D Y N A M I K A Na początek kilka powodów dla których warto uczyć się dynamiki:

Podobne dokumenty
Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Dynamika

Elementy dynamiki klasycznej - wprowadzenie. dr inż. Romuald Kędzierski

DYNAMIKA SIŁA I JEJ CECHY

Oddziaływania te mogą być różne i dlatego można podzieli je np. na:

Podstawowy problem mechaniki klasycznej punktu materialnego można sformułować w sposób następujący:

Treści dopełniające Uczeń potrafi:

Oddziaływania. Wszystkie oddziaływania są wzajemne jeżeli jedno ciało działa na drugie, to drugie ciało oddziałuje na pierwsze.

Zasady dynamiki Newtona. dr inż. Romuald Kędzierski

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Wykład FIZYKA I. 3. Dynamika punktu materialnego. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zasady dynamiki Newtona. Pęd i popęd. Siły bezwładności

I ZASADA DYNAMIKI. m a

SZCZEGÓŁOWE WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI KLASA II

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

WYMAGANIA EDUKACYJNE PRZEDMIOT : FIZYKA ROZSZERZONA

Plan wynikowy z wymaganiami edukacyjnymi przedmiotu fizyka w zakresie rozszerzonym dla I klasy liceum ogólnokształcącego i technikum

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Plan wynikowy. z fizyki dla klasy pierwszej liceum profilowanego

DYNAMIKA dr Mikolaj Szopa

Blok 6: Pęd. Zasada zachowania pędu. Praca. Moc.

SIŁA JAKO PRZYCZYNA ZMIAN RUCHU MODUŁ I: WSTĘP TEORETYCZNY

Plan wynikowy fizyka rozszerzona klasa 2

VI. CELE OPERACYJNE, CZYLI PLAN WYNIKOWY (CZ. 1)

FIZYKA I ASTRONOMIA RUCH JEDNOSTAJNIE PROSTOLINIOWY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE OPÓŹNIONY

WYMAGANIA EDUKACYJNE FIZYKA ROK SZKOLNY 2017/ ) wyodrębnia z tekstów, tabel, diagramów lub wykresów, rysunków schematycznych

2.3. Pierwsza zasada dynamiki Newtona

1. Kinematyka 8 godzin

Wymagania edukacyjne z fizyki w klasie drugiej gimnazjum rok szkolny 2016/2017

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

Podstawy fizyki sezon 1 II. DYNAMIKA

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z FIZYKI

Spotkania z fizyka 2. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

Fizyka 4. Janusz Andrzejewski

Zasada zachowania pędu

ZASADY DYNAMIKI. Przedmiotem dynamiki jest badanie przyczyn i sposobów zmiany ruchu ciał.

Zakład Dydaktyki Fizyki UMK

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Podstawy fizyki. Wykład 3. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

Zasady dynamiki Newtona. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

Wymagania edukacyjne do nowej podstawy programowej z fizyki realizowanej w zakresie rozszerzonym Kinematyka

PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA

PRACA. MOC. ENERGIA. 1/20

Zasady dynamiki Newtona. Ilość ruchu, stan ruchu danego ciała opisuje pęd

DZIAŁ TEMAT NaCoBeZu kryteria sukcesu w języku ucznia

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Zasady dynamiki przypomnienie wiadomości z klasy I

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 4 26.X Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Zasady dynamiki Newtona

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

mgr Anna Hulboj Treści nauczania

FIZYKA Podręcznik: Fizyka i astronomia dla każdego pod red. Barbary Sagnowskiej, wyd. ZamKor.

Ćwiczenie: "Dynamika"

FIZYKA klasa 1 LO (4-letnie) Wymagania na poszczególne oceny szkolne Zakres podstawowy

Plan wynikowy z wymaganiami edukacyjnymi przedmiotu fizyka w zakresie podstawowym dla I klasy liceum ogólnokształcącego i technikum

Przedmiotowy system oceniania (propozycja)

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

FIZYKA KLASA 7 Rozkład materiału dla klasy 7 szkoły podstawowej (2 godz. w cyklu nauczania)

