การศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติบนพื้นฐานของการทดลองจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการสังเกตทุกขั้นตอน: การสังเกต สมมติฐาน การทดลอง ทฤษฎี การสังเกตจะเปิดเผยและเปรียบเทียบข้อเท็จจริง สมมติฐานทำให้สามารถให้คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์โดยละเอียดซึ่งต้องมีการยืนยันจากการทดลอง การสังเกตการเคลื่อนไหวของร่างกายนำไปสู่ข้อสรุปที่น่าสนใจ: การเปลี่ยนแปลงความเร็วของร่างกายสามารถทำได้ภายใต้อิทธิพลของอีกร่างหนึ่งเท่านั้น
ตัวอย่างเช่น หากคุณวิ่งขึ้นบันไดอย่างรวดเร็ว เมื่อถึงทางเลี้ยว คุณเพียงแค่ต้องคว้าราวบันได (เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่) หรือหยุด (เปลี่ยนค่าความเร็ว) เพื่อไม่ให้ชนกับ ตรงข้ามกำแพง
การสังเกตปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนำไปสู่การสร้างสาขาฟิสิกส์ที่ศึกษาสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงความเร็วของร่างกายหรือการเสียรูปของวัตถุ
พื้นฐานไดนามิก
ไดนามิกถูกเรียกให้ตอบคำถามศีลศักดิ์สิทธิ์ว่าทำไมร่างกายถึงเคลื่อนไหวไม่ทางใดก็ทางหนึ่งหรืออยู่นิ่ง
พิจารณาสภาพการพักผ่อน. จากแนวคิดเรื่องสัมพัทธภาพของการเคลื่อนไหว เราสามารถสรุปได้ว่า ไม่มีวัตถุที่ไม่เคลื่อนที่อย่างแน่นอน ใดๆวัตถุที่ไม่เคลื่อนที่ด้วยความเคารพต่อวัตถุอ้างอิงหนึ่งเคลื่อนที่สัมพันธ์กับอีกวัตถุหนึ่ง ตัวอย่างเช่น หนังสือที่วางอยู่บนโต๊ะไม่มีการเคลื่อนไหวเมื่อเทียบกับโต๊ะ แต่ถ้าเราพิจารณาตำแหน่งของหนังสือที่สัมพันธ์กับคนผ่านไป เราจะสรุปโดยธรรมชาติ: หนังสือกำลังเคลื่อนที่
ดังนั้น กฎการเคลื่อนที่ของร่างกายจึงถูกพิจารณาในกรอบอ้างอิงเฉื่อย มันคืออะไร?
กรอบอ้างอิงเฉื่อยเรียกว่า ร่างกายหยุดนิ่งหรือเคลื่อนไหวสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรง โดยต้องไม่มีผลกระทบต่อวัตถุหรือวัตถุอื่น
ในตัวอย่างข้างต้น เฟรมอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับตารางสามารถเรียกได้ว่าเฉื่อย บุคคลที่เคลื่อนไหวอย่างสม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงสามารถใช้เป็นกรอบอ้างอิงสำหรับ ISO ได้ หากเคลื่อนที่เร็วขึ้น ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะเชื่อมโยง CO เฉื่อยกับมัน
อันที่จริง ระบบดังกล่าวสามารถสัมพันธ์กับวัตถุที่ยึดติดกับพื้นผิวโลกอย่างเหนียวแน่น อย่างไรก็ตาม ดาวเคราะห์เองไม่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวอ้างอิงสำหรับ IFR ได้ เนื่องจากมันหมุนรอบแกนของตัวเองอย่างสม่ำเสมอ ร่างกายบนพื้นผิวมีความเร่งสู่ศูนย์กลาง
โมเมนตัมคืออะไร
ปรากฏการณ์ความเฉื่อยเกี่ยวข้องโดยตรงกับ ISO จำได้ไหมว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้ารถที่เคลื่อนที่หยุดกะทันหัน? ผู้โดยสารตกอยู่ในอันตรายขณะเดินทางต่อ สามารถหยุดโดยที่นั่งด้านหน้าหรือเข็มขัดนิรภัย กระบวนการนี้อธิบายโดยความเฉื่อยของผู้โดยสาร ใช่ไหม
