حركة الأجسام المختلفة في الفضاء في الفيزياء يدرسها قسم خاص - الميكانيكا. هذا الأخير ، بدوره ، ينقسم إلى علم الحركة وديناميكيات. في هذه المقالة ، سننظر في قوانين الميكانيكا في الفيزياء ، مع التركيز على ديناميكيات الحركة الترجمية والدورانية للأجسام.
الخلفية التاريخية
كيف ولماذا تتحرك الأجسام كان محل اهتمام الفلاسفة والعلماء منذ العصور القديمة. لذلك اعتقد أرسطو أن الأشياء تتحرك في الفضاء فقط لأن هناك بعض التأثير الخارجي عليها. إذا توقف هذا التأثير ، فسيتوقف الجسم على الفور. اعتقد العديد من الفلاسفة اليونانيين القدماء أن الحالة الطبيعية لجميع الأجسام هي الراحة.
مع ظهور العصر الجديد ، بدأ العديد من العلماء بدراسة قوانين الحركة في الميكانيكا. وتجدر الإشارة إلى أسماء مثل Huygens و Hooke و Galileo. طور الأخير نهجًا علميًا لدراسة الظواهر الطبيعية ، وفي الواقع ، اكتشف القانون الأول للميكانيكا ، والذي ، مع ذلك ، لا يحمل اسمه الأخير.
في عام 1687 ، تم نشر منشور علمي ، من تأليفالإنجليزي إسحاق نيوتن. في عمله العلمي ، صاغ بوضوح القوانين الأساسية لحركة الأجسام في الفضاء ، والتي ، جنبًا إلى جنب مع قانون الجاذبية العالمية ، شكلت الأساس ليس فقط للميكانيكا ، ولكن لجميع الفيزياء الكلاسيكية الحديثة.
حول قوانين نيوتن
يطلق عليهم أيضًا قوانين الميكانيكا الكلاسيكية ، على عكس النسبية ، التي تم وضع افتراضاتها في أوائل القرن العشرين من قبل ألبرت أينشتاين. في الأول ، لا يوجد سوى ثلاثة قوانين رئيسية يقوم على أساسها فرع الفيزياء بأكمله. يطلق عليهم مثل هذا:
- قانون القصور الذاتي
- قانون العلاقة بين القوة والتسارع
- قانون الفعل ورد الفعل
لماذا هذه القوانين الثلاثة هي القوانين الرئيسية؟ الأمر بسيط ، أي صيغة للميكانيكا يمكن اشتقاقها منها ، ومع ذلك ، لا يوجد مبدأ نظري يؤدي إلى أي منها. هذه القوانين تتبع حصريًا من العديد من الملاحظات والتجارب. يتم تأكيد صحتها من خلال موثوقية التنبؤات التي تم الحصول عليها بمساعدتهم في حل المشكلات المختلفة في الممارسة.
قانون القصور الذاتي
يقول قانون نيوتن الأول في الميكانيكا أن أي جسم في حالة عدم وجود تأثير خارجي عليه سيحافظ على حالة من الراحة أو الحركة المستقيمة في أي إطار مرجعي بالقصور الذاتي.
لفهم هذا القانون ، يجب فهم نظام الإبلاغ. يطلق عليه بالقصور الذاتي فقط إذا كان يفي بالقانون المذكور. بمعنى آخر ، في نظام القصور الذاتي لا يوجدهناك قوى وهمية يمكن أن يشعر بها المراقبون. على سبيل المثال ، يمكن اعتبار النظام الذي يتحرك بشكل موحد وفي خط مستقيم قصور ذاتي. من ناحية أخرى ، فإن النظام الذي يدور بشكل موحد حول محور ليس بالقصور الذاتي بسبب وجود قوة طرد مركزي خيالية فيه.
يحدد قانون الجمود سبب تغير طبيعة الحركة. هذا السبب هو وجود قوة خارجية. لاحظ أن عدة قوى يمكن أن تؤثر على الجسم. في هذه الحالة ، يجب إضافتهم وفقًا لقاعدة المتجهات ، إذا كانت القوة الناتجة تساوي صفرًا ، فسيواصل الجسم حركته المنتظمة. من المهم أيضًا أن نفهم أنه في الميكانيكا الكلاسيكية لا يوجد فرق بين الحركة المنتظمة للجسم وحالة الراحة.
قانون نيوتن الثاني
يقول إن سبب تغيير طبيعة حركة الجسم في الفضاء هو وجود قوة خارجية غير صفرية مطبقة عليه. في الواقع ، هذا القانون هو استمرار للقانون السابق. تدوينها الرياضي كما يلي:
F¯=مأ¯.
