Indar mekaniko eta mugimenduaren sarrera

Indar mekanikoa eta mugimendua fisikaren eta ingeniaritzaren oinarria dira, dena pendulu baten kulunkatik suziria jaurtitzera zuzentzen duena. Zubi bat diseinatzen ari zaren ala ez, motor bat konpontzen edo pilota nola mugitzen den ostikadatzean, kontzeptu horiek funtsezkoak dira. Artikulu hau indar mekaniko eta mugimenduaren oinarrizko printzipioetan zabaltzen da, ikasle, hobby-zale eta profesionalentzako ikuspegi orokor zehatz eta eskuragarria eskainiz. Indarren, mugimenduaren matematikaren, Newtonen lege hautsien eta mundu errealeko aplikazioen izaera aztertuko dugu.

Zer da indar mekanikoa?

Baldintza sinpleenetan, indar mekaniko bat objektu baten bultzatze edo tiraketa da, beste objektu batekin duen elkarreraginaren ondorioz. Indarrek objektu bat azeleratu, dezeleratu, norabidea aldatu edo deformatzeko eragin dezakete. Hauek dira potentzia-kantitateaFLT:1, eta magnitudea (zein indartsua den bultzada edo bultzada) eta norabidea. Indarraren SI unitatea da, indar-unitatearen arabera, FLT:3, masa-grama bat bizkortzeko behar den indarra, Isaac Newtonen bigarren mende honetan, bigarren obra formalizatuaren oinarriak ezartzeko.

Indarrak edonon daude: soka bateko tentsioa gerra-tang batean, liburu bat onartzen duen taula bateko indar normala, Lurraren grabitazio-tentsioa eta irristatze-koadroa moteltzen duen marruskadura. Interakzio horiek aztertzeko, ingeniari eta fisikariek sarritan gorputzik gabeko diagramak marrazten dituzte, objektu bat isolatzen dutenak eta indar guztiak erakusten dituztenak, eta hori funtsezkoa da indar garbia kalkulatzeko eta mugimendua sortzeko.

Indar mekanikoen motak

Indar mekanikoak kontaktu-indarretan eta kontakturik gabeko indarretan sailkatzen dira, eta bakoitzak azpimota garrantzitsuak ditu:

  • Bi objektu fisikoki ukitzerakoan, bi objektu agertzen dira. Adibide nagusiak hauek dira:
    • [Indar normala: Gainazal batek eragiten duen babes perpendikularra. Adibidez, taula bateko liburu batek grabitatea orekatzeko indar normal bat bizi du.
    • Erresistentzia-indarrak, kontaktuko gainazalen paraleloan, aurkako mugimenduaren (edo mugimendu inflexiboaren) aurka jokatzen du.
    • [Tension: [Tension] Hari, kable edo kate baten bidez transmititzen den tiratzailea, luzatzen denean.
    • Indar aplikatua: edozein bultza edo tira egin nahi duen pertsona edo makina batek, gurdi bat bultzaka bezala.
    • Indar erreprimitzailea: malguki konprimitu edo luzatu batek bultzatutako indarra, desplazamenduarekiko proportzionala.
  • Ez-kontaktu-indarrak: Ekin distantzian kontaktu zuzenik gabe. Hona hemen adibide batzuk:
    • Gravity: Edozein masaren arteko indar erakargarria. Lurrean, objektuen pisua ematen du (W = mg, non g ⁇ 9,81 m/s2).
    • Indar magnetikoak: imanen edo material ferromagnetikoen arteko erakarpena edo kanporatzea.
    • IndarElektrostatikoak: karga elektrikoen arteko indarrak, aurkako kargaren arteko erakarpena edo kargaren arteko atzerapena.

Indar horien arteko elkarreragina ulertzea funtsezkoa da mugimendua edo egitura-osotasuna iragartzeko. Adibidez, gorantz doan igogailu batek tentsioa dakar kableetan, indar normalean eta grabitatean, aldi berean jokatzen dena.

