Chuyển động của các vật thể khác nhau trong không gian trong vật lý được nghiên cứu bởi một phần đặc biệt - cơ học. Sau đó, lần lượt, được chia thành động học và động lực học. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các định luật cơ học trong vật lý, tập trung vào động lực học của chuyển động tịnh tiến và quay của các vật thể.
Bối cảnh lịch sử
Làm thế nào và tại sao các cơ thể chuyển động đã được các nhà triết học và khoa học quan tâm từ thời cổ đại. Vì vậy, Aristotle tin rằng các vật thể chuyển động trong không gian chỉ vì có một số tác động bên ngoài lên chúng. Nếu dừng tác dụng này, cơ thể sẽ ngay lập tức dừng lại. Nhiều nhà triết học Hy Lạp cổ đại tin rằng trạng thái tự nhiên của tất cả các cơ thể là nghỉ ngơi.
Với sự ra đời của Thời đại Mới, nhiều nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu các quy luật chuyển động trong cơ học. Cần lưu ý những cái tên như Huygens, Hooke và Galileo. Người thứ hai đã phát triển một cách tiếp cận khoa học để nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên và trên thực tế, đã phát hiện ra định luật cơ học đầu tiên, tuy nhiên, định luật này không mang họ của ông.
Năm 1687, một ấn phẩm khoa học được xuất bản, tác giả củaNgười Anh Isaac Newton. Trong công trình khoa học của mình, ông đã xây dựng rõ ràng các định luật cơ bản về chuyển động của các vật thể trong không gian, cùng với định luật vạn vật hấp dẫn, tạo nên cơ sở không chỉ của cơ học mà còn của tất cả vật lý cổ điển hiện đại.
Về định luật Newton
Chúng còn được gọi là các định luật của cơ học cổ điển, trái ngược với tương đối tính, các định đề được đặt ra vào đầu thế kỷ 20 bởi Albert Einstein. Đầu tiên, chỉ có ba định luật chính trên cơ sở đó dựa trên toàn bộ nhánh vật lý. Chúng được gọi như thế này:
- Luật quán tính.
- Định luật về mối quan hệ giữa lực và gia tốc.
- Quy luật của hành động và phản ứng.
Tại sao ba luật này lại là những luật chính? Thật đơn giản, bất kỳ công thức cơ học nào cũng có thể được suy ra từ chúng, tuy nhiên, không có nguyên tắc lý thuyết nào dẫn đến bất kỳ công thức nào trong số chúng. Những định luật này hoàn toàn tuân theo từ nhiều quan sát và thí nghiệm. Tính hợp lệ của chúng được xác nhận bởi độ tin cậy của các dự đoán thu được với sự trợ giúp của chúng trong việc giải quyết các vấn đề khác nhau trong thực tế.
Luật quán tính
Định luật cơ học đầu tiên của Newton nói rằng bất kỳ vật thể nào trong trường hợp không có tác động bên ngoài lên nó sẽ duy trì trạng thái nghỉ ngơi hoặc chuyển động thẳng hướng trong bất kỳ hệ quy chiếu quán tính nào.
Để hiểu luật này, người ta phải hiểu hệ thống báo cáo. Nó chỉ được gọi là quán tính nếu nó thỏa mãn định luật đã nêu. Nói cách khác, trong hệ thống quán tính không cócó những lực hư cấu mà người quan sát có thể cảm nhận được. Ví dụ, một hệ thống chuyển động đều và trên một đường thẳng có thể được coi là quán tính. Mặt khác, một hệ thống quay đều quanh một trục là phi quán tính do sự hiện diện của lực ly tâm hư cấu trong đó.
Quy luật quán tính thiết lập lý do tại sao bản chất của chuyển động thay đổi. Lý do này là sự hiện diện của một lực bên ngoài. Lưu ý rằng một số lực có thể tác động lên cơ thể. Trong trường hợp này, chúng phải được cộng theo quy tắc vectơ, nếu lực tạo thành bằng 0, thì vật sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều. Cũng cần hiểu rằng trong cơ học cổ điển không có sự khác biệt giữa chuyển động đều của một vật và trạng thái nghỉ của nó.
Định luật thứ hai của Newton
Ông ấy nói rằng lý do thay đổi bản chất của chuyển động của vật thể trong không gian là sự hiện diện của một lực khác không bên ngoài tác dụng lên nó. Trên thực tế, luật này là sự tiếp nối của luật trước. Ký hiệu toán học của nó như sau:
F¯=ma¯.
