该动态是力学中研究机构和效果之间的相互作用的区域。它涉及定性和定量描述它们,以及预测它们随着时间的推移将如何演变。
应用其原理,众所周知,当与他人交互时,身体的运动将如何被修改,以及这些交互是否会使它变形,因为两种效果完全可能同时发生。
图1.骑车人的互动会改变他们的运动。资料来源:
数百年来,伟大的希腊哲学家亚里斯多德(Aristotle,公元前384-322年)的信仰盛行,是西方动力学的基础。他认为物体移动是因为某种能量将它们推向一个方向或另一个方向。
他还观察到,当物体被推动时,它以恒定的速度运动,但是当推动停止时,它越来越慢地运动直到停止。
根据亚里斯多德的观点,恒定的力作用是使物体以恒定的速度运动所必需的,但是发生的是,这位哲学家没有摩擦的影响。
他的另一个想法是,较重的物体掉落得比较轻的物体快。伟大的伽利略·伽利莱(1564-1642)通过实验证明,无论其质量如何,所有物体都以相同的加速度下落,而忽略了粘性作用。
但正是艾萨克·牛顿(Isaac Newton,1642-1727年),他是有史以来最杰出的科学家,与戈特弗里德·莱布尼兹(Gottfried Leibniz)一起被认为是现代动力学和数学计算之父。
图2.戈弗雷·克纳勒(Godfrey Kneller)在1682年的艾萨克·牛顿(Isaac Newton)。资料来源:维基共享资源。
它的著名法律制定于17世纪,直到今天仍然有效。它们是经典力学的基础,我们每天都会看到并影响我们。这些法律将很快讨论。
动力学研究什么?
动力学研究对象之间的相互作用。当物体相互作用时,它们的运动和变形都会发生变化。一个称为静态的特定区域专用于那些处于平衡状态,处于静止或匀速直线运动的系统。
应用动力学原理,可以通过方程式预测对象随时间的变化和演变。为此,根据要研究的系统类型建立一些假设。
颗粒,刚性固体和连续介质
粒子模型是最开始应用动力学原理的最简单模型。在此假设要研究的对象具有质量,但没有尺寸。因此,粒子可以和电子一样小,也可以和地球或太阳一样大。
当您要观察尺寸对动力学的影响时,有必要考虑对象的尺寸和形状。考虑到这一点的模型是刚性实体的模型,它是由许多粒子组成的可测量尺寸的实体,但是在力的作用下不会变形。
最后,连续介质的力学不仅考虑物体的尺寸,还考虑其特殊特征,包括其变形的能力。连续介质包括刚性和非刚性固体以及流体。
牛顿定律
理解动力学原理的关键是对牛顿定律的透彻理解,牛顿定律定量地将作用在人体上的力与人体运动或休息状态的变化联系起来。
牛顿第一定律
牛顿第一定律的解释。资料来源:自制。
这样说:
该语句的第一部分似乎很明显,因为很明显,静止的对象将保持原样,除非受到干扰。为此,需要一支力量。
另一方面,即使物体上的净力为零,物体仍然继续运动的事实有点难以接受,因为似乎物体可以无限期地保持运动。每天的经验告诉我们,迟早的事情会变慢。
这个明显矛盾的答案是摩擦。的确,如果一个物体要在一个完美光滑的表面上运动,它可以无限期地运动,前提是没有其他力使运动发生变化。
由于不可能完全消除摩擦,因此物体以恒定速度无限期运动的情况是理想的。
最后,重要的是要注意,尽管净力为零,但这并不一定表示完全没有物体上的力。
地球表面的物体始终会受到重力的吸引。放在桌子上的书仍然保持这种状态,因为桌子的表面会施加抵消重量的力。
牛顿第二定律
牛顿第二定律的解释。资料来源:自制。
牛顿第一定律确定了净力或合力为零的物体所发生的情况。现在,动力学基本定律或牛顿第二定律指出了当净力不抵消时将发生的情况:
实际上,施加的力越大,物体的速度变化就越大。而且,如果将相同的力施加到不同质量的物体上,则重量更轻且更易于移动的物体将经历最大的变化。每天的经验都同意这些说法。
牛顿第三定律
由于排出的气体,太空火箭获得了必要的推进力。资料来源:
牛顿的前两个定律是指单个对象。但是第三定律涉及两个对象。我们将它们命名为对象1和对象2:
F 12 = -F 21
实际上,每当一个身体受力影响时,这是因为另一个原因引起了它。因此,地球上的物体具有重量,因为它将物体吸引到其中心。电荷被另一个相同符号的电荷排斥,因为它在第一个电荷上施加排斥力,依此类推。
图3.牛顿定律摘要。资料来源:维基共享资源。雨果4914。
保护原则
在动力学中,运动过程中有几个守恒量,它们的研究至关重要。它们就像实心圆柱,可以将其连接以解决力以非常复杂的方式变化的问题。
一个例子:当两辆车发生碰撞时,它们之间的相互作用非常强烈而短暂。如此强大以至于无需考虑其他任何力量,因此可以将车辆视为一个独立的系统。
但是描述这种激烈的互动并不是一件容易的事,因为它涉及到时间和空间都变化的力。但是,通过假设车辆构成一个隔离系统,它们之间的力是内部的,并且动量得以保留。
通过保持动量,可以预测碰撞后车辆将如何移动。
