ダイナミクス：歴史、それが研究するもの、法律と理論 - 物理的 - 2025

ダイナミックは、体とその効果の間の相互作用を研究力学の分野です。それらを定性的および定量的に説明することと、それらが時間とともにどのように進化するかを予測することを扱います。

その原理を適用すると、他の人と相互作用するときに体の動きがどのように変更されるか、またこれらの相互作用がそれを変形させるかどうかが知られています。

図1.サイクリストの相互作用が彼らの動きを変える。出典：Pixabay。

ギリシャの偉大な哲学者アリストテレス（紀元前384〜322年）の信念は、何世紀にもわたって西洋の力学の基礎として広まった。彼はオブジェクトをある方向または別の方向に押す何らかのエネルギーのためにオブジェクトが動くと考えました。

彼はまた、物体が押されている間、それは一定の速度で移動しますが、押された状態が停止すると、物体が停止するまで徐々にゆっくりと移動することを観察しました。

アリストテレスによると、一定の速度で何かを動かすには一定の力の作用が必要でしたが、この哲学者には摩擦の影響がなかったのです。

彼の別のアイデアは、重いものは軽いものよりも速く落下するということでした。実験により、すべての物体が質量に関係なく同じ加速度で落下し、粘性効果を無視することを実証したのは、偉大なガリレオガリレイ（1564-1642）でした。

しかし、ゴットフリートライプニッツとともに、現代のダイナミクスと数学的計算の父と見なされている、アイザックニュートン（1642-1727）は、これまでに生きた最も著名な科学者です。

図2. Godfrey Knellerによる1682年のアイザックニュートン。出典：ウィキメディア・コモンズ。

17世紀に制定されたその有名な法律は、今日でも有効かつ新鮮です。それらは私たちが日々見たり影響を与えたりする古典力学の基礎です。これらの法律はまもなく議論されます。

ダイナミクスは何を勉強しますか？

ダイナミクスは、オブジェクト間の相互作用を研究します。オブジェクトが相互作用すると、オブジェクトの動きと変形に変化が生じます。静的と呼ばれる特定の領域は、平衡状態にあるシステム、静止しているシステム、または均一な直線運動を行うシステム専用です。

ダイナミクスの原理を適用すると、時間の経過とともにオブジェクトの変化と進化がどうなるかを方程式によって予測することができます。これを行うには、調査するシステムのタイプに応じて、いくつかの仮定が確立されます。

粒子、剛体、連続媒体

粒子モデルは、ダイナミクスの原則を適用するのが最も簡単です。研究対象の物体は質量を持っているが、次元はないと仮定されています。したがって、粒子は電子と同じくらい小さいか、地球や太陽と同じくらい大きいことができます。

ダイナミクスに対するサイズの影響を観察する場合は、オブジェクトのサイズと形状を考慮する必要があります。これを考慮したモデルは、非常に多くの粒子で構成された測定可能な寸法を持つボディであるが、力の影響下で変形しない剛体のモデルです。

最後に、連続メディアのメカニズムでは、オブジェクトの寸法だけでなく、オブジェクトの変形能力などの特定の特性も考慮されます。連続媒体には、流体だけでなく、剛体および非剛体の固体も含まれます。

ニュートンの法則

ダイナミクスがどのように機能するかを理解するための鍵は、ニュートンの法則を完全に理解することです。ニュートンの法則は、身体に作用する力を運動または静止状態の変化と定量的に結び付けます。

ニュートンの第一法則

ニュートンの第一法則の説明。出典：自作。

そう言う：

ステートメントの最初の部分は、邪魔されない限り、静止しているオブジェクトがその方向に留まることは明らかであるため、非常に明白に見えます。そしてこれには力が必要です。

一方、オブジェクトにかかる正味の力がゼロであってもオブジェクトが動き続けるという事実は、オブジェクトが無期限に動き続ける可能性があるため、受け入れるのが少し難しいです。そして、日常の経験から、遅かれ早かれ遅くなることがわかります。

この明らかな矛盾への答えは摩擦にあります。実際、オブジェクトが完全に滑らかな表面上を移動する場合、他の力がモーションを変化させないと仮定すると、無期限に移動する可能性があります。

