Περιεχόμενο
- Newton Laws
- Δυνάμεις
- Γραμμική και περιστροφική κινηματική
- Ορμή και ενέργεια
- Στιγμή αδράνειας
- Κύματα και απλή αρμονική κίνηση
- Μαθηματικά στην Κλασική Μηχανική
- Μονοδιάστατη κίνηση έναντι κίνησης σε δύο διαστάσεις
Η μηχανική είναι ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με την κίνηση αντικειμένων. Η κατανόηση της μηχανικής είναι κρίσιμη για κάθε μελλοντικό επιστήμονα, μηχανικό ή περίεργο άνθρωπο που θέλει να καταλάβει, ας πούμε, τον καλύτερο τρόπο να κρατάτε ένα κλειδί όταν αλλάζετε ένα ελαστικό.
Κοινά θέματα στη μελέτη της μηχανικής περιλαμβάνουν νόμους Newton, δυνάμεις, γραμμική και περιστροφική κινηματική, ορμή, ενέργεια και κύματα.
Newton Laws
Μεταξύ άλλων συμβολών, ο Sir Isaac Newton ανέπτυξε τρεις νόμους κίνησης που είναι κρίσιμοι για την κατανόηση της μηχανικής.
Ο Newton διατύπωσε επίσης τον παγκόσμιο νόμο της βαρύτητας, ο οποίος βοηθά στην περιγραφή της έλξης μεταξύ οποιωνδήποτε δύο αντικειμένων και των τροχιών των σωμάτων στο διάστημα.
Οι Newton Laws κάνουν μια τόσο καλή δουλειά προβλέποντας την κίνηση αντικειμένων που οι άνθρωποι συχνά αναφέρονται στους νόμους του και τις προβλέψεις που βασίζονται σε αυτούς ως Νευτώνεια μηχανική ή κλασσική μηχανική. Ωστόσο, αυτοί οι υπολογισμοί δεν συμβαίνουν ακριβώς περιγράφουν τον φυσικό κόσμο κάτω από όλες τις συνθήκες, ακόμα και όταν ένα αντικείμενο ταξιδεύει κοντά στην ταχύτητα του φωτός ή εργάζεται σε μια απίστευτα μικρή κλίμακα - η ειδική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική είναι πεδία που επιτρέπουν στους φυσικούς να μελετήσουν την κίνηση στο σύμπαν πέρα από αυτό που θα μπορούσε να διερευνήσει ο Newton.
Δυνάμεις
Δυνάμεις αιτία κίνηση. Μια δύναμη είναι ουσιαστικά μια ώθηση ή μια έλξη.
Διαφορετικοί τύποι δυνάμεων που ένα γυμνάσιο ή εισαγωγικό φοιτητής είναι βέβαιο ότι θα συναντήσετε περιλαμβάνουν: βαρυτική, τριβή, ένταση, ελαστική, εφαρμοσμένη και δυνάμεις ελατηρίου. Οι φυσικοί έλκουν αυτές τις δυνάμεις που δρουν σε αντικείμενα που ονομάζονται ειδικά διαγράμματα διαγράμματα ελεύθερου σώματος ή διαγράμματα δύναμης. Αυτά τα διαγράμματα είναι κρίσιμα για την εύρεση της καθαρής δύναμης σε ένα αντικείμενο, που με τη σειρά του καθορίζει τι συμβαίνει στην κίνηση του.
Οι νόμοι Newton μας λένε ότι μια καθαρή δύναμη θα αναγκάσει ένα αντικείμενο να αλλάξει την ταχύτητά του, πράγμα που μπορεί να σημαίνει ότι η ταχύτητά του αλλάζει ή η κατεύθυνση του αλλάζει. Καμιά καθαρή δύναμη σημαίνει ότι το αντικείμενο μένει ακριβώς όπως είναι: κινείται με σταθερή ταχύτητα ή σε ηρεμία.
