Lo studio dei fenomeni naturali sulla base di un esperimento è possibile solo se si osservano tutte le fasi: osservazione, ipotesi, esperimento, teoria. L'osservazione rivelerà e confronterà i fatti, l'ipotesi permette di dare loro una dettagliata spiegazione scientifica che richiede una conferma sperimentale. L'osservazione del movimento dei corpi ha portato a una conclusione interessante: un cambiamento nella velocità di un corpo è possibile solo sotto l'influenza di un altro corpo.
Ad esempio, se corri velocemente su per le scale, al turno devi solo afferrare la ringhiera (cambiando la direzione del movimento) o fermarti (cambiando il valore della velocità) per non entrare in collisione con il parete opposta.
Le osservazioni di fenomeni simili hanno portato alla creazione di una branca della fisica che studia le cause dei cambiamenti nella velocità dei corpi o la loro deformazione.
Nozioni di base sulla dinamica
Dynamics è chiamato a rispondere alla domanda sacramentale del perché il corpo fisico si muove in un modo o nell' altro o è a riposo.
Considera lo stato di riposo. Basandoci sul concetto di relatività del moto, possiamo concludere: non esistono e non possono esserci corpi assolutamente immobili. Qualsiasiun oggetto, essendo immobile rispetto a un corpo di riferimento, si muove rispetto a un altro. Ad esempio, un libro che giace su un tavolo è immobile rispetto al tavolo, ma se consideriamo la sua posizione rispetto a una persona di passaggio, ne traiamo una conclusione naturale: il libro si sta muovendo.
Pertanto, le leggi del moto dei corpi sono considerate in sistemi di riferimento inerziali. Che cos'è?
Si chiama sistema di riferimento inerziale, in cui il corpo è a riposo o compie un moto uniforme e rettilineo, a condizione che non vi sia influenza di altri oggetti o oggetti su di esso.
Nell'esempio sopra, il sistema di riferimento associato alla tabella può essere chiamato inerziale. Una persona che si muove in modo uniforme e in linea retta può fungere da quadro di riferimento per l'ISO. Se il suo movimento è accelerato, allora è impossibile associargli una CO inerziale.
In effetti, un tale sistema può essere correlato a corpi rigidamente fissati sulla superficie della Terra. Tuttavia, il pianeta stesso non può fungere da corpo di riferimento per l'IFR, poiché ruota uniformemente attorno al proprio asse. I corpi in superficie hanno accelerazione centripeta.
Cos'è lo slancio?
Il fenomeno dell'inerzia è direttamente correlato all'ISO. Ricordi cosa succede se un'auto in movimento si ferma bruscamente? I passeggeri sono in pericolo mentre continuano il loro viaggio. Può essere fermato da un sedile davanti o dalle cinture di sicurezza. Questo processo è spiegato dall'inerzia del passeggero. È giusto?
L'inerzia è un fenomeno che presuppone la conservazionevelocità costante del corpo in assenza di influenza di altri corpi su di esso. Il passeggero è sotto l'effetto di cinture o sedili. Qui non si osserva il fenomeno dell'inerzia.
La spiegazione sta nella proprietà del corpo e, secondo essa, è impossibile modificare istantaneamente la velocità di un oggetto. Questa è inerzia. Ad esempio, l'inerzia del mercurio in un termometro permette di abbassare la barra se scuotiamo il termometro.
La misura dell'inerzia è chiamata massa del corpo. Quando si interagisce, la velocità cambia più velocemente per i corpi con massa minore. L'urto di un'auto con un muro di cemento per quest'ultimo procede quasi senza lasciare traccia. L'auto molto spesso subisce cambiamenti irreversibili: cambi di velocità, si verificano deformazioni significative. Si scopre che l'inerzia di un muro di cemento supera significativamente l'inerzia di un'auto.
È possibile incontrare il fenomeno dell'inerzia in natura? La condizione in cui il corpo è senza interconnessione con altri corpi è lo spazio profondo, in cui la navicella si muove con i motori spenti. Ma anche in questo caso è presente il momento gravitazionale.
Quantità di base
Lo studio della dinamica a livello sperimentale implica la sperimentazione di misurazioni di grandezze fisiche. Più interessante:
- accelerazione come misura della velocità di variazione della velocità dei corpi; designalo con la lettera a, misura in m/s2;
- massa come misura dell'inerzia; contrassegnato con la lettera m, misurata in kg;
- forza come misura dell'azione reciproca dei corpi; più spesso indicato dalla lettera F, misurata in N (newton).
La relazione tra queste quantitàstabilito in tre schemi, derivati dal più grande fisico inglese. Le leggi di Newton sono progettate per spiegare la complessità dell'interazione di vari corpi. Così come i processi che li gestiscono. Sono i concetti di "accelerazione", "forza", "massa" che le leggi di Newton collegano alle relazioni matematiche. Proviamo a capire cosa significa.
L'azione di una sola forza è un fenomeno eccezionale. Ad esempio, un satellite artificiale in orbita attorno alla Terra è influenzato solo dalla gravità.
