ДИНАМИКА: ИСТОРИЯ, ЧТО ИЗУЧАЕТ, ЗАКОНЫ И ТЕОРИИ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Динамическое это область механики , которая изучает взаимодействие между телами и их последствиями. Он касается их качественного и количественного описания, а также предсказания того, как они будут развиваться с течением времени.

Применяя его принципы, известно, как изменяется движение тела при взаимодействии с другими людьми, а также деформируют ли эти взаимодействия его, поскольку вполне возможно, что оба эффекта происходят одновременно.

Рисунок 1. Взаимодействие с велосипедистом изменяет его движение. Источник: Pixabay.

Верования великого греческого философа Аристотеля (384–322 гг. До н.э.) на протяжении веков служили основой динамики на Западе. Он думал, что объекты движутся из-за какой-то энергии, которая толкает их в том или ином направлении.

Он также заметил, что пока объект толкается, он движется с постоянной скоростью, но когда толкание прекращается, он движется все медленнее, пока не остановится.

Согласно Аристотелю, действие постоянной силы было необходимо для того, чтобы что-то двигалось с постоянной скоростью, но случилось так, что у этого философа не было эффекта трения.

Другая его идея заключалась в том, что более тяжелые предметы падали быстрее, чем более легкие. Великий Галилео Галилей (1564–1642) экспериментально продемонстрировал, что все тела падают с одинаковым ускорением, независимо от их массы, пренебрегая вязкими эффектами.

Но именно Исаак Ньютон (1642-1727), самый выдающийся ученый из когда-либо живших, считается отцом современной динамики и математических расчетов вместе с Готфридом Лейбницем.

Рисунок 2. Исаак Ньютон в 1682 году Годфри Кнеллер. Источник: Wikimedia Commons.

Его знаменитые законы, сформулированные в 17 веке, актуальны и актуальны и сегодня. Они являются основой классической механики, которую мы видим и воздействуем на нас каждый день. Об этих законах мы поговорим чуть позже.

Что изучает динамика?

Динамика изучает взаимодействие между объектами. При взаимодействии объектов происходят изменения в их движении и деформации. Особая область, называемая статической, предназначена для систем, находящихся в равновесии, находящихся в состоянии покоя или с равномерным прямолинейным движением.

Применяя принципы динамики, можно с помощью уравнений предсказать, каковы будут изменения и эволюция объектов во времени. Для этого устанавливаются некоторые допущения в зависимости от типа исследуемой системы.

Частицы, твердые твердые тела и сплошные среды

Модель частиц - это самый простой способ начать применять принципы динамики. В нем предполагается, что исследуемый объект имеет массу, но не имеет размеров. Следовательно, частица может быть размером с электрон или размером с Землю или Солнце.

Если вы хотите наблюдать влияние размера на динамику, необходимо учитывать размер и форму объектов. Модель, которая учитывает это, представляет собой твердое твердое тело, тело с измеримыми размерами, состоящее из очень многих частиц, но не деформирующееся под действием сил.

Наконец, механика сплошных сред учитывает не только размеры объекта, но и его особые характеристики, включая способность его деформироваться. К сплошным средам относятся твердые и нежесткие твердые тела, а также жидкости.

Законы Ньютона

Ключом к пониманию того, как работает динамика, является полное понимание законов Ньютона, которые количественно связывают силы, действующие на тело, с изменениями в его состоянии движения или покоя.

Первый закон Ньютона

Объяснение первого закона Ньютона. Источник: самодельный.

Говорит так:

Первая часть утверждения кажется совершенно очевидной, поскольку очевидно, что покоящийся объект останется таким, если его не потревожить. А для этого нужна сила.

С другой стороны, тот факт, что объект продолжает движение, даже когда результирующая сила, действующая на него, равна нулю, немного труднее принять, поскольку кажется, что объект может оставаться в движении бесконечно. А повседневный опыт подсказывает нам, что рано или поздно все замедляется.

Ответ на это кажущееся противоречие заключается в трении. В самом деле, если бы объект двигался по идеально гладкой поверхности, он мог бы делать это бесконечно долго, предполагая, что никакая другая сила не вызывает изменение движения.

Поскольку полностью исключить трение невозможно, ситуация, в которой тело бесконечно движется с постоянной скоростью, является идеализацией.

