Osnovni zakoni mehanike - opisi, značilnosti in formule

Gibanje različnih teles v prostoru je v fiziki obravnavano v posebnem poglavju - mehaniki. Slednji se deli na kinematika in dinamika. V tem članku si bomo ogledali zakone mehanike v fiziki in se osredotočili na dinamiko translacijskega in rotacijskega gibanja teles.

Zgodovinsko ozadje

Kako in zakaj se telesa gibljejo, je zanimalo filozofe in znanstvenike že v antiki. Aristotel je torej menil, da se predmeti gibljejo v prostoru le zato, ker nanje deluje neka zunanja sila. Če se ta učinek ustavi, se telo takoj ustavi. Številni starogrški filozofi so verjeli, da je naravno stanje vseh teles počitek.

S prihodom moderne dobe so se številni znanstveniki lotili preučevanja zakonov gibanja v mehaniki. Znana imena so Huygens, Hooke in Galileo. Ta je razvil znanstveni pristop k preučevanju naravnih pojavov in dejansko odkril prvi zakon mehanike, ki pa ne nosi njegovega priimka.

Leta 1687 je bila objavljena znanstvena publikacija, katere avtor je bil Anglež Isaac Newton. V svojem znanstvenem delu je jasno formuliral osnovne zakone gibanja teles v prostoru, ki so skupaj z zakon gravitacije, je bila osnova ne le mehanike, temveč tudi celotne sodobne klasične fizike.

O Newtonovih zakonih

Imenujejo se tudi zakoni klasične mehanike v nasprotju z relativistično mehaniko, katere postulate je na začetku 20. stoletja razložil Albert Einstein. V prvi so samo trije glavni zakoni, na katerih temelji celotna veja fizike. Imenujejo se tako:

1. Zakon o vztrajnosti.
2. Zakon o razmerju med silo in pospeškom.
3. Zakon o delovanju in nasprotnem delovanju.

Zakaj so ti trije zakoni glavni?? Preprosto, iz njih je mogoče izpeljati vsako formulo v mehaniki, vendar nobeno teoretično načelo ne vodi do nobene od njih. Ti zakoni izhajajo izključno iz številnih opazovanj in poskusov. Njihovo veljavnost dokazuje zanesljivost napovedi, pridobljenih z njihovo pomočjo pri reševanju različnih problemov v praksi.

Zakon o vztrajnosti

Newtonov prvi zakon mehanike pravi, da vsako telo v odsotnosti.. zunanje delovanje nanj ohrani stanje mirovanja ali pravokotnega gibanja v katerem koli inercialnem sistemu.

Za razumevanje tega zakona je treba razumeti sistem poročil. Inercialno se imenuje le, če izpolnjuje zakon. Z drugimi besedami, v inercialnem sistemu ni fiktivne sile, ki bi jo opazovalci občutili. Na primer, sistem, ki se enakomerno giblje v ravni črti, se lahko šteje za inercialnega. Po drugi strani pa je sistem, ki se enakomerno vrti okoli osi, inercialen, ker vsebuje fiktivno centrifugalno silo.

Zakon vztrajnosti ugotovi vzrok, kar spremeni značaj gibanja. Vzrok je prisotnost zunanje sile. Upoštevajte, da lahko na telo deluje več kot ena sila. V takem primeru jih je treba sešteti v skladu s pravilom vektorjev, če je rezultanta sile enaka nič, bo telo nadaljevalo svoje enakomerno gibanje. Pomembno je tudi razumeti, da v klasični mehaniki ni razlike med enakomernim gibanjem telesa in njegovim mirovanjem.

Newtonov drugi zakon vztrajnosti

Pravi, da je vzrok za spremembo narave gibanja telesa v prostoru prisotnost zunanje sile, ki ni enaka nič, ki deluje nanj. Ta zakon je pravzaprav nadgradnja prejšnjega. Njegov matematični zapis je naslednji:

F¯ = m*a¯.

Pri tem je a¯ pospešek, ki opisuje hitrost spremembe vektorja hitrosti, m je vztrajnostna masa telesa. Ker je m vedno večji od nič, sta vektorja sile in pospeška usmerjena v isto smer.

Zadevni zakon velja za številne pojave v mehaniki, npr. prosti pad, pospešek avtomobila, drsenje palice po nagnjeni ravnini, nihanje nihala, raztezanje vzmetnega ravnotežja itd. Z gotovostjo lahko trdimo, da je to glavni zakon gibanja.

Količina gibanja in zagona

Če se obrnemo neposredno na Newtonovo znanstveno delo, lahko vidimo, da je sam znanstvenik drugi zakon mehanike formuliral nekoliko drugače:

F*dt = dp, pri čemer je p = m*v.

Vrednost p imenujemo gibalna količina. Mnogi ga napačno imenujejo zagon telesa. Količina gibanja je inercialno-energetska karakteristika, ki je enaka produktu mase telesa in njegove hitrosti.

Samo zunanja sila F, ki deluje na telo v časovnem intervalu dt, lahko spremeni kotni moment za neko vrednost dp. Zmnožek sile in časa njenega delovanja se imenuje zagon sile ali preprosto zagon.

Ko dve telesi trčita, med njima deluje sila trka, ki spremeni kotni moment vsakega telesa, vendar ker je ta sila notranja za obravnavani sistem dveh teles, ne povzroči spremembe celotnega kotnega momenta sistema. To dejstvo se imenuje zakon o ohranitvi navora.

Vrtenje s pospeškom

Če za vrtilno gibanje uporabimo Newtonov zakon mehanike, kot ga je formuliral Newton, dobimo naslednji izraz:

M = I*α.

Tu je M gibalni moment - to je količina, ki kaže možnost sile, da se v sistemu izvede obrat. Kotni moment sile se izračuna kot zmnožek vektorja sile in vektorja polmera od osi do točke delovanja. I je vztrajnostni moment. Podobno kot moment sile je odvisen od parametrov vrtečega se sistema, zlasti od geometrijske porazdelitve mase okoli osi. Končno je količina α kotni pospešek, s katerim lahko določimo, za koliko radianov na sekundo se spremeni kotna hitrost.

Če si natančno ogledamo zapisano enačbo in potegnemo analogijo med njenimi veličinami in indeksi iz drugega Newtonovega zakona, dobimo njuno popolno istovetnost.

Zakon o delovanju in nasprotnem delovanju

Ostane nam še tretji zakon mehanike. Če so prva dva zakona tako ali drugače oblikovali Newtonovi predhodniki, sam znanstvenik pa jima je dal le skromno matematično obliko, je tretji zakon izvirno delo velikega Angleža. Torej pravi: če se dve telesi s silo dotikata, sta sili, ki delujeta med njima, enaki po modulu in nasprotni po smeri. Na kratko lahko rečemo, da vsako dejanje povzroči nasprotno dejanje.

F₁₂¯ = -F₂₁¯.

Pri tem je F₁₂Ž in F₂₁¯ - sile na 1. telo, ki delujejo na 2. telo, in sile na 2. telo, ki delujejo na 1. telo.

Primeri, ki potrjujejo ta zakon, so različni. Človek na primer skoči s tal, kar ga potisne navzgor. Enako velja za hojo pešca in potiskanje plavalca s stene bazena. Drug primer: če potisnete roko na mizo, občutimo nasprotni učinek mize na roko, ki se imenuje sila podporne reakcije.

Pri reševanju nalog o uporabi tretjega Newtonovega zakona ne smemo pozabiti, da sila delovanja in sila nasprotnega delovanja delujeta na različni telesi, zato jima določimo različne pospeške.