Legile de bază ale mecanicii - descriere, caracteristici și formule

Mișcarea diferitelor corpuri în spațiu în fizică este studiată de o secțiune specială - mecanică. Acesta din urmă, la rândul său, este împărțit în Cinematică și dinamică. În acest articol vom examina legile mecanicii în fizică, concentrându-ne pe dinamica mișcării de translație și rotație a corpurilor.

Context istoric

Cum și de ce se mișcă corpurile a fost de interes pentru filosofi și oameni de știință încă din antichitate. Așadar, Aristotel credea că obiectele se mișcă în spațiu doar pentru că există o influență externă asupra lor. Dacă această forță s-ar opri, corpul s-ar opri imediat. Mulți filozofi greci antici credeau că starea naturală a tuturor corpurilor este odihna.

Odată cu apariția Noii Epoci, mulți oameni de știință s-au apucat de studiul legilor mișcării în mecanică. Merită menționate nume precum Huygens, Hooke și Galileo. Acesta din urmă a dezvoltat o abordare științifică a studiului fenomenelor naturale și, de fapt, a descoperit prima lege a mecanicii, care, însă, nu-i poartă numele de familie.

În anul 1687 a apărut o publicație științifică, al cărei autor este englezul Isaac Newton. În opera sa științifică, a formulat clar legile fundamentale ale mișcării corpurilor în spațiu, care, împreună cu legea gravitației universale, a stat la baza nu numai a mecanicii, ci și a întregii fizici clasice moderne.

Legile lui Newton

Acestea sunt numite și legile mecanicii clasice, spre deosebire de mecanica relativistă, ale cărei postulate au fost expuse de Albert Einstein la începutul secolului XX. În primul caz, există doar trei legi principale pe care se bazează întreaga ramură a fizicii. Iată cum se numesc:

1. Legea inerției.
2. Legea relației dintre forță și accelerație.
3. Legea de acțiune și opoziție.

De ce aceste trei legi sunt cele principale? Este simplu, orice formulă din mecanică poate fi derivată din ele, însă niciun principiu teoretic nu conduce la vreuna dintre ele. Cele trei legi sunt derivate exclusiv din numeroase observații și experimente. Validitatea lor este dovedită de fiabilitatea predicțiilor obținute cu ajutorul lor în rezolvarea diferitelor probleme din practică.

Legea inerției

Prima lege a mecanicii lui Newton afirmă că orice corp în absența o acțiune exterioară asupra sa va menține o stare de repaus sau de mișcare rectilinie în orice sistem inerțial.

Pentru a înțelege această lege, este necesar să înțelegem sistemul de conturi. Se numește inerțială numai dacă satisface legea de mai sus. Cu alte cuvinte, într-un sistem inerțial nu există forțe fictive care pot fi resimțite de observatori. De exemplu, se poate considera că un sistem care se deplasează uniform în linie dreaptă are o mișcare inerțială. Pe de altă parte, un sistem care se rotește uniform în jurul unei axe este inerțial, deoarece conține o forță centrifugă fictivă.

Legea inerției stabilește cauza, care schimbă caracterul mișcării. Acest lucru se datorează prezenței unei forțe externe. Rețineți că asupra unui corp pot acționa mai multe forțe. În acest caz, ele trebuie să fie adăugate prin regula vectorului. Dacă forța rezultantă este zero, corpul își va continua mișcarea uniformă. De asemenea, este important să ne dăm seama că în mecanica clasică nu există nici o distincție între mișcarea uniformă a unui corp și starea sa de repaus.

A doua lege a lui Newton

El spune că motivul schimbării naturii mișcării unui corp în spațiu este prezența unei forțe exterioare, diferită de zero, aplicată asupra lui. Această lege este, în esență, o prelungire a celei anterioare. Notația sa matematică este următoarea:

F¯ = m*a¯.

