พลวัต: ประวัติศาสตร์สิ่งที่ศึกษากฎหมายและทฤษฎี - กายภาพ - 2026

แบบไดนามิกเป็นพื้นที่ของกลศาสตร์ที่ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกายและผลกระทบของพวกเขา เกี่ยวข้องกับการอธิบายพวกเขาในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณตลอดจนการทำนายว่าพวกเขาจะมีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป

การใช้หลักการของมันเป็นที่ทราบกันดีว่าการเคลื่อนไหวของร่างกายมีการปรับเปลี่ยนอย่างไรเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับผู้อื่นและหากการโต้ตอบเหล่านี้ทำให้เสียรูปทรงเนื่องจากเป็นไปได้อย่างสมบูรณ์ที่ผลกระทบทั้งสองจะเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน

รูปที่ 1. การโต้ตอบกับนักปั่นจะปรับเปลี่ยนการเคลื่อนไหวของพวกเขา ที่มา: Pixabay

ความเชื่อของนักปราชญ์ชาวกรีกผู้ยิ่งใหญ่อริสโตเติล (384-322 ปีก่อนคริสตกาล) มีชัยในฐานะรากฐานของพลวัตในตะวันตกมาหลายศตวรรษ เขาคิดว่าวัตถุเคลื่อนที่เพราะพลังงานบางอย่างที่ผลักดันให้ไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง

นอกจากนี้เขายังสังเกตด้วยว่าในขณะที่วัตถุกำลังถูกผลักมันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แต่เมื่อหยุดการผลักมันจะเคลื่อนที่ช้าลงเรื่อย ๆ จนหยุด

ตามที่อริสโตเติลกล่าวว่าการกระทำของแรงคงที่เป็นสิ่งจำเป็นในการทำให้บางสิ่งบางอย่างเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ แต่สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือนักปรัชญาผู้นี้ไม่มีผลกระทบจากแรงเสียดทาน

ความคิดของเขาอีกประการหนึ่งคือวัตถุที่หนักกว่าตกลงมาเร็วกว่าวัตถุที่เบากว่า เป็นกาลิเลโอกาลิเลอีผู้ยิ่งใหญ่ (1564-1642) ที่แสดงให้เห็นผ่านการทดลองว่าร่างกายทั้งหมดตกด้วยความเร่งเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงมวลของมันโดยไม่สนใจผลกระทบที่หนืด

แต่เป็นไอแซกนิวตัน (1642-1727) นักวิทยาศาสตร์ที่น่าทึ่งที่สุดที่เคยมีชีวิตอยู่ซึ่งถือว่าเป็นบิดาของพลวัตสมัยใหม่และการคำนวณทางคณิตศาสตร์พร้อมกับกอตต์ฟรีดไลบนิซ

รูปที่ 2. Isaac Newton ในปี 1682 โดย Godfrey Kneller ที่มา: Wikimedia Commons

กฎหมายที่มีชื่อเสียงซึ่งกำหนดขึ้นในช่วงศตวรรษที่ 17 ยังคงถูกต้องและสดใหม่ในปัจจุบัน สิ่งเหล่านี้เป็นรากฐานของกลศาสตร์คลาสสิกซึ่งเราเห็นและส่งผลกระทบต่อเราทุกวัน กฎหมายเหล่านี้จะมีการหารือในไม่ช้า

พลศาสตร์ศึกษาอะไร?

Dynamics ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุ เมื่อวัตถุโต้ตอบการเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนรูปจะมีการเปลี่ยนแปลง พื้นที่เฉพาะที่เรียกว่าสแตติกจะอุทิศให้กับระบบเหล่านั้นในสภาวะสมดุลบริเวณที่หยุดนิ่งหรือมีการเคลื่อนที่เป็นแนวตรง

การใช้หลักการของพลวัตเป็นไปได้ที่จะทำนายโดยใช้สมการสิ่งที่จะเปลี่ยนแปลงและวิวัฒนาการของวัตถุในเวลา ในการทำเช่นนี้จะมีการกำหนดสมมติฐานขึ้นอยู่กับประเภทของระบบที่จะศึกษา

