Pergerakan berbagai benda di ruang angkasa dalam fisika dipelajari oleh bagian khusus - mekanika. Yang terakhir, pada gilirannya, dibagi menjadi kinematika dan dinamika. Dalam artikel ini, kita akan mempertimbangkan hukum mekanika dalam fisika, dengan fokus pada dinamika gerakan translasi dan rotasi benda.
Latar belakang sejarah
Bagaimana dan mengapa tubuh bergerak telah menarik bagi para filsuf dan ilmuwan sejak zaman kuno. Jadi Aristoteles percaya bahwa benda-benda bergerak di ruang angkasa hanya karena ada pengaruh eksternal pada mereka. Jika efek ini dihentikan, tubuh akan segera berhenti. Banyak filsuf Yunani kuno percaya bahwa keadaan alami semua benda adalah istirahat.
Dengan munculnya Zaman Baru, banyak ilmuwan mulai mempelajari hukum gerak dalam mekanika. Perlu dicatat nama-nama seperti Huygens, Hooke dan Galileo. Yang terakhir mengembangkan pendekatan ilmiah untuk mempelajari fenomena alam dan, pada kenyataannya, menemukan hukum pertama mekanika, yang, bagaimanapun, tidak menyandang nama belakangnya.
Pada tahun 1687, sebuah publikasi ilmiah diterbitkan, ditulis olehIsaac Newton dari Inggris. Dalam karya ilmiahnya, ia dengan jelas merumuskan hukum dasar gerak benda di ruang angkasa, yang bersama dengan hukum gravitasi universal, tidak hanya menjadi dasar mekanika, tetapi juga semua fisika klasik modern.
Tentang hukum Newton
Mereka juga disebut hukum mekanika klasik, berbeda dengan relativistik, yang postulatnya dikemukakan pada awal abad ke-20 oleh Albert Einstein. Yang pertama, hanya ada tiga hukum utama yang menjadi dasar seluruh cabang fisika. Mereka disebut seperti ini:
- Hukum inersia.
- Hukum hubungan antara gaya dan percepatan.
- Hukum aksi dan reaksi.
Mengapa ketiga hukum ini yang utama? Sederhana saja, formula mekanik apa pun dapat diturunkan darinya, namun, tidak ada prinsip teoretis yang mengarah ke salah satu dari mereka. Hukum-hukum ini mengikuti secara eksklusif dari berbagai pengamatan dan eksperimen. Validitas mereka dikonfirmasi oleh keandalan prediksi yang diperoleh dengan bantuan mereka dalam memecahkan berbagai masalah dalam praktik.
Hukum inersia
Hukum pertama Newton dalam mekanika mengatakan bahwa benda apa pun tanpa pengaruh eksternal padanya akan mempertahankan keadaan diam atau gerak lurus dalam kerangka acuan inersia apa pun.
Untuk memahami undang-undang ini, seseorang harus memahami sistem pelaporan. Ini disebut inersia hanya jika memenuhi hukum yang dinyatakan. Dengan kata lain, dalam sistem inersia tidak adaada kekuatan fiktif yang akan dirasakan oleh pengamat. Misalnya, sistem yang bergerak secara seragam dan dalam garis lurus dapat dianggap inersia. Di sisi lain, sistem yang berputar seragam pada suatu sumbu adalah non-inersia karena adanya gaya sentrifugal fiktif di dalamnya.
Hukum inersia menetapkan alasan mengapa sifat gerakan berubah. Alasan ini adalah adanya kekuatan eksternal. Perhatikan bahwa beberapa gaya dapat bekerja pada tubuh. Dalam hal ini, mereka harus ditambahkan sesuai dengan aturan vektor, jika gaya yang dihasilkan sama dengan nol, maka tubuh akan melanjutkan gerakan seragamnya. Penting juga untuk dipahami bahwa dalam mekanika klasik tidak ada perbedaan antara gerak seragam suatu benda dan keadaan diamnya.
Hukum Kedua Newton
Dia mengatakan bahwa alasan untuk mengubah sifat gerakan tubuh di ruang angkasa adalah adanya gaya eksternal yang tidak nol yang diterapkan padanya. Padahal, undang-undang ini merupakan kelanjutan dari undang-undang sebelumnya. Notasi matematikanya adalah sebagai berikut:
F¯=ma¯.
