Mehanika je temeljna i najstarija grana fizike koja proučava zakone gibanja i meñudjelovanja tijela. kinematika, dinamika i statika

Transcript

1 3. Dinamika Mehanika je temeljna i najstarija grana fizike koja proučava zakone gibanja i meñudjelovanja tijela. kinematika, dinamika i statika Kinematika (grč. kinein = gibati) je dio mehanike koji opisuje gibanja tijela bez obzira na uzroke gibanja. Dinamika (grč. dynamis = sila) je dio mehanike koja proučava uzroke gibanja i utjecaj sile i mase na gibanje. Statika je dio mehanike koji proučava uvjete ravnoteže tijela. Gibanje je promjena položaja tijela u odnosu na druga tijela (okolinu, referentni sustav) u vremenu. -u svemiru ne postoji točka koja apsolutno miruje svako gibanje je relativno - mirovanje oblik gibanja kada tijelo ima nepromijenjene koordinate u odnosu na referentni sustav (laboratorijski sustav sustav koji miruje u odnosu na Zemlju)

2 3. Dinamika Dinamika je dio mehanike u kojem se proučava odnos izmeñu gibanja i uzroka promatranog gibanja. Zašto se tijela gibaju tako kako se gibaju? Pitanje odnosa sile i gibanja je centralno pitanje dinamike. Povezanost sile i gibanja! Kakva je veza? Aristotel: za svako gibanje potrebna je sila! Galilei: nije za svako gibanje potrebno djelovanje sile (jednoliko gibanje po pravcu) sila nije uzrok gibanju

3 3. Dinamika Galileo Galilei ( ) - talijanski fizičar i astronom - prvi je uočio važnost promatranja i eksperimentiranja u razvoju znanosti kombinacijom stvarnih i zamišljenih pokusa uveo eksperiment u fiziku

4 3. Dinamika Galileo Galilei ( ) - talijanski fizičar i astronom - prvi je uočio važnost promatranja i eksperimentiranja u razvoju znanosti kombinacijom stvarnih i zamišljenih pokusa uveo eksperiment u fiziku - prvi je proučavao gibanje zemaljskih objekata, njihala, projektila i slobodni pad - otkrio je princip inercije začetnik mehanike - teleskop planine (krateri) na Mjesecu, Venerine mjene, Sunčeve pjege, Jupiterove mjesece heliocentrični sustav (Kopernik) sukob s Crkvom - umire roñen Newton

5 3. Dinamika Isaac Newton ( ) - engleski fizičar i matematičar - jedan od najvećih umova u povijesti čovječanstva - utemeljitelj mehanike koncept mase, impulsa, sile, tri zakona gibanja - otkrio zakon gravitacije - izumio diferencijalni i integralni račun objasniti gibanje planeta, Zemlje i Mjeseca, plimu i oseku - doprinos optici - Galileo i Newton = utemeljitelji moderne fizike

6 3.1. Masa i sila Masa je svojstvo svakog tijela koje odreñuje njegovo ponašanje pri djelovanju sile. Što je masa tijela veća, ono je tromije, to ga je teže ubrzati ili usporiti, tj. promijeniti mu stanje gibanja. Ustrajnost, tromost ili inercija je svojstvo tijela da održava svoje stanje gibanja (mirovanja). Masa je kvantitativna mjera tromosti tijela. m = 1 m 0 v c 2 2 ovisnost mase o brzini - m 0 masa mirovanja - m relativistička masa - za v << c, m = m 0

7 3.1. Masa i sila Što je sila? Sila je fizikalna veličina (vektor) kojom opisujemo meñudjelovanje dvaju ili više tijela (rezultanta). Djelovanje sile: - promijeniti stanje gibanja (ubrzati, usporiti, promijeniti smjer) dinamika - promijeniti oblik tijela (deformacija) F - oznaka (eng. force = sila) [N] - odreñivanje sile mjerenjem akceleracije ili deformacije tijela dinamometar kontaktne sile sile polja

8 3.1. Masa i sila Dinamometar je ureñaj za mjerenje sile. Princip rada: Hookeov zakon (F ~ x)

9 3.1. Masa i sila 4 temeljne sile (meñudjelovanja, interakcije) u prirodi: 1. Gravitacijska sila masa 2. Elektromagnetska sila naboj 3. Jaka sila nukleoni 4. Slaba sila leptoni

10 3.2. Prvi Newtonov zakon Galilejev princip inercije. Svako tijelo ostaje u stanju mirovanja ili jednolikog gibanja po pravcu sve dok pod djelovanjem vanjskih sila ne promijeni svoje stanje gibanja. - princip inercije (tromosti, ustrajnosti) Inercijalni sustavi = sustavi u kojima vrijedi prvi Newtonov zakon (miruju ili se gibaju jednoliko po pravcu)

