Ruch krzywoliniowy4.1 Wstęp
Dotychczas zajmowaliśmy się wyłącznie opisem ruch (za
pomocą wektorów r, v, oraz a).
Były to rozważania geometryczne. Teraz omówimy przyczyny ruchu, zajmiemy
się dynamiką. Nasze rozważania ograniczymy do przypadku ciał
poruszających się z małymi (w porównaniu z prędkością światła c)
prędkościami tzn. zajmujemy się mechaniką klasyczną.
Żeby móc przewidzieć to jaki będzie ruch ciała wywołany
siłą na nie działającą trzeba wiedzieć jakiego rodzaju jest to siła i
skąd się bierze.
Dlatego rozpoczniemy nasze rozważania od poznania podstawowych oddziaływań oraz od zdefiniowania masy, pędu i wprowadzenia pojęcia siły F. Następnie poszukamy praw rządzących oddziaływaniami, a w dalszych częściach zajmiemy się poszczególnymi oddziaływaniami występującymi w przyrodzie.
Oddziaływania podstawowe
Według naszej dotychczasowej wiedzy istnieją tylko
cztery podstawowe oddziaływania (siły) 
,
z których wynikają wszystkie siły i oddziaływania zaobserwowane we Wszechświecie:
- Oddziaływanie grawitacyjne - siła grawitacyjna działa na wszystkie masy (jest siłą powszechną)
i pochodzi od mas; ma długi zasięg i najmniejsze względne natężenie;
- Oddziaływanie elektromagnetyczne - siła elektromagnetyczna działa na ładunki i prądy i jej źródłem są ładunki i prądy;
ma długi zasięg. Siły międzyatomowe mają charakter elektromagnetyczny ponieważ atomy zawierają naładowane elektrony i protony.
Większość sił z jakimi spotykamy się na co dzień np. tarcie, siła sprężystości jest wynikiem oddziaływania atomów,
są to więc siły elektromagnetyczne. Oddziaływanie elektromagnetyczne ma wielokrotnie większe natężenie od grawitacyjnego;
- Oddziaływanie jądrowe (silne) - siła utrzymująca w całości jądra atomowe pomimo odpychania między protonami (ładunki dodatnie),
ma bardzo krótki zasięg i największe względne natężenie;
- Oddziaływanie słabe - temu oddziaływaniu podlegają wszystkie cząstki elementarne,
w szczególności oddziaływanie to odpowiada za rozpady cząstek elementarnych.
W tabeli poniżej zestawione są cztery oddziaływania podstawowe.
Tab. 4.1. Oddziaływania podstawowe
| Oddziaływanie | Źródło oddzialywania | Względne natężenie | Zasięg |
|---|---|---|---|
| Grawitacyjne | Masa | około 10-38 | Długi |
| Elektromagnetyczne | Ładunek elektryczny | około 10-2 | Długi |
| Jądrowe | min. protony, neutrony | 1 | Krótki (około 10-15 m) |
| Słabe | cząstki elementarne | około 10-15 | Krótki (około 10-18 m) |
Masa
Nasze rozważania rozpoczniemy od przypisania ciałom masy m,
żeby opisać fakt, że różne ciała wykonane z tego samego materiału, w
tym samym otoczeniu uzyskują pod działaniem tej samej siły różne
przyspieszenia (np. pchamy z całą siłą dwa rożne pojazdy
"lekki" i "ciężki" i uzyskują one różne a).
Zaproponowana poniżej metoda postępowania jest jednym z równoważnych sposobów
definiowania masy. Opiera się ona na porównaniu nieznanej masy m z wzorcem
masy m0 = 1 kg. Pomiędzy masami umieszczamy ściśniętą sprężynę i
następnie zwalniamy ją. Masy m i m0, które początkowo spoczywały polecą
odrzucone w przeciwnych kierunkach odpowiednio z prędkościami v i
v0
(zobacz rysunek-animację 4.1).
Kliknij w dowolnym miejscu na rysunku żeby uruchomić animację. Ponowne kliknięcie oznacza powrót do początku.
Rys. 4.1. Wyznaczanie nieznanej masy
przez porównanie ze wzorcem m0
Nieznaną masę m definiujemy jako
|
Definicja |
|
(4.1) |
Pęd
|
Definicja Pęd ciała definiujemy jako iloczyn jego masy i prędkości (wektorowej). |
|
(4.2) |
Siła
|
Definicja Jeżeli na ciało o masie m działa siła F, to definiujemy ją jako zmianę w czasie pędu ciała. |
|
(4.3) |
Podstawiając wyrażenie (4.2) i wykonując różniczkowanie otrzymujemy
|
(4.4) |
a dla ciała o stałej masie m = const.
|
(4.5) |
Wprowadziliśmy w ten sposób pojęcie siły F. Teraz podamy metodę obliczania sił działających na ciała; poznamy prawa rządzące oddziaływaniami.
Na zakończenie tej części zapoznajmy się z jednostkami siły i masy.
|
Jednostki Jednostką masy w układzie SI jest kilogram (kg), natomiast jednostką siły jest niuton (N); 1N = 1kg·m/s2. |
