DINAMIKA: ZGODOVINA, KAJ ŠTUDIRA, ZAKONI IN TEORIJE - FIZIČNO - 2026

Dinamično je področje mehanike, ki se ukvarja z interakcijo med telesi in njihove učinke. Ukvarja se z opisovanjem njih kakovostno in količinsko ter z napovedovanjem, kako se bodo sčasoma razvijali.

Z uporabo svojih načel je znano, kako se gibanje telesa spreminja med interakcijo z drugimi in tudi, če te interakcije deformirajo, saj je povsem mogoče, da se oba učinka pojavita hkrati.

Slika 1. Interakcije na kolesarju spremenijo njihovo gibanje. Vir: Pixabay.

Prepričanja velikega grškega filozofa Aristotela (384–322 pr.n.št.) so stoletja prevladovala kot temelj dinamike na Zahodu. Mislil je, da se predmeti premikajo zaradi neke vrste energije, ki jih je gnala v eno ali drugo smer.

Opazil je tudi, da se med potiskanjem predmeta premika s konstantno hitrostjo, ko pa se potiskanje ustavi, se giblje bolj in počasneje, dokler se ne ustavi.

Po Aristotelu je bilo potrebno delovanje stalne sile, da se je nekaj premikalo s konstantno hitrostjo, a zgodi se, da ta filozof ni imel učinkov trenja.

Druga njegova zamisel je bila, da težji predmeti padajo hitreje kot lažji. Veliki Galileo Galilei (1564-1642) je s poskusi dokazal, da vsa telesa padajo z enakim pospeškom ne glede na svojo maso, zanemarjajoč viskozne učinke.

Toda Isaac Newton (1642-1727), najbolj izjemen znanstvenik, ki je kdajkoli živel, velja za očeta moderne dinamike in matematičnega izračuna, skupaj z Gottfriedom Leibnizom.

Slika 2. Isaac Newton leta 1682 Godfrey Kneller. Vir: Wikimedia Commons.

Njeni znameniti zakoni, formulirani v 17. stoletju, ostajajo danes veljavni in sveži. So temelj klasične mehanike, ki jo vidimo in vpliva na nas vsak dan. O teh zakonih bomo razpravljali v kratkem.

Kaj preučuje dinamika?

Dinamika preučuje interakcijo med predmeti. Ko se predmeti medsebojno vplivajo, pride do sprememb v njihovem gibanju in deformacijah. Posebno območje, imenovano statično, je namenjeno ravnovesnim sistemom, tistim, ki so v mirovanju ali z enakomernim pravokotnim gibanjem.

Z uporabo principov dinamike je mogoče z enačbami predvideti, kakšne bodo spremembe in razvoj predmetov v času. V ta namen so določene nekatere predpostavke, odvisno od vrste sistema, ki ga je treba preučiti.

Delci, toge trdne snovi in ​​neprekinjeni mediji

Model delcev je najpreprostejši za začetek uporabe načel dinamike. V njej se domneva, da ima predmet, ki ga je treba preučevati, maso, vendar brez dimenzij. Zato je lahko delec majhen kot elektron ali velik kot Zemlja ali Sonce.

Ko želite opazovati vpliv velikosti na dinamiko, je treba upoštevati velikost in obliko predmetov. Model, ki to upošteva, je trdna trdnost, telo z merljivimi dimenzijami, sestavljeno iz zelo veliko delcev, ki pa se ne deformira pod vplivom sil.

Končno mehanika neprekinjenih medijev upošteva ne samo dimenzije predmeta, temveč tudi njegove posebne značilnosti, vključno z zmožnostjo deformacije. Neprekinjeni mediji zajemajo toge in netrdne trdne snovi ter tekočine.

Newtonovi zakoni

Ključ do razumevanja delovanja dinamike je temeljito razumevanje Newtonovih zakonov, ki količinsko povezujejo sile, ki delujejo na telo, s spremembami njegovega stanja gibanja ali počitka.

Newtonov prvi zakon

Pojasnilo Newtonovega prvega zakona. Vir: self made.

Tako pravi:

Prvi del izjave se zdi precej očiten, saj je očitno, da bo objekt v mirovanju ostal tak, razen če ga motijo. In za to je potrebna sila.

Po drugi strani je dejstvo, da se predmet nadaljuje v gibanju, tudi ko je neto sila na njem nič, nekoliko težje sprejeti, saj se zdi, da bi lahko predmet ostal v gibanju za nedoločen čas. In vsakodnevne izkušnje nam govorijo, da se slej ko prej stvari upočasnijo.

Odgovor na to navidezno protislovje je v trenju. Če bi se predmet premikal po popolnoma gladki površini, bi to lahko storil v nedogled, ob predpostavki, da nobena druga sila ne povzroči gibanja.

