Việc nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên trên cơ sở thực nghiệm chỉ có thể thực hiện được nếu tất cả các giai đoạn: quan sát, giả thuyết, thực nghiệm, lý thuyết. Quan sát sẽ tiết lộ và so sánh các sự kiện, giả thuyết khiến chúng ta có thể đưa ra lời giải thích khoa học chi tiết cần thực nghiệm xác nhận. Việc quan sát chuyển động của các cơ thể đã dẫn đến một kết luận thú vị: sự thay đổi tốc độ của một cơ thể chỉ có thể xảy ra dưới tác động của một cơ thể khác.
Ví dụ, nếu bạn nhanh chóng chạy lên cầu thang, sau đó khi rẽ bạn chỉ cần vịn vào lan can (thay đổi hướng chuyển động) hoặc dừng lại (thay đổi giá trị tốc độ) để không va chạm với bức tường đối diện.
Việc quan sát các hiện tượng tương tự đã dẫn đến việc tạo ra một nhánh vật lý nghiên cứu nguyên nhân của sự thay đổi tốc độ của các vật thể hoặc sự biến dạng của chúng.
Khái niệm cơ bản về động lực học
Dynamics được kêu gọi để trả lời câu hỏi bí tích về lý do tại sao cơ thể vật chất chuyển động theo cách này hay cách khác hoặc ở trạng thái nghỉ.
Xem xét trạng thái nghỉ ngơi. Dựa trên khái niệm về tính tương đối của chuyển động, chúng ta có thể kết luận: không có và không thể có các vật thể chuyển động tuyệt đối. Không tí nàomột vật thể, bất động đối với một vật tham chiếu này, chuyển động so với vật thể khác. Ví dụ, một cuốn sách nằm trên bàn là bất động so với mặt bàn, nhưng nếu chúng ta xem xét vị trí của nó so với một người đi qua, chúng ta rút ra một kết luận tự nhiên: cuốn sách đang chuyển động.
Vì vậy, quy luật chuyển động của các vật thể được coi là trong hệ quy chiếu quán tính. Nó là gì?
Hệ quy chiếu quán tính được gọi là hệ quy chiếu quán tính, trong đó vật thể ở trạng thái nghỉ hoặc thực hiện chuyển động thẳng và thẳng đều, miễn là không có ảnh hưởng của các đối tượng hoặc vật thể khác lên nó.
Trong ví dụ trên, hệ quy chiếu liên kết với bảng có thể được gọi là quán tính. Một người di chuyển đồng đều và trên một đường thẳng có thể dùng làm hệ quy chiếu cho ISO. Nếu chuyển động của nó được tăng tốc, thì không thể liên kết một khí quán tính với nó.
Trên thực tế, một hệ thống như vậy có thể tương quan với các thiên thể được cố định chặt chẽ trên bề mặt Trái đất. Tuy nhiên, bản thân hành tinh không thể đóng vai trò là cơ quan tham chiếu cho IFR, vì nó quay đều quanh trục của chính nó. Các vật thể trên bề mặt có gia tốc hướng tâm.
Động lượng là gì?
Hiện tượng quán tính liên quan trực tiếp đến ISO. Hãy nhớ điều gì sẽ xảy ra nếu một chiếc ô tô đang chuyển động dừng lại đột ngột? Hành khách gặp nguy hiểm khi tiếp tục hành trình. Nó có thể được dừng lại bằng một ghế ngồi phía trước hoặc dây an toàn. Quá trình này được giải thích là do quán tính của hành khách. Có đúng không?
Quán tính là hiện tượng đặt trước sự bảo toàntốc độ không đổi của cơ thể trong trường hợp không có ảnh hưởng của các cơ quan khác lên nó. Hành khách đang chịu tác động của dây đai hoặc ghế ngồi. Hiện tượng quán tính không được quan sát ở đây.
Lời giải thích nằm ở thuộc tính của cơ thể, và theo nó, không thể thay đổi ngay tốc độ của một vật thể. Đây là quán tính. Ví dụ, tính trơ của thủy ngân trong nhiệt kế khiến thanh có thể hạ thấp nếu chúng ta lắc nhiệt kế.
Số đo quán tính được gọi là khối lượng của cơ thể. Khi tương tác, tốc độ thay đổi nhanh hơn đối với các vật thể có khối lượng nhỏ hơn. Vụ va chạm của một chiếc xe với một bức tường bê tông cho phần sau gần như không có dấu vết. Chiếc xe thường trải qua những thay đổi không thể đảo ngược: thay đổi tốc độ, xuất hiện biến dạng đáng kể. Nó chỉ ra rằng quán tính của một bức tường bê tông vượt quá quán tính của một chiếc xe hơi.
