Әртүрлі денелердің кеңістіктегі қозғалысын физикада арнайы бөлім – механика зерттейді. Соңғысы өз кезегінде кинематика және динамика болып екіге бөлінеді. Бұл мақалада денелердің ілгерілемелі және айналмалы қозғалысының динамикасына назар аудара отырып, физикадағы механика заңдарын қарастырамыз.
Тарихи дерек
Денелердің қалай және неліктен қозғалатыны ежелгі заманнан бері философтар мен ғалымдарды қызықтырды. Сондықтан Аристотель заттар кеңістікте оларға қандай да бір сыртқы әсер болғандықтан ғана қозғалады деп есептеді. Бұл әсер тоқтатылса, дене бірден тоқтайды. Көптеген ежелгі грек философтары барлық денелердің табиғи күйі тыныштық деп есептеген.
Жаңа дәуірдің келуімен көптеген ғалымдар механикадағы қозғалыс заңдарын зерттей бастады. Гюйгенс, Гук және Галилео сияқты есімдерді атап өткен жөн. Соңғысы табиғат құбылыстарын зерттеуге ғылыми көзқарасты дамытты және шын мәнінде механиканың бірінші заңын ашты, бірақ оның фамилиясын алып жүрмейді.
1687 жылы авторы болған ғылыми басылым жарық көрдіАғылшын Исаак Ньютон. Ол өзінің ғылыми еңбегінде денелердің кеңістіктегі қозғалысының негізгі заңдарын нақты тұжырымдап берді, олар бүкіләлемдік тартылыс заңымен бірге тек механиканың ғана емес, қазіргі барлық классикалық физиканың негізін қалады.
Ньютон заңдары туралы
Постулаттары 20 ғасырдың басында Альберт Эйнштейн тұжырымдаған релятивистік заңдардан айырмашылығы олар классикалық механиканың заңдары деп те аталады. Біріншісінде физиканың бүкіл саласы негізделетін тек үш негізгі заңдылық бар. Олар былай аталады:
- Инерция заңы.
- Күш пен үдеу арасындағы байланыс заңы.
- Әрекет және реакция заңы.
Неліктен бұл үш заң негізгі болып табылады? Қарапайым, олардан механиканың кез келген формуласын алуға болады, дегенмен ешбір теориялық принцип олардың ешқайсысына әкелмейді. Бұл заңдар тек көптеген бақылаулар мен эксперименттерден туындайды. Олардың жарамдылығы тәжірибеде әртүрлі есептерді шешуде олардың көмегімен алынған болжамдардың сенімділігімен расталады.
Инерция заңы
Механикадағы Ньютонның бірінші заңы кез келген дене оған сыртқы әсер болмаған жағдайда кез келген инерциялық санақ жүйесінде тыныштық күйін немесе түзу сызықты қозғалысты сақтайтынын айтады.
Бұл заңды түсіну үшін есеп беру жүйесін түсіну керек. Айтылған заңды қанағаттандыратын болса ғана инерциялық деп аталады. Басқаша айтқанда, инерциялық жүйеде жоқбақылаушылар сезетін жалған күштер бар. Мысалы, бірқалыпты және түзу сызықта қозғалатын жүйені инерциялық деп санауға болады. Екінші жағынан, ось айналасында біркелкі айналатын жүйе ондағы жалған орталықтан тепкіш күштің болуына байланысты инерциялық емес.
Инерция заңы қозғалыс сипатының өзгеру себебін белгілейді. Бұл сыртқы күштің болуының себебі. Денеге бірнеше күш әсер ететінін ескеріңіз. Бұл жағдайда оларды векторлар ережесі бойынша қосу керек, егер алынған күш нөлге тең болса, онда дене бірқалыпты қозғалысын жалғастырады. Сондай-ақ классикалық механикада дененің бірқалыпты қозғалысы мен оның тыныштық күйі арасында ешқандай айырмашылық жоқ екенін түсіну маңызды.
Ньютонның екінші заңы
Дененің кеңістіктегі қозғалысының сипатының өзгеруінің себебін оған әсер ететін сыртқы нөлдік емес күштің болуы дейді. Негізі бұл заң бұрынғының жалғасы. Оның математикалық белгісі келесідей:
F¯=ma¯.
