Histoire de la dynamique, quelles études, lois et théories

La dynamique C'est le domaine de la mécanique qui étudie les interactions entre les corps et leurs effets. Il traite de les décrire qualitativement et quantitativement, en plus de prédire comment ils évolueront au fil du temps.

En appliquant ses principes, on sait comment le mouvement d'un corps est modifié lorsqu'il interagit avec les autres, et aussi si ces interactions le déforment, car il est parfaitement possible que les deux effets se produisent en même temps.

Figure 1. Les interactions cyclistaires modifient leur mouvement. Source: Pixabay.

Les croyances du grand philosophe grec Aristote (384-322 à.C.) a prévalu comme fondement de la dynamique en Occident pendant des siècles. Il pensait que les objets se déplaçaient à cause d'un type d'énergie qui les poussait dans un sens ou un autre.

Il a également observé que pendant qu'un objet est poussé, il se déplace à vitesse constante, mais quand il s'arrête, il se déplace de plus en plus lentement jusqu'à ce qu'il s'arrête.

Selon Aristote, l'action d'une force constante était nécessaire pour s'assurer que quelque chose se déplaçait à une vitesse constante, mais ce qui se passe, c'est que ce philosophe n'a pas eu les effets de la friction.

Une autre idée était que les objets les plus lourds sont tombés plus vite que les plus légers. C'est le grand Galileo Galilei (1564-1642) qui a démontré avec des expériences que tous les corps tombent avec la même accélération, quelle que soit leur masse, méprisant les effets visqueux.

Mais c'est Isaac Newton (1642-1727), le scientifique le plus notable qui a vécu jusqu'à présent, qui est considéré comme un père de la dynamique moderne et du calcul mathématique, avec Gottfried Leibniz.

Figure 2. Isaac Newton en 1682 par Godfrey Kneller. Source: Wikimedia Commons.

Ses lois célèbres, formulées au XVIIe siècle, maintiennent aujourd'hui la même validité et la même fraîcheur. Ils constituent le fondement de la mécanique classique, que nous nous voyons et nous affectent chaque jour. À propos de ces lois seront discutées sous peu.

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Quelle dynamique d'études?

Interaction d'étude dynamique entre les objets. Lorsque les objets interagissent, il y a des changements dans leur mouvement et aussi des déformations. Une zone particulière appelée statique est dédiée à ces systèmes en équilibre, qui sont au repos ou avec un mouvement rectiligne uniforme.

Appliquer les principes de la dynamique qu'il est possible de prévoir, à travers les équations, quels seront les changements et l'évolution des objets dans le temps. Pour cela, certaines hypothèses sont établies en fonction du type de système que vous souhaitez étudier.

Particules, solides rigides et moyens continus

Le modèle de particules est le plus simple pour commencer à appliquer les principes de la dynamique. Il est supposé que l'objet à étudier a une masse, mais pas des dimensions. Par conséquent, une particule peut être aussi petite qu'un électron ou aussi grand que la terre ou le soleil.

Lorsque vous souhaitez observer l'effet de la taille de la dynamique, il est nécessaire de considérer la taille et la forme des objets. Un modèle qui en tient compte est celui du solide rigide, un corps avec des dimensions mesurables composées de nombreuses particules, mais qui n'est pas déformée sous les effets des forces.

Enfin, la mécanique des médias continu prend en compte non seulement les dimensions de l'objet, mais aussi leurs caractéristiques particulières, y compris la capacité de déformer. Les médias continus couvrent les solides rigides et ceux qui ne le sont pas, en plus des liquides.

Les lois de Newton

La clé pour comprendre le fonctionnement de la dynamique est dans toute la compréhension des lois de Newton, qui relie quantitativement les forces qui agissent sur un corps avec les changements dans leur état de mouvement ou de repos.

Première loi de Newton

Explication de la première loi de Newton. Source: auto-faite.

Dit ainsi:

Lorsque la force nette sur un objet est égale à zéro, l'objet continuera au repos s'il était au repos. Et s'il bougeait, son mouvement sera rectiligne et constamment.

La première partie de la déclaration semble assez évidente, car il est évident qu'un objet au repos restera comme ça, à moins qu'il ne soit dérangé. Et pour cela, une force est requise.

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D'un autre côté, le fait qu'un objet reste en mouvement même lorsque la force nette est nul, est un peu plus difficile à accepter, car il semble qu'un objet puisse être en mouvement indéfiniment. Et l'expérience de tous les jours nous dit que les choses s'arrêtent tôt ou tard.

La réponse à cette contradiction apparente est en friction. En effet, si un objet se déplaçait sur une surface parfaitement lisse, il pourrait le faire indéfiniment dans le cas où aucune autre force ne varie le mouvement.

Comme il est impossible d'éliminer complètement les frictions, la situation dans laquelle un corps se déplace indéfiniment à vitesse constante est une idéalisation.

Enfin, il est important de noter que bien que la force nette soit nulle, cela ne représente pas nécessairement l'absence totale de forces sur l'objet.

Les objets à la surface de la Terre éprouvent toujours une attraction gravitationnelle. Un livre de repos pris en charge sur une table reste comme ça, car la surface de la table exerce une force qui contrecarre le poids.

