Upload
others
View
5
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Mehanika
dinamika
1
22. 10. 2020
• Сила
• Њутнови закони кретања
• Тежина, трење и друге силе
• Основне силе у природи
• Статика
Galileo Galilei, (1564- 1642) Isaac Newton
(1643–1727)
2
„Njutnova kolevka“, Njutnovo klatno na knjizi
Ser Isaka Njutna „Matematički principi filozofije prirode “,
Igračka koja demonstrira održanje impulsa i energije
Osmislio Simon Prebble 1967.
Mehanika je osnovna i najstarija grana fizike koja
proučava zakone kretanja i delovanja izmeĎu tela.
→ kinematika, dinamika i statika
Kinematika (grč. kinein = kretati) je deo mehanike koji opisuje kretanja tela
bez obzira na uzroke kretanja.
Dinamika (grč. dynamis = sila) je deo mehanike koji proučava
uzroke kretanja tela i sila koje deluju na njih, tj. bavi se
uzrocima promene stanja kretanja tela
(pri čemu je i mirovanje neko stanje kretanja).
Statika je deo mehanike koji proučava uslove ravnoteže tela.
Kretanje je promena položaja tela u odnosu na druga tela (okolinu,
referentni sistem) u vremenu.
u svemiru ne postoji tačka koja apsolutno miruje → svako kretanje je relativno
mirovanje – oblik kretanja kada telo ima nepromenjene koordinate u odnosu na
referentni sistem (laboratorijski sistem – sistem koji miruje u odnosu na Zemlju)
3
U okviru kinematike proučavaju se načini kretanja tela,
uzimajući u obzir njihove koordinate, pomeraj, brzine i
ubrzanja i nalaženjem veze izmedju njih.
U okviru dinamike se takodje proučava kretanje tela ali se pri
tome uzimaju u obzir još dve nove fizičke veličine:
masa tela- m i sila - F koje utiče na njegovo kretanje.
Dinamika počiva na Njutnovim zakonima kretanja.*
Njutnovo formulisanje zakona kretanja je toliko značajno da se može reći da
simbolički označava prelaz iz vremena renesanse na moderna vremena u okviru
kojih se pogled ·čoveka na prirodu i njeno funkcionisanje drastično izmenio. 4
Pojam Sile ( F - force)
Do promene stanja kretanja nekog tela može doći samo pri interakciji
sa drugim telom, uzajamnom delovanju tela:
Direktna interakcija neposredan dodir (guranje ili vuča tela),
Indirektna reakcija se ostvaruje preko materijalne sredine , tj.
fizičkog polja.
Mera interakcije dva tela je fizička veličina koju nazivamo sila -
Silom se može uticati ne samo na promenu intenziteta brzine
kretanja tela već i na promenu pravca vektora brzine (ubrzati,
usporiti, promeniti smer)
Silom se može uticati i na promenu oblika tela, deformacija.
5
𝑭
Sila je vektorska veličina odreĎena
Intenzitetom
Pravcem i smerom
Napadnom tačkom
6
Sila je kvantitativna mera interakcije (meĎusobnog
delovanja) tela, tj. izražava intenzitet interakcije .
vektorska veličina
Jedinica sile je Njutn, F= [N] 𝑭
7
Sila je vektorska fizička veličina kojom opisujemo meĎusobno delovanje
dva ili više tela.
Ako više sila učestvuju u interakciji onda računamo rezultantnu silu.
