Die Untersuchung natürlicher Phänomene auf der Grundlage eines Experiments ist nur möglich, wenn alle Stufen beachtet werden: Beobachtung, Hypothese, Experiment, Theorie. Die Beobachtung wird die Tatsachen aufdecken und vergleichen, die Hypothese ermöglicht es, ihnen eine detaillierte wissenschaftliche Erklärung zu geben, die einer experimentellen Bestätigung bedarf. Die Beobachtung der Bewegung von Körpern führte zu einer interessanten Schlussfolgerung: Eine Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers ist nur unter dem Einfluss eines anderen Körpers möglich.
Wenn Sie beispielsweise schnell die Treppe hinauflaufen, müssen Sie in der Kurve nur das Geländer greifen (Änderung der Bewegungsrichtung) oder anh alten (Änderung des Geschwindigkeitswerts), um nicht mit dem zu kollidieren gegenüberliegende Wand.
Beobachtungen ähnlicher Phänomene führten zur Schaffung eines Zweigs der Physik, der die Ursachen von Geschwindigkeitsänderungen oder Verformungen von Körpern untersucht.
Grundlagen der Dynamik
Die Dynamik ist aufgerufen, die sakramentale Frage zu beantworten, warum sich der physische Leib so oder so bewegt oder ruht.
Betrachte den Ruhezustand. Basierend auf dem Konzept der Relativität der Bewegung können wir schlussfolgern: Es gibt keine absolut bewegungslosen Körper und kann es auch nicht geben. Irgendeinein Objekt, das in Bezug auf einen Referenzkörper bewegungslos ist, bewegt sich relativ zu einem anderen. Zum Beispiel ist ein auf einem Tisch liegendes Buch relativ zum Tisch bewegungslos, aber wenn wir seine Position in Bezug auf eine vorbeigehende Person betrachten, ziehen wir eine natürliche Schlussfolgerung: das Buch bewegt sich.
Daher werden die Bewegungsgesetze von Körpern in Trägheitsbezugssystemen betrachtet. Was ist das?
Trägheitsbezugssystem heißt, in dem der Körper ruht oder eine gleichförmige und geradlinige Bewegung ausführt, sofern kein Einfluss von anderen Objekten oder Gegenständen auf ihn einwirkt.
Im obigen Beispiel kann der mit der Tabelle verknüpfte Referenzrahmen als inertial bezeichnet werden. Als Bezugsrahmen für die ISO kann eine Person dienen, die sich gleichförmig und geradlinig bewegt. Wenn seine Bewegung beschleunigt wird, ist es unmöglich, ihm ein Trägheits-CO zuzuordnen.
Tatsächlich kann ein solches System mit fest auf der Erdoberfläche fixierten Körpern korreliert werden. Der Planet selbst kann jedoch nicht als Referenzkörper für IFR dienen, da er sich gleichmäßig um die eigene Achse dreht. Körper auf der Oberfläche haben eine Zentripetalbeschleunigung.
Was ist Momentum?
Das Trägheitsphänomen steht in direktem Zusammenhang mit ISO. Denken Sie daran, was passiert, wenn ein fahrendes Auto abrupt anhält? Fahrgäste sind bei der Weiterfahrt in Gefahr. Es kann durch einen Vordersitz oder Sicherheitsgurte gestoppt werden. Dieser Vorgang erklärt sich aus der Trägheit des Passagiers. Stimmt das?
Trägheit ist ein Phänomen, das die Erh altung voraussetztkonstante Geschwindigkeit des Körpers ohne Einfluss anderer Körper auf ihn. Der Beifahrer steht unter dem Einfluss von Gurten oder Sitzen. Das Phänomen der Trägheit wird hier nicht beobachtet.
Die Erklärung liegt in der Eigenschaft des Körpers, und demnach ist es unmöglich, die Geschwindigkeit eines Objekts sofort zu ändern. Das ist Trägheit. Die Trägheit von Quecksilber in einem Thermometer ermöglicht es beispielsweise, die Messlatte zu senken, wenn wir das Thermometer schütteln.
Das Maß der Trägheit wird Körpermasse genannt. Bei der Interaktion ändert sich die Geschwindigkeit für Körper mit weniger Masse schneller. Die Kollision eines Autos mit einer Betonwand für letztere verläuft fast spurlos. Das Auto erfährt meistens irreversible Veränderungen: Geschwindigkeitsänderungen, erhebliche Verformungen treten auf. Es stellt sich heraus, dass die Trägheit einer Betonwand die Trägheit eines Autos deutlich übersteigt.
