Dynamika
Ruch postępowy i obrotowy bryły sztywnej
Gdy mamy do czynienia z ruchami, w których wielkość przemieszczenia jest porównywalna z rozmiarami poruszającego się ciała, to nie traktujemy tego ciała jako punktu materialnego. W takim przypadku posługujemy się pojęciem bryły sztywnej , która jest wyidealizowanym modelem rzeczywistych brył. Bryłą sztywną jest ciało, które nie deformuje się pod wpływem działających na nią sił . Zatem odległości między dowolnymi dwoma punktami bryły sztywnej nie zmieniają się pod wpływem sił zewnętrznych....
Definicje wielkości opisujących ruch obrotowy bryły sztywnej
Ramię siły to wektor łączący środek obrotu z wektorem siły. Jego wartość wyrażamy w metrach, [r] = [m] . Moment siły to wektor , którego wartość obliczamy według wzoru: M=r⋅F⋅sinα [N⋅m] . Kierunek wektora momentu siły jest prostopadły do płaszczyzny, w której leży siła i jej ramię. Zwrot wektora momentu siły ma wpływ na kierunek obrotu bryły. Posługujemy się tutaj regułą śruby prawoskrętnej Moment bezwładności punktu materialnego o masie m...
Zasada zachowania momentu pędu
Zasada zachowania momentu pędu wynika z II zasady dynamiki dla bryły sztywnej, którą można przedstawić w postaci: Z powyższego wzoru widać, że gdy wypadkowy moment sił M w = 0, to L k - L 0 = 0 i tym samym: L = const, czyli I ⋅ ω = const. Jest to treść zasady zachowania momentu pędu (krętu) . Wnioskujemy stąd, że jeżeli M w = 0, to zmiana momentu bezwładności (inny rozkład masy względem osi obrotu) pociąga za sobą taką zmianę szybkości kątowej, przy której moment pędu...
II zasada dynamiki dla ruchu obrotowego bryły sztywnej
Jeśli na bryłę sztywną działa niezrównoważony moment sił względem wybranej osi obrotu, to bryła porusza się wokół tej osi ruchem obrotowym przyspieszonym (opóźnionym), w którym przyspieszenie kątowe jest wprost proporcjonalne do wartości wypadkowego momentu siły M w , a odwrotnie proporcjonalne do momentu bezwładności bryły I , wyznaczonego względem tej osi: skąd mamy: M w = ε ⋅ I.
Ruch obrotowy
Ruch obrotowy to ruch, w którym wszystkie punkty bryły zataczają współśrodkowe okręgi wokół osi obrotu. Oś obrotu to linia, na której leżą punkty bryły pozostające w spoczynku podczas obrotu. W ruchu obrotowym wszystkie punkty bryły mają taką samą szybkość kątową ω i różne szybkości liniowe v (styczne do toru), ponieważ v=r⋅ω . Jeśli szybkość kątowa rośnie lub maleje, to ruch obrotowy jest odpowiednio przyspieszony lub opóźniony i dla takich ruchów istnieje przyspieszenie lub...
II zasada dynamiki w postaci uogólnionej:
Powyższy wzór prowadzi do wniosku, że gdy układ jest odizolowany od otoczenia, czyli F w = 0 , to Δp = 0 , a to oznacza, że p=const . Jest to zasada zachowania pędu, którą można wyrazić słowami w następujący sposób: Jeśli na ciało lub na układ ciał nie działają żadne siły zewnętrzne, lub działające siły równoważą się, to pęd ciała (układu ciał) pozostaje stały. Pęd układu ciał jest wektorową sumą pędów poszczególnych ciał p = p 1 + p 2 + ... + p n . Zgodnie z zasadą...
Dynamika
Dynamika to nauka o siłach i ich skutkach. Siła jest miarą wzajemnych oddziaływań między ciałami. Jednostką siły jest 1N – niuton .
Siła jako wektor
Wszystkie siły są wielkościami wektorowymi. Każda siła ma więc wartość, kierunek i zwrot. Jeśli na ciało działa kilka sił, to zachowuje się ono tak, jakby działała na nie jedna siła, która jest sumą tych wszystkich sił. Nazywamy ją siłą wypadkową . Dodawanie sił odbywa się zgodnie z obowiązującymi w matematyce metodami dodawania wektorów. Symbolem siły jest duża litera ze strzałką u góry, np. . Wartość wektora można oznaczać po prostu jako F, R, Q (bez strzałki) np. F = 10N, R = 2N, Q =...
Tarcie toczne
Tarcie toczne to siła działająca na toczącą się po powierzchni kulę lub walec. Jest ona znacznie mniejsza od siły tarcia występującej podczas przesuwania bez toczenia.
Siła dośrodkowa
Jest to siła, która jest przyczyną przyspieszenia dośrodkowego . Powoduje ona zakrzywienie toru nie zmieniając szybkości ciała. Jest ona prostopadła do toru i zwrócona w stronę środka krzywizny .W ruchu po okręgu siła dośrodkowa leży wzdłuż promienia okręgu i jest zwrócona do środka okręgu, a jej wartość zgodnie z II zasadą dynamiki wyraża się wzorem:
Ruch postępowy
Ruch postępowy to ruch, w którym wszystkie punkty bryły doznają równych i równoległych przemieszczeń, gdyż wszystkie zakreślają tory o takim samym kształcie i wszystkie mają takie same prędkości. Wynika z tego, że w ruchu postępowym wszystkie punkty bryły mogą być reprezentowane przez jeden punkt – środek ciężkości, a cały ruch może być opisany tak, jak ruch punktu materialnego.
