Ankstesniame straipsnyje (🔗 Judėjimas aplink mus: nuo tiesės iki parabolės) nagrinėjome, kaip kūnai juda (kinematika). Dabar žengsime žingsnį toliau ir aiškinsimės, kodėl kūnai juda arba keičia savo judėjimą. Šį fizikos skyrių vadiname dinamika, o jos pagrindą sudaro jėgos samprata ir trys fundamentalūs Izaoko Niutono dėsniai. Šiame straipsnyje detaliai išnagrinėsime šiuos dėsnius ir aptarsime svarbiausias jėgas, su kuriomis susiduriame kasdien.
Kas yra jėga ir kaip ją matuojame bei vaizduojame?
Kasdienėje kalboje „jėga“ reiškia daug ką, tačiau fizikoje jėga ($\vec{F}$) yra tiksliai apibrėžtas dydis:
- Apibrėžimas: Jėga yra fizikinis dydis, apibūdinantis kūnų sąveiką, t. y., vieno kūno poveikį kitam. Šis poveikis gali pasireikšti kūno greičio kitimu (pagreičiu) arba kūno deformacija.
- Vektorinis pobūdis: Jėga yra vektorinis dydis. Jai apibūdinti nepakanka vien skaitinės vertės (modulio), reikia nurodyti ir jos kryptį bei poveikio (pridėties) tašką. Grafiškai jėgą vaizduojame kaip kryptinę atkarpą (rodyklę).
- Matavimas: Paprasčiausias prietaisas jėgai matuoti yra dinamometras, kurio veikimas pagrįstas spyruoklės pailgėjimu veikiant jėgai (Huko dėsnis). SI jėgos vienetas yra niutonas (N). 1 N – tai jėga, kuri 1 kg masės kūnui suteikia 1 m/s² pagreitį ($1 , \text{N} = 1 , \text{kg} \cdot \text{m/s}^2$).
- Jėgų rūšys: Gamtoje egzistuoja įvairios sąveikos, kurias apibūdina skirtingos jėgos: gravitacijos (traukos), elektromagnetinės (tarp jų – tamprumo, trinties), stipriosios ir silpnosios (pasireiškia atomų branduoliuose). Šiame skyriuje daugiausia dėmesio skirsime mechanikoje svarbiausioms – gravitacijos, tamprumo ir trinties jėgoms.
- Atstojamoji jėga ($\vec{R}$ arba $\sum \vec{F}$): Kai kūną veikia kelios jėgos, jų bendrą poveikį apibūdina atstojamoji jėga, kuri lygi visų kūną veikiančių jėgų vektorinei sumai. Atstojamąją randame taikydami vektorių sudėties taisykles (lygiagretainio arba daugiakampio). Jei atstojamoji lygi nuliui, sakoma, kad jėgos kompensuoja viena kitą.
Vaizdinė medžiaga: Dinamometro nuotrauka/schema. Brėžiniai, iliustruojantys jėgos kaip vektoriaus vaizdavimą (rodyklė su kryptimi ir ilgiu) ir atstojamosios jėgos radimą dviem ar daugiau jėgų (lygiagretainio ir daugiakampio taisyklės).
Pirmasis Niutono dėsnis: inercijos principas
Šis dėsnis aprašo kūnų elgesį, kai jų neveikia jėgos arba veikiančių jėgų atstojamoji lygi nuliui.
- Formuluotė: Egzistuoja tokios atskaitos sistemos, kurių atžvilgiu kūnas išlaiko ramybės būseną arba juda tiesiai ir tolygiai, jei jo neveikia jokios jėgos arba veikiančių jėgų atstojamoji lygi nuliui. $$ \sum \vec{F} = 0 \Leftrightarrow \vec{v} = \text{const} $$
- Inercija: Kūno savybė priešintis jo greičio kitimui vadinama inercija. Kūno inertiškumo matas yra jo masė ($m$). Kuo kūno masė didesnė, tuo jis inertiškesnis – tuo sunkiau pakeisti jo greitį.
- Inercinės atskaitos sistemos: Atskaitos sistemos, kuriose galioja pirmasis Niutono dėsnis, vadinamos inercinėmis. Jei turime vieną inercinę sistemą, tai bet kuri kita sistema, judanti jos atžvilgiu tiesiai ir tolygiai, taip pat yra inercinė. Sistema, judanti su pagreičiu inercinės sistemos atžvilgiu, yra neinercinė (joje Niutono dėsniai tiesiogiai negalioja, atsiranda vadinamosios inercijos jėgos). Praktikoje Žemę dažnai laikome apytiksliai inercine sistema.
Interaktyvūs elementai:
- 🔗 Video demonstruojantis inercijos reiškinius (pvz., staigiai patraukus staltiesę, indai lieka vietoje; staigiai stabdant autobusą, keleiviai palinksta pirmyn).
Antrasis Niutono dėsnis: pagrindinis dinamikos dėsnis
Šis dėsnis kiekybiškai susieja kūną veikiančią jėgą, kūno masę ir jo įgytą pagreitį.
- Formuluotė: Kūno įgytas pagreitis yra tiesiogiai proporcingas kūną veikiančiai atstojamajai jėgai ir atvirkščiai proporcingas kūno masei. Pagreičio kryptis sutampa su atstojamosios jėgos kryptimi. $$ \vec{a} = \frac{\sum \vec{F}}{m} \quad \text{arba} \quad \sum \vec{F} = m\vec{a} $$
- Reikšmė: Tai pagrindinis dinamikos dėsnis, leidžiantis apskaičiuoti kūno judėjimą, kai žinomos jį veikiančios jėgos, arba rasti veikiančią jėgą, kai žinomas kūno judėjimas (pagreitis). Jis galioja inercinėse atskaitos sistemose.
Interaktyvūs elementai:
-
🔗 Interaktyvi simuliacija „Jėgos ir judėjimas: pagrindai“ (PhET) (Leidžia stumdyti įvairios masės daiktus, matyti veikiančias jėgas, pagreitį ir greitį).
-
Uždavinio sprendimo pavyzdys:
Kokiu pagreičiu juda 500 kg masės automobilis, jei variklio traukos jėga yra 1500 N, o pasipriešinimo judėjimui jėga – 500 N?Duota: $m = 500$ kg, $F_{traukos} = 1500$ N, $F_{pasipr} = 500$ N.
Rasti: $a = ?$.
Sprendimas:
1. Randame kūną veikiančią atstojamąją jėgą judėjimo kryptimi. Traukos jėga veikia judėjimo kryptimi, pasipriešinimo – priešinga kryptimi. Tarkime, judėjimo kryptis yra teigiama Ox...