Ist es möglich, dem Phänomen der Trägheit in der Natur zu begegnen? Der Zustand, in dem der Körper keine Verbindung zu anderen Körpern hat, ist der Weltraum, in dem sich das Raumschiff mit abgesch alteten Triebwerken bewegt. Aber auch in diesem Fall ist das Gravitationsmoment vorhanden.
Grundmengen
Das Studium der Dynamik auf experimenteller Ebene beinh altet das Experimentieren mit Messungen physikalischer Größen. Am interessantesten:
- Beschleunigung als Maß für die Änderungsgeschwindigkeit von Körpern; mit a bezeichnen, in m/s messen2;
- Masse als Trägheitsmaß; gekennzeichnet mit dem Buchstaben m, gemessen in kg;
- Kraft als Maß für die Wechselwirkung von Körpern; am häufigsten mit dem Buchstaben F bezeichnet, gemessen in N (Newton).
Die Beziehung zwischen diesen Größenin drei Mustern dargestellt, abgeleitet vom größten englischen Physiker. Die Newtonschen Gesetze sollen die Komplexität des Zusammenwirkens verschiedener Körper erklären. Sowie die Prozesse, die sie verw alten. Es sind die Begriffe „Beschleunigung“, „Kraft“, „Masse“, die die Newtonschen Gesetze mit mathematischen Zusammenhängen verbinden. Versuchen wir herauszufinden, was es bedeutet.
Die Wirkung nur einer Kraft ist eine Ausnahmeerscheinung. Beispielsweise wird ein künstlicher Satellit, der die Erde umkreist, nur von der Schwerkraft beeinflusst.
Ergebnis
Die Wirkung mehrerer Kräfte kann durch eine Kraft ersetzt werden.
Die geometrische Summe der auf einen Körper wirkenden Kräfte wird als Resultierende bezeichnet.
Wir sprechen hier von einer geometrischen Summe, da Kraft eine vektorielle Größe ist, die nicht nur vom Angriffspunkt, sondern auch von der Wirkrichtung abhängt.
Wenn Sie zum Beispiel einen ziemlich großen Kleiderschrank umziehen müssen, können Sie Freunde einladen. Gemeinsam erreichen wir das gewünschte Ergebnis. Aber Sie können nur eine sehr starke Person einladen. Seine Anstrengung ist der Tat aller Freunde gleich. Die vom Helden aufgebrachte Kraft kann als Resultierende bezeichnet werden.
Die Newtonschen Bewegungsgesetze werden auf der Grundlage des Begriffs der "Resultanten" formuliert.
Trägheitsgesetz
Beginne damit, die Newtonschen Gesetze mit dem häufigsten Phänomen zu studieren. Das erste Gesetz wird gewöhnlich als Trägheitsgesetz bezeichnet, da es die Ursachen für die gleichförmige geradlinige Bewegung oder den Ruhezustand von Körpern festlegt.
Der Körper bewegt sich gleichförmig und geradlinig bzwruht, wenn keine Kraft auf ihn wirkt, oder diese Wirkung kompensiert wird.
Man kann argumentieren, dass die Resultierende in diesem Fall gleich Null ist. In diesem Zustand befindet sich beispielsweise ein Auto, das sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einem geraden Straßenabschnitt bewegt. Die Wirkung der Anziehungskraft wird durch die Reaktionskraft des Trägers kompensiert, und die Schubkraft des Motors ist im absoluten Wert gleich der Widerstandskraft gegen die Bewegung.
Der Kronleuchter ruht an der Decke, da die Schwerkraft durch die Spannung seiner Befestigungen kompensiert wird.
Nur Kräfte, die auf einen Körper wirken, können kompensiert werden.
Newtons zweites Gesetz
Lass uns weitermachen. Die Gründe, die eine Änderung der Geschwindigkeit von Körpern verursachen, werden vom zweiten Newtonschen Gesetz berücksichtigt. Wovon redet er?
Die Resultierende der auf einen Körper wirkenden Kräfte ist definiert als das Produkt aus der Masse des Körpers und der unter der Wirkung der Kräfte auftretenden Beschleunigung.
2 Das Newtonsche Gesetz (Formel: F=ma) stellt leider keine kausalen Zusammenhänge zwischen den Grundbegriffen der Kinematik und Dynamik her. Er kann nicht genau bestimmen, was die Körper beschleunigt.
Formulieren wir es anders: Die vom Körper aufgenommene Beschleunigung ist direkt proportional zu den resultierenden Kräften und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers.
Damit lässt sich feststellen, dass die Geschwindigkeitsänderung nur in Abhängigkeit von der einwirkenden Kraft und der Masse des Körpers auftritt.
