กฎพื้นฐานของกลไก - คำอธิบาย คุณลักษณะ และสูตร

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

การเคลื่อนที่ของวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศในทางฟิสิกส์ ศึกษาโดยหมวดพิเศษ - กลศาสตร์ ในทางกลับกันแบ่งออกเป็นจลนศาสตร์และไดนามิก ในบทความนี้ เราจะพิจารณากฎของกลศาสตร์ในฟิสิกส์ โดยเน้นที่พลวัตของการเคลื่อนที่แบบแปลนและการหมุนของวัตถุ

ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์

อย่างไรและทำไมการเคลื่อนไหวร่างกายจึงเป็นที่สนใจของนักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์มาตั้งแต่สมัยโบราณ ดังนั้นอริสโตเติลจึงเชื่อว่าวัตถุเคลื่อนที่ในอวกาศเพียงเพราะมีอิทธิพลภายนอกอยู่บ้าง หากหยุดเอฟเฟกต์นี้ ร่างกายจะหยุดทันที นักปรัชญากรีกโบราณหลายคนเชื่อว่าสภาพธรรมชาติของทุกร่างคือการพัก

กับการถือกำเนิดของยุคใหม่ นักวิทยาศาสตร์หลายคนเริ่มศึกษากฎการเคลื่อนที่ในกลศาสตร์ ควรสังเกตชื่อเช่น Huygens, Hooke และ Galileo อย่างหลังได้พัฒนาแนวทางทางวิทยาศาสตร์ในการศึกษาปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ และในความเป็นจริง ได้ค้นพบกฎข้อที่หนึ่งของกลศาสตร์ ซึ่งอย่างไรก็ตาม ไม่มีนามสกุลของเขา

ในปี ค.ศ. 1687 ได้มีการตีพิมพ์สิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ ประพันธ์โดยไอแซก นิวตัน ชาวอังกฤษ ในงานทางวิทยาศาสตร์ของเขา เขาได้กำหนดกฎพื้นฐานของการเคลื่อนที่ของวัตถุในอวกาศอย่างชัดเจน ซึ่งเมื่อรวมกับกฎความโน้มถ่วงสากล ได้สร้างพื้นฐานไม่เพียงแต่กลไกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงฟิสิกส์คลาสสิกสมัยใหม่ทั้งหมดด้วย

เกี่ยวกับกฎของนิวตัน

เรียกอีกอย่างว่ากฎของกลศาสตร์คลาสสิก ตรงกันข้ามกับสัมพัทธภาพ ซึ่งเป็นสมมุติฐานที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ กำหนดไว้ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ในข้อแรก มีเพียงสามกฎหลักบนพื้นฐานของสาขาฟิสิกส์ทั้งหมด พวกเขาถูกเรียกเช่นนี้:

1. กฎความเฉื่อย
2. กฎความสัมพันธ์ระหว่างแรงและความเร่ง
3. กฎแห่งการกระทำและปฏิกิริยา

เหตุใดกฎหมายสามข้อนี้จึงเป็นกฎหมายหลัก ง่ายมาก ทุกสูตรของกลศาสตร์สามารถหาได้จากสูตรเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักการทางทฤษฎีที่นำไปสู่กลศาสตร์ใดๆ กฎหมายเหล่านี้ปฏิบัติตามเฉพาะจากการสังเกตและการทดลองมากมาย ความถูกต้องของพวกเขาได้รับการยืนยันโดยความน่าเชื่อถือของการคาดคะเนที่ได้รับด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาในการแก้ปัญหาต่างๆในทางปฏิบัติ

กฎความเฉื่อย

กฎข้อแรกของนิวตันในกลศาสตร์กล่าวว่าร่างกายใดๆ ก็ตามที่ไม่มีอิทธิพลภายนอกจะคงสภาพของการพักผ่อนหรือการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในกรอบอ้างอิงเฉื่อยใดๆ