Ker je trenja nemogoče v celoti odpraviti, je situacija, v kateri se telo giblje v nedogled s konstantno hitrostjo, idealizacija.

Na koncu je pomembno opozoriti, da čeprav je neto sila enaka nič, to ne pomeni nujno popolne odsotnosti sil na objektu.

Predmeti na zemeljski površini vedno doživljajo gravitacijsko privlačnost. Knjiga, ki počiva na mizi, ostaja takšna, ker površina mize izvaja silo, ki upre težo.

Drugi zakon Newtona

Pojasnilo drugega zakona Newtona. Vir: self made.

Newtonov prvi zakon določa, kaj se zgodi s predmetom, na katerega je neto ali rezultirajoča sila enaka nič. Zdaj temeljni zakon dinamike ali Newtonov drugi zakon navaja, kaj se bo zgodilo, ko se neto sila ne prekliče:

Dejansko je večja uporabljena sila, večja je sprememba hitrosti predmeta. In če bo ista sila uporabljena na predmete različnih mas, bodo največje spremembe doživeli predmeti, ki so lažji in lažji za premikanje. Vsakdanje izkušnje se strinjajo s temi izjavami.

Newtonov tretji zakon

Vesoljska raketa prejme potreben pogon zahvaljujoč izpuščenim plinom. Vir: Pixabay.

Newtonova prva dva zakona se nanašata na en predmet. Toda tretji zakon se nanaša na dva predmeta. Poimenovali jih bomo objekt 1 in objekt 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Pravzaprav je kadarkoli na telo prizadeta sila, ker je za povzročitev tega odgovoren drug. Tako imajo predmeti na Zemlji težo, saj jih privlači proti svojemu središču. Električni naboj odbija drug naboj istega znaka, ker na prvo deluje odbojno silo ipd.

Slika 3. Povzetek Newtonovih zakonov. Vir: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Načela ohranjanja

V dinamiki je več količin, ki jih ohranjamo med gibanjem in katerih študij je bistven. So kot trden stolpec, na katerega se je mogoče pritrditi za reševanje težav, pri katerih se sile razlikujejo na zelo zapletene načine.

Primer: ravno takrat, ko dve vozili trčita, je medsebojna interakcija zelo intenzivna, a kratka. Tako intenziven, da ni treba upoštevati nobenih drugih sil, zato je mogoče vozila obravnavati kot izoliran sistem.

Toda opisovanje te intenzivne interakcije ni lahka naloga, saj vključuje sile, ki se razlikujejo v času in tudi v prostoru. Vendar, če predpostavimo, da vozila tvorijo izoliran sistem, so sile med njimi notranje in ohrani se zagon.

Z ohranjanjem zagona je mogoče predvideti, kako se bodo vozila premikala tik po trčenju.

Tukaj sta dva najpomembnejša načela ohranjanja v dinamiki:

Varčevanje z energijo

V naravi obstajata dve vrsti sil: konzervativna in nekonzervativna. Teža je dober primer prvega, medtem ko je trenje dober primer slednjega.

No, konzervativne sile so značilne, ker ponujajo možnost shranjevanja energije v konfiguraciji sistema. Gre za tako imenovano potencialno energijo.

Kadar ima telo potencialno energijo zahvaljujoč se delu konzervativne sile, kot je teža, in gre v gibanje, se ta potencialna energija pretvori v kinetično energijo. Vsota obeh energij se imenuje mehanska energija sistema in je tista, ki je ohranjena, torej ostane konstantna.

Naj bo U potencialna energija, K kinetična energija in E _m mehanska energija. Če na objekt delujejo samo konzervativne sile, je res, da:

Tako:

Ohranjanje zagona

To načelo se uporablja ne le pri trčenju dveh vozil. Gre za zakon fizike z obsegom, ki presega makroskopski svet.

Zagon se ohranja na ravni sončnega, zvezdnega in galaksijskega sistema. In to počne tudi v merilu atoma in atomskega jedra, kljub temu, da Newtonova mehanika tam preneha veljati.

Naj je P vektor impulza, ki ga poda:

P = m. v

Izvajanje P glede na čas:

Če masa ostane konstantna:

Zato lahko zapišemo Newtonov drugi zakon takole:

_Neto F = d P / dt

Če dve telesi m ₁ in m ₂ tvorita izoliran sistem, sta sili med njima notranji in po Newtonovem tretjem zakonu sta enaki in nasprotni F ₁ = - F ₂ , pri čemer je izpolnjeno, da:

Če je derivat glede na čas magnitude enak nič, to pomeni, da veličina ostane konstantna. Zato lahko v izoliranem sistemu trdimo, da je zagon sistema ohranjen:

P ₁ + P ₂ = konstanta

Kljub temu se lahko P ₁ in P ₂ razlikujeta posamično. Zagon sistema je mogoče prerazporediti, pomembno pa je, da njegova vsota ostane nespremenjena.

