מכניקה (פיזיקה): חקר התנועה

תוֹכֶן

• חוקי ניוטון
• כוחות
• קינמטיקה לינארית וסיבובית
• מומנטום ואנרגיה
• רגע האינרציה
• גלים ותנועה הרמונית פשוטה
• מתמטיקה במכניקה קלאסית
• תנועה חד ממדית לעומת תנועה בשני ממדים

מכניקה היא ענף הפיזיקה העוסק בתנועה של עצמים. הבנת המכניקה היא קריטית לכל מדען, מהנדס או אדם סקרן עתידי שרוצה להבין, לומר, את הדרך הטובה ביותר להחזיק ברגים בעת החלפת צמיג.

נושאים נפוצים בחקר המכניקה כוללים חוקים, כוחות ניוטון, קינמטיקה לינארית וסיבובית, מומנטום, אנרגיה וגלים.

חוקי ניוטון

בין יתר התרומות, סר איזק ניוטון פיתח שלושה חוקי תנועה שהם מכריעים להבנת המכניקה.

ניוטון גם ניסח את חוק הכבידה האוניברסאלי, המסייע בתיאור המשיכה בין שני עצמים למסלולי גופות במרחב.

חוקי ניוטון עושים עבודה כל כך טובה בחיזוי תנועתם של חפצים שאנשים מתייחסים לעיתים קרובות לחוקים שלו ולתחזיות המבוססים עליהם כמכניקה ניוטונית או מכניקה קלאסית. עם זאת, אין חישובים אלה בדיוק לתאר את העולם הפיזי בכל התנאים, כולל כאשר חפץ נוסע במהירות האור או עובד בקנה מידה קטן להפליא - תורת היחסות והמכניקה הקוונטית הם שדות המאפשרים לפיזיקאים ללמוד תנועה ביקום מעבר למה שיכול ניוטון לחקור.

כוחות

כוחות גורם תנועה. כוח הוא בעצם דחיפה או משיכה.

סוגים שונים של כוחות שבוודאי נתקל בהם בתיכון או סטודנט מבוא במכללה כוללים: כוחות כבידה, חיכוך, מתח, כוחות אלסטיים, מיושמים וקפיצים. פיזיקאים שואבים כוחות אלו הפועלים על עצמים בתרשימים מיוחדים הנקראים תרשימי גוף חופשי או דיאגרמות כוח. דיאגרמות כאלה הינן קריטיות במציאת הכוח הנקי על עצם, אשר בתורו קובע מה קורה לתנועתו.

חוקי ניוטון אומרים לנו שכוח נטו יגרום לחפץ לשנות את מהירותו, מה שיכול להיות שמשמעותו מהירותו משתנה או הכיוון שלו משתנה. שום כוח נטו פירושו שהאובייקט נשאר בדיוק כפי שהוא: נע במהירות קבועה או במנוחה.

א כוח נטו הוא סכום הכוחות המרובים הפועלים על חפץ, כמו שני צוותי משיכה המושכים חבל לכיוונים מנוגדים. הקבוצה שתמשוך חזק יותר תנצח, וכתוצאה מכך יותר כוח מכוון את דרכם; זו הסיבה שהחבל והצוות השני בסופו של דבר מאיצים בכיוון הזה.

קינמטיקה לינארית וסיבובית

Kinematics הוא ענף של פיזיקה המאפשר לתאר את התנועה פשוט על ידי יישום קבוצת משוואות. קינמטיקה לא התייחס בכלל לכוחות הבסיסיים, לסיבת התנועה. זו הסיבה שקינמטיקה נחשבת גם לענף של המתמטיקה.

ישנן ארבע משוואות קינמטיקה עיקריות, המכונות לעיתים משוואות תנועה.

הכמויות שניתן לבטא במשוואות הקינמטיות מתארות תנועה ליניארית (תנועה בקו ישר), אך כל אחד מאלה יכול גם לבוא לידי ביטוי תנועה סיבובית (נקרא גם תנועה מעגלית) תוך שימוש בערכים אנלוגיים. לדוגמא, לכדור המתגלגל לאורך הרצפה באופן ליניארי יהיה א מהירות ליניארית v, כמו גם מהירות זוויתית ω, המתאר את קצב הסיבוב שלו. ואילו א כוח נטו גורם לשינוי בתנועה ליניארית, א מומנט נטו גורם לשינוי בסיבוב האובייקטים.

מומנטום ואנרגיה

שני נושאים נוספים הנופלים לענף המכניקה של הפיזיקה הם תנופה ואנרגיה.

