DYNAMIKA: HISTÓRIA, ČO ŠTUDUJE, ZÁKONY A TEÓRIE - FYZICKÝ - 2026

Dynamic je oblasť mechaniky, ktorá študuje interakcie medzi inštitúciami a ich účinky. Zaoberá sa ich kvalitatívnym a kvantitatívnym opisom, ako aj predpovedá, ako sa budú časom vyvíjať.

Použitím jeho princípov je známe, ako sa mení pohyb tela pri interakcii s ostatnými, a tiež to, či tieto interakcie deformujú, pretože je úplne možné, že sa oba účinky vyskytujú súčasne.

Obrázok 1. Interakcie s cyklistami upravujú ich pohyb. Zdroj: Pixabay.

Viera veľkého gréckeho filozofa Aristotela (384 - 322 pnl) po stáročia prevládala na Západe ako základ dynamiky. Myslel si, že objekty sa pohli kvôli nejakej energii, ktorá ich tlačila jedným alebo druhým smerom.

Poznamenal tiež, že zatiaľ čo sa objekt tlačí, pohybuje sa konštantnou rýchlosťou, ale keď je tlačenie zastavené, pohybuje sa stále pomalšie, až kým sa nezastaví.

Podľa Aristotela bolo potrebné pôsobenie konštantnej sily, aby sa niečo pohybovalo konštantnou rýchlosťou, ale stáva sa, že tento filozof nemal trenie.

Ďalšou jeho myšlienkou bolo, že ťažšie predmety padali rýchlejšie ako ľahšie. Bol to vynikajúci Galileo Galilei (1564-1642), ktorý experimentami ukázal, že všetky telá padajú s rovnakým zrýchlením bez ohľadu na ich hmotnosť a zanedbávajú viskózne účinky.

Ale je to Isaac Newton (1642 - 1727), najvýznamnejší vedec, ktorý kedy žil, ktorý je spolu s Gottfriedom Leibnizom považovaný za otca modernej dynamiky a matematického výpočtu.

Obrázok 2. Izák Newton z roku 1682 od Godfrey Kneller. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jeho slávne zákony, ktoré boli sformulované počas 17. storočia, zostávajú v platnosti aj dnes. Sú základom klasickej mechaniky, ktorú každý deň vidíme a ovplyvňujeme. Tieto zákony sa čoskoro prediskutujú.

Čo študuje dynamika?

Dynamika študuje interakciu medzi objektmi. Keď objekty interagujú, dochádza k zmenám ich pohybu a deformácií. Konkrétna oblasť nazývaná statická je venovaná rovnovážnym systémom, systémom, ktoré sú v pokoji alebo rovnomerným priamym pohybom.

Použitím dynamických princípov je možné pomocou rovníc predpovedať, aké zmeny a vývoj objektov budú v čase. Za týmto účelom sú stanovené niektoré predpoklady v závislosti od typu systému, ktorý sa má študovať.

Častice, tuhé látky a kontinuálne médiá

Model častíc je najjednoduchšie začať uplatňovať princípy dynamiky. V ňom sa predpokladá, že predmet, ktorý sa má študovať, má hmotnosť, ale nemá rozmery. Častica preto môže byť tak malá ako elektrón alebo taká veľká ako Zem alebo Slnko.

Ak chcete pozorovať vplyv veľkosti na dynamiku, je potrebné zvážiť veľkosť a tvar objektov. Model, ktorý to berie do úvahy, je model tuhého telesa, telesa s merateľnými rozmermi zloženého z veľkého množstva častíc, ktorý sa však vplyvom sily nedeformuje.

Nakoniec, mechanika súvislých médií berie do úvahy nielen rozmery objektu, ale aj jeho konkrétne vlastnosti vrátane schopnosti deformácie. Kontinuálne médiá zahŕňajú tuhé a netuhé pevné látky, ako aj tekutiny.

