Innhold
- Newtons lover
- Krefter
- Lineær og roterende kinematikk
- Momentum og energi
- Treghetsmoment
- Bølger og enkel harmonisk bevegelse
- Matematikk i klassisk mekanikk
- Endimensjonal bevegelse vs. bevegelse i to dimensjoner
Mekanikk er fysikkens gren som arbeider med bevegelse av gjenstander. Å forstå mekanikk er kritisk for enhver fremtidig vitenskapsmann, ingeniør eller nysgjerrig menneske som vil finne ut, si, den beste måten å holde en skiftenøkkel når du bytter et dekk.
Vanlige temaer i studiet av mekanikk inkluderer Newtons lover, krefter, lineær og roterende kinematikk, momentum, energi og bølger.
Newtons lover
Sir Isaac Newton utviklet blant annet tre bevegelseslover som er avgjørende for å forstå mekanikken.
Newton formulerte også den universelle gravitasjonsloven, som hjelper til med å beskrive tiltrekningen mellom to objekter og banene til kroppene i rommet.
Newtons Laws gjør en så god jobb med å forutsi bevegelsen av objekter som folk ofte omtaler lovene hans og spådommene basert på dem som Newtonsk mekanikk eller klassisk mekanikk. Imidlertid gjør ikke disse beregningene presist beskrive den fysiske verden under alle forhold, inkludert når en gjenstand reiser nær lysets hastighet eller jobber i utrolig liten skala - spesiell relativitet og kvantemekanikk er felt som lar fysikere studere bevegelse i universet utover det Newton kunne undersøke.
Krefter
Krefter årsaken bevegelse. En kraft er egentlig et trykk eller et trekk.
Ulike typer krefter som en videregående skole eller introduksjonshøgskolestudent helt sikkert vil møte, inkluderer: gravitasjon, friksjon, spenning, elastiske, anvendte og fjærende krefter. Fysikere trekker disse kreftene som virker på objekter i spesielle diagrammer som heter diagrammer med fri kropp eller kraftdiagrammer. Slike diagrammer er kritiske for å finne nettokraften på et objekt, som igjen bestemmer hva som skjer med bevegelsen.
Newtons lover forteller oss at en nettokraft vil føre til at et objekt endrer hastigheten, noe som kan bety at dets hastighetsendringer eller retningen endres. Ingen nettokraft betyr at objektet forblir akkurat slik det er: å bevege seg med konstant hastighet eller i ro.
EN nettokraft er summen av flere styrker som virker på en gjenstand, for eksempel to tautstyr som drar i et tau i motsatte retninger. Teamet som trekker hardere vil vinne, noe som resulterer i at mer kraft styrer sin vei; det er grunnen til at tauet og det andre teamet ender opp med å akselerere i den retningen.
Lineær og roterende kinematikk
Kinematikk er en gren av fysikk som gjør at bevegelsen kan beskrives ganske enkelt ved å bruke et sett med ligninger. kinematikk gjør ikke referer til de underliggende kreftene, bevegelsesårsaken, i det hele tatt. Dette er grunnen til at kinematikk også regnes som en gren av matematikken.
Det er fire viktigste kinematikkligninger, som noen ganger kalles bevegelsesligningene.
Mengdene som kan uttrykkes i de kinematiske ligningene beskriver line__ar bevegelse (bevegelse i en rett linje), men hver av disse kan også uttrykkes for rotasjonsbevegelse (også kalt sirkulær bevegelse) ved bruk av analoge verdier. For eksempel vil en ball som ruller langs gulvet lineært ha en lineær hastighet v, samt en vinkelhastighet ω, som beskriver hastigheten på spinning. Og mens nettokraft forårsaker en endring i lineær bevegelse, a nettomoment forårsaker en endring i en gjenstanders rotasjon.
Momentum og energi
To andre temaer som faller inn i mekanikkens gren av fysikk er fart og energi.
