DINAMIKA: POVIJEST, ONO ŠTO PROUČAVA, ZAKONI I TEORIJE - FIZIČKA - 2024

Dinamično je područje mehanike koja proučava interakcije između tijela i njihovih učinaka. Bavi se njihovim kvalitativnim i kvantitativnim opisima, kao i predviđanjem kako će se oni razvijati s vremenom.

Primjenom njegovih načela poznato je kako se kretanje tijela mijenja pri interakciji s drugima, a također i ako ga te interakcije deformiraju, jer je potpuno moguće da se oba efekta jave istovremeno.

Slika 1. Interakcije na biciklistu mijenjaju njihovo kretanje. Izvor: Pixabay.

Vjerovanja velikog grčkog filozofa Aristotela (384-322. Pr. Kr.) Stoljećima su prevladavala kao temelj dinamike na Zapadu. Mislio je da se predmeti kreću zbog neke vrste energije koja ih je gurala u jednom ili drugom smjeru.

Također je primijetio da se, dok se neki predmet gura, kreće konstantnom brzinom, ali kad je guranje zaustavljeno, on se kreće sve sporije dok se ne zaustavi.

Prema Aristotelu, djelovanje stalne sile bilo je potrebno da se nešto kreće konstantnom brzinom, ali ono što se događa je da taj filozof nije imao učinke trenja.

Druga njegova ideja bila je da teži predmeti padaju brže od lakših. Veliki Galileo Galilei (1564-1642.) Pokazao je eksperimentima da sva tijela padaju jednakim ubrzanjem bez obzira na njihovu masu, zanemarujući viskozne učinke.

Ali to je Isaac Newton (1642-1727), najznamenitiji znanstvenik koji je ikada živio, koji se smatra ocem moderne dinamike i matematičkog izračuna, zajedno s Gottfriedom Leibnizom.

Slika 2. Isaac Newton 1682. Godfrey Kneller. Izvor: Wikimedia Commons.

Njeni poznati zakoni, formulirani tijekom 17. stoljeća, i danas ostaju jednako valjani i svježi. Oni su temelj klasične mehanike, na koju svakodnevno viđamo i utječu na nas. O ovim će se zakonima uskoro raspravljati.

Što proučava dinamika?

Dinamika proučava interakciju između objekata. Prilikom interakcije objekata dolazi do promjena u njihovom kretanju i deformacija. Posebno područje koje se naziva statičko posvećeno je onim sustavima u ravnoteži, onima u mirovanju ili s ravnomjernim pravokutnim gibanjem.

Primjenom načela dinamike moguće je pomoću jednadžbi predvidjeti kakve će biti promjene i evolucija objekata u vremenu. Da bi se to postiglo, utvrđuju se neke pretpostavke ovisno o vrsti sustava koji se proučava.

Čestice, krute čvrste tvari i kontinuirani mediji

Model čestica je najjednostavniji za početak primjene načela dinamike. U njemu se pretpostavlja da predmet koji se proučava ima masu, ali nema dimenzije. Stoga čestica može biti velika kao elektron ili velika kao Zemlja ili Sunce.

Kad želite promatrati utjecaj veličine na dinamiku, potrebno je uzeti u obzir veličinu i oblik predmeta. Model koji ovo uzima u obzir je model krute krute građe, tijela s mjerljivim dimenzijama sastavljenog od vrlo mnogo čestica, ali koje se ne deformira pod djelovanjem sila.

Konačno, mehanika kontinuiranih medija uzima u obzir ne samo dimenzije objekta, već i njegove posebne karakteristike, uključujući i sposobnost da se deformira. Kontinuirani mediji obuhvaćaju krute i ne krute krute tvari, kao i tekućine.

Newtonovi zakoni

Ključ razumijevanja kako dinamika funkcionira je temeljno razumijevanje Newtonovih zakona koji kvantitativno povezuju sile koje djeluju na tijelo s promjenama u njegovom stanju kretanja ili mirovanju.

Newtonov prvi zakon

Objašnjenje Newtonovog prvog zakona. Izvor: self made.

Kaže tako:

Prvi dio izjave djeluje sasvim očigledno, jer je očito da će objekt u mirovanju ostati takav, osim ako se ne poremeti. A za to je potrebna sila.

S druge strane, činjenica da se predmet nastavlja u pokretu čak i kad je neto sila na njega jednaka nuli, malo je teže prihvatiti jer se čini da bi objekt mogao ostati u pokretu u nedogled. I svakodnevno iskustvo govori nam da se prije ili kasnije stvari usporavaju.

Odgovor na ovu očitu kontradikciju leži u trenju. Doista, ako bi se objekt kretao po savršeno glatkoj površini, to bi mogao raditi u nedogled, pretpostavljajući da nijedna druga sila ne uzrokuje da se gibanje mijenja.

