Ֆիզիկայի հոդված Նյուտոնի օրենքների վերաբերյալ
Պենդահուլուան
Ֆիզիկան բնական գիտության ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է տիեզերքի երևույթներն ու վարքագիծը՝ դիտարկման, չափման և ընդհանուր առմամբ կիրառելի օրենքների ձևակերպման միջոցով: Դասական ֆիզիկայի հիմնական հիմքերից մեկը Նյուտոնի շարժման օրենքներն են: Այս օրենքները ձևակերպվել են սըր Իսահակ Նյուտոնի կողմից 17-րդ դարում և ծառայում են որպես հիմք՝ հասկանալու համար, թե ինչպես են մարմինները շարժվում և ինչպես են ուժերը ազդում այդ շարժման փոփոխությունների վրա: Չնայած ժամանակակից զարգացումները հանգեցրել են հարաբերականության տեսության և քվանտային մեխանիկայի զարգացմանը, Նյուտոնի օրենքները մնում է խիստ արդիական առօրյա երևույթների լայն շրջանակի բացատրության համար, հատկապես լույսի արագությունից շատ ավելի փոքր արագությամբ շարժվող օբյեկտների մասշտաբով։
Նյուտոնի օրենքները պարզապես բանաձևերի ամբողջություն չեն, այլ գիտական շրջանակ՝ ուժի, զանգվածի և արագացման միջև եղած կապի մասին մտածելու համար: Դրանց կիրառությունները լայն են՝ սկսած տրանսպորտային միջոցների շարժման հաշվարկից և կամուրջների նախագծումից մինչև սպորտային վերլուծություն և նույնիսկ ավիացիոն և տիեզերական տեխնոլոգիաներ: Այս հոդվածը համակարգված կերպով կքննարկի Նյուտոնի երեք օրենքները, ուժի և զանգվածի հասկացությունները և դրանց կիրառման օրինակներ առօրյա կյանքում:
Հիմնական հասկացություններՈւժ, զանգված և շարժում
Նյուտոնի երեք օրենքները քննարկելուց առաջ կարևոր է հասկանալ հիմնական հասկացությունները։ Ուժը հրում կամ քաշում է, որը կարող է փոխել մարմնի շարժման վիճակը։ Ուժն ունի և՛ մեծություն, և՛ ուղղություն, ինչը այն դարձնում է վեկտորային մեծություն։ Միջազգային համակարգում ուժի չափման միավորը Նյուտոնն է (Ն), որը սահմանվում է որպես 1 կգ զանգվածին 1 մ/վ² արագացում հաղորդելու համար անհրաժեշտ ուժ։
Զանգվածը մարմնի իներցիայի, այսինքն՝ իր շարժման վիճակը պահպանելու նրա հակվածության չափանիշ է։ Որքան մեծ է մարմնի զանգվածը, այնքան ավելի դժվար է այն արագացնել կամ կանգ առնել։ Զանգվածը տարբերվում է քաշից։ Քաշը մարմնի վրա ազդող գրավիտացիոն ուժն է, ուստի կախված է տեղային գրավիտացիոն արագացումից։
Ֆիզիկայում շարժումը սովորաբար ուսումնասիրվում է դիրքի, արագության և արագացման միջոցով։ Արագությունը ցույց է տալիս, թե որքան արագ է դիրքը փոխվում ժամանակի նկատմամբ, մինչդեռ արագացումը՝ արագության փոփոխությունը ժամանակի միավորում։ Նյուտոնի օրենքները կապում են ուժը արագացման հետ, այդպիսով կամուրջ ստեղծելով պատճառի (ուժի) և հետևանքի (շարժման փոփոխության) միջև։
Նյուտոնի առաջին օրենքը (իներցիայի օրենք)
Նյուտոնի առաջին օրենքն ասում է. «Մարմինը կմնա անշարժ վիճակում կամ կշարժվի ուղիղ գծով հաստատուն արագությամբ, եթե դրա վրա ազդող զուտ ուժը զրո է»։ Սա նշանակում է, որ եթե մարմնի վրա ազդող զուտ ուժ չկա, ապա մարմինը չի փոխի իր արագությունը։
Այս օրենքի հիմնական հասկացությունը իներցիան է: Իներցիան բացատրում է, թե ինչու են մեքենայի ուղևորները առաջ մղվում, երբ մեքենան հանկարծակի արգելակում է: Երբ մեքենան դանդաղում է, ուղևորի մարմինը հակված է պահպանել իր առաջ շարժումը իներցիայի շնորհիվ: Ահա թե ինչու են անվտանգության գոտիները այդքան կարևոր, քանի որ դրանք ապահովում են ուժ, որը կանխում է մարմնի շարունակական առաջ շարժվելը:
Մեկ այլ օրինակ է սեղանի վրա դրված մարմինը։ Մարմինը մնում է անշարժ, քանի որ չկա հորիզոնական ուժ, որը կստիպի այն շարժվել. ներքև ուղղված ձգողականության ուժը և սեղանի վեր ուղղված ուժը հավասարակշռում են միմյանց, ուստի արդյունարար ուժը զրո է։ Այսպիսով, առաջին օրենքը ընդգծում է, որ շարժման փոփոխություն տեղի է ունենում միայն այն դեպքում, եթե կա զրոյից տարբեր արդյունարար ուժ։
Նյուտոնի երկրորդ օրենքը (ուժի, զանգվածի և արագացման միջև կապը)
Նյուտոնի երկրորդ օրենքը դասական մեխանիկայի միջուկն է և ասում է. «Մարմնի արագացումը համեմատական է դրա վրա ազդող ուժին և հակադարձ համեմատական է նրա զանգվածին»։ Մաթեմատիկորեն այն ձևակերպվում է հետևյալ կերպ.
