Studi tentang fenomena alam berdasarkan eksperimen hanya mungkin jika semua tahap diamati: pengamatan, hipotesis, eksperimen, teori. Observasi akan mengungkapkan dan membandingkan fakta-fakta, hipotesis memungkinkan untuk memberikan penjelasan ilmiah yang rinci yang memerlukan konfirmasi eksperimental. Pengamatan pergerakan benda menghasilkan kesimpulan yang menarik: perubahan kecepatan suatu benda hanya mungkin terjadi di bawah pengaruh benda lain.
Misalnya kalau kamu cepat-cepat lari menaiki tangga, maka di belokan kamu hanya perlu memegang railing (mengubah arah gerakan), atau berhenti (mengubah nilai kecepatan) agar tidak bertabrakan dengan dinding seberang.
Pengamatan fenomena serupa mengarah pada penciptaan cabang fisika yang mempelajari penyebab perubahan kecepatan benda atau deformasinya.
Dasar Dinamika
Dinamika dipanggil untuk menjawab pertanyaan sakramental mengapa tubuh fisik bergerak dalam satu atau lain cara atau diam.
Pertimbangkan keadaan istirahat. Berdasarkan konsep relativitas gerak, kita dapat menyimpulkan: tidak ada dan tidak mungkin ada benda yang benar-benar tidak bergerak. Setiapsebuah objek, yang tidak bergerak sehubungan dengan satu benda referensi, bergerak relatif terhadap yang lain. Misalnya, sebuah buku yang tergeletak di atas meja tidak bergerak relatif terhadap meja, tetapi jika kita mempertimbangkan posisinya dalam kaitannya dengan orang yang lewat, kita menarik kesimpulan alami: buku itu bergerak.
Oleh karena itu, hukum gerak benda dianggap dalam kerangka acuan inersia. Apa itu?
Disebut kerangka acuan inersia, di mana benda dalam keadaan diam atau melakukan gerak lurus dan beraturan, asalkan tidak ada pengaruh benda atau benda lain terhadapnya.
Dalam contoh di atas, kerangka acuan yang terkait dengan tabel dapat disebut inersia. Seseorang yang bergerak secara seragam dan dalam garis lurus dapat berfungsi sebagai kerangka acuan untuk ISO. Jika pergerakannya dipercepat, maka CO inersia tidak mungkin diasosiasikan dengannya.
Faktanya, sistem seperti itu dapat dikorelasikan dengan benda-benda yang dipasang secara kaku di permukaan Bumi. Namun, planet itu sendiri tidak dapat berfungsi sebagai badan referensi untuk IFR, karena ia berputar secara seragam di sekitar porosnya sendiri. Benda di permukaan memiliki percepatan sentripetal.
Apa itu momentum?
Fenomena inersia berhubungan langsung dengan ISO. Ingat apa yang terjadi jika mobil yang bergerak berhenti tiba-tiba? Penumpang berada dalam bahaya saat mereka melanjutkan perjalanan. Itu bisa dihentikan dengan kursi di depan atau sabuk pengaman. Proses ini dijelaskan oleh inersia penumpang. Benarkah?
Inersia adalah fenomena yang mengandaikan pelestariankecepatan konstan tubuh tanpa adanya pengaruh tubuh lain di atasnya. Penumpang berada di bawah pengaruh sabuk atau kursi. Fenomena inersia tidak diamati di sini.
Penjelasannya terletak pada sifat benda, dan menurutnya, tidak mungkin mengubah kecepatan suatu benda secara instan. Ini adalah inersia. Misalnya, kelembaman air raksa dalam termometer memungkinkan untuk menurunkan batang jika kita mengocok termometer.
Ukuran inersia disebut massa benda. Saat berinteraksi, kecepatan berubah lebih cepat untuk benda dengan massa lebih sedikit. Tabrakan mobil dengan dinding beton untuk yang terakhir berlangsung hampir tanpa jejak. Mobil paling sering mengalami perubahan yang tidak dapat diubah: perubahan kecepatan, deformasi yang signifikan terjadi. Ternyata kelembaman dinding beton secara signifikan melebihi kelembaman mobil.
