Obsah
- Newtonské zákony
- sily
- Lineárna a rotačná kinematika
- Hybnosť a energia
- Moment zotrvačnosti
- Vlny a jednoduchý harmonický pohyb
- Matematika v klasickej mechanike
- Jednorozmerný pohyb vs. pohyb v dvoch dimenziách
Mechanika je odvetvie fyziky zaoberajúce sa pohybom objektov. Pochopenie mechaniky je rozhodujúce pre každého budúceho vedca, inžiniera alebo zvedavého človeka, ktorý chce zistiť, povedzme, najlepší spôsob, ako držať kľúč pri výmene pneumatiky.
Bežné témy v štúdiu mechaniky zahŕňajú Newtonove zákony, sily, lineárnu a rotačnú kinematiku, hybnosť, energiu a vlny.
Newtonské zákony
Okrem iných príspevkov Sir Isaac Newton vypracoval tri zákony o pohybe, ktoré sú rozhodujúce pre pochopenie mechaniky.
Newton tiež sformuloval univerzálny zákon gravitácie, ktorý pomáha opisovať príťažlivosť medzi akýmikoľvek dvoma objektmi a obežnými telesami v priestore.
Newtonské zákony robia takú dobrú prácu a predpovedajú pohyb predmetov, ktoré ľudia často odkazujú na svoje zákony a predpovede založené na nich, ako je newtonovská mechanika alebo klasická mechanika. Tieto výpočty však nie presne popisujú fyzikálny svet za všetkých podmienok, vrátane prípadov, keď sa objekt pohybuje rýchlosťou svetla alebo pracuje v neuveriteľne malej mierke - špeciálna relativita a kvantová mechanika umožňujú fyzikom študovať pohyb vo vesmíre nad rámec toho, čo by Newton mohol skúmať.
sily
sily príčina motion. Sila je v podstate tlak alebo ťah.
Rôzne typy síl, s ktorými sa stredný alebo úvodný vysokoškolský študent určite stretne, zahŕňajú: gravitačné, trecie, napätie, elastické, aplikované a pružinové sily. Fyzici kreslia tieto sily pôsobiace na objekty v špeciálnych schémach nazývaných diagramy voľného tela alebo diagramy sily, Takéto diagramy sú kritické pri hľadaní čistej sily na objekt, ktorý zase určuje, čo sa stane s jeho pohybom.
Newtonove zákony nám hovoria, že čistá sila spôsobí, že objekt zmení svoju rýchlosť, čo môže znamenať zmenu jeho rýchlosti alebo jeho smer sa mení. Žiadna čistá sila znamená, že objekt zostáva tak, ako je: pohybuje sa konštantnou rýchlosťou alebo v pokoji.
čistá sila je súčet viacerých síl pôsobiacich na predmet, ako napríklad dva tímy ťahajúce sa z vojny ťahajúce za lano v opačných smeroch. Tím, ktorý ťažšie ťahá, zvíťazí, čo vedie k väčšej silovej orientácii; to je dôvod, prečo lano a ďalší tím skončia v tomto smere zrýchľovaním.
Lineárna a rotačná kinematika
Kinematika je odvetvie fyziky, ktoré umožňuje popísať pohyb jednoducho použitím množiny rovníc. kinematika nemá odkazujú na základné sily, príčinu pohybu, vôbec. Preto sa kinematika považuje aj za odvetvie matematiky.
Existujú štyri hlavné kinematické rovnice, ktoré sa niekedy nazývajú pohybové rovnice.
Opisujú sa veličiny, ktoré je možné vyjadriť v kinematických rovniciach line__ar motion (pohyb po priamke), ale každý z nich môže byť vyjadrený aj pre rotačný pohyb (tiež nazývaný kruhový pohyb) pomocou analogických hodnôt. Napríklad guľa, ktorá sa lineárne pohybuje po podlahe, by mala a lineárna rýchlosť v, ako aj uhlová rýchlosť ω, ktorý popisuje rýchlosť odstreďovania. A keďže a čistá sila spôsobuje zmenu lineárneho pohybu, a čistý krútiaci moment spôsobuje zmenu v rotácii objektov.
Hybnosť a energia
Dve ďalšie témy, ktoré spadajú do oblasti mechaniky fyziky, sú hybnosť a energia.