อนุภาคของแข็งและสื่อต่อเนื่อง

แบบจำลองอนุภาคเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการเริ่มใช้หลักการของพลวัต ในนั้นสันนิษฐานว่าวัตถุที่จะศึกษามีมวล แต่ไม่มีขนาด ดังนั้นอนุภาคอาจมีขนาดเล็กเท่ากับอิเล็กตรอนหรือใหญ่เท่าโลกหรือดวงอาทิตย์

เมื่อคุณต้องการสังเกตผลของขนาดต่อพลวัตจำเป็นต้องพิจารณาขนาดและรูปร่างของวัตถุ แบบจำลองที่คำนึงถึงสิ่งนี้คือของของแข็งแข็งร่างกายที่มีขนาดที่วัดได้ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก แต่ไม่ทำให้เสียรูปภายใต้ผลของกองกำลัง

สุดท้ายกลไกของสื่อต่อเนื่องไม่เพียง แต่คำนึงถึงขนาดของวัตถุเท่านั้น แต่ยังรวมถึงลักษณะเฉพาะของวัตถุด้วยรวมถึงความสามารถในการทำให้เสียรูป สื่อต่อเนื่องครอบคลุมของแข็งที่แข็งและไม่แข็งรวมทั้งของเหลว

กฎของนิวตัน

กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจว่าพลวัตทำงานอย่างไรคือความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับกฎของนิวตันซึ่งเชื่อมโยงในเชิงปริมาณของกองกำลังที่กระทำต่อร่างกายกับการเปลี่ยนแปลงสถานะการเคลื่อนที่หรือการหยุดนิ่ง

กฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน

คำอธิบายกฎข้อที่หนึ่งของนิวตัน ที่มา: self made.

พูดว่า:

ส่วนแรกของข้อความนั้นค่อนข้างชัดเจนเนื่องจากเห็นได้ชัดว่าวัตถุที่อยู่นิ่งจะอยู่ในลักษณะนั้นเว้นแต่จะถูกรบกวน และสำหรับสิ่งนี้จำเป็นต้องใช้กำลัง

ในทางกลับกันความจริงที่ว่าวัตถุยังคงเคลื่อนที่ต่อไปแม้ว่าแรงสุทธิของวัตถุจะเป็นศูนย์นั้นยากที่จะยอมรับได้เล็กน้อยเนื่องจากดูเหมือนว่าวัตถุจะเคลื่อนที่ไปเรื่อย ๆ และประสบการณ์ในชีวิตประจำวันบอกเราว่าไม่ช้าก็เร็วสิ่งต่างๆก็ช้าลง

คำตอบสำหรับความขัดแย้งที่ชัดเจนนี้อยู่ในแรงเสียดทาน อันที่จริงถ้าวัตถุต้องเคลื่อนที่ไปบนพื้นผิวที่เรียบสมบูรณ์ก็สามารถทำได้โดยไม่มีกำหนดโดยสมมติว่าไม่มีแรงอื่นใดที่ทำให้การเคลื่อนที่แตกต่างกันไป

เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะขจัดแรงเสียดทานทั้งหมดสถานการณ์ที่ร่างกายเคลื่อนไหวไปเรื่อย ๆ ด้วยความเร็วคงที่จึงเป็นอุดมคติ

สุดท้ายสิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าแม้ว่าแรงสุทธิจะเป็นศูนย์ แต่ก็ไม่จำเป็นต้องแสดงถึงการไม่มีแรงทั้งหมดบนวัตถุ

วัตถุบนพื้นผิวโลกมักจะสัมผัสกับแรงดึงดูดของโลกเสมอ หนังสือที่วางอยู่บนโต๊ะยังคงเป็นเช่นนั้นเนื่องจากพื้นผิวของโต๊ะออกแรงต้านน้ำหนัก

กฎข้อที่สองของนิวตัน

คำอธิบายกฎข้อที่สองของนิวตัน ที่มา: self made.