Mugimenduaren ulermena

Mugimenduak objektu baten posizioa aldatzen du denboran zehar erreferentzia-marko bati dagokionez. Eguneroko hitzak "abiadura" edo "mugimendua" bezala erabiltzen ditugun bitartean, fisikak definizio zehatzak eskatzen ditu: desplazamendua, abiadura eta azelerazioa. Bektore-kopuru horiek magnitudea adierazten dute, baina baita norabidea ere, mugimendu-analisia geometrikoa eta matematikoa eginez.

Desplazamendua, bizkortasuna eta bizkortasuna

  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • Abiadura abiadura abiadura abiadura da edozein une zehatzetan. Abiadura abiadura abiadura abiaduraren magnitudea da, eskalarra, eta 60 km/h iparraldera doan auto batek 60 km/h ipar-ekialdera du.
  • Abiadura denboran zehar aldatzen den abiadura, abiadura abiadura, abiadura, abiadura, abiadura, abiadura, abiadura, abiadura eta norabidea aldatzen dituena, adibidez, abiadura konstantean ertz bat biratzen duen autoa azeleratzen ari da norabidea aldatzen delako. Azelerazioa = (azken abiadura - hasierako abiadura) ⁇ denbora, m/s2 unitateekin.

Hauek ikusteko, grafiko bat hartu behar da: posizio-denboraren grafikoaren maldak abiadura ematen du; abiadura-denboraren grafikoaren maldak bizkortasuna ematen du. Abiadura-denboraren grafikoan dagoen eremua desplazamenduaren berdina da. Erlazio hauek zinematikako oinarri dira, mugimenduaren azterketa indarrei dagokienez.

Mugimendu motak

Mugimenduak bere bide eta iraupenean sailka daitezke:

  • Mugimendu lineala, lerro zuzen batetik bestera, trenbide zuzen batetik, tren bat bezala, uniforme (abiadura konstantea) edo ez-uniformoa (aklebatuz) izan daiteke.
  • Mugimendu birakaria, abiadura angeluarra eta azelerazioa.
  • Mugimendu periodiko bat: atzera eta aurrera, pendulu bat edo masa bat malguki batean (mugimendu harmoniko sinplea).
  • Mugimendu proiektiboa, bi dimentsioko mugimendua grabitatearen azpian, adibidez, saskibaloi-tiroa. Osagai horizontala konstantea da (aire-erresistentzia saihestuz), eta mugimendu bertikala beherantz bizkortzen da.

Newtonen legeak

Newtonen hiru legeak mekanika klasikoaren giltzarriak dira, eta emaitzaren mugimenduari indarrak lotzeko esparrua ematen dute. Lege bakoitza esperimentu ugarik onartzen dute, eta gaur egun oraindik erabiltzen da ingeniaritza aplikazio gehienetarako (erlatibitatea edo efektu kuantikoak nagusi diren lekuetan izan ezik).

Lehen legea: Inertziaren legea

"Atseden dagoen objektu bat geldi geratzen da, eta mugimenduko objektu bat abiadura konstantean mugitzen da, kanpoko indar batek ez badu eragiten". Lege honek barne hartzen du objektu baten mugimendua, mugimenduaren egoeran aldaketak jasateko joera. Inertia masarekiko proportzionala da, objektu masiboek inertzia handiagoa dute. Adibidez, kamioi astun batek indar handiagoa behar du bizikleta bat baino bizkorrago edo geldiarazteko. Bat-batean balaztatzen bada, zure gorputzak aurrera egiten du, zure inertzia nahi duelako jatorrizko posizioan aurrera egiteko.

Bigarren legea: F = ma

"objektu baten azelerazioa zuzenean proportzionala da bere indar netoaren aldean, eta alderantziz masaren proportzionala". Matematikoki, F net = m × a , non F net indar guztien batura bektorea den, m masa da, eta azelerazioa da emaitza. Lege honek adierazten du nola eragiten dioten mugimenduei. Adibidez, 10 kg-ko kutxa bat 20 N-ko indarrarekin bultzatzen baduzu (marruskadura okerra), azeleratu 2 m/2 indar bera da, eta 20 kg-ko abiadura kalkulatzeko, masa-ko abiaduran, eta 20 kg-ko abiaduran, eta 20 kg-ko erresistentzian, masan, eta 20 kg-ko abiaduran, masan, masan, masan, masan, masan, masan, eta masan, masan, masan, masan, masan, erresistentzian, eta masan, matrizean, soilik aplikatzen da.