Apakah mungkin untuk memenuhi fenomena inersia di alam? Kondisi di mana tubuh tanpa interkoneksi dengan tubuh lain adalah ruang dalam, di mana pesawat ruang angkasa bergerak dengan mesin dimatikan. Tetapi bahkan dalam kasus ini, momen gravitasi tetap ada.
Kuantitas dasar
Mempelajari dinamika pada tingkat eksperimental melibatkan eksperimen dengan pengukuran besaran fisis. Paling menarik:
- percepatan sebagai ukuran kecepatan perubahan kecepatan benda; sebutkan dengan huruf a, ukur dalam m/s2;
- massa sebagai ukuran inersia; ditandai dengan huruf m, diukur dalam kg;
- kekuatan sebagai ukuran tindakan timbal balik tubuh; paling sering dilambangkan dengan huruf F, diukur dalam N (newton).
Hubungan antara besaran-besaran iniditetapkan dalam tiga pola, diturunkan oleh fisikawan Inggris terbesar. Hukum Newton dirancang untuk menjelaskan kompleksitas interaksi berbagai benda. Serta proses yang mengelolanya. Ini adalah konsep "percepatan", "gaya", "massa" yang menghubungkan hukum Newton dengan hubungan matematika. Mari kita coba mencari tahu apa artinya.
Tindakan hanya satu kekuatan adalah fenomena luar biasa. Misalnya, satelit buatan yang mengorbit bumi hanya dipengaruhi oleh gravitasi.
Hasil
Aksi beberapa kekuatan dapat digantikan oleh satu kekuatan.
Jumlah geometrik gaya yang bekerja pada benda disebut resultan.
Kita berbicara tentang jumlah geometris, karena gaya adalah besaran vektor, yang tidak hanya bergantung pada titik penerapan, tetapi juga pada arah aksi.
Misalnya, jika Anda perlu memindahkan lemari pakaian yang cukup besar, Anda dapat mengundang teman. Bersama-sama kita mencapai hasil yang diinginkan. Tetapi Anda hanya dapat mengundang satu orang yang sangat kuat. Usahanya sama dengan tindakan teman-teman semua. Kekuatan yang diterapkan oleh pahlawan dapat disebut resultan.
Hukum gerak Newton dirumuskan berdasarkan konsep "resultan".
Hukum inersia
Mulailah mempelajari hukum Newton dengan fenomena yang paling umum. Hukum pertama biasanya disebut hukum kelembaman, karena menetapkan penyebab gerak lurus beraturan atau keadaan benda diam.
Tubuh bergerak seragam dan lurus atauberhenti jika tidak ada gaya yang bekerja padanya, atau tindakan ini dikompensasi.
Dapat dikatakan bahwa resultan dalam kasus ini sama dengan nol. Dalam keadaan ini, misalnya, sebuah mobil bergerak dengan kecepatan konstan di bagian jalan yang lurus. Aksi gaya tarik-menarik dikompensasikan oleh gaya reaksi penyangga, dan gaya dorong mesin sama dalam nilai absolut dengan gaya resistensi terhadap gerakan.
Lampu gantung terletak di langit-langit, karena gaya gravitasi dikompensasi oleh tegangan perlengkapannya.
Hanya kekuatan yang diterapkan pada satu tubuh yang dapat dikompensasi.
Hukum kedua Newton
Mari kita lanjutkan. Alasan yang menyebabkan perubahan kecepatan benda dipertimbangkan oleh hukum kedua Newton. Apa yang dia bicarakan?
Resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda didefinisikan sebagai produk dari massa benda dan percepatan yang diperoleh di bawah aksi gaya.
2 Hukum Newton (rumus: F=ma), sayangnya, tidak menetapkan hubungan sebab akibat antara konsep dasar kinematika dan dinamika. Dia tidak bisa menentukan dengan tepat apa yang menyebabkan tubuh berakselerasi.
Mari kita rumuskan secara berbeda: percepatan yang diterima benda berbanding lurus dengan resultan gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda.
Dengan demikian, dapat ditentukan bahwa perubahan kecepatan hanya terjadi tergantung pada gaya yang diberikan padanya dan massa benda.
