ბუნების ფენომენების შესწავლა ექსპერიმენტის საფუძველზე შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ დაცულია ყველა ეტაპი: დაკვირვება, ჰიპოთეზა, ექსპერიმენტი, თეორია. დაკვირვება გამოავლენს და შეადარებს ფაქტებს, ჰიპოთეზა შესაძლებელს ხდის მათ მივცეთ დეტალური სამეცნიერო ახსნა, რომელიც მოითხოვს ექსპერიმენტულ დადასტურებას. სხეულების მოძრაობაზე დაკვირვებამ მიგვიყვანა საინტერესო დასკვნამდე: სხეულის სიჩქარის ცვლილება შესაძლებელია მხოლოდ სხვა სხეულის გავლენით.
მაგალითად, თუ სწრაფად აირბინებთ კიბეებს, მაშინ შემობრუნებისას თქვენ უბრალოდ უნდა აიღოთ მოაჯირი (მოძრაობის მიმართულების შეცვლა) ან გააჩეროთ (სიჩქარის მნიშვნელობის შეცვლა) ისე, რომ არ შეეჯახოთ მოპირდაპირე კედელი.
მსგავს მოვლენებზე დაკვირვებამ გამოიწვია ფიზიკის ფილიალის შექმნა, რომელიც შეისწავლის სხეულების სიჩქარის ცვლილების ან მათი დეფორმაციის მიზეზებს.
დინამიკის საფუძვლები
Dynamics მოწოდებულია უპასუხოს საკრალურ კითხვას, თუ რატომ მოძრაობს ფიზიკური სხეული ამა თუ იმ გზით ან ისვენებს.
განიხილეთ დასვენების მდგომარეობა. მოძრაობის ფარდობითობის კონცეფციის საფუძველზე შეგვიძლია დავასკვნათ: არ არსებობს და არ შეიძლება იყოს აბსოლუტურად უმოძრაო სხეულები. ნებისმიერიობიექტი, რომელიც უმოძრაოა ერთი საცნობარო სხეულის მიმართ, მოძრაობს მეორესთან მიმართებაში. მაგალითად, მაგიდაზე დაწოლილი წიგნი მაგიდასთან შედარებით უმოძრაოა, მაგრამ თუ გავითვალისწინებთ მის პოზიციას გამვლელ ადამიანთან მიმართებაში, გამოვიტანთ ბუნებრივ დასკვნას: წიგნი მოძრაობს.
აქედან გამომდინარე, სხეულების მოძრაობის კანონები განიხილება ინერციულ მიმართვის სისტემაში. რა არის ეს?
ინერციული საცნობარო სისტემა ეწოდება, რომელშიც სხეული ისვენებს ან ასრულებს ერთგვაროვან და სწორხაზოვან მოძრაობას, იმ პირობით, რომ მასზე არ არის სხვა საგნების ან საგნების გავლენა.
ზემოხსენებულ მაგალითში ცხრილთან დაკავშირებულ მითითების ჩარჩოს შეიძლება ეწოდოს ინერციული. ადამიანი, რომელიც მოძრაობს ერთნაირად და სწორ ხაზზე, შეიძლება გახდეს ISO-ს მითითების ჩარჩო. თუ მისი მოძრაობა აჩქარებულია, მაშინ შეუძლებელია მასთან ინერციული CO-ს დაკავშირება.
სინამდვილეში, ასეთი სისტემა შეიძლება იყოს კორელაცია დედამიწის ზედაპირზე მყარად დამაგრებულ სხეულებთან. თუმცა, თავად პლანეტა ვერ იქნება IFR-ის საცნობარო ორგანო, რადგან ის ერთნაირად ბრუნავს საკუთარი ღერძის გარშემო. ზედაპირზე მყოფ სხეულებს აქვთ ცენტრიდანული აჩქარება.
რა არის იმპულსი?
