역학 : 역사, 연구 대상, 법률 및 이론 - 물리적 인 - 2026

동적 몸과 그 효과 사이의 상호 작용을 연구하는 역학의 영역이다. 질적 및 양적으로 설명하고 시간이 지남에 따라 어떻게 진화할지 예측합니다.

그 원리를 적용하면 다른 사람과 상호 작용할 때 신체의 움직임이 어떻게 수정되는지, 그리고 이러한 상호 작용이 신체를 변형하는 경우 두 효과가 동시에 발생할 수 있기 때문에 어떻게 수정되는지 알려져 있습니다.

그림 1. 사이클리스트의 상호 작용은 움직임을 수정합니다. 출처 : Pixabay.

위대한 그리스 철학자 아리스토텔레스 (기원전 384-322)의 신념은 수세기 동안 서양에서 역학의 기초로 널리 퍼졌습니다. 그는 물체를 한 방향 또는 다른 방향으로 밀어내는 일종의 에너지 때문에 물체가 움직 였다고 생각했습니다.

그는 또한 물체가 밀리는 동안 일정한 속도로 움직이지만 밀기가 멈출 때 멈출 때까지 점점 더 천천히 움직이는 것을 관찰했습니다.

아리스토텔레스에 따르면, 무언가를 일정한 속도로 움직이려면 일정한 힘의 작용이 필요했지만이 철학자는 마찰의 영향을받지 않았습니다.

그의 또 다른 아이디어는 무거운 물체가 가벼운 물체보다 빨리 떨어 졌다는 것입니다. 점성 효과를 무시하고 질량에 관계없이 모든 물체가 동일한 가속도로 떨어지는 것을 실험을 통해 입증 한 것은 위대한 갈릴레오 갈릴레이 (1564-1642)였습니다.

그러나 고트 프리트 라이프니츠와 함께 현대 역학 및 수학적 계산의 아버지로 여겨지는 가장 뛰어난 과학자 인 아이작 뉴턴 (1642-1727)이 바로 그 사람입니다.

그림 2. Godfrey Kneller의 1682 년 Isaac Newton. 출처 : Wikimedia Commons.

17 세기에 제정 된 유명한 법은 오늘날에도 유효하고 신선합니다. 그것들은 우리가 매일보고 영향을 미치는 고전 역학의 기초입니다. 이러한 법률은 곧 논의 될 것입니다.

역학은 무엇을 연구합니까?

역학은 물체 간의 상호 작용을 연구합니다. 객체가 상호 작용할 때 움직임과 변형이 변경됩니다. 정적이라고 불리는 특정 영역은 평형 상태에있는 시스템, 정지 상태에 있거나 균일 한 직선 운동을하는 시스템에만 사용됩니다.

역학의 원리를 적용하면 방정식을 사용하여 시간에 따른 물체의 변화와 진화를 예측할 수 있습니다. 이를 위해 연구 할 시스템 유형에 따라 몇 가지 가정이 설정됩니다.

입자, 단단한 고체 및 연속 매체

입자 모델은 역학 원리를 적용하는 가장 간단한 방법입니다. 연구 대상 물체는 질량이 있지만 치수는 없다고 가정합니다. 따라서 입자는 전자만큼 작거나 지구 또는 태양만큼 클 수 있습니다.

크기가 역학에 미치는 영향을 관찰하려면 물체의 크기와 모양을 고려해야합니다. 이를 고려하는 모델은 매우 많은 입자로 구성되어 있지만 힘의 영향으로 변형되지 않는 측정 가능한 치수를 가진 몸체 인 단단한 솔리드의 모델입니다.

마지막으로 연속 매체의 역학은 물체의 치수뿐만 아니라 변형해야하는 능력을 포함한 특정 특성도 고려합니다. 연속 매체는 유체뿐만 아니라 강성 및 비 강성 고체를 포함합니다.

뉴턴의 법칙

역학이 어떻게 작동하는지 이해하는 열쇠는 신체에 작용하는 힘을 운동 또는 휴식 상태의 변화와 정량적으로 연결하는 뉴턴의 법칙을 철저히 이해하는 것입니다.

뉴턴의 제 1 법칙

뉴턴의 첫 번째 법칙에 대한 설명. 출처 : 자체 제작.

그렇게 말한다 :

성명서의 첫 번째 부분은 방해받지 않는 한 정지 상태의 물체가 그대로 유지된다는 것이 분명하기 때문에 매우 분명해 보입니다. 그리고이를 위해서는 힘이 필요합니다.

반면에 물체에 대한 순 힘이 0 일 때도 물체가 계속 움직인다는 사실은 물체가 무한히 움직일 수있는 것처럼 보이기 때문에 받아들이 기가 조금 더 어렵습니다. 그리고 일상적인 경험은 조만간 상황이 느려진다는 것을 알려줍니다.

이 명백한 모순에 대한 대답은 마찰에 있습니다. 실제로 물체가 완벽하게 매끄러운 표면에서 움직일 경우, 다른 힘이 움직임을 변화시키지 않는다고 가정하면 무기한으로 움직일 수 있습니다.

