Ֆիզիկան որպես գիտություն, որն ուսումնասիրում է մեր Տիեզերքի օրենքները, օգտագործում է հետազոտության ստանդարտ մեթոդաբանություն և չափման միավորների որոշակի համակարգ: Ուժի միավորը սովորաբար կոչվում է N (նյուտոն): Ի՞նչ է ուժը, ինչպե՞ս գտնել և չափել այն: Եկեք ավելի մանրամասն ուսումնասիրենք այս հարցը։
Հետաքրքիր պատմությունից
Իսահակ Նյուտոնը 17-րդ դարի նշանավոր անգլիացի գիտնական է, ով անգնահատելի ներդրում է ունեցել ճշգրիտ մաթեմատիկական գիտությունների զարգացման գործում: Հենց նա է դասական ֆիզիկայի նախահայրը։ Նրան հաջողվել է նկարագրել օրենքները, որոնք կարգավորում են ինչպես հսկայական երկնային մարմինները, այնպես էլ քամուց տարված ավազի մանր հատիկները։ Նրա գլխավոր հայտնագործություններից են համընդհանուր ձգողության օրենքը և մեխանիկայի երեք հիմնական օրենքները, որոնք նկարագրում են բնության մեջ մարմինների փոխազդեցությունը։ Հետագայում այլ գիտնականներ կարողացան ստանալ շփման, հանգստի և սահելու օրենքները միայն Իսահակ Նյուտոնի գիտական հայտնագործությունների շնորհիվ:
Մի քիչ տեսություն
Ֆիզիկական մեծությունն անվանվել է գիտնականի անունով: Նյուտոնը ուժի միավոր է։ Ուժի բուն սահմանումը կարելի է նկարագրել հետևյալ կերպ. «ուժը մարմինների միջև փոխազդեցության քանակական միջոց է կամ մեծությունորը բնութագրում է մարմինների ինտենսիվության կամ լարվածության աստիճանը։"
Ուժը չափվում է Նյուտոններով մի պատճառով: Հենց այս գիտնականն է ստեղծել երեք անսասան «իշխանական» օրենքներ, որոնք արդիական են մինչ օրս։ Եկեք դրանք ուսումնասիրենք օրինակներով։
Առաջին օրենք
«Ի՞նչ է Նյուտոնը», «Ինչի չափման միավոր» հարցերը լիարժեք հասկանալու համար։ և «Ի՞նչ է դրա ֆիզիկական նշանակությունը», արժե ուշադիր ուսումնասիրել մեխանիկայի երեք հիմնական օրենքները։
Առաջինն ասում է, որ եթե մարմնի վրա այլ մարմիններ չեն ազդում, ապա այն հանգիստ կլինի։ Իսկ եթե մարմինը շարժման մեջ էր, ապա նրա վրա որևէ գործողության բացակայության դեպքում այն կշարունակի իր միատեսակ շարժումը ուղիղ գծով։
Պատկերացրեք, որ որոշակի զանգվածով որոշակի գիրք ընկած է սեղանի հարթ մակերեսի վրա: Նշելով դրա վրա ազդող բոլոր ուժերը՝ մենք ստանում ենք, որ սա ձգողության ուժն է, որն ուղղված է ուղղահայաց դեպի ներքև, և հենարանի (այս դեպքում՝ սեղանի) արձագանքման ուժը՝ ուղղված ուղղահայաց դեպի վեր։ Քանի որ երկու ուժերն էլ հավասարակշռում են միմյանց գործողությունները, արդյունքի ուժի մեծությունը զրո է: Ըստ Նյուտոնի առաջին օրենքի՝ սա է պատճառը, որ գիրքը հանգստանում է։
Երկրորդ Օրենք
Նկարագրում է կապը մարմնի վրա ազդող ուժի և կիրառվող ուժի շնորհիվ ստացվող արագացման միջև։ Իսահակ Նյուտոնը այս օրենքը ձևակերպելիս առաջինն է օգտագործել զանգվածի հաստատուն արժեքը՝ որպես մարմնի իներցիայի և իներցիայի դրսևորման չափ։ Նրանք անվանում են իներցիամարմինների կարողությունը կամ հատկությունը՝ պահպանելու իրենց սկզբնական դիրքը, այսինքն՝ դիմադրելու արտաքին ազդեցություններին։
