Dynamika, zasada dynamiki Newtona w kosmosie

DYNAMIKA 




Ciało swobodne - I zasada dynamiki


Jeżeli na ciało nie działają żadne siły lub działają siły równoważące się to ciało pozostaje w spoczynku ale jeśli się poruszało to będzie się poruszało ruchem jednostajnym prostoliniowym. 


Zasada bezwładności.



Ciała są bezwładne tzn. że bez działania innych ciał nie mogą zmieniać swej prędkości, a więc i wytrącać się ze stanu spoczynku. Jedynie siła pochodząca od innego ciała przyłożona do danego ciała może je wprawić w ruch przyśpieszyć, zatrzymać lub zmienić kierunek jego ruchu. 



Zasady dynamiki mogą być tylko w układach inercyjnych (nieruchomych). Każdy układ odniesienia ,który spoczywa lub porusza się w ruchu jednostajnym prostolinowym względem układu inercyjnego również jest układem inercyjnym. 



Układ nieinercyjny to taki który porusza się względem inercyjnego ruchem zmiennym. 



Druga zasada dynamiki 


Przyśpieszenie z jakim porusza się punkt materialny pod wpływem przyłożonej do niego siły jest wprost proporcjonalny do tej siły i odwrotnie proporcjonalny do masy tego ciała. Kierunek i zwrot przyśpieszenia są zgodne z kierunkiem z zwrotem siły. 



Trzecia zasada dynamiki 


Niemożliwe jest istnienie tylko jednej siły. Sile F ab wywieranej przez punkt materialny a na punkt materialny b towarzyszy zawsze siła ba wywierana przez punkt materialny b na a . Obie siły mają jednakowe wartości i wspólny kierunek a przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia.

Jeżeli ciało A działa na ciało B pewną siłą F1, to ciało B działa na ciało A siłą F2 o takim samym kierunku, takiej samej wartości, ale przeciwnym zwrocie.

To ważne sformułowanie nazywamy trzecią zasadą dynamiki Newtona. jest ona słuszna nie tylko do magnesów! Obowiązuje także dla oddziaływań elektrycznych czy grawitacyjnych. Trzecia zasada dynamiki ma na świecie ogromne znaczenie.

Każda z omawianych sił działa na inne ciało. Siła F1 działa na ciało B. Siła F2 działa na ciało A. Nie można na przykład ich dodawać! Często oddziałujące ciała bardzo różnią się masą. Na przykład Ziemia i jabłko. Wtedy zwykle mówi się tylko, że ciało większe działa na mniejsze. "Zapomina się dodać, że i ciało mniejsze działa na większe. Pamiętaj: jeżeli Ziemia przyciąga jabłko siłą o jakiejś wartości, to i jabłko przyciąga Ziemię siłą o takiej samej wartości.

ODPYCHAJĄCE SIĘ CIAŁA

Czy trzecia zasada dynamiki obowiązuje tylko dla przyciągających się ciał? Sprawdźmy! Niech dwie osoby na wrotkach lub deskorolkach staną blisko na przeciw siebie (rys. poniżej). Niech się teraz odepchną jak najmocniej od siebie.
Co się dzieje?


Zauważamy, że obie odpychające się osoby zaczynają się poruszać. A więc trzecia zasada dynamiki obowiązuje i w tym przypadku.

2 Zasada Dynamiki Newtona
Jeżeli na ciało działa stała siła, to porusza się ono ze stałym przyśpieszeniem, którego wartość jest proporcjonalna do wartości siły, a odwrotnie proporcjonalna do masy ciała. 


Sformułowanie to nazywamy drugą zasadą dynamiki Newtona. Zapisujemy to także w równoważnej formie: 

Wektorowy zapis drugiej zasady dynamiki

Wektorowy zapis drugiej zasady dynamiki Siła i przyspieszenie to wielkości wektorowe. Mają one ten sam kierunek i ten sam zwrot. Na przykład: jeżeli siła działa wzdłuż jakiejś prostej w prawo, to ciało jest przyspieszane wzdłuż tej samej prostej w prawo. Gdyby siła działała w lewo, ciało byłoby przyspieszane w lewo. Można więc wzór zapisać w postaci wektorowej:

1 Zasada Dynamiki Newtona
Jeżeli na ciało nie działa żadna siła, to pozostaje ono w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym po linii prostej.


Powyższe stwierdzenie to jedno z podstawowych praw fizyki. Nazywamy je pierwszą zasadą dynamiki Newtona. 


JAK UWIERZYĆ W PIERWSZĄ ZASADĘ DYNAMIKI?

Wielu ludzi w pierwszą zasadę dynamiki po prostu nie wierzy. I trudno im się dziwić. Jeżeli kopniesz piłkę, najpierw będzie się poruszać, a potem sama się zatrzyma. Jeżeli wyłączyć silnik w samochodzie, samochód po chwili stanie. Dlatego dawniej ludzie byli przekonani, że ciało może się poruszać tylko wtedy, kiedy działa na nie pewna siła. Tak uważał jeden z największych filozofów starożytnych, Arystoteles. Tak uważali uczeni do XVII wieku. Pomyślmy jednak. Znamy ciała, które poruszają się niezmiernie długo, mimo że, żadna siła nie podtrzymuje ich ruchu. Ziemia i inne planety okrążają Słońce od miliardów lat - i nie zatrzymują się. Sztuczne satelity i sondy kosmiczne poruszają się nieraz i po kilkanaście lat, mimo że ich silniki dawno już przestały działać. Dlaczego? Istnieje zasadnicza różnica pomiędzy ruchem ciał na Ziemi a ruchem ciał w kosmosie. Większość ciał poruszających się w warunkach ziemskich oddziałuje jakimś ośrodkiem. Samochód - z szosą. Ryba - z wodą. Ptak - z powietrzem. Ośrodek działa na poruszające się ciało siłą, zwaną siłą oporu ośrodka. Ta siła zatrzymuje ciało. Poza Ziemią panuje próżnia kosmiczna. Praktycznie nie ma tam nic - żadnego ośrodka**. Nic nie może więc zatrzymać poruszającego się ciała. Dlatego ruch planet może trwać miliardy lat. Nie ma jednak ciał, na które nie działałyby żadne siły. Na przykład Ziemię przyciąga Słońce. Ta siła nie zatrzymuje Ziemi, ale stale zmienia kierunek jej prędkości. Dlatego Ziemia okrąża Słońce. Od czasów Newtona dobrze rozumiemy ten ruch. Jesteśmy przekonani, że gdyby Słońce nagle przestało Ziemię przyciągać, "uciekłaby" ona od niego po linii prostej.

JAK PORUSZA SIĘ CIAŁO POD WPŁYWEM STAŁEJ SIŁY?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, wykonajmy doświadczenie z wózkiem. Polega ona na zmierzeniu siły na niego oddziałującej. 
W doświadczeniu obserwujemy, że:
1. W czasie ruchu wskazanie siłomierza jest stałe, a więc na wózek działa stała siła.
2. Wózek porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym - oczywiście po linii prostej. W ruchu prostoliniowym jednostajnie przyspieszonym przyspieszenie jest stałe. Możemy więc stwierdzić: Pod wpływem stałej siły ciało porusza się ruchem, w którym przyspieszenie jest stałe.