DYNAMIK: HISTORIE, HVAD DEN STUDERER, LOVE OG TEORIER - FYSISK

Den dynamiske er det område af mekanik, der studerer samspillet mellem organer og deres virkninger. Det handler om at beskrive dem kvalitativt og kvantitativt samt forudsige, hvordan de vil udvikle sig over tid.

Ved at anvende dets principper vides det, hvordan bevægelsen af et legeme ændres, når de interagerer med andre, og også om disse interaktioner deformerer det, da det er meget muligt, at begge effekter opstår på samme tid.

Figur 1. Interaktioner på cyklisten ændrer deres bevægelse. Kilde: Pixabay.

Troen på den store græske filosof Aristoteles (384-322 f.Kr.) rådede som fundamentet for dynamik i Vesten i århundreder. Han troede, at genstande bevægede sig på grund af en slags energi, der skubbede dem i den ene eller anden retning.

Han bemærkede også, at mens et objekt skubbes, bevæger det sig med konstant hastighed, men når skubbe stoppes, bevæger det sig mere og mere langsomt, indtil det stopper.

Ifølge Aristoteles var handlingen med en konstant kraft nødvendig for at få noget til at bevæge sig med en konstant hastighed, men hvad der sker er, at denne filosof ikke havde effekterne af friktion.

En anden idé om ham var, at tyngre genstande faldt hurtigere end lettere. Det var den store Galileo Galilei (1564-1642), der gennem eksperimenter demonstrerede, at alle kroppe falder med den samme acceleration uanset deres masse og forsømmer den viskøse virkning.

Men det er Isaac Newton (1642-1727), den mest bemærkelsesværdige videnskabsmand, der nogensinde har levet, der betragtes som fader til moderne dynamik og matematisk beregning sammen med Gottfried Leibniz.

Figur 2. Isaac Newton i 1682 af Godfrey Kneller. Kilde: Wikimedia Commons.

Dens berømte love, der er formuleret i det 17. århundrede, forbliver i dag lige så gyldige og friske. De er grundlaget for klassisk mekanik, som vi ser og påvirker os hver dag. Disse love vil snart blive drøftet.

Hvad studerer dynamik?

Dynamik studerer samspillet mellem objekter. Når objekter interagerer, er der ændringer i deres bevægelse og deformationer. Et bestemt område kaldet statisk er dedikeret til de systemer i ligevægt, dem, der er i ro eller med ensartet retlinet bevægelse.

Ved at anvende dynamikprincipperne er det muligt at forudsige ved hjælp af ligninger, hvad der vil være ændringerne og udviklingen af objekter i tiden. For at gøre dette etableres nogle antagelser afhængigt af typen af system, der skal studeres.

Partikler, stive faste stoffer og kontinuerlige medier

Partikelmodellen er den enkleste at begynde at anvende principperne for dynamik. I det antages det, at det objekt, der skal studeres, har masse, men ingen dimensioner. Derfor kan en partikel være så lille som et elektron eller så stor som Jorden eller Solen.

Når du ønsker at observere effekten af størrelse på dynamikken, er det nødvendigt at overveje størrelsen og formen på objekter. En model, der tager højde for dette, er den af det stive faste stof, et legeme med målelige dimensioner sammensat af meget mange partikler, men som ikke deformeres under kræfternes virkning.

Endelig tager mekanikken i kontinuerlige medier ikke kun højde for objektets dimensioner, men også dets særlige egenskaber, herunder evnen til at deformere. Kontinuerlige medier omfatter stive og ikke-stive faste stoffer samt væsker.

Newtons love

Nøglen til at forstå, hvordan dynamik fungerer, er en grundig forståelse af Newtons love, som kvantitativt forbinder kræfterne, der virker på et legeme, med ændringer i dens bevægelsestilstand eller hvile.

Newtons første lov

Forklaring af Newtons første lov. Kilde: self made.

Siger det så:

Den første del af udsagnet synes ganske åbenlyst, da det er åbenlyst, at et objekt i hvile vil forblive på den måde, medmindre det er forstyrret. Og for dette kræves en styrke.

På den anden side er det lidt sværere at acceptere, at et objekt fortsætter i bevægelse, selv når nettokraften på det er nul, da det ser ud til, at et objekt kan forblive i bevægelse på ubestemt tid. Og hverdagens oplevelse fortæller os, at ting før eller senere går langsommere.

Svaret på denne tilsyneladende modsigelse er i friktion. Faktisk, hvis et objekt bevægede sig på en perfekt glat overflade, kunne det gøre det på ubestemt tid under antagelse af, at ingen anden kraft får bevægelsen til at variere.

Da det er umuligt at fjerne friktion helt, er en situation, hvor et legeme bevæger sig på ubestemt tid med konstant hastighed, en idealisering.

