El estudio de los fenómenos naturales sobre la base de un experimento sólo es posible si se observan todas las etapas: observación, hipótesis, experimento, teoría. La observación revelará y comparará los hechos, la hipótesis permitirá darles una explicación científica detallada que requiere confirmación experimental. La observación del movimiento de los cuerpos llevó a una conclusión interesante: un cambio en la velocidad de un cuerpo solo es posible bajo la influencia de otro cuerpo.
Por ejemplo, si sube rápidamente las escaleras, en el giro solo necesita agarrarse a la barandilla (cambiando la dirección del movimiento) o detenerse (cambiando el valor de la velocidad) para no chocar con el pared opuesta.
Las observaciones de fenómenos similares llevaron a la creación de una rama de la física que estudia las causas de los cambios en la velocidad de los cuerpos o su deformación.
Conceptos básicos de dinámica
La dinámica está llamada a responder a la pregunta sacramental de por qué el cuerpo físico se mueve de un modo u otro o está en reposo.
Considerar el estado de reposo. Basándonos en el concepto de la relatividad del movimiento, podemos concluir: no hay ni puede haber cuerpos absolutamente inmóviles. Ningunaun objeto, estando inmóvil con respecto a un cuerpo de referencia, se mueve con respecto a otro. Por ejemplo, un libro sobre una mesa está inmóvil en relación con la mesa, pero si consideramos su posición en relación con una persona que pasa, llegamos a una conclusión natural: el libro se está moviendo.
Por lo tanto, las leyes del movimiento de los cuerpos se consideran en marcos de referencia inerciales. ¿Qué es?
Se llama marco de referencia inercial, en el que el cuerpo está en reposo o realiza un movimiento uniforme y rectilíneo, siempre que no haya influencia de otros objetos u objetos sobre él.
En el ejemplo anterior, el marco de referencia asociado con la mesa se puede llamar inercial. Una persona que se mueve uniformemente y en línea recta puede servir como marco de referencia para la ISO. Si su movimiento es acelerado, entonces es imposible asociarle un CO inercial.
De hecho, tal sistema se puede correlacionar con cuerpos rígidamente fijados en la superficie de la Tierra. Sin embargo, el planeta en sí no puede servir como cuerpo de referencia para IFR, ya que gira uniformemente alrededor de su propio eje. Los cuerpos en la superficie tienen aceleración centrípeta.
¿Qué es el impulso?
El fenómeno de la inercia está directamente relacionado con la ISO. ¿Recuerda lo que sucede si un automóvil en movimiento se detiene abruptamente? Los pasajeros corren peligro mientras continúan su viaje. Puede ser detenido por un asiento en el frente o cinturones de seguridad. Este proceso se explica por la inercia del pasajero. ¿Es así?
La inercia es un fenómeno que presupone la conservaciónvelocidad constante del cuerpo en ausencia de influencia de otros cuerpos sobre él. El pasajero está bajo la influencia de cinturones o asientos. Aquí no se observa el fenómeno de la inercia.
La explicación radica en la propiedad del cuerpo y, según ella, es imposible cambiar instantáneamente la velocidad de un objeto. Esto es inercia. Por ejemplo, la inercia del mercurio en un termómetro permite bajar la barra si agitamos el termómetro.
La medida de la inercia se llama masa del cuerpo. Al interactuar, la velocidad cambia más rápido para cuerpos con menos masa. La colisión de un automóvil con un muro de hormigón para este último procede casi sin dejar rastro. El automóvil a menudo sufre cambios irreversibles: cambios de velocidad, se produce una deformación significativa. Resulta que la inercia de un muro de hormigón supera significativamente la inercia de un coche.
¿Es posible enfrentar el fenómeno de la inercia en la naturaleza? La condición bajo la cual el cuerpo está sin interconexión con otros cuerpos es el espacio profundo, en el cual la nave espacial se mueve con los motores apagados. Pero incluso en este caso, el momento gravitatorio está presente.
Cantidades básicas
Estudiar la dinámica a nivel experimental implica experimentar con mediciones de cantidades físicas. Lo más interesante:
- aceleración como medida de la velocidad de cambio en la velocidad de los cuerpos; designarlo con la letra a, medir en m/s2;
- masa como medida de inercia; marcado con la letra m, medido en kg;
- fuerza como medida de la acción mutua de los cuerpos; más a menudo denotada por la letra F, medida en N (newtons).
La relación entre estas cantidadesestablecido en tres patrones, derivados por el más grande físico inglés. Las leyes de Newton están diseñadas para explicar la complejidad de la interacción de varios cuerpos. Así como los procesos que los gestionan. Son los conceptos de "aceleración", "fuerza", "masa" que las leyes de Newton conectan con relaciones matemáticas. Intentemos averiguar qué significa.
La acción de una sola fuerza es un fenómeno excepcional. Por ejemplo, un satélite artificial que orbita alrededor de la Tierra solo se ve afectado por la gravedad.
Resultado
La acción de varias fuerzas puede ser reemplazada por una fuerza.