2 Das Newtonsche Gesetz, dessen Formel wie folgt lauten kann: a=F/m, gilt in Vektorform als grundlegend, da es es ermöglichtVerbindungen zwischen Teilgebieten der Physik herstellen. Dabei ist a der Beschleunigungsvektor des Körpers, F die Resultierende der Kräfte, m die Masse des Körpers.
Die beschleunigte Bewegung des Autos ist möglich, wenn die Zugkraft der Motoren die Widerstandskraft der Bewegung übersteigt. Mit zunehmendem Schub steigt auch die Beschleunigung. Lkw sind mit Hochleistungsmotoren ausgestattet, weil ihre Masse viel höher ist als die Masse eines Pkw.
Feuerbälle, die für Hochgeschwindigkeitsrennen entwickelt wurden, werden so leicht gemacht, dass die minimal notwendigen Teile an ihnen befestigt werden, und die Motorleistung wird bis an die Grenzen des Möglichen gesteigert. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Sportwagen ist die Beschleunigungszeit auf 100 km/h. Je kürzer dieses Zeitintervall ist, desto besser sind die Geschwindigkeitseigenschaften des Autos.
Das Wechselwirkungsgesetz
Newtons Gesetze, basierend auf den Naturkräften, besagen, dass jede Wechselwirkung mit dem Auftreten eines Kräftepaares einhergeht. Hängt die Kugel an einem Faden, so erfährt sie ihre Wirkung. Auch in diesem Fall wird der Faden unter der Wirkung der Kugel gedehnt.
Die Formulierung der dritten Regelmäßigkeit vervollständigt die Newtonschen Gesetze. Kurz gesagt, es klingt so: Aktion ist Reaktion. Was bedeutet das?
Die Kräfte, mit denen die Körper aufeinander einwirken, sind gleich groß, entgegengesetzt gerichtet und entlang der Linie gerichtet, die die Mittelpunkte der Körper verbindet. Interessanterweise können sie nicht als kompensiert bezeichnet werden, da sie auf verschiedene Körper wirken.
Durchsetzung von Gesetzen
Das berühmte „Pferd und Wagen“-Problem kann verwirrend sein. Das vor den besagten Wagen gespannte Pferd bewegt ihnvon Ort. Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz wirken diese beiden Objekte mit gleichen Kräften aufeinander, aber in der Praxis kann ein Pferd einen Wagen bewegen, der nicht in die Grundlagen des Musters passt.
Die Lösung ergibt sich, wenn wir berücksichtigen, dass dieses Körpersystem nicht geschlossen ist. Die Straße wirkt auf beide Körper. Die auf die Hufe des Pferdes wirkende Haftreibungskraft übersteigt die Rollreibungskraft der Wagenräder. Schließlich beginnt der Moment der Bewegung mit dem Versuch, den Waggon zu bewegen. Wenn sich die Position ändert, wird das Pferd es auf keinen Fall von seinem Platz bewegen. Seine Hufe werden auf der Straße rutschen und es wird keine Bewegung geben.
In der Kindheit, als sie sich gegenseitig rodelten, konnte jeder auf ein solches Beispiel stoßen. Wenn zwei oder drei Kinder auf dem Schlitten sitzen, reicht die Anstrengung eines Kindes eindeutig nicht aus, um sie zu bewegen.
Der Fall von Körpern auf die Erdoberfläche, erklärt von Aristoteles ("Jeder Körper kennt seinen Platz"), kann auf der Grundlage des Obigen widerlegt werden. Ein Objekt bewegt sich unter dem Einfluss derselben Kraft auf die Erde zu, mit der sich die Erde auf sie zubewegt. Wenn wir ihre Parameter vergleichen (die Masse der Erde ist viel größer als die Masse des Körpers), behaupten wir gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz, dass die Beschleunigung eines Objekts um ein Vielfaches größer ist als die Beschleunigung der Erde. Wir beobachten eine Änderung in der Geschwindigkeit des Körpers, die Erde bewegt sich nicht aus ihrer Umlaufbahn.
Grenzen der Anwendbarkeit
Die moderne Physik leugnet die Newtonschen Gesetze nicht, sondern legt nur die Grenzen ihrer Anwendbarkeit fest. Bis Anfang des 20. Jahrhunderts hatten Physiker keinen Zweifel daran, dass diese Gesetze alle Naturphänomene erklärten.
1, 2, 3 GesetzNewton deckt die Ursachen des Verh altens makroskopischer Körper vollständig auf. Die Bewegung von Objekten mit vernachlässigbarer Geschwindigkeit wird durch diese Postulate vollständig beschrieben.