เพื่อให้เข้าใจกฎหมายนี้ เราต้องเข้าใจระบบการรายงาน เรียกว่าเฉื่อยก็ต่อเมื่อเป็นไปตามกฎหมายที่ระบุไว้ กล่าวอีกนัยหนึ่งในระบบเฉื่อยไม่มีมีกองกำลังสมมติที่ผู้สังเกตการณ์จะรู้สึกได้ ตัวอย่างเช่น ระบบเคลื่อนที่สม่ำเสมอและเป็นเส้นตรงถือได้ว่าเฉื่อย ในทางกลับกัน ระบบที่หมุนสม่ำเสมอรอบแกนนั้นไม่เฉื่อยเนื่องจากมีแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางที่สมมติขึ้น

กฎความเฉื่อยกำหนดสาเหตุที่ธรรมชาติของการเคลื่อนไหวเปลี่ยนไป เหตุผลนี้คือการปรากฏตัวของแรงภายนอก โปรดทราบว่าแรงหลายอย่างสามารถกระทำต่อร่างกายได้ ในกรณีนี้จะต้องเพิ่มตามกฎของเวกเตอร์หากแรงที่ได้มีค่าเท่ากับศูนย์ร่างกายจะเคลื่อนที่แบบสม่ำเสมอต่อไป สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจด้วยว่าในกลไกแบบคลาสสิกไม่มีความแตกต่างระหว่างการเคลื่อนไหวที่สม่ำเสมอของร่างกายและสถานะการพัก

กฎข้อที่สองของนิวตัน

เขาบอกว่าเหตุผลในการเปลี่ยนธรรมชาติของการเคลื่อนไหวของร่างกายในอวกาศก็คือการมีอยู่ของแรงภายนอกที่ไม่ใช่ศูนย์ที่ใช้กับมัน อันที่จริง กฎหมายนี้เป็นความต่อเนื่องของกฎข้อที่แล้ว สัญกรณ์ทางคณิตศาสตร์ของมันคือ:

F¯=ma¯.

ในที่นี้ ปริมาณ a¯ คือความเร่งที่อธิบายอัตราการเปลี่ยนแปลงของเวกเตอร์ความเร็ว m คือมวลเฉื่อยของร่างกาย เนื่องจาก m มากกว่าศูนย์เสมอ เวกเตอร์แรงและความเร่งจึงชี้ไปในทิศทางเดียวกัน

กฎที่พิจารณาใช้ได้กับปรากฏการณ์จำนวนมากในกลไก เช่น การอธิบายกระบวนการตกอย่างอิสระ การเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของรถ การเลื่อนแท่งไม้ไปตามระนาบเอียง การสั่น ของลูกตุ้ม,ความตึงของตาชั่งสปริงเป็นต้น มันปลอดภัยที่จะบอกว่ามันเป็นกฎหลักของพลวัต

โมเมนตัมและโมเมนตัม

หากคุณสนใจงานวิทยาศาสตร์ของนิวตันโดยตรง คุณจะเห็นว่านักวิทยาศาสตร์เองได้กำหนดกฎข้อที่สองของกลศาสตร์แตกต่างออกไปบ้าง:

Fdt=dp โดยที่ p=mv.

ค่า p เรียกว่า โมเมนตัม หลายคนเข้าใจผิดว่าเป็นแรงกระตุ้นของร่างกาย ปริมาณของการเคลื่อนไหวเป็นคุณลักษณะของพลังงานเฉื่อยเท่ากับผลคูณของมวลร่างกายและความเร็ว

เปลี่ยนโมเมนตัมด้วยค่าบางอย่าง dp สามารถทำได้โดยแรงภายนอก F ที่กระทำต่อร่างกายในช่วงเวลา dt ผลคูณของแรงและระยะเวลาของการกระทำเรียกว่าแรงกระตุ้นหรือเรียกง่ายๆว่าแรงกระตุ้น

