Historia dynamiki, jakie badania, prawa i teorie

dynamiczny Obszar mechaniki bada interakcje między ciałami i ich skutkami. Zajmuje się opisaniem ich jakościowo i ilościowymi, oprócz przewidywania, w jaki sposób ewoluują z czasem.

Stosując swoje zasady, wiadomo, w jaki sposób ruch ciała jest modyfikowany podczas interakcji z innymi, a także jeśli te interakcje go deformują, ponieważ jest całkowicie możliwe, że oba efekty występują jednocześnie.

Rysunek 1. Interakcje rowerzysty modyfikują ich ruch. Źródło: Pixabay.

Przekonania wielkiego greckiego filozofa Arystotelesa (384-322.C.) Przez wieki dominował jako fundament dynamiki na Zachodzie. Myślał, że obiekty poruszały się z powodu pewnego rodzaju energii, która popychała je w jednym czy innym kierunku.

Zauważył również, że podczas pchania obiektu porusza się ze stałą prędkością, ale kiedy zatrzymuje się pchanie, porusza się coraz wolniej, aż się zatrzyma.

Według Arystotelesa działanie stałej siły było konieczne, aby zapewnić, że coś zmieniło się na stałą prędkość, ale dzieje się to, że ten filozof nie miał skutków tarcia.

Innym pomysłem było to, że najcięższe obiekty spadły szybciej niż najlżejsze. To wielki Galileo Galilei (1564-1642) wykazał z eksperymentami, że wszystkie ciała spadają z tym samym przyspieszeniem, niezależnie od ich masy, gardząc lepkim efektami.

Ale to Izaak Newton (1642-1727), najbardziej znany naukowiec, który do tej pory żył, uważany za ojca współczesnej dynamiki i obliczeń matematycznych, wraz z Gottfried Leibniz.

Rysunek 2. Izaak Newton w 1682 roku przez Godfrey Knelerl. Źródło: Wikimedia Commons.

Jego słynne prawa, sformułowane w XVII wieku, utrzymują dziś taką samą ważność i świeżość. Stanowią podstawę mechaniki klasycznej, którą widzimy i wpływa na nas każdego dnia. O tych przepisach zostaną wkrótce omówione.

[TOC]

Jakie badania dynamiki?

Dynamika badań interakcja między obiektami. Kiedy obiekty oddziałują na ich ruch, a także deformacje. Określony obszar zwany statycznym, jest dedykowany tym systemom w równowadze, które są w spoczynku lub z jednolitym ruchem prostoliniowym.

Stosując zasady dynamiki, możliwe jest przewidywanie, poprzez równania, jakie będą zmiany i ewolucja obiektów w czasie. W tym celu ustalono pewne założenia według rodzaju systemu, który chcesz przestudiować.

Cząstki, sztywne ciśnienie ciał i ciągłe środki

Model cząstek jest najprostszy, aby rozpocząć stosowanie zasad dynamiki. Zakłada się, że przedmiot, który należy zbadać, ma masę, ale nie wymiary. Dlatego cząsteczka może być tak mała jak elektron lub tak duża jak ziemia lub słońce.

Jeśli chcesz zaobserwować efekt wielkości dynamiki, należy wziąć pod uwagę rozmiar i kształt obiektów. Model, który to uwzględnia, jest sztywne ciało stałe, ciało o mierzalnych wymiarach złożonych z wielu cząstek, ale nie jest to zdeformowane pod wpływem sił.

Wreszcie, ciągła mechanika mediów bierze pod uwagę nie tylko wymiary obiektu, ale także ich szczególne cechy, w tym zdolność do deformowania. Ciągłe media obejmują sztywne substancje stałe i te, które nie są, oprócz płynów.

Prawa Newtona

Kluczem do zrozumienia, jak działa dynamika, jest pełne zrozumienie przepisów Newtona, które ilościowo łączą siły, które działają na ciało ze zmianami w stanie ruchu lub odpoczynku.

Pierwsze prawo Newtona

Wyjaśnienie pierwszego prawa Newtona. Źródło: Self Made.

Mówi więc:

Gdy siła netto na obiekcie jest równa zero, obiekt będzie kontynuowany w spoczynku, jeśli był w spoczynku. A jeśli się poruszał, jego ruch będzie prostoliniowy i ciągle.

