DYNAMIIKKA: HISTORIA, SEN OPINNOT, LAIT JA TEORIAT - FYYSINEN - 2026

Dynaaminen on alue mekaniikka, joka tutkii vuorovaikutukset, joten niiden vaikutukset. Siinä kuvaillaan niitä laadullisesti ja määrällisesti sekä ennustetaan, kuinka ne kehittyvät ajan myötä.

Periaatteita soveltaen tiedetään, kuinka kehon liikettä muutetaan vuorovaikutuksessa muiden kanssa ja myös jos nämä vuorovaikutukset vääristävät sitä, koska on täysin mahdollista, että molemmat vaikutukset tapahtuvat samanaikaisesti.

Kuva 1. Pyöräilijän vuorovaikutukset muuttavat niiden liikettä. Lähde: Pixabay.

Suuren kreikkalaisen filosofin Aristoteleen (384-322 eKr.) Uskomukset hallitsivat lännen dynamiikan perustana vuosisatojen ajan. Hän ajatteli, että esineet liikkuivat jonkinlaisen energian takia, joka työnsi niitä toiseen suuntaan.

Hän havaitsi myös, että esineen työntämisen aikana se liikkuu vakionopeudella, mutta kun työntäminen pysäytetään, se liikkuu hitaammin, kunnes se pysähtyy.

Aristoteleen mukaan vakiovoiman toiminta oli välttämätöntä, jotta jokin liikkui vakionopeudella, mutta tapahtuu kuitenkin, että tällä filosofilla ei ollut kitkan vaikutuksia.

Hänen toinen ajatus oli, että raskaammat esineet putosivat nopeammin kuin kevyemmät. Se oli suuri Galileo Galilei (1564-1642), joka osoitti kokeiluilla, että kaikki vartalo putoavat samalla kiihtyvyydellä massasta riippumatta unohtamatta viskoosit vaikutukset.

Mutta juuri Isaac Newton (1642-1727), kaikkien aikojen merkittävin tiedemies, jota pidetään modernin dynamiikan ja matemaattisen laskennan isänä yhdessä Gottfried Leibnizin kanssa.

Kuva 2. Isaf Newton vuonna 1682, kirjoittanut Godfrey Kneller. Lähde: Wikimedia Commons.

Sen kuuluisat lait, jotka on muotoiltu 1700-luvulla, ovat edelleen voimassa ja tuoreita tänään. Ne ovat klassisen mekaniikan perusta, jonka näemme ja joka vaikuttaa meihin päivittäin. Näistä laeista keskustellaan pian.

Mitä dynamiikka opiskelee?

Dynamiikka tutkii objektien välistä vuorovaikutusta. Kun esineet ovat vuorovaikutuksessa, niiden liikkeessä ja muodonmuutoksissa tapahtuu muutoksia. Erityinen alue, jota kutsutaan staattiseksi, on omistettu tasapainossa oleville järjestelmille, niille, jotka ovat levossa tai tasaisella suoraviivaisella liikkeellä.

Dynamiikan periaatteita soveltamalla on mahdollista yhtälöiden avulla ennustaa, mitkä ovat esineiden muutokset ja ajan myötä tapahtuva kehitys. Tätä varten tehdään joitain oletuksia tutkittavan järjestelmän tyypistä riippuen.

Hiukkaset, jäykät kiinteät aineet ja jatkuvat väliaineet

Hiukkasmalli on yksinkertaisin aloittaa dynamiikan periaatteiden soveltaminen. Siinä oletetaan, että tutkittavalla esineellä on massa, mutta ei mittoja. Siksi hiukkanen voi olla yhtä pieni kuin elektroni tai yhtä suuri kuin maa tai aurinko.

Kun haluat tarkkailla koon vaikutusta dynamiikkaan, on tarpeen ottaa huomioon esineiden koko ja muoto. Malli, joka ottaa tämän huomioon, on jäykkä kiinteä aine, runko, jolla on mitattavat mitat ja joka koostuu hyvin monista hiukkasista, mutta joka ei deformoidu voimien vaikutuksesta.

Lopuksi, jatkuvan väliaineen mekaniikka ottaa huomioon objektin mittojen lisäksi myös sen erityiset ominaisuudet, mukaan lukien sen kyky muuttaa muotoaan. Jatkuva väliaine käsittää jäykät ja ei-jäykät kiinteät aineet sekä nesteet.

