Przyczyny ruchu

Na poprzednim wykładzie zajmowaliśmy się opisem ruchu nie wnikając w to, jakie przyczyny ten ruch powodują. Dynamika ruchu bada związki pomiędzy czynnikami wywołującymi ruch, a właściwościami tego ruchu. Aby nieruchome ciało wprawić w ruch musi ono być poddane działaniu siły, która zmieni jego stan spoczynku w stan ruchu. Siły stanowią przyczynę wywołującą ruch ciał materialnych i powodującą zmianę stanu ruchu.

Siła jest wielkością wektorową. Posiada określoną wartość, punkt przyłożenia, kierunek i zwrot. Siła na rysunku powyżej przyłożona jest do ciała w punkcie , zaś jej kierunek i zwrot wskazuje strzałka, której długość proporcjonalna jest do wartości siły.

Fot.3.1. Piłka jest jeszcze w stanie spoczynku, ale za chwile zostanie wprawiona w ruch pod działaniem siły wywartej na nią przez piłkarza.

Czy jednak przyłożona do ciała siła zawsze wywołuje jego ruch? Kiedy ciało poruszy się, a kiedy nie, jeśli poddane zostanie działaniu siły lub układu sił? Jeżeli ciało poruszy się pod wpływem działającej na niego siły, to jak ruch ten zależy od wartości tej siły i czy tylko od samej siły jest zależny? Kiedy zaś ciało porusza się, to czy ruch ten może trwać dowolnie długo, czy tez ciało zatrzyma się samo?

Popatrzmy bliżej na relacje pomiędzy siłą i ruchem. Stojący na szafie wazon nie porusza się (nie spada) choć wiemy, że działa na niego wszechobecna na Ziemi siła ciężkości. Owszem - spada, kiedy pozbawimy go podpory jaką jest górna ścianka szafy. Pod wpływem siły ciężkości prędkość jego się zwiększa. Jeśli wazon jest ciężki i spada z wysoka, może uszkodzić stojącą na stole lampę, a przy tym i sam może ulec rozbiciu. W końcu jednak zatrzymuje się pomimo istnienia sił ciężkości.

Przykład ten, chociaż banalny, pokazuje rozmaite relacje pomiędzy siłą i ruchem. W celu uogólnienia można zamiast wazonu rozważać ruch innych przedmiotów, można odmienić kierunek ruchu zamieniając spadanie w dół - wyrzucaniem do góry, a siłę ciężkości zamienić ciśnieniem gazów wybuchowych w lufie armatniej. Stąd tylko jeden krok do problemów, gdy gazy te będą nie w lufie, ale w dyszy rakiety lub komorze spalania samolotu odrzutowego. Z kolei - zderzenie wazonu z lampą nie różni się w swej naturze od zderzeń pojazdów czy wreszcie - zderzeń cząstek elementarnych lub jąder atomowych.

Sformułujmy bardziej ogólnie wyniki obserwacji z naszego przykładu:

Kiedy pomimo działania siły (tu - siły ciążenia) ciało nie porusza się (wazon nie spada) - to znaczy, że na to ciało działa równocześnie jakaś inna równoważąca siła lub siły. Sumaryczna siła wynosi więc zero. Stan taki może trwać dowolnie długo, ale kiedy siły działające na ciało nie równoważą się (pozbawiamy wazon podpory) wtedy...
Działająca na ciało niezrównoważona siła (tu - siła ciężkości) zmienia stan jego ruchu - zamienia bezruch w ruch i zamienia małą prędkość w większa, czyli nadaje ciału przyspieszenie. Kiedy zaś ciało oddziałuje na drugie - wtedy...
Działanie jednego ciała na drugie (wazonu na lampę) wywołuje reakcję ze strony drugiego ciała na pierwsze (lampy na wazon). Im większe działanie pierwsze, tym większe i drugie, ale skierowane w odwrotna stronę - ku pierwszemu.

Przykłady można mnożyć. Łączy je jedna wspólna cecha - wszelkie zmiany charakteru ruchu zachodzą pod wpływem sił wywieranych na ciało, zaś stan spoczynku jest rezultatem równowagi tych sił. Kiedy więc na ciało działają siły równoważące się lub nie działają żadne siły, charakter ruchu nie może się zmieniać - jeśli ciało jest w spoczynku, powinno w spoczynku pozostać, jeśli jest w ruchu - powinno pozostać w ruchu. Stwierdzenie to wydaje się oczywiste, a przecież przez wieki uważano, że to właśnie dla podtrzymania ruchu potrzebne jest przyłożenie zewnętrznej siły, bo w przeciwnym przypadku ciało zatrzyma się. Nie brano pod uwagę, że we wszystkich obserwowanych przypadkach ruchu działała siła zewnętrzna przeciwdziałająca ruchowi, przykładana w postaci oporów ruchu.

Galileusz jako pierwszy powiązał przypadek spoczynku i ruchu jednostajnego prostoliniowego, jako nie dające się odróżnić stany ruchu. Na ilustracji - Galileusz (Galileo Galilei, 1564 - 1642)

W tej lekcji poznamy prawa ruchu, czyli zasady pozwalające powiązać własności ruchu z przyczynami, które ten ruch wywołują. Przedyskutujemy przykłady pokazujące równoważność stanu spoczynku i ruchu jednostajnego prostoliniowego, wprowadzimy pojęcie układu inercjalnego i poznamy przypadki układów nieinercjalnych. Omówimy relacje pomiędzy siła i przyspieszeniem i wprowadzimy pojęcie masy bezwładnej. Zobaczymy, że zapoczątkowana przez Galileusza i Newtona mechanika klasyczna potrafi opisać w postaci prostych praw niezwykłą złożoność ruchów wśród których żyjemy.