Mọi người đều chú ý đến tất cả các loại chuyển động mà anh ấy gặp trong cuộc sống của mình. Tuy nhiên, bất kỳ chuyển động cơ học nào của cơ thể đều bị giảm xuống một trong hai loại: chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay. Trong bài báo này, hãy xem xét các định luật cơ bản về chuyển động của các vật thể.
Chúng ta đang nói đến những kiểu chuyển động nào?
Như đã lưu ý trong phần giới thiệu, tất cả các dạng chuyển động của cơ thể được xem xét trong vật lý cổ điển đều có liên quan đến quỹ đạo trực tuyến hoặc quỹ đạo tròn. Bất kỳ quỹ đạo nào khác có thể đạt được bằng cách kết hợp hai điều này. Hơn nữa trong bài viết, các quy luật sau của chuyển động cơ thể sẽ được xem xét:
- Thống nhất trên một đường thẳng.
- Tăng tốc tương đương (chậm như nhau) trên một đường thẳng.
- Đồng nhất xung quanh chu vi.
- Gia tốc đồng đều quanh chu vi.
- Di chuyển theo đường elip.
Chuyển động thống nhất, hoặc trạng thái nghỉ ngơi
Galileo lần đầu tiên quan tâm đến phong trào này từ quan điểm khoa học vào cuối thế kỷ 16 - đầu thế kỷ 17. Nghiên cứu các tính chất quán tính của cơ thể, cũng như đưa ra khái niệm về hệ quy chiếu, ông đoán rằng trạng thái nghỉ vàchuyển động đều là một điều giống nhau (tất cả phụ thuộc vào sự lựa chọn của đối tượng liên quan đến tốc độ được tính).
Sau đó, Isaac Newton đã xây dựng định luật đầu tiên của mình về chuyển động của một vật thể, theo đó tốc độ của vật thể là không đổi bất cứ khi nào không có ngoại lực nào làm thay đổi các đặc tính của chuyển động.
Chuyển động thẳng đều đồng đều của một vật thể trong không gian được mô tả theo công thức sau:
s=vt
Trong đó s là quãng đường vật đi được trong thời gian t, chuyển động với vận tốc v. Biểu thức đơn giản này cũng được viết dưới các dạng sau (tất cả phụ thuộc vào các đại lượng đã biết):
v=s / t; t=s / v
Di chuyển trên đường thẳng với gia tốc
Theo định luật II Newton, sự có mặt của ngoại lực tác dụng lên một vật chắc chắn dẫn đến gia tốc của vật sau. Từ định nghĩa của gia tốc (tốc độ thay đổi tốc độ) theo biểu thức:
a=v / t hoặc v=at
Nếu ngoại lực tác dụng lên vật không đổi (không thay đổi môđun và phương) thì gia tốc cũng không thay đổi. Loại chuyển động này được gọi là gia tốc đều, trong đó gia tốc đóng vai trò là hệ số tỷ lệ thuận giữa tốc độ và thời gian (tốc độ tăng tuyến tính).
Đối với chuyển động này, quãng đường di chuyển được tính bằng tích phân tốc độ theo thời gian. Định luật chuyển động của một vật đối với một đường đi với gia tốc biến đổi đều có dạng:
s=at2/ 2
Ví dụ phổ biến nhất của chuyển động này là sự rơi của bất kỳ vật thể nào từ độ cao, trong đó trọng lực tạo cho nó một gia tốc g=9,81 m / s2.
Chuyển động tăng tốc (chậm) của Rectilinear với tốc độ ban đầu
Trên thực tế, chúng ta đang nói về sự kết hợp của hai loại chuyển động đã được thảo luận trong các đoạn trước. Hãy tưởng tượng một tình huống đơn giản: một chiếc ô tô đang lái với một tốc độ v0, thì người lái xe đạp phanh và xe dừng lại sau một thời gian. Làm thế nào để mô tả chuyển động trong trường hợp này? Đối với hàm của tốc độ so với thời gian, biểu thức là đúng:
v=v0- at
Ở đây v0là vận tốc ban đầu (trước khi phanh xe). Dấu trừ cho biết ngoại lực (ma sát trượt) hướng với vận tốc v0.
Như trong đoạn trước, nếu chúng ta lấy tích phân theo thời gian của v (t), chúng ta sẽ nhận được công thức cho đường đi:
s=v0 t - at2/ 2
Lưu ý rằng công thức này chỉ tính quãng đường phanh. Để tìm ra quãng đường mà ô tô đã đi được trong toàn bộ thời gian chuyển động của nó, bạn nên tìm tổng của hai quãng đường: đối với chuyển động thẳng đều và chuyển động chậm dần đều.
Trong ví dụ được mô tả ở trên, nếu người lái xe không nhấn bàn đạp phanh mà nhấn vào bàn đạp ga, thì dấu "-" sẽ chuyển thành "+" trong công thức đã trình bày.
Chuyển động tròn
Bất kỳ chuyển động nào dọc theo vòng tròn đều không thể xảy ra nếu không có gia tốc, bởi vì ngay cả khi giữ nguyên mô-đun tốc độ, hướng của nó vẫn thay đổi. Gia tốc liên quan đến sự thay đổi này được gọi là hướng tâm (chính gia tốc này sẽ bẻ cong quỹ đạo của vật thể, biến nó thành một đường tròn). Mô-đun của gia tốc này được tính như sau:
ac=v2/ r, r - bán kính
Trong biểu thức này, tốc độ có thể phụ thuộc vào thời gian, vì nó xảy ra trong trường hợp chuyển động có gia tốc đều trong một đường tròn. Trong trường hợp sau, mộtcsẽ phát triển nhanh chóng (phụ thuộc bậc hai).