Kako je trenje nemoguće u potpunosti eliminirati, situacija u kojoj se tijelo kreće u nedogled stalnom brzinom idealizacija je.

Na kraju, važno je napomenuti da, iako je neto sila jednaka nuli, to ne mora nužno predstavljati i potpuno nepostojanje sila na objekt.

Predmeti na zemljinoj površini uvijek doživljavaju gravitacijsku privlačnost. Knjiga koja se odmara na stolu ostaje takva, jer površina stola djeluje na silu koja suprotstavlja težini.

Drugi zakon Newtona

Objašnjenje Newtonovog drugog zakona. Izvor: self made.

Newtonov prvi zakon utvrđuje što se događa s objektom na kojem je neto ili rezultirajuća sila jednaka nuli. Sada temeljni zakon dinamike ili Newtonov drugi zakon ukazuje na to što će se dogoditi kad neto sila ne otkaže:

Zapravo, što je veća primijenjena sila, veća je promjena brzine objekta. A ako se ista sila primijeni na predmete različitih masa, najveće će promjene doživjeti predmeti koji su lakši i lakši za kretanje. Svakodnevno se iskustvo slaže s tim izjavama.

Newtonov treći zakon

Svemirska raketa dobiva potreban pogon zahvaljujući izbačenim plinovima. Izvor: Pixabay.

Newtonova prva dva zakona odnose se na jedan objekt. Ali treći zakon odnosi se na dva objekta. Nazvat ćemo ih objektom 1 i objektom 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

U stvari, kad god je neko tijelo pogođeno silom, to je zato što je drugo odgovorno za njegovo izazivanje. Dakle, predmeti na Zemlji imaju težinu, jer ih privlači prema svom središtu. Električni naboj odbija se drugim nabojem istog znaka, jer djeluje odbijajući na prvo, i tako dalje.

Slika 3. Sažetak Newtonovih zakona. Izvor: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Načela očuvanja

U dinamici postoji nekoliko količina koje se čuvaju za vrijeme kretanja i čija je studija ključna. Oni su poput čvrstog stupa na koji je moguće pričvrstiti da bi se riješili problemi u kojima se sile razlikuju na vrlo složene načine.

Primjer: upravo kada se dva vozila sudaraju, interakcija između njih vrlo je intenzivna, ali kratka. Toliko intenzivan da se ne moraju uzimati u obzir nikakve druge sile, stoga se vozila mogu smatrati izoliranim sustavom.

Ali opisati ovu intenzivnu interakciju nije lak zadatak, jer uključuje sile koje se razlikuju u vremenu, ali i u prostoru. Međutim, pod pretpostavkom da vozila tvore izolirani sustav, sile između njih su unutarnje, a zamah je sačuvan.

Očuvanjem zamaha moguće je predvidjeti kako će se vozila kretati neposredno nakon sudara.

Evo dva najvažnija načela očuvanja u Dinamici:

Štednja energije

U prirodi postoje dvije vrste sila: konzervativna i nekonzervativna. Težina je dobar primjer prvog, dok je trenje dobar primjer drugog.

Pa, konzervativne snage su okarakterizirane jer nude mogućnost pohrane energije u konfiguraciji sustava. To je takozvana potencijalna energija.

Kada tijelo ima potencijalnu energiju zahvaljujući djelovanju konzervativne sile, kao što je težina, i kreće u pokret, ta se potencijalna energija pretvara u kinetičku energiju. Zbir obje energije naziva se mehanička energija sustava i ona je očuvana, odnosno ostaje konstantna.

Neka je U potencijalna energija, K kinetička energija, a E _m mehanička energija. Ako na objekt djeluju samo konzervativne sile, istina je da:

Tako:

Očuvanje zamaha

Ovo načelo je primjenjivo ne samo kada se dva vozila sudaraju. To je zakon fizike s opsegom koji nadilazi makroskopski svijet.

Snaga se čuva na nivou sunčevog, zvjezdanog i galaksijskog sustava. I to čini i na skali atoma i atomskog jezgra, usprkos činjenici da Newtonova mehanika tamo prestaje važiti.

Neka je P vektor momenta dat od:

P = m. v

Izvođenje P s obzirom na vrijeme:

Ako masa ostane konstantna:

Stoga drugi Newtonov zakon možemo napisati ovako:

_Neto F = d P / dt

Ako dva tijela m ₁ i m ₂ čine izoliranom sustavu, sile među njima su unutarnji i prema treći Newtonov zakon, oni su jednak i suprotan F ₁ = - F ₂, ispunjavajući da:

Ako je derivat s obzirom na vrijeme magnitude jednak nuli, to znači da veličina ostaje konstantna. Stoga se u izoliranom sustavu može konstatirati da je zadržavan zamah sustava:

P ₁ + P ₂ = konstanta

Čak i tako, P ₁ i P ₂ može varirati individualno. Snaga sustava može se preraspodijeliti, ali ono što je važno jest da njegov zbroj ostane nepromijenjen.