Newtonove zákony

Kľúčom k pochopeniu toho, ako dynamika funguje, je dôkladné porozumenie Newtonových zákonov, ktoré kvantitatívne spájajú sily pôsobiace na telo so zmenami jeho pohybového alebo oddychového stavu.

Newtonov prvý zákon

Vysvetlenie prvého Newtonovho zákona. Zdroj: vlastný.

Takto hovorí:

Prvá časť vyhlásenia sa zdá byť celkom zrejmá, pretože je zrejmé, že objekt v pokoji zostane týmto spôsobom, pokiaľ nebude narušený. A na to je potrebná sila.

Na druhej strane skutočnosť, že objekt pokračuje v pohybe, aj keď je jeho čistá sila nulová, je trochu ťažšie akceptovať, pretože sa zdá, že objekt mohol zostať v pohybe na neurčito. A každodenné skúsenosti nám hovoria, že skôr alebo neskôr sa veci spomalia.

Odpoveď na tento zjavný rozpor je v rozpore. Ak by sa objekt mal pohybovať po dokonale hladkom povrchu, mohol by tak urobiť neurčito, za predpokladu, že žiadna iná sila nespôsobí pohyb pohybu.

Pretože nie je možné úplne odstrániť trenie, je idealizáciou situácia, keď sa telo pohybuje neurčito konštantnou rýchlosťou.

Nakoniec je dôležité poznamenať, že aj keď je čistá sila nulová, nemusí to nevyhnutne predstavovať úplnú neprítomnosť síl na objekt.

Predmety na zemskom povrchu vždy zažívajú gravitačnú príťažlivosť. Kniha spočívajúca na stole tak zostáva, pretože povrch tabuľky vyvíja silu, ktorá pôsobí proti váhe.

Druhý Newtonov zákon

Vysvetlenie Newtonovho druhého zákona. Zdroj: vlastný.

Newtonov prvý zákon stanovuje, čo sa stane s predmetom, na ktorom je sieť alebo výsledná sila nulová. Teraz základný dynamický zákon alebo Newtonov druhý zákon naznačuje, čo sa stane, keď sieťová sila nezruší:

V skutočnosti čím väčšia aplikovaná sila, tým väčšia je zmena rýchlosti objektu. A ak sa rovnaká sila aplikuje na objekty rôznych hmotností, najväčšie zmeny zažijú objekty, ktoré sú ľahšie a ľahšie sa pohybujú. Každodenné skúsenosti s týmito tvrdeniami súhlasia.

Newtonov tretí zákon

Vesmírna raketa dostáva potrebný pohon vďaka vylúčeným plynom. Zdroj: Pixabay.

Newtonove prvé dva zákony sa vzťahujú na jeden objekt. Tretí zákon sa však týka dvoch predmetov. Pomenujeme ich ako objekt 1 a objekt 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

V skutočnosti, kedykoľvek je telo postihnuté silou, je to preto, že iný je zodpovedný za jeho spôsobenie. Takže objekty na Zemi majú váhu, pretože ich priťahuje smerom k jej stredu. Elektrický náboj je odrazený iným nábojom toho istého znaku, pretože na prvý z nich pôsobí odporom a tak ďalej.

Obrázok 3. Zhrnutie Newtonových zákonov. Zdroj: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Zásady ochrany

V dynamike existuje niekoľko množstiev, ktoré sa počas pohybu zachovávajú a ktorých štúdium je nevyhnutné. Sú ako pevný stĺp, ku ktorému je možné pripojiť sa, aby vyriešili problémy, v ktorých sa sily menia veľmi zložitým spôsobom.

Príklad: v momente zrážky dvoch vozidiel je interakcia medzi nimi veľmi intenzívna, ale krátka. Tak intenzívne, že nie je potrebné brať do úvahy žiadne iné sily, a preto sa vozidlá môžu považovať za izolovaný systém.

