Табиғат құбылыстарын эксперимент негізінде зерттеу барлық кезеңдері: бақылау, гипотеза, эксперимент, теория байқалған жағдайда ғана мүмкін болады. Бақылау фактілерді ашады және салыстырады, гипотеза оларға эксперименттік растауды қажет ететін егжей-тегжейлі ғылыми түсініктеме беруге мүмкіндік береді. Денелердің қозғалысын бақылау қызықты қорытындыға әкелді: дененің жылдамдығының өзгеруі тек басқа дененің әсерінен ғана мүмкін болады.
Мысалы, егер сіз баспалдақпен жылдам жүгірсеңіз, бұрылыста қоршаудан ұстап (қозғалыс бағытын өзгерту) немесе соқтығыспау үшін тоқтап (жылдамдық мәнін өзгерту) жеткілікті. қарама-қарсы қабырға.
Ұқсас құбылыстарды бақылау денелердің жылдамдығының өзгеру себептерін немесе олардың деформациясын зерттейтін физика саласын құруға әкелді.
Dynamics негіздері
Динамика физикалық дене неге бір жолмен қозғалады немесе тыныштықта болады деген қасиетті сұраққа жауап беру үшін шақырылады.
Демалыс күйін ескеріңіз. Қозғалыстың салыстырмалылығы концепциясына сүйене отырып, мынадай қорытынды жасауға болады: абсолютті қозғалыссыз денелер жоқ және болуы да мүмкін емес. Кез келгенобъект бір анықтамалық денеге қатысты қозғалыссыз болса, екіншісіне қатысты қозғалады. Мысалы, үстелде жатқан кітап үстелге қатысты қозғалыссыз, бірақ оның өтіп бара жатқан адамға қатысты орнын қарастырсақ, табиғи қорытынды жасаймыз: кітап қозғалады.
Сондықтан денелердің қозғалыс заңдары инерциялық санақ жүйесінде қарастырылады. Бұл не?
Дене тыныштықта болатын немесе оған басқа заттардың немесе заттардың әсері болмаған жағдайда бірқалыпты және түзу сызықты қозғалыс жасайтын инерциялық санақ жүйесі деп аталады.
Жоғарыдағы мысалда кестемен байланысты санақ жүйесін инерциалды деп атауға болады. Біркелкі және түзу сызықта қозғалатын адам ISO үшін анықтамалық жүйе ретінде қызмет ете алады. Егер оның қозғалысы үдетілген болса, онда онымен инерциялық СО байланыстыру мүмкін емес.
Шын мәнінде мұндай жүйені Жер бетінде қатты бекітілген денелермен корреляциялауға болады. Дегенмен, планетаның өзі IFR үшін анықтамалық орган бола алмайды, өйткені ол өз осінің айналасында біркелкі айналады. Бетіндегі денелердің центрге тартқыш үдеуі бар.
Импульс дегеніміз не?
Инерция құбылысы ISO-мен тікелей байланысты. Қозғалыстағы көлік кенет тоқтаса не болатынын есіңізде ме? Жолаушылар сапарын жалғастырған кезде қауіп төніп тұр. Оны алдыңғы орындық немесе қауіпсіздік белдіктері арқылы тоқтатуға болады. Бұл процесс жолаушының инерциясымен түсіндіріледі. Бұл дұрыс па?
Инерция – сақталуын болжайтын құбылысоған басқа денелердің әсері болмаған кезде дененің тұрақты жылдамдығы. Жолаушы белдіктердің немесе орындықтардың әсерінен. Бұл жерде инерция құбылысы байқалмайды.
Түсіндірме дененің қасиетінде жатыр және оған сәйкес нысанның жылдамдығын бірден өзгерту мүмкін емес. Бұл инерция. Мысалы, термометрдегі сынаптың инерттілігі термометрді шайқасақ, жолақты төмендетуге мүмкіндік береді.
Инерция өлшемі дененің массасы деп аталады. Өзара әрекеттесу кезінде массасы аз денелер үшін жылдамдық жылдамырақ өзгереді. Соңғысы үшін көліктің бетон қабырғасымен соқтығысуы із-түзсіз өтеді. Көбінесе машина қайтымсыз өзгерістерге ұшырайды: жылдамдық өзгереді, айтарлықтай деформация пайда болады. Бетон қабырғасының инерциясы автомобильдің инерциясынан айтарлықтай асып түсетіні белгілі болды.