هنا ، الكمية أ¯ هي العجلة التي تصف معدل تغير متجه السرعة ، م هي كتلة الجسم بالقصور الذاتي. نظرًا لأن م دائمًا أكبر من الصفر ، فإن متجهات القوة والتسارع تشير في نفس الاتجاه.
القانون المدروس ينطبق على عدد كبير من الظواهر في الميكانيكا ، على سبيل المثال ، لوصف عملية السقوط الحر ، والحركة مع تسارع السيارة ، وانزلاق قضيب على طول مستوى مائل ، والتذبذب البندولتوتر جداول الربيع وهلم جرا. من الآمن القول أنه القانون الأساسي للديناميات.
الزخم و الزخم
إذا انتقلت مباشرة إلى عمل نيوتن العلمي ، يمكنك أن ترى أن العالم نفسه صاغ القانون الثاني للميكانيكا بشكل مختلف نوعًا ما:
Fdt=dp ، حيث p=mv.
تسمى القيمة p بالزخم. يسميها كثيرون خطأً دافع الجسم. مقدار الحركة هو خاصية طاقة قصور ذاتية تساوي حاصل ضرب كتلة الجسم وسرعته.
تغيير الزخم ببعض القيمة لا يمكن القيام به إلا بواسطة قوة خارجية F تعمل على الجسم خلال الفترة الزمنية dt. يُطلق على ناتج القوة ومدة عملها نبضة القوة أو ببساطة النبضة.
عندما يصطدم جسمان ، تعمل قوة تصادم بينهما ، مما يغير زخم كل جسم ، ومع ذلك ، نظرًا لأن هذه القوة داخلية بالنسبة لنظام جسمين قيد الدراسة ، فإنها لا تؤدي إلى تغيير في الزخم الكلي للنظام. هذه الحقيقة تسمى قانون حفظ الزخم.
تدور مع التسارع
إذا تم تطبيق قانون الميكانيكا الذي صاغه نيوتن على حركة الدوران ، فسيتم الحصول على التعبير التالي:
M=أناα.
هنا M - الزخم الزاوي - هذه قيمة تُظهر قدرة القوة على إحداث تحول في النظام. تُحسب لحظة القوة على أنها ناتج القوة المتجهة ومتجه نصف القطر الموجه من المحور إلىنقطة التطبيق. الكمية أنا هي لحظة القصور الذاتي. مثل لحظة القوة ، تعتمد على معلمات نظام الدوران ، على وجه الخصوص ، على التوزيع الهندسي لكتلة الجسم بالنسبة للمحور. أخيرًا ، القيمة α هي التسارع الزاوي ، والذي يسمح لك بتحديد عدد الراديان في الثانية التي تتغير فيها السرعة الزاوية.
إذا نظرت بعناية إلى المعادلة المكتوبة ورسمت تشابهًا بين قيمها ومؤشراتها من القانون النيوتوني الثاني ، فسنحصل على هويتها الكاملة.
قانون الفعل ورد الفعل
يبقى لنا أن ننظر في القانون الثالث للميكانيكا. إذا صاغ أسلاف نيوتن الأولين ، بطريقة أو بأخرى ، وكان العالم نفسه قد أعطاهم شكلاً رياضيًا متناغمًا ، فإن القانون الثالث هو من بنات أفكار الرجل الإنجليزي العظيم. لذلك ، تقول: إذا حدث تلامس قوي بين جسمين ، فإن القوى المؤثرة بينهما متساوية في المقدار ومعاكسة في الاتجاه. باختصار ، يمكننا القول أن أي فعل يسبب رد فعل.
F12¯=-F21¯.
هنا F12¯ و F21¯ - التمثيل من جانب الجسم الأول إلى الثاني ومن جانب الثاني إلى القوة الأولى على التوالي
هناك العديد من الأمثلة التي تؤكد هذا القانون. على سبيل المثال ، أثناء القفز ، يتم طرد الشخص من سطح الأرض ، وهذا الأخير يدفعه للأعلى. الشيء نفسه ينطبق على المشي على جهاز المشي ودفع جدار حمام السباحة. مثال آخر ، إذا ضغطت على يدك على الطاولة ، فعندئذٍ تشعر بالعكس.تأثير الطاولة على اليد والتي تسمى قوة رد فعل الدعم
عند حل المشكلات عند تطبيق قانون نيوتن الثالث ، لا ينبغي لأحد أن ينسى أن قوة الفعل وقوة رد الفعل يتم تطبيقهما على أجسام مختلفة ، وبالتالي فإنهما يعطيانهما تسارعات مختلفة.
