2.3. Pierwsza zasada dynamiki Newtona

Transkrypt

1 Wykład 3.3. Pierwsza zasada dynamiki Newtona 15 X 1997 r. z przylądka Canaveral na Florydzie została wystrzelona sonda Cassini. W 004r. minęła Saturna i wszystko wskazuje na to, że będzie dalej kontynuować lot poza układ słoneczny. Po opuszczeniu przez sondę układu słonecznego możemy przyjąć, że nie podlega ona żadnym oddziaływaniom. Jak będzie wyglądać jej ruch? 1

2 Wykład 3 Do ruchu sondy możemy zastosować pierwsze prawo dynamiki. Brak oddziaływań Dla cząstki nie podlegającej oddziaływaniu z otoczeniem istnieje układ odniesienia, w którym ona spoczywa lub porusza się bez przyspieszenia (tj. ruchem jednostajnym prostoliniowym) v = const = 0 a Pierwsze prawo dynamiki (tzw. zasada bezwładności) Prawo to nie jest spełnione we wszystkich układach odniesienia!

3 .4. Układy inercjalne. Wykład 3 Układ odniesienia, w którym jest słuszna pierwsza zasada dynamiki, nazywamy inercjalnym. Pierwsza zasada dynamiki postuluje istnienie układów inercjalnych. Istnieje nieskończenie wiele układów inercjalnych, poruszających się względem siebie jednostajnie i prostoliniowo. Brak oddziaływań Sonda jako ciało odosobnione jest układem inercjalnym. Gdy na sondę działają siły grawitacji planet jej ruch jest zmienny, prędkość nie jest stała i układ z nią związany jest układem nieinercjalnym. Pierwsza zasada nie jest spełniona. Np. pewien nieumocowany element pozostaje w spoczynku względem ścianki, gdy prędkość sondy jest stała. Jeśli zacznie przyspieszać, to element zachowa się jak pasażer przyspieszającego samochodu. 3

4 Zauważmy, że Wykład 3 Pierwsza zasada dynamiki nie mówi nic o sytuacji, gdy na ciało działają siły, których wypadkowa jest równa zeru! Zachowanie ciał w takiej sytuacji wyjaśnia druga zasada. W nieobecności zewnętrznych sił i w układzie inercjalnym ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ze stałą prędkością (po linii prostej). 4

5 .5. Masa i pęd ciała Wykład 3 Oddziaływanie innych ciał na dane ciało powoduje zmianę jego prędkości v i pojawienie się przyspieszenie. Fakt doświadczalny: Jednakowe działania wywołują różne przyspieszenia dla różnych ciał. a Opór stawiany przez ciało przy próbie zmiany jego ruchu (czyli ) nosi nazwę bezwładności. Miarą bezwładności ciał jest masa bezwładna m b. Jest właściwością ciała, która wiąże siłę przyłożoną do ciała z uzyskiwanym przez nie przyspieszeniem. Jak wyznaczyć masę m b? v Należy przyjąć wzorzec m 0 i porównać przyspieszenie a danego ciała z przyspieszeniem a 0 wzorca, wywołane takim samym oddziaływaniem a a 0 = m m m b b = 0 m 0 a a 0. 5

6 Wykład 3 Masa występuje w dwóch różnych prawach: w prawie powszechnej grawitacji (masa grawitacyjna m g ), gdzie charakteryzuje zdolność ciał do oddziaływań grawitacyjnych, w drugim prawie dynamiki Newtona (masa bezwładna m b ), gdzie jest miarą bezwładności ciała. Czy istnieje różnica między m g a m b? Fakty doświadczalne przemawiają za tym, że m g i m b są z dużą dokładnością proporcjonalne do siebie, a przy odpowiednim doborze jednostek mamy m g = m b ; stąd mówimy tylko o masie, bez rozróżniania na masę grawitacyjną i bezwładną. 6

