Տիեզերքում տարբեր մարմինների շարժումը ֆիզիկայում ուսումնասիրվում է հատուկ բաժնի կողմից՝ մեխանիկա։ Վերջինս իր հերթին բաժանվում է կինեմատիկայի և դինամիկայի։ Այս հոդվածում մենք կքննարկենք ֆիզիկայի մեխանիկայի օրենքները՝ կենտրոնանալով մարմինների փոխադրական և պտտվող շարժման դինամիկայի վրա։
Պատմական նախապատմություն
Ինչպես և ինչու են մարմինները շարժվում, հնագույն ժամանակներից հետաքրքրում էր փիլիսոփաներին և գիտնականներին: Այսպիսով, Արիստոտելը կարծում էր, որ առարկաները տարածության մեջ շարժվում են միայն այն պատճառով, որ դրանց վրա ինչ-որ արտաքին ազդեցություն կա: Եթե այս ազդեցությունը դադարեցվի, մարմինը անմիջապես կդադարի: Հին հույն շատ փիլիսոփաներ կարծում էին, որ բոլոր մարմինների բնական վիճակը հանգիստն է։
Նոր դարաշրջանի գալուստով շատ գիտնականներ սկսեցին ուսումնասիրել մեխանիկայի շարժման օրենքները: Հարկ է նշել այնպիսի անուններ, ինչպիսիք են Հյուգենսը, Հուկը և Գալիլեոն: Վերջինս մշակել է բնության երևույթների ուսումնասիրության գիտական մոտեցում և փաստորեն բացահայտել է մեխանիկայի առաջին օրենքը, որը, սակայն, իր ազգանունը չի կրում։
1687 թվականին հրատարակվել է գիտական հրատարակություն, որի հեղինակն էԱնգլիացի Իսահակ Նյուտոն. Իր գիտական աշխատանքում նա հստակ ձևակերպել է տիեզերքում մարմինների շարժման հիմնական օրենքները, որոնք համընդհանուր ձգողության օրենքի հետ միասին հիմք են հանդիսացել ոչ միայն մեխանիկայի, այլև բոլոր ժամանակակից դասական ֆիզիկայի համար:
Նյուտոնի օրենքների մասին
Դրանք նաև կոչվում են դասական մեխանիկայի օրենքներ՝ ի տարբերություն հարաբերականի, որի պոստուլատները դրվել են 20-րդ դարի սկզբին Ալբերտ Էյնշտեյնի կողմից։ Առաջինում կան միայն երեք հիմնական օրենքներ, որոնց հիման վրա հիմնված է ֆիզիկայի ողջ ճյուղը։ Դրանք կոչվում են այսպես՝
- Իներցիայի օրենք.
- Ուժի և արագացման փոխհարաբերությունների օրենքը:
- Գործողության և ռեակցիայի օրենքը.
Ինչո՞ւ են այս երեք օրենքները գլխավորը։ Դա պարզ է, դրանցից կարելի է բխել մեխանիկայի ցանկացած բանաձև, սակայն ոչ մի տեսական սկզբունք չի տանում դրանցից որևէ մեկին։ Այս օրենքները բխում են բացառապես բազմաթիվ դիտարկումներից և փորձերից։ Դրանց վավերականությունը հաստատվում է դրանց օգնությամբ ձեռք բերված կանխատեսումների հավաստիությամբ՝ գործնականում տարբեր խնդիրներ լուծելիս։
Իներցիայի օրենք
Նյուտոնի առաջին օրենքը մեխանիկայի մեջ ասում է, որ ցանկացած մարմին իր վրա արտաքին ազդեցության բացակայության դեպքում կպահպանի հանգստի վիճակ կամ ուղղագիծ շարժում ցանկացած իներցիալ հղման համակարգում:
Այս օրենքը հասկանալու համար պետք է հասկանալ հաշվետվության համակարգը։ Այն կոչվում է իներցիոն միայն այն դեպքում, եթե այն բավարարում է նշված օրենքին։ Այսինքն՝ իներցիոն համակարգում չկական ֆիկտիվ ուժեր, որոնք կզգային դիտորդները։ Օրինակ՝ միատեսակ և ուղիղ գծով շարժվող համակարգը կարելի է համարել իներցիոն։ Մյուս կողմից, առանցքի շուրջ հավասարաչափ պտտվող համակարգը ոչ իներցիոն է, քանի որ դրանում ֆիկտիվ կենտրոնախույս ուժ կա:
Իներցիայի օրենքը սահմանում է շարժման բնույթի փոփոխության պատճառը: Այս պատճառը արտաքին ուժի առկայությունն է։ Նշենք, որ մարմնի վրա կարող են գործել մի քանի ուժեր։ Այս դեպքում դրանք պետք է գումարվեն վեկտորների կանոնի համաձայն, եթե ստացվող ուժը հավասար է զրոյի, ապա մարմինը կշարունակի իր միատեսակ շարժումը։ Կարևոր է նաև հասկանալ, որ դասական մեխանիկայի մեջ որևէ տարբերություն չկա մարմնի միատեսակ շարժման և նրա հանգստի վիճակի միջև։
Նյուտոնի երկրորդ օրենքը
Նա ասում է, որ տարածության մեջ մարմնի շարժման բնույթը փոխելու պատճառը նրա վրա կիրառվող արտաքին ոչ զրոյական ուժի առկայությունն է։ Փաստորեն, այս օրենքը նախորդի շարունակությունն է։ Դրա մաթեմատիկական նշումը հետևյալն է.
F¯=ma¯.