ინერციის ფენომენი პირდაპირ კავშირშია ISO-სთან. გახსოვთ რა მოხდება, თუ მოძრავი მანქანა უეცრად გაჩერდება? მგზავრებს საფრთხე ემუქრებათ, რადგან ისინი მოგზაურობას აგრძელებენ. მისი გაჩერება შესაძლებელია წინა სავარძლით ან უსაფრთხოების ღვედებით. ეს პროცესი აიხსნება მგზავრის ინერციით. მართალია?
ინერცია არის ფენომენი, რომელიც გულისხმობს შენარჩუნებასსხეულის მუდმივი სიჩქარე მასზე სხვა სხეულების გავლენის არარსებობის შემთხვევაში. მგზავრი ქამრების ან სავარძლების ზემოქმედების ქვეშ იმყოფება. ინერციის ფენომენი აქ არ შეიმჩნევა.
ახსნა მდგომარეობს სხეულის თვისებაში და, მისი მიხედვით, შეუძლებელია ობიექტის სიჩქარის მყისიერად შეცვლა. ეს არის ინერცია. მაგალითად, თერმომეტრში ვერცხლისწყლის ინერტულობა შესაძლებელს ხდის ზოლის დაწევას, თუ თერმომეტრს შევარყევთ.
ინერციის საზომს სხეულის მასას უწოდებენ. ურთიერთქმედებისას სიჩქარე უფრო სწრაფად იცვლება ნაკლები მასის მქონე სხეულებისთვის. ამ უკანასკნელისთვის მანქანის ბეტონის კედელთან შეჯახება თითქმის უკვალოდ მიმდინარეობს. მანქანა ყველაზე ხშირად განიცდის შეუქცევად ცვლილებებს: იცვლება სიჩქარე, ხდება მნიშვნელოვანი დეფორმაცია. გამოდის, რომ ბეტონის კედლის ინერცია მნიშვნელოვნად აღემატება მანქანის ინერციას.
შესაძლებელია თუ არა ბუნებაში შეგვხვდეს ინერციის ფენომენი? მდგომარეობა, რომლის დროსაც სხეული სხვა სხეულებთან ურთიერთკავშირის გარეშეა, არის ღრმა სივრცე, რომელშიც კოსმოსური ხომალდი მოძრაობს გამორთული ძრავებით. მაგრამ ამ შემთხვევაშიც არსებობს გრავიტაციული მომენტი.
ძირითადი რაოდენობა
დინამიკის შესწავლა ექსპერიმენტულ დონეზე გულისხმობს ექსპერიმენტებს ფიზიკური სიდიდეების გაზომვით. ყველაზე საინტერესო:
- აჩქარება, როგორც სხეულების სიჩქარის ცვლილების სიჩქარის საზომი; დანიშნეთ იგი ასო a, გაზომეთ m/s2;
- მასა, როგორც ინერციის საზომი; აღინიშნება ასო m, იზომება კგ-ში;
- ძალა, როგორც სხეულთა ურთიერთმოქმედების საზომი; ყველაზე ხშირად აღინიშნება ასო F-ით, რომელიც იზომება N-ში (ნიუტონებით).
კავშირი ამ რაოდენობებს შორისჩამოყალიბებულია სამი ნიმუშით, რომელიც მიღებულია უდიდესი ინგლისელი ფიზიკოსის მიერ. ნიუტონის კანონები შექმნილია სხვადასხვა სხეულების ურთიერთქმედების სირთულის ასახსნელად. ისევე როგორც პროცესები, რომლებიც მართავს მათ. სწორედ „აჩქარების“, „ძალის“, „მასის“ცნებებს უკავშირებს ნიუტონის კანონები მათემატიკურ მიმართებებს. შევეცადოთ გაერკვნენ, რას ნიშნავს ეს.
მხოლოდ ერთი ძალის მოქმედება განსაკუთრებული მოვლენაა. მაგალითად, დედამიწის გარშემო მოძრავ ხელოვნურ თანამგზავრზე მხოლოდ გრავიტაცია მოქმედებს.