11 3.3. Drugi Newtonov zakon Pokus: kolica, utezi, impulsni pisač, mjerna traka Cilj: ustanoviti ovisnost ubrzanja o sili te ubrzanja o masi masa sila

12 3.3. Drugi Newtonov zakon m = const F = const F / N a / ms -1 m / kg a / ms -1 0,1 0,70 0,10 2,35 0,2 1,25 0,15 1,90 0,3 1,75 0,20 1,40 0,4 2,35 0,25 1,10 0,5 2,83 0,30 0,90 II Newtonov zakon 1 a ~ F a ~ F= m a m 2 [ F] = [ m] [ a] = kg m /s = N Njutn je sila koja tijelu mase 1 kg daje ubrzanje od 1 m/s 2.

13 3.3. Drugi Newtonov zakon Impuls (količina gibanja) p = m v [ kg m/s] m0 v p = 2 v 1 2 c II Newtonov zakon: sila je jednaka promjeni impulsa d m a ( m v) d p F = = = uz pretpostavku m = const dt dt 2 d r F a = 2 Temeljna jednadžba gibanja dt m Rješavanje zadataka m a = F i - vektorski zbroj sila (koordinatni sustav, komponente)

14 3.4. Sila teže i težina Sila teže privlačna sila koja djeluje na sva tijela u blizini Zemljine površine; rezultanta gravitacijske sile i neinercijalne (centrifugalne) sile zbog Zemljine rotacije ω F G = mg F g F G F cf masa akceleracija sile teže Svim tijelima na istom mjestu na Zemlji koja slobodno padaju, sila teža daje isto ubrzanje, g.

15 3.4. Sila teže i težina Težina sila kojom neko tijelo pritišće podlogu na kojoj stoji odnosno ovjesište o koje je ovješeno. Sila teža je sila na tijelo, a težina je sila na podlogu odnosno ovjesište. Ukoliko podloga (ovjesište) miruje ili se giba jednoliko pravocrtno spram površine Zemlje, težina tijela jednaka je sili teži: G = mg = F G Ako se tijelo giba ubrzano prema Zemljinoj površini, težina će se razlikovati od sile teže.

16 3.4. Sila teže i težina Sila teža na odreñeno tijelo uvijek je ista, bez obzira na to da li tijelo miruje ili se giba ubrzano. F = mg G Težina ovisi o ubrzanju tijela i jednaka je sili teži samo kad je ubrzanje tijela jednako nuli. G = mg = F G - uz uvjet da je a=0

17 3.4. Sila teže i težina Primjer T = mg + ma T = mg ma

18 Primjer: odredi akceleraciju utega i napetost niti. pretpostavka: m 2 >m 1

19 Primjer: odredi akceleraciju utega i napetost niti.

20 3.5. Treći Newtonov zakon - zakon akcije i reakcije F AB = F BA Svakom djelovanju (akciji) postoji uvijek suprotno i jednako protudjelovanje (reakcija), odnosno djelovanja dvaju tijela jedno na drugo uvijek su jednaka i suprotnog smjera.

21 3.5. Treći Newtonov zakon

22 3.5. Treći Newtonov zakon Koliku silu pokazuje dinamometar? mg

23 3.6. Impuls sile i količina gibanja F m t def. impuls sile I = F t [Ns] Za svaku promjenu količine gibanja tijela potrebno je da na tijelo neko vrijeme djeluje sila. Ako sila nije stalna, već se mijenja u vremenu: t 2 I = lim Fi ti = F ( t) dt t 0 i Impuls sile jednak je integralu sile po vremenu u kojem ta sila djeluje. t 1

24 3.6. Impuls sile i količina gibanja Impuls sile mijenja količinu gibanja tijela koje je primilo taj impuls. d p dt Fdt = d p d dt II Newtonov zakon: F = = ( mv) Primljeni impuls sile u intervalu izmeñu t 1 i t 2 jednak je: t 2 p2 I F t dt d p p p m v v t ( ) ( ) = = = = p 1 1 Impuls sile jednak je promjeni količine gibanja tijela na koje djeluje ta sila.

