O estudo dos fenômenos naturais com base em um experimento só é possível se todas as etapas forem observadas: observação, hipótese, experimento, teoria. A observação revelará e comparará os fatos, a hipótese permite dar-lhes uma explicação científica detalhada que requer confirmação experimental. A observação do movimento dos corpos levou a uma conclusão interessante: uma mudança na velocidade de um corpo só é possível sob a influência de outro corpo.
Por exemplo, se você subir rapidamente as escadas, então na curva você só precisa agarrar o corrimão (mudando a direção do movimento), ou parar (mudando o valor da velocidade) para não colidir com o parede oposta.
Observações de fenômenos semelhantes levaram à criação de um ramo da física que estuda as causas das mudanças na velocidade dos corpos ou sua deformação.
Dinâmica Básica
A dinâmica é chamada para responder à questão sacramental de por que o corpo físico se move de uma maneira ou de outra ou está em repouso.
Considere o estado de repouso. Com base no conceito da relatividade do movimento, podemos concluir: não existem e não podem existir corpos absolutamente imóveis. Algumum objeto, estando imóvel em relação a um corpo de referência, move-se em relação a outro. Por exemplo, um livro sobre uma mesa está imóvel em relação à mesa, mas se considerarmos sua posição em relação a uma pessoa que passa, chegamos a uma conclusão natural: o livro está se movendo.
Assim, as leis do movimento dos corpos são consideradas em referenciais inerciais. O que é?
Chama-se referencial inercial, no qual o corpo está em repouso ou realiza movimento uniforme e retilíneo, desde que não haja influência de outros objetos ou objetos sobre ele.
No exemplo acima, o referencial associado à tabela pode ser chamado de inercial. Uma pessoa movendo-se uniformemente e em linha reta pode servir como um quadro de referência para o ISO. Se seu movimento for acelerado, é impossível associar um CO inercial a ele.
De fato, tal sistema pode ser correlacionado com corpos rigidamente fixados na superfície da Terra. No entanto, o próprio planeta não pode servir como corpo de referência para IFR, pois gira uniformemente em torno de seu próprio eixo. Corpos na superfície têm aceleração centrípeta.
O que é impulso?
O fenômeno da inércia está diretamente relacionado ao ISO. Lembra o que acontece se um carro em movimento parar abruptamente? Os passageiros estão em perigo enquanto continuam sua jornada. Ele pode ser parado por um assento na frente ou cintos de segurança. Este processo é explicado pela inércia do passageiro. É isso mesmo?
A inércia é um fenômeno que pressupõe a preservaçãovelocidade constante do corpo na ausência de influência de outros corpos sobre ele. O passageiro está sob a influência de cintos ou assentos. O fenômeno da inércia não é observado aqui.
A explicação está na propriedade do corpo e, segundo ela, é impossível alterar instantaneamente a velocidade de um objeto. Isso é inércia. Por exemplo, a inércia do mercúrio em um termômetro torna possível abaixar a barra se agitarmos o termômetro.
A medida de inércia é chamada de massa do corpo. Ao interagir, a velocidade muda mais rapidamente para corpos com menos massa. A colisão de um carro com um muro de concreto para este último ocorre quase sem deixar vestígios. O carro geralmente sofre mudanças irreversíveis: mudanças de velocidade, ocorrem deformações significativas. Acontece que a inércia de uma parede de concreto excede significativamente a inércia de um carro.
É possível enfrentar o fenômeno da inércia na natureza? A condição em que o corpo está sem interconexão com outros corpos é o espaço profundo, em que a espaçonave se move com os motores desligados. Mas mesmo neste caso, o momento gravitacional está presente.
Quantidades básicas
Estudar dinâmica no nível experimental envolve experimentar medidas de grandezas físicas. Mais interessante:
- aceleração como medida da velocidade de variação da velocidade dos corpos; designe-o com a letra a, medida em m/s2;
- massa como medida de inércia; marcado com a letra m, medido em kg;
- força como medida da ação mútua dos corpos; mais frequentemente denotada pela letra F, medida em N (newtons).
A relação entre essas quantidadesestabelecido em três padrões, derivados pelo maior físico inglês. As leis de Newton são projetadas para explicar a complexidade da interação de vários corpos. Assim como os processos que os gerenciam. São os conceitos de "aceleração", "força", "massa" que as leis de Newton conectam com as relações matemáticas. Vamos tentar descobrir o que significa.
A ação de apenas uma força é um fenômeno excepcional. Por exemplo, um satélite artificial em órbita da Terra é afetado apenas pela gravidade.
Resultante
A ação de várias forças pode ser substituída por uma força.