PLAN REALIZACJI MATERIAŁU NAUCZANIA FIZYKI W KLASIE PIERWSZEJ GIMNAZJUM WRAZ Z OKREŚLENIEM WYMAGAŃ EDUKACYJNYCH

Przykładowe zdania testowe I semestr,

SZCZEGÓŁOWE CELE EDUKACYJNE

Wymagania edukacyjne z fizyki poziom rozszerzony część 1

ROZKŁAD MATERIAŁU Z FIZYKI I ASTRONOMII KLASIE PIERWSZEJ W LICEUM PROFILOWANYM

Dynamika: układy nieinercjalne

Tarcie poślizgowe

Anna Nagórna Wrocław, r. nauczycielka chemii i fizyki

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Fizyka Podręcznik: Świat fizyki, cz.1 pod red. Barbary Sagnowskiej. 4. Jak opisujemy ruch? Lp Temat lekcji Wymagania konieczne i podstawowe Uczeń:

mgr Ewa Socha Gimnazjum Miejskie w Darłowie

Fizyka. Kurs przygotowawczy. na studia inżynierskie. mgr Kamila Haule

Kinematyka. zmiennym(przeprowadza złożone. kalkulatora)

Fizyka 1. zbiór zadań do gimnazjum. Zadania dla wszystkich FIZYKA 1. do gimnazjum

To jest fizyka 1. Rozkład materiału nauczania (propozycja)

R podaje przykłady działania siły Coriolisa

Mechanika teoretyczna

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

MECHANIKA 2 Wykład 7 Dynamiczne równania ruchu

Cele operacyjne Uczeń: Konieczne K. Dopełniające D podaje przykłady zjawisk fizycznych występujących w przyrodzie

I zasada dynamiki Newtona

KLASA I PROGRAM NAUCZANIA DLA GIMNAZJUM TO JEST FIZYKA M.BRAUN, W. ŚLIWA (M. Małkowska)

Podstawy fizyki sezon 1 III. Praca i energia

SZCZEGÓŁOWE KRYTERIA OCENIANIA Z FIZYKI NA POZIOMIE ROZSZERZONYM

Plan wynikowy (propozycja 61 godzin)

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, W11, PWr

8. OPORY RUCHU (6 stron)

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

Podstawy fizyki. Wykład 2. Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Program nauczania Fizyka GPI OSSP

Max liczba pkt. Rodzaj/forma zadania. Zasady przyznawania punktów zamknięte 1 1 p. każda poprawna odpowiedź. zamknięte 1 1 p.

14P POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI I ASTRONOMII. POZIOM PODSTAWOWY (od początku do grawitacji)

Sprawdzian Na rysunku przedstawiono siłę, którą kula o masie m przyciąga kulę o masie 2m.

WYMAGANIA SZCZEGÓŁOWE NA POSZCZEGÓLNE OCENY Z FIZYKI

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Elementy dynamiki mechanizmów

Transkrypt:

D Y N A M I K A Na początek kilka powodów dla których warto uczyć się dynamiki: od odkryć Galileusza i Newtona w dynamice rozpoczęła się nowoczesna fizyka jest stosunkowo łatwy na poziomie liceum zawiera wiele efektownych doświadczeń i pokazów Dynamika to dział fizyki zajmujący się badaniem oddziaływań ciał i jego wpływem na ich ruch. Rozważane oddziaływania można podzielić na: oddziaływania mechaniczne (konieczny jest bezpośredni kontakt oddziałujących ciał) oddziaływania na odległość nie wymagające bezpośredniego kontaktu oddziałujących ciał które dzielimy na: oddziaływania grawitacyjne (między każdymi ciałami mającymi masę) oddziaływania elektrostatyczne (między ciałami naładowanymi pozostającymi w spoczynku) oddziaływania magnetyczne (między ciałami wykazującymi właściwości magnetyczne) oddziaływania silne (między składnikami jądra atomowego) oddziaływania słabe (między niektórymi cząstkami elementarnymi) O istnieniu oddziaływań świadczą ich skutki; można je podzielić na: statyczne czyli odkształcenia oddziałujących ze sobą ciał dynamiczne polegające na zmianie parametrów ruchu oddziałujących ciał Wielkością fizyczną opisującą oddziaływania ILOŚCIOWO jest siła; mówimy że jest ona miarą oddziaływań. Siła jest to wielkość wektorowa jej jednostką jest 1N jego wartość określamy posługując się II zasadą dynamiki. undamentalne znaczenie dla opisu oddziaływań mają 3 zasady dynamiki Newtona; można je sformułować następująco: 1. Jeżeli siły działające na ciało równoważą się czyli ich wypadkowa jest zero to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym 1

2. Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się to ciało porusza się ruchem zmiennym z przyspieszeniem wprostproporcjonalnym do wartości siły wypadkowej w. Współczynnikiem proporcjonalności jest odwrotność masy ciała. a = w m 3. Oddziaływania ciał są zawsze wzajemne. Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, przeciwne zwroty i rózne punkty przyłożenia (każda do innego ciała więc nie mogą się równoważyć) Uwagi do zasad dynamiki: przypadek gdy na ciało nie działają żadnesiły jest tak nieprawdopodobny, że w pierwszej zasadzie dynamiki nie uwzględnionogo wcale pierwsza zasada dynamiki to inaczej zasada bezwładności którą najkrócej można sformułować tak: Do momentu gdy siły działające na ciało równoważą się to dąży ono do zachowania swojego stanu ruchu druga zasada dynamiki służy do zdefiniowania jednostki siły:siła ma wartość jednego Newtona gdy pod jej wpływem ciało o masie jednego kilograma uzyskuje przyspieszenie jednego metra na sekundę kwadrat 1N = 1kg1 m s 2 wszystkie trzy zasady dynamiki mają zastosowanie jedynie w układach inercjalnych wszystkie trzy zasady dynamiki w powyższym sformułowaniu mają zastosowanie jedynie w nierelatywistycznych układach odniesienia obowiązują jedynie w inercjalnych układach odniesienia Niezmiernie ważnymi siłamy pozwalającymi nie tylko w pełni zrozumieć zasady dynamiki Newtona ale i opisywać otaczającą nas rzeczywistość są siły tarcia o oporu aerodynamicznego. Mają one złożoną naturę, nie zawsze możliwe są do analitycznego wyznaczenia i co najważniejsze nie są zachowawcze co oznacza, 2

że praca tych sił zależy od długości drogi. W wyniku działania tych sił następuje zamiana (rozproszenie, dysypacja) energii mechanicznej na energię wewnętrzną (np. w wyniku działania sił tarcia ciało ogrzewa się) Uogólniona postać drugiej zasady dynamiki. Zasada zachowania pędu Jak pamiętamy w fizyce pęd ciała definiujemy jako iloczyn jego masy i prędkości: p = m v jednostką pędu w układzie SI jest zatem: [p] = kgm s 2 jak widać pęd jest wektorem o kierunku i zwrocie zgodnym z kierunkiem i zwrotem prędkości. Okazuje się, że pojęcie pędu jest szalenie ważnewe współczesnej fizyce; przykładowo w mechanice kwantowej w ogóle nie używa się pojęcia prędkości a operator pędu jest jednym z najważniejszych. Wracając do fizyki klasycznej, aby wyprowadzić uogólnioną postać II zasady dynamiki porównujemy kinematyczna...... i dynamiczną... a = v t a = m definicję przyspieszenia. Mamy wówczas: v t = m = m( v k v p ) t = p k p p t = p t Otrzymana uogólniona II zasada dynamiki ma, w odróżnieniu od klasycznej zasady, wiele zalet: pozwala analizować ruch ciał o zmiennej masie (np. rakiet) 3

pozwala analizować ruch ciał z prędkościami relatywistycznymi pozwala w prosty sposób wyprowadzić zasadę zachowania pędu Aby wyprowadzić zasadę zachowania pędu rozważmy układ n oddziałujących ze sobą ciał na które działają także siły zewnętrzne. Całkowity pęd takiego układu ciał jest oczywiście równy sumie pędów jego składników: p = p 1 +... + p n Na układ działają siły zewnętrzne i wewnętrzne (wzajemnego oddziaływania), mające na mocy III zasady dynamiki przeciwne zwroty i te same wartości. Zatem zmiana pędu układu pochodząca od sił wewnętrznych będzie równa zero (wypadkowa sił wewnętrznych działających NA JEDNO CIAŁO UKŁADU nie jest równa zero bo jak pamiętamy siły wewnętrzne przyłożone są do różnych ciał, ale wypadkowa sił wewnętrznych działających NA CAŁY UKŁAD jest równa zero). Korzystając uogólnionej postaci II zasady dynamiki napiszemy zatem: p t = wz + ww p ww = 0 t = wz Gdy wypadkowa sił zewnętrznych będzie równa zero ( wz = 0) to otrzymujemy zasadę zachowania pędu: p t = 0 p = const Gdy wypadkowa sił zewnętrznych działających na układ ciał jest równa zero co całkowity pęd układu pozostaje stały. Zasada ta jest jedną z fundamentalnych zasad zachowania w fizyce; zarówno w skali makro jak i mikro. Siła tarcia Niezależnie od tego jak dokładnie wypolerujemy dwie stykające się powierzchnie, zawsze będą one chropowate; zachodzenie na siebie tych chropowatości powoduje występowanie siły tarcia 4

