Sisu
- Newtoni seadused
- Jõud
- Lineaarne ja pöörlev kinemaatika
- Hoog ja energia
- Inertsuse hetk
- Lained ja lihtne harmooniline liikumine
- Matemaatika klassikalises mehaanikas
- Ühemõõtmeline liikumine vs kahemõõtmeline liikumine
Mehaanika on füüsika haru, mis tegeleb objektide liikumisega. Mehaanika tundmine on kriitilise tähtsusega igale tulevasele teadlasele, insenerile või uudishimulikule inimesele, kes soovib välja mõelda, kuidas oleks rehvi vahetamisel parim viis mutrivõtme hoidmiseks.
Mehaanika uurimise levinumad teemad hõlmavad Newtoni seadusi, jõude, lineaarset ja pöörlevat kinemaatikat, hoogu, energiat ja laineid.
Newtoni seadused
Muude kaastööde hulgas töötas Sir Isaac Newton välja kolm liikumisseadust, mis on mehaanika mõistmiseks üliolulised.
Newton sõnastas ka universaalse gravitatsiooniseaduse, mis aitab kirjeldada kahe objekti vahelist atraktsiooni ja kehade orbiite kosmoses.
Newtoni seadused teevad objektide liikumise ennustamisel nii head tööd, et inimesed viitavad sageli tema seadustele ja nendel põhinevatele ennustustele kui Newtoni mehaanikale või klassikalisele mehaanikale. Need arvutused seda aga ei tee täpselt kirjeldada füüsilist maailma kõigis tingimustes, sealhulgas juhul, kui objekt liigub valguse kiiruse lähedal või töötab uskumatult väikeses mõõtkavas - spetsiaalne relatiivsus ja kvantmehaanika on väljad, mis võimaldavad füüsikutel uurida universumis liikumist kaugemale sellest, mida Newton võiks uurida.
Jõud
Jõud põhjus liikumine. Jõud on sisuliselt tõuge või tõmme.
Erinevat tüüpi jõud, millega keskkooliõpilased või sissejuhatavad kolledži üliõpilased kindlasti kokku puutuvad, on järgmised: gravitatsioonilised, hõõrde-, pinge-, elastsed, rakendatavad ja vedrujõud. Füüsikud tõmbavad need jõud objektidel tegutsedes eridiagrammidesse, mida nimetatakse vaba keha skeemid või jõu diagrammid. Sellised skeemid on kriitilised objektile jõudva netojõu leidmisel, mis omakorda määrab ära, mis selle liikumisega juhtub.
Newtoni seadused ütlevad meile, et netojõud põhjustab objektil kiiruse muutmist, mis võib tähendada selle kiiruse muutumist või selle suund muutub. Võrgujõu puudumine tähendab, et objekt püsib täpselt nii, nagu ta on: liikudes püsikiirusel või puhkeasendis.
A netojõud on objektil tegutsevate jõudude summa, näiteks kaks sõjaväe puksiiri meeskonda, kes tõmbavad trossi vastassuundades. Võidab meeskond, kes tõmbab kõvemini, mille tulemusel suunatakse rohkem jõudu; see on põhjus, miks köis ja teine meeskond kiirendavad selles suunas.
Lineaarne ja pöörlev kinemaatika
Kinemaatika on füüsika haru, mis võimaldab liikumist kirjeldada lihtsalt võrrandikomplekti abil. Kinemaatika ei ole viitavad üldse alusjõududele, liikumise põhjusele. Seetõttu peetakse kinemaatikat ka matemaatika haruks.
Seal on neli peamist kinemaatilist võrrandit, mida mõnikord nimetatakse liikumisvõrranditeks.
Kinemaatilistes võrrandites väljendatavad kogused kirjeldavad line__ar liikumine (liikumine sirgjooneliselt), kuid neid kõiki saab väljendada ka pöörlev liikumine (mida nimetatakse ka ringliikumiseks), kasutades analoogseid väärtusi. Näiteks sirgjooneliselt mööda põrandat veereval kuulil on a lineaarne kiirus v, samuti nurkkiirus ω, mis kirjeldab selle pöörlemiskiirust. Ja arvestades, et a netojõud põhjustab muutuse lineaarses liikumises, a netomoment põhjustab objektide pöörde muutuse.