Der Versuch, auf ihrer Grundlage die Bewegung von Körpern mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu erklären, ist zum Scheitern verurteilt. Eine vollständige Änderung der Eigenschaften von Raum und Zeit bei diesen Geschwindigkeiten erlaubt keine Nutzung der Newtonschen Dynamik. Außerdem ändern die Gesetze ihre Form in nicht-trägen FRs. Für ihre Anwendung wird der Begriff der Trägheitskraft eingeführt.
Newtons Gesetze können die Bewegung astronomischer Körper, die Regeln für ihren Standort und ihre Interaktion erklären. Dazu wird das Gesetz der universellen Gravitation eingeführt. Es ist unmöglich, das Ergebnis der Anziehung kleiner Körper zu sehen, weil die Kraft gering ist.
Gegenseitige Anziehung
Es gibt eine Legende, nach der Mr. Newton, der im Garten saß und den fallenden Äpfeln zusah, eine geniale Idee hatte: die Bewegung von Objekten nahe der Erdoberfläche und die Bewegung von zu erklären Raumkörper auf der Grundlage gegenseitiger Anziehung. Es ist nicht so weit von der Wahrheit entfernt. Beobachtungen und genaue Berechnungen betrafen nicht nur den Fall von Äpfeln, sondern auch die Bewegung des Mondes. Die Gesetze dieser Bewegung lassen den Schluss zu, dass die Anziehungskraft mit zunehmender Masse wechselwirkender Körper zunimmt und mit zunehmendem Abstand zwischen ihnen abnimmt.
Basierend auf Newtons zweitem und drittem Gesetz wird das Gesetz der universellen Gravitation wie folgt formuliert: Alle Körper im Universum werden durch eine Kraft angezogen, die entlang der Linie gerichtet ist, die die Mittelpunkte der Körper verbindet, proportional zu der Massen der Körper undumgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Körpermittelpunkten.
Mathematische Schreibweise: F=GMm/r2, wobei F die Anziehungskraft ist, M, m die Massen der wechselwirkenden Körper sind, r der Abstand zwischen ihnen ist. Der Proportionalitätskoeffizient (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) wird als der bezeichnet Gravitationskonstante.
Physikalische Bedeutung: Diese Konstante ist gleich der Anziehungskraft zwischen zwei Körpern mit einer Masse von 1 kg in einem Abstand von 1 m. Es ist klar, dass für Körper mit kleinen Massen die Kraft so unbedeutend ist, dass sie es sein kann vernachlässigt. Bei Planeten, Sternen, Galaxien ist die Anziehungskraft so groß, dass sie ihre Bewegung vollständig bestimmt.
Es ist das Newtonsche Gravitationsgesetz, das besagt, dass man zum Starten von Raketen Treibstoff benötigt, der einen solchen Strahlschub erzeugen kann, um den Einfluss der Erde zu überwinden. Die dafür erforderliche Geschwindigkeit ist die erste Fluchtgeschwindigkeit, die 8 km/s beträgt.
Moderne Raketentechnologie macht es möglich, unbemannte Stationen als künstliche Satelliten der Sonne zu starten, um andere Planeten zu erforschen. Die von einem solchen Gerät entwickelte Geschwindigkeit ist die zweite Raumgeschwindigkeit, gleich 11 km / s.
Algorithmus zur Anwendung von Gesetzen
Die Lösung dynamischer Probleme unterliegt einer bestimmten Abfolge von Handlungen:
- Aufgabe analysieren, Daten identifizieren, Art der Bewegung.
- Zeichne eine Zeichnung, in der alle auf den Körper wirkenden Kräfte und die Richtung der Beschleunigung (falls vorhanden) angegeben sind. Koordinatensystem auswählen.
- Erstes oder zweites Gesetz schreiben, je nach VerfügbarkeitKörperbeschleunigung in Vektorform. Berücksichtigen Sie alle Kräfte (resultierende Kraft, Newtonsche Gesetze: die erste, wenn sich die Geschwindigkeit des Körpers nicht ändert, die zweite, wenn Beschleunigung vorhanden ist).
- Schreibe die Gleichung in Projektionen auf die ausgewählten Koordinatenachsen um.
- Wenn das resultierende Gleichungssystem nicht ausreicht, dann schreibe andere auf: Definitionen von Kräften, Gleichungen der Kinematik usw.
- Löse das Gleichungssystem nach dem gesuchten Wert.
- Führen Sie eine Maßkontrolle durch, um festzustellen, ob die resultierende Formel korrekt ist.
- Berechnen.
Normalerweise reichen diese Schritte für jede Standardaufgabe aus.
