Tartalom
- Newton törvények
- erők
- Lineáris és rotációs kinematika
- Lélek és energia
- Tehetetlenségi nyomaték
- Hullámok és egyszerű harmonikus mozgás
- Matematika a klasszikus mechanikában
- Egydimenziós mozgás vs. mozgás két dimenzióban
A mechanika a fizika ága, amely tárgyak mozgásával foglalkozik. A mechanika megértése kritikus fontosságú minden jövőbeli tudós, mérnök vagy kíváncsi ember számára, aki azt akarja mondani, hogy a csavarkulcs tartásának a legjobb módja az abroncs cseréjekor.
A mechanika tanulmányozásának általános témái a Newton-törvények, erők, lineáris és forgó kinematika, lendület, energia és hullámok.
Newton törvények
Sir Isaac Newton három olyan mozgási törvényt dolgozott ki, amelyek elengedhetetlenek a mechanika megértéséhez.
Newton megfogalmazta a gravitációs univerzális törvényt is, amely segít leírni a két objektum közötti vonzást és a test körüli pályáit.
A Newton-i törvények olyan jó munkát végeznek, hogy megjósolják a tárgyak mozgását, hogy az emberek gyakran hivatkoznak az ő törvényeire és az ezekre alapozott előrejelzésekre mint newtoni mechanika vagy klasszikus mechanika. Ezek a számítások azonban nem pontosan írja le a fizikai világot minden körülmények között, beleértve akkor is, ha egy tárgy a fénysebesség mellett halad, vagy hihetetlenül kis léptékben dolgozik - a speciális relativitáselmélet és a kvantummechanika olyan mezők, amelyek lehetővé teszik a fizikusoknak, hogy az univerzumban mozogjanak azon a túllépésen, amelyet Newton meg tudna vizsgálni.
erők
erők ok mozgás. Az erő lényegében egy tolás vagy egy húzás.
A középiskolai vagy a bevezető főiskolai hallgatók által feltétlenül alkalmazandó erőtípusok a következők: gravitációs, súrlódási, feszültség-, rugalmas, alkalmazott és rugóerők. A fizikusok ezeket az erőket a tárgyakra ható speciális rajzokon hívják fel szabad test diagramok vagy erő diagramok. Az ilyen diagramok kritikusak az objektum nettó erejének megtalálásakor, ez viszont meghatározza, hogy mi történik a mozgásával.
Newtoni törvények szerint a nettó erő miatt az objektum megváltoztatja a sebességét, ami azt jelenti, hogy a sebesség megváltozik vagy iránya megváltozik. Nettó erő nélkül azt jelenti, hogy a tárgy csak úgy marad, ahogy van: állandó sebességgel vagy nyugalomban mozog.
A net erő az egy tárgyra ható több erő összege, például két háborús csapata, akik ellenkező irányba húznak egy kötélen. Az a csapat, amely erősebben húz, nyer, így több erő irányítja az utat; ennélfogva a kötél és a másik csapat felgyorsul ebben az irányban.
Lineáris és rotációs kinematika
A kinematika a fizika egyik ága, amely lehetővé teszi a mozgás leírását egyszerűen egy sor egyenlet alkalmazásával. mozgástan nem egyáltalán utalni a mögöttes erőkre, a mozgás okára. Ez az oka annak, hogy a kinematikát a matematika egyik ágának tekintik.
Négy fő kinematikai egyenlet létezik, amelyeket néha a mozgási egyenleteknek hívnak.
A kinematikai egyenletekben kifejezhető mennyiségek leírják Lineáris mozgás (egyenes vonalú mozgás), de ezek mindegyike kifejezhető forgó mozgás (körkörös mozgásnak is hívják) analóg értékek felhasználásával. Például egy gömbnek, amely a padló mentén gördül lineárisan, a lineáris sebesség v, valamint egy szögsebesség ω, amely leírja annak forgási sebességét. És mivel a net erő változást okoz a lineáris mozgásban, a nettó nyomaték változást okoz az objektumok forgásában.
Lélek és energia
Két másik téma, amely a fizika mechanika ágazatába tartozik, a lendület és az energia.