Hoog ja energia
Kaks muud füüsika mehaanika haru alla kuuluvat teemat on hoog ja energia.
Mõlemad kogused on konserveeritud, mis tähendab, et suletud süsteemis ei saa kogu impulsi või energia kogus muutuda. Me nimetame seda tüüpi seadusi kaitse seadusteks. Teine levinud loodusseadus, mida tavaliselt uuritakse keemias, on massi säilitamine.
Energiasäästu ja impulsi säilitamise seadused võimaldavad füüsikutel ennustada üksteisega suhelda võivate erinevate objektide, näiteks kaldtee alla veereva rula või põrkuva piljardikuuli liikumise kiirust, nihkumist ja muid aspekte.
Inertsuse hetk
Inertsmoment on võtmekontseptsioon erinevate objektide pöörlemisliikumise mõistmiseks. See on objekti massil, raadiusel ja pöördeteljel põhinev kogus, mis kirjeldab, kui keeruline on selle nurkkiirust muuta - teisisõnu, kui raske on selle ketramist kiirendada või aeglustada.
Jällegi, kuna pöörlev liikumine on analoogne lineaarse liikumise korral on inertsimoment analoogne inertsuse lineaarse kontseptsiooniga, nagu on öeldud Newtoni esimeses seaduses. Suurem mass ja suurem raadius annavad objektile suurema inertsimomendi ja vastupidi. Eriti suure kahurikuuli veeretamine koridorist alla on raskem kui võrkpalli veeretamine!
Lained ja lihtne harmooniline liikumine
Lained on füüsikas eriline teema. Mehaaniline laine viitab häirele, mis edastab energiat aine kaudu - mõlemad näited on veelaine või helilaine.
Lihtne harmooniline liikumine on veel üks perioodiliste liikumiste liik, mille puhul osake või objekt võngub kindla punkti ümber. Näited hõlmavad väikese nurga all edasi-tagasi liikuvat pendlit või üles ja alla põrkuvat vedrustatud vedrut, nagu on kirjeldanud: Hookesi seadus.
Tüüpilised kogused, mida füüsikud kasutavad lainete ja perioodilise liikumise uurimiseks, on periood, sagedus, laine kiirus ja lainepikkus.
Elektromagnetilised lained ehk valgus on veel üks lainetüüp, mis võib tühja ruumi läbida, kuna energiat kannavad mitte mateeria, vaid võnkuvad väljad. (Võnkumine on veel üks termin vibratsioon.) Kuigi valgus toimib nagu laine ja selle omadusi saab mõõta samade suurustega nagu klassikalise laine puhul, toimib see ka osakesena, mille kirjeldamiseks on vaja teatud kvantfüüsikat. Seega, valgus seda ei tee täielikult sobivad klassikalise mehaanika õppesse.
Matemaatika klassikalises mehaanikas
Füüsika on väga matemaatiline teadus. Mehaanikaprobleemide lahendamine nõuab teadmisi:
Ühemõõtmeline liikumine vs kahemõõtmeline liikumine
Keskkooli või sissejuhatava kolledži füüsikakursuse maht hõlmab mehaanikaolukordade analüüsimisel tavaliselt kahte raskusastet: ühemõõtmelise liikumise (lihtsam) ja kahemõõtmelise liikumise (raskem) vaatlemine.
Liikumine ühes mõõtmes tähendab, et objekt liigub sirgjoont mööda. Seda tüüpi füüsikaprobleeme saab lahendada algebrat kasutades.
Kahemõõtmeline liikumine kirjeldab, millal objekti liikumisel on nii vertikaalne kui ka horisontaalne komponent. See tähendab, et see liigub sisse kaks suunda korraga. Seda tüüpi probleemid võivad olla mitmeastmelised ja nende lahendamiseks võib vaja minna trigonomeetriat.
Projectile liikumine on kahemõõtmelise liikumise tavaline näide. Projektiivne liikumine on mis tahes tüüpi liikumine, kus ainus objektile mõjuv jõud on gravitatsioon. Näiteks: õhku visatud pall, kaljult maha sõitnud auto või sihtmärgile lastud nool. Kõigil neil juhtudel jälitavad objektid õhu kaudu kaare kuju, liikudes nii horisontaalselt kui ka vertikaalselt (kas üles ja siis alla või lihtsalt alla).