Gia tốc hướng tâm xác định lực phải tác dụng để giữ cho vật trên quỹ đạo tròn. Một ví dụ là cuộc thi ném búa, nơi các vận động viên nỗ lực rất nhiều để quay viên đạn trước khi ném nó.
Quay quanh một trục với tốc độ không đổi
Kiểu chuyển động này giống hệt kiểu trước, chỉ khác là người ta thường mô tả nó không sử dụng các đại lượng vật lý tuyến tính mà sử dụng các đặc trưng góc. Định luật chuyển động quay của vật khi vận tốc góc không thay đổi được viết dưới dạng vô hướng như sau:
L=Iω
Ở đây L và I lần lượt là momen động lượng và quán tính, ω là vận tốc góc, liên hệ với vận tốc thẳng theo đẳng thức:
v=ωr
Giá trị ω cho biết cơ thể sẽ quay được bao nhiêu radian trong một giây. Các đại lượng L và I có cùngnghĩa, giống như động lượng và khối lượng đối với chuyển động thẳng. Theo đó, góc θ mà cơ thể quay trong thời gian t, được tính như sau:
θ=ωt
Một ví dụ về kiểu chuyển động này là chuyển động quay của bánh đà nằm trên trục khuỷu trong động cơ ô tô. Bánh đà là một đĩa lớn rất khó tạo ra bất kỳ gia tốc nào. Nhờ đó, mô-men xoắn được truyền từ động cơ đến các bánh xe một cách mượt mà.
Quay quanh một trục với gia tốc
Nếu một ngoại lực tác dụng vào một hệ có khả năng quay, nó sẽ bắt đầu tăng vận tốc góc. Tình huống này được mô tả theo quy luật chuyển động của cơ thể quanh trục quay như sau:
Fd=Idω / dt
Ở đây F là ngoại lực tác dụng lên hệ cách trục quay một khoảng d. Tích ở vế trái của phương trình được gọi là mômen của lực.
Đối với chuyển động có gia tốc đều trong một đường tròn, ta nhận được rằng ω phụ thuộc vào thời gian như sau:
ω=αt, trong đó α=Fd / I - gia tốc góc
Trong trường hợp này, góc quay trong thời gian t có thể được xác định bằng tích phân ω theo thời gian, tức là:
θ=αt2/ 2
Nếu vật thể đã quay ở một tốc độ nhất định ω0, và sau đó mômen bên ngoài của lực Fd bắt đầu tác động, thì bằng cách tương tự với trường hợp tuyến tính, chúng ta có thể viết các biểu thức sau:
ω=ω0+ αt;
θ=ω0 t + αt2/ 2
Vì vậy, sự xuất hiện của mômen ngoại lực là lý do dẫn đến sự xuất hiện của gia tốc trong hệ có trục quay.
Để hoàn thiện, chúng tôi lưu ý rằng có thể thay đổi tốc độ quay ω không chỉ với sự trợ giúp của mômen bên ngoài của lực, mà còn do sự thay đổi các đặc tính bên trong của hệ thống, trong cụ thể là mômen quán tính của nó. Tình huống này đã được chứng kiến bởi tất cả những người theo dõi vòng quay của các vận động viên trượt băng trên băng. Bằng cách phân nhóm, các vận động viên tăng ω bằng cách giảm I, theo một quy luật chuyển động cơ thể đơn giản:
Iω=const
Chuyển động dọc theo quỹ đạo hình elip trên ví dụ về các hành tinh trong hệ mặt trời
Như bạn đã biết, Trái đất của chúng ta và các hành tinh khác trong hệ mặt trời xoay quanh ngôi sao của chúng không phải theo hình tròn mà theo quỹ đạo hình elip. Lần đầu tiên, nhà khoa học nổi tiếng người Đức Johannes Kepler đã đưa ra các định luật toán học để mô tả sự quay này vào đầu thế kỷ 17. Sử dụng kết quả quan sát của giáo viên Tycho Brahe về chuyển động của các hành tinh, Kepler đã đưa ra công thức của ba định luật của mình. Chúng được viết như sau:
- Các hành tinh của hệ Mặt trời chuyển động theo quỹ đạo hình elip, với Mặt trời nằm ở một trong các tâm của hình elip.
- Vectơ bán kính nối Mặt trời và hành tinh mô tả các khu vực giống nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau. Thực tế này xuất phát từ sự bảo toàn momen động lượng.
- Nếu chúng ta chia bình phương của dấu chấmquay vòng trên hình lập phương của trục bán chính của quỹ đạo elip của hành tinh, sau đó thu được một hằng số nhất định, hằng số này giống nhau đối với tất cả các hành tinh trong hệ của chúng ta. Về mặt toán học, điều này được viết như sau:
T2/ a3=C=const
Sau đó, Isaac Newton, sử dụng các định luật chuyển động này của các thiên thể (hành tinh), đã xây dựng định luật nổi tiếng của ông về lực hấp dẫn, hay còn gọi là lực hấp dẫn. Sử dụng nó, chúng ta có thể chỉ ra rằng hằng số C trong định luật thứ 3 của Kepler là:
C=4pi2/ (GM)
Trong đó G là hằng số vạn năng hấp dẫn và M là khối lượng của Mặt trời.
Lưu ý rằng chuyển động dọc theo quỹ đạo hình elip trong trường hợp tác dụng của lực trung tâm (trọng lực) dẫn đến vận tốc thẳng v luôn thay đổi. Nó là cực đại khi hành tinh ở gần ngôi sao nhất và cách xa nó nhất.