Мұнда a¯ шамасы – жылдамдық векторының өзгеру жылдамдығын сипаттайтын үдеу, m – дененің инерциялық массасы. m әрқашан нөлден үлкен болғандықтан, күш пен үдеу векторлары бір бағытты көрсетеді.
Қарастырылған заң механикадағы көптеген құбылыстарға, мысалы, еркін құлау процесін, автомобильдің үдеуімен қозғалысты, сырғанақтың көлбеу жазықтық бойымен сырғанауын, тербелістерді сипаттауға қатысты. маятниктен,серіппелі таразылардың керілуі және т.б. Бұл динамиканың негізгі заңы деп айтуға болады.
Импульс пен импульс
Егер Ньютонның ғылыми жұмысына тікелей жүгінсеңіз, ғалымның өзі механиканың екінші заңын біршама басқаша тұжырымдағанын көресіз:
Fdt=dp, мұндағы p=mv.
p мәні импульс деп аталады. Көптеген адамдар оны дененің импульсі деп қателеседі. Қозғалыс шамасы дене массасы мен оның жылдамдығының көбейтіндісіне тең инерциялық-энергетикалық сипаттама.
Импульсті белгілі бір мәнге өзгерту dp тек dt уақыт аралығы кезінде денеге әсер ететін сыртқы F күшпен ғана орындалады. Күштің және оның әрекетінің ұзақтығының көбейтіндісі күш импульсі немесе жай импульс деп аталады.
Екі дене соқтығысқанда олардың арасында соқтығысушы күш әрекет етеді, ол әрбір дененің импульсін өзгертеді, бірақ бұл күш зерттелетін екі дене жүйесіне қатысты ішкі болғандықтан, ол өзгеріске әкелмейді. жүйенің жалпы импульсінде. Бұл факт импульстің сақталу заңы деп аталады.
Үдеумен айналдыру
Егер Ньютон тұжырымдаған механика заңы айналу қозғалысына қолданылса, онда келесі өрнек шығады:
M=Iα.
Мұнда M – бұрыштық импульс – бұл күштің жүйеде бұрылыс жасау мүмкіндігін көрсететін шама. Күш моменті векторлық күш пен осьтен бағытталған радиус векторының көбейтіндісі ретінде есептеледіқолдану нүктесі. I шамасы – инерция моменті. Күш моменті сияқты, ол айналмалы жүйенің параметрлеріне, атап айтқанда, оське қатысты дене массасының геометриялық таралуына байланысты. Соңында, α мәні бұрыштық жылдамдықтың секундына қанша радианға өзгеретінін анықтауға мүмкіндік беретін бұрыштық үдеу болып табылады.
Егер сіз жазбаша теңдеуге мұқият қарап, оның мәндері мен көрсеткіштеріне екінші Ньютон заңынан ұқсастық жасасаңыз, онда біз олардың толық сәйкестігін аламыз.
Әрекет және реакция заңы
Механиканың үшінші заңын қарастыру бізге қалды. Алғашқы екеуін, қалай болғанда да, Ньютонның алдыңғылары тұжырымдаған болса және ғалымның өзі оларға тек үйлесімді математикалық форма берген болса, онда үшінші заң ұлы ағылшынның бастапқы ойы болып табылады. Сонымен, ол былай дейді: егер екі дене күшпен жанасатын болса, онда олардың арасындағы әрекет ететін күштер шамасы бойынша тең және бағыты бойынша қарама-қарсы болады. Қысқаша айтқанда, кез келген әрекет реакция тудырады деп айта аламыз.
F12¯=-F21¯.
Мұнда F12¯ және F21¯ - 1-ші дене жағынан 2-ші және 2-ші дене жағынан әрекет етеді тиісінше 1-ші дәрежеге дейін.
Бұл заңды растайтын көптеген мысалдар бар. Мысалы, секіру кезінде адам жер бетінен итеріледі, соңғысы оны жоғары итереді. Жаяу серуендеу және жүзушілер бассейнінің қабырғасынан итеру де солай. Тағы бір мысал, егер сіз қолыңызды үстелге бассаңыз, онда керісінше сезіледі.үстелдің қолға әсері, ол тіректің реакция күші деп аталады.
Ньютонның үшінші заңының қолданылуына есептер шығарғанда, әсер ету күші мен реакция күші әртүрлі денелерге әсер ететінін, сондықтан олар әр түрлі үдеу беретінін ұмытпау керек.