Vektorska priroda sile
1. Dinamički, meri se promena kretanja tela
usled interakcije sa drugim telom (brzina,
akceleracija – ubrzanje);
2. Statički , zasnovan na merenju deformacije
tela, izazvane silom
Pošto se interakcija izmeĎu tela
ispoljava preko promene njihove
brzine ili deformacije tela, koriste
se dva načina merenja sile:
𝑭 = 𝑭𝟏 + 𝑭𝟐
𝑭
Statičko merenje sile – F
“standardna sila” – linearna zavisnost F i deformacije
preko restitucione Fres (povratne)
sile
F = Fres = k x
8
Dinamometar je instrument za merenje sile
k
F = −𝑭𝒓𝒆𝒔
Vrste sila u prirodi
9
Sile mogu biti:
− kontaktne, kada pri interakciji
postoji dodir izmeĎu tela, i
− bezkontaktne, kada se interakcija
ostvaruje na daljinu, tj. putem
fizičkog polja
- na odbojne, tela se udaljavaju
- na privlačne, tela se privlače
10
Sile prema intenzitetu i nosiocima interakcije:
• jaka nuklearna sila –izmeĎu subatomnih čestica, kvarkovi, gluoni, hadroni, mezoni;
• elektromagnetna sila –izmeĎu naelektrisanja, naelektrisanje (privlačne i odbojne);
• slaba nuklearna sila –pojavljuje se u procesima radioaktivnog raspada,
deluje na sve čestice ;
• gravitaciona sila –izmeĎu materijalnih objekata, masa).
neograničen neograničen
neograničen
Masa-m i inertnost i količina kretanja - p
Empirijski je ustanovljeno da dejstvo iste sile na različita
tela uzrokuje različito ponašanje. Čovek može dejstvom
svojih mišića da pomeri auto, ali to ne može ako je u
pitanju autobus.
Masa tela se opire promeni stanja kretanja -> Inertnost
11
Što je objekat masivniji to je inertniji!!
Kretanje po inerciji – kretanje po pravoj liniji!
Teže je uticati na kretanje masivnijeg objekta nego onog sa
manjom masom
Masa i inertnost i količina kretanja
12
Impuls, količina kretanja p [kgms-1]
Masa - m
Masa: Mera interakcije / inertnosti tela
Skalarna, pozitivna, aditivna.
Ne može da nestane ili nastane
(u procesima koji mogu da se opišu klasičnom fizikom).
13
Masa je povezana sa sa količinom materije u telu (broj atoma i molekula u telu).
Masa je veličina koja ne zavisi od toga gde se nalazi telo već samo od onoga od
čega se sastoji.
Određivanje mase u praksi: Ne brojimo atome i molekule (a trebalo bi tako)
već upoređujemo masu tela sa standardom jedinice mase - kilogramom
1 2 3 ... nm m m m m
kgm
dimm M
Relativistički impuls i masa
Uslovi kada klasična mehanika ne može da se primeni
kada su tela veoma mala (< od dimenzije atoma)
kada se tela kreću brzinama bliskim brzinama svetlosti- c
Zavisnost mase od brzine
m0 – masa mirovanja
m- relativistička masa
za v<<c, m=m0
14
2
2
0
1c
v
vmp
2
2
0
1c
v
mm
Njutnovi zakoni kretanja Newton's laws of motion
Osnovni zakoni dinamike translacije, koje definisao Njutn,
predstavljaju zakone uzajamnog dejstva dva tela,
pri čemu oni odreĎuju kretanje jednog tela u odnosu na drugo.
I NjZ - Zakon inercije,
definiše silu kao uzrok promene stanja kretanja tela.
II NjZ – Zakon sile,
bliže definiše uticaj sile na stanje kretanja.
III NjZ - Zakon akcije i reakcije,
okarakterisana je sila kao rezultat uzajamnog dejstva
dva tela.
Newton's First and Second laws, in Latin, from the original 1687
Principia Mathematica.
Njutnovi zakoni kretanja – I Njutnov zakon
16 Galileo Galilej, Italijanski fizičar, matematičar, astronom i filozof (1564-1642)
Isak Njutn, engleski fizičar i matematičar (1642-1727).
Galileo je prvi naučnik koje je razvio koncept inercije u XVII veku.
U eksperimentima je koristio dve ravni nagnute jedna prema dugoj i
posmatrao kretanje kuglice po toj ravni.
Uočio je da kuglica koja se kotrlja niz jednu ravan dostiže skoro istu visinu i
na drugoj ravni.
Ako je nagib druge ravni 0 kuglica će se kretati beskonačno dugo bez obzira
na početnu visinu.
Njutnovi zakoni kretanja – I Njutnov zakon
17
Galileo je uočio da se telo u kretanju može zaustaviti zbog sile trenja.
Razlika izmeĎu početne i krajnje visine može biti samo zbog
prisustva trenja. Ako nema trenja visine će biti iste.
