background image

1

Dynamika

Dynamika w przeciwieństwie do kinematyki zajmuje się 
związkiem ruchu z jego przyczyną, tzn. z siłą. 

PODSTAWOWE WIELKOŚCI

• Siła jest sposobem opisu oddziaływania ciał. 

- Siła ma zdolno

ść

 nadawania ciału (ciałom) przyspieszenia, czyli 

rozp

ę

dzania ciała. 

- Skutkiem działania siły mo

ż

e by

ć

 te

ż

 deformacja ciała.

- Siła jest wielko

ś

ci

ą

 wektorow

ą

:   

F

background image

2

Masa (bezwładna) jest miar

ą

 bezwładno

ś

ci ciała. Bezwładno

ść

, to 

pewna cecha ciała, która objawia si

ę

 podczas rozp

ę

dzania lub 

zatrzymywania, czyli gdy wskutek działania siły ciało doznaje 
przyspieszenia lub opó

ź

nienia.

Im wi

ę

ksza masa tym wi

ę

kszej siły (proporcjonalnie do masy) 

nale

ż

y u

ż

y

ć

 aby uzyska

ć

 dane przyspieszenie:

masy mo

ż

na porównywa

ć

a

a

m

m

0

0

=

Jednostk

ą

 masy jest kilogram: 1 kg

wzorzec jest wykonany ze stopu platyny z irydem i przechowywany w 
Międzynarodowym Biurze Miar w Sèvres koło Paryża.

a

F

m

=

• P

ę

jest wielko

ś

ci

ą

 stosowan

ą

 do opisu ciał w ruchu. 

Im wi

ę

kszy p

ę

d tym „trudniej” zatrzyma

ć

 ciało (tzn. trzeba u

ż

y

ć

 

wi

ę

kszej siły w okre

ś

lonym czasie). 

Na wielko

ść

 p

ę

du wpływa masa ciała oraz pr

ę

dko

ść

 z jak

ą

 si

ę

 

ciało porusza.

Jednostk

ą

 p

ę

du jest

Ś

cisła definicja p

ę

du: 

v

p

m

=

s

m

kg

background image

3

const

dt

d

wyp

=

=

=

=

=

v

v

a

F

F

0

0

I.

Jeżeli na ciało (o stałej masie) nie działa żadna siła lub 

wypadkowa działających sił wynosi zero to ciało porusza się 
ruchem jednostajnym prostoliniowym lub pozostaje w 
spoczynku.

II.

Jeśli na ciało o stałej masie m działa siła 

F

to nadaje 

ona ciału przyspieszenie 

a

, przy czym związek między 

tymi  wielkościami jest następujący:

a

F

m

=

ZASADY (PRAWA) DYNAMIKI NEWTONA

1686 –Isaac Newton: „Philosophiae 
Naturalis Principia Mathematica”

(Matematyczne podstawy filozofii przyrody) 

III.

Gdy dwa ciała oddziałują wzajemnie, to siła wywierana przez ciało drugie na ciało 

pierwsze jest równa i przeciwnie skierowana do siły, jaką ciało pierwsze działa na 
drugie (siła akcji równa jest sile reakcji). 

F

akcji

F

reakcji

a)

B

A

F

AB

F

BA

b)

BA

AB

F

F

=

*  Definicja układu inercjalnego: jest to taki układ, w którym spełnione są 
zasady dynamiki Newtona.

UWAGA:

const

m

dla

m

dt

d

m

=

=

=

a

v

F

WNIOSKI:

1)

II zas. dynamiki Newtona

.

0

0

const

dt

d

wyp

=

=

=

=

p

p

F

F

2)

zasada zachowania pędu

dt

d

m

dt

m

d

dt

)

d(m

v

v

v

F

+

=

=

czyli:

Ogólniejsze prawo (analogiczne do drugiej zasady dynamiki Newtona) mówi, że tempo 
zmian pędu ciała jest równe sile wypadkowej działającej na to ciało:

Punkt materialny:  uogólnienie II zasady dynamiki Newtona 
i zasada zachowania p

ę

du.  

t

t

const

dla

t

=

=

=

=

F

p

p

F

F

p

F

.

