Document 7729385

Download Report

Transcript Document 7729385

FIZYKA dla studentów POLIGRAFII

Wykład 3

Dynamika

Dynamika

to dział fizyki, w którym bada się związki pomiędzy czynnikami wywołującymi ruch, a właściwościami tego ruchu.

Stan ruchu ciała

w danym układzie odniesienia i w danym momencie czasu, określają wektory jego położenia i prędkości.

Zamiana stanu ruchu ciała

jest następstwem sił działających na to ciało.

Relacje: siła - ruch

Zauważmy następujące fakty:

1.

Postawiony na półce wazon pozostaje w spoczynku.

2.

3.

Kiedy zostanie pozbawiony podpory – spada, a im wyżej stał, tym większą prędkość ma na dole.

Kiedy spadnie – może zarówno sam się rozbić, jak i uszkodzić inne przedmioty.

Ten banalny przykład ilustruje fundamentalne zasady dynamiki.

1.

Dopóki wypadkowa sił działających na ciało równa jest zeru – stan ruchu ciała nie zmienia się

(wazon nie spada).

2.

3.

Niezrównoważona siła działająca na ciało zmienia stan jego ruchu – nadaje mu przyspieszenie lub opóźnienie

(wazon spada i zwiększa swą prędkość).

Działaniu jednego ciała na drugie towarzyszy zawsze działanie drugiego na pierwsze, takie samo ale przeciwnie skierowane

(wazon może uszkodzić inne przedmioty, ale i sam może ulec rozbiciu).

Zasady dynamiki Newtona

Izaak Newton,

(1642 - 1727) "Philosophiae naturalis principia mathematica" Foto: Isaac Newton w gabinecie figur woskowych Mme Tussaud w Londynie (WiŻ, 5/1977,s.28)

1. Pierwsza zasada dynamiki:

Jeżeli na ciało nie są wywierane siły lub działające siły się równoważą, to stan ruchu ciała nie ulega zmianie (ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym).

2. Druga zasada dynamiki:

Zmiana pędu ciała jest proporcjonalna do siły działającej na to ciało i zachodzi wzdłuż kierunku jej działania.

3. Trzecia zasada dynamiki:

Oddziaływania wzajemne dwóch ciał są zawsze równe co do wartości ale przeciwnie skierowane.

Te trzy zasady opisują wszelkie ruchy obiektów makroskopowych !

Pierwsza zasada dynamiki

Jeżeli na ciało nie są wywierane siły lub działające siły się równoważą, to ciało nie zmienia stanu swego ruchu; pozostaje w stanie spoczynku lub w ruchu jednostajnym, prostoliniowym.

• Uwagi: Układ odniesienia, w którym spełniona jest pierwsza zasada dynamiki, nazywamy

układem inercjalnym

.

• Każdy układ poruszający się względem układu inercjalnego z prędkością o stałej wartości i kierunku jest też układem inercjalnym.

• Stany: spoczynku oraz ruchu jednostajnego, prostoliniowego są równoważne z punktu widzenia zasad dynamiki.

Układem inercjalnym może być też jadący pociąg, jeśli nie zmienia swej prędkości i kierunku ruchu.

Pierwsza zasada dynamiki

Jeżeli na ciało nie działają siły (lub siły działające równoważą się), to ciało pozostaje w stanie spoczynku lub ruchu jednostajnego, prostoliniowego

Druga zasada dynamiki

Zmiana pędu ciała proporcjonalna jest do siły działającej na to ciało i zachodzi wzdłuż kierunku jej działania.

Masa –

według Newtona – „miara ilości materii”

Pęd ciała –

iloczyn wektora prędkości ciała i jego masy: 

p

m

 Druga zasada dynamiki (definicja ilościowa) Pochodna pędu ciała względem czasu równa jest sile działającej na to ciało.

F

 

d

p dt

Kierunek zmiany pędu jest zgodny z kierunkiem działającej siły.

Druga zasada dynamiki

F

d

p dt

F

 

d p

dt d

m

   

dt

m

a d

dt

  

dm dt

Jeżeli masa ciała nie zmienia się w czasie ruchu *) , to 

F

m

 

a

Iloczyn masy ciała i jego przyspieszenia równy jest sile działającej na to ciało.