Наконец, важно отметить, что, хотя результирующая сила равна нулю, это не обязательно означает полное отсутствие сил на объекте.

Объекты на земной поверхности всегда испытывают гравитационное притяжение. Книга, лежащая на столе, остается такой, потому что поверхность стола действует с силой, противодействующей весу.

Второй закон Ньютона

Объяснение второго закона Ньютона. Источник: самодельный.

Первый закон Ньютона устанавливает, что происходит с объектом, результирующая сила которого равна нулю. Теперь основной закон динамики или второй закон Ньютона указывает, что произойдет, если результирующая сила не отменяется:

Фактически, чем больше приложенная сила, тем больше изменение скорости объекта. А если одну и ту же силу приложить к объектам разной массы, наибольшие изменения будут испытывать объекты, которые легче и легче перемещать. Повседневный опыт подтверждает эти утверждения.

Третий закон Ньютона

Необходимую тягу космическая ракета получает за счет выбрасываемых газов. Источник: Pixabay.

Первые два закона Ньютона относятся к одному объекту. Но третий закон относится к двум объектам. Назовем их объект 1 и объект 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Фактически, всякий раз, когда на тело воздействует сила, это происходит потому, что за ее возникновение отвечает другой. Таким образом, объекты на Земле имеют вес, потому что он притягивает их к своему центру. Электрический заряд отталкивается другим зарядом того же знака, потому что он оказывает отталкивающую силу на первый и так далее.

Рисунок 3. Краткое изложение законов Ньютона. Источник: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Принципы сохранения

В динамике есть несколько величин, которые сохраняются во время движения и изучение которых необходимо. Они похожи на прочную колонну, к которой можно прикрепить, чтобы решить проблемы, в которых силы очень сложны.

Пример: при столкновении двух транспортных средств взаимодействие между ними очень интенсивное, но непродолжительное. Настолько интенсивно, что не нужно учитывать другие силы, поэтому автомобили можно рассматривать как изолированную систему.

Но описать это интенсивное взаимодействие - непростая задача, поскольку в нем участвуют силы, меняющиеся во времени, а также в пространстве. Однако, если предположить, что транспортные средства представляют собой изолированную систему, силы между ними являются внутренними, а импульс сохраняется.

Сохраняя импульс, можно предсказать, как будут двигаться автомобили сразу после столкновения.

Вот два наиболее важных принципа сохранения в динамике:

Энергосбережение

В природе есть два типа сил: консервативные и неконсервативные. Вес является хорошим примером первого, а трение - вторым.

Что ж, консервативные силы характеризуются тем, что они предлагают возможность хранения энергии в конфигурации системы. Это так называемая потенциальная энергия.

Когда тело имеет потенциальную энергию благодаря действию консервативной силы, такой как вес, и приходит в движение, эта потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Сумма обеих энергий называется механической энергией системы и является той, которая сохраняется, то есть остается постоянной.

Пусть U - потенциальная энергия, K - кинетическая энергия, а E _m - механическая энергия. Если на объект действуют только консервативные силы, верно, что:

Таким образом:

Сохранение импульса

Этот принцип применим не только при столкновении двух транспортных средств. Это закон физики, масштабы которого выходят за рамки макроскопического мира.

Импульс сохраняется на уровне солнечных, звездных и галактических систем. И это также происходит в масштабе атома и атомного ядра, несмотря на то, что там ньютоновская механика перестает действовать.

Пусть P - вектор импульса, задаваемый формулой:

P = м. v

Вывод P по времени:

Если масса остается постоянной:

Следовательно, мы можем записать второй закон Ньютона так:

_Чистая F = d P / dt

Если два тела m ₁ и m ₂ составляют изолированную систему, силы между ними являются внутренними и согласно третьему закону Ньютона они равны и противоположны F ₁ = - F ₂ , при выполнении того, что:

Если производная величины по времени равна нулю, это означает, что величина остается постоянной. Следовательно, в изолированной системе можно утверждать, что импульс системы сохраняется:

P ₁ + P ₂ = постоянный

Даже в этом случае P ₁ и P ₂ могут варьироваться индивидуально. Импульс системы можно перераспределить, но важно то, что его сумма остается неизменной.