25 3.7. Zakon očuvanja količine gibanja (impulsa) Pretpostavimo da imamo sustav od mnoštva čestica koje meñudjeluju. Na svaku od njih djeluje sila F i koja potječe od meñudjelovanja s drugim česticama u sustavu (unutarnje sile) ili od meñudjelovanja sustava kao cjeline s nekim trećim tijelom izvan tog sustava (vanjske sile). Ukupna sila na cijeli sustav sastavljen od N čestica je: N F = i F i Pretpostavit ćemo da je sustav izoliran, tj. da nema djelovanja vanjskih sila (njihova rezultanta je nula). Prema tome, za i-tu i j-tu česticu vrijedi: ij ji N F i = j F ij F za i j F ij + F ji = 0 F1 + F F N = 0 = F rezultanta unutarnjih sila jednaka je nuli

26 3.7. Zakon očuvanja količine gibanja (impulsa) F d p = dt d p1 d p2 d p N = 0 dt dt dt p + p + + p = const N Ukupna količina gibanja (impuls) u zatvorenom sustavu je stalna ili konstantna. - bez obzira na to kakvi se procesi i meñudjelovanja dogañaju u sustavu; impuls (količina gibanja) svake pojedine čestice ili tijela u sustavu može se mijenjati s vremenom, ali ukupni impuls je očuvan.

27 3.7. Zakon očuvanja količine gibanja (impulsa) Primjer:

28 3.7. Zakon očuvanja količine gibanja (impulsa) Primjeri sačuvanja količine gibanja: - treba promatrati izolirane sustave gdje je djelovanje vanjskih sila zanemarivo (trenje na vodi ili na ledu je maleno) -> čovjek-čamac, čovjek-brod. - Raketni pogon se temelji na ZSKG: kontinuirano izbacivanje struje užarenog plina kontinuirano i povećava brzinu.

29 3.10. Trenje Trenje je sila koja se javlja izmeñu dva tijela u dodiru. F tr = µ F N faktor trenja okomita sila na podlogu Statička sila trenja je maksimalna sila trenja pri kojoj tijelo još miruje. Kinetička sila trenja je sila trenja u (jednolikom) gibanju.

30 3.10. Trenje - vanjsko trenje trenje meñu čvrstim površinama - unutrašnje trenje trenje meñu slojevima fluida (viskoznost) - uzrok trenja meñumolekularne sile na površini tijela - ne ovisi o veličini dodirnih ploha, već samo o njihovim osobinama (materijal, hrapavost, čistoća) Odreñivanje faktora trenja F tr F 2 F N m F 1 G α - početak klizanja F = G sinα = F = µ F 1 F = G cosα = F N Ftr G sinα µ = = = tanα F G cosα N tr 2 N

31 3.10. Trenje Faktori trenja: Materijali Čelik čelik Aluminij čelik Bakar čelik Guma beton Drvo drvo Staklo staklo Vosak+drvo vlažan snijeg Vosak+drvo suh snijeg Metal metal (poliran) Led- led Teflon teflon µ s 0,74 0,61 0,53 1,00 0,25-0,5 0,94 0,14-0,15 0,1 0,04 µ k 0,57 0,47 0,36 0,80 0,20 0,40 0,10 0,04 0,06 0,03 0,04

32 3.10. Centripetalna sila Jednoliko kružno gibanje Brzina je konstantna po iznosu ali stalno mijenja smjer što rezultira radijalnom akceleracijom prema središtu kružnice. t s ϕ s = r ϕ linearna (obodna) brzina s ϕ dϕ v = lim = r lim = r = r t 0 t t 0 t dt dϕ ω = dt v = ω r ω = r v ω [rad/s] kutna brzina

33 3.10. Centripetalna sila radijalna (centripetalna) akceleracija v v φ φ ar = lim = lim = v lim t 0 t t 0 t t 0 t dφ ar = v = v ω dt 2 2 v ar = rω = r a = ω v r analogija translacijskog i rotacijskog gibanja s v a = = = r r r ϕ ω α

34 3.10. Centripetalna sila Nejednoliko kružno gibanje tangencijalna akceleracija ( ω) dv d r dω at = = = r = rα dt dt dt 2 ω dω d ϕ α = lim = = t 0 2 t dt dt a = α r t a = at + ar a = a = a + a 2 2 t r

35 3.10. Centripetalna sila Sila koja mijenja smjer brzine i usmjerena je prema središtu zakrivljenosti (kružnice). 2 2 Fcp = mar = mω r = m r ω 2 F cp = m r Primjeri: - gravitacijska sila (gibanje Mjeseca oko Zemlje) - električna sila (elektron oko jezgre) - napetost niti (vrtnja predmeta na užetu) - trenje (automobil u zavoju) nije nikakva nova sila, već samo poseban naziv za silu koja mijenja smjer brzine i čini da se tijelo giba po krivocrtnoj putanji v

36 Primjer: Odredi brzinu, napetost niti i period kruženja konusnog njihala. (1) / (2) r = Lsinθ period: T 2rπ L cosθ = = 2π v g napetost niti: N G = = cosθ mg cosθ