Storia delle dinamiche, quali studi, leggi e teorie

IL dinamico È l'area dei meccanici che studia le interazioni tra i corpi e i loro effetti. Si occupa di descriverli qualitativamente e quantitativamente, oltre a prevedere come si evolveranno nel tempo.

Applicando i suoi principi, è noto come il movimento di un corpo venga modificato quando interagisce con gli altri, e anche se queste interazioni lo deformano, poiché è perfettamente possibile che entrambi gli effetti si verifichino contemporaneamente.

Figura 1. Le interazioni cicliste modificano il loro movimento. Fonte: Pixabay.

Le credenze del grande filosofo greco Aristotele (384-322 a.C.) prevalse come fondamento delle dinamiche in Occidente per secoli. Pensava che gli oggetti si muovessero a causa di un qualche tipo di energia che li spinse in una direzione o nell'altra.

Ha anche osservato che mentre un oggetto viene spinto, si muove a velocità costante, ma quando smette di spingere, si muove sempre più lentamente fino a quando non si ferma.

Secondo Aristotele, l'azione di una forza costante era necessaria per garantire che qualcosa si muovesse a velocità costante, ma ciò che accade è che questo filosofo non aveva gli effetti dell'attrito.

Un'altra idea era che gli oggetti più pesanti cadessero più velocemente dei più leggeri. Fu il grande Galileo Galilei (1564-1642) a dimostrare con esperimenti che tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione indipendentemente dalla loro massa, disprezzando gli effetti viscosi.

Ma è Isaac Newton (1642-1727), lo scienziato più notevole che ha vissuto finora, che è considerato un padre delle dinamiche moderne e del calcolo matematico, insieme a Gottfried Leibniz.

figura 2. Isaac Newton nel 1682 di Godfrey Kneller. Fonte: Wikimedia Commons.

Le sue famose leggi, formulate durante il diciassettesimo secolo, mantengono oggi la stessa validità e freschezza. Costituiscono la base della meccanica classica, che ci vediamo e colpiamo ogni giorno. Su queste leggi saranno discusse a breve.

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Quali studi dinamici?

Dynamics Study Interaction tra oggetti. Quando gli oggetti interagiscono ci sono cambiamenti nel loro movimento e anche deformazioni. Una particolare area chiamata statica, è dedicata a quei sistemi in equilibrio, che sono a riposo o con movimento rettilineo uniforme.

Applicare i principi della dinamica è possibile prevedere, attraverso equazioni, quali saranno i cambiamenti e l'evoluzione degli oggetti nel tempo. Per questo, alcune ipotesi sono stabilite in base al tipo di sistema che si desidera studiare.

Particelle, solidi rigidi e mezzi continui

Il modello di particelle è il più semplice per iniziare ad applicare i principi della dinamica. Si presume che l'oggetto da studiare abbia una massa, ma non le dimensioni. Pertanto una particella può essere piccola come un elettrone o grande quanto la terra o il sole.

Quando si desidera osservare l'effetto della dimensione della dinamica, è necessario considerare la dimensione e la forma degli oggetti. Un modello che tiene conto di questo è quello del solido rigido, un corpo con dimensioni misurabili composte da molte particelle, ma che non è deformato sotto gli effetti delle forze.

Infine, la meccanica dei media continui tiene conto non solo delle dimensioni dell'oggetto, ma anche delle loro caratteristiche particolari, inclusa la capacità di deformarsi. I media continui coprono solidi rigidi e quelli che non lo sono, oltre ai fluidi.

Le leggi di Newton

La chiave per capire come funziona la dinamica nella piena comprensione delle leggi di Newton, che collegano quantitativamente le forze che agiscono su un corpo con i cambiamenti nel loro stato di movimento o riposo.

La prima legge di Newton

Spiegazione della prima legge di Newton. Fonte: sé realizzato.

Lo dice:

Quando la forza netta su un oggetto è uguale a zero, l'oggetto continuerà a riposo se era a riposo. E se si muoveva, il suo movimento sarà rettilineo e costantemente.

La prima parte dell'affermazione sembra abbastanza ovvia, poiché è evidente che un oggetto a riposo rimarrà così, a meno che non sia disturbato. E per questo è richiesta una forza.

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D'altra parte, il fatto che un oggetto rimanga in movimento anche quando la forza netta su di esso è zero, è un po 'più difficile da accettare, poiché sembra che un oggetto possa essere in moto indefinitamente. E l'esperienza quotidiana ci dice che le cose prima o poi si fermano.

La risposta a questa apparente contraddizione è in attrito. In effetti, se un oggetto si muoveva su una superficie perfettamente liscia, potrebbe farlo indefinitamente nel caso in cui nessun'altra forza varia il movimento.

Poiché è impossibile eliminare completamente l'attrito, la situazione in cui un corpo si muove indefinitamente a velocità costante è un'idealizzazione.

Infine, è importante notare che sebbene la forza netta sia nulla, ciò non rappresenta necessariamente l'assenza totale delle forze sull'oggetto.