A soma geométrica das forças que atuam sobre um corpo é chamada de resultante.
Estamos falando de uma soma geométrica, pois a força é uma grandeza vetorial, que depende não apenas do ponto de aplicação, mas também da direção de ação.
Por exemplo, se você precisar mudar um guarda-roupa bastante grande, você pode convidar amigos. Juntos alcançamos o resultado desejado. Mas você só pode convidar uma pessoa muito forte. Seu esforço é igual à ação de todos os amigos. A força aplicada pelo herói pode ser chamada de resultante.
As leis do movimento de Newton são formuladas com base no conceito de "resultante".
Lei da inércia
Comece a estudar as leis de Newton com o fenômeno mais comum. A primeira lei é geralmente chamada de lei da inércia, pois estabelece as causas do movimento retilíneo uniforme ou o estado de repouso dos corpos.
O corpo se move de maneira uniforme e retilínea ourepousa se nenhuma força atua sobre ele, ou esta ação é compensada.
Pode-se argumentar que a resultante neste caso é igual a zero. Neste estado está, por exemplo, um carro se movendo com velocidade constante em uma seção reta da estrada. A ação da força de atração é compensada pela força de reação do suporte, e a força de empuxo do motor é igual em valor absoluto à força de resistência ao movimento.
O lustre fica apoiado no teto, pois a força da gravidade é compensada pela tensão de suas luminárias.
Somente as forças aplicadas a um corpo podem ser compensadas.
Segunda lei de Newton
Vamos em frente. As razões que causam uma mudança na velocidade dos corpos são consideradas pela segunda lei de Newton. Do que ele está falando?
A resultante das forças que atuam sobre um corpo é definida como o produto da massa do corpo pela aceleração adquirida sob a ação das forças.
2 A lei de Newton (fórmula: F=ma), infelizmente, não estabelece relações causais entre os conceitos básicos de cinemática e dinâmica. Ele não consegue identificar exatamente o que está causando a aceleração dos corpos.
Vamos formular de outra forma: a aceleração recebida pelo corpo é diretamente proporcional às forças resultantes e inversamente proporcional à massa do corpo.
Assim, pode-se estabelecer que a variação da velocidade ocorre apenas em função da força aplicada a ela e da massa do corpo.
2 A lei de Newton, cuja fórmula pode ser a seguinte: a=F/m, é considerada fundamental na forma vetorial, pois possibilitaestabelecer conexões entre os ramos da física. Aqui, a é o vetor aceleração do corpo, F é a resultante das forças, m é a massa do corpo.
O movimento acelerado do carro é possível se a força de tração dos motores exceder a força de resistência ao movimento. À medida que o impulso aumenta, o mesmo acontece com a aceleração. Os caminhões são equipados com motores de alta potência, pois sua massa é muito maior que a massa de um carro de passeio.
Bolas de fogo projetadas para corridas de alta velocidade são iluminadas de tal forma que as peças mínimas necessárias são anexadas a elas, e a potência do motor é aumentada até os limites possíveis. Uma das características mais importantes dos carros esportivos é o tempo de aceleração até 100 km/h. Quanto menor esse intervalo de tempo, melhores serão as propriedades de velocidade do carro.
A lei da interação
As leis de Newton, baseadas nas forças da natureza, afirmam que qualquer interação é acompanhada pelo aparecimento de um par de forças. Se a bola estiver pendurada em um fio, ela experimentará sua ação. Neste caso, o fio também é esticado sob a ação da bola.
A formulação da terceira regularidade completa as leis de Newton. Em suma, soa assim: ação é igual a reação. O que isso significa?
As forças com as quais os corpos agem uns sobre os outros são iguais em magnitude, opostas em direção e direcionadas ao longo da linha que liga os centros dos corpos. Curiosamente, eles não podem ser chamados de compensados, pois atuam em corpos diferentes.
Aplicação das leis
O famoso problema "Cavalo e carroça" pode ser confuso. O cavalo atrelado à referida carroça move-ado lugar. De acordo com a terceira lei de Newton, esses dois objetos agem um sobre o outro com forças iguais, mas na prática um cavalo pode mover uma carroça, que não se encaixa nos fundamentos do padrão.
A solução é encontrada se levarmos em conta que este sistema de corpos não é fechado. A estrada tem seu efeito em ambos os corpos. A força de atrito estático que atua nos cascos do cavalo excede a força de atrito de rolamento das rodas da carroça. Afinal, o momento do movimento começa com uma tentativa de mover o vagão. Se a posição mudar, o cavalo em nenhuma circunstância o moverá de seu lugar. Seus cascos vão escorregar na estrada e não haverá movimento.
