Sisältö
- Newtonin lait
- Voimat
- Lineaarinen ja kiertyvä kinematiikka
- Vauhti ja energia
- Hitausmomentti
- Aallot ja yksinkertainen harmoninen liike
- Matematiikka klassisessa mekaniikassa
- Yksiulotteinen liike vs. liike kahdessa ulottuvuudessa
Mekaniikka on fysiikan haara, joka käsittelee esineiden liikettä. Mekaniikan ymmärtäminen on kriittistä jokaiselle tulevalle tiedemiehelle, insinöörille tai utelmalle ihmiselle, joka haluaa selvittää esimerkiksi parhaan tavan pitää kiinni jakoavaimessa renkaan vaihtaessa.
Yleisiä aiheita mekaniikan tutkimuksessa ovat Newtonin lait, voimat, lineaarinen ja pyörivä kinematiikka, vauhti, energia ja aallot.
Newtonin lait
Sir Isaac Newton kehitti muun muassa kolme liikettä, jotka ovat tärkeitä mekaniikan ymmärtämiselle.
Newton muotoili myös yleisen painovoimalain, joka auttaa kuvaamaan vetovoimaa minkä tahansa kahden esineen ja ruumiin kiertoratojen välillä avaruudessa.
Newtonin lait tekevät niin hyvää työtä ennustamalla esineiden liikettä, että ihmiset viittaavat usein hänen lakiinsa ja niihin perustuviin ennusteisiin Newtonin mekaniikkana tai klassisena mekaniikkana. Nämä laskelmat eivät kuitenkaan ole tarkasti kuvaa fyysistä maailmaa kaikissa olosuhteissa, myös silloin, kun esine kulkee lähellä valonopeutta tai työskentelee uskomattoman pienessä mittakaavassa - erityinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat kentät, joiden avulla fyysikot voivat tutkia liikettä maailmankaikkeudessa sen ulkopuolella, mitä Newton voisi tutkia.
Voimat
Voimat syy liikettä. Voima on olennaisesti työntö tai veto.
Erityyppisiä voimia, joita lukion tai perusopiskelijan on varmasti kohdattava, ovat: painovoima-, kitka-, jännitys-, elastiset, kohdistetut ja jousivoimat. Fyysikot piirtävät nämä kohteisiin vaikuttavat voimat erityisissä kaavioissa, joita kutsutaan vapaan kehon kaaviot tai voimakaaviot. Tällaiset kaaviot ovat kriittisiä objektin nettovoiman löytämisessä, mikä puolestaan määrää sen, mitä sen liikkeelle tapahtuu.
Newtonin lait kertovat meille, että nettovoima saa esineen muuttamaan nopeuttaan, mikä voi tarkoittaa sen nopeuden muutoksia tai sen suunta muuttuu. Ei verkkovoimaa tarkoittaa, että esine pysyy sellaisenaan kuin se on: liikkuu vakionopeudella tai levossa.
nettovoima on esineeseen vaikuttavien useiden voimien summa, kuten kaksi sodan vetäjän ryhmää, jotka vetävät köyttä vastakkaisiin suuntiin. Joukkue, joka vetää kovemmin, voittaa, mikä johtaa enemmän voimaa suuntaamaan tielleen; siksi köysi ja toinen joukkue lopulta kiihtyvät siihen suuntaan.
Lineaarinen ja kiertyvä kinematiikka
Kinematiikka on fysiikan haara, jonka avulla liike voidaan kuvata yksinkertaisesti soveltamalla yhtälöryhmää. kinematiikka ei viittaavat alla oleviin voimiin, liikkeen syyhään. Siksi kinematiikkaa pidetään myös matematiikan haarana.
Kinemaattisia yhtälöitä on neljä, joita joskus kutsutaan liikeyhtälöiksi.
Kinemaattisissa yhtälöissä ilmaistavat määrät kuvaavat line__ar liike (liike suorassa), mutta jokainen näistä voidaan ilmaista myös kiertoliike (jota kutsutaan myös ympyräliikkeeksi) käyttämällä analogisia arvoja. Esimerkiksi lattiaa pitkin lineaarisesti liikkuvalla pallalla olisi a lineaarinen nopeus v, samoin kuin kulmanopeus ω, joka kuvaa sen kehrämisnopeutta. Ja ottaa huomioon, että a nettovoima aiheuttaa muutoksen lineaarisessa liikkeessä, a nettovääntömomentti aiheuttaa muutoksen esineiden kiertoon.
Vauhti ja energia
Kaksi muuta fysiikan mekaniikan osaan kuuluvaa aihetta ovat vauhti ja energia.