Երկրորդ օրենքը հաճախ նկարագրվում է հետևյալ բանաձևով. F=am; որտեղ F-ը մարմնի վրա կիրառվող բոլոր ուժերի արդյունքն է, a-ն մարմնի ստացած արագացումն է, իսկ m-ը մարմնի զանգվածն է։ Ուժն ի վերջո արտահայտվում է կգմ/վ2 : Այս արտահայտությունը սովորաբար նշվում է նյուտոններով։
Ի՞նչ է նյուտոնը ֆիզիկայում, ո՞րն է արագացման սահմանումը և ինչպե՞ս է այն կապված ուժի հետ: Այս հարցերի պատասխանները տրվում են մեխանիկայի երկրորդ օրենքի բանաձեւով. Պետք է հասկանալ, որ այս օրենքը գործում է միայն այն մարմինների համար, որոնք շարժվում են լույսի արագությունից շատ ավելի քիչ արագությամբ։ Լույսի արագությանը մոտ արագությունների դեպքում գործում են մի փոքր տարբեր օրենքներ՝ հարմարեցված ֆիզիկայի հատուկ բաժնի կողմից հարաբերականության տեսության վերաբերյալ:
Նյուտոնի երրորդ օրենքը
Սա թերևս ամենահասկանալի և պարզ օրենքն է, որը նկարագրում է երկու մարմինների փոխազդեցությունը: Նա ասում է, որ բոլոր ուժերն առաջանում են զույգերով, այսինքն՝ եթե մի մարմինը մյուսի վրա գործում է որոշակի ուժով, ապա երկրորդ մարմինն իր հերթին առաջինի վրա նույնպես գործում է հավասար ուժով։
։
Գիտնականների կողմից օրենքի բուն ձևակերպումը հետևյալն է. «… երկու մարմինների փոխազդեցությունները միմյանց վրա հավասար են, բայց ուղղված են հակառակ ուղղություններով»:
Եկեք պարզենք, թե ինչ է Նյուտոնը: Ֆիզիկայի մեջ ընդունված է ամեն ինչ դիտարկել կոնկրետ երևույթների վրա, հետևաբարԱհա մի քանի օրինակներ, որոնք նկարագրում են մեխանիկայի օրենքները:
- Ջրային թռչունները, ինչպիսիք են բադերը, ձկները կամ գորտերը, շարժվում են ջրի մեջ կամ միջով հենց նրա հետ փոխազդելով: Նյուտոնի երրորդ օրենքն ասում է, որ երբ մի մարմին գործում է մյուսի վրա, միշտ առաջանում է հակազդեցություն, որն իր ուժով համարժեք է առաջինին, բայց ուղղված է հակառակ ուղղությամբ։ Ելնելով դրանից՝ կարելի է եզրակացնել, որ բադերի շարժումը տեղի է ունենում այն պատճառով, որ նրանք թաթերով ետ են մղում ջուրը, իսկ իրենք ջրի արձագանքի շնորհիվ լողում են առաջ։
- Սկյուռային անիվը Նյուտոնի երրորդ օրենքի ապացուցման վառ օրինակ է: Հավանաբար բոլորը գիտեն, թե ինչ է սկյուռի անիվը: Սա բավականին պարզ դիզայն է, որը հիշեցնում է և՛ անիվը, և՛ թմբուկը: Այն տեղադրվում է վանդակներում, որպեսզի ընտանի կենդանիները, ինչպիսիք են սկյուռները կամ դեկորատիվ առնետները, կարողանան վազել շուրջը: Երկու մարմինների՝ անիվի և կենդանու փոխազդեցությունը հանգեցնում է այս երկու մարմինների շարժմանը։ Ավելին, երբ սկյուռը արագ է վազում, ապա անիվը մեծ արագությամբ է պտտվում, իսկ երբ դանդաղում է, անիվը սկսում է ավելի դանդաղ պտտվել։ Սա ևս մեկ անգամ ապացուցում է, որ գործողությունն ու հակազդեցությունը միշտ հավասար են միմյանց, թեև ուղղված են հակառակ ուղղություններով։
- Այն, ինչ շարժվում է մեր մոլորակի վրա, շարժվում է միայն Երկրի «պատասխան գործողության» շնորհիվ։ Դա կարող է տարօրինակ թվալ, բայց իրականում քայլելիս մենք միայն ջանք ենք գործադրում հողը կամ որևէ այլ մակերես մղելու համար: Եվ մենք առաջ ենք շարժվում, որովհետև երկիրն ի պատասխան մղում է մեզ։
Ի՞նչ է նյուտոնը՝ չափման միավոր կամֆիզիկական մեծություն?
