DYNAMIKA: HISTORIE, CO STUDUJE, ZÁKONY A TEORIE - FYZICKÝ - 2026

Dynamic je oblast mechaniky, která studuje interakce mezi institucemi a jejich účinky. Zabývá se jejich kvalitativním a kvantitativním popisem a také předpovídá, jak se budou v průběhu času vyvíjet.

Při použití svých principů je známo, jak se pohyb těla mění při interakci s ostatními, a také pokud tyto interakce deformují, protože je naprosto možné, že oba účinky nastanou současně.

Obrázek 1. Interakce s cyklistou mění jejich pohyb. Zdroj: Pixabay.

Víra velkého řeckého filozofa Aristotela (384-322 př.nl) po staletí převládala jako základ dynamiky na Západě. Myslel si, že se objekty pohybovaly kvůli nějaké energii, která je tlačila jedním nebo druhým směrem.

Také si všiml, že zatímco je objekt tlačen, pohybuje se konstantní rychlostí, ale když je tlačení zastaveno, pohybuje se stále pomaleji, dokud se nezastaví.

Podle Aristotela byla akce konstantní síly nutná k tomu, aby se něco pohybovalo konstantní rychlostí, ale co se stane, je, že tento filozof neměl účinky tření.

Další jeho myšlenkou bylo, že těžší předměty padaly rychleji než ty lehčí. Byl to skvělý Galileo Galilei (1564-1642), který experimenty prokázal, že všechna těla padají se stejným zrychlením bez ohledu na jejich hmotnost, zanedbávají viskózní účinky.

Ale je to Isaac Newton (1642-1727), nejvýznamnější vědec, který kdy žil, který je spolu s Gottfriedem Leibnizem považován za otce moderní dynamiky a matematického výpočtu.

Obrázek 2. Isaac Newton v roce 1682 Godfrey Kneller. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jeho slavné zákony, formulované během 17. století, zůstávají dodnes platné a svěží. Jsou základem klasické mechaniky, kterou každý den vidíme a ovlivňujeme. Tyto zákony budou brzy projednány.

Co studuje dynamika?

Dynamika studuje interakci mezi objekty. Když objekty interagují, dochází ke změnám v jejich pohybu a deformacích. Konkrétní oblast zvaná statická je věnována těm systémům v rovnováze, těm, které jsou v klidu nebo s rovnoměrným přímočarým pohybem.

Použitím dynamických principů je možné pomocí rovnic předpovědět, jaké budou změny a vývoj objektů v čase. Za tímto účelem jsou stanoveny některé předpoklady v závislosti na typu systému, který má být studován.

Částice, pevné látky a kontinuální média

Model částic je nejjednodušší začít používat principy dynamiky. V něm se předpokládá, že předmět, který má být studován, má hmotnost, ale nemá rozměry. Částice proto může být tak malá jako elektron nebo velká jako Země nebo Slunce.

Pokud chcete pozorovat vliv velikosti na dynamiku, je nutné zvážit velikost a tvar objektů. Model, který to bere v úvahu, je model tuhé pevné látky, tělesa s měřitelnými rozměry složeného z mnoha částic, který se však vlivem sil nedeformuje.

Konečně mechanika spojitých médií zohledňuje nejen rozměry objektu, ale také jeho konkrétní vlastnosti, včetně schopnosti se zdeformovat. Kontinuální média zahrnují tuhé a nelehké pevné látky, jakož i kapaliny.

Newtonovy zákony

Klíčem k pochopení toho, jak dynamika funguje, je důkladné pochopení Newtonových zákonů, které kvantitativně spojují síly, které působí na tělo, se změnami jeho stavu pohybu nebo odpočinku.

Newtonův první zákon

Vysvětlení Newtonova prvního zákona. Zdroj: vlastní výroba.

Říká tak:

První část prohlášení se zdá docela zřejmá, protože je zřejmé, že objekt v klidu zůstane tímto způsobem, pokud nebude narušen. A k tomu je nutná síla.

Na druhé straně skutečnost, že objekt pokračuje v pohybu, i když je síťová síla na nulu, je o něco obtížnější přijmout, protože se zdá, že objekt mohl zůstat v pohybu na neurčito. A každodenní zkušenost nám říká, že dříve nebo později se věci zpomalí.

Odpověď na tento zjevný rozpor je ve tření. Pokud by se objekt měl pohybovat na dokonale hladkém povrchu, mohl by tak učinit neurčitě, za předpokladu, že žádná jiná síla nezpůsobí pohyb pohybu.

Protože je nemožné úplně odstranit tření, je idealizací situace, ve které se tělo pohybuje po neurčitou dobu konstantní rychlostí.

Nakonec je důležité si uvědomit, že ačkoli síťová síla je nula, nemusí to nutně představovat úplnou absenci sil na objekt.