შედეგი
რამდენიმე ძალის მოქმედება შეიძლება შეიცვალოს ერთი ძალით.
სხეულზე მოქმედი ძალების გეომეტრიულ ჯამს ეწოდება შედეგი.
საუბარია გეომეტრიულ ჯამზე, ვინაიდან ძალა არის ვექტორული სიდიდე, რომელიც დამოკიდებულია არა მხოლოდ გამოყენების წერტილზე, არამედ მოქმედების მიმართულებაზეც.
მაგალითად, თუ საკმაოდ მასიური გარდერობის გადატანა გჭირდებათ, შეგიძლიათ მოიწვიოთ მეგობრები. ერთად მივაღწევთ სასურველ შედეგს. მაგრამ თქვენ შეგიძლიათ მოიწვიოთ მხოლოდ ერთი ძალიან ძლიერი ადამიანი. მისი ძალისხმევა უდრის ყველა მეგობრის მოქმედებას. გმირის მიერ გამოყენებულ ძალას შეიძლება ეწოდოს შედეგი.
ნიუტონის მოძრაობის კანონები ჩამოყალიბებულია "შედეგის" კონცეფციის საფუძველზე.
ინერციის კანონი
დაიწყეთ ნიუტონის კანონების შესწავლა ყველაზე გავრცელებული ფენომენით. პირველ კანონს ჩვეულებრივ უწოდებენ ინერციის კანონს, რადგან ის ადგენს ერთგვაროვანი სწორხაზოვანი მოძრაობის მიზეზებს ან დანარჩენი სხეულების მდგომარეობას.
სხეული მოძრაობს ერთნაირად და სწორხაზოვნად ანჩერდება, თუ მასზე ძალა არ მოქმედებს, ან ეს მოქმედება კომპენსირებულია.
შეიძლება ითქვას, რომ შედეგი ამ შემთხვევაში ნულის ტოლია. ამ მდგომარეობაშია, მაგალითად, მანქანა, რომელიც მოძრაობს მუდმივი სიჩქარით გზის პირდაპირ მონაკვეთზე. მიზიდულობის ძალის მოქმედება კომპენსირდება საყრდენის რეაქციის ძალით, ხოლო ძრავის ბიძგების ძალა აბსოლუტური მნიშვნელობით უდრის მოძრაობის წინააღმდეგობის ძალას.
ჭანდი ეყრდნობა ჭერს, რადგან მიზიდულობის ძალა კომპენსირდება მისი სამაგრების დაჭიმვით.
შესაძლებელია მხოლოდ იმ ძალების კომპენსირება, რომლებიც გამოიყენება ერთ სხეულზე.
ნიუტონის მეორე კანონი
მოდით გავაგრძელოთ. მიზეზები, რომლებიც იწვევს სხეულების სიჩქარის ცვლილებას, განიხილება ნიუტონის მეორე კანონით. რაზე ლაპარაკობს?
სხეულზე მოქმედი ძალების შედეგი განისაზღვრება, როგორც სხეულის მასისა და ძალების მოქმედების შედეგად მიღებული აჩქარების პროდუქტი.
2 ნიუტონის კანონი (ფორმულა: F=ma), სამწუხაროდ, არ ადგენს მიზეზობრივ კავშირებს კინემატიკისა და დინამიკის ძირითად ცნებებს შორის. მას არ შეუძლია ზუსტად განსაზღვროს რა იწვევს სხეულების აჩქარებას.
მოდით სხვანაირად ჩამოვაყალიბოთ: სხეულის მიერ მიღებული აჩქარება პირდაპირპროპორციულია წარმოქმნილი ძალების და უკუპროპორციულია სხეულის მასის.
