L'étude des phénomènes naturels sur la base d'une expérience n'est possible que si toutes les étapes sont respectées: observation, hypothèse, expérience, théorie. L'observation va révéler et comparer les faits, l'hypothèse permet de leur donner une explication scientifique détaillée qui nécessite une confirmation expérimentale. L'observation du mouvement des corps a conduit à une conclusion intéressante: un changement de vitesse d'un corps n'est possible que sous l'influence d'un autre corps.
Par exemple, si vous montez rapidement les escaliers, dans le virage, il vous suffit de saisir la balustrade (changer la direction du mouvement) ou de vous arrêter (changer la valeur de la vitesse) pour ne pas entrer en collision avec le mur opposé.
Les observations de phénomènes similaires ont conduit à la création d'une branche de la physique qui étudie les causes des changements de vitesse des corps ou de leur déformation.
Les bases de la dynamique
La dynamique est appelée à répondre à la question sacramentelle de savoir pourquoi le corps physique bouge d'une manière ou d'une autre ou est au repos.
Considérez l'état de repos. Sur la base du concept de relativité du mouvement, nous pouvons conclure: il n'y a pas et ne peut pas y avoir de corps absolument immobiles. Quelconqueun objet, étant immobile par rapport à un corps de référence, se déplace par rapport à un autre. Par exemple, un livre posé sur une table est immobile par rapport à la table, mais si l'on considère sa position par rapport à une personne qui passe, on tire une conclusion naturelle: le livre bouge.
Par conséquent, les lois du mouvement des corps sont considérées dans des référentiels inertiels. Qu'est-ce que c'est ?
Le cadre de référence inertiel est appelé, dans lequel le corps est au repos ou effectue un mouvement uniforme et rectiligne, à condition qu'il n'y ait aucune influence d'autres objets ou objets sur lui.
Dans l'exemple ci-dessus, le référentiel associé à la table peut être appelé inertiel. Une personne se déplaçant régulièrement et en ligne droite peut servir de cadre de référence pour l'ISO. Si son mouvement est accéléré, alors il est impossible de lui associer un CO inertiel.
En fait, un tel système peut être corrélé avec des corps rigidement fixés à la surface de la Terre. Cependant, la planète elle-même ne peut pas servir de corps de référence pour l'IFR, car elle tourne uniformément autour de son propre axe. Les corps à la surface ont une accélération centripète.
Qu'est-ce que l'élan ?
Le phénomène d'inertie est directement lié à l'ISO. Rappelez-vous ce qui se passe si une voiture en mouvement s'arrête brusquement ? Les passagers sont en danger alors qu'ils poursuivent leur voyage. Il peut être arrêté par un siège à l'avant ou des ceintures de sécurité. Ce processus s'explique par l'inertie du passager. C'est bien ça ?
L'inertie est un phénomène qui suppose la préservationvitesse constante du corps en l'absence d'influence d'autres corps sur lui. Le passager est sous l'influence des ceintures ou des sièges. Le phénomène d'inertie n'est pas observé ici.
L'explication réside dans la propriété du corps et, selon elle, il est impossible de modifier instantanément la vitesse d'un objet. C'est l'inertie. Par exemple, l'inertie du mercure dans un thermomètre permet d'abaisser la barre si on secoue le thermomètre.
La mesure de l'inertie est appelée la masse du corps. Lors de l'interaction, la vitesse change plus rapidement pour les corps avec moins de masse. La collision d'une voiture avec un mur en béton pour ce dernier se déroule presque sans laisser de trace. La voiture subit le plus souvent des modifications irréversibles: changements de vitesse, d'importantes déformations se produisent. Il s'avère que l'inertie d'un mur en béton dépasse largement l'inertie d'une voiture.
Est-il possible de rencontrer le phénomène d'inertie dans la nature ? La condition dans laquelle le corps est sans interconnexion avec d'autres corps est l'espace lointain, dans lequel le vaisseau spatial se déplace avec les moteurs éteints. Mais même dans ce cas, le moment gravitationnel est présent.
Quantités de base
L'étude de la dynamique au niveau expérimental consiste à expérimenter des mesures de grandeurs physiques. Le plus intéressant:
- accélération comme mesure de la vitesse de changement de la vitesse des corps; désignez-le par la lettre a, mesurez en m/s2;
- masse comme mesure d'inertie; marqué de la lettre m, mesuré en kg;
- force comme mesure de l'action mutuelle des corps; le plus souvent désigné par la lettre F, mesurée en N (newtons).
La relation entre ces quantitésprésenté en trois modèles, dérivés par le plus grand physicien anglais. Les lois de Newton sont conçues pour expliquer la complexité de l'interaction de divers corps. Ainsi que les processus qui les gèrent. Ce sont les notions d'"accélération", de "force", de "masse" que les lois de Newton rattachent à des relations mathématiques. Essayons de comprendre ce que cela signifie.
