Fizyka dla liceum/I zasada dynamiki

I zasada dynamiki

Dynamika - wstęp

Dynamika, podobnie jak kinematyka, opisuje ruch ciała, skupia się jednak na przyczynach tego ruchu.

Początkowo, przyczyny ruchu próbował opisać Arystoteles. Zauważył on, że ciało dąży do bycia nieruchomym, a porusza się jedynie, gdy działa na nie jakaś siła. Ziemię uważano za środek Wszechświata, do tego za zupełnie nieruchomą. Każde inne ciało do ruchu potrzebowało 'ciała popychającego'. Paradoksalnie jeden z większych przeciwników empiryzmu w historii oparł swoje stwierdzenie o powszechne, empiryczne przeświadczenie, że wszystkie ciała wokół nas w pewnym momencie tracą prędkość. Dzieje się tak, ponieważ na co dzień działamy w powietrzu - zderzenia z cząsteczkami powietrza powodują spowalnianie lotu wszystkich obiektów. Dywagacje Arystotelesa przekreśliło jednak dzieło Kopernika - mówiące, że to Ziemia porusza się wokół Słońca. Wynikało z tego, że planety poruszają się mimo braku 'popychającej siły'. Wbrew obserwacjom, okazuje się, że naturalnym stanem ciała nie musi być tylko spoczynek.

Pierwsza zasada dynamiki

Kolejny uczony - Isaac Newton - opisał przyczyny ruchu trzema zasadami dynamiki. Pierwsza zasada dynamiki Newtona mówi, że prędkość ciała nie zmienia się, jeśli nie działa na nie żadna siła.

I zasada dynamiki: Ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, jeśli nie działa na nie żadna siła, lub siły działające na to ciało równoważą się.

Musimy z tego pamiętać, że jeśli ciało ma się zacząć poruszać lub zmienić prędkość, musi zadziałać siła. I odwrotnie, jeśli nie działa żadna (wypadkowa) siła, ciało nie porusza się lub porusza się ruchem jednostajnym.

Podsumowanie - jeśli ciało porusza się i przyspiesza, to działa na nie jakaś siła. Jeśli ciało porusza się i zwalnia, również działa na nie jakaś siła (głownie siła tarcia - np. podłogi, asfaltu itd.). Jeśli ciało porusza się bez zmiany prędkości, to znaczy, że nie działa żadna siła - lub suma sił wynosi zero (co oznacza, że się równoważą).

Zasada ta tłumaczy, skąd się wziął błąd w teorii Arystotelesa ("naturalnym stanem ciała jest spoczynek"). Weźmy przykład: przedmiot, na który ktoś działa siłą, porusza się w pewien sposób. Jednak, jeśli siła od tej osoby przestanie występować, przedmiot powinien nadal poruszać się ruchem bez zmiany prędkości. Dlaczego więc dowolna, przesunięta czy popchnięta rzecz, po chwili się zatrzymuje? Spowodowane jest to tarciem - tarcie spowalnia ruch, aż do zatrzymania się. Jest siłą powodującą opóźnienie ruchu ciała. Dopiero gdyby pozbyć się siły tarcia, możemy powiedzieć, że nie występuje żadna siła i przedmiot będzie poruszał się w nieskończoność. Można przypomnieć sobie, jak poruszają się przedmioty po śliskiej powierzchni - jest małe tarcie, więc słabiej wpływa na ruch i przedmiot minimalnie hamuje. Więcej o sile tarcia w dalszych częściach podręcznika.

Układ inercjalny

Jak wiemy z względności ruchu, można powiedzieć, że ciało spoczywa, możemy równocześnie powiedzieć że się porusza - zależy, względem jakiego układu odniesienia to opiszemy. Na przykład, stojący człowiek nie porusza się względem Ziemi, ale porusza się względem Słońca. Również we wspomnianej zasadzie dynamiki musimy uwzględnić różnice w wyborze układu odniesienia.

I zasada dynamiki mówi nam, że ciało, na które nie działa siła lub siły te się równoważą, porusza się z ze stałą prędkością lub spoczywa. Wiemy jednak, że ruch jest względny, dlatego ruch ciała (porusza się i spoczywa) trzeba opisywać wobec konkretnego układu. Czy wobec wszystkich układów zasada ta jest spełniona? Okazuje się, że nie - dlatego wyróżniamy układy inercjalne (gdzie zasada ta zachodzi) oraz nieinercjalne (gdzie nie zachodzi).

Tak więc, pewne układy odniesienia są układami inercjalnymi - ruch ciała wobec tych układów spełnia I zasadę dynamiki. Mówi ona, że ciało nie zmienia swojej prędkości, jeśli nie działa na nie siła, czyli:

• jest w spoczynku

lub

• porusza się ruchem jednostajnym

wobec dowolnego układu inercjalnego. Układy inercjalne poruszają się względem siebie ruchem jednostajnym oraz nie występuje nigdzie przyspieszenie. Jeżeli jakiś układ przyspiesza, staje się układem nieinercjalnym - ponieważ ciała znajdujące się w nim również poruszają się ruchem przyspieszonym, mimo braku oddziaływania siły.

Przykład

Pasażer znajduje się w jadącym ze stałą prędkością pociągu. Nie działa na niego żadna siła (lub siły równoważą się), więc nie porusza się względem pociągu, co jest zgodne z I zasadą dynamiki. Pociąg jest więc dla pasażera układem inercjalnym. Ponadto, pociąg jedzie ze stałą prędkością, więc mówimy, że porusza się wobec innych układów ruchem jednostajnym (np. względem Ziemi).

Co się stanie jednak, jeśli pociąg przyspieszy? Zacznie poruszać się ruchem przyspieszonym, a wówczas prędkość pasażera - mimo braku działającej na niego dodatkowej siły - zacznie się zmieniać. Przeczy to I zasadzie dynamiki, dlatego przyspieszający pociąg jest już układem nieinercjalnym.

Układ nieinercjalny występuje więc, jeśli I zasada dynamiki nie jest spełniona. Wówczas ciało w tym układzie może zmieniać szybkość, mimo że nie działa na nie żadna siła, lub nie zmieniać prędkości, nawet jeśli działa na nie jakaś siła. Spowodowane to jest tym, że układ nieinercjalny porusza się ruchem przyspieszonym względem układów inercjalnych.