Podział siły tarcia: TARCIE KINETYCZNE STATYCZNE TOCZNE POSLIZGOWE Tarcie statyczne dwie stykające się powierzchnie nie poruszają się względem siebie, Tarcie kinetyczne dwie stykające się powierzchnie poruszają się względem siebie, Tarcie kinetyczne toczne związane z toczeniem, poruszających się powierzchni (np. koło) Tarcie kinetyczne poślizgowe związane ze ślizganiem, poruszających się powierzchni (np. sanki) Właściwości siły tarcia: 1) Przy braku siły próbującej przesunąć dwie powierzchnie w kierunku poziomym tarcie nie występuje: T=0 2) Próba przesunięcia dwóch powierzchni w kierunku poziomym, prowadzi do pojawienia się siły tarcia statycznego ( T s ): T s 1 Ciało pozostaje w spoczynku, zatem na mocy pierwszej zasady dynamiki T s = 1 5

3) Zwiększając siłę próbującą wprawić ciało w ruch dochodzimy do takiej jej wartości że ciało jest jeszcze w spoczynku ale dalsze, niewielkie (dokładniej mówiąc nieskończenie małe) zwiększenie tej siły spowoduje już ruch ciała. Odpowiadającą siłę tarcia nazywamy maksymalną siłą tarcia statycznego ( T smax ) T smax 2 Ciało pozostaje w spoczynku, zatem na mocy pierwszej zasady dynamiki T smax = 2 Wielkością fizyczną określającą tarcie statyczne jest współczynnik tarcia statycznego; definiowany jako stosunek wartości maksymalnej siły tarcia statycznego do siły nacisku: f s = T smax N 4) Gdy wprawimy już ciało w ruch, jednostajny, prostoliniowy to siła tarcia statycznego nie działa, pojawia się natomiast tarcie kinetyczne. Siła tarcia kinetycznego jest stała i nie zależy od prędkości trących się ciał. (1) T k 3 Ciało porusza się jednostajnie i prostoliniowo, zatem na mocy pierwszej zasady dynamiki T k = 3 Wielkością fizyczną określającą tarcie kinetyczne jest współczynnik tarcia kinetycznego; definiowany jako stosunek wartości tarcia kinetycznego do siły nacisku: f k = T k N (2) Wiadomo, że przy przesuwaniu danego przedmiotu (np. szafki w pokoju) najtrudniej jest ją poruszyć a gdy to zrobimy to przesuwanie jest już prostsze. Obserwacja ta pokazuje że T smax > T k. Tłumaczymy to jak, że trudniej wydobyć jest ciało z chropowatości podłoża niż przesuwać je po tych chropowatościach Wyniki powyższego doświadczenia da się przedstawić na wykresie: 6

T T smax T k 45 Na osi poziomej pokazana jest zmiana siły zewnętrznej a na pionowej, zmiana siły tarcia. Z wykresu widać, że siła tarcia statycznego zmienia się od zera do wartości maksymalnej zaś tarcie kinetyczne ma stałą wartość Właściwości współczynników tarcia: są bezwymiarowe, są wyznaczane doświadczalnie (wyznaczenie teoretyczne jest bardzo trudne) zależą zarówno od materiału z jakiego jest wykonane ciało jak i materiału podłoża. Przeprowadzając proste doświadczenie z klockiem można pokazać, że siła tarcia: zależy od rodzaju powierzchni trących, zależy od siły nacisku jednej powierzchni na drugą, NIE zależy od pola powierzchni trących. Siły oporu aerodynamicznego Gdy ciało o danym kształcie porusza się w pewnym ośrodku materialnym to następuje ocieracie się ciała o cząsteczki ośrodka (lub inaczej mówiąc ruch cząsteczek ośrodka względem ciała), co powoduje powstanie siły oporu aerodynamicznego. Ma ona bardzo złożoną naturę i dlatego rozróżnia się dwa przypadki: 1. Małe prędkości poruszającego się ciała 2. Duże prędkości poruszającego się ciała Ad.1 W przypadku małych prędkości ciała w ośrodku działająca na niego siła oporu 7