以下是《动力学》中最重要的两项保护原理:
节能减排
本质上,有两种力量:保守力量和非保守力量。重量是前者的一个很好的例子,而摩擦是后者的一个很好的例子。
好吧,保守力的特征在于,它们提供了在系统配置中存储能量的可能性。这就是所谓的势能。
当身体由于诸如重量之类的保守力的作用而具有势能并开始运动时,该势能将转换为动能。两种能量的总和称为系统的机械能,并且是守恒的,即保持恒定。
设U为势能,K为动能,E m为机械能。如果仅保守力作用在物体上,则确实是:
从而:
保持动量
该原理不仅适用于两辆汽车相撞的情况。这是一个物理定律,其范围超出了宏观世界。
在太阳,恒星和银河系的水平上,动量是守恒的。尽管牛顿力学在这里不再有效,但它也在原子和原子核的尺度上做到了。
令P为下式给出的动量矢量:
P =米 v
关于时间推导P:
如果质量保持恒定:
因此我们可以这样写牛顿第二定律:
净F = d P / dt
如果两个物体m 1和m 2组成一个孤立的系统,则它们之间的力是内部的,并且根据牛顿第三定律,它们相等且相对,F 1 = -F 2,满足:
如果相对于时间量的导数为零,则表示该量值保持恒定。因此,在一个孤立的系统中,可以说该系统的动量是守恒的:
P 1 + P 2 =常数
即使这样,P 1和P 2也可以分别变化。可以重新分配系统的动量,但重要的是其总和保持不变。
动力学中的特色概念
动力学中有许多重要概念,但其中两个引人注目:质量和力。在前面和下面已经评论过的力上,在动力学研究中,旁边列出了最突出的概念:
惯性
对象必须抵抗其静止或运动状态变化的属性。所有具有质量的物体都具有惯性,并且非常频繁地遇到这种情况,例如,在加速汽车中行驶时,乘客倾向于保持静止,这被认为是粘在座椅靠背上的感觉。
而且,如果汽车突然停下,乘客会倾向于按照先前的前进动作倾覆,因此务必系上安全带很重要。
图4.乘汽车旅行时,惯性使我们在汽车急刹车时坠毁。资料来源:
弥撒
质量是惯性的量度,因为物体的质量越大,运动或改变其运动的难度就越大。质量是标量,这意味着要指定物体的质量,必须提供数值加上所选单位,可以是千克,磅,克等。
重量
重量是地球将靠近其表面的物体拉向其中心的力。
因为它是一种力,所以它具有矢量特性,因此,当表示其大小或数值,方向和方向时,就可以完全确定重量,我们已经知道垂直向下。
因此,尽管相关,但重量和质量并不相等,甚至不相等,因为第一个是向量,第二个是标量。
参考系统
机芯的描述可能会因所选参考而异。那些坐在电梯上的人根据固定在其上的参照系处于静止状态,但是当地面上的观察者看到时,乘客正在移动。
如果物体经历了围绕一个参考系的运动,但在另一个参考系中处于静止状态,则牛顿定律不能同时适用于两个参考系。实际上,牛顿定律适用于某些参考系:惯性系。
在惯性参考系中,除非以某种方式(通过施加力)将其干扰,否则实体不会加速。
虚拟力量
分析人体在加速参考系中的运动时会出现虚拟力或伪力。虚构的力量是有区别的,因为无法识别造成其外观的因素。
离心力是虚拟力的一个很好的例子。但是,对于那些在开车时体验到它的人来说,它的存在并没有使它变得不那么真实,并且感觉到一只看不见的手正在将他们推出弯道。
加速
这个重要的载体已经在前面提到过。只要有力量改变物体,物体就会经历加速。
功和精力
当力作用在对象上并改变其位置时,该力已完成工作。而且这项功可以以能量的形式存储。因此,在物体上进行工作,并因此获得了能量。
下面的示例阐明了这一点:假设一个人将锅抬高了地面一定高度。
为此,它必须施加力并克服重力,因此它确实在锅上起作用,并且该功以重力势能的形式存储在锅中,与锅的质量和到达地面上方的高度成正比。 :
其中m是质量,g是重力,h是高度。锅在高度h时能做什么?好吧,它可能会下降,当它下降时,它具有的重力势能会减少,而动能或运动能会增加。
为了使力起作用,它必须产生必须与力平行的位移。如果不发生这种情况,则力仍会作用在对象上,但不会对其起作用。
相关话题
牛顿第一定律。
牛顿第二定律。
牛顿第三定律。
物质守恒定律。
参考文献
- Bauer,W.2011。《工程与科学物理学》。第1卷。麦格劳·希尔(Mc Graw Hill)。
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- Giancoli,D.,2006年。《物理:应用原理》。第六名.. Ed Prentice Hall。
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- 柯克·帕特里克(Kirkpatrick,L。),2007年。《物理学:世界观》。第六版。圣智学习。
- Knight,R.,2017年。《科学家与工程物理:一种策略方法》。皮尔森
- 维基百科。动态。摘自:es.wikipedia.org。