المحتوى
- قوانين نيوتن
- القوات
- الحركة الخطية والحركية
- الزخم والطاقة
- لحظة من الجمود
- موجات وحركة متناسقة بسيطة
- الرياضيات في الميكانيكا الكلاسيكية
- حركة أحادية البعد مقابل الحركة بعدين
الميكانيكا هي فرع الفيزياء الذي يتعامل مع حركة الأجسام. فهم الميكانيكا أمر حاسم لأي عالم أو مهندس أو إنسان فضولي في المستقبل يرغب في معرفة ، على سبيل المثال ، أفضل طريقة لإمساك مفتاح عند تغيير الإطار.
تشمل المواضيع الشائعة في دراسة الميكانيكا قوانين نيوتن والقوات والحركية الخطية والدورانية والزخم والطاقة والأمواج.
قوانين نيوتن
من بين المساهمات الأخرى ، طور السير إسحاق نيوتن ثلاثة قوانين للحركة تعتبر ضرورية لفهم الميكانيكا.
صاغ نيوتن أيضًا قانون الجاذبية العالمي ، الذي يساعد على وصف الجاذبية بين أي جسمين ومدار الأجسام في الفضاء.
تقوم قوانين نيوتن بعمل جيد يتنبأ بحركة الأشياء التي يشير الناس إليها في كثير من الأحيان إلى قوانينه والتنبؤات التي تستند إليها باعتبارها ميكانيكا نيوتونية أو ميكانيكا كلاسيكية. ومع ذلك ، فإن هذه الحسابات لا على وجه التحديد وصف العالم المادي في جميع الظروف ، بما في ذلك عندما يسير جسم ما بالقرب من سرعة الضوء أو يعمل على نطاق صغير بشكل لا يصدق - النسبية الخاصة وميكانيكا الكم هي الحقول التي تسمح للفيزيائيين بدراسة الحركة في الكون إلى أبعد مما يمكن أن يبحث نيوتن.
القوات
القوات سبب اقتراح. القوة هي في الأساس دفعة أو سحب.
تشمل الأنواع المختلفة من القوى التي من المؤكد أن تواجهها مدرسة ثانوية أو طالب جامعي ما يلي: قوى الجاذبية ، والاحتكاك ، والتوتر ، والمرونة ، والقوى الربيعية. يرسم الفيزيائيون هذه القوى التي تعمل على أشياء في مخططات خاصة تسمى مخططات الجسم الحر أو مخططات القوة. تعتبر هذه المخططات مهمة في العثور على القوة الصافية على كائن ، والذي بدوره يحدد ما يحدث لحركته.
تخبرنا قوانين نيوتن أن القوة الصافية ستتسبب في تغيير الجسم لسرعته ، مما قد يعني تغير السرعة أو يتغير اتجاهها. لا توجد قوة صافية تعني أن الكائن يبقى كما هو: التحرك بسرعة ثابتة أو في حالة راحة.
أ صافي القوة هو مجموع القوى المتعددة التي تعمل على جسم ما ، مثل فرقتي شد الحبل تسحبان الحبل في اتجاهين متعاكسين. سوف يفوز الفريق الذي يجتذب بقوة ، مما يؤدي إلى مزيد من القوة في طريقه لهذا السبب ينتهي الحبل والفريق الآخر بالتسارع في هذا الاتجاه.
الحركة الخطية والحركية
Kinematics هو فرع من الفيزياء يسمح بالحركة لوصفها ببساطة عن طريق تطبيق مجموعة من المعادلات. معادلات الحركة لا الرجوع إلى القوى الكامنة ، سبب الحركة ، على الإطلاق. هذا هو السبب في أن الحركية تعتبر أيضًا فرعًا من الرياضيات.
هناك أربعة معادلات حركية رئيسية ، والتي تسمى أحيانًا معادلات الحركة.
الكميات التي يمكن التعبير عنها في المعادلات الحركية تصف حركة خطية (الحركة في خط مستقيم) ، ولكن يمكن التعبير عن كل منها أيضًا حركة دائرية (وتسمى أيضًا الحركة الدائرية) باستخدام القيم المماثلة. على سبيل المثال ، فإن الكرة المتداول على طول الكلمة خطيا سيكون لها السرعة الخطية v، فضلا عن السرعة الزاوية ωوالذي يصف معدل الغزل. وبينما أ صافي القوة يؤدي إلى تغيير في الحركة الخطية ، عزم الدوران الصافي يؤدي إلى تغيير في دوران الأشياء.
الزخم والطاقة
هناك موضوعان آخران يقعان في فرع الميكانيكا في الفيزياء وهما الزخم والطاقة.