Избранные концепции в динамике

В динамике много важных понятий, но выделяются два из них: масса и сила. О силе, уже прокомментированной ранее, ниже приведен список с наиболее важными концепциями, которые появляются рядом с ним при изучении динамики:

инертность

Это свойство объектов сопротивляться изменениям в состоянии покоя или движения. Все объекты с массой обладают инерцией, и это происходит очень часто, например, при движении в ускоряющемся автомобиле пассажиры склонны оставаться в состоянии покоя, что воспринимается как ощущение прилипания к спинке сиденья.

А если автомобиль резко останавливается, пассажиры имеют тенденцию опрокидываться, следуя движению вперед, которое они имели ранее, поэтому важно всегда пристегиваться ремнями безопасности.

Рис. 4. При поездке на машине инерция заставляет нас разбиться, когда машина резко тормозит. Источник: Pixabay.

масса

Масса - это мера инерции, поскольку чем больше масса тела, тем труднее его сдвинуть или заставить изменить свое движение. Масса - это скалярная величина, это означает, что для указания массы тела необходимо указать числовое значение плюс выбранная единица измерения, которая может быть килограммами, фунтами, граммами и т. Д.

вес

Вес - это сила, с которой Земля притягивает объекты близко к своей поверхности к своему центру.

Поскольку это сила, вес имеет векторный характер, поэтому он полностью определяется, когда указываются его величина или числовое значение, его направление и его смысл, которые, как мы уже знаем, направлены вертикально вниз.

Таким образом, хотя и связаны, вес и масса не равны, даже не эквивалентны, поскольку первое - это вектор, а второе - скаляр.

Справочные системы

Описание механизма может варьироваться в зависимости от выбранной ссылки. Те, кто поднимается в лифте, находятся в состоянии покоя в соответствии с привязанной к нему системой отсчета, но наблюдатель с пола видит, что пассажиры движутся.

Если тело движется в одной системе отсчета, но покоится в другой, законы Ньютона не могут применяться к обеим. Фактически, законы Ньютона применимы к определенным системам отсчета: к тем, которые являются инерционными.

В инерциальных системах отсчета тела не ускоряются, если их не трогать каким-либо образом - путем приложения силы.

Фиктивные силы

Фиктивные силы или псевдосилы возникают при анализе движения тела в ускоренной системе отсчета. Фиктивная сила выделяется потому, что невозможно идентифицировать агента, ответственного за ее появление.

Центробежная сила - хороший пример фиктивной силы. Однако тот факт, что это так, не делает это менее реальным для тех, кто испытывает это, когда они поворачивают машину и чувствуют, что невидимая рука выталкивает их из поворота.

ускорение

Об этом важном векторе уже упоминалось. Объект испытывает ускорение, пока есть сила, изменяющая его скорость.

Работа и энергия

Когда сила действует на объект, и он меняет свое положение, сила выполнила работу. И эта работа может храниться в виде энергии. Поэтому над объектом ведутся работы, благодаря которым он приобретает энергию.

Следующий пример проясняет суть дела: предположим, человек поднимает горшок на определенную высоту над уровнем земли.

Для этого он должен приложить силу и преодолеть гравитацию, поэтому он действительно работает с горшком, и эта работа сохраняется в форме гравитационной потенциальной энергии в горшке, пропорциональной его массе и высоте, которую он достигает над полом. :

Где m - масса, g - сила тяжести, а h - высота. Что может сделать горшок, когда он окажется на высоте h? Что ж, он может упасть, и когда он падает, его гравитационная потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая энергия или энергия движения увеличивается.

Чтобы сила выполняла работу, она должна производить смещение, параллельное силе. Если этого не происходит, сила по-прежнему действует на объект, но не действует на него.

похожие темы

Первый закон Ньютона.

Второй закон Ньютона.

Третий закон Ньютона.

Закон сохранения материи.

Ссылки

1. Бауэр, В. 2011. Физика для инженерии и науки. Том 1. Мак Гроу Хилл.
2. Фигероа, Д. 2005. Серия: Физика для науки и техники. Том 2. Динамика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
3. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. 6-е .. Эд Прентис Холл.
4. Хьюитт, Пол. 2012. Концептуальная физика. Пятые. Эд Пирсон.
5. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6-е сокращенное издание. Cengage Learning.
6. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
7. Wikipedia. Динамический. Получено с: es.wikipedia.org.