Có thể gặp hiện tượng quán tính trong tự nhiên không? Điều kiện mà cơ thể không có liên kết với các thiên thể khác là không gian sâu, trong đó tàu vũ trụ di chuyển với động cơ đã tắt. Nhưng ngay cả trong trường hợp này, mômen hấp dẫn vẫn hiện hữu.
Số lượng cơ bản
Nghiên cứu động lực học ở cấp độ thực nghiệm liên quan đến việc thử nghiệm các phép đo các đại lượng vật lý. Thú vị nhất:
- gia tốc như một thước đo tốc độ thay đổi tốc độ của các vật thể; chỉ định nó bằng chữ a, đo bằng m / s2;
- khối lượng làm thước đo quán tính; được đánh dấu bằng chữ m, tính bằng kg;
- lực như một thước đo tác động lẫn nhau của các cơ thể; thường được ký hiệu bằng chữ F, được đo bằng N (newton).
Mối quan hệ giữa các đại lượng nàyđược đặt ra theo ba mẫu, do nhà vật lý vĩ đại nhất người Anh suy ra. Các định luật của Newton được thiết kế để giải thích sự phức tạp của sự tương tác của các vật thể khác nhau. Cũng như các quy trình quản lý chúng. Chính các khái niệm "gia tốc", "lực", "khối lượng" mà các định luật Newton kết nối với các mối quan hệ toán học. Hãy cố gắng tìm hiểu ý nghĩa của nó.
Chỉ tác động của một lực là một hiện tượng đặc biệt. Ví dụ: một vệ tinh nhân tạo quay quanh Trái đất chỉ bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn.
Kết quả
Tác động của nhiều lực có thể được thay thế bằng một lực.
Tổng hình học của các lực tác dụng lên một vật được gọi là kết quả.
Chúng ta đang nói về một tổng hình học, vì lực là một đại lượng vectơ, không chỉ phụ thuộc vào điểm áp dụng mà còn phụ thuộc vào hướng của tác dụng.
Ví dụ, nếu bạn cần di chuyển một tủ quần áo khá đồ sộ, bạn có thể mời bạn bè. Cùng nhau, chúng tôi đạt được kết quả mong muốn. Nhưng bạn chỉ có thể mời một người rất mạnh. Công sức của anh ấy bằng hành động của tất cả bạn bè. Lực tác dụng của anh hùng có thể được gọi là kết quả.
Định luật chuyển động của Newton được xây dựng trên cơ sở khái niệm "kết quả".
Luật quán tính
Bắt đầu nghiên cứu các định luật Newton với hiện tượng phổ biến nhất. Định luật đầu tiên thường được gọi là định luật quán tính, vì nó thiết lập nguyên nhân của chuyển động thẳng đều hoặc trạng thái nghỉ của các vật thể.
Cơ thể chuyển động đều và thẳng hoặcnghỉ ngơi nếu không có lực tác động lên nó hoặc hành động này được đền bù.
Có thể lập luận rằng kết quả trong trường hợp này bằng không. Ở trạng thái này, ví dụ, một ô tô đang chuyển động với tốc độ không đổi trên một đoạn đường thẳng. Tác dụng của lực hút được bù bằng phản lực của giá đỡ và lực đẩy của động cơ có giá trị tuyệt đối bằng lực cản đối với chuyển động.
Đèn chùm đặt trên trần nhà, vì lực hấp dẫn được bù đắp bằng lực căng của các đồ đạc của nó.
Chỉ những lực tác dụng lên một cơ thể mới có thể được bù đắp.
Định luật thứ hai của Newton
Hãy tiến lên. Các lý do gây ra sự thay đổi tốc độ của các vật thể được coi là theo định luật thứ hai của Newton. Anh ấy đang nói gì vậy?
Kết quả của các lực tác dụng lên một vật thể được định nghĩa là tích của khối lượng vật thể đó và gia tốc có được dưới tác dụng của các lực lượng.
Rất tiếc, định luật2 Newton (công thức: F=ma) không thiết lập mối quan hệ nhân quả giữa các khái niệm cơ bản về động học và động lực học. Anh ấy không thể xác định chính xác điều gì đang khiến các cơ thể tăng tốc.
Hãy công thức hóa nó theo cách khác: gia tốc mà cơ thể nhận được tỷ lệ thuận với lực sinh ra và tỷ lệ nghịch với khối lượng của cơ thể.