Endelig er det vigtigt at bemærke, at selv om nettokraften er nul, repræsenterer dette ikke nødvendigvis et totalt fravær af kræfter på objektet.

Objekter på jordoverfladen oplever altid gravitationsattraktion. En bog, der hviler på et bord, forbliver på den måde, fordi bordets overflade udøver en kraft, der modvirker vægten.

Anden lov i Newton

Forklaring af Newtons anden lov. Kilde: self made.

Newtons første lov fastlægger, hvad der sker med et objekt, som nettoen eller den resulterende kraft er nul på. Nu indikerer den grundlæggende dynamiklov eller Newtons anden lov, hvad der vil ske, når nettokraften ikke annullerer:

Faktisk, jo større en anvendt kraft, desto større er ændringen i hastighed af et objekt. Og hvis den samme kraft påføres objekter med forskellige masser, vil de største ændringer opleves af objekter, der er lettere og lettere at bevæge sig. Hverdagserfaring er enig i disse udsagn.

Newtons tredje lov

En rumraket modtager den nødvendige fremdrift takket være de uddrevne gasser. Kilde: Pixabay.

Newtons to første love henviser til et enkelt objekt. Men den tredje lov henviser til to objekter. Vi vil navngive dem objekt 1 og objekt 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Faktisk, når en krop er påvirket af en styrke, skyldes det, at en anden er ansvarlig for at forårsage den. Således har objekter på Jorden vægt, fordi det tiltrækker dem mod sit centrum. En elektrisk ladning frastøttes af en anden ladning af det samme tegn, fordi den udøver en frastødende kraft på den første osv.

Figur 3. Oversigt over Newtons love. Kilde: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Bevaringsprincipper

I dynamikken er der flere mængder, der bevares under bevægelse, og hvis undersøgelse er væsentlig. De er som en solid søjle, som det er muligt at knytte til for at løse problemer, hvor kræfterne varierer på meget komplekse måder.

Et eksempel: netop når to køretøjer kolliderer, er samspillet mellem dem meget intens, men kort. Så intens, at der ikke skal tages højde for andre kræfter, derfor kan køretøjerne betragtes som et isoleret system.

Men at beskrive denne intense interaktion er ikke en let opgave, da det involverer kræfter, der varierer i tid og også i rummet. Ved at antage, at køretøjerne udgør et isoleret system, er kræfterne imellem dem interne, og momentumet bevares.

Ved at bevare momentumet er det muligt at forudsige, hvordan køretøjerne bevæger sig lige efter kollisionen.

Her er to af de vigtigste bevaringsprincipper i Dynamics:

Energibesparelse

I naturen er der to typer kræfter: konservativ og ikke-konservativ. Vægt er et godt eksempel på førstnævnte, mens friktion er et godt eksempel på sidstnævnte.

Nå, de konservative kræfter er karakteriseret, fordi de giver mulighed for at lagre energi i konfigurationen af systemet. Det er den såkaldte potentielle energi.

Når et legeme har potentiel energi takket være virkningen af en konservativ kraft som vægt og går i bevægelse, omdannes denne potentielle energi til kinetisk energi. Summen af begge energier kaldes systemets mekaniske energi og er den, der er konserveret, dvs. at den forbliver konstant.

Lad U være den potentielle energi, K den kinetiske energi og E _m den mekaniske energi. Hvis kun konservative kræfter handler på et objekt, er det sandt, at:

Dermed:

Bevaring af fart

Dette princip gælder ikke kun, når to køretøjer kolliderer. Det er en fysiklov med et omfang, der går ud over den makroskopiske verden.

Momentumet bevares på niveauet for sol-, stjernestations- og galakssystemer. Og det gør det også på skalaen fra atomet og atomkernen, på trods af det faktum, at Newtonian mekanik ophører med at være gyldig der.

Lad P være momentumvektoren givet af:

P = m. v

Aflede P med hensyn til tid:

Hvis massen forbliver konstant:

Derfor kan vi skrive Newtons anden lov sådan:

_Net F = d P / dt

Hvis to legemer m ₁ og m ₂ udgør et isoleret system, er kræfterne imellem dem indre, og i henhold til Newtons tredje lov, er de lige og modsatte F ₁ = - F ₂, idet de er opfyldt, at:

Hvis derivatet med hensyn til tid på en størrelsesorden er nul, betyder det, at størrelsen forbliver konstant. I et isoleret system kan det derfor siges, at systemets momentum bevares:

P ₁ + P ₂ = konstant

Alligevel kan P ₁ og P ₂ variere individuelt. Et systems momentum kan omfordeles, men det, der betyder noget, er, at summen forbliver uændret.