Předměty na zemském povrchu vždy zažívají gravitační přitažlivost. Kniha spočívající na stole tak zůstává, protože povrch stolu vyvíjí sílu, která působí proti hmotnosti.

Druhý Newtonův zákon

Vysvětlení Newtonova druhého zákona. Zdroj: vlastní výroba.

Newtonův první zákon stanoví, co se stane s objektem, na kterém je síť nebo výsledná síla nulová. Nyní základní zákon dynamiky nebo Newtonův druhý zákon naznačuje, co se stane, když síťová síla nezruší:

Ve skutečnosti čím větší je aplikovaná síla, tím větší je změna rychlosti objektu. A pokud je stejná síla aplikována na objekty různých hmot, budou největší změny zaznamenat objekty, které jsou lehčí a snáze se pohybují. Každodenní zkušenost s těmito tvrzeními souhlasí.

Newtonův třetí zákon

Kosmická raketa dostává potřebný pohon díky vyháněným plynům. Zdroj: Pixabay.

První dva Newtonovy zákony se vztahují na jeden objekt. Ale třetí zákon se týká dvou předmětů. Pojmenujeme je 1 a 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

Ve skutečnosti, kdykoli je tělo ovlivněno silou, je to proto, že za jeho vyvolání odpovídá jiný. Takže předměty na Zemi mají váhu, protože je přitahuje směrem k jejímu středu. Elektrický náboj je odrazen dalším nábojem stejného znamení, protože vyvíjí odpudivou sílu na první a tak dále.

Obrázek 3. Souhrn Newtonových zákonů. Zdroj: Wikimedia Commons. Hugo4914.

Zásady zachování

V dynamice existuje několik veličin, které se během pohybu zachovávají a jejichž studium je zásadní. Jsou jako pevný sloup, ke kterému je možné se připojit, aby vyřešili problémy, ve kterých se síly mění velmi složitým způsobem.

Příklad: v okamžiku, kdy dojde ke srážce dvou vozidel, je interakce mezi nimi velmi intenzivní, ale krátká. Tak intenzivní, že není třeba brát v úvahu žádné další síly, proto lze vozidla považovat za izolovaný systém.

Popisovat tuto intenzivní interakci však není snadný úkol, protože zahrnuje síly, které se liší v čase i prostoru. Avšak za předpokladu, že vozidla tvoří izolovaný systém, jsou síly mezi nimi vnitřní a hybnost je zachována.

Zachováním hybnosti je možné předvídat, jak se budou vozidla pohybovat těsně po srážce.

Zde jsou dva nejdůležitější principy zachování v Dynamics:

Úspora energie

V přírodě existují dva typy sil: konzervativní a nekonzervativní. Hmotnost je dobrým příkladem prvního, zatímco tření je dobrým příkladem prvního.

Konzervativní síly jsou charakterizovány, protože nabízejí možnost ukládání energie v konfiguraci systému. Je to takzvaná potenciální energie.

Když má tělo potenciální energii díky působení konzervativní síly, jako je hmotnost a jde do pohybu, je tato potenciální energie přeměněna na kinetickou energii. Součet obou energií se nazývá mechanická energie systému a je ten, který je zachován, to znamená, že zůstává konstantní.

Nechť U je potenciální energie, K kinetická energie a E _m mechanická energie. Pokud na objekt působí pouze konzervativní síly, je pravda, že:

Tím pádem:

Zachování hybnosti

Tato zásada platí nejen v případě, že dojde ke srážce dvou vozidel. Je to zákon fyziky s rozsahem, který přesahuje makroskopický svět.

Hybnost je zachována na úrovni solárních, hvězdných a galaxií. A to také v měřítku atomu a atomového jádra, a to i přesto, že newtonovská mechanika zde přestává platit.

Nechť P je vektor hybnosti daný:

P = m. proti

Odvození P s ohledem na čas:

Pokud hmotnost zůstává konstantní:

Proto můžeme napsat Newtonův druhý zákon, jako je tento:

_Čistá F = d P / dt

Pokud dvě těla m ₁ a m ₂ tvoří izolovaný systém, síly mezi nimi jsou vnitřní a podle Newtonova třetího zákona jsou stejné a jsou v protikladu F ₁ = - F ₂, přičemž jsou splněny tyto podmínky:

Pokud je derivace s ohledem na čas velikosti nulová, znamená to, že velikost zůstává konstantní. Proto v izolovaném systému lze konstatovat, že hybnost systému je zachována:

P ₁ + P ₂ = konstanta

Přesto se P ₁ a P ₂ mohou měnit individuálně. Sílu systému lze přerozdělit, ale záleží na tom, že jeho součet zůstává nezměněn.

