Inhoud
- Newton Wetten
- krachten
- Lineaire en roterende kinematica
- Momentum en energie
- Traagheidsmoment
- Golven en eenvoudige harmonische beweging
- Wiskunde in klassieke mechanica
- Eén-dimensionale beweging versus beweging in twee dimensies
Mechanica is de tak van de fysica die zich bezighoudt met de beweging van objecten. Het begrijpen van mechanica is van cruciaal belang voor elke toekomstige wetenschapper, ingenieur of nieuwsgierige mens die wil weten wat de beste manier is om een sleutel vast te houden bij het verwisselen van een band.
Veel voorkomende onderwerpen in de studie van mechanica zijn onder meer Newtons wetten, krachten, lineaire en roterende kinematica, momentum, energie en golven.
Newton Wetten
Onder andere bijdragen ontwikkelde Sir Isaac Newton drie bewegingswetten die cruciaal zijn voor het begrijpen van mechanica.
Newton formuleerde ook de universele wet van de zwaartekracht, die helpt bij het beschrijven van de aantrekkingskracht tussen twee willekeurige objecten en de banen van lichamen in de ruimte.
Newtons Laws doen zo goed hun werk in het voorspellen van de beweging van objecten dat mensen vaak naar zijn wetten verwijzen en de daarop gebaseerde voorspellingen als Newtoniaanse mechanica of klassieke mechanica. Deze berekeningen doen dit echter niet precies beschrijf de fysieke wereld onder alle omstandigheden, inclusief wanneer een object dichtbij de snelheid van het licht reist of op een ongelooflijk kleine schaal werkt - speciale relativiteitstheorie en kwantummechanica zijn velden waarmee fysici beweging in het universum kunnen bestuderen buiten wat Newton zou kunnen onderzoeken.
krachten
krachten oorzaak beweging. Een kracht is in wezen een duw of trek.
Verschillende soorten krachten die een middelbare school of inleidende student zeker zal tegenkomen zijn: zwaartekracht, wrijving, spanning, elastische, uitgeoefende en veerkrachten. Natuurkundigen tekenen deze krachten die op objecten werken in speciale diagrammen vrije lichaam diagrammen of krachtdiagrammen. Dergelijke diagrammen zijn van cruciaal belang bij het vinden van de netto kracht op een object, die op zijn beurt bepaalt wat er met zijn beweging gebeurt.
Newtons wetten vertellen ons dat een netto kracht ervoor zal zorgen dat een object zijn snelheid verandert, wat kan betekenen dat zijn snelheid verandert of zijn richting verandert. Geen netto kracht betekent dat het object blijft zoals het is: bewegen met een constante snelheid of in rust.
EEN netto kracht is de som van meerdere krachten die op een object werken, zoals twee touwtrekploegen die in tegengestelde richting aan een touw trekken. Het team dat harder trekt zal winnen, wat resulteert in meer kracht die zijn weg wijst; daarom versnellen het touw en het andere team in die richting.
Lineaire en roterende kinematica
Kinematica is een tak van de fysica waarmee de beweging eenvoudig kan worden beschreven door een reeks vergelijkingen toe te passen. Kinematica doet niet verwijs naar de onderliggende krachten, de oorzaak van de beweging. Daarom wordt kinematica ook beschouwd als een tak van wiskunde.
Er zijn vier hoofdkinematicavergelijkingen, die soms bewegingsvergelijkingen worden genoemd.
De hoeveelheden die kunnen worden uitgedrukt in de kinematische vergelijkingen beschrijven lineaire beweging (beweging in een rechte lijn), maar elk van deze kan ook worden uitgedrukt voor roterende beweging (ook cirkelvormige beweging genoemd) met analoge waarden. Bijvoorbeeld, een bal die lineair over de vloer rolt zou een lineaire snelheid v, evenals een hoeksnelheid ω, die de snelheid van het draaien beschrijft. En terwijl een netto kracht veroorzaakt een verandering in lineaire beweging, a netto koppel veroorzaakt een verandering in een objectrotatie.
Momentum en energie
Twee andere onderwerpen die in de mechanica-tak van de natuurkunde vallen, zijn momentum en energie.
