فيزياء الجسم الصلبة هي دراسة أنواع مختلفة من الحركة. أهمها هي الحركة متعدية والدوران على طول محور ثابت. هناك أيضًا مجموعاتها: أنواع حرة ، مسطحة ، منحنية الخطوط ، متسرعة بشكل موحد وأنواع أخرى. كل حركة لها خصائصها الخاصة ، ولكن بالطبع هناك أوجه تشابه بينهما. ضع في اعتبارك نوع الحركة المسماة بالدوران وأعط أمثلة على هذه الحركة ، وارسم تشابهًا مع الحركة متعدية.
قوانين الميكانيكا في العمل
للوهلة الأولى ، يبدو أن الحركة الدورانية ، التي نلاحظ أمثلة عليها في الأنشطة اليومية ، تنتهك قوانين الميكانيكا. ما الذي يمكن الاشتباه به في هذه المخالفة وما هي القوانين؟
على سبيل المثال ، قانون القصور الذاتي. يجب أن يكون أي جسم ، عندما لا تعمل القوى غير المتوازنة عليه ، إما في حالة راحة أو يؤدي حركة مستقيمة منتظمة. ولكن إذا أعطيت الكرة الأرضية دفعة جانبية ، فستبدأ في الدوران. ومن المرجح أن يدور إلى الأبد إذا لم يكن للاحتكاك. مثل مثال رائع للحركة الدورانية ، فإن الكرة الأرضية تدور باستمرار ، دون أن يلاحظها أحد. اتضح أن قانون نيوتن الأول لا ينطبق في هذه الحالة؟ ليس كذلك.
ما يتحرك: نقطة أو جسم
تختلف الحركة الدورانية عن الحركة الأمامية ، لكن هناك الكثير من القواسم المشتركة بينهما. يجدر مقارنة ومقارنة هذه الأنواع ، والنظر في أمثلة للحركة متعدية والتناوب. بادئ ذي بدء ، يجب على المرء أن يميز بدقة بين ميكانيكا الجسم المادي وميكانيكا النقطة المادية. تذكر تعريف الحركة متعدية. هذه حركة للجسم ، حيث تتحرك كل نقطة من نقاطه بنفس الطريقة. هذا يعني أن جميع نقاط الجسم المادي في كل لحظة زمنية معينة لها نفس السرعة من حيث الحجم والاتجاه وتصف نفس المسارات. لذلك ، يمكن اعتبار الحركة الانتقالية للجسم على أنها حركة نقطة واحدة ، أو بالأحرى حركة مركز كتلته. إذا كانت الأجسام الأخرى لا تعمل على مثل هذا الجسم (النقطة المادية) ، فهو في حالة راحة ، أو يتحرك في خط مستقيم وبشكل موحد.
مقارنة الصيغ لحساب
توضح الأمثلة على الحركة الدورانية للأجسام (الكرة الأرضية ، العجلة) أن دوران الجسم يتميز بالسرعة الزاوية. يشير إلى الزاوية التي ستدور بها لكل وحدة زمنية. في الهندسة ، غالبًا ما يتم التعبير عن السرعة الزاوية في شكل دورات في الدقيقة. إذا كانت السرعة الزاوية ثابتة ، فيمكننا القول إن الجسم يدور بشكل منتظم. متىتزداد السرعة الزاوية بشكل موحد ، ثم يسمى الدوران متسارعًا بشكل منتظم. التشابه بين قوانين الحركات متعدية والتناوب مهم جدا. تختلف تسميات الأحرف فقط ، كما أن صيغ الحساب هي نفسها. يظهر هذا بوضوح في الجدول.
| حركة إلى الأمام | حركة دورانية | |
|
السرعة v مسار s الوقت t تسريع a |
السرعة الزاوية ω الإزاحة الزاوية φ الوقت t التسارع الزاوي ą |
|
| s=vt | φ=ωt | |
|
v=at S=at2/ 2 |
ω=ąt φ=ąt2/ 2 |
يتم حل جميع المهام في حركية كل من الحركة الانتقالية والدورانية بالمثل باستخدام هذه الصيغ.
دور قوة الالتصاق
دعونا ننظر في أمثلة للحركة الدورانية في الفيزياء. لنأخذ حركة نقطة مادية واحدة - كرة معدنية ثقيلة من محمل كروي. هل من الممكن جعله يتحرك في دائرة؟ إذا دفعت الكرة ، فسوف تتدحرج في خط مستقيم. يمكنك قيادة الكرة حول المحيط ودعمها طوال الوقت. لكن على المرء فقط أن يرفع يده ، وسيستمر في التحرك في خط مستقيم. من هذا يتبع الاستنتاج القائل بأن النقطة يمكن أن تتحرك في دائرة فقط تحت تأثير القوة.
هذه هي حركة نقطة مادية ، لكن في الجسم الصلب لا توجد نقطة واحدةنقطة ، ولكن مجموعة. إنهم مرتبطون ببعضهم البعض ، حيث تعمل قوى متماسكة عليهم. هذه القوى هي التي تمسك بالنقاط في مدار دائري. في حالة عدم وجود قوة متماسكة ، فإن النقاط المادية للجسم الدوار سوف تتطاير مثل الأوساخ المتطايرة من عجلة دوارة.