ΣF = մ · ա
Այստեղ ΣF-ը արդյունարար ուժն է (N), m-ը՝ զանգվածը (կգ), իսկ a-ն՝ արագացումը (մ/վ²): Այս բանաձևը ցույց է տալիս երկու կարևոր կետ: Նախ, որքան մեծ է հաստատուն զանգված ունեցող մարմնի վրա կիրառվող ուժը, այնքան մեծ է արդյունքում ստացված արագացումը: Երկրորդ, նույն ուժի դեպքում ավելի մեծ զանգված ունեցող մարմինը կունենա ավելի փոքր արագացում:
Օրինակ՝ դատարկ գնումների սայլակը հրելը ավելի հեշտ է, քան լիքը սայլակը հրելը։ Լիքը սայլակն ունի ավելի մեծ զանգված, ուստի նույն հրող ուժի դեպքում արագացումը փոքր է։ Սպորտային օրինակները նույնպես հստակ են. թենիսի գնդակն ավելի հեշտ է արագացնել, քան բոուլինգի գնդակը, քանի որ դրա զանգվածը շատ ավելի փոքր է։
Նյուտոնի երկրորդ օրենքը նաև օգնում է վերլուծել մարմնի վրա ազդող ուժերը, ինչպիսիք են շփումը, պարանի լարվածությունը, զսպանակի ուժը և ձգողականությունը: Խնդիրներ լուծելիս սովորաբար օգտագործվում է ազատ մարմնի դիագրամ՝ գործող բոլոր ուժերը քարտեզագրելու համար, որպեսզի արդյունքում ստացված ուժը կարողանա ճիշտ հաշվարկվել:
Նյուտոնի երրորդ օրենքը (Գործողություն և արձագանք)
Նյուտոնի երրորդ օրենքն ասում է. «Յուրաքանչյուր գործողության համար կա հավասար և հակառակ արձագանք»։ Սա նշանակում է, որ եթե A մարմինը ուժ է գործադրում B մարմնի վրա, ապա B մարմինը հավասար ուժ է գործադրում A մարմնի վրա, բայց հակառակ ուղղությամբ։
Այս օրենքը հաճախ սխալ է հասկացվում, քանի որ մարդիկ կարծում են, որ գործողությունն ու ռեակցիան չեզոքացնում են միմյանց։ Իրականում, այս երկու ուժերը գործում են երկու տարբեր մարմինների վրա, ուստի դրանք չեն չեզոքացնում միմյանց նույն մարմնի վրա։ Օրինակ, երբ մարդը կանգնած է հատակին, նրա ոտքերը ներքև ուղղված ուժ են գործադրում հատակի վրա (գործողություն), իսկ հատակը՝ վերև ուղղված նորմալ ուժ նրա ոտքերի վրա (ռեակցիա)։ Քանի որ հատակից եկող ռեակցիայի ուժը բավականաչափ մեծ է նրա քաշը հավասարակշռելու համար, մարդը կարող է կանգնել առանց ընկնելու։
Մեկ այլ շատ հայտնի օրինակ է հրթիռի շարժումը։ Հրթիռը մեծ արագությամբ գազ է նետում դեպի ետ (գործողություն), այնուհետև գազը առաջ մղում է հրթիռը (ռեակցիա)՝ այն դեպի վեր մղելով։ Նույն սկզբունքը վերաբերում է նաև կապ չկապված օդապարիկին. օդը դուրս է գալիս մեկ ուղղությամբ, իսկ օդապարիկը մղվում է հակառակ ուղղությամբ։
Օրենքի կիրառումը Նյուտոնը առօրյա կյանքում
Նյուտոնի օրենքները կարելի է գտնել բազմաթիվ գործունեության մեջ: Տրանսպորտում տրանսպորտային միջոցների նախագծումը հաշվի է առնում տարբեր ուժեր, ինչպիսիք են շարժիչի հզորությունը, օդի դիմադրությունը և անվադողերի շփումը: Երբ տրանսպորտային միջոցը շրջադարձ է կատարում, կենտրոնախույս ուժ է անհրաժեշտ՝ տրանսպորտային միջոցի շրջանաձև հետագիծը պահպանելու համար. եթե շփումը բավարար չէ, տրանսպորտային միջոցը կարող է սահել:
Ճարտարագիտության մեջ շենքերի և կամուրջների կառուցումը պահանջում է ուժերի հավասարակշռության վերլուծություն (Նյուտոնի առաջին օրենք): Կառույցները պետք է նախագծվեն այնպես, որ որոշակի կետերում առաջացող ուժերն ու մոմենտները չառաջացնեն փլուզում: Ծանր սարքավորումների տեխնոլոգիայում Նյուտոնի երկրորդ օրենքն օգտագործվում է մեքենայի կողմից որոշակի բեռ բարձրացնելու կամ տեղափոխելու համար անհրաժեշտ ուժը որոշելու համար:
Սպորտում մարզիկները կիրառում են գործողություն-արձագանք օրենքը։ Վազորդը հետ է հրում գետնին, ինչը նրան առաջ է մղում։ Լողորդը հետ է հրում ջրին, ինչը նրան առաջ է մղում։ Որքան արդյունավետ է շարժիչ ուժը, այնքան մեծ է արդյունքում առաջացող արագացումը։
Նյուտոնի օրենքների սահմանափակումները
Չնայած շատ օգտակար լինելուն, Նյուտոնի օրենքներն ունեն սահմաններ։ Դրանք առավել ճշգրիտ են մակրոսկոպիկ մարմինների համար ցածր արագություններով։ Լույսի արագությանը մոտենալու արագություններով, Այնշտայնի հարաբերականության տեսությունը ավելի ճշգրիտ, քանի որ արդյունավետ զանգվածը և ժամանակը այլևս բացարձակ չեն։ Ատոմների և ենթաատոմային մասնիկների մասշտաբով քվանտային մեխանիկան անհրաժեշտ է, քանի որ մասնիկների վարքագիծը չի կարող բացատրվել միայն դասական ուժերով և հետագծերով։
Այնուամենայնիվ, առօրյա խնդիրների մեծ մասի և ինժեներական բազմաթիվ կիրառությունների համար Նյուտոնի օրենքները դեռևս հիմնական մոտեցումն են, քանի որ դրանք պարզ են, գործնական և բավականին ճշգրիտ։
Եզրակացություն
Նյուտոնի օրենքները դասական ֆիզիկայի կարևոր հիմք են, որոնք բացատրում են ուժի և շարժման միջև եղած կապը: Նյուտոնի առաջին օրենքը նշում է, որ մարմինը կպահպանի իր շարժման վիճակը, եթե արդյունքում առաջացող ուժը զրո է: Նյուտոնի երկրորդ օրենքը բացատրում է, որ արագացումը ուղիղ համեմատական է արդյունքում առաջացող ուժին և հակադարձ համեմատական է զանգվածին, որը ձևակերպվում է որպես ΣF = m·a: Նյուտոնի երրորդ օրենքը շեշտում է գործողություն-ռեակցիա սկզբունքը, որ յուրաքանչյուր ուժ միշտ ունի հավասար մեծության և հակառակ ուղղության զուգընկեր:
Այս երեք օրենքները հասկանալով՝ մենք կարող ենք վերլուծել բնական և տեխնոլոգիական երևույթների լայն շրջանակ՝ առօրյա կյանքում պարզ շարժումից մինչև մեքենաների և տրանսպորտային միջոցների նախագծումը: Չնայած ծայրահեղ պայմաններում իրենց սահմանափակումներին, Նյուտոնի օրենքները մնում են արդիական և կազմում են գիտության պատմության մեծագույն նվաճումներից մեկը:
-
Եթե ցանկանում եք, կարող եմ ավելացնել մատենագրություն, նախաբան կամ ստեղծել ավելի «դպրոցական ձևաչափի» տարբերակ (նախապատմություն, խնդրի ձևակերպում, նպատակներ, քննարկում և եզրակացություն):