Табиғатта инерция құбылысын кездестіруге бола ма? Дененің басқа денелермен байланыссыз болуының шарты ғарыш кемесі қозғалтқыштар өшірілген күйде қозғалатын терең кеңістік болып табылады. Бірақ бұл жағдайда да гравитациялық момент бар.
Негізгі шамалар
Тәжірибе деңгейінде динамиканы зерттеу физикалық шамаларды өлшеумен тәжірибе жасауды қамтиды. Ең қызықты:
- үдеу денелердің жылдамдығының өзгеру жылдамдығының өлшемі ретінде; оны а әрпімен белгілеңіз, м/спен өлшеңіз2;
- масса инерция өлшемі ретінде; m әрпімен белгіленген, кгмен өлшенген;
- күш денелердің өзара әрекетінің өлшемі ретінде; көбінесе N (ньютонмен) өлшенетін F әрпімен белгіленеді.
Осы шамалар арасындағы байланысұлы ағылшын физигі шығарған үш заңдылықпен белгіленген. Ньютон заңдары әртүрлі денелердің өзара әрекеттесуінің күрделілігін түсіндіруге арналған. Сондай-ақ оларды басқаратын процестер. Ньютон заңдары математикалық қатынастармен байланыстыратын «үдеу», «күш», «масса» ұғымдары. Оның нені білдіретінін анықтауға тырысайық.
Бір ғана күштің әрекеті ерекше құбылыс. Мысалы, Жерді айналып өтетін жасанды серікке тек тартылыс күші әсер етеді.
Нәтиже
Бірнеше күштің әрекетін бір күшпен ауыстыруға болады.
Денеге әсер ететін күштердің геометриялық қосындысы нәтиже деп аталады.
Біз геометриялық қосынды туралы айтып отырмыз, өйткені күш тек қана қолдану нүктесіне ғана емес, сонымен қатар әсер ету бағытына да байланысты болатын векторлық шама.
Мысалы, жеткілікті үлкен гардеробты жылжыту қажет болса, достарыңызды шақыра аласыз. Біз бірге қалаған нәтижеге қол жеткіземіз. Бірақ сіз бір ғана өте күшті адамды шақыра аласыз. Оның күш-жігері барлық достарының әрекетімен бірдей. Батыр қолданған күшті нәтиже деп атауға болады.
Ньютонның қозғалыс заңдары «нәтиже» ұғымы негізінде тұжырымдалған.
Инерция заңы
Ньютон заңдарын ең көп таралған құбылыспен зерттеуді бастаңыз. Бірінші заң әдетте инерция заңы деп аталады, өйткені ол бірқалыпты түзу сызықты қозғалыстың себептерін немесе денелердің тыныштық күйін белгілейді.
Дене біркелкі және түзу сызықты қозғалады немесеегер оған күш әсер етпесе немесе бұл әрекет өтелсе демалады.
Бұл жағдайда нәтиже нөлге тең деп айтуға болады. Бұл күйде, мысалы, жолдың түзу бөлігінде тұрақты жылдамдықпен қозғалатын автомобиль. Тарту күшінің әрекеті тіректің реакция күшімен өтеледі, ал қозғалтқыштың итеру күші абсолютті мәнде қозғалысқа қарсылық күшіне тең.
Люстра төбеге сүйенеді, өйткені ауырлық күші оның бекіткіштерінің керілуімен өтеледі.
Бір денеге түсірілген күштер ғана өтеледі.
Ньютонның екінші заңы
Әрі қарай жүрейік. Денелердің жылдамдығының өзгеруін тудыратын себептер Ньютонның екінші заңымен қарастырылады. Ол не туралы айтып жатыр?
Денеге әсер ететін күштердің нәтижесі дене массасы мен күштердің әсерінен алынған үдеулердің көбейтіндісі ретінде анықталады.
2 Ньютон заңы (формула: F=ma), өкінішке орай кинематика мен динамиканың негізгі ұғымдары арасында себепті байланыс орнатпайды. Ол денелердің жылдамдатуына не себеп болғанын дәл анықтай алмайды.
Оны басқаша тұжырымдап көрейік: дене қабылдаған үдеу нәтижелік күштерге тура пропорционал және дене массасына кері пропорционал.
Осылайша, жылдамдықтың өзгеруі тек оған түсірілген күш пен дененің массасына байланысты болатынын анықтауға болады.