2 Hukum Newton, yang rumusnya mungkin sebagai berikut: a=F/m, dianggap fundamental dalam bentuk vektor, karena memungkinkanmembangun hubungan antara cabang-cabang fisika. Di sini, a adalah vektor percepatan benda, F adalah resultan gaya, m adalah massa benda.
Pergerakan mobil yang dipercepat dimungkinkan jika gaya traksi mesin melebihi gaya resistensi terhadap gerakan. Ketika gaya dorong meningkat, begitu pula percepatannya. Truk dilengkapi dengan mesin berdaya tinggi, karena massanya jauh lebih besar daripada massa mobil penumpang.
Bola api yang dirancang untuk balap kecepatan tinggi diringankan sedemikian rupa sehingga bagian-bagian minimum yang diperlukan terpasang padanya, dan tenaga mesin ditingkatkan hingga batas yang memungkinkan. Salah satu ciri terpenting dari mobil sport adalah waktu akselerasi hingga 100 km/jam. Semakin pendek interval waktu ini, semakin baik sifat kecepatan mobil.
Hukum interaksi
Hukum Newton, berdasarkan kekuatan alam, menyatakan bahwa interaksi apa pun disertai dengan munculnya sepasang gaya. Jika bola tergantung pada seutas benang, maka ia mengalami aksinya. Dalam hal ini, benang juga diregangkan di bawah aksi bola.
Perumusan keteraturan ketiga melengkapi hukum Newton. Singkatnya, terdengar seperti ini: aksi sama dengan reaksi. Apa artinya ini?
Gaya yang bekerja pada benda satu sama lain adalah sama besarnya, berlawanan arah dan diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan pusat-pusat benda. Menariknya, mereka tidak bisa disebut kompensasi, karena mereka bertindak pada tubuh yang berbeda.
Penegakan hukum
Masalah "Kuda dan Kereta" yang terkenal bisa membingungkan. Kuda yang diikat ke gerobak tersebut memindahkannyadari tempat. Sesuai dengan hukum ketiga Newton, kedua benda ini bekerja satu sama lain dengan gaya yang sama, tetapi dalam praktiknya seekor kuda dapat menggerakkan kereta, yang tidak sesuai dengan fondasi pola.
Solusi ditemukan jika kita memperhitungkan bahwa sistem benda ini tidak tertutup. Jalan memiliki efek pada kedua badan. Gaya gesekan statis yang bekerja pada kuku kuda melebihi gaya gesekan menggelinding roda kereta. Bagaimanapun, momen pergerakan dimulai dengan upaya untuk memindahkan gerobak. Jika posisinya berubah, maka kuda dalam keadaan apa pun tidak akan memindahkannya dari tempatnya. Kukunya akan tergelincir di jalan dan tidak akan ada gerakan.
Di masa kecil, saling naik eretan, semua orang bisa menemukan contoh seperti itu. Jika dua atau tiga anak duduk di atas kereta luncur, maka usaha satu anak jelas tidak cukup untuk menggerakkan mereka.
Jatuhnya benda-benda di permukaan bumi, yang dijelaskan oleh Aristoteles ("Setiap benda tahu tempatnya") dapat disangkal berdasarkan hal di atas. Sebuah benda bergerak menuju bumi di bawah pengaruh gaya yang sama seperti gerakan bumi ke arahnya. Membandingkan parameternya (massa Bumi jauh lebih besar daripada massa benda), sesuai dengan hukum kedua Newton, kami menyatakan bahwa percepatan suatu benda berkali-kali lebih besar daripada percepatan Bumi. Kami mengamati perubahan kecepatan tubuh, Bumi tidak bergerak dari orbitnya.
Batas penerapan
Fisika modern tidak menyangkal hukum Newton, tetapi hanya menetapkan batas penerapannya. Sampai awal abad ke-20, fisikawan tidak ragu bahwa hukum-hukum ini menjelaskan semua fenomena alam.
1, 2, 3 hukumNewton sepenuhnya mengungkapkan penyebab perilaku benda makroskopik. Pergerakan benda dengan kecepatan yang dapat diabaikan dijelaskan sepenuhnya oleh postulat ini.