Jest to inne sformułowanie drugiej zasady dynamiki.

--------------------------------------- *) Warunek ten nie jest spełniony dla prędkości obiektów materialnych bliskich prędkości światła.

Trzecia zasada dynamiki Oddziaływania wzajemne dwóch ciał są zawsze równe co do wartości, ale przeciwnie skierowane.

F BA

  

F AB

Jeśli ciało A działa na ciało B daną siłą, to ciało B działa na ciało A taką sama siłą, ale przeciwnie skierowaną. Alternatywne sformułowanie: Każdej akcji towarzyszy równa co do wartości lecz przeciwnie skierowana reakcja.

Masa i ciężar ciała

P

F

m

 

a

m

 

g m

jako miara jego bezwładności.

m

P

grawitacyjnego *) .

g z

9 .

81 m s 2 g k

1 .

62 m s 2

- przyspieszenie ziemskie przyspieszenie księżycowe

-------------------------------------- *) Oprócz przyciągania grawitacyjnego na ciężar ciała mają też wpływ inne efekty, np. ruch obrotowy Ziemi, siły wyporu itp.

Masa

Masa – miara bezwładności ciała

Środek masy

Układ punktów materialnych: m 1

y

r

1

r

2 m 2

r

3 m 3

x

r

N

n N

Przykład:

m 1

= 2 kg

Środek masy

m 2

= 2 kg 0

5

10

x sm

2

kg

0

m

2

kg

 

2

kg

10

m

2

kg

5

m x

Przykład:

m 1

= 2 kg

Środek masy

m 2

= 4 kg 0

6,666

10

x sm

2

kg

0

m

2

kg

 

4

kg

10

m

4

kg

6 , 666

m x

Przykład:

m 1

= 1 kg

Środek masy

m 2

= 100 kg 0 10

x sm

1

kg

0

m

1

kg

100

kg

10

m

100

kg

9 , 9

m x

Środek masy

Obiekt o ciągłym rozkładzie masy:

r

dm Gęstość:

Wektor pędu

Pęd ciała o masie

m v

i prędkości :

p

m

v

Pęd układu N punktów materialnych...

...równy jest pędowi jego środka masy:

Wektor pędu

Suma pędów układu punktów materialnych = Pędowi jego środka masy Prędkość środka masy:

II zasada dynamiki dla układu punktów

d

p dt d

p

2

d p dt dt N

1

   

F

F

F N

1 2 Sumujemy stronami: Środek masy układu porusza się tak, jakby na niego działała wypadkowa wszystkich sił działających na układ.

i N

 

1

d d

 

p dt p dt i sm i N

  

1

i N

dt

 

d p i

1

i

N

 

1

F i dp dt sm

F i

Rola sił bezwładności

Kasia pociągnie szybko...

...a teraz wolno...

Zasada przyczynowości

III zasada dynamiki

Oddziaływania wzajemne dwóch ciał są zawsze równe co do wartości, ale przeciwnie skierowane.

F AB

  

F BA

Siły akcji i reakcji działają na różne ciała!

III zasada dynamiki

Dla układu N punktów materialnych: Na każdy punkt działają siły wewnętrzne i zewnętrzne Siły wewnętrzne nie mają wpływu na ruch układu

Równania Newtona

Układ równań dla składowych

x

,

y , z

:

Tarcie

F t

  

F n

Tarcie

Siły sprężystości

Podstawową cechą sił sprężystości do odkształcenia.

jest proporcjonalność siły Ciało nazywamy doskonale sprężystym jeśli po ustąpieniu sił deformujących wraca całkowicie do postaci pierwotnej.

Naprężenie: Prawo Hooke’a: K - moduł sprężystości

Siły sprężystości

Jeśli odkształcenie jest liniowe (rozciąganie lub ściskanie): Prawo Hooke’a: E - moduł Younga

animacja

Siły sprężystości

Granica sprężystości „Płynięcie” materiału Granica wytrzymałości Zakres stosowalności prawa Hooke'a