2 Ньютон заңы, формуласы келесідей болуы мүмкін: a=F/m, векторлық формада іргелі болып саналады, өйткені ол мүмкін етедіфизиканың салалары арасында байланыс орнату. Мұндағы a - дененің үдеу векторы, F - күштердің нәтижесі, m - дененің массасы.
Қозғалтқыштардың тарту күші қозғалысқа қарсылық күшінен асып кетсе, автомобильдің жылдам қозғалысы мүмкін болады. Тарту күші артқан сайын үдеу де өседі. Жүк көліктері жоғары қуатты қозғалтқыштармен жабдықталған, себебі олардың массасы жеңіл автокөліктің массасынан әлдеқайда жоғары.
Жоғары жылдамдықты жарыстарға арналған от шарлары оларға ең аз қажетті бөлшектер бекітілетіндей етіп жеңілдетілген және қозғалтқыш қуатын мүмкіндігінше арттырған. Спорттық автомобильдердің маңызды сипаттамаларының бірі - 100 км/сағ жылдамдыққа жету уақыты. Бұл уақыт аралығы неғұрлым қысқа болса, көліктің жылдамдық қасиеттері соғұрлым жақсы болады.
Әсерлесу заңы
Табиғат күштеріне негізделген Ньютон заңдары кез келген әрекеттесу күштер жұбының пайда болуымен қатар жүретінін айтады. Егер доп жіпке ілінсе, онда ол өз әрекетін сезінеді. Бұл жағдайда жіп доптың әсерінен де созылады.
Үшінші заңдылықтың тұжырымы Ньютон заңдарын аяқтайды. Қысқасы, бұл былай естіледі: әрекет реакцияға тең. Бұл нені білдіреді?
Денелер бір-біріне әсер ететін күштер шамасы бойынша бірдей, бағыты бойынша қарама-қарсы және денелердің центрлерін қосатын сызық бойымен бағытталған. Бір қызығы, оларды компенсацияланған деп атауға болмайды, өйткені олар әртүрлі денелерге әсер етеді.
Заңдардың орындалуы
Әйгілі "Ат пен арба" мәселесі шатастыруы мүмкін. Аталмыш вагонға байланған ат оны жылжытадыжерден. Ньютонның үшінші заңына сәйкес, бұл екі нысан бір-біріне бірдей күшпен әсер етеді, бірақ іс жүзінде ат арбаны жылжыта алады, бұл өрнектің іргетасына сыймайды.
Бұл денелер жүйесі тұйық емес екенін ескерсек, шешімі табылады. Жолдың екі денеге де әсері бар. Ат тұяғына әсер ететін статикалық үйкеліс күші арба доңғалақтарының домалау үйкеліс күшінен асып түседі. Өйткені, қозғалыс сәті вагонды жылжыту әрекетінен басталады. Егер позиция өзгерсе, онда ат ешбір жағдайда оны орнынан жылжытпайды. Оның тұяғы жолда тайып, қимыл болмайды.
Балалық шағында бір-бірін шана теуіп жүрген кез келген адам мұндай мысалды кездестіретін. Шанаға екі немесе үш бала отырса, оларды жылжытуға бір баланың күш-жігері жеткіліксіз екені анық.
Аристотель түсіндірген денелердің жер бетіне құлауын («Әр дене өз орнын біледі») жоғарыда айтылғандардың негізінде жоққа шығаруға болады. Жер оған қарай қозғалатын күштің әсерінен зат жерге қарай қозғалады. Олардың параметрлерін (Жердің массасы дененің массасынан әлдеқайда көп) салыстыра отырып, Ньютонның екінші заңына сәйкес, біз объектінің үдеуі Жердің үдеуінен қанша есе көп екенін бекітеміз. Біз дененің жылдамдығының өзгеруін байқаймыз, Жер өз орбитасынан қозғалмайды.
Қолдану шектеулері
Қазіргі физика Ньютон заңдарын жоққа шығармайды, тек олардың қолданылу шегін белгілейді. 20 ғасырдың басына дейін физиктер бұл заңдардың барлық табиғат құбылыстарын түсіндіретініне еш күмәнданбаған.
1, 2, 3 заңыНьютон макроскопиялық денелердің мінез-құлқының себептерін толық ашады. Елеусіз жылдамдықтағы нысандардың қозғалысы осы постулаттар арқылы толық сипатталған.