Deuxième loi de Newton

Explication de la deuxième loi de Newton. Source: auto-faite.

Dans la première loi de Newton, il est établi ce qui arrive à un objet sur lequel le filet ou la force qui en résulte est vide. Maintenant, la loi fondamentale de la dynamique de Newton ou de la deuxième loi indique ce qui se passera lorsque la force nette n'est pas annulée:

Si une force nette externe F Il agit sur un objet de masse m, il connaîtra une accélération proportionnelle à la force et dans la même direction. Mathématiquement:

F_Filet = mpour.

En effet, plus une force appliquée est grande, plus le changement de vitesse d'un objet est élevé. Et si la même force s'applique aux objets de différentes masses, les changements majeurs seront expérimentés par le plus léger et plus facile à déplacer. L'expérience quotidienne est d'accord avec ces affirmations.

La troisième loi de Newton

Une fusée spatiale reçoit la propulsion nécessaire grâce aux gaz expulsés. Source: Pixabay.

Les deux premières lois de Newton se réfèrent à un seul objet. Mais la troisième loi fait référence à deux objets. Nous les nommerons objet 1 et objet 2:

En interagissant deux objets, les forces qui s'exercent mutuellement sont toujours égales à la fois en amplitude et en direction, mais en sens opposé, qui à la manière mathématique est exprimée comme suit:

F₁₂ = -F_vingt-et-un

En fait, chaque fois qu'un corps est affecté par une force, c'est parce qu'il y en a un autre qui est responsable de le provoquer. Ainsi, les objets sur terre ont du poids, car il les attire vers leur centre. Une charge électrique est repoussée par une autre charge du même signe, car elle exerce une force de répulsion sur la première, et donc.

figure 3. Résumé de la loi de Newton. Source: Wikimedia Commons. Hugo4914 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)].

Principes de conservation

En dynamique, il y a plusieurs quantités qui sont conservées pendant le mouvement et dont l'étude est fondamentale. Ils sont comme une colonne solide dans laquelle il est possible d'être soumis à résoudre des problèmes dans lesquels les forces varient de manière très complexe.

Un exemple: juste au moment où deux véhicules entrent en collision, l'interaction entre eux est très intense mais brève. Si intense que d'autres forces doivent être prises en compte, donc les véhicules peuvent être considérés comme un système isolé.

Mais décrire cette interaction intense n'est pas une tâche facile, car il s'agit de forces qui varient dans le temps et aussi dans l'espace. Cependant, en supposant que les véhicules constituent un système isolé, les forces entre les deux sont internes et la quantité de mouvement est préservée.

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Garder la quantité de mouvement, il est possible de prédire comment les véhicules se déplaceront juste après la collision.

Vous trouverez ci-dessous deux des principes de conservation les plus importants de la dynamique:

Conservation de l'énergie

De nature, deux types de forces se distinguent: conservateur et non conservateur. Le poids est un bon exemple de la première, tandis que la friction est du second.

Eh bien, les forces conservatrices sont caractérisées car elles offrent la possibilité de stocker l'énergie dans la configuration du système. Est l'énergie potentielle si appelée.

Lorsqu'un corps a une énergie potentielle grâce à l'action d'une force conservatrice telle que le poids et entre en mouvement, une telle énergie potentielle devient une énergie cinétique. La somme des deux énergies est appelée l'énergie mécanique du système et est celle qui est conservée, c'est-à-dire qu'elle reste constante.

Être OU Énergie potentielle, K énergie cinétique et ET_m Énergie mécanique. Si vous agissez sur des forces conservatrices sur un objet, il est accompli que:

ET_m = U + k = constant

Donc:

ET_{m initial} = E_{m final}

Conservation de la quantité de mouvement

Ce principe est applicable non seulement lorsque deux véhicules entrent en collision. C'est une loi de la physique avec une portée qui va au-delà du monde macroscopique.

La quantité de mouvement est conservée au niveau des systèmes solaires, stellaires et galaxies. Et il le fait aussi à l'atome et au noyau atomique, malgré le fait que la mécanique newtonienne cesse d'être valide.

Être P La quantité vectorielle de mouvement donnée par:

P = m.V

Dérivation P Concernant le temps:

dP / dt = d [m.V] / dt

Si la pâte reste constante:

dP / dt = m dV/ dt = m.pour

Par conséquent, nous pouvons écrire la deuxième loi de Newton de cette manière:

F_Filet = DP / dt

Si deux corps m₁ et M₂ Ils constituent un système isolé, les forces entre elles sont internes et selon la troisième loi de Newton, ils sont les mêmes et opposés F₁ = -F₂, être accompli cela:

dP₁ / dt = - dP₂/ dt → d [P₁ + P₂] / dt = 0

Si le dérivé par rapport au temps d'une magnitude est nulle, cela signifie qu'une telle ampleur reste constante. Par conséquent, dans un système isolé, on peut affirmer que la quantité de mouvement du système est préservée:

P₁ + P₂ = constant

Même comme ça, P₁ et P₂ Ils peuvent varier individuellement. La quantité de mouvement d'un système peut être redistribuée, mais ce qui compte, c'est que sa somme reste inchangée.

