Зміст
- Закони Ньютона
- Сили
- Лінійна та обертальна кінематика
- Момент та енергія
- Момент інерції
- Хвилі та простий гармонійний рух
- Математика в класичній механіці
- Одновимірний рух проти руху в двох вимірах
Механіка - галузь фізики, що займається рухом предметів. Розуміння механіки є критичним для будь-якого майбутнього вченого, інженера чи допитливої людини, який хоче з'ясувати, скажімо, найкращий спосіб утримувати гайковий ключ при зміні шини.
Загальні теми вивчення механіки включають закони, сили Ньютона, лінійну та обертальну кінематику, імпульс, енергію та хвилі.
Закони Ньютона
Серед інших внесків сер Айзек Ньютон розробив три закони руху, які мають вирішальне значення для розуміння механіки.
Ньютон також сформулював універсальний закон гравітації, який допомагає описати притягнення між будь-якими двома об'єктами та орбітами тіл у просторі.
Закони Ньютона роблять таку хорошу роботу, передбачуючи рух предметів, що люди часто посилаються на його закони та на прогнози, засновані на них, як механіку Ньютона або класичну механіку. Однак цих розрахунків немає точно описують фізичний світ за будь-яких умов, у тому числі, коли об’єкт подорожує зі швидкістю світла або працює в неймовірно малих масштабах - спеціальна відносність і квантова механіка - це поля, які дозволяють фізикам вивчати рух у Всесвіті за межами того, що міг дослідити Ньютон.
Сили
Сили причина рух. Сила - це по суті поштовх чи тяга.
До різних типів сил, з якими неодмінно стикається студент середньої школи або вступного коледжу, належать: гравітаційні, тертя, напруги, пружні, прикладені та пружинні сили. Фізики малюють ці сили, діючи на об’єкти, на спеціальних схемах, званих діаграми вільного тіла або силові діаграми. Такі діаграми мають вирішальне значення при знаходженні сили нетто на об’єкт, що в свою чергу визначає, що відбувається з його рухом.
Закони Ньютона говорять нам про те, що сила сітки призведе до зміни об'єкта швидкості, що може означати зміни швидкості або його напрямок змінюється. Відсутня чиста сила означає, що об'єкт залишається таким, яким він є: рухається зі постійною швидкістю або в спокої.
А чиста сила - це сукупність численних сил, що діють на об’єкт, наприклад, дві перетягуючі команди, що тягнуть на мотузку в протилежні сторони. Перемагає команда, яка тягне сильніше, в результаті чого більше сил спрямовується на їх шляху; ось чому мотузка та інша команда в кінці прискорюються в цьому напрямку.
Лінійна та обертальна кінематика
Кінематика - це галузь фізики, яка дозволяє описати рух просто за допомогою набору рівнянь. Кінематика не відносяться до основних сил, причини руху взагалі. Ось чому кінематика також вважається галуззю математики.
Існують чотири основні рівняння кінематики, які іноді називають рівняннями руху.
Описано величини, які можна виразити в кінематичних рівняннях лінія__ar руху (рух по прямій лінії), але кожен з них також може бути виражений для обертальний рух (також називається круговим рухом) з використанням аналогічних значень. Наприклад, куля, що котиться по підлозі лінійно, матиме a лінійна швидкість v, а також ан кутова швидкість ω, яка описує його швидкість прядіння. А тоді як чиста сила викликає зміну лінійного руху, a чистий крутний момент викликає зміну обертання об’єктів.
Момент та енергія
Ще дві теми, які потрапляють у галузь механіки фізики, - це імпульс та енергія.
Обидві ці кількості є збережено, що означає, що в закритій системі загальна кількість імпульсу чи енергії не може змінюватися. Ми називаємо ці типи законів законами збереження. Ще один загальний закон збереження, який зазвичай вивчається в хімії, - це збереження маси.
Закони збереження енергії та збереження імпульсу дозволяють фізикам передбачити швидкість, переміщення та інші аспекти руху різних предметів, які взаємодіють один з одним, наприклад, скейтборд, що котиться вниз по пандусу або стикається з більярдними кульками.
Момент інерції
Момент інерції - ключове поняття в розумінні обертального руху для різних об'єктів. Це величина, заснована на масі, радіусі та осі обертання об'єкта, яка описує, як важко змінити його кутову швидкість - іншими словами, як важко пришвидшити або уповільнити його прядіння.
Знову ж таки, оскільки обертальний рух є аналог до лінійного руху момент інерції аналогічний лінійному поняттю інерції, як заявлено першим законом Ньютона. Більша маса та більший радіус надають об’єкту більший момент інерції, і навпаки. Покатати надмірно велику гарматну кулю по передпокою важче, ніж катати волейбол!
Хвилі та простий гармонійний рух
Хвилі - особлива тема фізики. Механічна хвиля відноситься до порушення, яке передає енергію через матерію - водна хвиля або звукова хвиля - обидва приклади.
Простий гармонічний рух - це інший тип періодичного руху, при якому частинка або предмет коливаються навколо нерухомої точки. Приклади включають маятниковий маятник, що гойдається вперед-назад, або спірнуту пружину, підстрибуючи вгору-вниз, як описано Закон про гаків.
Типовими величинами, які фізики використовують для дослідження хвиль та періодичного руху, є період, частота, швидкість хвилі та довжина хвилі.
Електромагнітні хвилі або світло - це інший тип хвиль, який може проходити через порожній простір, оскільки енергія здійснюється не матерією, а коливаючими полями. (Коливання це ще один термін для вібрація.) У той час як світло діє як хвиля, і його властивості можна виміряти з тими ж величинами, що і класична хвиля, воно також діє як частинка, вимагаючи описати певну квантову фізику. Таким чином, світло не дає повністю вписуються у вивчення класичної механіки.
Математика в класичній механіці
Фізика - це дуже математична наука. Вирішення проблем механіки вимагає знання:
Одновимірний рух проти руху в двох вимірах
Область курсу середньої школи або вступного коледжу зазвичай включає два рівні складності в аналізі механічних ситуацій: перегляд одновимірного руху (легше) та двовимірного руху (важче).
Рух в одному вимірі означає, що об’єкт рухається по прямій лінії. Ці види фізичних задач можна вирішити за допомогою алгебри.
Рух у двомірних розмірах описує, коли рух об’єктів має як вертикальну, так і горизонтальну складові. Тобто він просувається відразу два напрямки. Ці типи проблем можуть бути багатоетапними і можуть потребувати тригонометрії для вирішення.
Рух снаряда - поширений приклад двовимірного руху. Рух снаряда - це будь-який тип руху, де єдиною силою, що діє на об’єкт, є сила тяжіння. Наприклад: куля, яку кидають у повітря, автомобіль, що їде зі скелі, або стріла в ціль. У кожному з цих випадків шлях об'єктів повітря простежує форму дуги, рухаючись як горизонтально, так і вертикально (або вгору, і вниз, або просто вниз).