Opísať túto intenzívnu interakciu však nie je ľahká úloha, pretože zahŕňa sily, ktoré sa líšia v čase aj priestore. Avšak za predpokladu, že vozidlá tvoria izolovaný systém, sily medzi nimi sú vnútorné a hybnosť je zachovaná.

Zachovaním dynamiky je možné predpovedať, ako sa budú vozidlá pohybovať bezprostredne po zrážke.

Tu sú dva z najdôležitejších princípov ochrany v Dynamics:

Uchovávanie energie

V prírode existujú dva typy síl: konzervatívny a nekonzervatívny. Hmotnosť je dobrým príkladom prvého, zatiaľ čo trenie je dobrým príkladom prvého.

Konzervatívne sily sa vyznačujú tým, že ponúkajú možnosť ukladania energie v konfigurácii systému. Je to takzvaná potenciálna energia.

Keď má telo potenciálnu energiu vďaka pôsobeniu konzervatívnej sily, akou je napríklad váha a ide do pohybu, táto potenciálna energia sa premení na kinetickú energiu. Súčet obidvoch energií sa nazýva mechanická energia systému a je tá, ktorá je zachovaná, to znamená, že zostáva konštantná.

Nech U je potenciálna energia, K kinetická energia a E _m mechanická energia. Ak na objekt pôsobia iba konzervatívne sily, je pravda, že:

teda:

Zachovanie hybnosti

Táto zásada platí nielen pri zrážke dvoch vozidiel. Je to zákon fyziky s rozsahom, ktorý presahuje rámec makroskopického sveta.

Hybnosť je zachovaná na úrovni solárnych, hviezdnych a galaxických systémov. A robí to aj v mierke atómu a atómového jadra, napriek tomu, že newtonovská mechanika tu prestáva platiť.

Nech P je vektor hybnosti daný:

P = m. proti

Odvodenie P z hľadiska času:

Ak hmotnosť zostáva konštantná:

Preto môžeme napísať Newtonov druhý zákon, ako je tento:

_Čistá F = d P / dt

Ak dve telá m ₁ a m ₂ tvoria izolovaný systém, sily medzi nimi sú vnútorné a podľa Newtonovho tretieho zákona sú rovnaké a sú proti F ₁ = - F ₂ , pričom sú splnené tieto podmienky:

Ak je derivácia s ohľadom na čas veľkosti nulová, znamená to, že veľkosť zostáva konštantná. Preto v izolovanom systéme možno konštatovať, že dynamika systému je zachovaná:

P ₁ + P ₂ = konštanta

Aj tak sa P ₁ a P ₂ môžu meniť individuálne. Sila systému sa dá prerozdeliť, ale záleží na tom, že jeho suma zostáva nezmenená.

Vybrané pojmy z dynamiky

V dynamike existuje veľa dôležitých konceptov, ale dva z nich vynikajú: hmotnosť a sila. O sile, ktorá už bola komentovaná predtým a nižšie, je zoznam najvýznamnejších konceptov, ktoré sa objavujú vedľa nej pri štúdiu dynamiky:

zotrvačnosť

Je to vlastnosť, že objekty musia odolávať zmenám v stave odpočinku alebo pohybu. Všetky predmety s hmotnosťou majú zotrvačnosť a veľmi často sa s nimi stretávajú, napríklad keď cestujú v zrýchľujúcom aute, majú cestujúci tendenciu zostať v pokoji, čo je vnímané ako pocit, že sa drží na zadnej strane sedadla.

A ak sa vozidlo náhle zastaví, cestujúci majú tendenciu prevrátiť sa podľa pohybu dopredu, ktorý predtým mali, preto je dôležité mať vždy zapnuté bezpečnostné pásy.