La suma geométrica de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se llama resultante.
Estamos hablando de una suma geométrica, ya que la fuerza es una cantidad vectorial, que depende no solo del punto de aplicación, sino también de la dirección de la acción.
Por ejemplo, si necesita mover un guardarropa bastante grande, puede invitar a amigos. Juntos conseguimos el resultado deseado. Pero solo puedes invitar a una persona muy fuerte. Su esfuerzo es igual a la acción de todos los amigos. La fuerza aplicada por el héroe se puede llamar resultante.
Las leyes del movimiento de Newton se formulan sobre la base del concepto de "resultante".
Ley de la inercia
Empieza a estudiar las leyes de Newton con el fenómeno más común. La primera ley suele denominarse ley de la inercia, ya que establece las causas del movimiento rectilíneo uniforme o del estado de reposo de los cuerpos.
El cuerpo se mueve de manera uniforme y rectilínea odescansa si ninguna fuerza actúa sobre él, o esta acción es compensada.
Se puede argumentar que la resultante en este caso es igual a cero. En este estado se encuentra, por ejemplo, un automóvil que se mueve a una velocidad constante en un tramo recto de la carretera. La acción de la fuerza de atracción es compensada por la fuerza de reacción del soporte, y la fuerza de empuje del motor es igual en valor absoluto a la fuerza de resistencia al movimiento.
La lámpara de araña se apoya en el techo, ya que la fuerza de la gravedad se compensa con la tensión de sus accesorios.
Solo se pueden compensar aquellas fuerzas que se aplican a un cuerpo.
Segunda ley de Newton
Sigamos adelante. Las razones que provocan un cambio en la velocidad de los cuerpos son consideradas por la segunda ley de Newton. ¿De qué está hablando?
La resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo se define como el producto de la masa del cuerpo y la aceleración adquirida bajo la acción de las fuerzas.
2 La ley de Newton (fórmula: F=ma), desafortunadamente, no establece relaciones causales entre los conceptos básicos de cinemática y dinámica. No puede precisar exactamente qué está causando que los cuerpos aceleren.
Vamos a formularlo de otra manera: la aceleración que recibe el cuerpo es directamente proporcional a las fuerzas resultantes e inversamente proporcional a la masa del cuerpo.
Así, se puede establecer que el cambio de velocidad se produce únicamente en función de la fuerza que se le aplica y de la masa del cuerpo.
2 La ley de Newton, cuya fórmula puede ser la siguiente: a=F/m, se considera fundamental en forma vectorial, ya que permiteestablecer conexiones entre ramas de la física. Aquí, a es el vector de aceleración del cuerpo, F es la resultante de las fuerzas, m es la masa del cuerpo.
El movimiento acelerado del automóvil es posible si la fuerza de tracción de los motores supera la fuerza de resistencia al movimiento. A medida que aumenta el empuje, también lo hace la aceleración. Los camiones están equipados con motores de alta potencia, porque su masa es mucho mayor que la masa de un automóvil de pasajeros.
Las bolas de fuego diseñadas para carreras de alta velocidad se aligeran de tal manera que se les unen las piezas mínimas necesarias y se aumenta la potencia del motor hasta los límites posibles. Una de las características más importantes de los autos deportivos es el tiempo de aceleración a 100 km/h. Cuanto más corto sea este intervalo de tiempo, mejores serán las propiedades de velocidad del automóvil.
La ley de interacción
Las leyes de Newton, basadas en las fuerzas de la naturaleza, establecen que toda interacción va acompañada de la aparición de un par de fuerzas. Si la pelota cuelga de un hilo, entonces experimenta su acción. En este caso, el hilo también se estira bajo la acción de la bola.
La formulación de la tercera regularidad completa las leyes de Newton. En resumen, suena así: acción es igual a reacción. ¿Qué significa esto?
Las fuerzas con las que los cuerpos actúan entre sí son iguales en magnitud, opuestas en dirección y dirigidas a lo largo de la línea que conecta los centros de los cuerpos. Curiosamente, no pueden llamarse compensados, porque actúan sobre diferentes cuerpos.
Cumplimiento de las leyes
El famoso problema del "caballo y el carro" puede ser confuso. El caballo enganchado a dicho carro lo muevede lugar De acuerdo con la tercera ley de Newton, estos dos objetos actúan uno sobre el otro con fuerzas iguales, pero en la práctica un caballo puede mover un carro, lo que no encaja en los cimientos del patrón.
La solución se encuentra si tenemos en cuenta que este sistema de cuerpos no es cerrado. El camino tiene su efecto en ambos cuerpos. La fuerza de fricción estática que actúa sobre los cascos del caballo excede la fuerza de fricción de rodadura de las ruedas del carro. Después de todo, el momento del movimiento comienza con un intento de mover el vagón. Si la posición cambia, entonces el caballo bajo ninguna circunstancia la moverá de su lugar. Sus cascos resbalarán en el camino y no habrá movimiento.