d

d

background image

4

Układ ciał –

ś

rodek masy i zasady dynamiki Newtona 

m

m

=

i

N

=1

i

i

N

=1

i

 

r

R

i

sm

m

 

+

 

m

m

 

+

 

m

=

2

1

2

1

r

r

R

2

1

sm

ś

rodek masy

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

=

N

i

i

N

i

i

N

i

N

i

i

N

i

i

N

i

i

N

i

i

m

m

m

m

m

m

dt

dt

d

1

1

1

1

1

1

1

d

ca ł

i

i

i

sm

sm

p

p

v

r

R

V

=

=

N

i

i

m

M

1

oznaczmy: 

sm

V

P

M

=

całkowity pęd = pęd sm

cał

p

P

=

Układ ciał – zasady dynamiki Newtona i srodek masy

sm

sm

a

V

F

P

M

dt

d

M

dt

d

zew

=

=

=

sm

a

F

M

zew

=

siła zewnętrzna powoduje przyspieszenie sm

const.

t

=

=

=

cał

cał

zew

p

p

F

0

d

d

0

zasada zachowania pędu dla układu ciał 

0

:

32

23

31

13

21

12

=

+

+

+

+

+

F

F

F

F

F

F

ch

wewnetrzny

sił

suma

=

=

N

i

i

m

M

1

cał

p

P

=

sm

V

P

M

=

background image

5

Przykład zasady zachowania p

ę

du 

-

wystrzał z armatki

prawo zachowania pędu:



+

+

=

+

=

Ziemi

Ziemi

a

py

p

a

a

px

p

M

M

m

M

m

)v

v

v

v

(

0

0



>>

+

=

=

=

p

Ziemi

Ziemi

a

py

p

Ziemi

a

p

p

a

px

p

a

m

M

ponieważ

M

M

m

M

m

M

m

0

(

cos

)

v

v

v

v

v

α

Pomimo, że siła wypadkowa = 0 to ciało może być wprawione w ruch - obrót

ZASADY DYNAMIKI NEWTONA 
DLA RUCHU OBROTOWEGO 

0

=

wyp

F

0

d

d

=

t

p

0

=

a

p

r

L

×

=

=

=

p

r

p

r

L

θ

sin

Wielkościami, używaną do opisu ruchu obrotowego są: 
moment pędu L (analogiczny do pędu)    i    moment siły M (analogiczny do siły)

F

r

M

×

=

=

=

F

r

F

r

M

θ

sin

background image

6

t

d

dL

M

=

Zmiana pędu w czasie jest równa sile (F), a zmiana momentu pędu w czasie momentowi 
siły (M). Uwaga: moment siły i moment pędu zdefiniowane są względem tego samego 
punktu.

t

d

dp

F

=

II zas. dynamiki Newtona:

Druga zasada dynamiki dla ruchu obrotowego:

0

=

M

.

const

=

L

Jeśli  wypadkowy moment sił działających na ciało jest równy zeru, to moment pędu 
tego ciała jest zachowany (względem okreslonego punktu).

Zasada zachowania momentu pędu  dla ruchu obrotowego:

Przykład zasady zachowania momentu p

ę

du

Ciało o masie porusza się w płaszczyźnie poziomej po okręgu o promieniu r

1

(a). Prędkość 

liniowa ciała wynosi v

1

. Ile razy zmieni się prędkość liniowa ciała, jeśli pociągając za sznurek 

jak na rys (b) zmniejszymy promień okręgu do długości r

2

(b) . Zakładamy, że nie działa siła 

grawitacji.

a)

1

1

v

r

m

L

m

=

=

1

1

v

r

L

x

1

1

v

r

const.

0

d

d

0

=

=

=

=

L

L

F

r

M

1

t

x

b)

siła F działa wzdłuż sznurka i zawsze prostopadle 

do prędkości ciała               , czyli: 

F

r

1

||

2

2

1

1

v

v

r

m

r

m

L

=

=

1

2

1

2

v

v

r

r

=

1

1

v

r

m

L

m

=

=

1

1

v

r

L

x

background image

7

const.

t

wyp

=

=

=

p

p

F

0

d

d

0

Zasada zachowania pędu :

const.

t

wyp

=

=

=

L

L

M

0

d

d

0

Zasada zachowania momentu pędu :

ZASADY ZACHOWANIA: 
PĘDU I MOMENTU PĘDU

Punkt materialny:

Układ punktów materialnych:

const.

t

=

=

=

cał

cał

zew

p

p

F

0

d

d

0

Zasada zachowania pędu :

const.

t

=

=

=

cał

cał

zew

L

L

M

0

d

d

0

Zasada zachowania momentu pędu :

Siły kontaktowe

Gdy dwa ciała są dociskane do siebie to występują między nimi 

siły kontaktowe

.