Beide hoeveelheden zijn geconserveerd wat betekent dat in een gesloten systeem de totale hoeveelheid momentum of energie niet kan veranderen. We verwijzen naar dit soort wetten als behoudswetten. Een andere veel voorkomende conservatiewet, meestal bestudeerd in de chemie, is behoud van massa.
De wetten van behoud van energie en behoud van momentum stellen fysici in staat om de snelheid, verplaatsing en andere aspecten van de beweging van verschillende objecten die op elkaar inwerken te voorspellen, zoals een skateboard dat over een helling rolt of biljartballen die botsen.
Traagheidsmoment
Traagheidsmoment is een sleutelbegrip bij het begrijpen van rotatiebewegingen voor verschillende objecten. Het is een hoeveelheid gebaseerd op de massa, straal en rotatieas van een object dat beschrijft hoe moeilijk het is om zijn hoeksnelheid te veranderen - met andere woorden, hoe moeilijk het is om het draaien te versnellen of te vertragen.
Nogmaals, want rotatiebeweging is analoog voor lineaire beweging is het traagheidsmoment analoog aan het lineaire traagheidsconcept, zoals gesteld door de eerste wet van Newton. Meer massa en een grotere straal geven een object een hoger traagheidsmoment en omgekeerd. Een extra grote kanonskogel door een gang rollen is moeilijker dan een volleybal rollen!
Golven en eenvoudige harmonische beweging
Golven zijn een speciaal onderwerp in de natuurkunde. Een mechanische golf verwijst naar een storing die brengt energie over via materie - een watergolf of een geluidsgolf zijn beide voorbeelden.
Eenvoudige harmonische beweging is een ander type periodieke beweging waarin een deeltje of object rond een vast punt oscilleert. Voorbeelden zijn een slinger met een kleine hoek die heen en weer slingert of een spiraalveer die op en neer stuitert zoals beschreven door De wet van Hooke.
Typische hoeveelheden die fysici gebruiken om golven en periodieke beweging te bestuderen zijn periode, frequentie, golfsnelheid en golflengte.
Elektromagnetische golven, of licht, zijn een ander type golf dat door de lege ruimte kan passeren omdat energie niet door materie wordt gedragen, maar door oscillerende velden. (Oscillatie is een andere term voor trillingen.) Hoewel licht werkt als een golf en de eigenschappen ervan kunnen worden gemeten met dezelfde hoeveelheden als een klassieke golf, fungeert het ook als een deeltje, dat enige kwantumfysica vereist om te beschrijven. Dus, licht niet geheel passen in de studie van klassieke mechanica.
Wiskunde in klassieke mechanica
Natuurkunde is een zeer wiskundige wetenschap. Het oplossen van problemen met mechanica vereist kennis van:
Eén-dimensionale beweging versus beweging in twee dimensies
De reikwijdte van een cursus natuurkunde op de middelbare school of inleidende hogeschool omvat meestal twee moeilijkheidsniveaus bij het analyseren van mechanische situaties: kijken naar eendimensionale beweging (eenvoudiger) en tweedimensionale beweging (moeilijker).
Beweging in één dimensie betekent dat het object langs een rechte lijn beweegt. Dit soort fysische problemen kunnen worden opgelost met behulp van algebra.
Beweging in twee dimensies beschrijft wanneer een beweging van een object zowel een verticale als een horizontale component heeft. Dat wil zeggen, het komt binnen twee richtingen tegelijk. Dit soort problemen kan uit meerdere stappen bestaan en kan trigonometrie vereisen om op te lossen.
Projectielbeweging is een gebruikelijk voorbeeld van tweedimensionale beweging. Projectielbeweging is elk type beweging waarbij de enige kracht die op het object inwerkt zwaartekracht is. Bijvoorbeeld: een bal die in de lucht wordt gegooid, een auto die van een klif rijdt of een pijl die op een doel wordt geschoten. In elk van deze gevallen volgt het pad van de objecten door de lucht de vorm van een boog, die zowel horizontaal als verticaal beweegt (omhoog en vervolgens omlaag of net omlaag).