كل من هذه الكميات هي تحفظ، مما يعني ، في نظام مغلق ، لا يمكن تغيير المبلغ الإجمالي للزخم أو الطاقة. نشير إلى هذه الأنواع من القوانين باسم قوانين الحفظ. قانون الحفظ الشائع الآخر ، الذي يدرس عادة في الكيمياء ، هو حفظ الكتلة.
تسمح قوانين الحفاظ على الطاقة والحفاظ على الزخم للفيزيائيين بالتنبؤ بالسرعة والإزاحة والجوانب الأخرى لحركة الأجسام المختلفة التي تتفاعل مع بعضها البعض ، مثل لوح التزلج الذي يتدحرج منحدر أو كرات البلياردو.
لحظة من الجمود
تعتبر لحظة القصور الذاتي مفهومًا رئيسيًا في فهم الحركة الدورانية للكائنات المختلفة. إنها كمية تستند إلى الكتلة ودائرة نصف قطرها ومحور دوران كائن يصف مدى صعوبة تغيير سرعتها الزاوية - وبعبارة أخرى ، مدى صعوبة تسريع أو إبطاء غزلها.
مرة أخرى ، لأن الحركة الدورانية هي مماثل بالنسبة للحركة الخطية ، فإن لحظة الجمود تشبه المفهوم الخطي للقصور الذاتي ، كما جاء في قانون نيوتن الأول. المزيد من الكتلة ونصف قطر أكبر يمنحان الكائن لحظة أعلى من الجمود والعكس صحيح. إن إطلاق قذيفة مدفعية كبيرة جدًا أسفل المدخل أصعب من تحريك كرة طائرة!
موجات وحركة متناسقة بسيطة
الأمواج هي موضوع خاص في الفيزياء. تشير الموجة الميكانيكية إلى حدوث اضطراب ينقل الطاقة من خلال المسألة - موجة الماء أو الموجة الصوتية مثالان على ذلك.
الحركة التوافقية البسيطة هي نوع آخر من الحركة الدورية التي يتذبذب فيها الجسيم أو الجسم حول نقطة ثابتة. من الأمثلة على ذلك البندول ذو الزاوية الصغيرة والذي يتأرجح ذهابًا وإيابًا أو نبعًا ملفوفًا يرتد لأعلى ولأسفل كما هو موضح في قانون هوك.
الكميات المعتادة التي يستخدمها الفيزيائيون لدراسة الأمواج والحركة الدورية هي الفترة والتردد وسرعة الموجة وطول الموجة.
الموجات الكهرومغناطيسية ، أو الضوء ، هي نوع آخر من الموجة التي يمكن أن تمر عبر الفضاء الخالي لأن الطاقة لا تحملها المادة بل عن طريق الحقول المتذبذبة. (ذبذبة هو مصطلح آخر ل اهتزاز.) بينما يعمل الضوء مثل الموجة ويمكن قياس خواصه بنفس الكميات مثل الموجة الكلاسيكية ، إلا أنه يعمل أيضًا كجسيم ، ويتطلب بعض فيزياء الكم لوصفها. وهكذا ، الضوء لا تماما تنسجم مع دراسة الميكانيكا الكلاسيكية.
الرياضيات في الميكانيكا الكلاسيكية
الفيزياء هو علم الرياضيات للغاية. يتطلب حل مشاكل الميكانيكا معرفة:
حركة أحادية البعد مقابل الحركة بعدين
يتضمن نطاق دورة فيزياء المدرسة الثانوية أو التمهيدية عادة مستويين من الصعوبة في تحليل المواقف الميكانيكية: النظر في حركة أحادية البعد (أسهل) وحركة ثنائية الأبعاد (أصعب).
الحركة في بعد واحد تعني أن الكائن يتحرك على طول خط مستقيم. هذه الأنواع من مشاكل الفيزياء يمكن حلها باستخدام الجبر.
تصف الحركة ذات البعدين عندما يكون لحركة الأجسام مكون عمودي وأفقي. وهذا هو ، فإنه يتحرك فيها اتجاهين في وقت واحد. يمكن أن تكون هذه الأنواع من المشاكل متعددة الخطوات وقد تتطلب حل المثلثات.
حركة المقذوفات مثال شائع للحركة ثنائية الأبعاد. حركة المقذوفات هي أي نوع من أنواع الحركة حيث تكون القوة الوحيدة المؤثرة على الجسم هي الجاذبية. على سبيل المثال: يتم إلقاء كرة في الهواء ، أو سيارة تسير على منحدر أو سهم يُطلق عليه هدف. في كل حالة من هذه الحالات ، يتتبع مسار الأجسام عبر الهواء شكل قوس ، متحركًا أفقيًا وعموديًا (إما لأعلى ثم لأسفل ، أو لأسفل).