jest wprostproporcjonalna do prędkości poruszania się ciała i opisuje ją prawo Stokesa: = 6ΠRµv gdzie: R promień kulki poruszającej się w cieczy, µ lepkość cieczy Powyższe prawo ma dwa istotne ograniczenia: obowiązuje jedynie gdy prędkość jest stała, obowiązuje jedynie gdy opływ cieczy wokół poruszającej się kulki jest laminarny (nie występują zawirowania) Ad.2 W przypadku dużych prędkości siła oporu aerodynamicznego jest wprostproporcjonalna do kwadratu prędkości i opisuje ją wzór: = 1 2 C xs v 2 gdzie: C x aerodynamiczny współczynnik kształtu, S powierzchnia natarcia (pole powierzchni rzutu powierzchni w kierunku ruchu), gęstość ośrodka. Dynamika ruchu jednostajnego po okręgu Jak pamiętamy w ruchu jednostajnym po okręgu na skutek zmiany kierunku prędkości występuje przyspieszenie dośrodkowe: a d = v2 R a zatem na podstawie drugiej zasady dynamiki możemy wnioskować, że na ciało poruszające się po okręgu musi działać siła; jest to siła dośrodkowa. Jej kierunek i zwrot pokrywa się z kierunkiem i zwrotem przuspieszenia dośrodkowego. 8

v d R a d d = ma d = mv2 R Nieinercjalne układy odniesienia, stan nieważkości Jak wiadomo, nieinercjalnym układem odniesienia nazywamy układ poruszający się ruchem zmiennym, czyli takim w którym v const. W większości naszych rozważań będzie to ruch jednostajnie zmienny, czyli taki w którym a = const Przykłady nieinercjalnych układów odniesienia: przyspieszający lub hamujący pojazd krzesełko karuzeli lub huśtawki ruszająca lub hamująca winda Najważniejszą cechą nieinercjalnych układów odniesienia jest to że odczuwamy w nich działającą na nas siłę (np. będąc w ruszającym autobusie) chociaż nie widzimy co jest jej żródłem. Okazuje się że jest to SIŁA BEZWŁADNOŚCI będąca konsekwencją zasady bezwładności (osoba w ruszającym autobusie chce pozostać w miejscu i stąd odczuwa działającą siłę) Siła bezwładności ma ten sam kierunek ale przeciwny zwrot co przyspieszenie układu nieinercjalnego w którym działa; jej wartość obliczamy następująco: b m a b = ma Definicja stanu nieważkości zależy od tego w jakim układzie odnienienia ją wprowadzamy i pomijając niefizyczny przypadek, w którym na ciało nie działają żadne siły mamy: 9

(układ inercjalny): stan w którym jenyną działającą na ciało siłą jest siła grawitacji, (układ nieinercjalny): stan w którym siła grawitacji zostaje zrównoważona przez siłę bezwładności Siła bezwładności jest tzw. siłą pozorną, ponieważ nie występuje w inercjalnych układach odniesienia. Ponadto dla sił bezwładności (czyli w nieinercjalnych układach odniesienia) nie mają zastosowania zasady dynamiki Newtona. Można zastosować jedynie drugą zasadę dynaminki ale w następującej formie: = m a + b Przykłady miejsc gdzie występuje stan nieważkości: spadająca swobodnie winda, statek kosmiczny na orbicie okołoziemskiej. Należy w tym miejscu podkreślić, że na np. międzynarodowej stacji kosmicznej panuje stan nieważkości nie dlatego, że jest ona tak daleko od Ziemii, że siła grawitacji jest równa zero ale z powodu tego, że siła grawitacji na stacji kosmicznej została zrównoważona przez siłę odśrodkową 10