เมื่อร่างสองร่างชนกัน แรงปะทะจะกระทำระหว่างกัน ซึ่งเปลี่ยนโมเมนตัมของแต่ละร่างกาย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแรงนี้อยู่ภายในเมื่อเทียบกับระบบของสองร่างที่กำลังศึกษาอยู่ จึงไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ในโมเมนตัมรวมของระบบ ความจริงข้อนี้เรียกว่ากฎการอนุรักษ์โมเมนตัม

หมุนด้วยความเร่ง

หากกฎของกลศาสตร์ที่นิวตันกำหนดกับการเคลื่อนที่ของการหมุน จะได้นิพจน์ต่อไปนี้:

M=ฉันα.

ที่นี่ M - โมเมนตัมเชิงมุม - นี่คือค่าที่แสดงความสามารถของแรงในการเลี้ยวในระบบ โมเมนต์ของแรงคำนวณเป็นผลคูณของแรงเวกเตอร์และเวกเตอร์รัศมีที่ส่งจากแกนไปยังจุดสมัคร. ปริมาณ I คือโมเมนต์ความเฉื่อย เช่นเดียวกับโมเมนต์ของแรง ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของระบบการหมุน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกระจายตัวทางเรขาคณิตของมวลกายที่สัมพันธ์กับแกน สุดท้าย ค่า α คือความเร่งเชิงมุม ซึ่งช่วยให้คุณกำหนดจำนวนเรเดียนต่อวินาทีที่ความเร็วเชิงมุมเปลี่ยนแปลงได้

ถ้าคุณดูสมการที่เขียนอย่างละเอียดแล้ววาดการเปรียบเทียบระหว่างค่าและตัวบ่งชี้จากกฎของนิวตันข้อที่สอง เราจะได้ข้อมูลระบุตัวตนที่สมบูรณ์ของพวกมัน

กฎแห่งการกระทำและปฏิกิริยา

เรายังต้องพิจารณากฎข้อที่สามของกลศาสตร์ หากสองคนแรกไม่ทางใดก็ทางหนึ่งถูกกำหนดโดยรุ่นก่อนของนิวตันและนักวิทยาศาสตร์เองก็ให้รูปแบบทางคณิตศาสตร์ที่กลมกลืนกันเท่านั้นดังนั้นกฎข้อที่สามก็คือผลิตผลดั้งเดิมของชาวอังกฤษผู้ยิ่งใหญ่ ดังนั้น จึงกล่าวว่า: หากวัตถุสองชิ้นสัมผัสกัน แรงที่กระทำต่อกันจะมีขนาดเท่ากันและมีทิศทางตรงกันข้าม พูดสั้นๆ กว่านี้ เราสามารถพูดได้ว่าการกระทำใดๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยา

F₁₂¯=-F₂₁¯.

ที่นี่ F₁₂¯ และ F₂₁¯ - การแสดงจากด้านข้างของร่างที่ 1 ถึงตัวที่ 2 และจากตัวที่ 2 ที่ 1 ตามลำดับ

มีตัวอย่างมากมายที่ยืนยันกฎหมายนี้ ตัวอย่างเช่นในระหว่างการกระโดดบุคคลจะถูกผลักออกจากพื้นผิวโลกคนหลังผลักเขาขึ้น เช่นเดียวกันกับการเดินด้วยวอล์คเกอร์และผลักกำแพงสระของนักว่ายน้ำ อีกตัวอย่างหนึ่งถ้าคุณกดมือของคุณบนโต๊ะก็จะรู้สึกตรงกันข้ามผลกระทบของโต๊ะในมือซึ่งเรียกว่าแรงปฏิกิริยาของแนวรับ

ในการแก้ปัญหาการใช้กฎข้อที่สามของนิวตัน อย่าลืมว่าแรงกระทำและแรงปฏิกิริยาถูกนำไปใช้กับวัตถุที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงให้ความเร่งต่างกัน