Mencoba menjelaskan atas dasar mereka gerakan benda dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya pasti akan gagal. Perubahan total dalam sifat ruang dan waktu pada kecepatan ini tidak memungkinkan penggunaan dinamika Newtonian. Selain itu, hukum berubah bentuk dalam FR non-inersia. Untuk penerapannya, konsep gaya inersia diperkenalkan.
Hukum Newton dapat menjelaskan pergerakan benda astronomi, aturan lokasi dan interaksinya. Hukum gravitasi universal diperkenalkan untuk tujuan ini. Mustahil untuk melihat hasil tarik-menarik benda-benda kecil, karena gayanya kecil.
Ketertarikan bersama
Ada sebuah legenda yang menyatakan bahwa Mr. Newton, yang sedang duduk di taman dan menyaksikan jatuhnya apel, memiliki ide cemerlang: untuk menjelaskan pergerakan benda di dekat permukaan bumi dan pergerakan benda-benda angkasa atas dasar saling tarik-menarik. Itu tidak jauh dari kebenaran. Pengamatan dan perhitungan yang akurat tidak hanya menyangkut jatuhnya apel, tetapi juga pergerakan bulan. Hukum gerakan ini mengarah pada kesimpulan bahwa gaya tarik-menarik meningkat dengan bertambahnya massa benda yang berinteraksi dan berkurang dengan bertambahnya jarak di antara mereka.
Berdasarkan hukum kedua dan ketiga Newton, hukum gravitasi universal dirumuskan sebagai berikut: semua benda di alam semesta tertarik satu sama lain dengan gaya yang diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan pusat-pusat benda, sebanding dengan massa tubuh danberbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pusat-pusat benda.
Notasi matematika: F=GMm/r2, di mana F adalah gaya tarik-menarik, M, m adalah massa benda yang berinteraksi, r adalah jarak antara keduanya. Koefisien proporsionalitas (G=6,62 x 10-11 Nm2/kg2) disebut konstanta gravitasi.
Makna fisika: konstanta ini sama dengan gaya tarik-menarik antara dua benda bermassa 1 kg pada jarak 1 m. Jelaslah bahwa untuk benda bermassa kecil gaya tersebut sangat kecil sehingga dapat ditelantarkan. Untuk planet, bintang, galaksi, gaya tarik menarik sangat besar sehingga sangat menentukan pergerakan mereka.
Hukum gravitasi Newton menyatakan bahwa untuk meluncurkan roket, Anda memerlukan bahan bakar yang dapat menciptakan daya dorong jet untuk mengatasi pengaruh Bumi. Kecepatan yang diperlukan untuk ini adalah kecepatan lepas pertama, yaitu 8 km/s.
Teknologi roket modern memungkinkan peluncuran stasiun tak berawak sebagai satelit buatan Matahari ke planet lain untuk dijelajahi. Kecepatan yang dikembangkan oleh perangkat tersebut adalah kecepatan ruang kedua, sama dengan 11 km / s.
Algoritma penerapan hukum
Memecahkan masalah dinamika tunduk pada urutan tindakan tertentu:
- Analisis tugas, identifikasi data, jenis gerakan.
- Gambarlah gambar yang menunjukkan semua gaya yang bekerja pada tubuh dan arah percepatan (jika ada). Pilih sistem koordinat.
- Tulis hukum pertama atau kedua, tergantung ketersediaanpercepatan tubuh, dalam bentuk vektor. Memperhitungkan semua gaya (gaya resultan, hukum Newton: yang pertama, jika kecepatan tubuh tidak berubah, yang kedua, jika ada percepatan).
- Tulis ulang persamaan dalam proyeksi pada sumbu koordinat yang dipilih.
- Jika sistem persamaan yang dihasilkan tidak cukup, tuliskan yang lain: definisi gaya, persamaan kinematika, dll.
- Pecahkan sistem persamaan untuk nilai yang diinginkan.
- Lakukan pemeriksaan dimensi untuk menentukan apakah rumus yang dihasilkan benar.
- Hitung.
Biasanya langkah-langkah ini cukup untuk semua tugas standar.