Predstavljeni pojmi v dinamiki

V dinamiki obstaja veliko pomembnih pojmov, vendar izstopata dva: masa in sila. Na že prej komentirani sili in spodaj je seznam najvidnejših konceptov, ki se pojavljajo poleg nje pri preučevanju dinamike:

Inercija

Predmeti se morajo upirati spremembam v stanju počitka ali gibanja. Vsi predmeti z maso imajo vztrajnost in to doživljajo zelo pogosto, na primer med potovanjem v pospeševalnem avtomobilu potniki ponavadi ostanejo v mirovanju, kar se dojema kot občutek, da se prilepijo na zadnji del sedeža.

Če se avto naglo ustavi, se potniki navadno prevrnejo po gibanju naprej, ki so ga imeli prej, zato je pomembno, da vedno nosite varnostne pasove.

Slika 4. Ko potujemo z avtomobilom, nas inercija zruši, ko avto močno zavira. Vir: Pixabay.

Maša

Masa je vztrajnostno merilo, saj večja kot je masa telesa, težje ga je premikati ali povzročiti, da spremeni gibanje. Masa je skalarna količina, kar pomeni, da je za določitev mase telesa potrebno našteti številčno vrednost in izbrano enoto, ki je lahko kilo, kilogram, gram in več.

Utež

Teža je sila, s katero Zemlja vleče predmete blizu svoje površine proti središču.

Ker gre za silo, ima teža vektorski značaj, zato je popolnoma določen, ko sta navedena njegova velikost ali številčna vrednost, smer in občutek, za katere že vemo, da je navpično navzdol.

Teža in masa, čeprav sta povezani, nista enaki, niti enakovredni, saj je prvi vektor, drugi pa skalar.

Referenčni sistemi

Opis gibanja se lahko razlikuje glede na izbrano referenco. Tisti, ki se dvigajo v dvigalu, počivajo v skladu z referenčnim okvirom, ki je pritrjen nanjo, vendar jih opazuje opazovalec na tleh, potniki se premikajo.

Če telo občuti gibanje okoli enega referenčnega okvira, v drugem pa počiva, Newtonovi zakoni ne morejo veljati za oba. Pravzaprav so Newtonovi zakoni uporabni za določene referenčne okvire: tiste, ki so inercijski.

V inercialnih referenčnih okvirih telesa ne pospešujejo, če jih na nek način ne motijo ​​- z uporabo sile.

Fiktivne sile

Fiktivne sile ali psevdo-sile se pojavijo, ko se analizira gibanje telesa v pospešenem referenčnem okviru. Fiktivna sila se razlikuje po tem, da ni mogoče prepoznati povzročitelja, ki je odgovoren za njen videz.

Centrifugalna sila je dober primer fiktivne sile. Vendar dejstvo, da to ni, ne pomeni nič manj resničnega za tiste, ki to izkusijo, ko zavijejo v svoje avtomobile in začutijo, da jih nevidna roka potiska iz ovinka.

Pospešek

Ta pomemben vektor je bil že omenjen. Predmet doživlja pospešek, dokler obstaja sila, ki spreminja svojo hitrost.

Delo in energija

Ko sila deluje na predmet in ta spremeni svoj položaj, je sila naredila svoje delo. In to delo lahko shranimo v obliki energije. Zato se na objektu izvaja delo, zahvaljujoč temu, da pridobi energijo.

Naslednji primer razjasni točko: Recimo, da oseba dvigne lonec določeno višino nad gladino tal.

Za to mora uporabiti silo in premagati gravitacijo, zato na loncu deluje in to delo shrani v obliki gravitacijske potencialne energije v loncu, sorazmerno z njegovo maso in višino, ki jo je dosegla nad tlemi. :

Kjer je m masa, je g težnost, h pa višina. Kaj lahko lonec naredi na višini h? No, lahko pade in ko pade, se gravitacijska potencialna energija, ki jo ima, zmanjšuje, kinetična ali gibalna energija pa se povečuje.

Da sila deluje, mora ustvariti premik, ki mora biti vzporeden s silo. Če se to ne zgodi, sila še vedno deluje na predmet, vendar ne dela na njem.

Sorodne teme

Newtonov prvi zakon.

Drugi zakon Newtona.

Newtonov tretji zakon.

Zakon ohranjanja snovi.

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženirstvo in znanosti. Zvezek 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 2. Dinamika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. 6. dvorana Ed Prentice.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualna fizikalna znanost. 5. Ed Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6. skrajšana izdaja. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.
7. Wikipedija. Dinamičen. Pridobljeno: es.wikipedia.org.