마찰을 완전히 제거하는 것은 불가능하기 때문에 신체가 무한정 일정한 속도로 움직이는 상황은 이상화입니다.

마지막으로, 순 힘이 0이지만 이것이 반드시 물체에 대한 힘이 전혀 없다는 것을 나타내는 것은 아닙니다.

지구 표면의 물체는 항상 중력 적 인력을 경험합니다. 테이블 위에 놓인 책은 테이블 표면이 무게를 상쇄하는 힘을 가하기 때문에 그대로 유지됩니다.

뉴턴의 제 2 법칙

뉴턴의 제 2 법칙에 대한 설명. 출처 : 자체 제작.

뉴턴의 첫 번째 법칙은 순 또는 결과적인 힘이 0 인 물체에 어떤 일이 발생하는지 설정합니다. 이제 역학의 기본 법칙 또는 뉴턴의 두 번째 법칙은 순 힘이 상쇄되지 않을 때 일어날 일을 나타냅니다.

실제로 적용된 힘이 클수록 물체의 속도 변화가 커집니다. 그리고 질량이 다른 물체에 동일한 힘이 가해지면 더 가볍고 움직이기 쉬운 물체가 가장 큰 변화를 경험하게됩니다. 일상적인 경험은 이러한 진술에 동의합니다.

뉴턴의 제 3 법칙

우주 로켓은 방출 된 가스 덕분에 필요한 추진력을받습니다. 출처 : Pixabay.

뉴턴의 처음 두 법칙은 단일 객체를 나타냅니다. 그러나 세 번째 법칙은 두 가지 대상을 나타냅니다. 개체 1과 개체 2의 이름을 지정합니다.

F ₁₂ = -F ₂₁

실제로 어떤 신체가 힘의 영향을받을 때마다 다른 사람이 힘의 원인이되기 때문입니다. 따라서 지구상의 물체는 중심으로 끌기 때문에 무게가 있습니다. 전하는 동일한 부호의 다른 전하에 의해 반발됩니다. 이는 첫 번째 신호에 반발력을 가하기 때문입니다.

그림 3. 뉴턴의 법칙 요약. 출처 : Wikimedia Commons. Hugo4914.

보존 원칙

역학에는 이동 중에 보존되고 연구가 필수적인 몇 가지 양이 있습니다. 힘이 매우 복잡한 방식으로 달라지는 문제를 해결하기 위해 부착 할 수있는 단단한 기둥과 같습니다.

예 : 두 차량이 충돌 할 때 두 차량 간의 상호 작용은 매우 강하지 만 짧습니다. 너무 강해서 다른 힘을 고려할 필요가 없으므로 차량은 격리 된 시스템으로 간주 될 수 있습니다.

그러나이 강렬한 상호 작용을 설명하는 것은 시간과 공간에 따라 달라지는 힘을 포함하기 때문에 쉬운 작업이 아닙니다. 그러나 차량이 격리 된 시스템을 구성한다고 가정하면 차량 사이의 힘이 내부적으로 작용하고 운동량이 보존됩니다.

모멘텀을 보존함으로써 충돌 직후 차량이 어떻게 움직 일지 예측할 수 있습니다.

Dynamics에서 가장 중요한 두 가지 보존 원칙은 다음과 같습니다.

에너지 절약

본질적으로 보수적 인 힘과 비 보수적 인 힘의 두 가지 유형이 있습니다. 무게는 전자의 좋은 예이고 마찰은 후자의 좋은 예입니다.

음, 보수적 인 힘은 시스템 구성에 에너지를 저장할 수있는 가능성을 제공하기 때문에 특징입니다. 소위 포텐셜 에너지입니다.

몸이 무게와 같은 보수적 인 힘의 작용으로 위치 에너지를 가지고 움직일 때,이 위치 에너지는 운동 에너지로 변환됩니다. 두 에너지의 합을 시스템의 기계적 에너지라고하며 보존되는 에너지, 즉 일정하게 유지됩니다.

U는 위치 에너지, K는 운동 에너지, E _m 은 기계적 에너지 라고합시다 . 보수적 인 힘만 물체에 작용하는 경우 다음 사항이 사실입니다.

그러므로:

운동량 보존

이 원칙은 두 대의 차량이 충돌 할 때만 적용되는 것이 아닙니다. 그것은 거시적 세계를 넘어서는 범위를 가진 물리학의 법칙입니다.

추진력은 태양계, 항성계 및 은하계 수준에서 보존됩니다. 그리고 그것은 또한 뉴턴 역학이 거기에서 유효하지 않음에도 불구하고 원자와 원자핵의 규모로 그것을합니다.

하자 P는 수 에 의해 주어진 운동량 벡터 :

P = m. V

시간에 대한 P 도출 :

질량이 일정하게 유지되는 경우 :

따라서 우리는 다음과 같이 뉴턴의 제 2 법칙을 쓸 수 있습니다.

_순 F = d P / dt

두 물체 m ₁ 과 m ₂ 가 고립 된 시스템을 구성하는 경우 두 물체 사이의 힘은 내부적이며 뉴턴의 세 번째 법칙에 따라 동일하고 반대 F ₁ = -F ₂ 이며 다음과 같이 충족됩니다.