7 Wykład 3 Eksperymenty Galileusza ze spadaniem ciał spuszczanych z krzywej wieży w Pizie doprowadziły go do wniosku, że wszystkie ciała spadają z takim samym przyspieszeniem g (przy zaniedbaniu oporu powietrza). an/galileosexperiment_ho.jpg Jeśli każde ciało przyciągane przez Ziemię siłą o wartości M zmg F = γ Rz to uzyskuje przyspieszenie F M zmg a = = γ m R m b z b leaningtower1.jpg?w=460&h=616 Z doświadczenia wynika, że to przyspieszenie jest jednakowe dla wszystkich ciał (γ również). Stąd stosunek m g = m b ma taką samą wartość dla wszystkich ciał. 7

8 Wykład 3 W mechanice klasycznej masa ciała przyjmowana jest za wielkość stałą. Jeśli chcemy opisywać zmiany ruchu wygodnie jest wprowadzić pęd cząstki, wielkość zdefiniowaną jako iloczyn masy (miary bezwładności) i prędkości: mv p = mv p = 8

9 Wykład 3.6. Druga zasada dynamiki Newtona Za zmianę ruchu ciała jest odpowiedzialna siła. W inercjalnym układzie odniesienia, przyspieszenie ciała jest wprost proporcjonalna do wartości siły wypadkowej, a kierunek i zwrot są zgodne z kierunkiem i zwrotem siły wypadkowej. Współczynnik proporcjonalności jest równy odwrotności masy bezwładnej. ma = F wyp Prawo to jest słuszne w układach inercjalnych i dla ciał o stałej masie. Nie można go stosować np. w przypadku ruchu rakiety wynoszącej satelitę na orbitę, bowiem jej masa ulegała zmianie w miarę spalania paliwa w silnikach rakietowych. 9

10 Wykład 3 W dynamice klasycznej przyjmuje się, że masa ciała nie ulega zmianie, m=const. Stąd ma dv = m = dt d( mv) dt = dp dt I drugie prawo Newtona można wyrazić następująco: szybkość zmiany pędu ciała jest równa wypadkowej sile działającej na to ciało: dp dt = F wyp 10

11 Wykład 3.7. Trzecia zasada dynamiki F N = F S F A F S F A. F A = F R F R Siła akcji - Siła reakcji -. F Siła grawitacji Tytana - F g Siła nacisku na powierzchnię Tytana - F N = F A Siła sprężystości - F S = F R g F N Gdy dwa ciała oddziałują wzajemnie na siebie, to siła wywierana przez pierwsze ciało na drugie (siła akcji) jest równa i przeciwnie skierowana do siły, jaką ciało drugie wywiera na pierwsze (siła reakcji). Siły te nie równoważą się, gdyż każda jest przyłożona do innego ciała. Oddziaływania nie mogą rozchodzić się z prędkością większą niż prędkość światła w próżni c km/s. Wynika stąd ograniczenie trzeciej zasady dynamiki. 11

12 Wykład 3.8. Zastosowanie drugiej zasady dynamiki Jak znaleźć ruch ciała, tj. zależność r = r (t), jeśli znamy siłę wypadkową działającą na to ciało? Druga zasada dynamiki może być zapisana w postaci równania wektorowego - równania ruchu Newtona: m = F,,, r t gdzie d a = v = dt d r, dt dr F r,, t dt d dt r dr dt - siła wypadkowa, która może być zależna od położenia, prędkości oraz czasu. Jeśli znane są warunki początkowe, tj. w chwili początkowej t 0 znamy: r = v ( v t = 0 ) 0 i r ( t r = 0 ) v (t) r ( t) = x( t) i + y( t) j + z( t) k. możemy znaleźć z równania ruchu a następnie 0 (całkując równanie ruchu), 1

13 Wykład 3 Znajomość sił działających na cząstkę (inaczej: ciało) i warunków początkowych ( v i r 0 0 w chwili t 0 ) pozwala znaleźć jednoznaczny opis stanu ruchu cząstki w dowolnej chwili, czyli funkcję. r (t) Rozważmy przypadek równoważenia się wszystkich sił działających na ciało. Jeśli wypadkowa siła równa się zeru F wyp n = F i= 1 i = 0 a = 0 T i ciało może pozostawać w równowadze lub poruszać się ze stałą prędkością v. Q = Q + T = F wyp 0, 13