«Նյուտոն»-ի սահմանումը կարելի է բնութագրել հետևյալ կերպ. «դա ուժի միավոր է»: Բայց ո՞րն է դրա ֆիզիկական նշանակությունը: Այսպիսով, հիմնվելով Նյուտոնի երկրորդ օրենքի վրա, սա ածանցյալ մեծություն է, որը սահմանվում է որպես ուժ, որն ընդունակ է փոխել 1 կգ զանգված ունեցող մարմնի արագությունը 1 մ/վ-ով ընդամենը 1 վայրկյանում: Պարզվում է, որ Նյուտոնը վեկտորային մեծություն է, այսինքն՝ ունի իր ուղղությունը։ Երբ մենք որևէ առարկայի վրա ուժ ենք կիրառում, օրինակ՝ դուռը հրելով, մենք միաժամանակ սահմանում ենք շարժման ուղղությունը, որը, ըստ երկրորդ օրենքի, նույնն է, ինչ ուժի ուղղությունը։
Եթե հետևեք բանաձևին, կստացվի, որ 1 Նյուտոն=1 կգմ/վ 2 : Մեխանիկայի տարբեր խնդիրներ լուծելիս շատ հաճախ անհրաժեշտ է լինում նյուտոնները փոխարկել այլ մեծությունների։ Հարմարության համար որոշակի արժեքներ գտնելիս խորհուրդ է տրվում հիշել հիմնական նույնականությունները, որոնք կապում են նյուտոնները այլ միավորների հետ՝
- 1 H=105 dyne (դինան չափման միավոր է CGS համակարգում);
- 1 N=0,1 կգֆ (կիլոգրամ-ուժը ICSS համակարգում ուժի միավոր է);
- 1 H=10 -3 ստեն 1 տոննա կշռող ցանկացած մարմին):
Համընդհանուր ձգողության օրենքը
Գիտնականի ամենակարևոր հայտնագործություններից մեկը, որը շրջեց մեր մոլորակի գաղափարը, Նյուտոնի ձգողության օրենքը (ինչ է գրավիտացիան, կարդացեք ստորև): Իհարկե, նրանից առաջ փորձեր են եղել բացահայտել գրավչության առեղծվածըԵրկիր. Օրինակ, Յոհաննես Կեպլերն առաջինն էր, ով առաջարկեց, որ ոչ միայն Երկիրն ունի գրավիչ ուժ, այլ նաև մարմիններն իրենք են կարողանում գրավել Երկիրը:
Սակայն միայն Նյուտոնին հաջողվեց մաթեմատիկորեն ապացուցել ձգողության և մոլորակների շարժման օրենքի կապը: Բազմաթիվ փորձերից հետո գիտնականը հասկացել է, որ իրականում ոչ միայն Երկիրն է դեպի իրեն ձգում առարկաները, այլ բոլոր մարմիններն են ձգվում միմյանց: Նա դուրս բերեց ձգողության օրենքը, որն ասում է, որ ցանկացած մարմին, ներառյալ երկնային մարմինները, ձգվում են այնպիսի ուժով, որը հավասար է G-ի (գրավիտացիոն հաստատուն) և երկու մարմինների զանգվածների արտադրյալին m1 m 2 բաժանված R2-ով (մարմինների միջև հեռավորության քառակուսին):
Բոլոր օրենքներն ու բանաձևերը, որոնք ստացվել են Նյուտոնի կողմից, հնարավորություն են տվել ստեղծել ինտեգրալ մաթեմատիկական մոդել, որը մինչ այժմ օգտագործվում է ոչ միայն Երկրի մակերևույթի, այլև մեր մոլորակից շատ հեռու գտնվող հետազոտություններում:
Միավորի փոխարկում
Խնդիրներ լուծելիս պետք է հիշել ստանդարտ SI նախածանցների մասին, որոնք օգտագործվում են նաև «նյուտոնյան» չափման միավորների համար։ Օրինակ, տիեզերական օբյեկտների հետ կապված խնդիրների դեպքում, որտեղ մարմինների զանգվածները մեծ են, շատ հաճախ անհրաժեշտ է լինում մեծ արժեքները պարզեցնել փոքրերին: Եթե լուծումը ստացվի 5000 Ն, ապա ավելի հարմար կլինի պատասխանը գրել 5 կՆ (կիլոՆյուտոն) տեսքով։ Նման միավորները լինում են երկու տեսակի՝ բազմապատիկ և ենթաբազմապատիկ։ Ահա ամենաշատ օգտագործվողները. 102 N=1 հեկտոնՆյուտոն (hN); 103 H=1կիլոՆյուտոն (kN); 106 N=1 մեգաՆյուտոն (MN) և 10-2 N=1 ցենտՆյուտոն (cN); 10-3 N=1 միլիՆյուտոն (mN); 10-9 N=1 նանոՆյուտոն (nN).