Ở đây, đại lượng a¯ là gia tốc mô tả tốc độ thay đổi của vectơ vận tốc, m là khối lượng quán tính của vật. Vì m luôn lớn hơn 0 nên vectơ lực và vectơ gia tốc hướng cùng phương.
Định luật được coi là có thể áp dụng cho một số lượng lớn các hiện tượng trong cơ học, ví dụ, để mô tả quá trình rơi tự do, chuyển động với gia tốc của ô tô, trượt của thanh dọc theo mặt phẳng nghiêng, dao động của một con lắc,lực căng của cân lò xo và như vậy. Có thể nói đây là quy luật chính của động lực học.
Momentum và Momentum
Nếu bạn xem trực tiếp công trình khoa học của Newton, bạn có thể thấy rằng chính nhà khoa học này đã xây dựng định luật cơ học thứ hai hơi khác một chút:
Fdt=dp, trong đó p=mv.
Giá trị p được gọi là động lượng. Nhiều người nhầm lẫn gọi đó là sự thúc đẩy của cơ thể. Lượng chuyển động là một đặc tính năng lượng quán tính bằng tích giữa khối lượng của cơ thể và tốc độ của nó.
Sự thay đổi động lượng theo một giá trị nào đó dp chỉ có thể thực hiện được bằng một ngoại lực F tác dụng lên vật trong khoảng thời gian dt. Tích của một lực và thời gian tác dụng của nó được gọi là xung lực hay đơn giản là xung lực.
Khi hai vật thể va chạm, một lực va chạm sẽ tác động giữa chúng, làm thay đổi động lượng của mỗi vật thể, tuy nhiên, vì lực này là bên trong đối với hệ của hai vật thể đang nghiên cứu, nó không dẫn đến sự thay đổi trong tổng động lượng của hệ. Thực tế này được gọi là định luật bảo toàn động lượng.
Quay với gia tốc
Nếu áp dụng định luật cơ học do Newton xây dựng cho chuyển động quay, thì biểu thức sau sẽ nhận được:
M=Iα.
Ở đây M - mô men động lượng - đây là giá trị thể hiện khả năng của lực tạo ra chuyển động trong hệ. Mômen của lực được tính bằng tích của vectơ lực và vectơ bán kính hướng từ trục đếnđiểm ứng dụng. Đại lượng I là momen quán tính. Giống như mômen của lực, nó phụ thuộc vào các thông số của hệ quay, đặc biệt, vào sự phân bố hình học của khối lượng vật thể so với trục. Cuối cùng, giá trị α là gia tốc góc, cho phép bạn xác định vận tốc góc thay đổi bao nhiêu radian mỗi giây.
Nếu bạn cẩn thận xem xét phương trình đã viết và rút ra sự tương tự giữa các giá trị và chỉ số của nó từ định luật Newton thứ hai, thì chúng ta sẽ có được danh tính hoàn chỉnh của chúng.
Quy luật của hành động và phản ứng
Chúng ta vẫn phải xem xét định luật thứ ba của cơ học. Nếu hai định luật đầu tiên, bằng cách này hay cách khác, do những người tiền nhiệm của Newton đưa ra công thức và bản thân nhà khoa học chỉ đưa ra một dạng toán hài hòa, thì định luật thứ ba chính là đứa con tinh thần nguyên thủy của người Anh vĩ đại. Vì vậy, nó nói rằng: nếu hai vật thể tiếp xúc với nhau thì lực tác dụng giữa chúng có độ lớn bằng nhau và ngược hướng. Nói ngắn gọn hơn, chúng ta có thể nói rằng bất kỳ hành động nào cũng gây ra phản ứng.
F12¯=-F21¯.
Đây F12¯ và F21¯ - tác động từ phía của cơ thể thứ nhất sang cơ thể thứ 2 và từ phía của cơ thể thứ hai đến sức mạnh thứ nhất, tương ứng.
Có rất nhiều ví dụ xác nhận luật này. Ví dụ, trong một lần nhảy, một người bị đẩy khỏi bề mặt trái đất, người sau sẽ đẩy người đó lên. Tương tự với việc tập đi xe tập đi và đẩy khỏi thành bể bơi của vận động viên bơi lội. Một ví dụ khác, nếu bạn ấn tay xuống bàn, thì cảm giác ngược lại.tác dụng của bàn lên bàn tay, gọi là phản lực của gối tựa.
Khi giải các bài toán về ứng dụng định luật thứ ba của Newton, ta không nên quên rằng lực tác dụng và phản lực tác dụng lên các vật thể khác nhau, do đó chúng tạo ra các gia tốc khác nhau.