En la infancia, andando en trineo, todo el mundo podía encontrarse con un ejemplo así. Si dos o tres niños se sientan en el trineo, es evidente que los esfuerzos de un niño no son suficientes para moverlos.
La caída de los cuerpos sobre la superficie de la tierra, explicada por Aristóteles ("Todo cuerpo conoce su lugar") se puede refutar sobre la base de lo anterior. Un objeto se mueve hacia la Tierra bajo la influencia de la misma fuerza que la Tierra se mueve hacia él. Comparando sus parámetros (la masa de la Tierra es mucho mayor que la masa del cuerpo), de acuerdo con la segunda ley de Newton, afirmamos que la aceleración de un objeto es tantas veces mayor que la aceleración de la Tierra. Estamos observando un cambio en la velocidad del cuerpo, la Tierra no se mueve de su órbita.
Límites de aplicabilidad
La física moderna no niega las leyes de Newton, sino que sólo establece los límites de su aplicabilidad. Hasta principios del siglo XX, los físicos no tenían ninguna duda de que estas leyes explicaban todos los fenómenos naturales.
1, 2, 3 leyNewton revela completamente las causas del comportamiento de los cuerpos macroscópicos. Estos postulados describen completamente el movimiento de objetos con velocidades despreciables.
El intento de explicar sobre su base el movimiento de cuerpos con velocidades cercanas a la velocidad de la luz está condenado al fracaso. Un cambio completo en las propiedades del espacio y el tiempo a estas velocidades no permite el uso de la dinámica newtoniana. Además, las leyes cambian de forma en FR no inerciales. Para su aplicación se introduce el concepto de fuerza de inercia.
Las leyes de Newton pueden explicar el movimiento de los cuerpos astronómicos, las reglas para su ubicación e interacción. La ley de la gravitación universal se introduce para este propósito. Es imposible ver el resultado de la atracción de los cuerpos pequeños, porque la fuerza es escasa.
Atracción mutua
Hay una leyenda según la cual el Sr. Newton, que estaba sentado en el jardín viendo caer las manzanas, tuvo una idea brillante: explicar el movimiento de los objetos cerca de la superficie de la Tierra y el movimiento de cuerpos espaciales sobre la base de la atracción mutua. No está tan lejos de la verdad. Las observaciones y los cálculos precisos se referían no solo a la caída de las manzanas, sino también al movimiento de la luna. Las leyes de este movimiento llevan a la conclusión de que la fuerza de atracción aumenta al aumentar la masa de los cuerpos que interactúan y disminuye al aumentar la distancia entre ellos.
Basada en la segunda y tercera leyes de Newton, la ley de la gravitación universal se formula de la siguiente manera: todos los cuerpos en el universo se atraen entre sí con una fuerza dirigida a lo largo de la línea que conecta los centros de los cuerpos, proporcional a la masas de los cuerpos yinversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los centros de los cuerpos.
Notación matemática: F=GMm/r2, donde F es la fuerza de atracción, M, m son las masas de los cuerpos que interactúan, r es la distancia entre ellos. El coeficiente de proporcionalidad (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) se denomina constante gravitacional.
Significado físico: esta constante es igual a la fuerza de atracción entre dos cuerpos de masas de 1 kg a una distancia de 1 m. Es claro que para cuerpos de masas pequeñas la fuerza es tan insignificante que puede ser descuidado. Para planetas, estrellas, galaxias, la fuerza de atracción es tan grande que determina completamente su movimiento.
Es la ley de la gravedad de Newton que establece que para lanzar cohetes, se necesita combustible que pueda crear tal empuje de chorro para superar la influencia de la Tierra. La velocidad requerida para esto es la primera velocidad de escape, que es de 8 km/s.
La moderna tecnología de cohetes hace posible lanzar estaciones no tripuladas como satélites artificiales del Sol a otros planetas para explorar. La velocidad desarrollada por tal dispositivo es la segunda velocidad espacial, igual a 11 km/s.
Algoritmo para aplicar leyes
La resolución de problemas de dinámica está sujeta a una determinada secuencia de acciones:
- Analizar la tarea, identificar datos, tipo de movimiento.
- Haz un dibujo que indique todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y la dirección de la aceleración (si la hay). Seleccionar sistema de coordenadas.
- Escribe primera o segunda ley, según disponibilidadaceleración del cuerpo, en forma vectorial. Tener en cuenta todas las fuerzas (fuerza resultante, leyes de Newton: la primera, si la velocidad del cuerpo no cambia, la segunda, si hay aceleración).
- Reescribe la ecuación en proyecciones en los ejes de coordenadas seleccionados.
- Si el sistema de ecuaciones resultante no es suficiente, anote otros: definiciones de fuerzas, ecuaciones de cinemática, etc.
- Resuelve el sistema de ecuaciones para el valor deseado.
- Realice una verificación dimensional para determinar si la fórmula resultante es correcta.
- Calcular.
Por lo general, estos pasos son suficientes para cualquier tarea estándar.