Gli oggetti sulla superficie terrestre sperimentano sempre l'attrazione gravitazionale. Un libro di riposo supportato su un tavolo rimane così, perché la superficie del tavolo esercita una forza che contrasta il peso.

Seconda legge di Newton

Spiegazione della seconda legge di Newton. Fonte: sé realizzato.

Nella prima legge di Newton, è stabilito ciò che accade a un oggetto su cui è nullo la forza netta o risultante. Ora la legge fondamentale delle dinamiche di Newton o della seconda legge indica cosa accadrà quando la forza netta non sarà annullata:

Se una forza netta esterna F Agisce su un oggetto di massa m, sperimenterà un proporzionale accelerazione per la forza e nella stessa direzione. Matematicamente:

F_Netto = mA.

In effetti, maggiore è una forza applicata, maggiore è il cambiamento nella velocità di un oggetto. E se la stessa forza si applica agli oggetti di masse diverse, i principali cambiamenti saranno vissuti dal più leggero e più facili da spostare. L'esperienza quotidiana concorda con queste affermazioni.

La terza legge di Newton

Un razzo spaziale riceve la propulsione necessaria grazie ai gas espulsi. Fonte: Pixabay.

Le prime due leggi di Newton si riferiscono a un singolo oggetto. Ma la terza legge si riferisce a due oggetti. Li nomineremo oggetto 1 e oggetto 2:

Interagendo due oggetti, le forze che si esercitano sono sempre uguali sia in grandezza che in direzione, ma di significato opposto, che in modo matematico è espresso come segue:

F₁₂ = -F_ventuno

In effetti, ogni volta che un corpo è influenzato da una forza, è perché ce n'è un altro responsabile di causarla. Quindi, gli oggetti sulla terra hanno peso, perché li attira verso il loro centro. Una carica elettrica è respinta da un altro carico con lo stesso segno, perché esercita una forza di repulsione sul primo, e quindi.

Figura 3. Sommario della legge di Newton. Fonte: Wikimedia Commons. Hugo4914 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)].

Principi di conservazione

In dinamica ci sono diverse quantità che vengono conservate durante il movimento e il cui studio è fondamentale. Sono come una colonna solida a cui è possibile essere soggetti a risolvere problemi in cui le forze variano da modi molto complessi.

Un esempio: proprio quando due veicoli si scontrano, l'interazione tra loro è molto intensa ma breve. Così intenso che altre forze devono essere prese in considerazione, pertanto i veicoli possono essere considerati come un sistema isolato.

Ma descrivere questa intensa interazione non è un compito facile, poiché si tratta di forze che variano nel tempo e anche nello spazio. Tuttavia, supponendo che i veicoli costituiscano un sistema isolato, le forze tra i due sono interne e la quantità di movimento viene conservata.

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Mantenere la quantità di movimento è possibile prevedere come i veicoli si muoveranno subito dopo la collisione.

Di seguito sono riportati due dei più importanti principi di conservazione delle dinamiche:

Conservazione dell'energia

In natura si distinguono due tipi di forze: conservativo e non conservato. Il peso è un buon esempio del primo, mentre l'attrito è del secondo.

Bene, le forze conservatrici sono caratterizzate perché forniscono la possibilità di conservare l'energia nella configurazione del sistema. È l'energia potenziale così chiamata.

Quando un corpo ha un'energia potenziale grazie all'azione di una forza conservativa come il peso ed entra in moto, tale energia potenziale sta diventando energia cinetica. La somma di entrambe le energie è chiamata energia meccanica del sistema ed è quella che è conservata, cioè rimane costante.

Essere O Energia potenziale, K energia cinetica e E_M Energia meccanica. Se agisci su forze conservatrici su un oggetto, è soddisfatto:

E_M = U + k = costante

Perciò:

E_{M iniziale} = E_{M finale}

Conservazione della quantità di movimento

Questo principio è applicabile non solo quando due veicoli si scontrano. È una legge di fisica con un ambito che va oltre il mondo macroscopico.

La quantità di movimento è conservata a livello di sistemi solari, stellari e galassie. E lo fa anche all'atomo e al nucleo atomico, nonostante il fatto che ci sia la meccanica newtoniana di essere valida.

Essere P La quantità di movimento vettoriale dato da:

P = m.v

Derivare P Per quanto riguarda il tempo:

DP /dt = d [m.v]/dt

Se l'impasto rimane costante:

DP /dt = m dv/dt = m.A

Pertanto possiamo scrivere la seconda legge di Newton in questo modo:

F_Netto = dP /dt

Se due corpi m₁ e m₂ Costituiscono un sistema isolato, le forze tra loro sono interne e secondo la terza legge di Newton, sono uguali e opposte F₁ = -F₂, essendo soddisfatto questo:

DP₁ /dt = - dP₂/dt → d [P₁ + P₂]/dt = 0

Se il derivato rispetto al tempo di una grandezza è nullo, significa che tale grandezza rimane costante. Pertanto, in un sistema isolato, si può affermare che la quantità di movimento del sistema è preservata:

P₁ + P₂ = costante

Comunque, P₁ E P₂ Possono variare individualmente. La quantità di movimento di un sistema può essere ridistribuita, ma ciò che conta è che la sua somma rimane invariata.

