ДИНАМИКА: ИСТОРИЯ, КАКВО ИЗУЧАВА, ЗАКОНИ И ТЕОРИИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В динамика е областта на механиката, която изучава взаимодействието между органите и техните ефекти. Той се занимава с описанието им качествено и количествено, както и предвиждането как те ще се развият във времето.

Прилагайки принципите му, е известно как движението на дадено тяло се променя при взаимодействие с другите, а също и ако тези взаимодействия го деформират, тъй като е напълно възможно и двата ефекта да се появят едновременно.

Фигура 1. Взаимодействията върху колоездача променят тяхното движение. Източник: Pixabay

Вярата на големия гръцки философ Аристотел (384-322 г. пр. Н. Е.) Надделява като основа на динамиката на Запад от векове. Той смяташе, че обектите се движат поради някаква енергия, която ги тласка в една или друга посока.

Той също така забеляза, че докато даден предмет се натиска, той се движи с постоянна скорост, но когато натискането е спряно, той се движи все по-бавно, докато спре.

Според Аристотел действието на постоянна сила е било необходимо, за да се направи нещо да се движи с постоянна скорост, но това, което се случва, е, че този философ не е имал ефектите от триенето.

Друга негова идея беше, че по-тежките предмети падат по-бързо от по-леките. Именно великият Галилео Галилей (1564-1642) демонстрира чрез експерименти, че всички тела падат с едно и също ускорение, независимо от тяхната маса, пренебрегвайки вискозните ефекти.

Но именно Исак Нютон (1642-1727), най-забележителният учен, който някога е живял, е смятан за баща на съвременната динамика и математическо изчисление, заедно с Готфрид Лайбниц.

Фигура 2. Исак Нютон през 1682 г. от Годфри Кнелър. Източник: Wikimedia Commons.

Неговите известни закони, формулирани през 17-ти век, остават толкова валидни и свежи и до днес. Те са в основата на класическата механика, която виждаме и ни влияят всеки ден. Тези закони ще бъдат обсъдени скоро.

Какво изучава динамиката?

Динамиката изучава взаимодействието между обектите. Когато обектите взаимодействат, има промени в тяхното движение, а също и деформации. Специална област, наречена статична, е посветена на тези системи в равновесие, тези, които са в покой или с равномерно праволинейно движение.

Прилагайки принципите на динамиката е възможно чрез уравнения да се предвиди какви ще са промените и еволюцията на обектите във времето. За тази цел се установяват някои предположения в зависимост от типа на системата, която ще се изучава.

Частици, твърди твърди частици и непрекъсната среда

Моделът на частиците е най-простият, за да започнете да прилагате принципите на динамиката. В него се приема, че обектът, който ще се изучава, има маса, но няма размери. Следователно една частица може да бъде толкова малка, колкото електрон или толкова голяма, колкото Земята или Слънцето.

Когато искате да наблюдавате ефекта на размера върху динамиката, е необходимо да вземете предвид размера и формата на предметите. Модел, който отчита това, е този на твърдото твърдо тяло, тяло с измерими размери, съставено от много много частици, но което не се деформира под въздействието на силите.

И накрая, механиката на непрекъснатите среди отчита не само размерите на обекта, но и неговите специфични характеристики, включително способността, която той трябва да деформира. Непрекъснатите среди обхващат твърди и не-твърди твърди частици, както и течности.

Законите на Нютон

Ключът към разбирането на това как работи динамиката е в задълбоченото разбиране на законите на Нютон, които количествено свързват силите, действащи върху дадено тяло, с промените в неговото състояние на движение или почивка.

Първият закон на Нютон

Обяснение на първия закон на Нютон. Източник: самостоятелно направен.

Казва така:

Първата част на изявлението изглежда доста очевидна, тъй като е очевидно, че обект в покой ще остане така, освен ако не бъде нарушен. И за това е необходима сила.

От друга страна, фактът, че даден обект продължава в движение, дори когато нетната сила върху него е нула, е малко по-трудно да се приеме, тъй като изглежда, че един обект може да остане в движение за неопределено време. И всекидневният опит ни казва, че рано или късно нещата се забавят.

Отговорът на това явно противоречие е в триенето. В действителност, ако даден предмет се движи по идеално гладка повърхност, той би могъл да го направи безкрайно, ако приемем, че никоя друга сила не причинява движението да варира.