Njutnovi zakoni kretanja – I Njutnov zakon
18
Matematički izraz I Njutnovog zakona
19
21
Primeri iz svakodnevnog života u kojima se susrećemo sa I Njutnovim zakonom? a) Zašto su postavljeni oslonci za glavu na sedištima automobila?
b) Zašto, kada vozite bicikl i udarite u ivičnjak, kamen ili neki drugi objekt, letite ispred bicikla?
c) Zašto prilikom sudara dolazi do deformacije vozila?
d) Zašto sipate kečap iz boce tako što otvor na boci okrenete nadole i udarate rukom dno boce?
22
Primer:
Iz I NjZ koji definiše silu kao uzrok promene stanja kretanja proizilazi
II Njutnov zakon koji bliže definiše uticaj sile na stanje kretanja.
23
Njutn: 1N je sila koja telu mase 1 kg daje ubrzanje od 1 m/s2.
II Njutnov zakon - osnovni zakon dinamike
24
promene stanja kretanja, koja se meri ubrzanjem
i
III Njutnov zakon - zakon akcije i reakcije
25
Primer:
Udarac čekića o ekser čini da ekser ulazi u zid
ali isto tako ekser deluje na čekić koji usporava
svoje kretanje do zaustavljanja.
Dakle,
udarac čekića izaziva reakciju kod eksera istog
intenziteta i pravca, ali u suprotnom smeru.
Njutn je zapazio da izolovana sila ne može
postojati – sile uvek postoje u parovima.
Ako jedno telo deluje na drugo nekom silom, onda i drugo telo
deluje na prvo silom istog intenziteta i pravca, a suprotnog smera.
III Njutnov zakon - zakon akcije i reakcije
26
Svako delovanje (akcija) stvara
uvek suprotno po smeru i jednako po intenzitetu
protivdelovanje (reakciju),
tj. delovanja dva tela jedno na drugo su jednaka i suprotnog smera.
m1 a 1
m2 a2
27
Treći Newtonov zakon
28
Treći Newtonov zakon
30
Treći Newtonov zakon
T2=- (T1+T1)
T
31
mg
3333
32
33
(=2/T , v = r)
an
F -
F => Gravitaciona sila
34
Gravitaciona sila. Njutnov zakon univerzalne gravitacije.
= r12
36
Zemljina teža F (FZT) je rezultanta
gravitacione i centrifugalne sile koje
deluju na telo. Fcf<< Fg
Zemljina teža Slobodan pad podrazumeva da telo pušteno
sa neke visine bez početne brzine ubrzano
se kreće prema Zemljinoj površini.
Sila koja prouzrokuje slobodan pad
naziva se Zemljina teža.
m masa tela,
g ubrzanje slobodnog pada
gmF
g cf
zt g
F F F
F F F
37 Merna jedinica težine tela Q= [N]
Zemljina teža FZT , težina tela- Q
,
Težina tela
38
m – masa tela , MZ – masa Zemlje
RZ– poluprečnik Zemlje = [N]
39
Razlika Težine tela i Zemljine teže (sila zemljine teže):
Zemljina teža i težina tela imaju
jednak intenzitet (Fg=Q=mg ).
• isti pravac i smer ka površini Zemlje
• ali nemaju istu napadnu tačku
Ako se prekine konac o kome telo visi :
Telo slobodano pada >deluje Zemljina teža , ali težina tela je jednaka nuli (Q=0).
Kada slobodno pada podloga na kojoj se nalazi telo, telo ne pritiska podlogu i težina
tela je takoĎe jednaka nuli, ali Zemljina teža i dalje deluje na podlogu i na telo.
Napadna tačka:
Zemljine teže – telo (težište)
težine tela – tačka oslonca ili tačka vešenja
40
Suštinska razlika izmeĎu pojmova Zemljine teže i težine tela:
zemljina teža – održava uzajamno delovanje tela i Zemlje
težina tela – rezultat uzajamnog delovanja tela i podloge
težina tela – zavisi od ubrzanja podloge na kojoj se telo nalazi
zemljina teža – ostaje nepromenjena u tim uslovima
težina tela – na polovima i na ekvatoru nije ista
Ne možemo ga opažati čulima,
registrujemo ga na osnovu njegovog delovanja na druga tela;
Gravitaciono polje je prenosilac gravitacione interakcije tela.
fizička svojstva se opisuju uz pomoć
dve fizičke veličine:
Jačina gravitacionog polja
Potencijal gravitacionog polja
Jačina gravitacionog polja
Gravitaciono polje je posebno fizičko stanje prostora oko
svakog tela mase m.