Risultato
L'azione di più forze può essere sostituita da una forza.
La somma geometrica delle forze che agiscono su un corpo è chiamata risultante.
Stiamo parlando di una somma geometrica, poiché la forza è una grandezza vettoriale, che dipende non solo dal punto di applicazione, ma anche dalla direzione dell'azione.
Ad esempio, se devi spostare un guardaroba abbastanza grande, puoi invitare gli amici. Insieme otteniamo il risultato desiderato. Ma puoi invitare solo una persona molto forte. Il suo sforzo è uguale all'azione di tutti gli amici. La forza applicata dall'eroe può essere chiamata risultante.
Le leggi del moto di Newton sono formulate sulla base del concetto di "risultante".
Legge di inerzia
Inizia a studiare le leggi di Newton con il fenomeno più comune. La prima legge è di solito chiamata legge di inerzia, poiché stabilisce le cause del moto rettilineo uniforme o lo stato di riposo dei corpi.
Il corpo si muove in modo uniforme e rettilineo osi ferma se nessuna forza agisce su di esso, o questa azione viene compensata.
Si può sostenere che la risultante in questo caso è uguale a zero. In questo stato si trova, ad esempio, un'auto che si muove a velocità costante su un tratto rettilineo della strada. L'azione della forza di attrazione è compensata dalla forza di reazione del supporto, e la forza di spinta del motore è uguale in valore assoluto alla forza di resistenza al movimento.
Il lampadario è appoggiato al soffitto, poiché la forza di gravità è compensata dalla tensione dei suoi infissi.
Solo le forze applicate a un corpo possono essere compensate.
Seconda legge di Newton
Andiamo avanti. Le ragioni che causano un cambiamento nella velocità dei corpi sono considerate dalla seconda legge di Newton. Di cosa sta parlando?
La risultante delle forze agenti su un corpo è definita come il prodotto della massa del corpo e dell'accelerazione acquisita sotto l'azione delle forze.
2 La legge di Newton (formula: F=ma), purtroppo, non stabilisce relazioni causali tra i concetti base di cinematica e dinamica. Non riesce a individuare esattamente cosa stia causando l'accelerazione dei corpi.
Formuliamola diversamente: l'accelerazione ricevuta dal corpo è direttamente proporzionale alle forze risultanti e inversamente proporzionale alla massa del corpo.
Così, si può stabilire che il cambio di velocità avviene solo in funzione della forza applicata ad esso e della massa del corpo.
2 La legge di Newton, la cui formula può essere la seguente: a=F/m, è considerata fondamentale in forma vettoriale, poiché rende possibilestabilire connessioni tra i rami della fisica. Qui, a è il vettore di accelerazione del corpo, F è la risultante delle forze, m è la massa del corpo.
Il movimento accelerato dell'auto è possibile se la forza di trazione dei motori supera la forza di resistenza al movimento. All'aumentare della spinta, aumenta anche l'accelerazione. I camion sono dotati di motori ad alta potenza, perché la loro massa è molto più alta di quella di un'autovettura.
Le palle di fuoco progettate per le corse ad alta velocità sono alleggerite in modo tale che le parti minime necessarie siano attaccate ad esse e la potenza del motore sia aumentata al limite possibile. Una delle caratteristiche più importanti delle auto sportive è il tempo di accelerazione a 100 km/h. Più breve è questo intervallo di tempo, migliori saranno le proprietà di velocità dell'auto.
La legge dell'interazione
Le leggi di Newton, basate sulle forze della natura, affermano che ogni interazione è accompagnata dall'apparizione di una coppia di forze. Se la palla è appesa a un filo, allora sperimenta la sua azione. In questo caso, il filo viene anche teso sotto l'azione della palla.
La formulazione della terza regolarità completa le leggi di Newton. In breve, suona così: azione è reazione. Cosa significa?
Le forze con cui i corpi agiscono gli uni sugli altri sono uguali in grandezza, opposte nella direzione e dirette lungo la linea che collega i centri dei corpi. È interessante notare che non possono essere chiamati compensati, perché agiscono su corpi diversi.
Applicazione delle leggi
Il famoso problema "Cavallo e carro" può creare confusione. Il cavallo imbrigliato al detto carro lo muovedal luogo. In accordo con la terza legge di Newton, questi due oggetti agiscono l'uno sull' altro con forze uguali, ma in pratica un cavallo può muovere un carro, che non si adatta alle fondamenta del modello.
La soluzione si trova se teniamo conto che questo sistema di corpi non è chiuso. La strada ha il suo effetto su entrambi i corpi. La forza di attrito statico che agisce sugli zoccoli del cavallo supera la forza di attrito volvente delle ruote del carro. Dopotutto, il momento del movimento inizia con un tentativo di spostare il carro. Se la posizione cambia, il cavallo non lo sposterà in nessun caso dalla sua posizione. I suoi zoccoli scivoleranno sulla strada e non ci sarà alcun movimento.