Hirugarren legea: Ekintza eta erreakzioa

"Ekintza bakoitza, kontrako erreakzio bat da". Horrek esan nahi du indarrak beti bikoteka datozela. Horma bat zapaltzen duzunean, hormak indar berberaz atzera egiten du. Ez zara mugitzen, lurrak ere presioa egiten duelako geldirik mantentzeko. Suziri batek gasa kanporatzea (ekintza) egiten du, eta gasak suziria gorantz bultzatzen du (erreakzioa). Oinez ibiltzeak oinean lurrari bultzaka egiten dio, eta lurrak aurrera egiten du. Ekintza-bikote garrantzitsuak ekintza ezberdinetan egiten dira, eta ez dute beste objektu bat bera ere bertan behera uzten.

Hiru lege hauek batera, indarren mugimendua iragartzea ahalbidetzen digute, eta alderantziz. Sistema konplexuetan, ingeniariek simulazioetan erabiltzen dituzte dena, autoaren kraskadurak eta sateliteen orbitak modelatzeko.

Indarraren eragina mugimendua

Indarra azelerazioaren kausa da, baina harremana ez da beti zuzena, aldi berean jarduten duten indar anitzen ondorioz. Indar garbia ez bada zero, objektua geldi edo abiadura konstantean mugitzen da (Newtonen lehen legea). Indarra zero bada, objektua bizkortzen da sarearen norabidean. Frikzioa mugimenduaren aurka dagoen indar arruntenetariko bat da, eta horrela aztertuko dugu sakoneran.

Frikzioa: indar erresistenteak

Gainazalen arteko elkarrekintza mikroskopikoetatik sortzen da frikzioa, beti mugimenduaren noranzkoaren aurka jokatzen du (edo mugimendu inpedantzia). Frikzioa ezinbestekoa da, hura gabe ezin da ibili, lumaz idatzi edo auto bat gidatu, baina energia-galera bero gisa ere eragiten du. marruskadura-mentsioa gainazalen izaeraren eta indar normalaren araberakoa da, marruskadura-koefizientearen arabera deskribatua (μ).

  • Frikzioa estatikoa (μ, ) : objektu bat mugitzea eragozten duen indarra, zerotik gehienezko balioraino aldatzen da, μFLT:4]]s × N.
  • Frikzioa kinetikoa (μk) : objektua jadanik irristatzen ari denean aurkako mugimendua. Normalean gehienezko marruskadura estatikoa baino txikiagoa da (μFLT:4]]k ), eta horrek azaltzen du zergatik den errazagoa kutxa bat mugitzea mugitzea mugitzea baino.
  • Erresistentzia aurkitu da objektu bat gainazal batetik bestera jaisten denean, marruskadura irristakorra baino askoz txikiagoa. Horregatik dira errodamenduak eta gurpilak eraginkorrak.
  • Aire-erresistentzia (Dragon) : abiadura, gainazal eta formaren araberakoa den jariakortasun-marruskadura mota. Objektu erorien kasuan, arrastatu egiten da grabitatea orekatzeko, eta ondorioz abiadura terminala , abiadura maximora iritsi da. Zeru-hezitzaileek esperientzia hau izaten dute bizkortzeari uzten diotenean.

Frikzioa ulertzea funtsezkoa da diseinuan: balaztak marruskadura handian oinarritzen dira, motorrak eta errodamenduak minimizatzeko. Frikzio-koefizientea oso aldakorra da: kautxua hormigoi lehorrean ( ⁇ 0,7-1.0) eta altzairu lubrifikatuaren aurrean ( ⁇ 0,05-0,1).