Obrázok 4. Pri jazde autom nám zotrvačnosť spôsobí zrážku, keď vozidlo prudko zabrzdí. Zdroj: Pixabay.

hmota

Hmota je mierou zotrvačnosti, pretože čím väčšia je hmotnosť tela, tým ťažšie je pohybovať alebo spôsobiť zmenu jeho pohybu. Hmotnosť je skalárne množstvo, to znamená, že na určenie hmotnosti tela je potrebné uviesť číselnú hodnotu plus vybranú jednotku, ktorou môžu byť kilogramy, libry, gramy a viac.

závažia

Váha je sila, s ktorou Zem priťahuje objekty blízko svojho povrchu smerom k jeho stredu.

Pretože ide o silu, váha má vektorový charakter, a preto je úplne špecifikovaná, keď je uvedená jej veľkosť alebo numerická hodnota, jej smer a zmysel, čo už vieme vertikálne smerom nadol.

Teda, aj keď sú príbuzné, hmotnosť a hmotnosť nie sú rovnaké, dokonca ani ekvivalentné, pretože prvý je vektor a druhý skalár.

Referenčné systémy

Popis pohybu sa môže líšiť v závislosti od zvoleného odkazu. Tí, ktorí idú do výťahu, sú v pokoji podľa referenčného rámca, ktorý je k nemu pripevnený, ale z pohľadu pozorovateľa na zemi sa cestujúci pohybujú.

Ak telo zažije pohyb okolo jedného referenčného rámca, ale je v pokoji v inom, Newtonove zákony sa nemôžu vzťahovať na obidva. Newtonove zákony sa v skutočnosti vzťahujú na určité referenčné rámce: tie, ktoré sú inertné.

V inerciálnych referenčných rámcoch sa telá nezrýchľujú, pokiaľ nie sú nejakým spôsobom narušené - silou.

Fiktívne sily

Fiktívne sily alebo pseudosily sa objavia, keď sa analyzuje pohyb tela v zrýchlenom referenčnom rámci. Fiktívna sila sa rozlišuje, pretože nie je možné identifikovať agenta zodpovedného za jeho vzhľad.

Odstredivá sila je dobrým príkladom fiktívnej sily. Skutočnosť, že to neznamená, že to nie je o nič menej reálne pre tých, ktorí to zažívajú, keď odbočia vo svojich autách, a majú pocit, že ich neviditeľná ruka tlačí von z oblúka.

akcelerácia

Tento dôležitý vektor už bol spomenutý. Objekt sa zrýchľuje, pokiaľ existuje sila, ktorá mení jeho rýchlosť.

Práca a energia

Keď sila pôsobí na objekt a zmení svoju polohu, sila vykonala svoju prácu. A túto prácu je možné uložiť vo forme energie. Preto sa práca na objekte vykonáva, vďaka ktorej získava energiu.

Nasledujúci príklad objasňuje bod: Predpokladajme, že človek zdvihne kvetináč v určitej výške nad úrovňou zeme.

Na tento účel musí vyvinúť silu a prekonať gravitáciu, preto pracuje na hrnci a táto práca sa ukladá vo forme energie gravitačného potenciálu v hrnci, úmerne k jeho hmotnosti a výške, ktorú dosiahla nad podlahou. :

Ak m je hmotnosť, g je gravitácia a h je výška. Čo môže hrniec urobiť, keď je vo výške h? Mohlo by to padnúť a pri páde klesá gravitačná potenciálna energia, zatiaľ čo kinetická alebo pohybová energia sa zvyšuje.

Aby sila mohla pracovať, musí spôsobovať posun, ktorý musí byť rovnobežný so silou. Ak sa tak nestane, sila stále pôsobí na objekt, ale na ňom nepracuje.

Súvisiace témy

Newtonov prvý zákon.

Druhý Newtonov zákon.

Newtonov tretí zákon.

Zákon o konzervovaní látok.

Referencie

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pre techniku ​​a vedu. Zväzok 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 2. Dynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6. ed. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptuálna fyzikálna veda. 5 .. Ed. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohľad na svet. 6. skrátené vydanie. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
7. Wikipedia. Dynamic. Obnovené z: es.wikipedia.org.