Nell'infanzia, slittando a vicenda, tutti potevano imbattersi in un esempio del genere. Se due o tre bambini si siedono sulla slitta, è evidente che gli sforzi di un bambino non sono sufficienti per spostarli.
La caduta dei corpi sulla superficie della terra, spiegata da Aristotele ("Ogni corpo conosce il suo posto") può essere confutata sulla base di quanto sopra. Un oggetto si muove verso la terra sotto l'influenza della stessa forza con cui la Terra si muove verso di essa. Confrontando i loro parametri (la massa della Terra è molto maggiore della massa del corpo), in accordo con la seconda legge di Newton, affermiamo che l'accelerazione di un oggetto è tante volte maggiore dell'accelerazione della Terra. Stiamo osservando un cambiamento nella velocità del corpo, la Terra non si muove dalla sua orbita.
Limiti di applicabilità
La fisica moderna non nega le leggi di Newton, ma stabilisce solo i limiti della loro applicabilità. Fino all'inizio del 20° secolo, i fisici non avevano dubbi sul fatto che queste leggi spiegassero tutti i fenomeni naturali.
1, 2, 3 leggeNewton rivela pienamente le cause del comportamento dei corpi macroscopici. Il movimento di oggetti con velocità trascurabili è completamente descritto da questi postulati.
Il tentativo di spiegare sulle loro basi il movimento di corpi con velocità prossime a quella della luce è destinato a fallire. Un cambiamento completo nelle proprietà dello spazio e del tempo a queste velocità non consente l'uso della dinamica newtoniana. Inoltre, le leggi cambiano la loro forma in FR non inerziali. Per la loro applicazione viene introdotto il concetto di forza d'inerzia.
Le leggi di Newton possono spiegare il movimento dei corpi astronomici, le regole per la loro posizione e interazione. A questo scopo viene introdotta la legge di gravitazione universale. È impossibile vedere il risultato dell'attrazione di piccoli corpi, perché la forza è scarsa.
Attrazione reciproca
C'è una leggenda secondo la quale il signor Newton, seduto in giardino a guardare la caduta delle mele, ebbe un'idea geniale: spiegare il movimento degli oggetti vicino alla superficie della Terra e il movimento di corpi spaziali sulla base dell'attrazione reciproca. Non è così lontano dalla verità. Osservazioni e calcoli accurati riguardavano non solo la caduta delle mele, ma anche il movimento della luna. Le leggi di questo movimento portano alla conclusione che la forza di attrazione aumenta con l'aumento delle masse di corpi interagenti e diminuisce con l'aumentare della distanza tra loro.
Basata sulla seconda e terza legge di Newton, la legge di gravitazione universale è formulata come segue: tutti i corpi dell'universo sono attratti l'uno dall' altro con una forza diretta lungo la linea che collega i centri dei corpi, proporzionale alla masse dei corpi einversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i centri dei corpi.
Notazione matematica: F=GMm/r2, dove F è la forza di attrazione, M, m sono le masse dei corpi interagenti, r è la distanza tra loro. Il coefficiente di proporzionalità (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) è chiamato costante gravitazionale.
Significato fisico: questa costante è uguale alla forza di attrazione tra due corpi di massa di 1 kg ad una distanza di 1 m È chiaro che per corpi di piccola massa la forza è così insignificante da poter essere trascurato. Per pianeti, stelle, galassie, la forza di attrazione è così grande che determina completamente il loro movimento.
È la legge di gravità di Newton che afferma che per lanciare razzi, hai bisogno di carburante in grado di creare tale spinta del jet per superare l'influenza della Terra. La velocità richiesta per questo è la prima velocità di fuga, che è di 8 km/s.
La moderna tecnologia missilistica consente di lanciare stazioni senza pilota come satelliti artificiali del Sole su altri pianeti da esplorare. La velocità sviluppata da tale dispositivo è la seconda velocità spaziale, pari a 11 km / s.
Algoritmo per l'applicazione delle leggi
Risolvere problemi di dinamica è soggetto a una certa sequenza di azioni:
- Analizza l'attività, identifica i dati, il tipo di movimento.
- Disegna un disegno che indichi tutte le forze che agiscono sul corpo e la direzione dell'accelerazione (se presente). Seleziona il sistema di coordinate.
- Scrivi la prima o la seconda legge, a seconda della disponibilitàaccelerazione del corpo, in forma vettoriale. Prendi in considerazione tutte le forze (forza risultante, leggi di Newton: la prima, se la velocità del corpo non cambia, la seconda, se c'è accelerazione).
- Riscrivi l'equazione nelle proiezioni sugli assi delle coordinate selezionate.
- Se il sistema di equazioni risultante non è sufficiente, scrivine altri: definizioni di forze, equazioni di cinematica, ecc.
- Risolvi il sistema di equazioni per il valore desiderato.
- Esegui un controllo dimensionale per determinare se la formula risultante è corretta.
- Calcola.
Di solito questi passaggi sono sufficienti per qualsiasi attività standard.
