התנועה של גופים שונים במרחב בפיזיקה נחקרת על ידי מדור מיוחד - מכניקה. האחרון, בתורו, מחולק לקינמטיקה ודינמיקה. במאמר זה נשקול את חוקי המכניקה בפיזיקה, תוך התמקדות בדינמיקה של התנועה הטרנסציונלית והסיבובית של גופים.
רקע היסטורי
איך ולמה גופות זזות עניין פילוסופים ומדענים מאז ימי קדם. אז אריסטו האמין שעצמים נעים במרחב רק בגלל שיש השפעה חיצונית כלשהי עליהם. אם האפקט הזה נפסק, הגוף יפסיק מיד. פילוסופים יוונים עתיקים רבים האמינו שהמצב הטבעי של כל הגופים הוא מנוחה.
עם כניסתו של העידן החדש, מדענים רבים החלו לחקור את חוקי התנועה במכניקה. יש לציין שמות כמו הויגנס, הוק וגלילאו. האחרון פיתח גישה מדעית לחקר תופעות טבע ולמעשה גילה את החוק הראשון של המכניקה, אשר עם זאת אינו נושא את שם משפחתו.
בשנת 1687 פורסם פרסום מדעי, שחיברהאנגלי אייזק ניוטון. בעבודתו המדעית, הוא ניסח בצורה ברורה את חוקי התנועה הבסיסיים של גופים במרחב, אשר יחד עם חוק הכבידה האוניברסלית, היוו את הבסיס לא רק למכניקה, אלא לכל הפיזיקה הקלאסית המודרנית.
על חוקי ניוטון
הם נקראים גם חוקי המכניקה הקלאסית, בניגוד לרלטיביזם, שהנחותיהם נקבעו בתחילת המאה ה-20 על ידי אלברט איינשטיין. בראשון יש רק שלושה חוקים עיקריים שעליהם מבוסס כל ענף הפיזיקה. הם נקראים כך:
- חוק האינרציה.
- חוק היחס בין כוח לתאוצה.
- חוק הפעולה והתגובה.
מדוע שלושת החוקים האלה הם העיקריים? זה פשוט, ניתן לגזור מהם כל נוסחה של מכניקה, עם זאת, שום עיקרון תיאורטי לא מוביל לאף אחד מהם. חוקים אלה נובעים אך ורק מתצפיות וניסויים רבים. תקפותם מאושרת על ידי מהימנות התחזיות המתקבלות בעזרתן בפתרון בעיות שונות בפועל.
חוק האינרציה
החוק הראשון של ניוטון במכניקה אומר שכל גוף בהיעדר השפעה חיצונית עליו ישמור על מצב של מנוחה או תנועה ישרה בכל מסגרת ייחוס אינרציאלית.
כדי להבין את החוק הזה, יש להבין את מערכת הדיווח. זה נקרא אינרציאלי רק אם הוא עומד בחוק האמור. במילים אחרות, במערכת האינרציאלית איןישנם כוחות פיקטיביים שירגישו צופים. לדוגמה, מערכת הנעה באופן אחיד ובקו ישר יכולה להיחשב אינרציאלית. מצד שני, מערכת המסתובבת באופן אחיד סביב ציר אינה אינרציאלית עקב נוכחות של כוח צנטריפוגלי פיקטיבי בה.
חוק האינרציה קובע את הסיבה מדוע אופי התנועה משתנה. סיבה זו היא נוכחות של כוח חיצוני. שימו לב שכמה כוחות יכולים לפעול על הגוף. במקרה זה, יש להוסיף אותם לפי כלל הוקטורים, אם הכוח המתקבל שווה לאפס, הגוף ימשיך בתנועתו האחידה. חשוב גם להבין שבמכניקה הקלאסית אין הבדל בין התנועה האחידה של הגוף לבין מצב המנוחה שלו.
החוק השני של ניוטון
הוא אומר שהסיבה לשינוי אופי התנועה של הגוף במרחב היא נוכחות של כוח חיצוני שאינו אפס המופעל עליו. למעשה, החוק הזה הוא המשך לקודמו. הסימון המתמטי שלו הוא כדלקמן:
F¯=ma¯.