Molemmat näistä määristä ovat säilytetty, mikä tarkoittaa, että suljetussa järjestelmässä vauhdin tai energian kokonaismäärä ei voi muuttua. Kutsumme tämän tyyppisiä lakeja suojelulakeiksi. Toinen yleinen säilyttämislaki, jota yleensä tutkitaan kemiassa, on massan säilyttäminen.
Energiansäästölakeja ja vauhtien säilyttämistä koskevien lakien avulla fyysikot voivat ennakoida toistensa kanssa vuorovaikutuksessa olevien eri esineiden, kuten rullalautaa pyörivän rullalautan tai biljardipallon törmäävän nopeuden, siirtymisen ja muut näkökohdat.
Hitausmomentti
Hitausmomentti on avainkäsite eri esineiden pyörimisliikkeen ymmärtämisessä. Se on esineen massaan, säteen ja pyörimisakseliin perustuva määrä, joka kuvaa kuinka vaikeaa on muuttaa sen kulmanopeutta - toisin sanoen, kuinka vaikeaa on nopeuttaa tai hidastaa sen kehräämistä.
Jälleen kerran, koska kiertoliike on vastaava lineaariseen liikkeeseen inertiamomentti on analoginen inertian lineaarikäsitteelle, kuten Newtonin ensimmäinen laki toteaa. Lisää massaa ja suurempi säde antavat esineelle suuremman hitausmomentin, ja päinvastoin. Erittäin suuren tykkipallon pyörittäminen käytävältä on vaikeampaa kuin lentopallo!
Aallot ja yksinkertainen harmoninen liike
Aallot ovat erityinen aihe fysiikassa. Mekaanisella aallolla tarkoitetaan häiriötä, joka siirtää energiaa aineen kautta - vesi- tai ääni-aalto ovat molemmat esimerkkejä.
Yksinkertainen harmoninen liike on toisen tyyppinen jaksollinen liike, jossa hiukkanen tai esine värähtelee kiinteän pisteen ympäri. Esimerkkejä ovat pienikulmainen heiluri, joka heiluttaa edestakaisin tai käämitysjousi pomppii ylös ja alas, kuten Hookes-laki.
Tyypillisiä määriä, joita fyysikot käyttävät aaltojen ja ajoittaisten liikkeiden tutkimiseen, ovat jakso, taajuus, aallon nopeus ja aallonpituus.
Sähkömagneettiset aallot tai valo ovat toisen tyyppisiä aaltoja, jotka voivat kulkea tyhjän tilan läpi, koska energiaa ei kuljeta aine, vaan värähtelevät kentät. (värähtely on toinen termi tärinää.) Vaikka valo toimii kuin aalto ja sen ominaisuudet voidaan mitata samoilla suuruuksilla kuin klassisella aallolla, se toimii myös hiukkasena, joka vaatii jonkin verran kvanttifysiikan kuvaamista. Siten valo ei täysin sopivat klassisen mekaniikan opiskeluun.
Matematiikka klassisessa mekaniikassa
Fysiikka on erittäin matemaattinen tiede. Mekaniikkaongelmien ratkaiseminen vaatii tietämystä:
Yksiulotteinen liike vs. liike kahdessa ulottuvuudessa
Lukion tai perusfysiikan fysiikan kurssiin sisältyy yleensä kaksi vaikeustasoa mekaniikkatilanteiden analysoinnissa: Yhden ulottuvuuden liike (helpompi) ja kaksiulotteinen liike (kovempi).
Yhden ulottuvuuden liike tarkoittaa, että esine liikkuu suoraa viivaa pitkin. Tämän tyyppiset fysiikkaongelmat voidaan ratkaista käyttämällä algebraa.
Kaksiulotteisessa liikkeessä kuvataan, kun objektin liikkeellä on sekä pystysuora että vaaka-osa. Eli se liikkuu sisään kaksi suuntaa kerralla. Tämäntyyppiset ongelmat voivat olla monivaiheisia, ja niiden ratkaiseminen voi edellyttää trigonometriaa.
Projectile motion on yleinen esimerkki kaksiulotteisesta liikkeestä. Projectile motion on kaikenlainen liike, jossa ainoa esineeseen vaikuttava voima on painovoima. Esimerkiksi: pallo heitetään ilmaan, auto, joka ajaa kalliolta, tai nuole, joka ampuu kohteeseen. Kummassakin näistä tapauksista esineet kulkevat ilman läpi jäljittäen kaaren muodon liikkuen sekä vaaka- että pystysuunnassa (joko ylös ja sitten alas tai vain alas).