Pierwsza część stwierdzenia wygląda dość oczywisto, ponieważ jest oczywiste, że obiekt w spoczynku pozostanie taki, chyba że zostanie zakłócony. I dla tego wymagana jest siła.

Może ci służyć: Model atomowy Democritus: tło, cechy, postuluje

Z drugiej strony fakt, że obiekt pozostaje w ruchu, nawet gdy siła netto na nim wynosi zero, jest nieco trudniejszy do zaakceptowania, ponieważ wydaje się, że obiekt może być w ruchu w nieskończoność. A codzienne doświadczenie mówi nam, że rzeczy prędzej czy później przestają.

Odpowiedź na tę pozorną sprzeczność jest tarcie. Rzeczywiście, jeśli obiekt przesunął się na idealnie gładką powierzchnię, mógłby to zrobić na czas nieokreślony w przypadku, gdy żadna inna siła nie zmienia ruchu.

Ponieważ niemożliwe jest całkowite wyeliminowanie tarcia, sytuacja, w której ciało porusza się w nieskończoność przy stałej prędkości, jest idealizacją.

Wreszcie, należy zauważyć, że chociaż siła netto jest zerowa, niekoniecznie oznacza to całkowity brak sił na obiekcie.

Obiekty na powierzchni Ziemi zawsze doświadczają przyciągania grawitacyjnego. Książka odpoczynku obsługiwana na stole pozostaje taka, ponieważ powierzchnia stołu wywiera siłę, która przeciwdziała ciężaru.

Drugie prawo Newton

Wyjaśnienie drugiego prawa Newtona. Źródło: Self Made.

W pierwszym prawie Newtona ustalono, co dzieje się z obiektem, na którym siła lub wynik jest nieważna. Teraz podstawowe prawo dynamiki lub drugiego prawa Newtona wskazuje, co się stanie, gdy siły netto nie zostaną unieważnione:

Jeśli zewnętrzna siła netto F Działa na obiekcie masy m, doświadczy przyspieszenia proporcjonalnego do siły i w tym samym kierunku. Matematycznie:

F_Internet = mDo.

Rzeczywiście, im większa stosowana siła, tym większa zmiana prędkości obiektu. A jeśli ta sama siła dotyczy przedmiotów o różnych masach, główne zmiany będą doświadczane przez lżejsze i łatwiejsze do poruszania. Codzienne doświadczenie zgadza się z tymi twierdzeniami.

Trzecie prawo Newtona

Rakieta kosmiczna otrzymuje niezbędny napęd dzięki wydalonym gazom. Źródło: Pixabay.

Pierwsze dwa prawa Newtona odnoszą się do jednego obiektu. Ale trzecie prawo odnosi się do dwa obiekty. Wyznaczymy ich obiekt 1 i obiekt 2:

Oddziałując dwa obiekty, siły, które się wywierają, są zawsze równe zarówno wielkości, jak i w kierunku, ale o przeciwnym znaczeniu, które w sposób matematyczny jest wyrażany w następujący sposób:

F₁₂ = -F_{dwadzieścia jeden}

W rzeczywistości, gdy siła dotknie ciało, dzieje się tak, ponieważ istnieje inny, który jest odpowiedzialny za to. Zatem obiekty na Ziemi mają wagę, ponieważ przyciąga je w kierunku swojego centrum. Ładunek elektryczny jest odpychany przez inny obciążenie tego samego znaku, ponieważ wywiera siłę odpychania na pierwszy, a zatem.

Rysunek 3. Podsumowanie prawa Newtona. Źródło: Wikimedia Commons. Hugo4914 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/nabrzeże/4.0)].

Zasady ochrony

W dynamice istnieje kilka ilości, które są zachowane podczas ruchu i których badanie jest fundamentalne. Są jak solidna kolumna, do której można podlegać rozwiązaniu problemów, w których siły różnią się od bardzo złożonych sposobów.

Przykład: Gdy dwa pojazdy zderzają się, interakcja między nimi jest bardzo intensywna, ale krótka. Tak intensywne, że należy wziąć pod uwagę inne siły, dlatego pojazdy można uznać za izolowany system.

Ale opisanie tej intensywnej interakcji nie jest łatwym zadaniem, ponieważ chodzi o siły, które różnią się w czasie, a także w przestrzeni. Jednak zakładając, że pojazdy stanowią izolowany system, siły między nimi są wewnętrzne, a ilość ruchu jest zachowana.