크기의 시간에 대한 미분이 0이면 크기가 일정하게 유지됨을 의미합니다. 따라서 격리 된 시스템에서는 시스템의 추진력이 보존된다고 말할 수 있습니다.

P ₁ + P ₂ = 상수

그럼에도 불구하고 P ₁ 과 P ₂ 는 개별적으로 다를 수 있습니다. 시스템의 추진력은 재분배 될 수 있지만 중요한 것은 그 합계가 변하지 않는다는 것입니다.

역학의 주요 개념

역학에는 많은 중요한 개념이 있지만 그 중 두 가지, 즉 질량과 힘이 두드러집니다. 이미 이전과 아래에 언급 된 힘에는 역학 연구에서 그 옆에 나타나는 가장 눈에 띄는 개념 목록이 있습니다.

관성

개체가 휴식 또는 이동 상태의 변화에 ​​저항해야하는 속성입니다. 질량이있는 모든 물체는 관성이 있고 매우 자주 경험합니다.

그리고 차가 갑자기 멈 추면 승객은 이전에 가졌던 전진 동작에 따라 전복하는 경향이 있으므로 항상 안전 벨트를 착용하는 것이 중요합니다.

그림 4. 자동차로 여행 할 때 관성으로 인해 자동차가 급제동 할 때 충돌이 발생합니다. 출처 : Pixabay.

질량

질량은 관성의 척도입니다. 몸의 질량이 클수록 몸을 움직이거나 움직임을 변화시키는 것이 더 어려워지기 때문입니다. 질량은 스칼라 수량입니다. 즉, 물체의 질량을 지정하려면 숫자 값과 선택한 단위 (킬로, 파운드, 그램 등)를 제공해야합니다.

무게

무게는 지구가 표면에 가까운 물체를 중심으로 당기는 힘입니다.

힘이기 때문에 가중치는 벡터 문자를 가지므로 크기 또는 숫자 값, 방향 및 감각이 표시 될 때 완전히 지정됩니다. 이미 알고있는 수직 아래쪽입니다.

따라서 관련이 있더라도 가중치와 질량은 동일하지도 않습니다. 첫 번째는 벡터이고 두 번째는 스칼라이기 때문입니다.

참조 시스템

무브먼트에 대한 설명은 선택한 참조에 따라 다를 수 있습니다. 엘리베이터를 타고 올라가는 사람들은 고정 된 기준틀에 따라 휴식을 취하고 있지만, 지상에있는 관찰자가 본 승객들은 움직이고 있습니다.

신체가 한 참조 프레임에 대해 움직임을 경험하지만 다른 프레임에 정지되어있는 경우 뉴턴의 법칙이 둘 다에 적용될 수 없습니다. 사실, 뉴턴의 법칙은 특정 기준 프레임, 즉 관성에 적용됩니다.

관성 기준 좌표계에서 물체는 힘을 가하여 어떤 방식 으로든 방해받지 않는 한 가속하지 않습니다.

가상의 힘

가속 된 참조 프레임에서 신체의 움직임이 분석 될 때 가상의 힘 또는 의사 힘이 나타납니다. 가상의 힘은 외모를 담당하는 대리인을 식별 할 수 없기 때문에 구별됩니다.

원심력은 가상의 힘의 좋은 예입니다. 그러나 그것이 사실이라는 사실은 차를 돌릴 때 그것을 경험하고 보이지 않는 손이 그들을 커브에서 밀어내는 것처럼 느끼는 사람들에게 더 이상 현실적이지 않습니다.

가속

이 중요한 벡터는 이전에 이미 언급되었습니다. 물체는 속도를 바꾸는 힘이있는 한 가속을 경험합니다.

일과 에너지

힘이 물체에 작용하고 그 위치가 바뀌면 힘이 일을 한 것입니다. 그리고이 작업은 에너지의 형태로 저장 될 수 있습니다. 따라서 에너지를 얻는 덕분에 물체에 대한 작업이 수행됩니다.

다음 예는 요점을 정리합니다. 사람이지면보다 특정 높이에서 냄비를 들어 올린다고 가정합니다.

이를 위해 힘을 가하고 중력을 극복해야하므로 냄비에 작용하며,이 작업은 바닥 위로 도달 한 높이와 질량에 비례하여 냄비에 중력 위치 에너지의 형태로 저장됩니다. :

m은 질량, g는 중력, h는 높이입니다. 냄비가 높이 h가되면 무엇을 할 수 있습니까? 글쎄요, 그것은 떨어질 수 있고 떨어질 때 그것이 가진 중력 위치 에너지는 감소하고 운동 에너지 또는 운동 에너지는 증가합니다.

힘이 작동하려면 힘과 평행해야하는 변위를 생성해야합니다. 이것이 일어나지 않으면, 힘은 여전히 ​​물체에 작용하지만 작용하지는 않습니다.

관련 주제

뉴턴의 첫 번째 법칙.

뉴턴의 제 2 법칙.

뉴턴의 세 번째 법칙.

물질 보존 법칙.

참고 문헌

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