Newtonin lait

Avain dynaamisuuden toimivuuden ymmärtämiseen on Newtonin lakien perusteellinen ymmärtäminen, jotka yhdistävät kvantitatiivisesti kehoon vaikuttavat voimat liikkeen tai lepoaseman muutoksiin.

Newtonin ensimmäinen laki

Selitys Newtonin ensimmäisestä laista. Lähde: itse tehty.

Sanoo niin:

Lausunnon ensimmäinen osa vaikuttaa melko itsestään selvältä, koska on selvää, että levossa oleva esine pysyy sellaisena, ellei sitä häiritä. Ja tätä varten tarvitaan voima.

Toisaalta tosiasiaa, että esine jatkaa liikettä, vaikka siihen kohdistuva nettovoima on nolla, on hieman vaikeampi hyväksyä, koska näyttää siltä, ​​että esine voisi pysyä liikkeessä määräämättömän ajan. Ja jokapäiväinen kokemus kertoo meille, että ennemmin tai myöhemmin asiat hidastuvat.

Vastaus tähän ilmeiseen ristiriitaan on kitka. Itse asiassa, jos esine liikkuu täysin sileällä pinnalla, se voisi tehdä niin määräämättömästi, olettaen, että mikään muu voima ei aiheuta liikettä.

Koska kitkaa ei ole mahdollista eliminoida kokonaan, tilanne, jossa vartalo liikkuu loputtomiin vakionopeudella, on idealisointi.

Lopuksi on tärkeää huomata, että vaikka nettovoima on nolla, tämä ei välttämättä tarkoita voimien täydellistä poistumista esineestä.

Maan pinnalla olevat esineet kokevat aina painovoiman. Pöydällä lepäävä kirja pysyy sellaisena, koska pöydän pinta kohdistaa painon vastaiseen voimaan.

Newtonin toinen laki

Selitys Newtonin toisesta laista. Lähde: itse tehty.

Newtonin ensimmäinen laki määrittelee, mitä tapahtuu esineelle, jonka nettovoima tai syntyvä voima on nolla. Nyt dynamiikan peruslaki tai Newtonin toinen laki osoittavat, mitä tapahtuu, kun nettovoima ei purkaudu:

Itse asiassa mitä suurempi käytetty voima on, sitä suurempi on kohteen nopeuden muutos. Ja jos sama voima kohdistuu eri massojen esineisiin, suurimpia muutoksia kokevat kevyemmät ja helpommin liikutettavat esineet. Arkikokemus on näiden lausuntojen mukainen.

Newtonin kolmas laki

Avaruusraketti vastaanottaa tarvittavan työntövoiman karkotettujen kaasujen ansiosta. Lähde: Pixabay.

Newtonin kaksi ensimmäistä lakia viittaavat yhteen esineeseen. Mutta kolmas laki viittaa kahteen esineeseen. Nimeämme heille esineet 1 ja 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Itse asiassa aina, kun voima vaikuttaa kehoon, se johtuu siitä, että toinen on vastuussa sen aiheuttamisesta. Maan esineillä on siis paino, koska se houkuttelee niitä kohti keskustaansa. Sähkövaraus hylätään toisella saman merkin latauksella, koska se kohdistaa torjuntavoiman ensimmäiseen ja niin edelleen.

Kuva 3. Yhteenveto Newtonin laeista. Lähde: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Suojausperiaatteet

Dynamiikassa on useita määriä, jotka säilyvät liikkumisen aikana ja joiden tutkiminen on välttämätöntä. Ne ovat kuin kiinteä pylväs, johon on mahdollista kiinnittää ratkaista ongelmia, joissa voimat vaihtelevat hyvin monimutkaisilla tavoilla.

Esimerkki: heti kun kaksi ajoneuvoa törmäävät, vuorovaikutus niiden välillä on erittäin intensiivistä, mutta lyhyttä. Niin voimakasta, että muita voimia ei tarvitse ottaa huomioon, joten ajoneuvoja voidaan pitää erillisenä järjestelmänä.

