Indhold
- Newtons love
- Forces
- Lineær og roterende kinematik
- Momentum og energi
- Trægheds øjeblik
- Bølger og simpel harmonisk bevægelse
- Matematik i klassisk mekanik
- Endimensionel bevægelse vs. bevægelse i to dimensioner
Mekanik er fysikens gren, der beskæftiger sig med bevægelse af genstande. At forstå mekanik er kritisk for enhver fremtidig videnskabsmand, ingeniør eller nysgerrig menneske, der ønsker at regne ud, siger, den bedste måde at holde en skruenøgle ved skifte af et dæk på.
Almindelige emner i studiet af mekanik inkluderer Newtons love, kræfter, lineær og roterende kinematik, momentum, energi og bølger.
Newtons love
Sir Isaac Newton udviklede blandt andet tre bevægelseslove, der er afgørende for forståelsen af mekanik.
Newton formulerede også den universelle gravitationslov, som hjælper med at beskrive tiltrækningen mellem to objekter og kredsløb i krop i rummet.
Newtons love gør et så godt stykke arbejde for at forudsige bevægelse af genstande, som folk ofte henviser til hans love og forudsigelser baseret på dem som Newtonsk mekanik eller klassisk mekanik. Disse beregninger gør det imidlertid ikke præcist beskrive den fysiske verden under alle forhold, herunder når et objekt rejser nær lysets hastighed eller arbejder i en utrolig lille skala - særlig relativitet og kvantemekanik er felter, der tillader fysikere at studere bevægelse i universet ud over, hvad Newton kunne undersøge.
Forces
Forces årsag bevægelse. En kraft er i det væsentlige et skub eller en træk.
Forskellige typer kræfter, som en gymnasium eller en indledende universitetsstuderende helt sikkert vil støde på inkluderer: tyngdekraft, friktion, spænding, elastiske, anvendte og forårskræfter. Fysikere tegner disse kræfter, der virker på objekter i specielle kaldte diagrammer diagrammer med frit legeme eller kraftdiagrammer. Sådanne diagrammer er kritiske for at finde nettokraften på et objekt, som igen bestemmer, hvad der sker med dens bevægelse.
Newtons love fortæller os, at en nettokraft vil få et objekt til at ændre sin hastighed, hvilket kan betyde, at dens hastighed ændres eller dens retning ændres. Ingen netkraft betyder, at objektet forbliver, ligesom det er: bevæger sig med en konstant hastighed eller i hvile.
EN nettokraft er summen af flere kræfter, der virker på et objekt, såsom to holdkampe, der trækker på et reb i modsatte retninger. Holdet, der trækker hårdere, vinder, hvilket resulterer i mere styrke rettet deres vej; det er derfor rebet og det andet hold ender med at accelerere i den retning.
Lineær og roterende kinematik
Kinematik er en gren af fysik, der tillader bevægelse at blive beskrevet blot ved at anvende et sæt ligninger. Kinematik gør ikke henvise til de underliggende kræfter, bevægelsens årsag overhovedet. Derfor betragtes kinematik også som en gren af matematik.
Der er fire vigtigste kinematiske ligninger, som nogle gange kaldes bevægelsesligningerne.
De mængder, der kan udtrykkes i de kinematiske ligninger, beskrives line__ar bevægelse (bevægelse i en lige linje), men hver af disse kan også udtrykkes for rotationsbevægelse (også kaldet cirkulær bevægelse) ved hjælp af analoge værdier. For eksempel ville en kugle, der ruller langs gulvet lineært, have en lineær hastighed v, såvel som en vinkelhastighed ω, der beskriver dens omdrejningshastighed. Og hvorimod a nettokraft forårsager en ændring i lineær bevægelse, a nettomoment forårsager en ændring i objektets rotation.
Momentum og energi
To andre emner, der falder ind i mekanikens gren af fysik, er momentum og energi.
Begge disse mængder er konserveret, hvilket betyder, i et lukket system, kan den samlede mængde fart eller energi ikke ændres. Vi omtaler disse typer love som bevaringslove. En anden almindelig bevaringslov, som normalt studeres i kemi, er bevarelse af masse.
Lovene om bevarelse af energi og bevarelse af momentum gør det muligt for fysikere at forudsige hastigheden, forskydningen og andre aspekter af bevægelsen af forskellige objekter, der interagerer med hinanden, såsom et skateboard, der ruller ned ad en rampe eller billardkugler, der kolliderer.
Trægheds øjeblik
Træghedsmoment er et nøglekoncept i forståelsen af rotationsbevægelse for forskellige objekter. Det er en mængde baseret på masse, radius og rotationsakse for et objekt, der beskriver hvor vanskeligt det er at ændre sin vinkelhastighed - med andre ord, hvor svært det er at fremskynde eller bremse dets spinding.
Igen, da roterende bevægelse er analog til lineær bevægelse er treghedsmoment analogt med det lineære inerti-begreb, som det fremgår af Newtons første lov. Mere masse og en større radius giver et objekt et højere treghedsmoment og omvendt. Det er sværere at rulle en ekstra stor kanonkugle ned ad gangen end at rulle en volleyball!
Bølger og simpel harmonisk bevægelse
Bølger er et specielt emne i fysik. En mekanisk bølge henviser til en forstyrrelse der overfører energi gennem materie - en vandbølge eller en lydbølge er begge eksempler.
Simpel harmonisk bevægelse er en anden type periodisk bevægelse, hvori en partikel eller objekt svinger omkring et fast punkt. Eksempler inkluderer en lillevinklet pendul, der svinger frem og tilbage eller en spiralfjeder, der springer op og ned som beskrevet af Hookes lov.
Typiske mængder fysikere bruger til at studere bølger og periodisk bevægelse er periode, frekvens, bølgehastighed og bølgelængde.
Elektromagnetiske bølger eller lys er en anden type bølge, der kan passere gennem det tomme rum, fordi energi ikke føres af stof, men af svingende felter. (oscillation er en anden betegnelse for vibrationer.) Mens lys fungerer som en bølge, og dets egenskaber kan måles med de samme mængder som en klassisk bølge, fungerer det også som en partikel, hvilket kræver en vis kvantefysik at beskrive. Således gør lyset ikke helt passer ind i studiet af klassisk mekanik.
Matematik i klassisk mekanik
Fysik er en meget matematisk videnskab. Løsning af mekanikproblemer kræver viden om:
Endimensionel bevægelse vs. bevægelse i to dimensioner
Omfanget af et gymnasiumskursus eller et introduktionskursus i fysisk kursus inkluderer normalt to vanskeligheder med at analysere mekanikssituationer: at se på en-dimensionel bevægelse (lettere) og to-dimensionel bevægelse (hårdere).
Bevægelse i én dimension betyder, at objektet bevæger sig langs en lige linje. Disse typer fysikproblemer kan løses ved hjælp af algebra.
Bevægelse i to dimensioner beskriver, når en objekter bevægelse har både en lodret og en vandret komponent. Det vil sige, det bevæger sig ind to retninger på én gang. Disse typer problemer kan være i flere trin og kan kræve trigonometri for at løse.
Projektilbevægelse er et almindeligt eksempel på todimensionel bevægelse. Projektilbevægelse er enhver type bevægelse, hvor den eneste kraft, der virker på objektet, er tyngdekraften. For eksempel: en kugle, der kastes i luften, en bil, der kører ud af en klippe eller en pil, der bliver skudt mod et mål. I hvert af disse tilfælde sporer objekterne gennem luften formen af en bue, der bevæger sig både vandret og lodret (enten op og derefter ned, eller bare ned).