ความเฉื่อยเป็นปรากฏการณ์ที่สันนิษฐานว่าคงรักษาไว้ความเร็วคงที่ของร่างกายในกรณีที่ไม่มีอิทธิพลของวัตถุอื่น ผู้โดยสารอยู่ภายใต้อิทธิพลของเข็มขัดหรือที่นั่ง ไม่พบปรากฏการณ์ความเฉื่อยที่นี่
คำอธิบายอยู่ในคุณสมบัติของร่างกาย และตามนั้น เป็นไปไม่ได้ที่จะเปลี่ยนความเร็วของวัตถุในทันที นี่คือความเฉื่อย ตัวอย่างเช่น ความเฉื่อยของปรอทในเทอร์โมมิเตอร์ทำให้ลดระดับบาร์ลงได้หากเราเขย่าเทอร์โมมิเตอร์
วัดความเฉื่อยเรียกว่ามวลของร่างกาย เมื่อโต้ตอบ ความเร็วจะเปลี่ยนเร็วขึ้นสำหรับร่างกายที่มีมวลน้อยกว่า การชนกันของรถยนต์ที่มีผนังคอนกรีตสำหรับส่วนหลังดำเนินไปอย่างไร้ร่องรอย รถส่วนใหญ่มักจะผ่านการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สามารถย้อนกลับได้: การเปลี่ยนแปลงความเร็ว, การเสียรูปที่สำคัญเกิดขึ้น ปรากฎว่าความเฉื่อยของผนังคอนกรีตสูงกว่าแรงเฉื่อยของรถยนต์อย่างมีนัยสำคัญ
ปรากฏการณ์ความเฉื่อยในธรรมชาติเป็นไปได้ไหม? สภาพที่ร่างกายไม่ได้เชื่อมต่อกับวัตถุอื่นนั้นเป็นห้วงอวกาศซึ่งยานอวกาศเคลื่อนที่โดยที่เครื่องยนต์ดับลง แต่ในกรณีนี้ โมเมนต์โน้มถ่วงก็ยังปรากฏอยู่
ปริมาณพื้นฐาน
พลวัตของการศึกษาในระดับทดลองเกี่ยวข้องกับการทดลองด้วยการวัดปริมาณทางกายภาพ ที่น่าสนใจที่สุด:
- ความเร่งเป็นตัววัดความเร็วของการเปลี่ยนแปลงความเร็วของร่างกาย กำหนดด้วยตัวอักษร a วัดเป็น m/s2;
- มวลเป็นตัววัดความเฉื่อย ทำเครื่องหมายด้วยตัวอักษร m หน่วยวัดเป็นกก.
- บังคับเป็นตัวชี้วัดการกระทำร่วมกันของร่างกาย; ส่วนใหญ่มักเขียนแทนด้วยตัวอักษร F วัดเป็น N (นิวตัน)
ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้กำหนดออกเป็นสามรูปแบบ ซึ่งมาจากนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษที่ยิ่งใหญ่ที่สุด กฎของนิวตันถูกออกแบบมาเพื่ออธิบายความซับซ้อนของปฏิสัมพันธ์ของวัตถุต่างๆ ตลอดจนกระบวนการที่จัดการพวกเขา เป็นแนวคิดของ "ความเร่ง" "แรง" "มวล" ที่กฎของนิวตันเชื่อมโยงกับความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ มาลองคิดกันว่ามันหมายความว่าอย่างไร
การกระทำของกำลังเพียงฝ่ายเดียวเป็นปรากฏการณ์พิเศษ ตัวอย่างเช่น ดาวเทียมเทียมที่โคจรรอบโลกจะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น
ผลลัพธ์
การกระทำของหลายกองกำลังสามารถแทนที่ด้วยหนึ่งแรง
ผลรวมเรขาคณิตของแรงที่กระทำต่อร่างกายเรียกว่าผลลัพธ์
เรากำลังพูดถึงผลรวมเรขาคณิต เนื่องจากแรงเป็นปริมาณเวกเตอร์ ซึ่งไม่เพียงขึ้นอยู่กับจุดของการใช้งาน แต่ยังขึ้นกับทิศทางของการกระทำด้วย
ตัวอย่างเช่น หากคุณต้องการย้ายตู้เสื้อผ้าขนาดใหญ่พอสมควร คุณสามารถเชิญเพื่อนได้ เราบรรลุผลตามที่ต้องการร่วมกัน แต่คุณสามารถเชิญคนที่แข็งแกร่งมากเพียงคนเดียวเท่านั้น ความพยายามของเขาเท่ากับการกระทำของเพื่อนทุกคน แรงที่ใช้โดยฮีโร่สามารถเรียกว่าผลลัพธ์ได้
กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันกำหนดขึ้นจากแนวคิดของ "ผลลัพธ์"
กฎความเฉื่อย
เริ่มศึกษากฎของนิวตันกับปรากฏการณ์ที่พบบ่อยที่สุด กฎข้อที่ 1 มักจะเรียกว่ากฎความเฉื่อย เนื่องจากมันกำหนดสาเหตุของการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสม่ำเสมอหรือสถานะของส่วนที่เหลือของร่างกาย
ร่างกายเคลื่อนตัวเป็นเส้นตรงหรือพักหากไม่มีแรงกระทำหรือการกระทำนี้ได้รับการชดเชย
เถียงได้ว่าผลลัพธ์ในกรณีนี้เท่ากับศูนย์ ในสถานะนี้ ตัวอย่างเช่น รถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่บนส่วนทางตรงของถนน การกระทำของแรงดึงดูดได้รับการชดเชยโดยแรงปฏิกิริยาของตัวรองรับ และแรงผลักของเครื่องยนต์มีค่าเท่ากับค่าสัมบูรณ์ต่อแรงต้านการเคลื่อนที่
โคมระย้าวางอยู่บนเพดาน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงถูกชดเชยด้วยความตึงของอุปกรณ์ติดตั้ง
กำลังที่ใช้กับร่างกายเดียวเท่านั้นที่สามารถชดเชยได้
กฎข้อที่สองของนิวตัน
ไปกันต่อเลย สาเหตุที่ทำให้ความเร็วของร่างกายเปลี่ยนแปลงไปนั้นพิจารณาจากกฎข้อที่สองของนิวตัน เขากำลังพูดถึงอะไร
ผลลัพธ์ของแรงที่กระทำต่อร่างกายหมายถึงผลคูณของมวลร่างกายและความเร่งที่ได้รับภายใต้การกระทำของแรง
2 กฎของนิวตัน (สูตร: F=ma) น่าเสียดาย ที่ไม่ได้สร้างความสัมพันธ์เชิงสาเหตุระหว่างแนวคิดพื้นฐานของจลนศาสตร์และไดนามิก เขาไม่สามารถระบุแน่ชัดว่าอะไรเป็นสาเหตุให้ร่างกายเร่งความเร็ว
ลองคิดดูละกัน: ความเร่งที่ร่างกายได้รับจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงลัพท์และเป็นสัดส่วนผกผันกับมวลของร่างกาย
ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงของความเร็วจึงเกิดขึ้นได้ขึ้นอยู่กับแรงที่กระทำและมวลของร่างกายเท่านั้น
2 กฎของนิวตัน ซึ่งมีสูตรดังนี้ a=F/m ถือเป็นพื้นฐานในรูปแบบเวกเตอร์ เพราะมันทำให้เป็นไปได้สร้างการเชื่อมต่อระหว่างสาขาฟิสิกส์ โดยที่ a คือเวกเตอร์ความเร่งของร่างกาย F คือผลลัพธ์ของแรง m คือมวลของร่างกาย
การเร่งความเร็วของรถเป็นไปได้หากแรงฉุดลากของเครื่องยนต์เกินแรงต้านการเคลื่อนที่ เมื่อแรงขับเพิ่มขึ้น อัตราเร่งก็เช่นกัน รถบรรทุกมีเครื่องยนต์กำลังสูง เนื่องจากมวลของพวกมันนั้นสูงกว่ามวลของรถโดยสารมาก
ลูกไฟที่ออกแบบมาสำหรับการแข่งรถความเร็วสูงจะเบาลงเพื่อให้ติดชิ้นส่วนที่จำเป็นขั้นต่ำ และกำลังของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นจนถึงขีดจำกัด ลักษณะที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของรถสปอร์ตคือเวลาเร่งความเร็วที่ 100 กม./ชม. ยิ่งช่วงเวลานี้สั้นลง คุณสมบัติด้านความเร็วของรถก็จะยิ่งดีขึ้น
กฎปฏิสัมพันธ์
กฎของนิวตันซึ่งอิงกับพลังแห่งธรรมชาติระบุว่าปฏิสัมพันธ์ใดๆ จะมาพร้อมกับการปรากฏตัวของกองกำลังคู่หนึ่ง หากลูกบอลห้อยอยู่บนเส้นด้าย แสดงว่าลูกบอลนั้นสัมผัสได้ถึงการกระทำของมัน ในกรณีนี้ ด้ายจะยืดออกภายใต้การกระทำของลูกบอล