กฎข้อแรกของนิวตันกำหนดว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับวัตถุที่แรงสุทธิหรือผลลัพธ์เป็นศูนย์ ตอนนี้กฎพื้นฐานของพลวัตหรือกฎข้อที่สองของนิวตันระบุว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแรงสุทธิไม่ยกเลิก:

ผลก็คือยิ่งมีแรงกระทำมากเท่าใดการเปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และถ้าใช้แรงเดียวกันกับวัตถุที่มีมวลต่างกันการเปลี่ยนแปลงที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะเกิดขึ้นกับวัตถุที่มีน้ำหนักเบาและเคลื่อนที่ได้ง่ายกว่า ประสบการณ์ในชีวิตประจำวันเห็นด้วยกับข้อความเหล่านี้

กฎข้อที่สามของนิวตัน

จรวดอวกาศได้รับแรงขับเคลื่อนที่จำเป็นเนื่องจากก๊าซที่ถูกขับออกมา ที่มา: Pixabay

กฎสองข้อแรกของนิวตันหมายถึงวัตถุชิ้นเดียว แต่กฎข้อที่สามหมายถึงวัตถุสองอย่าง เราจะตั้งชื่อให้ว่า object 1 และ object 2:

F ₁₂ = - F ₂₁

ในความเป็นจริงเมื่อใดก็ตามที่ร่างกายได้รับผลกระทบจากแรงนั่นเป็นเพราะอีกฝ่ายหนึ่งรับผิดชอบในการก่อให้เกิด ดังนั้นวัตถุบนโลกจึงมีน้ำหนักเพราะมันดึงดูดพวกมันเข้าหาศูนย์กลาง ประจุไฟฟ้าจะถูกขับไล่โดยประจุอื่นที่มีเครื่องหมายเดียวกันเนื่องจากมีการออกแรงผลักกับประจุแรกและอื่น ๆ

รูปที่ 3. สรุปกฎของนิวตัน ที่มา: Wikimedia Commons Hugo4914

หลักการอนุรักษ์

ในพลศาสตร์มีหลายปริมาณที่ได้รับการอนุรักษ์ระหว่างการเคลื่อนไหวและการศึกษาเป็นสิ่งจำเป็น พวกเขาเป็นเหมือนเสาทึบที่สามารถยึดติดเพื่อแก้ปัญหาที่กองกำลังแตกต่างกันไปในรูปแบบที่ซับซ้อนมาก

ตัวอย่าง: เมื่อรถสองคันชนกันปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันรุนแรงมาก แต่สั้น ๆ รุนแรงมากจนไม่ต้องคำนึงถึงกองกำลังอื่น ๆ ยานเกราะจึงถือได้ว่าเป็นระบบแยก

แต่การอธิบายปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนี้ไม่ใช่เรื่องง่ายเนื่องจากเกี่ยวข้องกับกองกำลังที่แตกต่างกันไปตามเวลาและในอวกาศด้วย อย่างไรก็ตามโดยสมมติว่ายานพาหนะเป็นระบบแยกกองกำลังระหว่างพวกมันอยู่ภายในและโมเมนตัมจะถูกอนุรักษ์ไว้

การรักษาโมเมนตัมทำให้สามารถคาดเดาได้ว่ายานพาหนะจะเคลื่อนที่อย่างไรหลังจากการชน

หลักการอนุรักษ์ที่สำคัญที่สุดสองประการใน Dynamics:

การอนุรักษ์พลังงาน

โดยธรรมชาติมีกองกำลังสองประเภท: อนุรักษ์นิยมและไม่อนุรักษ์นิยม น้ำหนักเป็นตัวอย่างที่ดีของอดีตในขณะที่แรงเสียดทานเป็นตัวอย่างที่ดีของหลัง

กองกำลังอนุรักษ์นิยมมีลักษณะเฉพาะเนื่องจากมีความเป็นไปได้ในการจัดเก็บพลังงานในการกำหนดค่าของระบบ มันคือพลังงานศักย์ที่เรียกว่า

เมื่อร่างกายมีพลังงานศักย์เนื่องจากการกระทำของแรงอนุรักษ์นิยมเช่นน้ำหนักและเคลื่อนที่พลังงานศักย์นี้จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ผลรวมของพลังงานทั้งสองเรียกว่าพลังงานกลของระบบและเป็นพลังงานที่ได้รับการอนุรักษ์นั่นคือมันคงที่

ให้ U เป็นพลังงานศักย์ K พลังงานจลน์และ E _mพลังงานกล หากมีเพียงกองกำลังอนุรักษ์นิยมเท่านั้นที่กระทำต่อวัตถุจริงอยู่ที่:

ดังนั้น:

การอนุรักษ์โมเมนตัม

หลักการนี้ใช้ได้ไม่เพียง แต่เมื่อรถสองคันชนกัน มันเป็นกฎของฟิสิกส์ที่มีขอบเขตนอกเหนือไปจากโลกมหภาค