ΕΝΑ καθαρή δύναμη είναι το άθροισμα πολλαπλών δυνάμεων που δρουν σε ένα αντικείμενο, όπως δύο ομάδες ρυμούλκησης του πολέμου που τραβούν ένα σχοινί σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η ομάδα που τραβάει πιο σκληρά θα κερδίσει, με αποτέλεσμα περισσότερη δύναμη να κατευθύνει το δρόμο τους. αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το σχοινί και η άλλη ομάδα καταλήγουν να επιταχύνουν προς αυτή την κατεύθυνση.
Γραμμική και περιστροφική κινηματική
Η κινηματική είναι ένας κλάδος της φυσικής που επιτρέπει την περιγραφή της κίνησης απλά εφαρμόζοντας ένα σύνολο εξισώσεων. Κινηματική δεν ανατρέξτε στις υποκείμενες δυνάμεις, την αιτία της κίνησης, καθόλου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η κινηματική θεωρείται επίσης κλάδος των μαθηματικών.
Υπάρχουν τέσσερις κύριες εξισώσεις κινηματικής, οι οποίες μερικές φορές ονομάζονται εξισώσεις κίνησης.
Αναφέρονται οι ποσότητες που μπορούν να εκφραστούν στις κινηματικές εξισώσεις γραμμική κίνηση (κίνηση σε ευθεία γραμμή), αλλά καθένα από αυτά μπορεί επίσης να εκφραστεί για περιστροφική κίνηση (που ονομάζεται επίσης κυκλική κίνηση) χρησιμοποιώντας ανάλογες τιμές. Για παράδειγμα, μια μπάλα που κυλίεται κατά μήκος του εδάφους γραμμικά θα είχε α γραμμική ταχύτητα v, καθώς και ένα γωνιακή ταχύτητα ω, το οποίο περιγράφει τον ρυθμό περιστροφής του. Και λαμβάνοντας υπόψη ότι καθαρή δύναμη προκαλεί αλλαγή στην γραμμική κίνηση, a καθαρής ροπής προκαλεί αλλαγή σε περιστροφή αντικειμένων.
Ορμή και ενέργεια
Δύο άλλα θέματα που εμπίπτουν στον κλάδο της μηχανικής είναι η δυναμική και η ενέργεια.
Και οι δύο αυτές ποσότητες είναι διατηρημένο, πράγμα που σημαίνει ότι σε ένα κλειστό σύστημα η συνολική ποσότητα ορμής ή ενέργειας δεν μπορεί να αλλάξει. Αναφέρουμε αυτούς τους τύπους νόμων ως νόμους διατήρησης. Ένας άλλος κοινός νόμος περί διατήρησης, που συνήθως μελετάται στη χημεία, είναι η διατήρηση της μάζας.
Οι νόμοι της διατήρησης της ενέργειας και της διατήρησης της ορμής επιτρέπουν στους φυσικούς να προβλέπουν την ταχύτητα, την εκτόπισή τους και άλλες πτυχές της κίνησης διαφόρων αντικειμένων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, όπως ένα skateboard που κυλάει σε μια ράμπα ή μπάλες μπιλιάρδου που συγκρούονται.
Στιγμή αδράνειας
Η στιγμιαία αδράνεια είναι μια βασική ιδέα για την κατανόηση της περιστροφικής κίνησης για διαφορετικά αντικείμενα. Είναι μια ποσότητα που βασίζεται στη μάζα, την ακτίνα και τον άξονα περιστροφής ενός αντικειμένου που περιγράφει πόσο δύσκολο είναι να αλλάξει η γωνιακή ταχύτητά του - με άλλα λόγια, πόσο δύσκολο είναι να επιταχύνετε ή να επιβραδύνετε την περιστροφή του.
Και πάλι, δεδομένου ότι η περιστροφική κίνηση είναι ανάλογος σε γραμμική κίνηση, η στιγμή αδράνειας είναι ανάλογη με τη γραμμική έννοια της αδράνειας, όπως αναφέρεται από τον πρώτο νόμο του Newton. Μεγαλύτερη μάζα και μεγαλύτερη ακτίνα δίνουν στο αντικείμενο μια υψηλότερη στιγμή αδράνειας και αντίστροφα. Τραβώντας ένα πολύ μεγάλο πυροβόλο όπλο κάτω από ένα διάδρομο είναι πιο δύσκολο από το γύρισμα βόλεϊ!