กฎของนิวตันเป็นไปตามกฎของนิวตัน กล่าวโดยย่อ ดูเหมือนว่า: การกระทำเท่ากับปฏิกิริยา หมายความว่ายังไง
แรงที่วัตถุกระทำต่อกันมีขนาดเท่ากัน มีทิศทางตรงข้ามและชี้ไปตามเส้นที่เชื่อมจุดศูนย์กลางของวัตถุ ที่น่าสนใจคือเรียกว่าชดเชยไม่ได้แล้ว เพราะมันทำหน้าที่คนละส่วนกัน
การบังคับใช้กฎหมาย
ปัญหา "ม้ากับเกวียน" อันโด่งดังอาจทำให้สับสนได้ ม้าที่บังคับเกวียนดังกล่าวจะเคลื่อนตัวจากสถานที่ ตามกฎข้อที่สามของนิวตัน วัตถุทั้งสองนี้ทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกันด้วยแรงเท่ากัน แต่ในทางปฏิบัติ ม้าสามารถเคลื่อนเกวียนได้ ซึ่งไม่เข้ากับพื้นฐานของรูปแบบ
จะพบทางแก้หากเราคำนึงว่าระบบของร่างกายนี้ไม่ปิด ถนนมีผลกับร่างกายทั้งสอง แรงเสียดทานสถิตที่กระทำบนกีบม้านั้นมีค่าเกินกว่าแรงเสียดทานการหมุนของล้อเกวียน ท้ายที่สุด ช่วงเวลาของการเคลื่อนไหวเริ่มต้นด้วยความพยายามที่จะเคลื่อนเกวียน หากตำแหน่งเปลี่ยนไป ม้าจะไม่ขยับจากตำแหน่งไม่ว่าในกรณีใดๆ กีบของเขาจะลื่นบนถนนและจะไม่มีการเคลื่อนไหว
ในวัยเด็ก ลากเลื่อนกัน ทุกคนคงเคยเจอตัวอย่างแบบนี้ หากเด็กสองหรือสามคนนั่งบนเลื่อน แสดงว่าความพยายามของเด็กคนเดียวไม่เพียงพอต่อการเคลื่อนย้าย
การล่มสลายของร่างกายบนพื้นผิวโลก โดยอริสโตเติลอธิบาย ("ร่างกายทุกคนรู้จักที่ของมัน") สามารถหักล้างได้บนพื้นฐานของสิ่งที่กล่าวมา วัตถุเคลื่อนที่เข้าหาโลกภายใต้อิทธิพลของแรงเดียวกับที่โลกเคลื่อนเข้าหาวัตถุ การเปรียบเทียบพารามิเตอร์ (มวลของโลกมากกว่ามวลของร่างกายมาก) ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน เรายืนยันว่าความเร่งของวัตถุนั้นมากกว่าความเร่งของโลกหลายเท่า เรากำลังสังเกตการเปลี่ยนแปลงของความเร็วของร่างกาย โลกไม่เคลื่อนที่ออกจากวงโคจร
การจำกัดการบังคับใช้
ฟิสิกส์สมัยใหม่ไม่ได้ปฏิเสธกฎของนิวตัน แต่กำหนดขอบเขตของการบังคับใช้เท่านั้น จนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ไม่ต้องสงสัยเลยว่ากฎเหล่านี้อธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมด
1, 2, 3 กฎหมายนิวตันเปิดเผยสาเหตุของพฤติกรรมของวัตถุขนาดมหึมาอย่างเต็มที่ การเคลื่อนไหวของวัตถุด้วยความเร็วเพียงเล็กน้อยนั้นอธิบายไว้โดยหลักการเหล่านี้อย่างครบถ้วน
ความพยายามที่จะอธิบายบนพื้นฐานของพวกเขาว่าการเคลื่อนที่ของร่างกายด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงจะถึงวาระที่จะล้มเหลว การเปลี่ยนแปลงอย่างสมบูรณ์ในคุณสมบัติของพื้นที่และเวลาด้วยความเร็วเหล่านี้ไม่อนุญาตให้ใช้ไดนามิกของนิวตัน นอกจากนี้ กฎหมายยังเปลี่ยนรูปแบบใน FR ที่ไม่เฉื่อย สำหรับการใช้งาน แนวคิดของแรงเฉื่อยถูกนำมาใช้
กฎของนิวตันสามารถอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุทางดาราศาสตร์ กฎสำหรับตำแหน่งและปฏิสัมพันธ์ กฎความโน้มถ่วงสากลถูกนำมาใช้เพื่อการนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะเห็นผลของแรงดึงดูดของวัตถุขนาดเล็กเพราะแรงมีน้อย