ამგვარად, შეიძლება დადგინდეს, რომ სიჩქარის ცვლილება ხდება მხოლოდ მასზე გამოყენებული ძალისა და სხეულის მასის მიხედვით.
2 ნიუტონის კანონი, რომლის ფორმულა შეიძლება იყოს შემდეგი: a=F/m, განიხილება ფუნდამენტური ვექტორული ფორმით, რადგან ის შესაძლებელს ხდისდაამყაროს კავშირები ფიზიკის დარგებს შორის. აქ a არის სხეულის აჩქარების ვექტორი, F არის ძალების შედეგი, m არის სხეულის მასა.
მანქანის აჩქარებული მოძრაობა შესაძლებელია, თუ ძრავების წევის ძალა აღემატება მოძრაობის წინააღმდეგობის ძალას. ბიძგის მატებასთან ერთად იზრდება აჩქარებაც. სატვირთო მანქანები აღჭურვილია მაღალი სიმძლავრის ძრავებით, რადგან მათი მასა ბევრად აღემატება სამგზავრო მანქანის მასას.
მაღალსიჩქარიანი რბოლისთვის განკუთვნილი ცეცხლოვანი ბურთები ისე ანათებს, რომ მათზე მიმაგრებულია მინიმალური საჭირო ნაწილები და ძრავის სიმძლავრე იზრდება შესაძლებელ ზღვრამდე. სპორტული მანქანების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია აჩქარების დრო 100 კმ/სთ-მდე. რაც უფრო მოკლეა ეს დროის ინტერვალი, მით უკეთესია მანქანის სიჩქარის თვისებები.
ურთიერთმოქმედების კანონი
ნიუტონის კანონები, რომლებიც დაფუძნებულია ბუნების ძალებზე, აცხადებენ, რომ ნებისმიერ ურთიერთქმედებას თან ახლავს წყვილი ძალების გამოჩენა. თუ ბურთი ძაფზე კიდია, მაშინ ის განიცდის თავის მოქმედებას. ამ შემთხვევაში ძაფიც ბურთის მოქმედებით იჭიმება.
მესამე კანონზომიერების ფორმულირება ავსებს ნიუტონის კანონებს. მოკლედ, ასე ჟღერს: მოქმედება უდრის რეაქციას. რას ნიშნავს ეს?
ძალები, რომლებითაც სხეულები მოქმედებენ ერთმანეთზე, ტოლია სიდიდით, საპირისპირო მიმართულებით და მიმართულია სხეულების ცენტრების დამაკავშირებელი ხაზის გასწვრივ. საინტერესოა, რომ მათ არ შეიძლება ვუწოდოთ კომპენსირებული, რადგან ისინი მოქმედებენ სხვადასხვა სხეულზე.
კანონების აღსრულება
ცნობილი "ცხენი და ურიკის" პრობლემა შეიძლება დამაბნეველი იყოს. აღნიშნულ ვაგონზე შეკაზმული ცხენი მოძრაობს მასადგილიდან. ნიუტონის მესამე კანონის თანახმად, ეს ორი ობიექტი ერთმანეთზე თანაბარი ძალებით მოქმედებს, მაგრამ პრაქტიკაში ცხენს შეუძლია ეტლის გადაადგილება, რომელიც არ ჯდება ნიმუშის საფუძვლებში.
გამოსავალი მოიძებნება, თუ გავითვალისწინებთ, რომ სხეულთა ეს სისტემა არ არის დახურული. გზა ორივე სხეულზე თავის გავლენას ახდენს. ცხენის ჩლიქებზე მოქმედი სტატიკური ხახუნის ძალა აღემატება ურმის ბორბლების მოძრავი ხახუნის ძალას. მოძრაობის მომენტი ხომ იწყება ვაგონის გადაადგილების მცდელობით. თუ პოზიცია შეიცვალა, მაშინ ცხენი არავითარ შემთხვევაში არ გადააადგილებს მას ადგილიდან. მისი ჩლიქები გზაზე სრიალდება და მოძრაობა არ იქნება.