Тъй като е невъзможно изцяло да се елиминира триенето, ситуацията, при която тялото се движи безкрайно с постоянна скорост, е идеализация.

И накрая, важно е да се отбележи, че макар нетната сила да е нула, това не означава непременно пълно отсъствие на сили върху обекта.

Обектите на земната повърхност винаги изпитват гравитационно привличане. Книга, опираща се на маса, остава по този начин, защото повърхността на масата упражнява сила, която противодейства на теглото.

Втори закон на Нютон

Обяснение на втория закон на Нютон. Източник: самостоятелно направен.

Първият закон на Нютон установява какво се случва с обект, върху който нетната или произтичащата сила е нула. Сега основният закон за динамиката или вторият закон на Нютон указва какво ще се случи, когато нетната сила не се отмени:

В действителност, колкото по-голяма е приложената сила, толкова по-голяма е промяната в скоростта на обект. И ако една и съща сила се прилага към обекти с различна маса, най-големите промени ще преживеят обектите, които са по-леки и по-лесни за движение. Всекидневният опит е съгласен с тези твърдения.

Третият закон на Нютон

Космическа ракета получава необходимото задвижване благодарение на изгонените газове. Източник: Pixabay

Първите два закона на Нютон се отнасят до един обект. Третият закон обаче се отнася до два обекта. Ще ги наречем обект 1 и обект 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Всъщност, когато тялото е засегнато от сила, то е защото друго е отговорно за причиняването му. По този начин обектите на Земята имат тегло, защото тя ги привлича към центъра си. Електрическият заряд се отблъсква от друг заряд от същия знак, защото той упражнява отблъскваща сила върху първия и т.н.

Фигура 3. Обобщение на законите на Нютон. Източник: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Принципи на опазване

В динамиката има няколко количества, които се запазват по време на движение и чието изучаване е от съществено значение. Те са като солидна колона, към която е възможно да се прикачи за решаване на проблеми, при които силите варират по много сложни начини.

Пример: точно когато два автомобила се сблъскат, взаимодействието между тях е много интензивно, но кратко. Толкова интензивен, че не трябва да се вземат предвид други сили, следователно превозните средства могат да се считат за изолирана система.

Описването на това интензивно взаимодействие не е лесна задача, тъй като включва сили, които варират във времето, а също и в пространството. Приемайки обаче, че превозните средства представляват изолирана система, силите между тях са вътрешни и инерцията се запазва.

Чрез запазването на инерцията е възможно да се предвиди как ще се движат превозните средства непосредствено след сблъсъка.

Ето два от най-важните принципи за запазване в динамиката:

Съхранение на енергия

В природата има два вида сили: консервативни и неконсервативни. Теглото е добър пример за първите, докато триенето е добър пример за второто.

Е, консервативните сили се характеризират, защото предлагат възможност за съхраняване на енергия в конфигурацията на системата. Това е така наречената потенциална енергия.

Когато тялото има потенциална енергия благодарение на действието на консервативна сила като тегло и преминава в движение, тази потенциална енергия се преобразува в кинетична енергия. Сумата от двете енергии се нарича механична енергия на системата и е тази, която се запазва, тоест остава постоянна.

Нека U е потенциалната енергия, K кинетичната енергия и E _m механичната енергия. Ако върху даден обект действат само консервативни сили, вярно е, че:

По този начин:

Запазване на инерцията

Този принцип е приложим не само при сблъскване на две превозни средства. Това е закон на физиката с обхват, който надхвърля макроскопичния свят.

Инерцията се запазва на ниво слънчева, звездна и галактическа системи. И това го прави и в мащаба на атома и атомното ядро, въпреки факта, че Нютоновата механика престава да е валидна там.

Нека P е вектор на инерцията, даден от:

P = m. V

Извеждане на P по отношение на времето:

Ако масата остане постоянна:

Следователно можем да напишем втория закон на Нютон така:

_Нет F = d P / dt

Ако две тела м ₁ и М ₂ грим изолирана система, силите между тях са вътрешни, а според трети закон на Нютон, те са равни и противоположни F ₁ = - F ₂, се изпълняват, че:

Ако производната по отношение на време с величина е нула, това означава, че величината остава постоянна. Следователно в изолирана система може да се каже, че инерцията на системата се запазва:

P ₁ + P ₂ = константа

Въпреки това, P ₁ и P ₂ могат да варират поотделно. Инерцията на една система може да бъде преразпределена, но важното е, че нейната сума остава непроменена.