Może ci służyć: baza ortonormalna: właściwości, przykłady i ćwiczenia

Utrzymanie ilości ruchu można przewidzieć, w jaki sposób pojazdy poruszają się tuż po zderzeniu.

Poniżej znajdują się dwie najważniejsze zasady ochrony w dynamice:

Oszczędzanie energii

W naturze wyróżnia się dwa rodzaje sił: konserwatywny i nie -konserwatywny. Waga jest dobrym przykładem tego pierwszego, podczas gdy tarcie jest z drugiego.

Cóż, siły konserwatywne są scharakteryzowane, ponieważ zapewniają możliwość przechowywania energii w konfiguracji systemu. Jest tak zwaną energią potencjalną.

Kiedy ciało ma energię potencjalną dzięki działaniu siły konserwatywnej, takiej jak waga i wchodzenie w ruch, taka energia potencjalna staje się energią kinetyczną. Suma obu energii nazywa się energią mechaniczną systemu i jest ta, która jest zachowana, to znaczy pozostaje stała.

Być LUB Energia potencjalna, K energia kinetyczna i I_M Energia mechaniczna. Jeśli działasz na siłach konserwatywnych na obiekcie, spełnia się, że:

I_M = U + k = stała

Dlatego:

I_{M wstępny} = E_{M finał}

Ochrona ilości ruchu

Ta zasada ma zastosowanie nie tylko, gdy zderzają się dwa pojazdy. Jest to prawo fizyki o zakresie wykraczającym poza świat makroskopowy.

Ilość ruchu jest zachowana na poziomie systemów słonecznych, gwiezdnych i galaktyk. I robi to także w jądrze atomowym i atomowym, pomimo faktu, że mechanika newtonowska przestaje być ważna.

Być P Wektorowa ilość ruchu podana przez:

P = m.v

Pochodzący P Jeśli chodzi o czas:

DP /dt = d [m.v]/dt

Jeśli ciasto pozostaje stałe:

DP /dt = m dv/dt = m.Do

Dlatego możemy napisać drugie prawo Newtona w ten sposób:

F_Internet = dP /dt

Jeśli dwa ciała m₁ oraz m₂ Tworzą izolowany system, siły między nimi są wewnętrzne i zgodnie z trzecim prawem Newtona są takie same i przeciwne F₁ = -F₂, spełnienie tego:

DP₁ /dt = - dP₂/dt → d [P₁ + P₂]/dt = 0

Jeśli pochodna w odniesieniu do czasu wielkości jest zerowa, oznacza to, że taka wielkość pozostaje stała. Dlatego w izolowanym systemie można potwierdzić, że zachowana jest ilość ruchu systemu:

P₁ + P₂ = stała

Nawet jeśli, P₁ I P₂ Mogą się różnić indywidualnie. Można redystrybuować ilość ruchu systemu, ale liczy się to, że jego suma pozostaje niezmieniona.

Rozpocząłem koncepcje dynamiki

Istnieje wiele ważnych koncepcji w dynamice, ale dwa z nich wyróżniają się: masa i siła. W sile był już wspomniany wcześniej, a następnie istnieje lista najważniejszych pojęć, które pojawiają się z nią w badaniu dynamiki:

Bezwładność

Jest to właściwość, że obiekty muszą oprzeć się zmianom w stanie odpoczynku lub ruchu. Wszystkie obiekty o masie mają bezwładność i są doświadczane bardzo często, na przykład podczas podróży samochodem, który przyspiesza, pasażerowie mają tendencję do pozostawania w spoczynku, który jest postrzegany jako poczucie przyklejenia się do kopii zapasowej siedzenia.

A jeśli samochód ostro się zatrzyma, pasażerowie mają tendencję do opuszczania Bruces, po wcześniejszym ruchu, który mieli wcześniej, dlatego ważne jest, aby zawsze nosić pasy bezpieczeństwa.

Rysunek 4. Podczas podróży samochodem bezwładność sprawia, że ​​odchodzimy z Bruces, gdy samochód ostro hamuje. Źródło: Pixabay.