L'action d'une seule force est un phénomène exceptionnel. Par exemple, un satellite artificiel en orbite autour de la Terre n'est affecté que par la gravité.
Résultant
L'action de plusieurs forces peut être remplacée par une seule force.
La somme géométrique des forces agissant sur un corps est appelée la résultante.
Nous parlons d'une somme géométrique, puisque la force est une grandeur vectorielle, qui dépend non seulement du point d'application, mais aussi de la direction de l'action.
Par exemple, si vous devez déplacer une garde-robe assez massive, vous pouvez inviter des amis. Ensemble, nous obtenons le résultat souhaité. Mais vous ne pouvez inviter qu'une seule personne très forte. Son effort est égal à l'action de tous les amis. La force appliquée par le héros peut être appelée la résultante.
Les lois du mouvement de Newton sont formulées sur la base du concept de "résultant".
Loi d'inertie
Commencez à étudier les lois de Newton avec le phénomène le plus courant. La première loi est généralement appelée loi d'inertie, car elle établit les causes du mouvement rectiligne uniforme ou l'état de repos des corps.
Le corps se déplace de manière uniforme et rectiligne ourepose si aucune force n'agit dessus, ou si cette action est compensée.
On peut soutenir que la résultante dans ce cas est égale à zéro. Dans cet état se trouve, par exemple, une voiture se déplaçant à vitesse constante sur une section rectiligne de la route. L'action de la force d'attraction est compensée par la force de réaction du support, et la force de poussée du moteur est égale en valeur absolue à la force de résistance au mouvement.
Le lustre repose sur le plafond, car la force de gravité est compensée par la tension de ses luminaires.
Seules les forces appliquées à un corps peuvent être compensées.
Deuxième loi de Newton
Passons à autre chose. Les raisons qui provoquent un changement de vitesse des corps sont considérées par la deuxième loi de Newton. De quoi parle-t-il ?
La résultante des forces agissant sur un corps est définie comme le produit de la masse du corps et de l'accélération acquise sous l'action des forces.
2 La loi de Newton (formule: F=ma), malheureusement, n'établit pas de relations causales entre les concepts de base de la cinématique et de la dynamique. Il ne peut pas identifier exactement ce qui fait accélérer les corps.
Formulons-le différemment: l'accélération reçue par le corps est directement proportionnelle aux forces résultantes et inversement proportionnelle à la masse du corps.
Ainsi, on peut établir que le changement de vitesse ne se produit qu'en fonction de la force qui lui est appliquée et de la masse du corps.
2 La loi de Newton, dont la formule peut être la suivante: a=F/m, est considérée comme fondamentale sous forme vectorielle, car elle permetétablir des liens entre les branches de la physique. Ici, a est le vecteur accélération du corps, F est la résultante des forces, m est la masse du corps.
Le mouvement accéléré de la voiture est possible si la force de traction des moteurs dépasse la force de résistance au mouvement. Lorsque la poussée augmente, l'accélération augmente également. Les camions sont équipés de moteurs puissants, car leur masse est bien supérieure à celle d'une voiture de tourisme.
Les boules de feu conçues pour les courses à grande vitesse sont allégées de manière à ce que le minimum de pièces nécessaires leur soit fixé et que la puissance du moteur soit augmentée jusqu'aux limites possibles. L'une des caractéristiques les plus importantes des voitures de sport est le temps d'accélération à 100 km / h. Plus cet intervalle de temps est court, meilleures sont les propriétés de vitesse de la voiture.
La loi de l'interaction
Les lois de Newton, basées sur les forces de la nature, stipulent que toute interaction s'accompagne de l'apparition d'un couple de forces. Si la balle est suspendue à un fil, elle subit son action. Dans ce cas, le fil est également tendu sous l'action de la balle.
La formulation de la troisième régularité complète les lois de Newton. En bref, cela ressemble à ceci: action égale réaction. Qu'est-ce que cela signifie ?
Les forces avec lesquelles les corps agissent les uns sur les autres sont égales en grandeur, opposées en direction et dirigées le long de la ligne reliant les centres des corps. Fait intéressant, ils ne peuvent pas être qualifiés de compensés, car ils agissent sur des corps différents.
Application des lois
Le fameux problème du "cheval et de la charrette" peut prêter à confusion. Le cheval attelé audit chariot le déplacede lieu. Conformément à la troisième loi de Newton, ces deux objets agissent l'un sur l'autre avec des forces égales, mais en pratique un cheval peut déplacer une charrette, ce qui ne rentre pas dans les fondements du schéma.
La solution est trouvée si l'on tient compte du fait que ce système de corps n'est pas clos. La route a son effet sur les deux corps. La force de frottement statique agissant sur les sabots du cheval dépasse la force de frottement de roulement des roues du chariot. Après tout, le moment du mouvement commence par une tentative de déplacement du wagon. Si la position change, le cheval ne le déplacera en aucun cas de sa place. Ses sabots glisseront sur la route et il n'y aura aucun mouvement.
