DYNAMIKK: HISTORIE, HVA DEN STUDERER, LOVER OG TEORIER - FYSISK - 2026

Den dynamiske er arealet av mekanikk som studerer interaksjoner mellom legemene og deres effekter. Den tar for seg å beskrive dem kvalitativt og kvantitativt, samt forutsi hvordan de vil utvikle seg over tid.

Ved å bruke prinsippene er det kjent hvordan bevegelsen til et legeme blir endret når man samhandler med andre, og også om disse interaksjonene deformerer det, siden det er fullt mulig at begge effektene oppstår samtidig.

Figur 1. Interaksjoner på syklisten endrer bevegelsen. Kilde: Pixabay.

Troen på den store greske filosofen Aristoteles (384-322 f.Kr.) rådde som grunnlaget for dynamikken i Vesten i århundrer. Han trodde at gjenstander beveget seg på grunn av en slags energi som presset dem i en eller annen retning.

Han observerte også at mens en gjenstand skyves, beveger den seg med konstant hastighet, men når du skyver stoppet, beveger den seg mer og saktere til den stopper.

I følge Aristoteles var handlingen av en konstant kraft nødvendig for å få noe til å bevege seg med konstant hastighet, men det som skjer er at denne filosofen ikke hadde effekter av friksjon.

En annen ide om ham var at tyngre gjenstander falt raskere enn lettere. Det var den store Galileo Galilei (1564-1642) som demonstrerte gjennom eksperimenter at alle kropper faller med samme akselerasjon uavhengig av deres masse og neglisjerer viskøse effekter.

Men det er Isaac Newton (1642-1727), den mest bemerkelsesverdige forskeren som noen gang har levd, som regnes som far til moderne dynamikk og matematisk beregning, sammen med Gottfried Leibniz.

Figur 2. Isaac Newton i 1682 av Godfrey Kneller. Kilde: Wikimedia Commons.

Dens berømte lover, formulert på 1600-tallet, forblir like gyldige og friske i dag. De er grunnlaget for klassisk mekanikk, som vi ser og påvirker oss hver dag. Disse lovene vil bli diskutert om kort tid.

Hva studerer dynamikk?

Dynamikk studerer samspillet mellom objekter. Når gjenstander samhandler er det endringer i bevegelse og deformasjoner. Et bestemt område som kalles statisk, er dedikert til systemene i likevekt, de som er i ro eller med ensartet rettlinjet bevegelse.

Ved å bruke prinsippene for dynamikk er det mulig å forutsi, ved hjelp av ligninger, hva som vil være endringene og evolusjonen av objekter i tid. For å gjøre dette etableres noen antakelser avhengig av typen system som skal studeres.

Partikler, stive faste stoffer og kontinuerlige medier

Partikkelmodellen er den enkleste å begynne å anvende prinsippene for dynamikk. I den antas det at objektet som skal studeres har masse, men ingen dimensjoner. Derfor kan en partikkel være så liten som et elektron eller så stor som jorden eller solen.

Når du ønsker å observere effekten av størrelse på dynamikken, er det nødvendig å ta hensyn til størrelsen og formen på objekter. En modell som tar hensyn til dette er den av det stive faste stoffet, et legeme med målbare dimensjoner som består av veldig mange partikler, men som ikke deformeres under effekten av krefter.

Til slutt tar mekanikken i kontinuerlige medier ikke bare hensyn til dimensjonene til objektet, men også til dets spesielle egenskaper, inkludert evnen det har til å deformere. Kontinuerlige medier omfatter stive og ikke-stive faste stoffer, så vel som væsker.

Newtons lover

Nøkkelen til å forstå hvordan dynamikk fungerer er i en grundig forståelse av Newtons lover, som kvantitativt knytter kreftene som virker på et legeme med endringer i dens bevegelsestilstand eller hvile.

Newtons første lov

Forklaring av Newtons første lov. Kilde: self made.

Sier det slik:

Den første delen av uttalelsen virker ganske åpenbar, siden det er tydelig at et objekt i ro vil forbli slik, med mindre det er forstyrret. Og for dette kreves det en styrke.

På den annen side er det litt vanskeligere å akseptere at et objekt fortsetter i bevegelse selv når nettokraften på den er null, fordi det ser ut til at et objekt kan holde seg i bevegelse på ubestemt tid. Og hverdagserfaringen forteller oss at før eller siden går sakte.

Svaret på denne tilsynelatende motsetningen er i friksjon. Hvis et objekt skulle bevege seg på en perfekt glatt overflate, kunne den faktisk gjøre det på ubestemt tid, forutsatt at ingen annen kraft får bevegelsen til å variere.