Na infância, andando de trenó, todos podiam se deparar com esse exemplo. Se duas ou três crianças estiverem sentadas no trenó, os esforços de uma criança claramente não serão suficientes para movê-las.
A queda dos corpos na superfície da terra, explicada por Aristóteles ("Todo corpo conhece seu lugar") pode ser refutada com base no exposto. Um objeto se move em direção à Terra sob a influência da mesma força que a Terra se move em direção a ele. Comparando seus parâmetros (a massa da Terra é muito maior que a massa do corpo), de acordo com a segunda lei de Newton, afirmamos que a aceleração de um objeto é tantas vezes maior que a aceleração da Terra. Estamos observando uma mudança na velocidade do corpo, a Terra não se move de sua órbita.
Limites de aplicabilidade
A física moderna não nega as leis de Newton, mas apenas estabelece os limites de sua aplicabilidade. Até o início do século 20, os físicos não tinham dúvidas de que essas leis explicavam todos os fenômenos naturais.
1, 2, 3 leiNewton revela plenamente as causas do comportamento dos corpos macroscópicos. O movimento de objetos com velocidades desprezíveis é totalmente descrito por esses postulados.
A tentativa de explicar com base neles o movimento de corpos com velocidades próximas à velocidade da luz está fadada ao fracasso. Uma mudança completa nas propriedades do espaço e do tempo nessas velocidades não permite o uso da dinâmica newtoniana. Além disso, as leis mudam sua forma em FRs não inerciais. Para sua aplicação, é introduzido o conceito de força inercial.
As leis de Newton podem explicar o movimento dos corpos astronômicos, as regras para sua localização e interação. A lei da gravitação universal é introduzida para este propósito. É impossível ver o resultado da atração de pequenos corpos, pois a força é escassa.
Atração mútua
Há uma lenda segundo a qual o Sr. Newton, que estava sentado no jardim e observando a queda das maçãs, teve uma ideia brilhante: explicar o movimento dos objetos próximos à superfície da Terra e o movimento dos corpos espaciais com base na atração mútua. Não está tão longe da verdade. Observações e cálculos precisos diziam respeito não apenas à queda das maçãs, mas também ao movimento da lua. As leis desse movimento levam à conclusão de que a força de atração aumenta com o aumento das massas dos corpos em interação e diminui com o aumento da distância entre eles.
Com base na segunda e terceira leis de Newton, a lei da gravitação universal é formulada da seguinte forma: todos os corpos do universo são atraídos uns pelos outros com uma força direcionada ao longo da linha que liga os centros dos corpos, proporcional à massas dos corpos einversamente proporcional ao quadrado da distância entre os centros dos corpos.
Notação matemática: F=GMm/r2, onde F é a força de atração, M, m são as massas dos corpos que interagem, r é a distância entre eles. O coeficiente de proporcionalidade (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) é chamado de constante gravitacional.
Significado físico: esta constante é igual à força de atração entre dois corpos de massas de 1 kg a uma distância de 1 m. É claro que para corpos de pequenas massas a força é tão insignificante que pode ser negligenciado. Para planetas, estrelas, galáxias, a força de atração é tão grande que determina completamente seu movimento.
É a lei da gravidade de Newton que afirma que para lançar foguetes, você precisa de combustível que possa criar tal impulso de jato para superar a influência da Terra. A velocidade necessária para isso é a primeira velocidade de escape, que é 8 km/s.
A moderna tecnologia de foguetes possibilita o lançamento de estações não tripuladas como satélites artificiais do Sol para outros planetas explorarem. A velocidade desenvolvida por tal dispositivo é a segunda velocidade espacial, igual a 11 km/s.
Algoritmo para aplicação de leis
A resolução de problemas de dinâmica está sujeita a uma certa sequência de ações:
- Analise a tarefa, identifique os dados, tipo de movimento.
- Faça um desenho indicando todas as forças que atuam sobre o corpo e a direção da aceleração (se houver). Selecione o sistema de coordenadas.
- Escreva a primeira ou segunda lei, dependendo da disponibilidadeaceleração do corpo, na forma vetorial. Leve em consideração todas as forças (força resultante, leis de Newton: a primeira, se a velocidade do corpo não mudar, a segunda, se houver aceleração).
- Reescreva a equação em projeções nos eixos coordenados selecionados.
- Se o sistema de equações resultante não for suficiente, então escreva outros: definições de forças, equações de cinemática, etc.
- Resolva o sistema de equações para o valor desejado.
- Faça uma verificação dimensional para determinar se a fórmula resultante está correta.
- Calcular.
Geralmente estes passos são suficientes para qualquer tarefa padrão.
