Il movimento di diversi corpi nello spazio in fisica è studiato da una sezione speciale: la meccanica. Quest'ultimo, a sua volta, è suddiviso in cinematica e dinamica. In questo articolo considereremo le leggi della meccanica in fisica, concentrandoci sulla dinamica del movimento traslatorio e rotatorio dei corpi.
Sfondo storico
Come e perché i corpi si muovono ha interessato filosofi e scienziati fin dai tempi antichi. Quindi Aristotele credeva che gli oggetti si muovano nello spazio solo perché c'è un'influenza esterna su di loro. Se questo effetto viene interrotto, il corpo si fermerà immediatamente. Molti filosofi della Grecia antica credevano che lo stato naturale di tutti i corpi fosse il riposo.
Con l'avvento della New Age, molti scienziati iniziarono a studiare le leggi del movimento in meccanica. Va notato nomi come Huygens, Hooke e Galileo. Quest'ultimo sviluppò un approccio scientifico allo studio dei fenomeni naturali e, infatti, scoprì la prima legge della meccanica, che però non porta il suo cognome.
Nel 1687 fu pubblicata una pubblicazione scientifica, a cura diL'inglese Isaac Newton. Nel suo lavoro scientifico formulò chiaramente le leggi fondamentali del moto dei corpi nello spazio, che, insieme alla legge di gravitazione universale, costituivano la base non solo della meccanica, ma di tutta la fisica classica moderna.
Sulle leggi di Newton
Sono anche chiamate leggi della meccanica classica, in contrasto con la relativistica, i cui postulati furono esposti all'inizio del XX secolo da Albert Einstein. Nella prima ci sono solo tre leggi principali su cui si basa l'intera branca della fisica. Si chiamano così:
- Legge di inerzia.
- La legge della relazione tra forza e accelerazione.
- La legge di azione e reazione.
Perché queste tre leggi sono le principali? È semplice, da esse può essere derivata qualsiasi formula della meccanica, tuttavia nessun principio teorico conduce a nessuna di esse. Queste leggi derivano esclusivamente da numerose osservazioni ed esperimenti. La loro validità è confermata dall'affidabilità delle previsioni ottenute con il loro aiuto nella risoluzione pratica di vari problemi.
Legge di inerzia
La prima legge di Newton in meccanica dice che qualsiasi corpo in assenza di influenze esterne su di esso manterrà uno stato di riposo o di moto rettilineo in qualsiasi sistema di riferimento inerziale.
Per comprendere questa legge, è necessario comprendere il sistema di segnalazione. Si dice inerziale solo se soddisfa la legge dichiarata. In altre parole, nel sistema inerziale non c'èci sono forze fittizie che sarebbero avvertite dagli osservatori. Ad esempio, un sistema che si muove uniformemente e in linea retta può essere considerato inerziale. D' altra parte, un sistema che ruota uniformemente attorno ad un asse non è inerziale a causa della presenza di una forza centrifuga fittizia in esso.
La legge dell'inerzia stabilisce il motivo per cui cambia la natura del movimento. Questa ragione è la presenza di una forza esterna. Si noti che diverse forze possono agire sul corpo. In questo caso, devono essere sommati secondo la regola dei vettori, se la forza risultante è uguale a zero, il corpo continuerà il suo movimento uniforme. È anche importante capire che nella meccanica classica non c'è differenza tra il moto uniforme di un corpo e il suo stato di riposo.
Seconda legge di Newton
Dice che la ragione per cambiare la natura del movimento del corpo nello spazio è la presenza di una forza esterna diversa da zero applicata ad esso. In effetti, questa legge è una continuazione della precedente. La sua notazione matematica è la seguente:
Fa¯=ma¯.
Qui, la quantità a¯ è l'accelerazione che descrive la velocità di variazione del vettore velocità, m è la massa inerziale del corpo. Poiché m è sempre maggiore di zero, i vettori forza e accelerazione puntano nella stessa direzione.
La legge considerata è applicabile a un numero enorme di fenomeni in meccanica, ad esempio alla descrizione del processo di caduta libera, movimento con l'accelerazione di un'auto, scorrimento di una barra lungo un piano inclinato, oscillazione di un pendolo,tensione delle scaglie della molla e così via. È sicuro dire che è la legge principale della dinamica.
Momentum e Momentum
Se ti rivolgi direttamente al lavoro scientifico di Newton, puoi vedere che lo stesso scienziato ha formulato la seconda legge della meccanica in modo leggermente diverso:
Fadt=dp, dove p=mv.
Il valore p è chiamato quantità di moto. Molti lo chiamano erroneamente l'impulso del corpo. La quantità di movimento è una caratteristica dell'energia inerziale uguale al prodotto della massa del corpo e della sua velocità.
La modifica della quantità di moto di un certo valore dp può essere eseguita solo da una forza esterna F che agisce sul corpo durante l'intervallo di tempo dt. Il prodotto di una forza e la durata della sua azione è chiamato impulso della forza o semplicemente impulso.
Quando due corpi entrano in collisione, tra loro agisce una forza di collisione che cambia la quantità di moto di ciascun corpo, tuttavia, poiché questa forza è interna rispetto al sistema di due corpi in studio, non porta ad un cambiamento nella quantità di moto totale del sistema. Questo fatto è chiamato legge di conservazione della quantità di moto.
Giro con accelerazione
Se si applica la legge della meccanica formulata da Newton al moto di rotazione, si otterrà la seguente espressione:
M=Iα.
Qui M - momento angolare - questo è un valore che mostra la capacità della forza di fare una svolta nel sistema. Il momento della forza viene calcolato come il prodotto della forza del vettore e del raggio vettore diretto dall'asse apunto di applicazione. La quantità I è il momento d'inerzia. Come il momento della forza, dipende dai parametri del sistema rotante, in particolare dalla distribuzione geometrica della massa corporea rispetto all'asse. Infine, il valore α è l'accelerazione angolare, che permette di determinare di quanti radianti al secondo cambia la velocità angolare.
Se osservi attentamente l'equazione scritta e tracci un'analogia tra i suoi valori e gli indicatori dalla seconda legge newtoniana, allora otterremo la loro completa identità.
La legge di azione e reazione
Ci resta da considerare la terza legge della meccanica. Se le prime due, in un modo o nell' altro, sono state formulate dai predecessori di Newton, e lo stesso scienziato ha dato loro solo una forma matematica armoniosa, allora la terza legge è il frutto originale del grande inglese. Quindi, dice: se due corpi entrano in contatto di forza, allora le forze che agiscono tra di loro sono uguali in grandezza e opposte in direzione. Più brevemente, possiamo dire che qualsiasi azione provoca una reazione.
Fa12¯=-Fa21¯.
Qui F12¯ e F21¯ - agendo dal lato del 1° corpo al 2° e dal lato del 2° rispettivamente alla prima forza.
Ci sono molti esempi che confermano questa legge. Ad esempio, durante un s alto, una persona viene respinta dalla superficie della terra, quest'ultima la spinge verso l' alto. Lo stesso vale per camminare con un deambulatore e spingere via il muro di una piscina di un nuotatore. Un altro esempio, se premi la mano sul tavolo, si sente il contrario.l'effetto del tavolo sulla mano, che è chiamato forza di reazione del supporto.
Quando si risolvono problemi sull'applicazione della terza legge di Newton, non bisogna dimenticare che la forza d'azione e la forza di reazione sono applicate a corpi diversi, quindi danno loro diverse accelerazioni.