Mutta tämän intensiivisen vuorovaikutuksen kuvaaminen ei ole helppoa, koska siihen liittyy voimia, jotka vaihtelevat ajassa ja myös tilassa. Jos kuitenkin oletetaan, että ajoneuvot muodostavat eristetyn järjestelmän, niiden väliset voimat ovat sisäisiä ja vauhti säilyy.

Säästämällä vauhtia on mahdollista ennustaa, kuinka ajoneuvot liikkuvat heti törmäyksen jälkeen.

Tässä on kaksi Dynamicsin tärkeintä säilyttämisperiaatetta:

Energiansäästö

Luonnossa on kahden tyyppisiä voimia: konservatiivinen ja ei-konservatiivinen. Paino on hyvä esimerkki entisestä, kun taas kitka on hyvä esimerkki jälkimmäisestä.

No, konservatiivisille voimille on ominaista, koska ne tarjoavat mahdollisuuden varastoida energiaa järjestelmän kokoonpanossa. Se on ns. Potentiaalienergia.

Kun keholla on potentiaalienergiaa konservatiivisen voiman, kuten painon, vaikutuksesta, ja se menee liikkeelle, tämä potentiaalinen energia muunnetaan kineettiseksi energiaksi. Molempien energioiden summaa kutsutaan järjestelmän mekaaniseksi energiaksi ja se on konservoitunut, ts. Se pysyy vakiona.

Olkoon U potentiaalienergia, K-kineettinen energia ja E _{m -} mekaaninen energia. Jos vain konservatiiviset voimat vaikuttavat esineeseen, on totta, että:

Täten:

Vauhdin säilyttäminen

Tätä periaatetta ei sovelleta vain, kun kaksi ajoneuvoa törmäävät. Se on fysiikan laki, jonka soveltamisala ylittää makroskooppisen maailman.

Vauhti säilyy aurinko-, tähti- ja galaksijärjestelmien tasolla. Ja se tekee sen myös atomin ja ytimen mittakaavassa, huolimatta siitä, että Newtonin mekaniikka lakkaa olemasta voimassa siellä.

Olkoon P impulssivektori, jonka antaa:

P = m. v

Johdanna P ajan myötä:

Jos massa pysyy vakiona:

Siksi voimme kirjoittaa Newtonin toisen lain näin:

_Netto F = d P / dt

Jos kaksi runkoa m ₁ ja m ₂ muodostavat eristetyn järjestelmän, niiden väliset voimat ovat sisäisiä ja Newtonin kolmannen lain mukaan ne ovat yhtä suuret ja vastakkaiset F ₁ = - F ₂ täyttäen seuraavan:

Jos johdannainen suhteessa suuruusaikaan on nolla, se tarkoittaa, että voimakkuus pysyy vakiona. Siksi eristetyssä järjestelmässä voidaan todeta, että järjestelmän vauhti säilyy:

P ₁ + P ₂ = vakio

Jopa niin, P ₁ ja P ₂ voivat vaihdella yksilöllisesti. Järjestelmän vauhtia voidaan jakaa uudelleen, mutta tärkeätä on, että sen summa pysyy ennallaan.

Esitetyt käsitteet dynamiikassa

Dynamiikassa on monia tärkeitä käsitteitä, mutta niistä erottuu kaksi: massa ja voima. Jo aiemmin kommentoiduilla voimilla ja alla on luettelo merkittävimmistä käsitteistä, jotka ilmestyvät sen viereen dynamiikan tutkimuksessa:

Inertia

Se on ominaisuus, jonka esineiden on vastustettava lepo- tai liikkumistilan muutoksia. Kaikilla massalla olevilla esineillä on hitaus ja se kokee hyvin usein, esimerkiksi kiihdyttävässä autossa matkustettaessa matkustajilla on taipumus pysyä levossa, mikä nähdään tunteena tarttua istuimen selkänojaan.

Ja jos auto pysähtyy äkillisesti, matkustajilla on taipumus kaatua yli aikaisemman eteenpäin suuntautuvan liikkeen seurauksena, joten on tärkeää käyttää turvavyöjä aina.

Kuva 4. Autolla matkustettaessa hitaus aiheuttaa meille törmäyksen, kun auto jarruttaa voimakkaasti. Lähde: Pixabay.

