة.
جاذبية متبادلة
هناك أسطورة تفيد بأن السيد نيوتن ، الذي كان جالسًا في الحديقة يشاهد سقوط التفاحات ، لديه فكرة رائعة: شرح حركة الأجسام بالقرب من سطح الأرض وحركة الأجسام الفضائية على أساس الجاذبية المتبادلة. انها ليست بعيدة عن الحقيقة. الملاحظات والحسابات الدقيقة لا تتعلق فقط بسقوط التفاح ، ولكن أيضًا بحركة القمر. تؤدي قوانين هذه الحركة إلى استنتاج مفاده أن قوة الجذب تزداد مع زيادة كتل الأجسام المتفاعلة وتنخفض مع زيادة المسافة بينها.
بناءً على قوانين نيوتن الثانية والثالثة ، تمت صياغة قانون الجاذبية الكونية على النحو التالي: تنجذب جميع الأجسام في الكون إلى بعضها البعض بقوة موجهة على طول الخط الذي يربط بين مراكز الأجسام ، بما يتناسب مع الجماهير من الجثث ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة بين مراكز الأجسام
تدوين رياضي: F=GMm / r2، حيث F هي قوة الجذب ، M ، m هي كتل الأجسام المتفاعلة ، r هي المسافة بينهما. معامل التناسب (G=6.62 x 10-11Nm2/ kg2) يسمى ثابت الجاذبية
المعنى المادي: هذا الثابت يساوي قوة التجاذب بين جسمين كتلتهما 1 كجم على مسافة 1 متر. من الواضح أن القوة بالنسبة للأجسام ذات الكتل الصغيرة غير مهمة لدرجة أنها يمكن أن تكون مهمل. بالنسبة للكواكب والنجوم والمجرات ، فإن قوة الجذب ضخمة جدًا لدرجة أنها تحدد حركتها تمامًا.
إن قانون نيوتن للجاذبية هو الذي ينص على أنه لإطلاق الصواريخ ، فإنك تحتاج إلى وقود يمكنه إنشاء مثل هذا الدفع النفاث للتغلب على تأثير الأرض. السرعة المطلوبة لهذا هي السرعة الأولى للهروب وهي 8 كم / ث
تتيح تقنية الصواريخ الحديثة إطلاق محطات غير مأهولة مثل الأقمار الصناعية الاصطناعية للشمس إلى كواكب أخرى لاستكشافها. السرعة التي يطورها مثل هذا الجهاز هي السرعة الفضائية الثانية ، والتي تساوي 11 كم / ثانية.
خوارزمية لتطبيق القوانين
حل مشاكل الديناميكيات يخضع لتسلسل معين من الإجراءات:
- تحليل المهمة وتحديد البيانات ونوع الحركة
- ارسم رسمًا يوضح جميع القوى المؤثرة على الجسم واتجاه التسارع (إن وجد). حدد نظام الإحداثيات
- اكتب القانون الأول أو الثاني ، حسب التوافرتسارع الجسم ، في شكل ناقل. ضع في الاعتبار جميع القوى (القوة المحصلة ، قوانين نيوتن: الأولى ، إذا لم تتغير سرعة الجسم ، والثانية ، إذا كان هناك تسارع).
- أعد كتابة المعادلة في الإسقاطات على محاور الإحداثيات المحددة.
- إذا كان نظام المعادلات الناتج غير كافٍ ، فقم بتدوين الآخرين: تعريفات القوى ، معادلات الحركية ، إلخ.
- حل نظام المعادلات للقيمة المطلوبة.
- قم بإجراء فحص الأبعاد لتحديد ما إذا كانت الصيغة الناتجة صحيحة.
- احسب
عادة هذه الخطوات كافية لأية مهمة قياسية.
