Rovnice sily fyziky sú hromadné zrýchlenie; Žijú tu draci
V škole ste sa asi všetci museli naučiť Newtonove zákony naspamäť, dnes ma obzvlášť zaujíma druhý zákon, ktorý som sa naučil aspoň v podobe „sila sa rovná hromadnému času zrýchlenie“. Znie to jednoducho - veličina nazývaná „sila“ je súčinom ďalších dvoch veličín. Niekedy sa táto rovnica označuje aj ako „definícia sily“ (napr. Vo fyzike Leifi). To sa naozaj mýli, ale aspoň trochu zavádza. Podľa môjho názoru je druhý Newtonov zákon dobrým príkladom toho, že nie je vždy ľahké správne interpretovať fyzikálne rovnice.
Poznámka: Niekedy - ako to bolo za mojich čias - sa zákony označujú aj ako „axiómy“ (mimochodom, robí to aj fyzika Leifi), čo je trochu problematické, pretože vo fyzike vlastne žiadne axiómy neexistujú, všetky sa stanú zákonmi áno odvodené z experimentov. Pokiaľ tomu dobre rozumiem, pojem „newtonovské axiómy“ pochádza z doby, keď bol veľký obdiv k Euklidovej geometrii a keď človek chcel objasniť týmto spôsobom hovorenia, že Newton urobil pre mechaniku to, čo pre nich urobil Euklides Geometria áno. V dnešnej dobe existujú ľudia, ktorí si myslia, že je pekné formulovať fyzikálne teórie axiomaticky (populárne napr. V termodynamike), ale podľa mňa je to zaujímavé, pretože vás to núti klásť si otázku, ako presne sú jednotlivé zákony teórie spojené, ale má malý praktický význam, pretože pri fyzickej hádke sa vždy používajú zákony, ktoré v danom okamihu fungujú najlepšie. Niečo viac o tom nájdete v tejto recenzii knihy. Takže ak v určitom okamihu, zo zvyku, by som mal hovoriť o Newtonových axiómoch, nenechajte sa zmiasť.
Už z vašich každodenných skúseností vidíte, že je problém s „definíciou sily“: Vezmite si napríklad (nie príliš tvrdý) oriešok, odložte ho na stôl a potom pomaly, ale stále viac a viac „silou“ stláčajte ( vo veľmi bežnom každodennom chápaní moci) na oriešku. V určitom okamihu sa to zlomí. A to hoci sa všetko - až do zlomenia orieška - dialo veľmi pomaly. Keďže sa matica nehýbala, nebola ani zrýchlená. Keďže sme tlačili veľmi pomaly, nič nebolo citeľne zrýchlené, ani matica, ani ruka, ani stôl. Takže tiež neexistovali žiadne sily, pretože sily - podľa „definície“ - existujú iba vtedy, keď existujú aj zrýchlenia. Takže sila na maticu bola nulová, ale stále sa zlomila. Hu?
Je pravda, že mám len málo didaktiky fyziky - ale viem si veľmi dobre predstaviť, že je to jeden z momentov, keď školáčkam * začne byť fyzika nepochopiteľná a stratia spojenie medzi fyzikou a každodennými skúsenosťami.
* Áno, ako vždy všetko v gramaticky ženskej podobe, vždy sú do toho zahrnutí aj muži, dúfam, že to už nikoho nerozladí, inak sa tu pozriete.
Rýchlosť a akcelerácia
Aby sme mali jasnejšie informácie o zrýchlení a sile, musíme si byť úplne jasní v tom, čo vlastne myslíme pod pojmom rýchlosť a zrýchlenie. Pozerajte sa na akýkoľvek objekt, ktorý sa môže nejako pohnúť. Pekné sú napríklad biliardové gule, ktoré si večer rád posúvam pri športe. Ak chcete, môžete myslieť aj na futbalové lopty, bicykle alebo autá. Náš predmet (lopta) by sa mal teraz pohnúť. A rýchlosť vám povie, ako rýchlo sa pohybuje - napríklad za dve sekundy z jednej strany snookerového stola na druhú, to znamená 3,60 metra za dve sekundy alebo 1,80 metra za sekundu.
Aby som to povedal elegantnejšie, rýchlosť nám hovorí, ako sa umiestnenie nášho objektu mení v priebehu času. Ak jazdíte autom 100 km/h a to pol hodiny, potom ste od vášho východiskového bodu vzdialení 50 km.
Alebo nie - cesty sú zriedka rovné. Ak pol hodinu krivíte okolo Nürburgringu rýchlosťou 50 km/h, budete nakoniec tam, kde ste začali.