Κύματα και απλή αρμονική κίνηση
Τα κύματα είναι ένα ειδικό θέμα στη φυσική. Ένα μηχανικό κύμα αναφέρεται σε μια διαταραχή που μεταφέρει ενέργεια μέσω της ύλης - ένα κύμα νερού ή ένα ηχητικό κύμα είναι και τα δύο παραδείγματα.
Η απλή αρμονική κίνηση είναι ένας άλλος τύπος περιοδικής κίνησης στην οποία ένα σωματίδιο ή ένα αντικείμενο κυλίεται γύρω από ένα σταθερό σημείο. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ένα εκκρεμές μικρής γωνίας που αιωρούνται εμπρός και πίσω ή ένα σπειροειδές ελατήριο αναπηδώντας πάνω και κάτω όπως περιγράφεται από Αγκυροβόλιο δίκαιο.
Οι τυπικές ποσότητες που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για τη μελέτη των κυμάτων και η περιοδική κίνηση είναι η περίοδος, η συχνότητα, η ταχύτητα των κυμάτων και το μήκος κύματος.
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή το φως είναι ένας άλλος τύπος κύματος που μπορεί να περάσει από τον κενό χώρο επειδή η ενέργεια μεταφέρεται όχι από την ύλη αλλά από τα ταλαντευόμενα πεδία. (Ταλάντωση είναι ένας άλλος όρος για δόνηση.) Ενώ το φως ενεργεί σαν ένα κύμα και οι ιδιότητές του μπορούν να μετρηθούν με τις ίδιες ποσότητες όπως ένα κλασικό κύμα, λειτουργεί επίσης και ως σωματίδιο, που απαιτεί κάποια κβαντική φυσική για να περιγράψει. Έτσι, το light does not εξ ολοκλήρου να ενταχθούν στη μελέτη της κλασσικής μηχανικής.
Μαθηματικά στην Κλασική Μηχανική
Η φυσική είναι μια πολύ μαθηματική επιστήμη. Η επίλυση προβλημάτων μηχανικής απαιτεί γνώση:
Μονοδιάστατη κίνηση έναντι κίνησης σε δύο διαστάσεις
Το εύρος μιας πορείας φυσικής στο γυμνάσιο ή στο εισαγωγικό κολέγιο περιλαμβάνει συνήθως δύο επίπεδα δυσκολίας στην ανάλυση των μηχανικών καταστάσεων: εξέταση της μονοδιάστατης κίνησης (ευκολότερη) και της δισδιάστατης κίνησης (σκληρότερη).
Η κίνηση σε μια διάσταση σημαίνει ότι το αντικείμενο κινείται κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής. Αυτοί οι τύποι προβλημάτων φυσικής μπορούν να λυθούν χρησιμοποιώντας άλγεβρα.
Η κίνηση σε δύο διαστάσεις περιγράφει όταν μια κίνηση αντικειμένων έχει και μια κατακόρυφη και μια οριζόντια συνιστώσα. Δηλαδή, κινείται μέσα δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Αυτοί οι τύποι προβλημάτων μπορεί να είναι πολλαπλών βημάτων και μπορεί να απαιτούν την τριγωνομετρία για την επίλυση.
Η κίνηση βλήματος είναι ένα κοινό παράδειγμα δισδιάστατης κίνησης. Η κίνηση βλήματος είναι κάθε είδος κίνησης όπου η μόνη δύναμη που ασκεί το αντικείμενο είναι βαρύτητα. Για παράδειγμα: μια μπάλα που ρίχνεται στον αέρα, ένα αυτοκίνητο που οδηγεί από έναν γκρεμό ή ένα βέλος που πυροβολείται σε έναν στόχο. Σε κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις, η διαδρομή των αντικειμένων μέσω του αέρα εντοπίζει το σχήμα ενός τόξου, κινούμενο τόσο οριζόντια όσο και κατακόρυφα (είτε προς τα επάνω είτε προς τα κάτω είτε προς τα κάτω).