Vsebina
- Newtonovi zakoni
- Sile
- Linearna in rotacijska kinematika
- Zagon in energija
- Inertični trenutek
- Valovi in preprosto harmonično gibanje
- Matematika v klasični mehaniki
- Enodimenzionalno gibanje proti gibanju v dveh dimenzijah
Mehanika je veja fizike, ki se ukvarja z gibanjem predmetov. Razumevanje mehanike je ključnega pomena za vsakega bodočega znanstvenika, inženirja ali radovednega človeka, ki želi ugotoviti, recimo, najboljši način, kako držati ključ pri menjavi pnevmatike.
Pogoste teme študija mehanike vključujejo Newtonove zakone, sile, linearno in rotacijsko kinematiko, zagon, energijo in valove.
Newtonovi zakoni
Med drugimi prispevki je sir Isaac Newton razvil tri zakone gibanja, ki so ključni za razumevanje mehanike.
Newton je formuliral tudi univerzalni zakon gravitacije, ki pomaga opisati privlačnost med katerim koli dvema objektoma in orbitama teles v vesolju.
Newtonovi zakoni naredijo tako dobro delo, da napovedujejo gibanje predmetov, ki jih ljudje pogosto navajajo na njegove zakone in napovedi, ki temeljijo na njih, kot Newtonovo mehaniko ali klasično mehaniko. Vendar teh izračunov ne natančno opisujejo fizični svet v vseh pogojih, tudi kadar predmet potuje s hitrostjo svetlobe ali deluje v neverjetno majhnem obsegu - posebna relativnost in kvantna mehanika sta polja, ki fizikom omogočata preučevanje gibanja v vesolju, ki presega tisto, kar bi Newton lahko raziskoval.
Sile
Sile vzrok gibanje. Sila je v bistvu potisk ali vleka.
Različne vrste sil, s katerimi se zagotovo srečuje srednješolski ali uvodni študent, vključujejo: gravitacijske, trenja, napetosti, elastične, uporabljene in vzmetne sile. Fiziki narišejo te sile, ki delujejo na predmete v posebnih diagramih diagrami prostega telesa ali diagrami sil. Takšni diagrami so kritični pri iskanju neto sile na predmet, kar posledično določa, kaj se zgodi z njegovim gibanjem.
Newtonovi zakoni nam sporočajo, da bo neto sila povzročila, da bo predmet spreminjal svojo hitrost, kar lahko pomeni, da se hitrost spreminja ali njegova smer se spreminja. Brez neto sile pomeni, da objekt ostane takšen, kot je: giba se s konstantno hitrostjo ali v mirovanju.
A neto sila je vsota več sil, ki delujejo na predmet, kot sta dve vlačni ekipi, ki vlečeta po vrvi v nasprotnih smereh. Zmagala bo ekipa, ki močneje potegne, kar bo povzročilo več sile, usmerjene v svojo pot; zato se vrv in druga ekipa na koncu pospešita v tej smeri.
Linearna in rotacijska kinematika
Kinematika je veja fizike, ki omogoča preprosto opisovanje gibanja z uporabo niza enačb. Kinematika ne se sploh sklicujejo na osnovne sile, vzrok gibanja. Zato kinematika velja tudi za vejo matematike.
Obstajajo štiri glavne enačbe kinematike, ki jih včasih imenujemo enačbe gibanja.
Opisane so količine, ki jih je mogoče izraziti v kinematičnih enačbah line__ar gibanje (gibanje v ravni črti), vendar se lahko vsako od njih izrazi tudi za rotacijsko gibanje (imenovano tudi krožno gibanje) z uporabo analognih vrednosti. Na primer, kroglica, ki se linearno valja po tleh, bi imela a linearna hitrost v, kot tudi an kotna hitrost ω, ki opisuje njegovo hitrost predenja. In ker a neto sila povzroči spremembo linearnega gibanja, a neto navor povzroči spremembo vrtenja predmetov.
Zagon in energija
Dve drugi temi, ki sodita v vejo mehanike fizike, sta zagon in energija.