Dodawanie sił
Dodawanie sił o tych samych kierunkach i zwrotach. Dodawanie sił o tych samych kierunkach i przeciwnych zwrotach. Dodawanie sił o różnych kierunkach i różnych zwrotach. Wektor przeciwny do danego wektora. Odejmowanie jednego wektora od drugiego to dodawanie wektora przeciwnego.
Zasada zachowania pędu
Zasada zachowania pędu wynika z uogólnionej postaci II zasady dynamiki.
Siły równoważące się
Jeśli na jedno ciało działają dwie siły o takiej samej wartości, takim samym kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie, to wypadkowa tych sił wynosi zero. Takie siły nazywamy siłami równoważącymi się. Gdy na ciało działają siły równoważące się, to zachowuje się ono tak, jakby nie działała na nie żadna siła. Siły w przyrodzie występują parami , to znaczy, że każdej sile akcji ze strony jednego ciała odpowiada siła reakcji ze strony drugiego ciała, która ma taki sam kierunek, taką samą wartość,...
I zasada dynamiki Newtona
Jeżeli na ciało nie działa żadna siła lub działające siły równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym: Gdy F w = 0, to v=const. Jest to zasada bezwładności, z której wynika, że bez udziału niezrównoważonej siły ciało nie zmieni swojej prędkości.
Siła tarcia
Siła tarcia to siła, która występuje między stykającymi się powierzchniami dwóch ciał. Wartość siły tarcia zależy od rodzaju stykających się powierzchni (od stopnia ich gładkości) oraz od siły nacisku, jaką wywiera jedno ciało na drugie. Siła tarcia nie zależy od wielkości stykających się powierzchni.
III zasada dynamiki Newtona
Jeśli ciało A działa na ciało B pewną siłą (siłą akcji), to ciało B działa na ciało A siłą (siłą reakcji) o takiej samej wartości, takim samym kierunku, lecz o przeciwnym zwrocie (rys. 2.7.).
Opór ośrodka
Ciało poruszające się w wodzie, w powietrzu lub w innym ośrodku płynnym „odczuwa” działanie siły wywieranej na nie przez ośrodek i hamującej jego ruch. Jest to siła oporu ośrodka. Siła ta rośnie, gdy rośnie szybkość ciała. Na ciało spadające w powietrzu działa pionowo w dół siła przyciągania ziemskiego oraz zwrócona przeciwnie do niej siła oporu powietrza, która rośnie wraz ze wzrostem szybkości ciała. Gdy wartość oporu powietrza zrówna się z wartością siły grawitacji, to szybkość ciała...
Tarcie statyczne
Tarcie statyczne to siła działająca między ciałem spoczywającym na powierzchni, a tą powierzchnią. Siła tarcia statycznego rośnie wraz z siłą, która chce wprawić ciało w ruch. Maksymalna wartość siły tarcia statycznego zależy od rodzaju powierzchni i siły nacisku ciała na powierzchnię. Ciało zacznie się poruszać dopiero wtedy, gdy siła zewnętrzna pokona maksymalną siłę tarcia statycznego.
Tarcie kinetyczne
Gdy ciało przesuwa się po podłożu, to działa na nie siła tarcia kinetycznego, która jest zwrócona przeciwnie do wektora prędkości. Siła ta hamuje ruch ciała i tym samym jest przyczyną opóźnienia. Jej wartość wyrażamy wzorem: T=f⋅N . T – wartość siły tarcia kinetycznego, f – współczynnik tarcia kinetycznego zależny od rodzaju stykających się powierzchni, N – wartości siły nacisku działającej prostopadle do powierzchni, po której przesuwa się ciało.
Siły i przyspieszenie w ruchu na równi pochyłej
Siła ciężkości (ciężar ciała) na równi pochyłej rozkłada się na dwie siły: siłę równoległą do powierzchni równi –F S i siłę prostopadłą do powierzchni równi –F N Siła F S powoduje ruch ciała wzdłuż równi, a siła F N naciska na równię i dlatego ma wpływ na wartość siły tarcia. Siła F N jest równoważona przez siłę sprężystości równi S , a niezrównoważona siła wypadkowa o wartości F w s - T = F − nadaje ciału na równi przyspieszenie: Podstawiając do tego wzoru F w =F S...
II zasada dynamiki Newtona
Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się, to ciało porusza się ruchem przyspieszonym (opóźnionym), w którym przyspieszenie (opóźnienie) jest wprost proporcjonalne do wartości siły wypadkowej, a odwrotnie proporcjonalne do masy tego ciała: Stąd wynika, że: Gdy siła F w ma zwrot zgodny ze zwrotem prędkości, to zwiększa prędkość ciała i wówczas ruch jest przyspieszony. Gdy zwrot siły F w jest przeciwny do zwrotu prędkości ciała, to siła zmniejsza prędkość ciała i...