14 Wykład 3 W styczniu 005 r. na Tytanie, księżycu Saturna wylądował próbnik Huyghens, który odłączył się od Cassini. F op F g = 0. a Gdy siły działające na próbnik lądujący na Tytanie: siła grawitacji i siła oporu zrównoważyły się: F g F = + op to jego przyspieszenie a=0 i zaczął się on poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym. 0, = 0. a 14

15 Rozważmy przypadek stałej siły wypadkowej. Wykład 3 F = const Rozwiązując równanie ruchu ma = F, z warunkami początkowymi v ( v t = 0 ) 0 i r ( t r = 0 ) 0 dostajemy wyrażenia na prędkość i wektor położenia: a F = m v( t) = v0 + ( F / m)( t t0) v x ( t) = v0x + Fx ( t t0) / m v y ( t) = v0 y + Fy ( t t0) / m v z ( t) = v0z + Fz ( t t0) / m 15

16 v( t) = v0 + ( F / m)( t t0) dr dt 1 = v + F t ) 0 ( t m 0 r ( t) = r t Wykład v0 ( t t0) + [ F /(m)]( t 0) o składowych: x( t) = x0 + v0x( t t0) + Fx ( t t0) /(m) y( t) = y0 + v0 y ( t t0) + Fy ( t t0) /(m) z( t) 0 + 0z ( t t0) + Fz ( t t0) /(m = z v ) Jeśli wypadkowa siła jest stała mamy do czynienia z ruchem jednostajnie przyspieszonym, a prędkość wektor położenia dane są równaniami r (t) v (t) Stałe siły, to np. siła ciężkości Q = mg, siła tarcia kinetycznego (po jednorodnym podłożu ) T f N, siła działająca na ładunek w stałym, jednorodnym polu elektrycznym F qe k = k i = 16

17 Przykład stałej siły x F s F 1 T F 0 k = f k Wykład 3 Podczas przesuwania jednego ciała po drugim występuje stała siła tarcia kinetycznego N, proporcjonalna do siły wzajemnego nacisku ciał N T k : N, - f n współczynnik tarcia kinetycznego F F 0 stała siła działająca na klocek, siła sprężystości podłoża, F s = N s Równanie ruchu: ma F = 0 + Q + F s + T k T k α Q = Q F F 1 + F N Obieramy układ współrzędnych x,y. Równanie ruchu zastępujemy przez równania skalarne: ma x = F0 fk N F 1, ma = F, y s F Wzdłuż osi x: max = F0 fk N mg sinα, Wzdłuż osi y: 0 = F s mg cosα, ruch jednostajnie przyspieszony, jeśli brak ruchu. F0 > fk N + mg sinα, Prędkość i położenie klocka w obu przypadkach znajdziemy ax = ( F 0 mg( fk cosα + sinα) / m. korzystając z równań 17

18 Ruch w polu stałej siły, cd. Wykład 3 y O Rozwiążmy przypadek ruchu cząstki o masie m i ładunku q w jednorodnym, stałym polu elektrycznym o natężeniu E. v 0 m, q F e r 0 Q x E Równanie ruchu: Warunki początkowe: r 0) = r = ( x, Analiza ruchu ma ma ( 0 0 y0 = Q + F e, = mg + qe, ), v ( 0) = v 0 = ( v0,0). W kierunku osi x działa stała siła F x =F e =qe; ruch jednostajnie przyspieszony. W kierunku osi y działa stała siła F y =Q = mg; ruch jednostajnie przyspieszony. W kierunku osi z nie działa żadna siła, cząstka nie ma składowej prędkości początkowej więc nie ma ruchu. ma x = qe, ma = mg. y 18

19 v( t) = v0 + ( F / m)( t t0) Wykład 3 obliczamy składową prędkości dla każdego kierunku: qe qe v x ( t) = v0 + t, v y ( t) = gt, v( t) = v0 + t + g t. m qe v m ( t) = v ˆ 0 + t i g t ˆ. j m r ( t) r ( t) = r t 0 + v0 ( t t0) + [ F /(m)]( t 0) obliczamy współrzędne położenia : qe x ( t) = x0 + v 0t + t, 1 y( t) = y, m 0 gt qe 1 1 = r0 + v0 t + E t + g t = t t i ( y m x0 + v m 1 gt ) j każde równanie ruchu, w którym siła wypadkowa jest stała rozwiązuj według przedstawionego wyżej schematu. 19