Vì vậy, có thể xác định rằng sự thay đổi tốc độ chỉ xảy ra phụ thuộc vào lực tác dụng lên nó và khối lượng của cơ thể.
Định luật2 Newton, công thức của nó có thể như sau: a=F / m, được coi là cơ bản ở dạng vectơ, vì nó có thểthiết lập kết nối giữa các nhánh của vật lý. Ở đây, a là vectơ gia tốc của vật, F là kết quả của lực, m là khối lượng của vật.
Chuyển động tăng tốc của ô tô có thể thực hiện được nếu lực kéo của động cơ vượt quá lực cản của chuyển động. Khi lực đẩy tăng lên, thì gia tốc cũng vậy. Xe tải được trang bị động cơ công suất lớn, vì khối lượng của chúng lớn hơn nhiều so với khối lượng của xe du lịch.
Quả cầu lửa được thiết kế cho các cuộc đua tốc độ cao được làm nhẹ theo cách mà các bộ phận cần thiết tối thiểu được gắn vào chúng và công suất động cơ được tăng lên đến giới hạn có thể. Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của xe thể thao là thời gian tăng tốc lên 100 km / h. Khoảng thời gian này càng ngắn thì đặc tính tốc độ của ô tô càng tốt.
Quy luật tương tác
Định luậtNewton, dựa trên các lực của tự nhiên, nói rằng bất kỳ tương tác nào cũng kèm theo sự xuất hiện của một cặp lực. Nếu quả bóng treo trên một sợi chỉ, thì nó sẽ trải qua hành động của nó. Trong trường hợp này, chỉ cũng bị kéo căng dưới tác động của quả bóng.
Công thức của chính quy thứ ba hoàn thành định luật Newton. Nói tóm lại, nó giống như thế này: hành động tương đương với phản ứng. Điều này có nghĩa là gì?
Lực mà các vật tác dụng lên nhau có độ lớn bằng nhau, ngược chiều và hướng dọc theo đường nối các tâm của các vật. Điều thú vị là chúng không thể được gọi là bù trừ, bởi vì chúng hoạt động trên các cơ thể khác nhau.
Thi hành luật
Vấn đề nổi tiếng "Ngựa và Xe" có thể gây nhầm lẫn. Con ngựa buộc vào toa xe nói trên sẽ di chuyển nótừ nơi này. Theo định luật thứ ba của Newton, hai vật thể này tác động lên nhau với lực bằng nhau, nhưng trong thực tế, một con ngựa có thể di chuyển một chiếc xe, điều này không phù hợp với nền của mô hình.
Giải pháp được tìm thấy nếu chúng ta tính đến việc hệ thống các cơ quan này không được đóng lại. Con đường có tác dụng đối với cả hai cơ thể. Lực ma sát tĩnh tác dụng lên vó ngựa vượt quá lực ma sát lăn của bánh xe ngựa. Rốt cuộc, khoảnh khắc chuyển động bắt đầu với nỗ lực di chuyển toa xe. Nếu vị trí thay đổi, thì con ngựa trong mọi trường hợp sẽ không di chuyển nó khỏi vị trí của nó. Vó ngựa của anh ta sẽ trượt trên đường và không có chuyển động.
Thuở nhỏ dắt xe trượt nhau, ai cũng có thể bắt gặp một tấm gương như vậy. Nếu hai hoặc ba đứa trẻ ngồi trên xe trượt tuyết, thì nỗ lực của một đứa trẻ rõ ràng là không đủ để di chuyển chúng.
Sự rơi của các vật thể trên bề mặt trái đất, được giải thích bởi Aristotle ("Mọi vật thể đều biết vị trí của nó") có thể được bác bỏ dựa trên cơ sở trên. Một vật chuyển động về phía trái đất dưới tác dụng của lực tương tự như trái đất chuyển động về phía nó. So sánh các thông số của chúng (khối lượng của Trái đất lớn hơn nhiều so với khối lượng của vật thể), theo định luật II Newton, chúng ta khẳng định rằng gia tốc của một vật lớn hơn gia tốc của Trái đất nhiều lần. Chúng tôi đang quan sát sự thay đổi tốc độ của vật thể, Trái đất không di chuyển khỏi quỹ đạo của nó.
Giới hạn áp dụng
Vật lý hiện đại không phủ nhận các định luật Newton, mà chỉ thiết lập các giới hạn về khả năng ứng dụng của chúng. Cho đến đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý không nghi ngờ gì rằng những định luật này đã giải thích tất cả các hiện tượng tự nhiên.