Aici, a¯ este accelerația care descrie rata de variație a vectorului viteză, m este masa inerțială a corpului. Deoarece m este întotdeauna mai mare decât zero, vectorii forță și accelerație sunt direcționați în aceeași direcție.

Legea în cauză este aplicabilă unui mare număr de fenomene din mecanică, de exemplu, căderea liberă, accelerarea unui vehicul, alunecarea unei bare pe un plan înclinat, pendulul oscilant, întinderea unui arc de echilibru etc. Putem spune cu certitudine că este principala lege a dinamicii.

Cantitatea de mișcare și impulsul

Dacă ne întoarcem direct la lucrările științifice ale lui Newton, putem observa că omul de știință însuși a formulat a doua lege a mecanicii într-un mod oarecum diferit:

F*dt = dp, unde p = m*v.

Cantitatea p se numește cantitatea de mișcare. Mulți oameni o numesc în mod greșit impulsul unui corp. Mărimea de mișcare este o caracteristică inerțial-energetică care este egală cu produsul masei corpului cu viteza sa.

Numai o forță exterioară F care acționează asupra corpului pentru un interval de timp dt poate modifica cantitatea de mișcare cu o anumită valoare dp. Produsul dintre o forță și durata ei se numește impulsul unei forțe sau pur și simplu impuls.

Atunci când două corpuri se ciocnesc, între ele acționează o forță de coliziune care modifică momentul unghiular al fiecărui corp, dar, întrucât această forță este internă sistemului cu două corpuri studiat, ea nu modifică momentul unghiular total al sistemului. Acest fapt se numește legea conservării impulsului.

Rotație cu accelerație

Dacă legea mecanicii lui Newton, așa cum a fost formulată de Newton, este aplicată la mișcarea de rotație, se obține următoarea expresie:

M = I*α.

Aici M este momentul unghiular, o mărime care arată capacitatea unei forțe de a face o întoarcere în sistem. Momentul de forță se calculează ca fiind forța vectorială înmulțită cu vectorul-rază, care este îndreptat de la axă spre punctul de aplicare. I este momentul de inerție. Ca și momentul de forță, depinde de parametrii sistemului de rotație, în special de distribuția geometrică a masei corpului în jurul axei. În sfârșit, cantitatea α este accelerația unghiulară, care ne permite să determinăm cu câți radiani pe secundă se modifică viteza unghiulară.

Dacă ne uităm cu atenție la ecuația scrisă și facem o analogie între mărimile sale și indicii din a doua lege a lui Newton, obținem identitatea lor completă.

Legea acțiunii și a contraacțiunii

Acum trebuie să luăm în considerare a treia lege a mecanicii. Dacă primele două, într-un fel sau altul, au fost formulate de predecesorii lui Newton, iar savantul însuși le-a dat doar o formă matematică subțire, cea de-a treia lege este creația originală a marelui englez... Astfel, se afirmă că, dacă două corpuri intră în contact forțat, forțele care acționează între ele sunt egale în modul și opuse în direcție. Mai pe scurt, putem spune că orice acțiune provoacă o contraacțiune.

F₁₂¯ = -F₂₁¯.

Aici F₁₂¯ și F₂₁sunt forțele care acționează de la primul corp asupra celui de-al doilea corp și, respectiv, de la al doilea corp asupra primului corp.

Există numeroase exemple care confirmă această lege. De exemplu, atunci când o persoană sare, ea se împinge de pe suprafața solului, aceasta din urmă împingându-l în sus. Același lucru este valabil și pentru un trecător care merge și un înotător care se împinge de pe peretele unei piscine. Ca un alt exemplu, dacă vă puneți mâna pe masă, puteți simți forța opusă a mesei pe mâna dumneavoastră, care se numește forță de reacție de sprijin.

La rezolvarea problemelor privind aplicarea celei de-a treia legi a lui Newton, nu uitați că forța de acțiune și forța de contraacțiune se aplică unor corpuri diferite, deci dați-le accelerații diferite.