Preto sa pri určovaní rýchlosti vo fyzike berie do úvahy aj smer, ktorým sa objekt pohybuje: rýchlosť 50 km/h na sever sa líši od rovnako vysokej rýchlosti na západ alebo na juh.
Druhá vec, ktorú treba pamätať na rýchlosť, je, že rýchlosť sa môže meniť tiež. Feynman vo svojich prednáškach rozpráva príbeh o vodičke, ktorá je zastavená pri vysokej rýchlosti a ktorá tvrdí: „Nemohla som jazdiť rýchlosťou 60 míľ za hodinu, začala som iba pred siedmimi minútami!“ (Pôsobivé na Feynmanovi je, že myslí aj na také zdanlivo malicherné problémy ...) Rýchlosť môžeme v určitom časovom okamihu definovať, ak vidíme, ako sa miesto zmenilo vo veľmi malom časovom období. Takže ak auto jazdí rýchlosťou 60 míľ/h, znamená to míľu za minútu alebo 1/60 míle za sekundu atď.
Takže rýchlosť nám hovorí, ako rýchlo sa miesto mení „práve teraz“. Má hodnotu (napr. 50 km/h) a smer (napr. Na juh).
Pri akcelerácii v aute alebo na bicykli zmeníte rýchlosť. (Napríklad auto môže zrýchliť z nuly na 100 km/h za 10 sekúnd.) Ak jazdím rýchlosťou 10 metrov za sekundu a o sekundu neskôr rýchlosťou 15 metrov za sekundu (v rovnakom smere), potom sa moja rýchlosť zvýšila za jednu sekundu o 5 metrov menil za sekundu, takže mám zrýchlenie 5 (metrov za sekundu) za sekundu. Krátko ako 5 m/s².
Aj keď neustále jazdím v kruhu rýchlosťou 50 km/h, moja rýchlosť sa mení, pretože každú chvíľu jazdím iným smerom. Takže aj tu mám neustále zrýchlenie, ale zrýchlenie ide iným smerom ako rýchlosťou, aby sa miera rýchlosti (t. J. 50 km/h) nemenila, ale smer áno.
Newtonov prvý zákon
Ďalej sa pozrieme na prvý Newtonov zákon (použijem veľmi jednoduchú formuláciu):
Telo, na ktoré nepôsobia žiadne sily, má konštantnú rýchlosť.
Zákon znie povedome a dnes je pre nás zvyknutý - bol to však zlom s približne 2 000 rokmi vedeckej histórie a každodenných skúseností. Pretože z bežného života vieme, že lopty, ktoré hádžeme, alebo lopty, ktoré hodíme, sa v určitom okamihu zastavia a že musíme šliapať do pedálov, aj keď chceme jazdiť konštantnou rýchlosťou. (Uvidíme to podrobnejšie neskôr.) Preto bola „teória impulzu“ vlastne uznaná už od Aristotela - zjednodušene povedané, telá majú schopnosť pohybu, impulz, ktorý sa pri pohybe spotrebuje. Keď je impulz preč, hnutie skončilo.
Newton však vypracoval svoje zákony, okrem iného tak, aby porozumel pohybu nebeských telies a popísal ich pomocou gravitačného zákona. A vo vesmíre nie je (takmer) žiadne trenie. Na Zemi je to vlastne sila trenia, ktorá spomaľuje objekty. Ale ak cestujete vo vesmíre a letíte určitou rýchlosťou, potom si túto rýchlosť udržíte. (Mesačné misie tiež na začiatku zapálili rakety a potom leteli ďalej bez raketového ťahu.) Takže na objektoch vo vesmíre môžete veľmi pekne vidieť, že platí zákon. (Zákon ako zákon zotrvačnosti prvýkrát ustanovil Galileo, ktorý ho odvodil z experimentov.)
No, akceptujme to. Telá, na ktoré nepôsobia žiadne sily, majú konštantnú rýchlosť. Popremýšľajte trochu, že toto je prvý Newtonov zákon. Všimli ste si čo?
Hmm áno. Zvláštne, že? Čo je potom sila? Prvý zákon o tom nič nehovorí, iba hovorí, že objekty si zachovávajú svoju rýchlosť, keď nepôsobí žiadna sila.
Ale Newtonov druhý zákon by nám mal povedať, čo je to sila: sila je hromadné zrýchlenie. Z druhého zákona môžeme vyvodiť záver, že predmet sa neakceleruje, ak neexistuje sila. Rýchlosť sa teda nezmení, aj keď na ňu nie je vyvíjaná sila.
Nebol to obsah prvého zákona? Potom je to dosť nadbytočné, že? Zatiaľ sme tu naozaj niečo nepriniesli.