Siden det er umulig å eliminere friksjon helt, er situasjonen der en kropp beveger seg på ubestemt tid med konstant hastighet en idealisering.

Til slutt er det viktig å merke seg at selv om nettokraften er null, representerer dette ikke nødvendigvis et totalt fravær av krefter på objektet.

Gjenstander på jordoverflaten opplever alltid gravitasjonsattraksjon. En bok som hviler på et bord forblir slik, fordi overflaten på bordet utøver en kraft som motvirker vekten.

Andre lov av Newton

Forklaring av Newtons andre lov. Kilde: self made.

Newtons første lov fastsetter hva som skjer med et objekt som nettoen eller den resulterende kraften er null på. Nå indikerer den grunnleggende loven om dynamikk eller Newtons andre lov hva som vil skje når nettokraften ikke avbryter:

Faktisk, jo større en påført kraft, jo større er hastigheten på et objekt. Og hvis den samme kraften blir brukt på objekter med forskjellige masser, vil de største endringene oppleves av objekter som er lettere og lettere å bevege seg. Hverdagserfaring stemmer overens med disse påstandene.

Newtons tredje lov

En romrakett får nødvendig fremdrift takket være de utviste gassene. Kilde: Pixabay.

Newtons to første lover refererer til et enkelt objekt. Men den tredje loven viser til to objekter. Vi vil navngi dem objekt 1 og objekt 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Faktisk når en kropp blir påvirket av en styrke, skyldes det at en annen er ansvarlig for å forårsake den. Dermed har gjenstander på jorden vekt, fordi det tiltrekker dem mot sentrum. En elektrisk ladning blir frastøtt av en annen ladning med samme skilt, fordi den utøver en frastøtende kraft på den første, og så videre.

Figur 3. Sammendrag av Newtons lover. Kilde: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Bevaringsprinsipper

I dynamikk er det flere mengder som blir bevart under bevegelse og hvis studier er essensiell. De er som en solid kolonne som det er mulig å knytte seg til for å løse problemer der kreftene varierer på veldig komplekse måter.

Et eksempel: akkurat når to biler kolliderer, er samspillet mellom dem veldig intenst, men kort. Så intens at ingen andre krefter trenger å tas med i betraktningen, derfor kan kjøretøyene betraktes som et isolert system.

Men å beskrive dette intense samspillet er ikke en lett oppgave, siden det involverer krefter som varierer i tid og også i verdensrommet. Ved å anta at kjøretøyene utgjør et isolert system, er imidlertid kreftene mellom dem indre, og momentumet bevares.

Ved å bevare fart, er det mulig å forutsi hvordan kjøretøyene vil bevege seg rett etter kollisjonen.

Her er to av de viktigste bevaringsprinsippene i Dynamics:

Energi konservering

I naturen er det to typer krefter: konservative og ikke-konservative. Vekt er et godt eksempel på førstnevnte, mens friksjon er et godt eksempel på sistnevnte.

Vel, de konservative kreftene er karakterisert fordi de tilbyr muligheten for å lagre energi i konfigurasjonen av systemet. Det er den såkalte potensielle energien.

Når en kropp har potensiell energi takket være virkningen av en konservativ kraft som vekt og går i bevegelse, omdannes denne potensielle energien til kinetisk energi. Summen av begge energiene kalles systemets mekaniske energi og er den som er bevart, det vil si at den forblir konstant.

La U være den potensielle energien, K den kinetiske energien, og E _m den mekaniske energien. Hvis bare konservative krefter virker på et objekt, er det riktig at:

Og dermed:

Bevaring av fart

Dette prinsippet gjelder ikke bare når to kjøretøy kolliderer. Det er en fysikklov med et omfang som går utover den makroskopiske verdenen.

Momentet bevares på nivået med sol-, stjerners- og galakssystemer. Og det gjør det også i skalaen til atomet og atomkjernen, til tross for at Newtonsk mekanikk slutter å være gyldig der.

La P være momentumvektoren gitt av:

P = m. v

Avlede P med hensyn til tid:

Hvis massen forblir konstant:

Derfor kan vi skrive Newtons andre lov slik:

_Netto F = d P / dt

Hvis to legemer m ₁ og m ₂ utgjør et isolert system, er kreftene mellom dem indre og i henhold til Newtons tredje lov, er de like og motsatte F ₁ = - F ₂ , og blir oppfylt at:

Hvis derivatet med hensyn til tid med en størrelsesorden er null, betyr det at størrelsen forblir konstant. I et isolert system kan det derfor sies at momentumet til systemet er bevart:

P ₁ + P ₂ = konstant

Likevel kan P ₁ og P ₂ variere individuelt. Momentumet til et system kan omfordeles, men det som betyr noe er at summen forblir uendret.

