Определение-динамическое равновесие, динамика и сила

Как объекты, которые мы видим в повседневной жизни, движутся так, как они движутся? Например, вы смотрели в небо и задавались вопросом, как самолеты и птицы летают без усилий? Или, возможно, подумали, почему мяч, брошенный с одного конца футбольного поля на другой, следует по изогнутой траектории. Область динамики в физике изучит эти ситуации и объяснит нам ответы на эти вопросы в терминах векторов и математических уравнений. Силы ответственны за каждое изменение в движении, и принципы динамики помогают нам точно понять, как это происходит.

Самолет в небе держится на плаву благодаря своей динамике и динамике окружающей атмосферы.

Чтобы понять динамику, нам нужно понять, что такое сила и правила движения. Мы обсудим их ниже, а также диаграммы свободного тела и то, как использовать их с законами Ньютона для решения задач динамики.

Динамика и силы

Прежде чем мы углубимся в законы движения Ньютона и диаграммы свободного тела, давайте рассмотрим некоторые важные знания о динамике и силах, чтобы построить прочную основу.

Определение динамики и сил

Как мы упоминали ранее, динамика - это изучение движения объектов, которые мы видим вокруг нас. Мы можем конкретно определить это следующим образом.

Динамика - это изучение взаимосвязи между силами и движением тел.

В дополнение к этому нам также необходимо точно понимать, что такое сила. Мы можем определить это следующим образом.

Сила - это толчок или притяжение из-за взаимодействия между двумя или более объектами, которое может привести к изменению движения взаимодействующих объектов.

Пример силы, оказываемой на вас, - это когда ваш друг толкает вас, сидя на качелях. Эта толкающая сила в сочетании с натяжением струны между сиденьем и перекладиной создает вращательную силу, которая позволяет вам качаться назад и вперед. С другой стороны, примером тягового усилия может быть, когда вы поднимаетесь на снежный холм и тянете за собой сани. Натягивая веревку, прикрепленную к салазкам, вы прикладываете силу к салазкам, чтобы они работали против силы тяжести.

Объект не может воздействовать на себя силой; для возникновения силы требуется по крайней мере два объекта (включая такие вещи, как поверхности и жидкости).

Существует много разных типов сил. Приведенные выше примеры представляют собой приложенные силы, которые возникают в результате того, что кто-то или что-то прикладывает внешнюю силу к объекту. Контактные силы возникают в результате соприкосновения объектов: такие как сила трения, сила пружины, выталкивающая сила, сила сопротивления и нормальная сила. Существуют также силы дальнего действия, когда взаимодействующие объекты не должны соприкасаться, чтобы оказывать воздействие, такие как гравитационные, электрические и магнитные силы.

Воздушный шар, парящий в небе, является примером силы выталкивания вверх, поскольку газообразный гелий в воздушном шаре легче окружающего воздуха.

Определение динамического равновесия

Каждый раз, когда объект начинает двигаться, останавливается, замедляется, ускоряется или меняет направление, сила вызывает изменение. Эти изменения являются примерами изменений в Следовательно, всякий раз, когда объект изменяет ускорение, мы знаем, что что-то приложило к нему силу.

Силы - это векторы, то есть они имеют величину и направление. Следовательно, они определяют, насколько сильно объект притягивается и как он движется. Величина и направление силы напрямую связаны с величиной и направлением результирующего изменения ускорения. Силы также могут действовать противоположно друг другу и эффективно нейтрализовать друг друга, поэтому, даже если объект не движется, на него все равно действуют силы.

Поскольку сила вызывает ускорение, сила измеряется тем, какое ускорение она создает. Единицей силы в системе СИ является ньютон , где один ньютон эквивалентен . Мы можем визуализировать эту единицу, думая о вес. Если мы проталкиваем его через стол с ускорением при отсутствии других сил, действующих на него, мы бы применяли силы на вес в направлении нашего толчка.

Термин динамический подразумевает движение. Следовательно, динамическое равновесие относится к чему-то, что движется, но все же остается в равновесии. Как это работает? Как что-то может двигаться и при этом находиться в равновесии? Ответ заключается в силах и ускорении.

Когда объект находится в динамическом равновесии, этот объект не ускоряется и на него действует нулевая суммарная сила.