Masa

Masa jest miarą bezwładności, ponieważ im większa masa ciała, tym trudniej jest ją poruszyć lub wprowadzić jego ruch. Masa jest wielkością skalarną, oznacza to, że aby określić masę ciała, konieczne jest nadanie wartości liczbowej plus wybrane jednostki, które może wynosić kilogram, funty, gramy i inne.

Może ci służyć: Lenz Law: Formuła, równania, aplikacje, przykłady

Waga

Waga to siła, z jaką Ziemia przyciąga do środka, obiekty blisko jej powierzchni.

Ponieważ jest to siła, waga jest wektorem, dlatego jest całkowicie określona, ​​gdy jego wielkość lub wartość numeryczna, jego kierunek i znaczenie są wskazane, co już wiemy, że jest pionowo w dół.

Zatem, chociaż powiązane, waga i masa nie są takie same, nawet nie równoważne, ponieważ pierwszy to wektor, a drugi skalar.

Systemy referencyjne

Opis ruchu może się różnić w zależności od wybranego odniesienia. Ci, którzy idą w windzie, spoczywają w zależności od zestawu ustalonego odniesienia do tego, ale widziani przez obserwatora na ziemi poruszają się pasażerowie.

Jeśli ciało doświadcza ruchu w sprawie ramy odniesienia, ale w innym jest w spoczynku, prawa Newtona nie można zastosować do obu. W rzeczywistości przepisy Newtona mają zastosowanie do niektórych systemów referencyjnych: te, które są bezwładne.

w bezwładne systemy referencyjne, Ciała nie przyspieszają, chyba że są w jakiś sposób zakłócane -podając siłę-.

Fikcyjne siły

Fikcyjne lub pseudo siły pojawiają się, gdy ruch ciała jest analizowany w przyspieszonej ramie odniesienia. Fikcyjna siła wyróżnia się, ponieważ nie można zidentyfikować agenta odpowiedzialnego za jego wygląd.

Siła odśrodkowa jest dobrym przykładem fikcyjnej siły. Jednak fakt, że tak jest, nie czyni go mniej realnym dla tych, którzy go doświadczają, gdy zwracają się w samochody i czują, że niewidzialna ręka wypycha ich z krzywej.

Przyśpieszenie

Ten ważny wektor został już wspomniany wcześniej. Obiekt doświadcza przyspieszenia, o ile istnieje siła, która różni się jego prędkością.

Praca i energia

Kiedy siła działa na obiekt i zmienia swoją pozycję, siła wykonała pracę. I tę pracę można przechowywać w formie energii. Dlatego prace są wykonywane na obiekcie, dzięki którym nabywa energię.

Poniższy przykład wyjaśnia punkt: Załóżmy, że osoba podnosi garnek o określoną wysokość nad poziomem podłogi.

Aby to zrobić, musisz zastosować siłę i pokonać grawitację, dlatego wykonuje pracę na doniczce, a praca ta jest przechowywana w postaci grawitacyjnej energii potencjalnej w doniczce, proporcjonalnie do jej masy i na wysokości, na której osiągnęła podłoga:

U = m.G.H

Gdzie M To jest ciasto, G To jest grawitacja i H Jest wysokością. Co może zrobić, gdy będzie to możliwe H? Cóż, może spaść, a gdy spada, grawitacyjna energia potencjalna ma zmniejsza, podczas gdy energia kinetyczna lub ruchowa rośnie.

Aby siła do pracy, konieczne jest wytworzenie przemieszczenia, które musi być równoległe do siły. Jeśli tak się nie stanie, siła nadal działa na obiekt, ale nie pracuje nad tym.

powiązane tematy

Pierwsze prawo Newtona.

Drugie prawo Newton.

Trzecie prawo Newtona.

Prawo ochrony materii.

Bibliografia

1. Bauer, w. 2011. Fizyka inżynierii i nauki. Tom 1. MC Graw Hill.
2. Figueroa, zm. 2005. Seria: Fizyka nauk i inżynierii. Głośność 2. Dynamiczny. Pod redakcją Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, zm.  2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. 6th ... Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualna nauka fizyczna. 5. Wyd. osoba.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. skrócone wydanie. Cengage Learning.
6. Knight, r.  2017. Fizyka dla naukowców i inżynierii: podejście strategiczne.  osoba.
7. Wikipedia. Dynamiczny. Odzyskane z: jest.Wikipedia.org.