Динамические системы в физике

Сьюзи играет в баскетбол со своим братом Томом (любознательный малыш). Сьюзи бросает мяч; он отскакивает и в конце концов останавливается. Если вас спросят: "кто бросил мяч?". Том говорит: "Сьюзи". Чтобы пойти дальше, как это делают любознательные малыши, Том спрашивает: "Почему"...

Чтобы помочь Тому понять, почему мяч упал, как он отскочил и остановился, мы рассмотрим влияние Сьюзи и мяча. Чтобы упростить задачу, мы можем сгруппировать Сьюзи, Тома, баскетбольную площадку, мяч и площадку, назвав группу "системой".

Определение динамических систем

Чтобы понять фундаментальную концепцию систем, нам сначала нужно знать, что такое система. При изучении чего-либо в физике мы хотим учитывать именно то, что имеет отношение к тому, что мы изучаем, и игнорировать все остальное. То, что мы включаем в то, что мы изучаем, называется нашей системой. Проще говоря.

Система - это объект или совокупность объектов.

Мы относимся к объектам в нашей системе так, как если бы у них не было внутренней структуры. Внутренняя структура объектов не должна иметь никакого отношения к окончательному решению проблемы и может быть проигнорирована. Все, что не является частью нашей системы, считается средой.

Система может быть человеком и автомобилем, человеком и скейтбордом или даже классной комнатой со столами и стульями. При расчете ускорения системы мы можем использовать второй закон движения Ньютона. Свойства и взаимодействия их подструктур определяют свойства систем. Когда отдельные части не важны для моделирования поведения системы, сама система может называться объектом. Согласно первому закону движения Ньютона, на движение системы влияют только внешние силы. Это потому, что закон гласит, что объект в состоянии покоя имеет тенденцию оставаться в состоянии покоя, а объект в движении имеет тенденцию оставаться в движении. Поскольку у нас есть это различие, определение границ системы должно быть сделано до того, как мы сможем понять, какие силы влияют на ее движение.

Для всех систем и обстоятельств энергия, заряд, линейный импульс и угловой момент сохраняются, за исключением изолированной или замкнутой системы, где сохраняемые величины постоянны. Мы называем "взаимодействием" силу, вызванную другими объектами вне системы, или передачу некоторого количества между системой и ее окружением. При решении проблемы вы рассматриваете ситуацию и принимаете собственное решение о границе между системой и ее окружением. Основная характеристика динамической системы - это функция, которая описывает, какие будущие состояния вытекают из текущего состояния.

Помните, что совокупность частиц, в которых внутренние взаимодействия изменяются мало или вообще не изменяются, или где изменения в этих взаимодействиях не имеют отношения к решаемому вопросу или проблеме, можно рассматривать как объект.

Некоторые элементарные частицы являются элементарными частицами (например, электроны). Протоны и нейтроны состоят из элементарных частиц и могут рассматриваться либо как системы, либо как объекты, в зависимости от вопроса, который рассматривается в решаемой задаче.

Электрические заряды на нейтронах и протонах являются результатом состава кварков.

Каковы основные типы систем?

Существует три типа базовых систем: открытые, закрытые и изолированные системы. Ниже мы обсудим некоторые свойства каждой из них и то, как они связаны друг с другом.

Мы начинаем наше обсуждение с открытых систем

Открытая система - это физическая система, в которую материя и энергия могут входить или выходить из системы. Внешние силы вне системы не сбалансированы.

Рассмотрим следующую схему нагреваемой колбы. Если наша система представляет собой стакан, то в систему добавляется энергия в виде тепла, а вещество выходит в виде водяного пара.

Закрытые системы более ограничены по сравнению с открытыми системами. Энергия все еще может входить в систему или покидать ее, но теперь мы добавляем ограничение, которого материя не может.

Закрытая система - это физическая система, в которую никакая материя не может войти или выйти из системы. Кроме того, внешние силы должны быть сбалансированы.

На нашей схеме мы теперь помещаем пробку на верхнюю часть колбы. Теперь воздух не может обмениваться между окружающей средой и системой, хотя тепло все еще может проникать и выходить через стекло.

Обратите внимание, что в замкнутой системе у вас могут быть внешние силы, мы просто требуем, чтобы суммарная сила в нашей системе была равна нулю.

Совет: Замкнутая система относится к системе, которая не теряет массу, энергию, заряд и т.д., Поэтому сохраняемые величины считаются постоянными. С другой стороны, открытая система относится к обмену энергией, зарядом и т. Д. С окружающими объектами, поскольку количество ранее указанных величин может увеличиваться или уменьшаться без замены.

Наконец, мы подходим к нашему наиболее ограниченному типу систем. Изолированные системы, в которых, как вы, возможно, догадались, мы добавляем дополнительное ограничение, заключающееся в том, что как материя, так и энергия не могут входить в систему или покидать ее. На практике у нас не может быть системы, которая не обменивается энергией с окружающей средой, но она по-прежнему является полезным инструментом для моделирования некоторых систем.

Изолированная система - это тип замкнутой системы, в которой ни вещество, ни энергия не могут перемещаться в систему или из нее.

Мы снова возвращаемся к нашей колбе, но на этот раз мы помещаем нашу колбу в герметичную вакуумную колбу. Теплу и веществу теперь запрещено входить в нашу систему или покидать ее.

Изолированная система не взаимодействует со своим окружением. Его полная энергия и масса остаются постоянными.

Все, что вам нужно для ваших исследований в одном месте для динамических систем

Динамические системы

Теперь давайте посмотрим, что такое динамические системы.

Динамическая система означает движение систем под воздействием сил.

Примеры динамических систем

Динамическая система - это система, в которой происходит движение, в отличие от статических условий без движения. Динамические системы постоянно движутся или должны менять состояния, чтобы быть полезными.

Примеры динамических систем включают:

Автомобили
Компьютеры
Качающийся маятник
Движения небесных тел

Для прогнозирования будущего поведения системы выполняется аналитическое решение уравнений или их интегрирование во времени с помощью компьютерного моделирования. Изучение динамических систем находится в центре внимания теории динамических систем, которая имеет приложения в самых разных предметных областях (математика, физика, биология, химия, инженерия, история и медицина). Динамические системы являются фундаментальной частью теории хаоса, динамики логистических карт и концепции грани хаоса. (чтобы назвать несколько).

Динамические системы - это системы, которые предполагают изменения.

Динамическая равновесная система

Динамическое равновесие в обратимом процессе происходит, когда прямой и обратный процессы происходят с одинаковой скоростью, таким образом, динамическое равновесие - это когда все силы, действующие на объект, сбалансированы.

Есть три условия для достижения равновесия. Во-первых, чистая внешняя сила системы должна быть равна нулю. Во-вторых, сумма всех внешних крутящих моментов должна быть равна нулю. Наконец, мы можем сказать, что объект находится в равновесии, когда оба условия выполняются одновременно. Если кто-то не удовлетворен, объект не находится в равновесии.

Уравнение: F=0

Статические означает неподвижные или стационарные
Динамические означает энергичные

Система должна поддерживать постоянную угловую скорость и избегать ускоренного вращения для достижения равновесия.

Динамическое равновесие - это состояние данной системы, в котором нет чистых изменений.