Chuyển động của một vật dưới tác dụng của trọng lực là một trong những chủ đề trọng tâm của vật lý động lực học. Ngay cả một cậu học sinh bình thường cũng biết rằng phần động lực học dựa trên ba định luật Newton. Chúng ta hãy cố gắng hiểu chủ đề này một cách kỹ lưỡng và một bài báo mô tả chi tiết từng ví dụ sẽ giúp chúng ta làm cho việc nghiên cứu chuyển động của một cơ thể dưới tác động của trọng lực trở nên hữu ích nhất có thể.
Một chút lịch sử
Từ xa xưa, con người đã tò mò quan sát những hiện tượng khác nhau xảy ra trong cuộc sống của chúng ta. Nhân loại trong một thời gian dài không thể hiểu được nguyên lý và cấu trúc của nhiều hệ thống, nhưng một chặng đường dài nghiên cứu thế giới xung quanh đã đưa tổ tiên chúng ta đến một cuộc cách mạng khoa học. Ngày nay, khi công nghệ đang phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc, mọi người hầu như không nghĩ đến cách thức hoạt động của một số cơ chế.
Trong khi đó, tổ tiên của chúng ta luôn quan tâm đến những bí ẩn của các quá trình tự nhiên và cấu trúc của thế giới, tìm kiếm câu trả lời cho những câu hỏi khó nhất và không ngừng nghiên cứu cho đến khi họ tìm ra câu trả lời cho chúng. Ví dụ, nhà khoa học nổi tiếngGalileo Galilei ở thế kỷ 16 đã tự hỏi: "Tại sao các vật thể luôn rơi xuống thì lực nào lại hút chúng xuống đất?" Năm 1589, ông đã thiết lập một loạt thí nghiệm, kết quả của chúng được chứng minh là rất có giá trị. Ông đã nghiên cứu chi tiết mô hình rơi tự do của nhiều vật thể khác nhau, rơi vật thể từ tòa tháp nổi tiếng ở thành phố Pisa. Các định luật mà ông suy luận đã được cải tiến và mô tả chi tiết hơn bằng các công thức bởi một nhà khoa học nổi tiếng người Anh - Ngài Isaac Newton. Chính anh ấy là người sở hữu ba định luật mà hầu như tất cả vật lý hiện đại đều dựa trên đó.
Thực tế là các quy luật chuyển động của các thiên thể, được mô tả cách đây hơn 500 năm, có liên quan đến ngày nay, có nghĩa là hành tinh của chúng ta tuân theo các quy luật tương tự. Một người hiện đại ít nhất cần nghiên cứu một cách hời hợt những nguyên tắc cơ bản của việc sắp xếp thế giới.
Các khái niệm cơ bản và phụ trợ của động lực học
Để hiểu đầy đủ các nguyên tắc của chuyển động như vậy, trước tiên bạn nên làm quen với một số khái niệm. Vì vậy, các thuật ngữ lý thuyết cần thiết nhất:
- Tương tác là tác động của các cơ thể lên nhau, trong đó có sự thay đổi hoặc bắt đầu chuyển động của chúng so với nhau. Có bốn loại tương tác: điện từ, yếu, mạnh và hấp dẫn.
- Tốc độ là đại lượng vật lý cho biết tốc độ di chuyển của cơ thể. Vận tốc là một vectơ, có nghĩa là nó không chỉ có giá trị mà còn có hướng.
- Tăng tốc là số lượngcho chúng ta thấy tốc độ thay đổi tốc độ của cơ thể trong một khoảng thời gian. Nó cũng là một đại lượng vectơ.
- Quỹ đạo của con đường là một đường cong, và đôi khi là một đường thẳng, mà cơ thể vạch ra khi di chuyển. Với chuyển động thẳng đều, quỹ đạo có thể trùng với giá trị dịch chuyển.
- Đường đi là độ dài của quỹ đạo, tức là chính xác bằng khoảng thời gian mà cơ thể đã đi trong một khoảng thời gian nhất định.
- Hệ quy chiếu quán tính là một môi trường mà trong đó định luật đầu tiên của Newton được thực hiện, tức là, vật thể vẫn giữ nguyên quán tính, với điều kiện là hoàn toàn không có ngoại lực.
Những khái niệm trên đủ để bạn vẽ hoặc tưởng tượng một cách chính xác trong đầu một mô phỏng chuyển động của một cơ thể dưới tác dụng của trọng lực.
Sức mạnh có nghĩa là gì?