ბავშვობაში, ერთმანეთზე ციგაობით, ყველას შეეძლო შეექმნა ასეთი მაგალითი. თუ ორი ან სამი ბავშვი ზის ციგაზე, მაშინ ერთი ბავშვის ძალისხმევა აშკარად არ არის საკმარისი მათი გადასაადგილებლად.
სხეულების დაცემა დედამიწის ზედაპირზე, არისტოტელეს მიერ ახსნილი („ყველა სხეულმა იცის თავისი ადგილი“) შეიძლება უარყო ზემოაღნიშნულის საფუძველზე. ობიექტი დედამიწისკენ მოძრაობს იმავე ძალის გავლენით, როგორც დედამიწა მისკენ. მათი პარამეტრების შედარებისას (დედამიწის მასა სხეულის მასაზე ბევრად მეტია), ნიუტონის მეორე კანონის შესაბამისად ვამტკიცებთ, რომ ობიექტის აჩქარება იმდენჯერ აღემატება დედამიწის აჩქარებას. ჩვენ ვაკვირდებით სხეულის სიჩქარის ცვლილებას, დედამიწა არ მოძრაობს თავისი ორბიტიდან.
გამოყენების ლიმიტები
თანამედროვე ფიზიკა არ უარყოფს ნიუტონის კანონებს, არამედ მხოლოდ ადგენს მათი გამოყენების საზღვრებს. მე-20 საუკუნის დასაწყისამდე ფიზიკოსებს ეჭვი არ ეპარებოდათ, რომ ეს კანონები ხსნიდნენ ყველა ბუნებრივ მოვლენას.
1, 2, 3 კანონინიუტონი სრულად ავლენს მაკროსკოპული სხეულების ქცევის მიზეზებს. ობიექტების მოძრაობა უმნიშვნელო სიჩქარით სრულად არის აღწერილი ამ პოსტულატებით.
მცდელობა მათ საფუძველზე ახსნას სინათლის სიჩქარესთან მიახლოებული სიჩქარის მქონე სხეულების მოძრაობა განწირულია მარცხისთვის. სივრცისა და დროის თვისებების სრული ცვლილება ამ სიჩქარეებზე არ იძლევა ნიუტონის დინამიკის გამოყენების საშუალებას. გარდა ამისა, კანონები ცვლის ფორმას არაინერციულ FR-ებში. მათი გამოყენებისთვის შემოტანილია ინერციული ძალის ცნება.
ნიუტონის კანონებს შეუძლიათ ახსნან ასტრონომიული სხეულების მოძრაობა, მათი მდებარეობისა და ურთიერთქმედების წესები. ამ მიზნით შემოღებულია უნივერსალური მიზიდულობის კანონი. შეუძლებელია მცირე სხეულების მიზიდულობის შედეგის დანახვა, რადგან ძალა მწირია.
ურთიერთმიზიდულობა
არსებობს ლეგენდა, რომლის მიხედვითაც ბატონ ნიუტონს, რომელიც ბაღში იჯდა და ვაშლების ცვენას უყურებდა, ბრწყინვალე იდეა გაუჩნდა: აეხსნა ობიექტების მოძრაობა დედამიწის ზედაპირთან და მოძრაობა. კოსმოსური სხეულები ურთიერთმიზიდულობის საფუძველზე. არც ისე შორს არის სიმართლისგან. დაკვირვებები და ზუსტი გამოთვლა ეხებოდა არა მხოლოდ ვაშლის დაცემას, არამედ მთვარის მოძრაობას. ამ მოძრაობის კანონები მივყავართ დასკვნამდე, რომ მიზიდულობის ძალა იზრდება ურთიერთმოქმედი სხეულების მასების მატებასთან ერთად და მცირდება მათ შორის მანძილის გაზრდით.