Concetti iniziati in dinamica

Ci sono molti concetti importanti nelle dinamiche, ma due di loro si distinguono: massa e forza. Sulla forza è già stato menzionato prima e poi c'è un elenco dei concetti più importanti che compaiono nello studio della dinamica:

Inerzia

È la proprietà che gli oggetti devono resistere ai cambiamenti nel loro stato di riposo o movimento. Tutti gli oggetti con massa hanno inerzia e sono vissuti molto frequentemente, ad esempio quando si viaggia in un'auto che accelera, i passeggeri tendono a rimanere a riposo, che è percepito come una sensazione di attaccare il backup del sedile.

E se l'auto si ferma bruscamente, i passeggeri tendono a lasciare Brucs, in seguito al movimento in avanti che avevano in precedenza, quindi è importante trasportare sempre le cinture di sicurezza.

Figura 4. Quando viaggiano in auto, l'inerzia ci fa passare da Bruces quando l'auto frena bruscamente. Fonte: Pixabay.

Massa

La massa è la misura dell'inerzia, poiché maggiore è la massa di un corpo, più è difficile spostarla o far cambiare il movimento. La massa è una quantità scalare, ciò significa che per specificare la massa di un corpo è necessario dare il valore numerico più l'unità selezionata, che può essere chili, chili, grammi e altro ancora.

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Peso

Il peso è la forza con cui la terra attrae il suo centro gli oggetti che sono vicini alla sua superficie.

Poiché è una forza, il peso è vettoriale, quindi è completamente specificato quando sono indicate la sua grandezza o il suo valore numerico, la sua direzione e il suo significato, che già sappiamo che sia verticalmente verso il basso.

Pertanto, sebbene correlati, peso e massa non siano gli stessi, nemmeno equivalenti, poiché il primo è un vettore e il secondo un scalare.

Sistemi di riferimento

La descrizione di un movimento può variare a seconda del riferimento scelto. Coloro che salgono in un ascensore sono a riposo secondo un insieme di riferimento fisso a questo, ma visti da un osservatore a terra.

Se un corpo sperimenta un movimento per quanto riguarda un quadro di riferimento, ma in un altro è a riposo, le leggi di Newton non possono essere applicate ad entrambi. In effetti, le leggi di Newton sono applicabili a determinati sistemi di riferimento: quelli inerziali.

Nel sistemi di riferimento inerziali, I corpi non accelerano a meno che non siano disturbati in qualche modo -bypassing di una forza-.

Forze fittizie

Le forze fittizie o pseudo-force compaiono quando il movimento di un corpo viene analizzato in un quadro di riferimento accelerato. Una forza fittizia si distingue perché non è possibile identificare l'agente responsabile del suo aspetto.

La forza centrifuga è un buon esempio di forza fittizia. Tuttavia, il fatto che lo sia, non lo rende meno reale per coloro che lo sperimentano quando si girano nelle loro auto e sentono che una mano invisibile li spinge fuori dalla curva.

Accelerazione

Questo importante vettore era già stato menzionato prima. Un oggetto sperimenta l'accelerazione fintanto che esiste una forza che varia la sua velocità.

Lavoro ed energia

Quando una forza agisce su un oggetto e cambia posizione, la forza ha fatto un lavoro. E questo lavoro può essere immagazzinato in forma di energia. Pertanto, il lavoro viene svolto sull'oggetto, grazie al quale acquisisce energia.

L'esempio seguente chiarisce il punto: supponiamo che una persona aumenti una certa altezza sopra il livello del pavimento.

Per fare ciò, è necessario applicare una forza e superare la gravità, quindi fa un lavoro sul piatto e questo lavoro è conservato sotto forma di energia potenziale gravitazionale nel vaso, proporzionale alla massa di essa e all'altezza che ha raggiunto Il pavimento:

U = m.G.H

Dove M È l'impasto, G È gravità e H È l'altezza. Cosa può fare la pentola una volta fatto H? Bene, potrebbe cadere e, quando cade, l'energia potenziale gravitazionale ha diminuito, mentre l'energia cinetica o di movimento sta aumentando.

Affinché una forza funzioni, è necessario produrre uno spostamento che deve essere parallelo per forzare. Se ciò non accade, la forza agisce ancora sull'oggetto, ma non ci lavora su.

argomenti correlati

La prima legge di Newton.

Seconda legge di Newton.

La terza legge di Newton.

Legge sulla conservazione della materia.

Riferimenti

1. Bauer, w. 2011. Fisica per ingegneria e scienze. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, d. 2005. Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 2. Dinamico. A cura di Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 ° ... Ed Prentice Hall.
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7. Wikipedia. Dinamico. Recuperato da: è.Wikipedia.org.