摩擦を完全に取り除くことは不可能であるため、物体が一定の速度で無限に動く状況は理想化されています。

最後に、正味の力はゼロですが、これは必ずしもオブジェクトに力が完全に存在しないことを表すわけではないことに注意することが重要です。

地球の表面上の物体は、常に引力を経験します。テーブルの上に置かれた本は、テーブルの表面が重さを相殺する力を及ぼすので、そのままです。

ニュートンの第二法則

ニュートンの第二法則の説明。出典：自作。

ニュートンの最初の法則は、ネットまたは合力がゼロであるオブジェクトに何が起こるかを確立します。ダイナミクスの基本法則またはニュートンの第2法則は、正味の力がキャンセルされない場合に何が起こるかを示しています。

実際には、加えられる力が大きいほど、オブジェクトの速度の変化が大きくなります。また、同じ力が異なる質量のオブジェクトに適用された場合、最も大きく変化するのは、軽くて動きやすいオブジェクトです。毎日の経験はこれらの声明に同意します。

ニュートンの第三法則

宇宙ロケットは、放出されたガスのおかげで必要な推進力を受け取ります。出典：Pixabay。

ニュートンの最初の2つの法則は単一のオブジェクトを参照します。しかし、第3法則は2つのオブジェクトを参照しています。それらにオブジェクト1とオブジェクト2と名前を付けます。

F ₁₂ = -F ₂₁

実際、身体が力の影響を受けるときはいつでも、別の人がそれを引き起こす責任があるからです。したがって、地球上のオブジェクトは、その中心に向かって引き寄せられるため、重みがあります。電荷は、最初の電荷に反発力を及ぼすため、同じ符号の別の電荷によって反発されます。

図3.ニュートンの法則の要約。出典：ウィキメディア・コモンズ。Hugo4914。

保全原則

ダイナミクスには、運動中に保存されるいくつかの量があり、その研究は不可欠です。それらは、力が非常に複雑に変化する問題を解決するために取り付けることができる固体の柱のようなものです。

例：2台の車両が衝突したとき、それらの間の相互作用は非常に激しいが短時間です。非常に激しいため、他の力を考慮する必要はありません。したがって、車両は独立したシステムと見なすことができます。

しかし、この強烈な相互作用を説明することは簡単ではありません。時間と空間の両方で変化する力が関係しているためです。ただし、車両が独立したシステムを構成していると仮定すると、車両間の力は内部にあり、運動量は保存されます。

運動量を保存することにより、衝突直後の車両の動きを予測することができます。

ここでは、ダイナミクスにおける最も重要な2つの保護原則を示します。

エネルギー資源の保護

自然界には、保守的なものと非保守的なものの2種類の力があります。重量は前者の良い例であり、摩擦は後者の良い例です。

まあ、保守的な力は、システムの構成でエネルギーを蓄積する可能性を提供するため、特徴付けられています。いわゆるポテンシャルエネルギーです。

体重などの保守的な力の作用により、体にポテンシャルエネルギーがあり、それが運動すると、このポテンシャルエネルギーは運動エネルギーに変換されます。両方のエネルギーの合計は、システムの機械的エネルギーと呼ばれ、保存されるエネルギーです。つまり、一定のままです。

Uを位置エネルギー、Kを運動エネルギー、E _mを機械エネルギーとします。保守的な力だけがオブジェクトに作用する場合、それは事実です：

したがって：

運動量の保存

この原則は、2台の車両が衝突した場合にのみ適用されます。それは巨視的な世界を超えたスコープを持つ物理法則です。

運動量は、太陽系、恒星系、銀河系のレベルで保存されています。そして、ニュートン力学がそこで有効でなくなるという事実にもかかわらず、それは原子と原子核のスケールでそれをします。

してみましょうPがあることによって与えられた運動量ベクトル：

P = m。v

時間に関してPを導出する：

質量が一定のままである場合：

したがって、次のようなニュートンの第二法則を書くことができます。

_正味F = d P / dt

2つの物体m ₁とm ₂が分離システムを構成する場合、それらの間の力は内部にあり、ニュートンの第3法則に従って、それらは等しく、反対のF ₁ = -F _2であり、次の条件を満たす。