Այստեղ a¯ մեծությունը արագացումն է, որը նկարագրում է արագության վեկտորի փոփոխության արագությունը, m-ը մարմնի իներցիոն զանգվածն է: Քանի որ m-ը միշտ զրոյից մեծ է, ուժի և արագացման վեկտորները ուղղված են նույն ուղղությամբ:
Դիտարկված օրենքը կիրառելի է մեխանիկայի հսկայական թվով երևույթների համար, օրինակ՝ ազատ անկման գործընթացի նկարագրության, մեքենայի արագացումով շարժման, թեք հարթության երկայնքով գծի սահելու, տատանումների. ճոճանակի,գարնանային կշեռքների լարվածություն և այլն։ Կարելի է վստահորեն ասել, որ դա դինամիկայի հիմնական օրենքն է։
Մոմենտ և թափ
Եթե ուղղակիորեն դիմեք Նյուտոնի գիտական աշխատանքին, կարող եք տեսնել, որ գիտնականն ինքն է ձևակերպել մեխանիկայի երկրորդ օրենքը մի փոքր այլ կերպ.
Fdt=dp, որտեղ p=mv.
P արժեքը կոչվում է իմպուլս: Շատերը սխալմամբ դա անվանում են մարմնի իմպուլս: Շարժման քանակությունը իներցիոն էներգիայի հատկանիշ է, որը հավասար է մարմնի զանգվածի և դրա արագության արտադրյալին:
Իմպուլսի փոփոխությունը որոշ արժեքով dp կարող է կատարվել միայն արտաքին F ուժի միջոցով, որը ազդում է մարմնի վրա dt ժամանակային միջակայքում: Ուժի արտադրյալը և դրա գործողության տևողությունը կոչվում է ուժի իմպուլս կամ պարզապես իմպուլս։
Երբ երկու մարմիններ բախվում են, նրանց միջև գործում է բախման ուժ, որը փոխում է յուրաքանչյուր մարմնի իմպուլսը, սակայն քանի որ այս ուժը ներքին է ուսումնասիրվող երկու մարմինների համակարգի նկատմամբ, դա փոփոխության չի հանգեցնում։ համակարգի ընդհանուր իմպուլսում։ Այս փաստը կոչվում է իմպուլսի պահպանման օրենք։
Պտտվել արագացմամբ
Եթե Նյուտոնի կողմից ձևակերպված մեխանիկայի օրենքը կիրառվի պտտման շարժման վրա, ապա կստացվի հետևյալ արտահայտությունը՝
M=Iα.
Այստեղ M - անկյունային իմպուլս - սա արժեք է, որը ցույց է տալիս ուժի կարողությունը շրջադարձ կատարելու համակարգում: Ուժի պահը հաշվարկվում է որպես վեկտորի ուժի և շառավղով վեկտորի արտադրյալ, որն ուղղված է առանցքից դեպիկիրառման կետ. I մեծությունը իներցիայի պահն է։ Ինչպես ուժի պահը, այն կախված է պտտվող համակարգի պարամետրերից, մասնավորապես՝ առանցքի նկատմամբ մարմնի զանգվածի երկրաչափական բաշխումից։ Վերջապես, α արժեքը անկյունային արագացումն է, որը թույլ է տալիս որոշել, թե վայրկյանում քանի ռադիան է փոխվում անկյունային արագությունը:
Եթե ուշադիր նայեք գրավոր հավասարմանը և անալոգիա կազմեք դրա արժեքների և ցուցիչների միջև Նյուտոնի երկրորդ օրենքից, ապա մենք կստանանք դրանց ամբողջական նույնականությունը:
Գործողության և ռեակցիայի օրենքը
Մեզ մնում է դիտարկել մեխանիկայի երրորդ օրենքը: Եթե առաջին երկուսը, այսպես թե այնպես, ձևակերպվել են Նյուտոնի նախորդների կողմից, և գիտնականն ինքն է նրանց տվել միայն ներդաշնակ մաթեմատիկական ձև, ապա երրորդ օրենքը մեծ անգլիացու սկզբնական մտահղացումն է։ Այսպիսով, ասվում է. եթե երկու մարմիններ ուժի մեջ են մտնում, ապա նրանց միջև գործող ուժերը մեծությամբ հավասար են, իսկ ուղղությամբ՝ հակառակ։ Ավելի հակիրճ կարելի է ասել, որ ցանկացած գործողություն առաջացնում է ռեակցիա։
F12¯=-F21¯.
Այստեղ F12¯ և F21¯ - գործում է 1-ին մարմնի կողմից 2-րդ և 2-րդի կողմից համապատասխանաբար մինչև 1-ին ուժ։
Կան բազմաթիվ օրինակներ, որոնք հաստատում են այս օրենքը։ Օրինակ՝ ցատկի ժամանակ մարդուն վանում են երկրի երեսից, վերջինս նրան վեր է հրում։ Նույնը վերաբերում է քայլողով քայլելուն և լողավազանի պատից հրելով: Մեկ այլ օրինակ, եթե ձեռքդ սեղմում ես սեղանին, ապա հակառակն է զգացվում։սեղանի ազդեցությունը ձեռքի վրա, որը կոչվում է հենարանի արձագանքման ուժ։
Նյուտոնի երրորդ օրենքի կիրառման հետ կապված խնդիրներ լուծելիս չպետք է մոռանալ, որ գործողության ուժը և ռեակցիայի ուժը կիրառվում են տարբեր մարմինների վրա, հետևաբար դրանք տալիս են տարբեր արագացումներ։