20 Wykład 3 Ruch pod wpływem siły zależnej od prędkości Czy potrafimy przewidzieć ruch nurka opadającego w głębiny morza? Zacznijmy od ustalenia jakie działają na niego siły: siła ciężkości: Q = mg siła wyporu: F V = ρw g Pamiętasz prawo Archimedesa? siła oporu lepkiego: A F v o = b A następnie zapisujemy drugą zasadę dynamiki: ma = Q + F A + F o. a = ( mg ρwvg bv ) / m, Zauważmy, że przyspieszenie nurka jest funkcją prędkości! a = a (v ) Z niej możemy wyznaczyć przyspieszenie: (b stała) 0

21 Przeanalizujmy jego ruch. Wykład 3 Dwie pierwsze siły są stałe, zmienia się tylko siła lepkości. Od jej wielkości zależy, czy prędkość nurka będzie rosła, czy Należy się spodziewać, że dla pewnej prędkości granicznej v malała. gr a = 0, v gr = ( mg ρwvg ) / b, i nurek zacznie się poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym. Wyrażenie na prędkość nurka v (t) do momentu osiągnięcia v znajdziemy gr całkując równanie ruchu i znając jego prędkość w momencie zanurzenia. Jeśli w momencie zanurzenia wartość prędkości nurka była równa 0, to dostaniemy: v( t) = v gr (1 e bt / m ) v v gr Kolejne całkowanie pozwoli znaleźć położenie nurka w dowolnej chwili t. t 1

22 Podsumowanie Wykład 3 Ruch ciała, będący rezultatem występujących oddziaływań, możemy przewidzieć rozwiązując odpowiednie równania klasycznej dynamiki opartej na prawach (zasadach) Newtona. ma = i F i Stwierdzenie to wyraża zasadę przyczynowości (determinizmu) mechaniki klasycznej. Przejaw determinizmu mechaniki klasycznej

23 .8. Nieinercjalne układy odniesienia Wykład 3 N Jakie siły działają na osobę poruszająca się na karuzeli? Siła ciężkości: Q = mg Siła sprężystości liny: N Siła odśrodkowa: F od Na karuzeli poruszamy się ruchem przyspieszonym. Q F od Dwie pierwsze są miarą rzeczywistych oddziaływań. Skąd się bierze ta trzecia? F od Jest to siła bezwładności, pozorna siła nie będąca miarą żadnego oddziaływania, którą uwzględniamy w układach nieinercjalnych, aby stosować zasady dynamiki Newtona. Nieinercjalne układy odniesienia to układy poruszające się z przyspieszeniem względem pewnego referencyjnego układu inercjalnego S. a 0 3

24 Wykład 3 Siły bezwładności mają przeciwne zwroty do przyspieszenia układu: Obserwator w układzie inercjalnym opisze ruch zasadami dynamiki bez korzystania z sił bezwładności. F doś = Q ma = + N,. F doś F b = ma 0 N F doś Q W układzie inercjalnym obserwator stwierdza działanie siły dośrodkowej. Zapamiętaj: o sile odśrodkowej mówimy tylko w układzie nieinercjalnym, w inercjalnym mamy do czynienia z siłą dośrodkową, która jest odpowiedzialna za zakrzywienie toru ciała. 4

25 Wykład 3 Inne przykłady układów nieinercjalnych Startująca rakieta Ruszająca/hamująca winda Przyspieszający bolid 5

26 Uwaga! Wykład 3 W warunkach ziemskich układy są tylko w przybliżeniu inercjalnymi układami odniesienia! Ziemia wykonuje: ruch wirowy a w 3,34 10 m/s ruch po orbicie okołosłonecznej a S m/s i wraz ze Słońcem ruch względem środka galaktyki a G m/s i z każdym z tych ruchów związane jest przyspieszenie! 6