שני הכמויות הללו הן שמור, כלומר במערכת סגורה, הכמות הכוללת של המומנטום או האנרגיה אינם יכולים להשתנות. אנו מתייחסים לסוגים אלה של חוקים כחוקי שימור. חוק שימור נפוץ נוסף, הנלמד בדרך כלל בכימיה, הוא שימור המסה.

חוקי שימור האנרגיה ושמירת המומנטום מאפשרים לפיזיקאים לחזות את המהירות, העקירה והיבטים אחרים בתנועתם של חפצים שונים העוסקים זה בזה, כמו סקייטבורד המתגלגל במורד כבש או כדורי ביליארד המתנגשים.

רגע האינרציה

רגע האינרציה הוא מושג מפתח להבנת תנועה סיבובית עבור אובייקטים שונים. זו כמות המבוססת על המסה, הרדיוס וציר הסיבוב של אובייקט שמתאר עד כמה קשה לשנות את מהירות הזווית שלו - או במילים אחרות, כמה קשה להאיץ או להאט את הסיבוב שלו.

שוב, מכיוון שזו תנועה סיבובית מקביל לתנועה לינארית, רגע האינרציה מקביל למושג האינרציה הליניארית, כפי שנאמר בחוק הראשון של ניוטון. יותר מסה ורדיוס גדול יותר מעניקים לאובייקט רגע אינרציה גבוה יותר, ולהיפך. לגלגל כדור תותח גדול במיוחד במסדרון קשה יותר מגלגל כדורעף!

גלים ותנועה הרמונית פשוטה

גלים הם נושא מיוחד בפיזיקה. גל מכני מתייחס להפרעה שזו מעביר אנרגיה באמצעות חומר - גל מים או גל קול הן שתי דוגמאות.

תנועה הרמונית פשוטה היא סוג אחר של תנועה תקופתית בה חלקיק או חפץ מתנדנדים סביב נקודה קבועה. דוגמאות לכך כוללות מטוטלת זווית קטנה המתנדנדת קדימה ואחורה או קפיץ מפותל המקפץ מעלה ומטה כמתואר על ידי חוק הוק.

כמויות אופייניות בהן משתמשים פיזיקאים בכדי ללמוד גלים ותנועה תקופתית הם תקופה, תדר, מהירות גל ואורך גל.

גלים אלקטרומגנטיים, או אור, הם סוג אחר של גל שיכול לעבור בחלל ריק מכיוון שאנרגיה נשאית לא על ידי חומר, אלא על ידי שדות מתנודדים. (תנודה הוא מונח נוסף ל רטט.) בעוד האור אכן פועל כמו גל וניתן למדוד את תכונותיו באותה כמויות כמו גל קלאסי, הוא פועל גם כחלקיק, ומחייב פיסיקה קוונטית כלשהי לתאר. לפיכך, האור לא לגמרי להשתלב בחקר המכניקה הקלאסית.

מתמטיקה במכניקה קלאסית

פיזיקה היא מדע מתמטי מאוד. פתרון בעיות מכניקה דורש ידע ב:

תנועה חד ממדית לעומת תנועה בשני ממדים

היקף הקורס לפיזיקה במכללה מבית ספר תיכון או מבוא כולל בדרך כלל שתי דרגות קושי בניתוח מצבים של מכניקה: התבוננות בתנועה חד ממדית (קלה יותר) ותנועה דו ממדית (קשה יותר).

תנועה בממד אחד פירושה שהאובייקט נע לאורך קו ישר. ניתן לפתור בעיות מסוג זה בפיזיקה באמצעות אלגברה.

תנועה בשני מימדים מתארת ​​כאשר לתנועת עצמים יש רכיב אנכי וגם אופקי. כלומר הוא עובר לגור שני כיוונים בבת אחת. בעיות מסוג זה יכולות להיות מרובות שלבים ועלולות לדרוש טריגונומטריה כדי לפתור.

תנועת השלכת היא דוגמה נפוצה לתנועה דו ממדית. תנועת השלכת היא כל סוג של תנועה כאשר הכוח היחיד הפועל על העצם הוא כוח המשיכה. לדוגמא: כדור נזרק באוויר, מכונית שנוהגת מצוק או חץ נורה לעבר המטרה. בכל אחד מהמקרים הללו, העצמים העוברים באוויר מתחקים אחר צורת קשת, נעים הן אופקית והן אנכית (או למעלה ואז למטה, או פשוט למטה).