כאן, הכמות a¯ היא התאוצה המתארת את קצב השינוי של וקטור המהירות, m היא המסה האינרציאלית של הגוף. מכיוון ש-m תמיד גדול מאפס, וקטורי הכוח והתאוצה מצביעים לאותו כיוון.
החוק הנחשב חל על מספר עצום של תופעות במכניקה, למשל, לתיאור תהליך הנפילה החופשית, תנועה עם האצה של מכונית, החלקה של מוט לאורך מישור משופע, תנודה של מטוטלת,מתח של קשקשי קפיצים וכן הלאה. אפשר לומר בבטחה שזהו החוק העיקרי של הדינמיקה.
מומנטום ומומנטום
אם תפנו ישירות לעבודתו המדעית של ניוטון, תוכלו לראות שהמדען עצמו ניסח את החוק השני של המכניקה בצורה שונה במקצת:
Fdt=dp, כאשר p=mv.
הערך p נקרא המומנטום. רבים קוראים לזה בטעות הדחף של הגוף. כמות התנועה היא מאפיין אינרציאלי-אנרגיה השווה למכפלת מסת הגוף ומהירותו.
שינוי התנע בערך דp יכול להיעשות רק על ידי כוח חיצוני F הפועל על הגוף במהלך מרווח הזמן dt. המכפלה של כוח ומשך פעולתו נקראת דחף הכוח או פשוט הדחף.
כאשר שני גופים מתנגשים, פועל ביניהם כוח התנגשות, אשר משנה את המומנטום של כל גוף, אולם מכיוון שכוח זה הוא פנימי ביחס למערכת של שני גופים הנבדקים, הוא אינו מוביל לשינוי במומנטום הכולל של המערכת. עובדה זו נקראת חוק שימור המומנטום.
ספין עם האצה
אם חוק המכניקה שנוסח על ידי ניוטון יוחל על תנועת הסיבוב, אז יתקבל הביטוי הבא:
M=Iα.
Here M - תנע זוויתי - זהו ערך המראה את יכולת הכוח לבצע סיבוב במערכת. מומנט הכוח מחושב כמכפלת הכוח הווקטור ווקטור הרדיוס המכוון מהציר אלנקודת יישום. הכמות I היא רגע האינרציה. כמו רגע הכוח, זה תלוי בפרמטרים של המערכת המסתובבת, בפרט, בהתפלגות הגיאומטרית של מסת הגוף ביחס לציר. לבסוף, הערך α הוא התאוצה הזוויתית, המאפשרת לקבוע כמה רדיאנים בשנייה משתנה המהירות הזוויתית.
אם תסתכל בקפידה על המשוואה הכתובה ותצייר אנלוגיה בין ערכיה והאינדיקטורים מהחוק הניוטוני השני, אז נקבל את זהותם המלאה.
חוק הפעולה והתגובה
נותר לנו לשקול את החוק השלישי של המכניקה. אם שני הראשונים, כך או כך, נוסחו על ידי קודמיו של ניוטון, והמדען עצמו רק נתן להם צורה מתמטית הרמונית, הרי שהחוק השלישי הוא פרי מוחו המקורי של האנגלי הגדול. אז, זה אומר: אם שני גופים באים במגע כוח, אז הכוחות הפועלים ביניהם שווים בגודלם ומנוגדים בכיוון. בקצרה יותר, אנו יכולים לומר שכל פעולה גורמת לתגובה.
F12¯=-F21¯.
כאן F12¯ ו-F21¯ - פועלים מהצד של הגוף הראשון ל-2 ומהצד של ה-2 לכוח ראשון, בהתאמה.
ישנן דוגמאות רבות המאשרות את החוק הזה. לדוגמה, במהלך קפיצה, אדם נדחה מפני השטח של כדור הארץ, האחרון דוחף אותו למעלה. כנ ל לגבי הליכה בהליכון ודחיפת קיר הבריכה של שחיין. דוגמה נוספת, אם אתה לוחץ את היד שלך על השולחן, אז ההפך מורגש.השפעת השולחן על היד, שנקראת כוח התגובה של התמיכה.
כשפותרים בעיות ביישום החוק השלישי של ניוטון, אין לשכוח שכוח הפעולה וכוח התגובה מופעלים על גופים שונים, ולכן הם נותנים להם תאוצות שונות.