Di sini, besaran a¯ adalah percepatan yang menggambarkan laju perubahan vektor kecepatan, m adalah massa inersia benda. Karena m selalu lebih besar dari nol, vektor gaya dan percepatan menunjuk ke arah yang sama.
Hukum yang dipertimbangkan berlaku untuk sejumlah besar fenomena dalam mekanika, misalnya, untuk deskripsi proses jatuh bebas, gerakan dengan percepatan mobil, geser sebuah batang di sepanjang bidang miring, osilasi sebuah bandul,ketegangan timbangan pegas dan sebagainya. Aman untuk mengatakan bahwa itu adalah hukum utama dinamika.
Momentum dan Momentum
Jika Anda beralih langsung ke karya ilmiah Newton, Anda dapat melihat bahwa ilmuwan itu sendiri merumuskan hukum mekanika kedua dengan cara yang agak berbeda:
Fdt=dp, dimana p=mv.
Nilai p disebut momentum. Banyak yang keliru menyebutnya sebagai dorongan tubuh. Jumlah gerak adalah karakteristik energi inersia yang sama dengan produk massa tubuh dan kecepatannya.
Mengubah momentum sebesar beberapa nilai dp hanya dapat dilakukan oleh gaya luar F yang bekerja pada benda selama selang waktu dt. Hasil kali gaya dan durasi aksinya disebut impuls gaya atau hanya impuls.
Ketika dua benda bertabrakan, gaya tumbukan bekerja di antara mereka, yang mengubah momentum setiap benda, namun, karena gaya ini internal sehubungan dengan sistem dua benda yang dipelajari, itu tidak menyebabkan perubahan dalam momentum total sistem. Fakta ini disebut hukum kekekalan momentum.
Berputar dengan akselerasi
Jika hukum mekanika yang dirumuskan oleh Newton diterapkan pada gerak rotasi, maka akan diperoleh persamaan berikut:
M=Iα.
Di sini M - momentum sudut - ini adalah nilai yang menunjukkan kemampuan gaya untuk membuat putaran dalam sistem. Momen gaya dihitung sebagai produk dari gaya vektor dan vektor jari-jari yang diarahkan dari sumbu ketitik aplikasi. Besaran I adalah momen inersia. Seperti momen gaya, itu tergantung pada parameter sistem rotasi, khususnya, pada distribusi geometris massa tubuh relatif terhadap sumbu. Terakhir, nilai adalah percepatan sudut, yang memungkinkan Anda menentukan berapa radian per detik perubahan kecepatan sudut.
Jika Anda memperhatikan persamaan tertulis dengan cermat dan menarik analogi antara nilai dan indikatornya dari hukum Newton kedua, maka kita akan mendapatkan identitas lengkapnya.
Hukum aksi dan reaksi
Tetap bagi kita untuk mempertimbangkan hukum mekanika ketiga. Jika dua yang pertama, dengan satu atau lain cara, dirumuskan oleh para pendahulu Newton, dan ilmuwan itu sendiri hanya memberi mereka bentuk matematika yang harmonis, maka hukum ketiga adalah gagasan asli dari orang Inggris yang hebat itu. Jadi, dikatakan: jika dua benda bersentuhan, maka gaya yang bekerja di antara mereka adalah sama besarnya dan berlawanan arah. Secara lebih singkat, kita dapat mengatakan bahwa tindakan apa pun menyebabkan reaksi.
F12¯=-F21¯.
Di sini F12¯ dan F21¯ - bertindak dari sisi tubuh pertama ke tubuh ke-2 dan dari sisi tubuh ke-2 untuk kekuatan 1, masing-masing.
Ada banyak contoh yang menegaskan hukum ini. Misalnya, saat melompat, seseorang ditolak dari permukaan bumi, yang terakhir mendorongnya ke atas. Hal yang sama berlaku untuk berjalan dengan alat bantu jalan dan mendorong dinding kolam perenang. Contoh lain, jika Anda menekan tangan di atas meja, maka yang dirasakan sebaliknya.efek meja di tangan, yang disebut gaya reaksi penyangga.
Saat memecahkan masalah penerapan hukum ketiga Newton, jangan lupa bahwa gaya aksi dan gaya reaksi diterapkan pada benda yang berbeda, oleh karena itu mereka memberikan percepatan yang berbeda.