โมเมนตัมถูกอนุรักษ์ไว้ในระดับของระบบสุริยะดาวฤกษ์และกาแลคซี และมันยังทำตามขนาดของอะตอมและนิวเคลียสของอะตอมแม้ว่ากลศาสตร์ของนิวตันจะไม่มีผลบังคับใช้ก็ตาม

ให้P เป็นเวกเตอร์โมเมนตัมที่กำหนดโดย:

P = ม. โวลต์

การหาค่า Pตามเวลา:

ถ้ามวลคงที่:

ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนกฎข้อที่สองของนิวตันได้ดังนี้

_{สุทธิ}F = d P / dt

ถ้าสองร่างม. ₁และม. ₂ประกอบเป็นระบบแยกแรงระหว่างทั้งสองจะอยู่ภายในและตามกฎข้อที่สามของนิวตันพวกมันจะเท่ากันและตรงข้ามF ₁ = - F ₂ซึ่งจะตอบสนองสิ่งนั้น:

ถ้าอนุพันธ์เทียบกับเวลาของขนาดเป็นศูนย์หมายความว่าขนาดคงที่ ดังนั้นในระบบแยกสามารถระบุได้ว่าโมเมนตัมของระบบได้รับการอนุรักษ์ไว้:

P ₁ + P ₂ = คงที่

ถึงกระนั้นP ₁และP ₂ก็แตกต่างกันไป โมเมนตัมของระบบสามารถแจกจ่ายซ้ำได้ แต่สิ่งที่สำคัญคือผลรวมของระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

แนวคิดเด่นในเรื่องพลวัต

มีแนวคิดที่สำคัญหลายประการเกี่ยวกับพลวัต แต่มีสองแนวคิดที่โดดเด่น: มวลและแรง ในกองกำลังแสดงความคิดเห็นก่อนหน้านี้และด้านล่างมีรายการที่มีแนวคิดที่โดดเด่นที่สุดที่ปรากฏถัดจากนั้นในการศึกษาพลวัต:

ความเฉื่อย

เป็นคุณสมบัติที่วัตถุต้องต้านทานการเปลี่ยนแปลงสถานะของการพักผ่อนหรือการเคลื่อนไหว วัตถุทั้งหมดที่มีมวลมีความเฉื่อยและมีประสบการณ์บ่อยมากตัวอย่างเช่นเมื่อเดินทางด้วยรถยนต์ที่มีการเร่งความเร็วผู้โดยสารมักจะอยู่นิ่งซึ่งรับรู้ว่าเป็นความรู้สึกของการเกาะที่เบาะหลัง

และหากรถหยุดกะทันหันผู้โดยสารมักจะล้มคว่ำตามการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าก่อนหน้านี้ดังนั้นจึงควรคาดเข็มขัดนิรภัยทุกครั้ง

รูปที่ 4. เมื่อเดินทางโดยรถยนต์ความเฉื่อยทำให้เราชนเมื่อรถเบรกอย่างแรง ที่มา: Pixabay

มวล

มวลคือหน่วยวัดความเฉื่อยเนื่องจากยิ่งมวลของร่างกายมากเท่าไหร่ก็ยิ่งเคลื่อนย้ายได้ยากขึ้นหรือทำให้มันเปลี่ยนการเคลื่อนที่ มวลเป็นปริมาณสเกลาร์ซึ่งหมายความว่าในการระบุมวลของร่างกายจำเป็นต้องให้ค่าตัวเลขบวกกับหน่วยที่เลือกซึ่งอาจเป็นกิโลกรัมปอนด์กรัมและอื่น ๆ

น้ำหนัก

น้ำหนักคือแรงที่โลกดึงวัตถุเข้าใกล้พื้นผิวเข้าหาศูนย์กลาง

เนื่องจากเป็นแรงน้ำหนักจึงมีอักขระเวกเตอร์ดังนั้นจึงมีการระบุอย่างสมบูรณ์เมื่อขนาดหรือค่าตัวเลขทิศทางและความรู้สึกของมันจะถูกระบุซึ่งเรารู้อยู่แล้วว่าอยู่ในแนวดิ่งลง