Fremhævede koncepter i dynamik

Der er mange vigtige begreber i dynamikken, men to af dem skiller sig ud: masse og kraft. På den kraft, der allerede er kommenteret tidligere og nedenfor, er der en liste med de mest fremtrædende koncepter, der vises ved siden af den i studiet af dynamik:

inerti

Det er egenskaben, at objekter skal modstå ændringer i deres tilstand af hvile eller bevægelse. Alle objekter med masse har inerti, og det opleves meget ofte, for eksempel når man rejser i en accelererende bil, har passagererne en tendens til at forblive i ro, hvilket opfattes som en fornemmelse af at klæbe sig fast på bagsiden af sædet.

Og hvis bilen stopper brat, har passagererne en tendens til at rulle rundt efter den fremadgående bevægelse, de tidligere havde, så det er vigtigt at altid have sikkerhedsseler.

Figur 4. Når man kører i bil, får træghed os til at gå ned, når bilen bremser kraftigt. Kilde: Pixabay.

Masse

Masse er målet for inerti, da jo større en krop er, jo vanskeligere er det at flytte det eller få det til at ændre dets bevægelse. Masse er en skalær mængde, det betyder, at for at specificere massen af et legeme er det nødvendigt at give den numeriske værdi plus den valgte enhed, der kan være kilo, pund, gram og mere.

Vægt

Vægt er den kraft, som Jorden trækker genstande tæt på sin overflade mod sin centrum.

Fordi det er en kraft, har vægten en vektorkarakter, derfor er den fuldstændigt specificeret, når dens størrelse eller numeriske værdi, dens retning og dens forstand er angivet, hvilket vi allerede ved er lodret nedad.

Selvom relateret, er vægt og masse således ikke ens, ikke engang ækvivalent, da den første er en vektor og den anden en skalar.

Referencesystemer

Beskrivelsen af en bevægelse kan variere afhængigt af den valgte reference. De, der skal op i en elevator, er i ro efter en referenceramme, der er fastgjort til den, men set af en observatør på jorden bevæger passagererne sig.

Hvis et organ oplever bevægelse omkring en referenceramme, men er i ro i en anden, kan Newtons love ikke finde anvendelse på begge. Faktisk er Newtons love gældende for bestemte referencerammer: de, der er treghed.

I inertielle referencerammer accelererer organer ikke, medmindre de forstyrres på en eller anden måde - ved at anvende en kraft.

Fiktive kræfter

De fiktive kræfter eller pseudokræfter vises, når bevægelsen af et legeme i en accelereret referenceramme analyseres. Der skelnes mellem en fiktiv kraft, fordi det ikke er muligt at identificere den agent, der er ansvarlig for dens udseende.

Centrifugalkraft er et godt eksempel på fiktiv kraft. Det faktum, at det er tilfældet, gør det ikke mindre reelt for dem, der oplever det, når de vender ind i deres biler og føler, at en usynlig hånd skubber dem ud af kurven.

Acceleration

Denne vigtige vektor er allerede nævnt før. Et objekt oplever acceleration, så længe der er en kraft, der ændrer dens hastighed.

Arbejde og energi

Når en kraft virker på et objekt, og den ændrer sin position, har styrken udført arbejde. Og dette arbejde kan gemmes i form af energi. Derfor udføres arbejde på objektet, takket være hvilket det henter energi.

Følgende eksempel rydder punktet: Antag, at en person hæver en gryde en vis højde over jordoverfladen.

For dette skal det udøve en kraft og overvinde tyngdekraften, derfor arbejder det på gryden, og dette arbejde opbevares i form af gravitationspotentialenergi i potten, proportionalt med dens masse og den højde, det nåede over gulvet.:

Hvor m er masse, er g tyngdekraft, og h er højde. Hvad kan potten gøre, når den er i højden h? Nå, det kan falde, og når det falder, falder den tyngdepotentiale, den har,, mens den kinetiske energi eller bevægelsesenergi stiger.

For at en kraft skal arbejde, skal den frembringe en forskydning, der skal være parallel med styrken. Hvis dette ikke sker, virker styrken stadig på objektet, men virker ikke på det.

relaterede emner

Newtons første lov.

Anden lov i Newton.

Newtons tredje lov.

Lov om bevarelse af sagen.

Referencer

Bauer, W. 2011. Fysik til ingeniørvidenskab og videnskaber. Bind 1. Mc Graw Hill.
Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. Bind 2. Dynamik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6… Ed Prentice Hall.
Hewitt, Paul. 2012. Konceptuel fysisk videnskab. 5.. Ed. Pearson.
Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6. forkortede udgave. Cengage Learning.
Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
Wikipedia. Dynamisk. Gendannet fra: es.wikipedia.org.

DYNAMIK: HISTORIE, HVAD DEN STUDERER, LOVE OG TEORIER - FYSISK - 2025