42
N
kg
Fg G
Fg
Jačina gravitacionog polja je fizička veličina koja je brojno jednaka gravitacionoj
sili koja u datoj tački polja deluje na probno telo jedinične mase.
Fg – gravitaciona sila ; mp- masa probnog tela (m>> mp)
Ona je vektorska fizička veličina i istog je pravca i smera kao i Fg u toj tački.
v= 𝐺𝑑𝑟𝑟0𝑟
43
Jačina gravitacionog polja
Prema II NjZ, gravitaciona sila Zemlje Fg
probnom telu mase mp saopštava ubrzanje g.
2
=gp
g Zz
p
m g F g G
F MG e
m r
2
2
mkg
N msGkg kg s
𝑔 = 𝑀𝑧
RZ2
Na površini Zemlje gravitaciono
ubrzanje Zemlje je:
𝐺 = 𝑔
pm
pm
44
Težina tela
Gustina, specifična zapremina i specifilna težina.
• Iste zapremine različitih tela nemaju iste mase.
• Odnosi između mase, zapremine i težine su konstantne karakteristike tela:
45 , III NjZgN F N Q
46
1 cos30NF Q
Primer II Nutnov zakon: Kolika je težina ribe?
47
49
Primer: odredi ubrzanje tegova i napetost niti.
a
a
a
a
= a
50
a y
Primer: odredi akceleraciju tegova i zatezanje, napetost, niti.
a
m2
Sila trenja
51
Trenje -makroskopska pojava koja se javlja:
• pri relativnom kretanju tela koja se dodiruju, i
• pri relativnom pomeranju delova nekog tela.
Podela 1:
- spoljašnje trenje - trenje izmeĎu dva tela koja su u neposrednom dodiru,
- unutrašnje trenje - trenje izmeĎu delova jednog istog tela.
Podela 2:
• viskozno trenje –
- trenje izmeĎu slojeva u tečnosti i gasovima,
- trenje pri kretanju čvrstog tela kroz fluid,
- trenje izmeĎu dva čvrsta tela izmeĎu kojih se nalazi fluid,
• suvo trenje - trenje u odsustvu bilo kakvog meĎusloja,
• trenje klizanja,
• trenje kotrljanja.-
Sila trenja
52
Fn
Ftr- Otpor kretanju
intenzitet sile trenja zavisi od: • prirode tela koja se dodiruju,
• agregatnog stanja tela,
• uglačanosti površine dodira,
• sile kohezije i adhezije tela koja se dodiruju,
• relativne brzine kretanja.
Koeficijent trenja μ - neimenovan broj i
zavisi od: - karaktera dodirne površine i
- relativne brzine kretanja.
tr nF F
53
Fn
54
Fs max
Fk= µk N
Fk Fs
55
56
57
58
Pri suvom trenju tela koje se nalazi na horizontalnoj ravni:
• telo klizi pod dejstvom sile F koja je paralelna ravni,
• kretanju se suprostavlja sila trenja pri klizanju Ftr
• sila trenja proporcionalna je normalnoj sili FN - normalna
komponetna sile kojom podloga deluje na telo.
Kretanje tela se odvija pod dejstvom
rezultante sila F i Ftr.
tr nF F
trtr
F FF F ma a
m
𝑎
tr nF F F Fa
m m
59
Koeficijent trenja pri klizanju se može odrediti posmatranjem
kretanja tela na strmoj ravni.
Na telo deluju dve komponente težine tela:
• normalna komponenta na površinu, Fgy
• tangencijalna komponenta sa površinom. Fgx
• Telo miruje za manje nagibe ravni zbog sile trenja.
• Povećanjem nagiba telo se kreće pod dejstvom tangencijalne
komponente težine tela.