سرعات خطية وزاوية
تسمح لنا هذه الأمثلة للحركة الدورانية برسم موازٍ آخر بين الحركة الدورانية والحركة الانتقالية. أثناء الحركة الانتقالية ، تتحرك جميع نقاط الجسم في نقطة زمنية معينة بنفس السرعة الخطية. عندما يدور جسم ما ، تتحرك جميع نقاطه بنفس السرعة الزاوية. في حركة دورانية ، أمثلة منها هي مكابس عجلة دوارة ، ستكون السرعات الزاوية لجميع نقاط السلك الدوار هي نفسها ، لكن السرعات الخطية ستكون مختلفة.
التسارع لا يحسب
تذكر أنه في الحركة المنتظمة لنقطة على طول الدائرة ، هناك دائمًا تسارع. يسمى هذا التسارع بالجاذبية المركزية. إنه يظهر فقط تغيرًا في اتجاه السرعة ، لكنه لا يميز التغيير في معيار السرعة. لذلك ، يمكننا التحدث عن حركة دورانية منتظمة بسرعة زاوية واحدة. في الهندسة ، مع الدوران المنتظم للحدافة أو الدوار لمولد كهربائي ، تعتبر السرعة الزاوية ثابتة. فقط عدد ثابت من دورات المولد يمكن أن يوفر جهدًا ثابتًا في الشبكة. وهذا العدد من دورات دولاب الموازنة يضمن تشغيلًا سلسًا واقتصاديًا للآلة. ثم تتميز الحركة الدورانية ، التي تم ذكر أمثلة لها أعلاه ، بالسرعة الزاوية فقط ، دون مراعاة تسارع الجاذبية.
القوة ولحظتها
هناك تشابه آخر بين الحركة الانتقالية والحركة الدورانية - الديناميكي. وفقًا لقانون نيوتن الثاني ، يتم تعريف التسارع الذي يتلقاه الجسم على أنه تقسيم القوة المطبقة على كتلة الجسم. أثناء الدوران ، يعتمد التغيير في السرعة الزاوية على القوة. في الواقع ، عند شد الجوز ، يتم لعب الدور الحاسم من خلال الحركة الدورانية للقوة ، وليس حيث يتم تطبيق هذه القوة: على الجوز نفسه أو على مقبض مفتاح الربط. وبالتالي ، فإن مؤشر القوة في صيغة الحركة الانتقالية أثناء دوران الجسم يتوافق مع مؤشر لحظة القوة. بصريا ، يمكن عرض هذا في شكل جدول.
| حركة إلى الأمام | حركة دورانية |
| القوة F |
لحظة القوة M=Fl ، حيث l - قوة الكتف |
| العمل أ=Fق | الوظيفة أ=مφ |
| القوة N=Fs / t=Fv | القوة N=Mφ / t=Mω |
كتلة الجسم وشكله ولحظة القصور الذاتي
الجدول أعلاه لا يقارن وفقًا لصيغة قانون نيوتن الثاني ، لأن هذا يتطلب شرحًا إضافيًا. تتضمن هذه الصيغة مؤشرًا للكتلة يميز درجة القصور الذاتي للجسم. عندما يدور الجسم ، فإن قصوره الذاتي لا يتسم بكتلته ، ولكنه يتحدد بكمية مثل لحظة القصور الذاتي. هذا المؤشر لا يعتمد بشكل مباشر على وزن الجسم بقدر ما يعتمد على شكله. أي أنه من المهم كيفية توزيع كتلة الجسم في الفضاء. الهيئات من مختلف الأشكال سوفقيم مختلفة من لحظة القصور الذاتي.
عندما يدور جسم مادي حول دائرة ، فإن لحظة القصور الذاتي الخاصة به ستكون مساوية لمنتج كتلة الجسم الدوار ومربع نصف قطر محور الدوران. إذا تحركت النقطة ضعف المسافة من محور الدوران ، فإن لحظة القصور الذاتي واستقرار الدوران ستزداد أربع مرات. هذا هو السبب في جعل الحذافات كبيرة. لكن من المستحيل أيضًا زيادة نصف قطر العجلة كثيرًا ، لأنه في هذه الحالة يزداد تسارع الجاذبية المركزية لنقاط حافتها. قد تصبح القوة المتماسكة للجزيئات التي تشكل هذا التسارع غير كافية لإبقائها في مسار دائري ، وسوف تنهار العجلة.
المقارنة النهائية
عند رسم موازٍ بين الحركة الدورانية والحركة الانتقالية ، يجب أن يُفهم أنه أثناء الدوران ، يلعب دور كتلة الجسم لحظة القصور الذاتي. ثم القانون الديناميكي للحركة الدورانية ، المقابل لقانون نيوتن الثاني ، سيقول أن لحظة القوة تساوي حاصل ضرب لحظة القصور الذاتي والتسارع الزاوي.
الآن يمكنك مقارنة جميع الصيغ الخاصة بالمعادلة الأساسية للديناميات ، والزخم والطاقة الحركية في الحركة الانتقالية والدورانية ، وأمثلة الحساب معروفة بالفعل.
| حركة إلى الأمام | حركة دورانية |
|
المعادلة الأساسية للديناميكيات F=مأ |
المعادلة الأساسية للديناميكيات م=أناą |
|
الدافع p=مت |
الدافع p=أناω |
|
الطاقة الحركية Ek=mv2/ 2 |
الطاقة الحركية Ek=Iω2/ 2 |
تشترك الحركات التقدمية والدورانية في الكثير. من الضروري فقط فهم كيفية تصرف الكميات الفيزيائية في كل نوع من هذه الأنواع. عند حل المشكلات ، يتم استخدام صيغ متشابهة جدًا ، والمقارنة أعلاه مذكورة.