Démarré des concepts en dynamique

Il existe de nombreux concepts importants dans la dynamique, mais deux d'entre eux se démarquent: la masse et la force. Sur la force, il a déjà été mentionné auparavant, puis il y a une liste des concepts les plus importants qui apparaissent dans l'étude de la dynamique:

Inertie

C'est la propriété que les objets doivent résister aux changements dans leur état de repos ou de mouvement. Tous les objets à masse ont une inertie et sont expérimentés très fréquemment, par exemple lorsqu'ils voyagent dans une voiture qui accélère, les passagers ont tendance à rester au repos, ce qui est perçu comme une sensation de s'en tenir à la sauvegarde du siège.

Et si la voiture s'arrête fortement, les passagers ont tendance à quitter les brèves, après le mouvement avant qu'ils avaient auparavant, il est donc important de toujours porter les ceintures de sécurité.

Figure 4. Lorsque vous voyagez en voiture, l'inertie nous fait passer des brèves lorsque la voiture freine fortement. Source: Pixabay.

Masse

La masse est la mesure de l'inertie, car plus la masse d'un corps est grande, plus il est difficile de le déplacer ou de faire changer son mouvement. La masse est une quantité scalaire, cela signifie que pour spécifier la masse d'un corps, il est nécessaire de donner la valeur numérique plus l'unité sélectionnée, qui peut être des kilos, des livres, des grammes et plus.

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Lester

Le poids est la force avec laquelle la Terre attire vers son centre les objets qui sont proches de sa surface.

Parce que c'est une force, le poids est vecteur, donc il est complètement spécifié lorsque sa magnitude ou sa valeur numérique, sa direction et sa signification sont indiquées, ce que nous savons déjà est verticalement à la baisse.

Ainsi, bien que lié, le poids et la masse ne sont pas les mêmes, pas même équivalents, car le premier est un vecteur et le second un scalaire.

Systèmes de référence

La description d'un mouvement peut varier en fonction de la référence choisie. Ceux qui montent dans un ascenseur sont au repos selon un ensemble de référence fixe à cela, mais vu par un observateur au sol les passagers se déplacent.

Si un corps connaît un mouvement concernant un cadre de référence mais dans un autre est au repos, les lois de Newton ne peuvent pas être appliquées aux deux. En fait, les lois de Newton s'appliquent à certains systèmes de référence: ceux qui sont inertielles.

Dans les Systèmes de référence inertielle, Les corps n'accélèrent que si elles sont dérangées d'une manière ou d'une autre - en train de faire une force-.

Forces fictives

Les forces fictives ou pseudo-force apparaissent lorsque le mouvement d'un corps est analysé dans un cadre de référence accéléré. Une force fictive se distingue car il n'est pas possible d'identifier l'agent responsable de son apparence.

La force centrifuge est un bon exemple de force fictive. Cependant, le fait que c'est le cas ne le rend pas moins réel pour ceux qui en font l'expérience lorsqu'ils rendent leurs voitures et estiment qu'une main invisible les pousse hors de la courbe.

Accélération

Ce vecteur important était déjà mentionné avant. Un objet subit une accélération tant qu'il y a une force qui varie sa vitesse.

Travail et énergie

Lorsqu'une force agit sur un objet et qu'elle modifie sa position, la force a fait un travail. Et ce travail peut être stocké sous forme d'énergie. Par conséquent, le travail se fait sur l'objet, grâce à laquelle il acquiert de l'énergie.

L'exemple suivant clarifie le point: Supposons qu'une personne soulève un pot d'une certaine hauteur au-dessus du niveau du sol.

Pour ce faire, vous devez appliquer une force et surmonter la gravité, donc un travail sur le pot et ce travail est stocké sous forme d'énergie potentielle gravitationnelle dans le pot, proportionnel à la masse de celui-ci et à la hauteur qu'il a atteint Le sol:

U = m.g.H

Où m C'est la pâte, g C'est la gravité et H Est la hauteur. Que peut faire le pot une fois qu'il apparaît H? Eh bien, il pourrait tomber et à mesure qu'il tombe, l'énergie potentielle gravitationnelle qu'elle a diminue, tandis que l'énergie cinétique ou de mouvement augmente.

Pour une force à travailler, il est nécessaire de produire un déplacement qui doit être parallèle à la force. Si cela ne se produit pas, la force agit toujours sur l'objet, mais ne fonctionne pas dessus.

Rubriques connexes

Première loi de Newton.

Deuxième loi de Newton.

La troisième loi de Newton.

Droit de la conservation de la matière.

Les références

1. Bauer, w. 2011. Physique pour l'ingénierie et les sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Série: Physique pour la science et l'ingénierie. 2ieme volume. Dynamique. Édité par Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. 6e ... Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Sciences physiques conceptuelles. 5e. Élégant. Pearson.
5. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Cengage Learning.
6. Chevalier, r.  2017. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique.  Pearson.
7. Wikipédia. Dynamique. Récupéré de: est.Wikipédia.org.