Doporučené koncepty v dynamice

V dynamice existuje mnoho důležitých konceptů, ale dva z nich vynikají: hmotnost a síla. O síle, která již byla dříve a níže komentována, existuje seznam nejvýznamnějších konceptů, které se objevují vedle ní ve studiu dynamiky:

Setrvačnost

Je to vlastnost, že objekty musí odolávat změnám ve svém stavu odpočinku nebo pohybu. Všechny předměty s hmotností mají setrvačnost a velmi často se s nimi setkáváme, například když cestují v akcelerujícím autě, mají cestující tendenci zůstat v klidu, což je vnímáno jako pocit, že se lepí na zadní část sedadla.

A pokud se vozidlo náhle zastaví, cestující mají sklon k převrácení, v důsledku pohybu vpřed, který předtím měli, takže je důležité mít vždy bezpečnostní pásy.

Obrázek 4. Při cestování autem nás setrvačnost způsobí pádu, když vůz prudce zabrzdí. Zdroj: Pixabay.

Hmotnost

Hmota je mírou setrvačnosti, protože čím větší je hmotnost těla, tím obtížnější je pohybovat nebo způsobit, že změní svůj pohyb. Hmotnost je skalární veličina, to znamená, že pro určení hmotnosti tělesa je nutné uvést číselnou hodnotu plus vybranou jednotku, což může být kilogram, libra, gram a další.

Hmotnost

Hmotnost je síla, se kterou Země přitahuje objekty blízko svého povrchu směrem ke středu.

Protože je to síla, váha má vektorový charakter, proto je zcela specifikována, když je indikována její velikost nebo numerická hodnota, její směr a smysl, což již víme, že je svisle dolů.

Ačkoli tedy souvisí, hmotnost a hmotnost nejsou stejné, dokonce ani ekvivalentní, protože první je vektor a druhý skalární.

Referenční systémy

Popis pohybu se může lišit v závislosti na vybraném odkazu. Ti, kteří jdou do výtahu, jsou v klidu podle referenčního rámce, který je k němu připevněn, ale když je pozorovatel pozoruje na zemi, cestující se pohybují.

Pokud tělo zažije pohyb kolem jednoho referenčního rámce, ale je v klidu v jiném, Newtonovy zákony se na ně nemohou vztahovat. Ve skutečnosti jsou Newtonovy zákony použitelné na určité referenční rámce: ty, které jsou inerciální.

V inerciálních referenčních rámcích se těla nezrychlí, pokud nejsou nějakým způsobem narušena - silou.

Fiktivní síly

Fiktivní síly nebo pseudosily se objevují, když se analyzuje pohyb těla v urychleném referenčním rámci. Fiktivní síla je rozlišována, protože není možné identifikovat původce odpovědného za jeho vzhled.

Odstředivá síla je dobrým příkladem fiktivní síly. Skutečnost, že to neznamená, že je o nic méně skutečná pro ty, kteří to zažívají, když odbočují v autech, a cítí, že je neviditelná ruka tlačí ven z křivky.

Akcelerace

Tento důležitý vektor již byl zmíněn dříve. Objekt zažívá zrychlení, pokud existuje síla, která mění jeho rychlost.

Práce a energie

Když síla působí na objekt a změní jeho polohu, síla udělala práci. A tato práce může být uložena ve formě energie. Proto se na objektu provádí práce, díky níž získává energii.

Následující příklad objasňuje bod: Předpokládejme, že osoba zvedne banku o určitou výšku nad úrovní terénu.

K tomu musí vyvinout sílu a překonat gravitaci, proto pracuje na hrnci a tato práce je uložena ve formě energie gravitačního potenciálu v hrnci, úměrně jeho hmotnosti a výšce, která dosáhla nad podlahou.:

Kde m je hmotnost, g je gravitace a h je výška. Co může pot udělat, jakmile je ve výšce h? Mohlo by to padnout a jak klesá, gravitační potenciální energie se snižuje, zatímco se zvyšuje kinetická nebo pohybová energie.

Aby síla fungovala, musí vyvolat posun, který musí být rovnoběžný se silou. Pokud k tomu nedojde, síla stále působí na objekt, ale na něm nepracuje.

související témata

Newtonův první zákon.

Druhý Newtonův zákon.

Newtonův třetí zákon.

Zákon zachování látek.

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pro strojírenství a vědy. Svazek 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Série: Fyzika pro vědy a inženýrství. Svazek 2. Dynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. 6… Ed Prentice Hall.
4. Hewitte, Paule. 2012. Konceptuální fyzikální věda. 5. Ed. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohled na svět. 6. zkrácené vydání. Cengage Learning.
6. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson.
7. Wikipedia. Dynamický. Obnoveno z: es.wikipedia.org.