Indar mekanikoen eta mugimenduaren aplikazio praktikoak

Indar eta mugimenduen printzipioak teknologia eta eguneroko bizitzaren alderdi guztiak dira. Hona hemen kontzeptu horiek praktikan jartzen diren funtsezko arloak:

Garraioa

  • Motorrak gurpilak gidatzeko torquea sortzen du, gurpilak gidatzeko trakzioa sortzen du, autoaren aurrerantz bultzatzeko gurpilak marruskaduraz. Balaztak gurpilei marruskadura aplikatzen die dezeleratzeko. Eserleku eta airbagek inertzia erabiltzen dute bidaiariak babesteko bat-bateko geldialdi batean.
  • Aireplanoak : Jet motorrek bultzada (erreakzio-indar bat) sortzen dute, eta hegoek presioaren desberdintasunen bidez altxatzen dute.
  • Trenbideak: altzairuaren gurpilek, altzairuaren errailetan, igurzketa minimizatzen dute, abiadura handiko bidaia eraginkorra ahalbidetuz. Lebitazio magnetikoak (maglev) indar magnetikoak erabiltzen ditu igogailu eta propultsiorako, marruskadura erabat ezabatuz.

Makineria eta ingeniaritza

  • Makina bakunak, korronteak, eta plano makurtuak indarrak handitzen dituzte lana errazteko. Adibidez, palanka batek indar aplikatua biderkatzen du indarraren distantziaren arabera (Arkimedesen printzipioa).
  • Beso robotikoek motorrak (torkuak), artikulazioak eta lotura-tresnak erabiltzen dituzte indar eta mugimendu zehatzak aplikatzeko.
  • Eraikuntzak eta zubiak, grabitazio-kargak, haizeak eta lurrikarak, esate baterako, jasan behar dituzte. Ingeniariek tentsioak kalkulatzen dituzte (eremuko indarra) eta habeak, zutabeak eta oinarriak diseinatzen dituzte hutsegitea saihesteko. Altzairuak eta hormigoiak bezalako materialek indar-ezaugarri espezifikoak dituzte.

Kirolak eta errekreazioa

  • Mugimendu proiektiboa : saskibaloi-tiroa, javelin-jauzia eta golf-buelta batek objektu bat angelu optimo batean jaurtitzea dakar (normalean 45°, aire-erresistentziari uko egiteko). Ibilbidea parabolikoa da grabitatearen ondorioz.
  • Kiroletan 1. mailako sailkapena: Futbol jokalariek beldarrak erabiltzen dituzte belarrez marruskadura handitzeko; beisboleko pegarrek marruskaduran oinarritzen dira bolak biratzeko. Surflariek olatuen indarrak erabiltzen dituzte ur-azalean zehar ibiltzeko.
  • Txistua eta kolisioak: boxeoa edo futbola bezalako kiroletan, adimen-bulkadak (indar-denbora) laguntzen du gorputzean indarra murrizteko inpaktua luzatzen duen babes-engranajea diseinatzen.

Laburpena eta esplorazioa

Indar mekanikoa eta mugimendua ez dira testuliburuen kontzeptuak soilik, gure mundu fisikoaren gidari ikusezinak dira. Indarren izaera bektoriala, zinetika eta Newtonen legeak ulertzean, objektuak nola jokatzen duten aztertzeko gaitasuna lortzen duzu. Frikzioa, sarritan zabarkeria gisa ikusten den arren, mugimendu eta kontrola ahalbidetzen dituen indar beharrezkoa da. Garraiotik kirolera, printzipio horiek egunero aplikatzen dira berrikuntza eta arazoak konpontzeko.

Zure adimena sakontzeko, baliabide hauek arakatu:

  • Fisika Gela: Newtonen legeak, tutoretza interaktibo bikaina.
  • Encyclopaedia Britannica: Mekanika, indarra eta mugimenduaren ikuspegi orokorra.
  • OpenCourseWare: Mekanika klasikoa , MITeko ikastaro libreko materialak.
  • Khan Akademia: Indarrak eta Newtonen legeak, bideo-eskolak eta arazoak.

Oinarrizko hauek menderatzean, lana, energia, bultzada eta biraketa dinamika bezalako gai aurreratuei atea irekitzen zaie, eta horiek guztiak oinarri-ideia berberetan eraikitzen dira. Hasteko, inguruko indarrak behatuz, bultzada, tira eta mugimendu bakoitza fisikako ikasgai bat da.