Izdvojeni pojmovi u dinamici

U dinamici postoji mnogo važnih koncepata, ali dva se ističu: masa i sila. Na silama prethodno komentiranom i dolje nalazi se popis najistaknutijih koncepata koji se pojavljuju pored njega u istraživanju dinamike:

Inercija

Objekt se mora oduprijeti promjenama u stanju mirovanja ili kretanja. Svi predmeti s masom imaju inerciju i to se doživljava vrlo često, na primjer, kada putujete u automobilu koji se ubrzava, putnici ostaju u mirovanju, što se doživljava kao osjećaj nalijeganja na stražnji dio sjedala.

A ako se automobil naglo zaustavi, putnici imaju tendenciju da se prevrću, slijedeći pokret naprijed koji su prethodno imali, pa je važno da uvijek nose sigurnosne pojaseve.

Slika 4. Kada putujete automobilom, inercija nas uzrokuje sudar kada automobil naglo koči. Izvor: Pixabay.

Masa

Masa je mjera inercije, jer što je veća masa tijela, to ga je teže pomicati ili uzrokovati da mijenja svoje gibanje. Masa je skalarna količina, to znači da je za određivanje mase tijela potrebno dati numeričku vrijednost plus odabranu jedinicu, koja može biti kilogrami, kilogrami, grami i više.

Težina

Težina je sila kojom Zemlja povlači predmete blizu svoje površine prema svom središtu.

Budući da je sila, težina ima vektorski karakter, stoga je u potpunosti određena kada su naznačeni njena veličina ili numerička vrijednost, smjer i smisao, za koji već znamo da je okomito prema dolje.

Dakle, iako povezani, masa i masa nisu jednake, niti jednake, jer je prvi vektor, a drugi skalar.

Referentni sustavi

Opis pokreta može varirati ovisno o odabranoj referenci. Oni koji se dižu u dizalu odmaraju se u skladu s referentnim okvirom koji je fiksiran na njega, ali kad ga opazi promatrač na terenu, putnici se kreću.

Ako tijelo doživljava gibanje oko jednog referentnog okvira, a u drugom počiva, Newtonovi zakoni ne mogu se primjenjivati ​​na oba. U stvari, Newtonovi zakoni primjenjivi su na određene referentne okvire: one koji su inercijski.

U inercijalnim referentnim okvirima tijela se ne ubrzavaju ako ih na neki način ne uznemire - primjenom sile.

Fiktivne sile

Fiktivne sile ili pseudo-sile pojavljuju se kada se analizira kretanje tijela u ubrzanom referentnom okviru. Fiktivna sila razlikuje se po tome što nije moguće identificirati agenta odgovornog za njen izgled.

Centrifugalna sila je dobar primjer fiktivne sile. Međutim, činjenica da nije tako je manje stvarna onima koji to dožive kada se okrenu u automobilima i osjete kako ih nevidljiva ruka tjera iz zavoja.

Ubrzanje

Taj važni vektor je već spomenut. Objekt doživljava ubrzanje sve dok postoji sila koja mijenja svoju brzinu.

Rad i energija

Kad sila djeluje na objekt i ona promijeni njegov položaj, sila je učinila svoje djelo. I taj se rad može pohraniti u obliku energije. Stoga se na objektu izvode radovi zahvaljujući kojima on stječe energiju.

Sljedeći primjer uklanja točku: Pretpostavimo da osoba podigne lonac određenu visinu iznad razine tla.

Radi toga mora primijeniti silu i svladati gravitaciju, stoga radi na loncu i taj se rad pohranjuje u obliku gravitacijske potencijalne energije u loncu, proporcionalnoj njegovoj masi i visini koju je dostigao iznad poda.:

Gdje je m masa, g je gravitacija, a h je visina. Što lonac može učiniti kad je na visini h? Pa, mogla bi pasti i kako pada, gravitaciona potencijalna energija koju smanjuje smanjuje se, dok se kinetička ili gibljiva energija povećavaju.

Da bi sila radila, ona mora proizvesti pomicanje koje mora biti paralelno s silom. Ako se to ne dogodi, sila i dalje djeluje na objekt, ali ne djeluje na njemu.

Povezane teme

Newtonov prvi zakon.

Drugi zakon Newtona.

Newtonov treći zakon.

Zakon očuvanja materije.

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženjerstvo i znanosti. Svezak 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 2. Dinamika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6… dvorana Ed Prentice.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualna fizička znanost. 5.. Ed Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6. skraćeno izdanje. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
7. Wikipedia. Dinamičan. Oporavak od: es.wikipedia.org.