Massa

Massa on hitauden mitta, koska mitä suurempi on kehon massa, sitä vaikeampaa on liikuttaa sitä tai saada se muuttamaan liikettä. Massa on skalaarimäärä, mikä tarkoittaa, että ruumiin massan määrittämiseksi on annettava numeerinen arvo plus valittu yksikkö, joka voi olla kilo, pauna, gramma ja enemmän.

Paino

Paino on voima, jolla Maa vetää esineitä lähellä pintaaan kohti keskustaa.

Koska paino on voima, sillä on vektori-merkki, joten se määritetään täysin, kun sen suuruus tai numeerinen arvo, suunta ja merkitys osoitetaan, mikä jo tiedämme olevan pystysuorassa alaspäin.

Siten, vaikka paino ja massa ovat suhteessa toisiinsa, eivät ole samanarvoisia, eivät edes ekvivalentteja, koska ensimmäinen on vektori ja toinen skalaari.

Referenssijärjestelmät

Liikkeen kuvaus voi vaihdella valitusta referenssistä riippuen. Hississä nousevat ovat levossa siihen kiinnitetyn viitekehyksen mukaan, mutta matkustajat liikkuvat maassa olevan tarkkailijan toimesta.

Jos vartalo kokee liikettä yhden viitekehyksen suhteen, mutta on levossa toisessa, Newtonin lakeja ei voida soveltaa molempiin. Itse asiassa Newtonin lait ovat sovellettavissa tiettyihin viitekehyksiin: inertioihin.

Inertiaalisissa referenssikehyksissä elimet eivät kiihdy, ellei niitä häiritä jollain tavalla - kohdistamalla voimaa.

Kuvitteelliset joukot

Kuvitteelliset voimat tai näennäisvoimat ilmestyvät, kun ruumiin liikettä kiihdytetyssä vertailukehyksessä analysoidaan. Kuvitteellinen voima erotetaan, koska sen ilmestymisestä vastuussa olevaa tekijää ei ole mahdollista tunnistaa.

Keskipakovoima on hyvä esimerkki kuvitteellisesta voimasta. Se, että se on, ei kuitenkaan tee siitä vähemmän todellista niille, jotka kokevat sen kääntyessään autoihinsa ja kokevat, että näkymätön käsi ajaa heidät ulos käyrästä.

kiihtyvyys

Tämä tärkeä vektori on jo mainittu aiemmin. Kohde kokee kiihtyvyyden niin kauan kuin on voimaa, joka muuttaa nopeuttaan.

Työ ja energia

Kun voima vaikuttaa esineeseen ja se muuttaa sen asemaa, voima on tehnyt työtä. Ja tämä työ voidaan varastoida energian muodossa. Siksi esineessä tehdään työ, jonka avulla se saa energiaa.

Seuraava esimerkki tyhjennä kohta: Oletetaan, että henkilö nostaa potin tietyllä korkeudella maanpinnan yläpuolella.

Tätä varten sen on kohdistettava voima ja ylitettävä painovoima, joten se toimii ruukussa ja tämä työ varastoidaan potissa potentiaalisen potentiaalienergian muodossa suhteessa sen massaan ja korkeuteen, jonka se saavutti lattian yläpuolelle.:

Missä m on massa, g on painovoima ja h on korkeus. Mitä potti voi tehdä, kun se on korkeudessa h? No, se voi pudota ja pudotessaan siinä oleva gravitaatiopotentiaalienergia vähenee, kun taas kineettinen tai liikeenergia kasvaa.

Jotta voima toimisi, sen on tuotettava siirtymä, jonka on oltava yhdensuuntainen voiman kanssa. Jos näin ei tapahdu, voima vaikuttaa edelleen esineeseen, mutta ei tee sitä.

liittyvät aiheet

Newtonin ensimmäinen laki.

Newtonin toinen laki.

Newtonin kolmas laki.

Aineen säilyttämislaki.

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikan ja tieteiden aloille. Nide 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Sarja: Fysiikka tieteiden ja tekniikan aloille. Osa 2: Dynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. 6… Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Käsitteellinen fysikaalinen tiede. 5th. Toim. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fysiikka: Katso maailmaa. Kuudes lyhennetty painos. Cengagen oppiminen.
6. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
7. Wikipedia. Dynaaminen. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.