Олардың негізінде жарық жылдамдығына жақын денелердің қозғалысын түсіндіру әрекеті сәтсіздікке ұшырайды. Бұл жылдамдықтарда кеңістік пен уақыт қасиеттерінің толық өзгеруі Ньютон динамикасын қолдануға мүмкіндік бермейді. Сонымен қатар, инерциялық емес ФР-де заңдар өз формасын өзгертеді. Оларды қолдану үшін инерциялық күш ұғымы енгізілген.
Ньютон заңдары астрономиялық денелердің қозғалысын, олардың орналасуы мен өзара әрекеттесу ережелерін түсіндіре алады. Ол үшін бүкіләлемдік тартылыс заңы енгізілген. Кішкентай денелердің тартылуының нәтижесін көру мүмкін емес, өйткені күш аз.
Өзара тартымдылық
Бақшада отырып алмалардың құлауын бақылап отырған Ньютон мырзаның тамаша идеясы бар: Жер бетіне жақын заттардың қозғалысын және оның қозғалысын түсіндіру. өзара тарту негізінде ғарыштық денелер. Бұл шындықтан онша алыс емес. Бақылаулар мен дәл есептеу тек алманың түсуіне ғана емес, айдың қозғалысына да қатысты. Бұл қозғалыстың заңдылықтары өзара әсерлесетін денелердің массаларының ұлғаюымен тартылыс күші артады және олардың арасындағы қашықтық ұлғайған сайын азаяды деген қорытындыға келеді.
Ньютонның екінші және үшінші заңдарына сүйене отырып, бүкіләлемдік тартылыс заңы былай тұжырымдалған: Әлемдегі барлық денелер бір-біріне денелердің центрлерін қосатын сызық бойымен бағытталған күшпен тартылады, оған пропорционал. денелердің массалары жәнеденелердің орталықтары арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционал.
Математикалық белгілеу: F=GMm/r2, мұндағы F – тартылыс күші, M, m – әсерлесетін денелердің массалары, r – олардың арасындағы қашықтық. Пропорционалдық коэффициенті (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) деп аталады. гравитациялық тұрақты.
Физикалық мағынасы: бұл тұрақты массалары 1 кг екі дененің 1 м қашықтықтағы тартылыс күшіне тең. Массалары аз денелер үшін күштің шамалы болатыны анық. назардан тыс қалған. Планеталар, жұлдыздар, галактикалар үшін тартылыс күші соншалықты үлкен, ол олардың қозғалысын толығымен анықтайды.
Ньютонның тартылыс заңы зымырандарды ұшыру үшін Жердің әсерін жеңу үшін осындай реактивті соққы жасай алатын отын қажет екенін айтады. Бұл үшін қажетті жылдамдық - бірінші қашу жылдамдығы, ол 8 км/с.
Заманауи зымыран технологиясы ұшқышсыз станцияларды Күннің жасанды серіктері ретінде зерттеу үшін басқа планеталарға ұшыруға мүмкіндік береді. Мұндай құрылғы әзірлеген жылдамдық 11 км/с тең екінші ғарыштық жылдамдық болып табылады.
Заңдарды қолдану алгоритмі
Динамика мәселелерін шешу белгілі бір әрекеттер тізбегіне бағынады:
- Тапсырманы талдау, деректерді, қозғалыс түрін анықтау.
- Денеге әсер ететін барлық күштерді және үдеу бағытын (бар болса) көрсететін сызбаны сызыңыз. Координат жүйесін таңдаңыз.
- Қолжетімділігіне қарай бірінші немесе екінші заңдарды жазыңыздене үдеуі, векторлық түрдегі. Барлық күштерді ескеріңіз (нәтижелік күш, Ньютон заңдары: бірінші, егер дененің жылдамдығы өзгермесе, екінші, үдеу болса).
- Таңдалған координат осьтеріндегі проекциялардағы теңдеуді қайта жазыңыз.
- Егер алынған теңдеулер жүйесі жеткіліксіз болса, басқаларын жазыңыз: күштердің анықтамалары, кинематика теңдеулері және т.б.
- Қажетті мәнге теңдеулер жүйесін шешіңіз.
- Нәтижедегі формуланың дұрыстығын анықтау үшін өлшемді тексеруді орындаңыз.
- Есептеу.
Әдетте бұл қадамдар кез келген стандартты тапсырма үшін жеткілікті.
