Dynamika

Dynamika, dział mechaniki obejmujący badanie ruchu ciał wywołanego działaniem sił. Wyróżnia się dynamikę klasyczną (zajmującą się obiektami poruszającymi się z prędkościami znacznie mniejszymi od prędkości światła) i dynamikę relatywistyczną (szczególna lub ogólna teoria względności).

Niezwykle ważną w fizyce okazała się wielkość zwana pędem.
Pędem nazywamy wektorową wielkość fizyczną, która jest równa iloczynowi masy i prędkości poruszającego się ciała.

Pojęcie pędu jako iloczynu masy i prędkości funkcjonuje w naszym języku. Nikt nie mówi „pęd muchy” pomimo, że mucha może poruszać się ze znaną prędkością. ale używa się zwrotu ”pęd lokomotywy” itd.. Zgodnie z tym duży pęd może mieć ciało o dużej masie i dużej prędkości
Prześledźmy jak wielkość ta wiąże się z drugą zasadą dynamiki.


Siła jest wielkością fizyczną równą stosunkowi zmiany pędu do czasu w którym ta zmiana nastąpi.
W układach odosobnionych czyli w takich w których nie działają zewnętrzne siły pęd całkowity układu, jest sumą wektorową pędów poszczególnych ciał układu.
Sprawdzając III zasadę dynamiki Newtona stwierdzaliśmy że ciała o identycznych masach w jednakowych odcinkach czasu pokonywały takie same odcinki drogi
Tarcie, tarcie zewnętrzne, zjawisko powstawania siły mechanicznej dyssypatywnej (tj. rozpraszającej energię), stycznej do powierzchni ciała poruszającego się faktycznie (tarcie dynamiczne albo suwne) lub tylko potencjalnie (wirtualne przesunięcie. Tarcie statyczne albo toczne) i przeciwdziałającej ruchowi.
Oba rodzaje tarcia są proporcjonalne do siły nacisku (tj. składowej prostopadłej do powierzchni styku z wypadkowej siły działającej na poruszające się ciało), a zależą od rodzaju powierzchni, stopnia ich wygładzenia itp. Charakteryzuje się je podając współczynniki proporcjonalności noszące nazwy współczynników tarcia dynamicznego (suwnego) i statycznego (tocznego), przy czym ten pierwszy jest w danych warunkach zawsze mniejszy niż drugi.
Tarcie jest niezbędnym warunkiem poruszania się istot żywych oraz samochodów, pociągów itp., a także funkcjonowania wielu mechanizmów, np. sprzęgła czy przekładni. Tam, gdzie jest ono zjawiskiem niekorzystnym, zmniejsza się je, wprowadzając pomiędzy trące mechanizmy ciecze (np. w przekładniach zębatych i łożyskach - "wzorcem" jest tu rozwiązanie problemu tarcia w stawach łączących kości), zamieniając tym samym tarcie w układzie dwóch ciał stałych na tarcie w cieczy (lepkość).
Siła tarcia dynamicznego nie zależy ani od prędkości ciała, ani od wielkości pola powierzchni, którą ciało styka się z podłożem.
Wartość siły tarcia dynamicznego jest proporcjonalna do wartości siły nacisku - siły działającej prostopadle do podłoża.
Fd < fst
Td = N·fd
Ts = N·fs
T = N·f
T=Tarcie N=siła nacisku f=współczynnik tarcia

Praca
-jednostka W [J] dżul
Jeden dżul jest równy mocy jaką wykonuje siła 1N na drodze 1 m i przy założeniu, że zwrot siły jest zgodny ze zwrotem przesunięcia (α=0)
1J=1N·1m [s]=kg·m2/s2
W=F○s
Do obliczania zadań posługujemy się jednak wzorem
W=F·s·cos K (F,s)
Czyli Praca = iloczynowi siły, drogi oraz cos kąta α zawartego między siłą a drogą
Przykład zadania

Zakładamy że K (F, s) =0
F - siła zmienna
P - Pole trójkąta
W =P*cos α (F,s)
Korzystamy ze wzoru na pole trójkąta ponieważ polem pod wykresem jest trójkąt

W=100000J

Moc
-jednostka P[W] Wat
Moc urządzenia jest równa stosunkowi pracy wykonanej przez urządzenie do czasu w którym ta praca została wykonana.
P - Moc
W - Praca
t – czas
1 wat jest równy mocy urządzenia, które w ciągu 1s wykonuje pracę 1 J

Przykład zadania
Dane: Szukane:
m = 100 kg P = ?
h = 20 m W = ?
t = 10 s
Na ciało działa siła ciężkości P czyli P = m · g
Pierwszy krok to obliczenie pracy:
W = F · s F = p
W = m · g · h s = h
Po obliczeniu pracy należy obliczyć moc:



Energię można podzielić na:
-Energię kinetyczną Ek
-Energię potencjalną Ep
-Energię mechaniczną Em
Energia jest wielkością trudną do zdefiniowania. Pojęcie energii jest jednym z najtrudniejszych a równocześnie najbardziej przydatnych pojęć fizyki.
Energię kinetyczną posiadają ciała poruszające się. Energia kinetyczna danego ciała jest tym większa, im szybciej się ono porusza, a z dwu ciał poruszających się jednakowo szybko większą energię kinetyczną posiada to , które ma większą masę.


Zasada zachowania energii
Jeżeli układ ciał jest odizolowany od wpływu sił, to mogą następować zmiany energii poszczególnych ciał, ale całkowita suma ich energii musi pozostać taka sama.
Prawo zachowania energii mechanicznej
Zasada, która mówi, że podczas ruchu ciała bez sił nie zachowawczych ( tj. oporu, tarcia, lepkości itp.) jego całkowita energia mechaniczna (czyli suma energii kinetycznej i potencjalnej) się nie zmienia.

Równia pochyła

Wiemy z doświadczenia, że ciało położone na równi pochyłej, czyli na płaszczyźnie nachylonej pod pewnym kątem do poziomu (rys. 1) zsuwa się po niej
Ruch ciała zsuwającego się bez tarcia po równi pochyłej jest więc ruchem jednostajnie przyśpieszonym, z przyśpieszeniem, którego wartość określa równanie wyznaczone z równoległoboku przyśpieszeń.
a = g · sin α
Przyśpieszenie to jest tym większe, im większy jest kąt nachylenia równi do poziomu ( ściślej sinus tego kąta ). Dla kąta α = 90º, tj. spadania swobodnego, otrzymujemy przyśpieszenie a = g.

I Zasada dynamiki Newtona
Jeżeli wypadkowa wszystkich działających na dane ciało jest równa zeru to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnie prostoliniowym
II Zasada dynamiki Newtona
Jeżeli na ciało działa stała siła to ciało porusza się ruchem jednostajnie zmiennym, przyśpieszonym, względnie opóźnionym, z przyśpieszeniem lub opóźnieniem wprost proporcjonalnym do masy tego ciała.III Zasada dynamiki Newtona
Jeżeli ciało A działa na ciało B siłą to ciało B działa na ciało A siłą równą co do wartości, o takim samym kierunku, lecz przeciwnym zwrocie.