ნიუტონის მეორე და მესამე კანონებზე დაყრდნობით, უნივერსალური მიზიდულობის კანონი ჩამოყალიბებულია შემდეგნაირად: სამყაროს ყველა სხეული იზიდავს ერთმანეთს სხეულების ცენტრების დამაკავშირებელი ხაზის გასწვრივ, პროპორციული ძალით. სხეულთა მასები დასხეულების ცენტრებს შორის მანძილის კვადრატის უკუპროპორციულია.
მათემატიკური აღნიშვნა: F=GMm/r2, სადაც F არის მიზიდულობის ძალა, M, m არის ურთიერთმოქმედი სხეულების მასები, r არის მანძილი მათ შორის. პროპორციულობის კოეფიციენტს (G=6,62 x 10-11 Nm2/კგ2) ეწოდება გრავიტაციული მუდმივი.
ფიზიკური მნიშვნელობა: ეს მუდმივი უდრის მიზიდულობის ძალას ორ 1 კგ მასის სხეულს შორის 1 მ მანძილზე. ცხადია, რომ მცირე მასის სხეულებისთვის ძალა იმდენად უმნიშვნელოა, რომ შეიძლება იყოს უგულებელყოფილი. პლანეტების, ვარსკვლავების, გალაქტიკებისთვის მიზიდულობის ძალა იმდენად დიდია, რომ მთლიანად განსაზღვრავს მათ მოძრაობას.
ეს არის ნიუტონის გრავიტაციის კანონი, რომელიც ამბობს, რომ რაკეტების გასაშვებად საჭიროა საწვავი, რომელსაც შეუძლია შექმნას ასეთი თვითმფრინავი ბიძგი დედამიწის გავლენის დასაძლევად. ამისთვის საჭირო სიჩქარე არის პირველი გაქცევის სიჩქარე, რომელიც არის 8 კმ/წმ.
თანამედროვე სარაკეტო ტექნოლოგია შესაძლებელს ხდის უპილოტო სადგურების, როგორც მზის ხელოვნური თანამგზავრების გაშვებას სხვა პლანეტებზე შესასწავლად. ასეთი მოწყობილობის მიერ შემუშავებული სიჩქარე არის მეორე კოსმოსური სიჩქარე, უდრის 11 კმ/წმ.
ალგორითმი კანონების გამოყენებისთვის
დინამიკის ამოცანების ამოხსნა ექვემდებარება მოქმედებების გარკვეულ თანმიმდევრობას:
- გააანალიზეთ დავალება, ამოიცნოთ მონაცემები, მოძრაობის ტიპი.
- დახატეთ ნახატი, რომელშიც მითითებულია სხეულზე მოქმედი ყველა ძალა და აჩქარების მიმართულება (ასეთის არსებობის შემთხვევაში). აირჩიეთ კოორდინატთა სისტემა.
- დაწერეთ პირველი ან მეორე კანონები, ხელმისაწვდომობის მიხედვითსხეულის აჩქარება, ვექტორული ფორმით. გაითვალისწინეთ ყველა ძალა (შედეგი ძალა, ნიუტონის კანონები: პირველი, თუ სხეულის სიჩქარე არ იცვლება, მეორე, თუ არის აჩქარება).
- გადაწერეთ განტოლება პროგნოზებში არჩეულ კოორდინატთა ღერძებზე.
- თუ მიღებული განტოლებათა სისტემა არ არის საკმარისი, მაშინ ჩამოწერეთ სხვა: ძალების განმარტებები, კინემატიკის განტოლებები და ა.შ.
- ამოხსენით განტოლებათა სისტემა სასურველი მნიშვნელობისთვის.
- შეასრულეთ განზომილების შემოწმება იმის დასადგენად, არის თუ არა მიღებული ფორმულა სწორი.
- გამოთვალეთ.
როგორც წესი, ეს ნაბიჯები საკმარისია ნებისმიერი სტანდარტული ამოცანისთვის.