Telo počinje da klizi konstatnom brzinom ako je Fgx=Ftr S druge strane sila trenja je proporcionalna normalnoj komponenti sile težine
Ftr= μd Fn = μd (m g cosθ)
Fgx = Ftr
mg sinθ = μd m g cosθ
μd = tg θ
θ
θ
60
Odrediti koeficijent trenja pri klizanju kod kretanja tela na
strmoj ravni.
Telo počinje da klizi konstatnom brzinom ako je Fgx=Ftr S druge strane sila trenja je proporcionalna normalnoj komponenti sile težine
Ftr= μd Fn = μd m g cosθ. Fgx = Ftr
mg sinθ = μd m g cosθ
μd = tg θ
θ
θ
Sila otpora sredine
61
Ako se telo kreće kroz neki fluid (vazduh ili vodu, …) na njega deluje sila
slična trenju, koja se manifestuje kao otpor kretanju tela i naziva sila otpora
Intenzitet sile otpora zavisi od brzine, pravac se poklapa sa pravcem brzine, a smer
je suprotan od smera brzine:
v
v
Fot
Fot
62
63
Konac neistegljiv – svaka tačka konca ima isto ubrzanje kao i telo, a
konac je zanemarljive mase,
64 Napon sile
Hukov zakon
65
Elastična sila.
k - koeficijent elastičnosti
x - vektor istezanja
Eksperimentalno je utvĎena zavisnost:
𝐹𝑒𝑆= −𝐸
𝑥
𝑥
Hukov zakon
66 s Ed
Jungov modul elastičnosti ,(Youngov ) Ey
relativna
67
Hukov zakon – relativna deformacija je srazmerna naponu sile.
s Napon sile
d Relativna
deformacija
E Jungov modul
elastičnosti
d es
e= 1/E - koeficijent
elastičnosti
Dijagram istezanja (dijagram naprezanja)
A- granica proporcionalnosti,( važi Hukov zakon),
B- granica elastičnosti,
C- granica kidanja, žica se ne vraća u prvobitni položaj.
s Ed d es
68
69
70
71
an
22
B ČETVRTAK
22.10. KRAJ
PREDAVANJA
72
Fc
Fc
!!! Centripetalna sila nije posebna vrsta sile, već samo naziv za bilo
koju silu čije delovanje dovodi do kružnog kretanja tela oko nekog centra
r0
v
Fcp
73
Fcf
74
CENTRIFUGALNA SILA
Specijali slučaj: Jednako ubrzana rotacija ugaonom brzinom
Dva sistema;
S’ rotirajući, vrti se stalnom ugaonom brzinom
S inercioni, miruje
Materijalna tačka m:
- miruje u sistemu S’ na udaljenosti r od osi rotacije
- rotira u sistemu S stalnom ugaonom brzinom
S’
m
S
CENTRIPETALNA I CENTRIFUGALNA SILA
Uzrok kružnog kretanja - rezultanta svih sila na m
usmerena prema centru rotacije –
centripetalna sila
cpF
cpaCentripetalno
ubrzanje
S’
m
cpF
S
S’
m
cfF
cpF
Inercijalna sila - centrifugalna sila cfF
Jednačina kretanja
S’
m
cfF
cpF
posmatrač iz (rotirajučeg) S’ :
- m miruje
Posmatrač iz (mirujućeg) S:
- m se vrti jednolikom
rmamFFFcpcpn
2
0'' amFFFin
S
cpnFF
0inFF
cpiFF
Inercijalna sila centrifugalna sila cpcfFF
CENTRIPETALNA I CENTRIFUGALNA SILA
rmFcf
2
Smer: kao smer r, od središta rotacije prema spolja
S’
m
cfF
cpF
Inercijalni referentni sistem je vezan za (referentno) telo koje se kreće ravnomerno, ne
menjajući brzinu i pravac kretanja.
Svaki sistem koji je vezan za referentno telo koje se kreće neravnomerno ili krivolinijski
je neinercijalan. Voz koji ubrzava, platforma koje se obrće.
79
=acp
Predhodni
čas
=
r0
Predhodni
čas
d
d
va
t