Mindkét mennyiség konzervált, ami azt jelenti, hogy egy zárt rendszerben a teljes lendület vagy energia nem változhat. Az ilyen típusú törvényeket védelmi törvényeknek nevezzük. Egy másik általános védelmi törvény, amelyet általában a kémiában tanulnak, a tömeg megőrzése.
Az energiamegtakarítást és a lendületet megőrző törvények lehetővé teszik a fizikusok számára, hogy előre jelezzék egymással kölcsönhatásba lépő különböző tárgyak - például a gördeszka lejtőn gördülő gördeszka vagy az ütköző biliárdgolyók - mozgásának sebességét, elmozdulását és egyéb aspektusait.
Tehetetlenségi nyomaték
A tehetetlenség pillanata kulcsfontosságú fogalom a különböző tárgyak forgási mozgásának megértésében. Egy tárgy tömegén, sugárján és forgástengelyén alapuló mennyiség, amely leírja, milyen nehéz megváltoztatni a szögsebességét, vagyis milyen nehéz felgyorsítani vagy lelassítani a forgást.
Ismét, mivel a forgó mozgás hasonló A lineáris mozgáshoz a tehetetlenségi nyomaték analóg a tehetetlenség lineáris fogalmával, ahogyan azt Newton első törvénye állítja. A nagyobb tömeg és a nagyobb sugár az objektum nagyobb tehetetlenségi nyomatékot eredményez, és fordítva. Egy extra nagy ágyúgömb gördítése a folyosón nehezebb, mint a röplabda gördítése!
Hullámok és egyszerű harmonikus mozgás
A hullámok egy speciális téma a fizikában. A mechanikai hullám olyan zavarra utal, amely energiát továbbít az anyagon keresztül - a vízhullám vagy a hanghullám egyaránt példák.
Az egyszerű harmonikus mozgás a periódusos mozgás egy másik típusa, amelyben egy részecske vagy tárgy egy rögzített pont körül ingadozik. Példaként említhető egy előre-hátra lengő, kis szögű inga vagy felfelé és lefelé ugráló tekercsrugó, ahogyan azt a Hookes törvény.
A fizikusok által a hullámok és a periodikus mozgás vizsgálatához felhasznált jellemző mennyiségek: periódus, frekvencia, hullámsebesség és hullámhossz.
Az elektromágneses hullámok vagy a fény egy másik típusú hullám, amely áthaladhat az üres térben, mivel az energiát nem az anyag, hanem az oszcilláló mezők hordozzák. (Rezgés egy másik kifejezés rezgés.) Míg a fény úgy viselkedik, mint egy hullám, és tulajdonságai ugyanolyan nagyságrenddel mérhetők, mint egy klasszikus hullám, részecskeként is viselkedik, amelyhez valamilyen kvantumfizika szükséges. Így a fény nem teljesen illeszkedjen a klasszikus mechanika tanulmányozásához.
Matematika a klasszikus mechanikában
A fizika nagyon matematikai tudomány. A mechanikai problémák megoldásához az alábbiak ismerete szükséges:
Egydimenziós mozgás vs. mozgás két dimenzióban
A középiskolai vagy a bevezető főiskolai fizika kurzusok általában két nehézségi szintet foglalnak magukban a mechanikai helyzetek elemzésében: az egydimenziós mozgás (könnyebb) és a kétdimenziós mozgás (nehezebb) vizsgálata.
Az egyik dimenzióban történő mozgás azt jelenti, hogy az objektum egyenes vonal mentén mozog. Az ilyen típusú fizikai problémák az algebra segítségével oldhatók meg.
A kétdimenziós mozgás leírja, amikor egy objektummozgásnak van mind vertikális, mind vízszintes komponense. Vagyis beköltözik két irányba egyszerre. Az ilyen típusú problémák többlépésesek lehetnek, és megoldásukhoz trigonometria szükséges.
A lövedékes mozgás a kétdimenziós mozgás általános példája. A lövedékmozgás bármilyen típusú mozgás, ahol az objektumra csak az erő hat a gravitációval. Például: a labdát dobtak a levegőbe, egy szikláról lepattanó autó vagy a cél felé lőtt nyíl. Ezen esetek mindegyikében a tárgyak a levegőn keresztül haladnak egy ív alakjában, vízszintesen és függőlegesen (akár felfelé, majd lefelé, akár csak lefelé) mozogva.