Sadržaj
- Newtonovi zakoni
- snaga
- Linearna i rotacijska kinematika
- Zamah i energija
- Trenutak inercije
- Valovi i jednostavno harmonično kretanje
- Matematika u klasičnoj mehanici
- Jednodimenzionalno gibanje nasuprot gibanju u dvije dimenzije
Mehanika je grana fizike koja se bavi kretanjem objekata. Razumijevanje mehanike presudno je za budućeg znanstvenika, inženjera ili znatiželjnika koji želi shvatiti, recimo, najbolji način da se ključ drži pri promjeni gume.
Uobičajene teme u proučavanju mehanike uključuju Newtonove zakone, sile, linearnu i rotacijsku kinematiku, zamah, energiju i valove.
Newtonovi zakoni
Između ostalih priloga, sir Isaac Newton razvio je tri zakona kretanja koja su ključna za razumijevanje mehanike.
Newton je također formulirao univerzalni zakon gravitacije, koji pomaže opisati privlačnost između bilo koja dva objekta i orbitama tijela u svemiru.
Newtonovi zakoni čine tako dobar posao predviđajući kretanje objekata koje ljudi često pozivaju na njegove zakone i predviđanja koja se na njima temelje kao newtonska mehanika ili klasična mehanika. Međutim, ti izračuni ne precizno opisati fizički svijet u svim uvjetima, uključujući i kada objekt putuje brzinom svjetlosti ili radi u nevjerojatno maloj mjeri - posebna relativnost i kvantna mehanika su polja koja omogućuju fizičarima da proučavaju kretanje u svemiru izvan onoga što bi Newton mogao istražiti.
snaga
snaga uzrok pokret. Sila je u osnovi potisak ili povlačenje.
Različite vrste sila s kojima se srednjoškolac ili uvodni student sigurno susreće uključuju: gravitacijske, trenje, napetost, elastične, primijenjene i opružne sile. Fizičari crtaju te sile djelujući na predmete u posebnim dijagramima zvanim dijagrami slobodnog tijela ili dijagrami sile, Takvi su dijagrami kritični za pronalaženje neto sile na objekt, što zauzvrat određuje što se događa s njegovim gibanjem.
Newtonovi zakoni govore nam da će neto sila uzrokovati da objekt promijeni svoju brzinu, što može značiti njegovu promjenu brzine ili smjer mu se mijenja. Nema neto sile znači da objekt ostaje takav kakav je: kreće se konstantnom brzinom ili u mirovanju.
neto sila je zbroj više sila koje djeluju na objekt, poput dvije tegljačke ekipe koje se povlače na konopu u suprotnim smjerovima. Pobijedit će ekipa koja jače povuče, što će rezultirati s više snage usmjerene na njihov put; zbog toga konopac i drugi tim završavaju ubrzano u tom smjeru.
Linearna i rotacijska kinematika
Kinematika je grana fizike koja omogućava da se gibanje opiše jednostavno primjenom skupa jednadžbi. Kinematika ne odnose se na temeljne sile, uzrok gibanja, uopće. Zbog toga se kinematika također smatra granom matematike.
Postoje četiri glavne jednadžbe kinematike koje se ponekad nazivaju i jednadžbama gibanja.
Opisane su količine koje se mogu izraziti u kinematičkim jednadžbama line__ar gibanje (gibanje u pravoj liniji), ali svaki se od njih može izraziti i za rotacijsko gibanje (koje se naziva i kružnim gibanjem) koristeći analogne vrijednosti. Na primjer, lopta koja se linearno valja po podu imala bi a linearna brzina v, kao i an kutna brzina ω, koja opisuje njegovu brzinu predenja. I dok a neto sila izaziva promjenu linearnog gibanja, a neto zakretni moment izaziva promjenu rotacije predmeta.
Zamah i energija
Dvije druge teme koje spadaju u granicu fizike mehanike su zamah i energija.