Begge disse mengdene er bevart, som betyr, i et lukket system, kan den totale mengden fart eller energi ikke endres. Vi omtaler denne typen lover som bevaringslover. En annen vanlig bevaringslov, vanligvis studert i kjemi, er bevaring av masse.
Lovene om bevaring av energi og bevaring av fart gjør det mulig for fysikere å forutsi hastigheten, forskyvningen og andre aspekter av bevegelsen til forskjellige gjenstander som samvirker med hverandre, for eksempel et skateboard som ruller ned en rampe eller biljardkuler som kolliderer.
Treghetsmoment
Treghetsmoment er et nøkkelbegrep i forståelsen av rotasjonsbevegelse for forskjellige objekter. Det er en mengde basert på masse, radius og rotasjonsakse for et objekt som beskriver hvor vanskelig det er å endre sin vinkelhastighet - med andre ord, hvor vanskelig det er å fremskynde eller redusere spinningen.
Igjen, siden rotasjonsbevegelse er analogt til lineær bevegelse, er treghetsmoment analogt med det lineære treghetsbegrepet, som det fremgår av Newtons første lov. Mer masse og større radius gir et objekt et høyere treghetsmoment, og omvendt. Å rulle en ekstra stor kanonkule nedover en gangen er vanskeligere enn å rulle en volleyball!
Bølger og enkel harmonisk bevegelse
Bølger er et spesielt tema i fysikk. En mekanisk bølge refererer til en forstyrrelse som overfører energi gjennom materie - en vannbølge eller en lydbølge er begge eksempler.
Enkel harmonisk bevegelse er en annen type periodisk bevegelse der en partikkel eller gjenstand svinger rundt et fast punkt. Eksempler inkluderer en liten vinkelpendel som svinger frem og tilbake eller en kveilet fjær som spretter opp og ned som beskrevet av Hookes lov.
Typiske mengder fysikere bruker for å studere bølger og periodisk bevegelse er periode, frekvens, bølgehastighet og bølgelengde.
Elektromagnetiske bølger, eller lys, er en annen type bølge som kan passere gjennom tomt rom fordi energi ikke føres av materie, men av svingende felt. (Svingning er en annen betegnelse på vibrasjon.) Mens lys fungerer som en bølge og dens egenskaper kan måles med samme mengder som en klassisk bølge, fungerer det også som en partikkel, noe som krever litt kvantefysikk for å beskrive. Dermed gjør ikke lyset det fullstendig passer inn i studiet av klassisk mekanikk.
Matematikk i klassisk mekanikk
Fysikk er en veldig matematisk vitenskap. Å løse mekaniske problemer krever kunnskap om:
Endimensjonal bevegelse vs. bevegelse i to dimensjoner
Omfanget av et fysisk kurs på videregående skole eller introduksjonshøyskole inkluderer vanligvis to vanskelighetsgrader med å analysere mekanikksituasjoner: å se på endimensjonal bevegelse (lettere) og todimensjonal bevegelse (hardere).
Bevegelse i en dimensjon betyr at objektet beveger seg langs en rett linje. Disse typer fysiske problemer kan løses ved å bruke algebra.
Bevegelse i to dimensjoner beskriver når en gjenstands bevegelse har både en vertikal og en horisontal komponent. Det vil si at den flytter inn to retninger samtidig. Denne typen problemer kan være i flere trinn og kan kreve trigonometri for å løse.
Prosjektilbevegelse er et vanlig eksempel på todimensjonal bevegelse. Prosjektilbevegelse er alle typer bevegelser der den eneste kraften som virker på objektet er tyngdekraften. For eksempel: en ball som blir kastet i luften, en bil som kjører utenfor en klippe eller en pil som blir skutt mot et mål. I hvert av disse tilfellene sporer gjenstandene gjennom luften formen på en bue, og beveger seg både horisontalt og vertikalt (enten opp og deretter ned, eller bare ned).