Utvalgte konsepter i dynamikk

Det er mange viktige konsepter i dynamikken, men to av dem skiller seg ut: masse og kraft. På styrken som allerede er kommentert tidligere og nedenfor er det en liste med de mest fremtredende konseptene som vises ved siden av i studiet av dynamikk:

Inertia

Det er egenskapen at objekter må motstå endringer i deres hvile- eller bevegelsestilstand. Alle gjenstander med masse har treghet, og det oppleves veldig ofte, for eksempel når man reiser i en akselererende bil, har passasjerer en tendens til å ligge i ro, noe som oppleves som en følelse av å feste seg bak på setet.

Og hvis bilen stopper brått, har passasjerer en tendens til å rulle over, i følge den fremre bevegelsen de tidligere hadde, så det er viktig å alltid bruke bilbelter.

Figur 4. Når du kjører med bil, får treghet oss til å krasje når bilen bremser kraftig. Kilde: Pixabay.

Masse

Masse er målet på treghet, siden jo større en kroppsmasse er, desto vanskeligere er det å bevege det eller få det til å endre bevegelse. Masse er en skalær mengde, dette betyr at for å spesifisere massen til en kropp er det nødvendig å gi den numeriske verdien pluss den valgte enheten, som kan være kilo, pund, gram og mer.

Vekt

Vekt er den kraften som Jorden trekker gjenstander nær overflaten mot sentrum.

Fordi det er en kraft, har vekten en vektorkarakter, derfor er den fullstendig spesifisert når dens størrelse eller numeriske verdi, dens retning og dens sans er indikert, som vi allerede vet er vertikalt nedover.

Selv om relatert, vekt og masse er således ikke like, ikke engang ekvivalent, siden den første er en vektor og den andre en skalær.

Referansesystemer

Beskrivelsen av en bevegelse kan variere avhengig av den valgte referansen. De som skal opp i heis er i ro i henhold til en referanseramme som er festet til den, men sett av en observatør på bakken beveger passasjerene seg.

Hvis et organ opplever bevegelse om en referanseramme, men er i ro i en annen, kan Newtons lover ikke gjelde begge deler. Faktisk gjelder Newtons lover for visse referanserammer: de som er treghet.

I treghetsreferanserammer akselererer ikke kroppene med mindre de blir forstyrret på noen måte - ved å bruke en kraft.

Fiktive krefter

De fiktive kreftene eller pseudokreftene vises når bevegelsen til et legeme i en akselerert referanseramme analyseres. En fiktiv styrke skilles fordi det ikke er mulig å identifisere agenten som er ansvarlig for utseendet.

Sentrifugalkraft er et godt eksempel på fiktiv kraft. At det er, gjør det imidlertid ikke mindre reelt for de som opplever det når de svinger inn bilene sine og føler at en usynlig hånd skyver dem ut av kurven.

Akselerasjon

Denne viktige vektoren er allerede nevnt før. Et objekt opplever akselerasjon så lenge det er en kraft som endrer hastigheten.

Arbeid og energi

Når en styrke virker på et objekt og den endrer sin posisjon, har styrken gjort arbeid. Og dette arbeidet kan lagres i form av energi. Derfor utføres arbeid med objektet, takket være det den skaffer seg energi.

Følgende eksempel rydder poenget: Anta at en person hever en gryte en viss høyde over bakkenivå.

For dette må den påføre en kraft og overvinne tyngdekraften, derfor fungerer den på potten og dette arbeidet er lagret i form av gravitasjonspotensiell energi i potten, proporsjonal med dens masse og høyden den nådde over gulvet. :

Der m er masse, er g tyngdekraft, og h er høyde. Hva kan potten gjøre når den er i høyden h? Vel, den kan falle, og når den faller, reduseres den potensielle gravitasjonsenergien den har, mens den kinetiske energien eller bevegelsesenergien øker.

For at en kraft skal utføre arbeid, må den produsere en forskyvning som må være parallell med styrken. Hvis dette ikke skjer, virker kraften fremdeles på objektet, men virker ikke på den.

relaterte temaer

Newtons første lov.

Andre lov av Newton.

Newtons tredje lov.

Lov om bevaring av materie.

referanser

1. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørvitenskap og vitenskap. Bind 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. Volum 2. Dynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6. .. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konseptuell fysisk vitenskap. Femte. Ed. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortede utgave. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
7. Wikipedia. Dynamisk. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.