ดังนั้นแม้ว่าน้ำหนักและมวลจะไม่เท่ากันไม่เท่ากันเนื่องจากตัวแรกเป็นเวกเตอร์และตัวที่สองเป็นสเกลาร์

ระบบอ้างอิง

คำอธิบายของการเคลื่อนไหวอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับข้อมูลอ้างอิงที่เลือก ผู้ที่กำลังขึ้นลิฟต์จะหยุดพักตามกรอบอ้างอิงที่กำหนดไว้ แต่เมื่อเห็นโดยผู้สังเกตการณ์บนพื้นผู้โดยสารกำลังเคลื่อนไหว

หากร่างกายประสบกับการเคลื่อนไหวเกี่ยวกับกรอบอ้างอิงหนึ่ง แต่หยุดอยู่ในอีกกรอบหนึ่งกฎของนิวตันจะใช้กับทั้งสองอย่างไม่ได้ ในความเป็นจริงกฎของนิวตันใช้ได้กับกรอบอ้างอิงบางกรอบนั่นคือกฎเฉื่อย

ในกรอบอ้างอิงเฉื่อยร่างกายจะไม่เร่งความเร็วเว้นแต่จะถูกรบกวนไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง - โดยการบังคับ

กองกำลังสมมติ

กองกำลังสมมติหรือกองกำลังหลอกจะปรากฏขึ้นเมื่อวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของร่างกายในกรอบอ้างอิงแบบเร่ง กองกำลังสมมติมีความแตกต่างเนื่องจากไม่สามารถระบุตัวแทนที่รับผิดชอบต่อลักษณะที่ปรากฏได้

แรงเหวี่ยงเป็นตัวอย่างที่ดีของแรงสมมติ อย่างไรก็ตามความจริงที่ว่ามันไม่ได้ทำให้จริงน้อยลงสำหรับผู้ที่ได้สัมผัสกับมันเมื่อพวกเขาเลี้ยวรถและรู้สึกว่ามือที่มองไม่เห็นกำลังผลักพวกเขาออกจากโค้ง

การเร่งความเร็ว

เวกเตอร์ที่สำคัญนี้ได้กล่าวไว้แล้วก่อนหน้านี้ วัตถุประสบกับความเร่งตราบเท่าที่มีแรงที่เปลี่ยนความเร็ว

งานและพลังงาน

เมื่อแรงกระทำต่อวัตถุและมันเปลี่ยนตำแหน่งแรงก็ทำงาน และงานนี้สามารถเก็บไว้ในรูปของพลังงาน ดังนั้นงานจึงดำเนินการกับวัตถุขอบคุณที่ได้รับพลังงาน

ตัวอย่างต่อไปนี้จะช่วยเคลียร์ประเด็น: สมมติว่าคน ๆ หนึ่งยกหม้อสูงเหนือระดับพื้นดิน

สำหรับสิ่งนี้จะต้องใช้แรงและเอาชนะแรงโน้มถ่วงจึงทำงานบนหม้อและงานนี้จะถูกเก็บไว้ในรูปแบบของพลังงานศักย์โน้มถ่วงในหม้อตามสัดส่วนกับมวลและความสูงที่อยู่เหนือพื้น :

โดยที่ m คือมวล g คือแรงโน้มถ่วงและ h คือความสูง หม้อทำอะไรได้บ้างเมื่อสูงถึง h? มันอาจตกลงมาและเมื่อมันตกลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงจะลดลงในขณะที่พลังงานจลน์หรือการเคลื่อนที่เพิ่มขึ้น

สำหรับแรงในการทำงานนั้นจะต้องสร้างการกระจัดที่ต้องขนานกับแรง หากไม่เกิดขึ้นแสดงว่าแรงยังคงกระทำต่อวัตถุ แต่ไม่ได้ผล

หัวข้อที่เกี่ยวข้อง

กฎข้อแรกของนิวตัน

กฎข้อที่สองของนิวตัน

กฎข้อที่สามของนิวตัน

กฎหมายว่าด้วยการอนุรักษ์สสาร

อ้างอิง

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. เล่มที่ 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. เล่มที่ 2. พลวัต. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th .. Ed Prentice Hall.
4. ฮิววิตต์พอล 2555. วิทยาศาสตร์กายภาพเชิงความคิด. 5 เอ็ดเพียร์สัน
5. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage
6. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
7. วิกิพีเดีย พลวัต สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.