Obje su ove količine očuvan, što znači da se u zatvorenom sustavu ukupna količina zamaha ili energije ne može promijeniti. Ove vrste zakona nazivamo zakonima očuvanja. Drugi je uobičajeni zakon očuvanja, koji se obično proučava u kemiji, očuvanje mase.
Zakoni očuvanja energije i očuvanja zamaha omogućuju fizičarima da predvide brzinu, pomicanje i druge aspekte kretanja različitih predmeta koji međusobno djeluju, poput skejtborda koji se kotrlja niz rampu ili sudara bilijarske kugle.
Trenutak inercije
Inercija je ključni pojam u razumijevanju rotacijskog gibanja različitih objekata. To je količina koja se temelji na masi, polumjeru i osi rotacije objekta koja opisuje koliko je teško mijenjati njegovu kutnu brzinu - drugim riječima, koliko je teško ubrzati ili usporiti njegovo predenje.
Opet, otkad je rotacijsko gibanje analogan prema linearnom gibanju, inercijski moment analogan je linearnom pojmu inercije, kao što je navedeno u Newtonovom prvom zakonu. Veća masa i veći polumjer daju predmetu veći inercijski trenutak, i obrnuto. Kotrljati izuzetno veliku topovsku kuglu niz hodnik je teže nego kotrljanje odbojke!
Valovi i jednostavno harmonično kretanje
Valovi su posebna tema u fizici. Mehanički val odnosi se na poremećaj koji prenosi energiju kroz materiju - vodeni val ili zvučni val su oba primjera.
Jednostavno harmonično kretanje je druga vrsta periodičnog gibanja u kojoj čestica ili objekt osciliraju oko fiksne točke. Primjeri uključuju klatno s malim kutom koji se okreće naprijed-natrag ili namotanu oprugu koja skače gore-dolje kako je opisano u Zakon o kukama.
Tipične količine koje fizičari koriste za proučavanje valova i periodična gibanja su period, frekvencija, brzina vala i valna duljina.
Elektromagnetski valovi ili svjetlost su druga vrsta vala koji može proći kroz prazan prostor, jer energiju ne nosi materija, već oscilirajuća polja. (Oscilacija je još jedan izraz za vibracija.) Iako svjetlost djeluje poput vala i njegova se svojstva mogu mjeriti istim količinama kao i klasični val, ona također djeluje kao čestica, zahtijevajući kvantnu fiziku koju je potrebno opisati. Dakle, svjetlost ne potpuno uklapaju se u studij klasične mehanike.
Matematika u klasičnoj mehanici
Fizika je vrlo matematička znanost. Rješavanje problema mehanike zahtijeva poznavanje:
Jednodimenzionalno gibanje nasuprot gibanju u dvije dimenzije
Opseg srednjoškolskog ili uvodnog kolegija fizike obično uključuje dvije razine poteškoće u analizi mehaničkih situacija: gledanje jednodimenzionalnog gibanja (lakše) i dvodimenzionalno gibanje (teže).
Kretanje u jednoj dimenziji znači da se objekt kreće po ravnoj liniji. Ove se vrste fizičkih problema mogu riješiti pomoću algebre.
Kretanje u dvodimenzionalnim dimenzijama opisuje kada gibanje objekata ima i vertikalnu i vodoravnu komponentu. Odnosno, useljava se dva smjera odjednom. Te vrste problema mogu biti višesatne i mogu zahtijevati trigonometriju za rješavanje.
Kretanje projektila uobičajen je primjer dvodimenzionalnog gibanja. Kretanje projektila je svaka vrsta gibanja gdje je jedina sila koja djeluje na objekt gravitacija. Na primjer: kugla koja se baca u zrak, automobil koji vozi sa litice ili strelica puca u metu. U svakom od ovih slučajeva, put predmeta kroz zrak prati oblik luka, krećući se i vodoravno i okomito (ili gore, zatim dolje, ili samo dolje).