1, 2, 3 luậtNewton tiết lộ đầy đủ nguyên nhân của hoạt động của các thiên thể vĩ mô. Chuyển động của các vật thể với tốc độ không đáng kể được mô tả đầy đủ bằng các định đề này.
Cố gắng giải thích trên cơ sở chuyển động của các vật thể có vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng sẽ thất bại. Sự thay đổi hoàn toàn các đặc tính của không gian và thời gian ở những tốc độ này không cho phép sử dụng động lực học Newton. Ngoài ra, các luật thay đổi dạng của chúng trong các FR không quán tính. Đối với ứng dụng của họ, khái niệm về lực quán tính được giới thiệu.
Định luật Newton có thể giải thích chuyển động của các thiên thể, các quy tắc về vị trí và sự tương tác của chúng. Định luật vạn vật hấp dẫn được đưa ra nhằm mục đích này. Không thể nhìn thấy kết quả của lực hút của các vật thể nhỏ, bởi vì lực này rất ít.
Hấp dẫn lẫn nhau
Có một truyền thuyết kể rằng ông Newton, người đang ngồi trong vườn và xem quả táo rơi, đã có một ý tưởng tuyệt vời: giải thích chuyển động của các vật thể gần bề mặt Trái đất và chuyển động của các thể không gian trên cơ sở hút lẫn nhau. Nó không quá xa sự thật. Việc quan sát và tính toán chính xác không chỉ liên quan đến sự rơi của quả táo mà còn liên quan đến sự chuyển động của mặt trăng. Quy luật của chuyển động này dẫn đến kết luận rằng lực hút tăng khi khối lượng của các vật tương tác tăng lên và giảm khi tăng khoảng cách giữa chúng.
Dựa trên định luật thứ hai và thứ ba của Newton, định luật vạn vật hấp dẫn được xây dựng như sau: tất cả các vật thể trong vũ trụ đều bị hút vào nhau với một lực hướng dọc theo đường nối các tâm của các vật thể, tỷ lệ với khối lượng của các cơ thể vàtỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các tâm của các vật thể.
Kí hiệu toán học: F=GMm / r2, trong đó F là lực hút, M, m là khối lượng của các vật thể tương tác, r là khoảng cách giữa chúng. Hệ số tỷ lệ thuận (G=6,62 x 10-11Nm2/ kg2) được gọi là hằng số hấp dẫn.
Ý nghĩa vật lý: hằng số này bằng lực hút giữa hai vật có khối lượng 1kg ở khoảng cách 1 m. Rõ ràng rằng đối với vật có khối lượng nhỏ thì lực này không đáng kể nên nó có thể bị bỏ quên. Đối với các hành tinh, ngôi sao, thiên hà, lực hút rất lớn nên nó hoàn toàn quyết định chuyển động của chúng.
Định luật hấp dẫn của Newton nói rằng để phóng tên lửa, bạn cần nhiên liệu có thể tạo ra lực đẩy phản lực như vậy để vượt qua ảnh hưởng của Trái đất. Tốc độ cần thiết cho điều này là vận tốc thoát đầu tiên, là 8 km / s.
Công nghệ tên lửa hiện đại giúp nó có thể phóng các trạm không người lái làm vệ tinh nhân tạo của Mặt trời lên các hành tinh khác để khám phá. Tốc độ được phát triển bởi một thiết bị như vậy là vận tốc vũ trụ thứ hai, bằng 11 km / s.
Thuật toán áp dụng luật
Việc giải các bài toán về động lực học phải tuân theo một chuỗi các hành động nhất định:
- Phân tích nhiệm vụ, xác định dữ liệu, loại chuyển động.
- Vẽ hình vẽ biểu thị tất cả các lực tác dụng lên vật và chiều của gia tốc (nếu có). Chọn hệ tọa độ.
- Viết luật thứ nhất hoặc thứ hai, tùy thuộc vào tình trạng sẵn cógia tốc của cơ thể, ở dạng vectơ. Tính đến tất cả các lực (lực kết quả, định luật Newton: lực thứ nhất, nếu tốc độ của vật không thay đổi, lực thứ hai, nếu có gia tốc).
- Viết lại phương trình trong các phép chiếu trên các trục tọa độ đã chọn.
- Nếu hệ phương trình kết quả là không đủ, thì hãy viết ra các phương trình khác: định nghĩa lực, phương trình chuyển động học, v.v.
- Giải hệ phương trình cho giá trị mong muốn.
- Thực hiện kiểm tra kích thước để xác định xem công thức kết quả có đúng không.
- Tính toán.
Thông thường các bước này là đủ cho bất kỳ tác vụ tiêu chuẩn nào.