Obe količini sta ohranjeno, kar pomeni, da se v zaprtem sistemu celotna količina zaleta ali energije ne more spremeniti. Te vrste zakonov imenujemo zakoni ohranjanja. Drugi običajni zakon o ohranjanju, ki ga običajno preučujemo v kemiji, je ohranjanje mase.
Zakoni ohranjanja energije in ohranjanja zagona fizikom omogočajo, da predvidijo hitrost, premik in druge vidike gibanja različnih predmetov, ki medsebojno delujejo, na primer rolko, ki se kotali po ploščadi ali trči biljard.
Inertični trenutek
Vztrajnostni moment je ključni koncept za razumevanje rotacijskega gibanja različnih predmetov. Gre za količino, ki temelji na masi, polmeru in osi vrtenja predmeta, ki opisuje, kako težko je spremeniti njegovo kotno hitrost - z drugimi besedami, kako težko je pospešiti ali upočasniti svoje predenje.
Spet, ker je rotacijsko gibanje analogno pri linearnem gibanju je vztrajnostni moment analogen linearnemu konceptu vztrajnosti, kot ga navaja Newtonov prvi zakon. Večja masa in večji polmer dajeta predmetu večji vztrajnostni moment in obratno. Kotaljenje izjemno velikega topa po hodniku je težje kot kotanje odbojke!
Valovi in preprosto harmonično gibanje
Valovi so posebna tema v fiziki. Mehanski val se nanaša na motnjo, ki prenaša energijo skozi materijo - vodni val ali zvočni val sta oba primera.
Preprosto harmonično gibanje je druga vrsta periodičnega gibanja, pri katerem delček ali predmet niha okoli fiksne točke. Primeri vključujejo nihalo z majhnim kotom, ki se zasuka naprej in nazaj ali zvite vzmeti, ki se odbijajo navzgor in navzdol, kot opisuje Zakon o kukih.
Značilne količine, ki jih fiziki uporabljajo za preučevanje valov in periodično gibanje, so obdobje, frekvenca, hitrost vala in valovna dolžina.
Elektromagnetni valovi ali svetloba so druga vrsta vala, ki lahko prehaja skozi prazen prostor, ker energije ne prenašajo materija, temveč nihajna polja. (Nihanje je še en izraz za vibracije.) Medtem ko svetloba deluje kot val in se njene lastnosti lahko merijo z enakimi količinami kot klasični val, deluje tudi kot delček, za opis katerih je potrebna nekaj kvantne fizike. Tako svetloba ne popolnoma se prilegajo študiju klasične mehanike.
Matematika v klasični mehaniki
Fizika je zelo matematična znanost. Reševanje problemov mehanike zahteva poznavanje:
Enodimenzionalno gibanje proti gibanju v dveh dimenzijah
Obseg srednješolskega ali uvodnega tečaja fizike ponavadi vključuje dve stopnji zahtevnosti analize situacij mehanike: gledanje enodimenzionalnega gibanja (lažje) in dvodimenzionalno gibanje (težje).
Gibanje v eni dimenziji pomeni, da se predmet premika po ravni črti. Te vrste fizikalnih težav je mogoče rešiti z uporabo algebre.
Gibanje v dveh dimenzijah opisuje, kdaj ima gibanje predmetov navpično in vodoravno komponento. Se pravi, da se vseli dve smeri hkrati. Te vrste težav so lahko večstopenjske in lahko zahtevajo trigonometrijo za reševanje.
Gibanje projektila je pogost primer dvodimenzionalnega gibanja. Gibanje projektila je vsaka vrsta gibanja, kjer je edina sila, ki deluje na objekt, gravitacija. Na primer: žoga se vrže v zrak, avtomobil, ki vozi s pečine ali strela v tarčo. V vsakem od teh primerov pot predmetov skozi zrak zasleduje obliko loka, ki se premika vodoravno in navpično (bodisi navzgor in nato navzdol ali samo navzdol).