Hãy chuyển sang khái niệm chính của chủ đề của chúng ta. Vì vậy, lực là một đại lượng, ý nghĩa của nó là tác động hoặc ảnh hưởng của một vật thể này lên vật thể khác về mặt định lượng. Và lực hấp dẫn là lực tác động lên hoàn toàn mọi vật thể nằm trên bề mặt hoặc gần hành tinh của chúng ta. Câu hỏi được đặt ra: sức mạnh này đến từ đâu? Câu trả lời nằm trong định luật hấp dẫn.
Trọng lực là gì?
Bất kỳ vật thể nào từ bên cạnh Trái đất đều bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn, lực hấp dẫn cho nó biết một số gia tốc. Lực hấp dẫn luôn có phương thẳng đứng hướng xuống, hướng vào tâm hành tinh. Nói cách khác, lực hấp dẫn kéo các vật thể về phía Trái đất, đó là lý do tại sao các vật thể luôn rơi xuống. Hóa ra lực hấp dẫn là một trường hợp đặc biệt của lực vạn vật hấp dẫn. Newton đã suy ra một trong những công thức chính để tìm lực hút giữa hai vật thể. Nó trông giống như sau: F=G(m1x m2) / R2.
Gia tốc rơi tự do là gì?
Một vật được thả từ một độ cao nhất định luôn bay xuống dưới tác dụng của trọng lực. Chuyển động của một vật dưới tác dụng của trọng lực lên xuống theo phương thẳng đứng có thể được mô tả bằng các phương trình, trong đó hằng số chính sẽ là giá trị của gia tốc "g". Giá trị này chỉ do tác dụng của lực hút và giá trị của nó xấp xỉ 9,8 m / s2. Hóa ra một vật được ném từ độ cao không có vận tốc ban đầu sẽ chuyển động xuống dưới với gia tốc bằng giá trị "g".
Chuyển động của cơ thể dưới tác dụng của trọng lực: công thức giải các bài toán
Công thức cơ bản để tìm lực hấp dẫn như sau: Ftrọng lực=m x g, trong đó m là khối lượng của vật mà lực tác dụng, và "g" là gia tốc rơi tự do (để đơn giản hóa công việc, người ta coi nó bằng 10 m / s2).
Có một số công thức khác được sử dụng để tìm một ẩn số khác trong chuyển động tự do của cơ thể. Vì vậy, ví dụ, để tính toán đường di chuyển của cơ thể, cần phải thay thế các giá trị đã biết vào công thức này: S=V0x t + a x t2/ 2 (đường dẫn bằng tổng các tích của tốc độ ban đầu nhân với thời gian và gia tốc với bình phương thời gian chia cho 2).
Phương trình mô tả chuyển động thẳng đứng của vật thể
Chuyển động của một vật dưới tác dụng của trọng lực dọc theo phương thẳng đứng có thể được mô tả bằng một phương trình giống như sau: x=x0+ v0x t + a x t2/ 2. Sử dụng biểu thức này, bạn có thể tìm tọa độ của vật tại một thời điểm đã biết. Bạn chỉ cần thay các giá trị đã biết trong bài toán: vị trí ban đầu, tốc độ ban đầu (nếu vật thể không được thả ra mà còn bị đẩy bằng một lực nào đó) và gia tốc, trong trường hợp của chúng ta, nó sẽ bằng gia tốc g.
Theo cách tương tự, bạn có thể tìm tốc độ của một cơ thể chuyển động dưới tác dụng của trọng lực. Biểu thức để tìm một giá trị chưa biết tại bất kỳ thời điểm nào: v=v0+ g x t mà vật thể chuyển động).
Chuyển động của các cơ thể dưới tác dụng của trọng lực: nhiệm vụ và phương pháp giải quyết chúng
Đối với nhiều vấn đề liên quan đến trọng lực, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng phương án sau:
- Xác định cho mình một hệ quy chiếu quán tính thuận tiện, thông thường chọn Trái đất vì nó đáp ứng nhiều yêu cầu đối với ISO.
- Vẽ một bản vẽ nhỏ hoặc bản vẽ thể hiện các lực lượng chính,tác động lên cơ thể. Chuyển động của một cơ thể dưới tác dụng của trọng lực ngụ ý một bản phác thảo hoặc sơ đồ cho biết cơ thể chuyển động theo hướng nào nếu nó chịu một gia tốc bằng g.
- Sau đó, bạn nên chọn hướng cho lực chiếu và gia tốc kết quả.
- Viết các đại lượng chưa biết và xác định hướng của chúng.