สถานที่ท่องเที่ยวร่วมกัน
มีตำนานเล่าว่านายนิวตันซึ่งนั่งอยู่ในสวนและดูการร่วงของแอปเปิลมีความคิดที่ยอดเยี่ยม: ที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุที่อยู่ใกล้พื้นผิวโลกและการเคลื่อนที่ของ วัตถุอวกาศบนพื้นฐานของแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน ไม่ไกลจากความจริงมากนัก การสังเกตและการคำนวณที่แม่นยำไม่เพียงเกี่ยวข้องกับการร่วงของแอปเปิ้ลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์ด้วย กฎของการเคลื่อนไหวนี้นำไปสู่ข้อสรุปว่าแรงดึงดูดจะเพิ่มขึ้นตามมวลของร่างกายที่มีปฏิสัมพันธ์ที่เพิ่มขึ้นและลดลงตามระยะห่างระหว่างกัน
ตามกฎข้อที่สองและสามของนิวตัน กฎความโน้มถ่วงสากลกำหนดขึ้นดังนี้ วัตถุทั้งหมดในจักรวาลจะถูกดึงดูดเข้าหากันด้วยแรงที่พุ่งไปตามเส้นที่เชื่อมจุดศูนย์กลางของวัตถุตามสัดส่วนกับ มวลของร่างกายและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของร่างกาย
สัญกรณ์ทางคณิตศาสตร์: F=GMm/r2 โดยที่ F คือแรงดึงดูด M, m คือมวลของวัตถุที่มีปฏิสัมพันธ์ r คือระยะห่างระหว่างพวกมัน. สัมประสิทธิ์สัดส่วน (G=6.62 x 10-11 Nm2/kg2) เรียกว่า ค่าคงตัวโน้มถ่วง.
ความหมายทางกายภาพ: ค่าคงที่นี้เท่ากับแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองก้อนที่มีมวล 1 กิโลกรัมที่ระยะ 1 เมตร เป็นที่ชัดเจนว่าสำหรับวัตถุมวลน้อย แรงนั้นไม่มีนัยสำคัญจนสามารถ ละเลย สำหรับดาวเคราะห์ ดวงดาว กาแล็กซี่ แรงดึงดูดนั้นยิ่งใหญ่มากจนกำหนดการเคลื่อนที่ของพวกมันได้อย่างสมบูรณ์
กฎแรงดึงดูดของนิวตันที่ระบุว่าในการส่งจรวด คุณต้องใช้เชื้อเพลิงที่สามารถสร้างแรงขับของไอพ่นดังกล่าวเพื่อเอาชนะอิทธิพลของโลก ความเร็วที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้คือความเร็วหลบหนีแรก ซึ่งเท่ากับ 8 กม./วินาที
เทคโนโลยีจรวดสมัยใหม่ทำให้สามารถเปิดสถานีไร้คนขับเป็นดาวเทียมเทียมของดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่นเพื่อสำรวจได้ ความเร็วที่พัฒนาโดยอุปกรณ์ดังกล่าวคือความเร็วของอวกาศที่สอง เท่ากับ 11 กม. / วินาที
อัลกอริทึมการบังคับใช้กฎหมาย
การแก้ปัญหาของไดนามิกขึ้นอยู่กับลำดับของการกระทำ:
- วิเคราะห์งาน ระบุข้อมูล ประเภทของการเคลื่อนไหว
- วาดรูปแสดงแรงทั้งหมดที่กระทำต่อร่างกายและทิศทางความเร่ง (ถ้ามี) เลือกระบบพิกัด
- เขียนกฎหมายที่หนึ่งหรือที่สอง ขึ้นอยู่กับความพร้อมให้บริการการเร่งความเร็วของร่างกายในรูปแบบเวกเตอร์ คำนึงถึงแรงทั้งหมด (แรงผลลัพธ์ กฎของนิวตัน: อันแรกถ้าความเร็วของร่างกายไม่เปลี่ยนแปลง อันที่สองหากมีการเร่งความเร็ว)
- เขียนสมการใหม่ในการฉายภาพบนแกนพิกัดที่เลือก
- หากระบบผลลัพธ์ของสมการไม่เพียงพอ ให้เขียนอย่างอื่น: คำจำกัดความของแรง สมการของจลนศาสตร์ ฯลฯ
- แก้ระบบสมการให้ได้ค่าที่ต้องการ
- ทำการตรวจสอบมิติเพื่อดูว่าสูตรผลลัพธ์ถูกต้องหรือไม่
- คำนวณ
โดยปกติขั้นตอนเหล่านี้เพียงพอสำหรับงานมาตรฐานใดๆ