Например, в отсутствие каких-либо внешних сил удар по мячу приведет к его ускорению. Однако, как только мяч покинет вашу ногу, на него не будут действовать никакие чистые силы. Поскольку ускорение объекта требует ненулевой суммарной силы, этот шар будет находиться в динамическом равновесии; он будет продолжать двигаться, но с постоянной скоростью: без ускорения.

Другой пример - объекты, падающие с предельной скоростью. Сначала, когда парашютисты выпрыгивают из самолета, они быстро ускоряются. Однако по мере того, как сила сопротивления воздуха нарастает и нарастает, их ускорение уменьшается до тех пор, пока сила тяжести не сравняется с силой сопротивления воздуха, действующего на них вверх. Это приводит к тому, что действующие на них суммарные силы уравновешиваются. Следовательно, они перестают ускоряться, имеют постоянную скорость и находятся в динамическом равновесии.

Силовые уравнения

Сила трения, сила пружины и гравитационная сила имеют уравнения, которые мы можем использовать для их вычисления. Однако, чтобы решить для любой из других сил, относящихся к AP Physics 1 (силы натяжения и нормальные силы), мы должны использовать другие силы, действующие на объект, для их решения. Для этого мы используем законы движения Ньютона и диаграммы свободного тела, которые будут обсуждаться в последующих разделах.

Важно помнить, что масса кг. - это не то же самое, что вес. Масса измеряется в и не меняется в зависимости от местоположения, тогда как вес - это сила (измеряемая в ) равна массе, умноженной на гравитацию, что означает, что она изменяется в зависимости от гравитационного поля, в котором она находится.

Законы движения Ньютона

Законы движения Ньютона объясняют взаимосвязь между движением объекта и действующими на него силами. Три закона движения Ньютона следующие:

Первый закон движения Ньютона — объекты остаются в состоянии покоя или постоянной скорости, если на них не воздействует чистая внешняя сила.

Второй закон движения Ньютона — ускорение объекта зависит от его массы и величины приложенной силы. Этот закон движения приводит к уравнению.

Третий закон движения Ньютона — если объект оказывает силу на второй объект, второй объект оказывает силу равной величины и противоположного направления на первый.

Диаграммы свободного тела

Чтобы представить внешние силы, действующие на объект, мы рисуем диаграммы свободного тела. Диаграммы свободного тела позволяют нам визуализировать силы, действующие на объект, что помогает нам писать уравнения, представляющие физическую ситуацию.Мы рисуем стрелки, представляющие силы в направлении этих сил, с длинами, обычно относящимися к силе сил.

При рисовании диаграмм свободного тела помните, что гравитационная сила действует прямо вниз, а нормальная сила всегда действует перпендикулярно поверхности.

Мы можем выбрать, какой объект или группу объектов (называемых системой) анализировать, основываясь на информации, которую мы хотим получить. Если мы выбираем систему для анализа, мы можем сгруппировать ее в одну и ту же диаграмму свободного тела и действовать так, как будто группа - это один объект.

Динамика жидкости

Теперь мы рассмотрели область динамики в общем смысле, но более конкретное исследование динамики - это область гидродинамики. В этой области мы специально рассматриваем динамику жидкостей и газов. Например, динамика жидкости позволила бы нам объяснить подъемную силу, которую испытывает самолет из-за потока воздуха под его крыльями. Это также важная основа для изучения физики атмосферы и того, как различные ветры влияют на погоду по всему миру. Динамика жидкости является гораздо более продвинутой областью изучения, чем та, которая рассматривается в AP 1 , и она начнет вводиться в университетскую физику.

Примеры физики динамики

Направление силы совпадает с ускорением, но это не означает, что направление силы совпадает с направлением скорости. Так, например, если объект, движущийся в данный момент вправо, сдвинут влево, результирующее ускорение действует влево, но объект может продолжать двигаться вправо с меньшей скоростью.

Динамика - ключевые выводы

Динамика - это изучение взаимосвязи между силой и движением.
Сила - это толчок или притяжение из-за взаимодействия между двумя или более объектами.
Силы - это векторы, то есть они имеют величину и направление.
Силы вызывают изменения в ускорении. Направление суммарной силы определяет направление ускорения.
Силы трения, пружины и гравитации имеют специальные уравнения, используемые для их расчета; натяжение и нормальная сила - нет.
Мы используем диаграммы свободного тела для визуализации сил, действующих на объект.
Мы используем диаграммы свободного тела и законы движения Ньютона для решения задач о силе и ускорении.