マグニチュードの時間に関する導関数がゼロの場合、マグニチュードは一定のままであることを意味します。したがって、分離されたシステムでは、システムの運動量は保存されていると言えます。

P ₁ + P ₂ =一定

それでも、P ₁とP ₂は個別に変更できます。システムの勢いは再分配できますが、重要なことは、その合計が変わらないことです。

ダイナミクスの注目の概念

ダイナミクスには多くの重要な概念がありますが、そのうちの2つが際立っています。質量と力です。すでに以前および以下でコメントされている力について、ダイナミクスの研究でその横に表示される最も顕著な概念のリストがあります。

慣性

これは、オブジェクトが静止状態または動作状態の変化に抵抗しなければならない特性です。質量のあるすべてのオブジェクトには慣性があり、それは非常に頻繁に経験されます。たとえば、加速する車で移動するとき、乗客は休憩する傾向があり、これはシートの後ろにくっつく感覚として知覚されます。

また、急に車が止まると、乗員は前の動きに追従して横転する傾向があるため、常にシートベルトを着用することが重要です。

図4.車で旅行しているとき、車が急ブレーキをかけると、慣性によって衝突が発生します。出典：Pixabay。

質量

質量は慣性の尺度です。体の質量が大きいほど、それを動かしたり、動きを変化させたりすることが難しくなるためです。質量はスカラー量です。つまり、ボディの質量を指定するには、数値と選択した単位（キロ、ポンド、グラムなど）を加算する必要があります。

重量

重量は、地球が表面に近いオブジェクトをその中心に向かって引っ張る力です。

それは力なので、重みはベクトル文字を持ちます。したがって、その大きさまたは数値、その方向、およびその意味が示されると、完全に指定されます。

したがって、最初のものはベクトルで2番目のものはスカラーであるため、関連はありますが、重量と質量は等しくなく、同等でさえありません。

参照システム

ムーブメントの説明は、選択したリファレンスによって異なる場合があります。エレベータに乗っている人は、それに固定された基準枠に従って休憩していますが、地上の観察者から見て乗客が動いています。

ある参照フレームについて運動している身体が別のフレームで静止している場合、ニュートンの法則は両方に適用できません。実際、ニュートンの法則は特定の基準系、つまり慣性系に適用されます。

慣性参照フレームでは、力を加えることによって何らかの形で妨害されない限り、ボディは加速しません。

架空の部隊

架空の力または疑似力は、加速された参照フレーム内の身体の動きが分析されるときに表示されます。その出現の原因となったエージェントを特定することができないため、架空の力は区別されます。

遠心力は架空の力の良い例です。しかし、それが実際に車を回して経験し、目に見えない手がカーブから押し出されていると感じている人にとっては、それが現実を損なうことはありません。

加速度

この重要なベクトルについては、すでに言及しています。オブジェクトは、その速度を変える力がある限り、加速を経験します。

仕事とエネルギー

力がオブジェクトに作用し、その位置が変化すると、力は機能します。そして、この作品はエネルギーの形で保存することができます。したがって、オブジェクトに対して作業が行われ、それによってエネルギーが取得されます。

次の例は、ポイントをクリアします。人がポットを地面から一定の高さまで上げたとします。

そのためには、力を加えて重力に打ち勝つ必要があります。そのため、ポットに作用し、この作用は、ポットの重力ポテンシャルエネルギーの形で、その質量と床からの高さに比例して保存されます。 ：

ここで、mは質量、gは重力、hは高さです。高さhになったら、ポットは何ができますか？まあ、それは落下する可能性があり、落下すると、それが持っている重力ポテンシャルエネルギーは減少しますが、運動エネルギーまたは運動エネルギーは増加します。

力が機能するためには、力と平行でなければならない変位を生成する必要があります。これが発生しない場合でも、力はオブジェクトに作用しますが、オブジェクトには作用しません。

関連トピック

ニュートンの第一法則。

ニュートンの第二法則。

ニュートンの第三法則。

物質保存の法則。

参考文献

1. バウアー、W。2011。工学および科学のための物理学。ボリューム1. Mc Graw Hill。
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