Представени концепции в динамиката

В динамиката има много важни понятия, но две от тях се открояват: маса и сила. За вече коментираната сила и по-долу има списък с най-изявените понятия, които се появяват до нея при изследването на динамиката:

инерция

Това е свойството, което обектите трябва да устоят на промените в своето състояние на покой или движение. Всички обекти с маса имат инерция и това се изпитва много често, например, когато пътувате в ускоряваща се кола, пътниците са склонни да остават в покой, което се възприема като усещане да се придържате към облегалката на седалката.

И ако колата спира рязко, пътниците са склонни да се преобръщат, следвайки движението напред, което преди са имали, така че е важно винаги да носят предпазни колани.

Фигура 4. Когато пътувате с кола, инерцията ни кара да катастрофираме, когато колата рязко спира. Източник: Pixabay

маса

Масата е мярката на инерцията, тъй като колкото по-голяма е масата на едно тяло, толкова по-трудно е да го преместите или да накарате да промени движението си. Масата е скаларно количество, това означава, че за да се определи масата на тялото е необходимо да се даде числовата стойност плюс избраната единица, която може да бъде килограми, килограми, грамове и повече.

тегло

Теглото е силата, с която Земята дърпа предмети близо до повърхността си към центъра си.

Тъй като е сила, теглото има векторен характер, следователно се уточнява напълно, когато са посочени неговата величина или числова стойност, посоката и чувството му, което вече знаем, че е вертикално надолу.

По този начин, въпреки че са свързани, теглото и масата не са равни, дори не са равностойни, тъй като първата е вектор, а втората - скалар.

Референтни системи

Описанието на движение може да варира в зависимост от избраната референция. Тези, които се качват в асансьор, са в покой в ​​съответствие с фиксирана към него референтна рамка, но видяна от наблюдател на земята, пътниците се движат.

Ако тялото изпитва движение около една референтна рамка, но е в покой в ​​друга, законите на Нютон не могат да се прилагат и за двете. Всъщност законите на Нютон са приложими за определени референтни рамки: онези, които са инерционни.

В инерционните референтни рамки телата не се ускоряват, освен ако не бъдат нарушени по някакъв начин - чрез прилагане на сила.

Измислени сили

Измислените сили или псевдосили се появяват, когато се анализира движението на тяло в ускорена референтна рамка. Отличава се фиктивна сила, тъй като не е възможно да се идентифицира причинителят, отговорен за появата му.

Центробежната сила е добър пример за фиктивна сила. Фактът, че е такъв обаче, не го прави по-малко реален за тези, които го преживяват, когато се обръщат в колите си и усещат, че една невидима ръка ги изтласква от завоя.

ускорение

Този важен вектор вече беше споменат преди. Обект изпитва ускорение, стига да има сила, която променя скоростта си.

Работа и енергия

Когато сила действа върху обект и тя променя позицията си, силата е свършила работа. И тази работа може да се съхранява под формата на енергия. Затова се извършва работа върху обекта, благодарение на който той придобива енергия.

Следващият пример изчиства точката: Да предположим, че човек издига саксия на определена височина над нивото на земята.

За това тя трябва да приложи сила и да преодолее гравитацията, следователно тя върши работа върху саксията и тази работа се съхранява под формата на гравитационна потенциална енергия в саксията, пропорционална на нейната маса и височината, която е достигнала над пода.:

Където m е маса, g е гравитацията, а h е височината. Какво може да направи саксията, след като е на височина h? Е, може да падне и докато падне, гравитационната потенциална енергия, която има, намалява, докато кинетичната или движещата енергия се увеличават.

За да работи сила, тя трябва да произведе изместване, което трябва да бъде успоредно на силата. Ако това не се случи, силата все още действа върху обекта, но не върши работа върху него.

Свързани теми

Първият закон на Нютон.

Втори закон на Нютон.

Третият закон на Нютон.

Закон за опазване на материята.

Препратки

1. Bauer, W. 2011. Физика за инженерство и науки. Том 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Серия: Физика за наука и инженерство. Том 2. Динамика. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6-та.. Зала „Ед Прентис“.
4. Хюит, Пол. 2012. Концептуални физически науки. 5-ти. Ед Пиърсън.
5. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6-то съкратено издание. Учене в Cengage.
6. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
7. Wikipedia. Dynamic. Възстановено от: es.wikipedia.org.