Obidve tieto množstvá sú konzervované, čo v uzavretom systéme znamená, že celkové množstvo hybnosti alebo energie sa nemôže zmeniť. Tieto druhy zákonov označujeme ako zákony o ochrane prírody. Ďalším bežným zákonom o ochrane prírody, ktorý sa zvyčajne študuje v chémii, je ochrana hmoty.
Zákony o zachovaní energie a zachovaní hybnosti umožňujú fyzikom predpovedať rýchlosť, posunutie a ďalšie aspekty pohybu rôznych predmetov, ktoré vzájomne pôsobia, ako napríklad skateboard, ktorý valí rampu alebo sa zráža gulečník.
Moment zotrvačnosti
Moment zotrvačnosti je kľúčovým pojmom pochopenia rotačného pohybu rôznych predmetov. Je to množstvo založené na hmotnosti, polomere a osi rotácie objektu, ktoré opisuje, aké ťažké je zmeniť jeho uhlovú rýchlosť - inými slovami, aké ťažké je zrýchlenie alebo spomalenie jeho otáčania.
Opäť, pretože rotačný pohyb je analogický Pri lineárnom pohybe je moment zotrvačnosti analogický lineárnemu pojmu zotrvačnosti, ako sa uvádza v Newtonovom prvom zákone. Väčšia hmotnosť a väčší polomer dávajú objektu vyšší moment zotrvačnosti a naopak. Rolovanie extra veľkého dela po chodbe je ťažšie ako valiť volejbal!
Vlny a jednoduchý harmonický pohyb
Vlny sú špeciálnou témou vo fyzike. Mechanická vlna označuje poruchu, ktorá prenáša energiu cez hmotu - vodná vlna alebo zvuková vlna sú príklady.
Jednoduchý harmonický pohyb je ďalší typ periodického pohybu, v ktorom častice alebo predmet kmitá okolo pevného bodu. Príklady zahŕňajú kyvadlo s malým uhlom kyvné dozadu a dopredu alebo špirálovitú pružinu, ktorá skáče hore a dole, ako je opísané v dokumente Hookov zákon.
Typické veličiny, ktoré fyzici používajú na štúdium vĺn a periodického pohybu, sú perióda, frekvencia, rýchlosť vlny a vlnová dĺžka.
Elektromagnetické vlny alebo svetlo sú ďalším typom vĺn, ktoré môžu prechádzať prázdnym priestorom, pretože energia nie je prenášaná hmotou, ale oscilujúcimi poľami. (kmitanie je ďalší termín pre vibrácie.) Zatiaľ čo svetlo pôsobí ako vlna a jeho vlastnosti sa dajú merať s rovnakými množstvami ako klasická vlna, pôsobí aj ako častice, čo si vyžaduje opis určitej kvantovej fyziky. Svetlo teda nie je úplne zapadajú do štúdia klasickej mechaniky.
Matematika v klasickej mechanike
Fyzika je veľmi matematická veda. Riešenie problémov s mechanikou vyžaduje znalosť:
Jednorozmerný pohyb vs. pohyb v dvoch dimenziách
Rozsah stredoškolského alebo úvodného kurzu fyziky na vysokej škole zvyčajne zahŕňa dve úrovne obtiažnosti pri analýze situácií mechaniky: pri pohľade na jednorozmerný pohyb (ľahší) a dvojrozmerný pohyb (ťažší).
Pohyb v jednej dimenzii znamená, že sa objekt pohybuje po priamke. Tieto typy fyzikálnych problémov je možné vyriešiť pomocou algebry.
Pohyb v dvoch rozmeroch popisuje, kedy má pohyb objektov vertikálnu aj horizontálnu zložku. To znamená, že sa pohybuje dvoma smermi naraz. Tieto typy problémov môžu byť viacstupňové a môžu vyžadovať vyriešenie trigonometrie.
Projektilný pohyb je bežným príkladom dvojrozmerného pohybu. Projektilný pohyb je akýkoľvek typ pohybu, kde jedinou silou pôsobiacou na objekt je gravitácia. Napríklad: guľa vyhodená do vzduchu, auto odštartujúce z útesu alebo šípka vystrelená na terč. V každom z týchto prípadov objekty prechádzajú vzduchom a sledujú tvar oblúka, ktorý sa pohybuje horizontálne aj vertikálne (buď hore a potom dolu, alebo len dolu).