Dans l'enfance, en faisant de la luge, tout le monde pouvait rencontrer un tel exemple. Si deux ou trois enfants sont assis sur le traîneau, les efforts d'un enfant ne suffisent manifestement pas pour les déplacer.
La chute des corps à la surface de la terre, expliquée par Aristote ("Chaque corps connaît sa place") peut être réfutée sur la base de ce qui précède. Un objet se déplace vers la Terre sous l'influence de la même force que la Terre se déplace vers lui. En comparant leurs paramètres (la masse de la Terre est bien supérieure à la masse du corps), conformément à la deuxième loi de Newton, nous affirmons que l'accélération d'un objet est autant de fois supérieure à l'accélération de la Terre. Nous observons un changement dans la vitesse du corps, la Terre ne bouge pas de son orbite.
Limites d'applicabilité
La physique moderne ne nie pas les lois de Newton, mais établit seulement les limites de leur applicabilité. Jusqu'au début du XXe siècle, les physiciens ne doutaient pas que ces lois expliquaient tous les phénomènes naturels.
1, 2, 3 loiNewton révèle pleinement les causes du comportement des corps macroscopiques. Le mouvement des objets avec des vitesses négligeables est entièrement décrit par ces postulats.
Tenter d'expliquer sur leur base le mouvement des corps avec des vitesses proches de la vitesse de la lumière est vouée à l'échec. Un changement complet des propriétés de l'espace et du temps à ces vitesses ne permet pas l'utilisation de la dynamique newtonienne. De plus, les lois changent de forme dans les FR non inertiels. Pour leur application, le concept de force d'inertie est introduit.
Les lois de Newton peuvent expliquer le mouvement des corps astronomiques, les règles de leur emplacement et de leur interaction. La loi de la gravitation universelle est introduite à cette fin. Il est impossible de voir le résultat de l'attraction des petits corps, car la force est faible.
Attraction mutuelle
Il y a une légende selon laquelle M. Newton, qui était assis dans le jardin et regardait la chute des pommes, eut une idée brillante: expliquer le mouvement des objets près de la surface de la Terre et le mouvement des corps spatiaux sur la base de l'attraction mutuelle. Ce n'est pas si loin de la vérité. Les observations et les calculs précis concernaient non seulement la chute des pommes, mais aussi le mouvement de la lune. Les lois de ce mouvement conduisent à la conclusion que la force d'attraction augmente avec l'augmentation des masses de corps en interaction et diminue avec l'augmentation de la distance entre eux.
Basée sur les deuxième et troisième lois de Newton, la loi de la gravitation universelle est formulée comme suit: tous les corps de l'univers sont attirés les uns vers les autres par une force dirigée le long de la ligne reliant les centres des corps, proportionnelle à la masses des corps etinversement proportionnel au carré de la distance entre les centres des corps.
Notation mathématique: F=GMm/r2, où F est la force d'attraction, M, m sont les masses des corps en interaction, r est la distance entre eux. Le coefficient de proportionnalité (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) est appelé le constante gravitationnelle.
Signification physique: cette constante est égale à la force d'attraction entre deux corps de masses de 1 kg à une distance de 1 m. Il est clair que pour les corps de petites masses, la force est si insignifiante qu'elle peut être négligé. Pour les planètes, les étoiles, les galaxies, la force d'attraction est si énorme qu'elle détermine complètement leur mouvement.
C'est la loi de la gravité de Newton qui stipule que pour lancer des fusées, vous avez besoin de carburant capable de créer une telle poussée de jet pour surmonter l'influence de la Terre. La vitesse requise pour cela est la première vitesse de fuite, qui est de 8 km/s.
La technologie moderne des fusées permet de lancer des stations sans pilote en tant que satellites artificiels du Soleil vers d'autres planètes à explorer. La vitesse développée par un tel appareil est la seconde vitesse spatiale, égale à 11 km/s.
Algorithme d'application des lois
Résoudre des problèmes de dynamique est soumis à une certaine séquence d'actions:
- Analyser la tâche, identifier les données, le type de mouvement.
- Dessinez un dessin indiquant toutes les forces agissant sur le corps et la direction de l'accélération (le cas échéant). Sélectionnez le système de coordonnées.
- Écrivez la première ou la deuxième loi, selon la disponibilitéaccélération du corps, sous forme vectorielle. Prendre en compte toutes les forces (force résultante, lois de Newton: la première, si la vitesse du corps ne change pas, la seconde, s'il y a accélération).
- Réécrire l'équation en projections sur les axes de coordonnées sélectionnés.
- Si le système d'équations obtenu n'est pas suffisant, écrivez-en d'autres: définitions des forces, équations de la cinématique, etc.
- Résoudre le système d'équations pour la valeur désirée.
- Effectuez une vérification dimensionnelle pour déterminer si la formule résultante est correcte.
- Calculer.
Habituellement, ces étapes sont suffisantes pour n'importe quelle tâche standard.
