Innehåll
- Newtons lagar
- krafter
- Linjär och roterande kinematik
- Momentum och energi
- Moment of Inertia
- Vågor och enkel harmonisk rörelse
- Matematik i klassisk mekanik
- Endimensionell rörelse kontra rörelse i två dimensioner
Mekanik är fysikens gren som hanterar föremålets rörelse. Att förstå mekanik är avgörande för alla framtida forskare, ingenjörer eller nyfikna människor som vill räkna ut, säg, det bästa sättet att hålla en skiftnyckel när du byter ett däck.
Vanliga ämnen i studiet av mekanik inkluderar Newtons lagar, krafter, linjär och roterande kinematik, fart, energi och vågor.
Newtons lagar
Sir Isaac Newton utvecklade bland annat tre rörelselagar som är avgörande för att förstå mekanik.
Newton formulerade också den universella gravitationslagen, som hjälper till att beskriva attraktionen mellan två föremål och banor i kroppar i rymden.
Newtons Laws gör ett så bra jobb med att förutsäga rörelsen hos föremål som människor ofta hänvisar till hans lagar och förutsägelser baserade på dem som Newtonian mekanik eller klassisk mekanik. Dessa beräkningar gör det dock inte exakt beskriva den fysiska världen under alla förhållanden, inklusive när ett objekt reser nära ljusets hastighet eller arbetar i otroligt liten skala - speciell relativitet och kvantmekanik är fält som gör det möjligt för fysiker att studera rörelse i universum utöver vad Newton kunde undersöka.
krafter
krafter orsak rörelse. En kraft är i huvudsak ett tryck eller ett drag.
Olika typer av krafter som en gymnasium eller en introduktionshögskolestudent säkert kommer att möta inkluderar: gravitation, friktion, spänning, elastiska, applicerade och vårkrafter. Fysiker drar dessa krafter som verkar på föremål i speciella diagram som kallas frikroppsdiagram eller kraftdiagram. Sådana diagram är kritiska för att hitta nettokraften på ett objekt, som i sin tur bestämmer vad som händer med dess rörelse.
Newtons lagar säger att en nettokraft kommer att få ett föremål att ändra sin hastighet, vilket kan betyda dess hastighetsförändringar eller dess riktning förändras. Ingen nettokraft betyder att objektet stannar precis som det är: rör sig med en konstant hastighet eller i vila.
EN nettokraft är summan av flera krafter som verkar på ett föremål, till exempel två dragkampar som drar i ett rep i motsatta riktningar. Laget som drar hårdare kommer att vinna, vilket resulterar i mer kraft riktad väg; det är därför repet och det andra laget hamnar i samma riktning.
Linjär och roterande kinematik
Kinematik är en gren av fysik som gör att rörelsen kan beskrivas helt enkelt genom att använda en uppsättning ekvationer. Kinematik gör inte hänvisa till de underliggande krafterna, rörelsens orsak, alls. Det är därför kinematik också betraktas som en gren av matematiken.
Det finns fyra huvudsakliga kinematikekvationer, som ibland kallas rörelsekvationer.
De kvantiteter som kan uttryckas i de kinematiska ekvationerna beskriver linjär rörelse (rörelse i en rak linje), men var och en av dessa kan också uttryckas för rotationsrörelse (även kallad cirkulär rörelse) med analoga värden. Till exempel skulle en boll som rullar längs golvet linjärt ha en linjär hastighet v, liksom en vinkelhastighet ω, som beskriver hastigheten för snurrning. Och medan a nettokraft orsakar en förändring i linjär rörelse, a nettomoment orsakar en förändring i objektets rotation.
Momentum och energi
Två andra ämnen som faller inom fysikens mekaniska gren är momentum och energi.
Båda dessa mängder är konserverade, vilket innebär att den totala mängden fart eller energi i ett slutet system inte kan förändras. Vi hänvisar till dessa typer av lagar som bevarandelagar. En annan vanlig bevarandelag, vanligtvis studerad i kemi, är bevarande av massa.
Lagarna för att bevara energi och bevara momentum gör det möjligt för fysiker att förutsäga hastigheten, förskjutningen och andra aspekter av rörelsen hos olika föremål som interagerar med varandra, till exempel ett skateboard som rullar ner en ramp eller biljardbollar som kolliderar.
Moment of Inertia
Tröghetsmoment är ett nyckelbegrepp för att förstå rotationsrörelse för olika objekt. Det är en kvantitet baserad på massans, radien och rotationsaxeln för ett objekt som beskriver hur svårt det är att ändra dess vinkelhastighet - med andra ord, hur svårt det är att påskynda eller bromsa snurrningen.
Återigen, eftersom rotationsrörelse är analog till linjär rörelse, är tröghetsmomentet analogt med det linjära tröghetsbegreppet, såsom anges i Newtons första lag. Mer massa och en större radie ger ett objekt ett högre tröghetsmoment och vice versa. Att rulla en extra stor kanonboll nerför en hall är svårare än att rulla en volleyboll!
Vågor och enkel harmonisk rörelse
Vågor är ett speciellt ämne inom fysik. En mekanisk våg avser en störning som överför energi genom materien - en vattenvåg eller en ljudvåg är båda exemplen.
Enkel harmonisk rörelse är en annan typ av periodisk rörelse där en partikel eller objekt svänger runt en fast punkt. Exempel inkluderar en liten vinkelpendel som svänger fram och tillbaka eller en spiralfjäder som studsar upp och ner såsom beskrivits av Hookes lag.
Typiska mängder fysiker använder för att studera vågor och periodisk rörelse är period, frekvens, våghastighet och våglängd.
Elektromagnetiska vågor, eller ljus, är en annan typ av våg som kan passera genom tomt utrymme eftersom energi inte transporteras av materia utan genom oscillerande fält. (Svängning är en annan term för vibration.) Medan ljus verkar som en våg och dess egenskaper kan mätas med samma mängder som en klassisk våg, fungerar det också som en partikel, vilket kräver viss kvantefysik att beskriva. Således gör ljus inte helt passar in i studiet av klassisk mekanik.
Matematik i klassisk mekanik
Fysik är en mycket matematisk vetenskap. Att lösa mekanikproblem kräver kunskap om:
Endimensionell rörelse kontra rörelse i två dimensioner
Omfattningen av en gymnasieskola eller en introduktionskurs för fysisk högskola innehåller vanligtvis två svårighetsnivåer för att analysera mekanikssituationer: titta på en-dimensionell rörelse (enklare) och två-dimensionell rörelse (hårdare).
Rörelse i en dimension betyder att objektet rör sig längs en rak linje. Dessa typer av fysikproblem kan lösas med algebra.
Rörelse i två dimensioner beskriver när en objektrörelse har både en vertikal och en horisontell komponent. Det vill säga den flyttar in två riktningar på en gång. Dessa typer av problem kan vara flerstegiga och kan kräva trigonometri för att lösa.
Projektilrörelse är ett vanligt exempel på tvådimensionell rörelse. Projektilrörelse är alla typer av rörelser där den enda kraften som verkar på föremålet är gravitationen. Till exempel: en boll som kastas i luften, en bil som kör från en klippa eller en pil som skjuts mot ett mål. I vart och ett av dessa fall spårar föremålen genom luften formen på en båge, som rör sig både horisontellt och vertikalt (antingen upp och sedan ned, eller bara ner).