- Cuối cùng, sử dụng các công thức trên để giải quyết vấn đề, tính tất cả các ẩn số bằng cách thay dữ liệu vào phương trình để tìm gia tốc hoặc quãng đường đã đi.
Giải pháp sẵn sàng sử dụng cho một công việc dễ dàng
Khi nói đến một hiện tượng như chuyển động của một cơ thể dưới tác động của trọng lực, việc xác định cách nào phù hợp thực tế hơn để giải quyết vấn đề đang diễn ra có thể khó khăn. Tuy nhiên, có một số thủ thuật, sử dụng mà bạn có thể dễ dàng giải quyết ngay cả nhiệm vụ khó khăn nhất. Vì vậy, chúng ta hãy xem các ví dụ trực tiếp về cách giải quyết một vấn đề cụ thể. Hãy bắt đầu với một vấn đề dễ hiểu.
Một số vật thể được thả từ độ cao 20 m mà không vận tốc ban đầu. Xác định xem cần bao nhiêu thời gian để đến bề mặt trái đất.
Giải pháp: chúng ta biết đường di chuyển của cơ thể, chúng ta biết rằng tốc độ ban đầu là 0. Chúng ta cũng có thể xác định rằng chỉ có trọng lực tác động lên cơ thể, hóa ra đây là chuyển động của cơ thể dưới ảnh hưởng của trọng lực, và do đó chúng ta nên sử dụng công thức này: S=V0x t + a x t2/ 2. Vì trong trường hợp của chúng ta a=g, sau một số phép biến đổi, chúng ta thu được phương trình sau: S=g x t2/ 2. Bây giờnó vẫn chỉ để biểu thị thời gian thông qua công thức này, chúng ta nhận được rằng t2=2S / g. Thay thế các giá trị đã biết (chúng tôi giả sử rằng g=10 m / s2) t2=2 x 20/10=4. Do đó, t=2 giây.
Vậy câu trả lời của chúng tôi là: cơ thể sẽ rơi xuống đất sau 2 giây.
Một mẹo cho phép bạn nhanh chóng giải quyết vấn đề như sau: bạn có thể thấy rằng chuyển động được mô tả của cơ thể trong bài toán trên xảy ra theo một hướng (theo chiều thẳng đứng xuống). Nó rất giống với chuyển động có gia tốc đều, vì không có lực nào tác động lên cơ thể, ngoại trừ lực hấp dẫn (chúng ta bỏ qua lực cản của không khí). Nhờ đó, bạn có thể sử dụng một công thức dễ dàng để tìm đường đi với chuyển động có gia tốc đều, bỏ qua hình ảnh của hình vẽ với sự sắp xếp của các lực tác dụng lên vật thể.
Ví dụ về cách giải quyết một vấn đề phức tạp hơn
Bây giờ chúng ta hãy xem cách tốt nhất để giải quyết các vấn đề về chuyển động của cơ thể dưới tác động của trọng lực, nếu cơ thể không chuyển động theo phương thẳng đứng mà có kiểu chuyển động phức tạp hơn.
Ví dụ, vấn đề sau đây. Một vật khối lượng m đang chuyển động với gia tốc chưa biết xuống một mặt phẳng nghiêng có hệ số ma sát là k. Xác định giá trị của gia tốc xuất hiện khi vật đó chuyển động, nếu biết góc nghiêng α.
Giải pháp: Sử dụng phương án trên. Trước hết, vẽ hình vẽ một mặt phẳng nghiêng có ảnh của vật và tất cả các lực tác dụng lên nó. Nó chỉ ra rằng ba thành phần hoạt động trên nó:trọng lực, lực ma sát và phản lực hỗ trợ. Phương trình tổng quát của các lực kết quả có dạng như sau: Fma sát+ N + mg=ma.
Điểm nổi bật chính của vấn đề là điều kiện độ dốc ở góc α. Khi chiếu các lực lên trục ox và trục oy phải tính đến điều kiện này thì ta sẽ nhận được biểu thức sau: mg x sin α - Fma sát=ma (đối với x trục) và N - mg x cos α=Fma sát(đối với trục oy).
Fma sátrất dễ tính bằng công thức tìm lực ma sát, nó bằng k x mg (hệ số ma sát nhân với tích khối lượng vật thể và gia tốc rơi tự do). Sau tất cả các phép tính, chỉ cần thay thế các giá trị tìm được / u200b / u200 trong công thức, một phương trình đơn giản sẽ thu được để tính gia tốc mà cơ thể chuyển động dọc theo mặt phẳng nghiêng.