PRZYKŁADY SIŁ RZECZYWISTYCH

Źródłem tych sił jest odpychanie pomiędzy atomami, jest to siła elektromagnetyczna.

a

a

F

1

2

m

m

=

Siła kontaktowa

F

k

to siła z jaką klocek o masie m

1

działa na klocek o masie m

2

nadając mu przyspieszenie. 

=

=

a

F

a

F

F

2

1

m

m

k

k



+

=

+

=

F

F

F

a

2

1

2

2

1

m

m

m

m

m

k

background image

8

Każde dwa ciała o masach m

1

m

2

przyciągają się wzajemnie siłą grawitacji wprost 

proporcjonalną do iloczynu mas, a odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości 
między nimi (tj. między ich środkami mas
).

2

2

1

r

m

m

G

F

=

r

r

m

m

G

r

m

m

G

g

r

r

F

2

2

1

2

2

1

ˆ

=

=

lub wektorowo

Masy m

1

m

2

występującą we powyższym wzorze 

nazywamy masami grawitacyjnymi. 

Siła grawitacji

Masa występująca w II zasadzie dynamiki 
Newtona ( F=
ma) to masa bezwładna.

Masa grawitacyjna jest źródłem oddziaływania 
grawitacyjnego.

2

2

11

kg

Nm

10

6754

.

6

G

×

=

Siła grawitacji – masa grawitacyjna i bezwładna

Czy masa bezwładna  i masa grawitacyjna ciała są sobie równe ??? 

Obliczamy przyspieszenia jakie uzyskuje masa 

(bezwładna) 

spadająca swobodnie w 

pobliżu powierzchni Ziemi. 

ma

Q

=

II zasada dynamiki Newtona mówi, że: 

m

m

R

M

G

a

Z

Z

'

2

=

Obliczamy przyspieszenie:

Masa grawitacyjna i bezwładna są sobie równe !!!

Doświadczalnie stwierdzono, że wszystkie ciała spadają (w próżni) w pobliżu Ziemi z tym 
samym przyspieszeniem  
a = g.

const

m

m

=

'

dobierzmy G tak aby:

1

'

=

m

m

wtedy:

2

Z

Z

R

M

G

g

=

2

'

Z

Z

R

M

m

G

Q

=

Na masę

m’ (grawitacyjną)

działa siła ciężkości:

background image

9

Siła tarcia to siła, która działa stycznie do powierzchni zetknięcia ciał i przeciwdziała 
przesunięciu jednego ciała po drugim.

• Siłę tarcia działającą między nieruchomymi powierzchniami nazywamy

tarciem statycznym T

s

Prawa dotyczące tarcia:
T

s (max)

(maksymale tarcie statyczne) jest w przybliżeniu niezależna od wielkości pola 

powierzchni makroskopowego styku ciał (uwaga powierzchnia styku rzeczywistego może być 
nawet 10000 razy mniejsza),
T

s (max)

jest proporcjonalna do siły z jaką jedna powierzchnia naciska na drugą.

N

s

s

F

T

f

(max)

=

Stosunek maksymalnej siły T

s(max)

do siły nacisku F

N

nazywamy

współczynnikiem tarcia statycznego f

s

Tarcie

Stosunek siły T

k

do siły nacisku F

N

nazywamy

współczynnikiem tarcia kinetycznego f

k

• Gdy ciało porusza się, to mamy do czynienia z siłą 

tarcia 

kinetycznego T

k

Prawo:
T

k

nie zależy od prędkości względnej poruszania się powierzchni.

N

k

k

F

T

f

=

Tarcie – przykład 1

Rodzaj powierzchni

f

s

f

k

Stal po stali

0.15

0.03- 0.09

Drewno po drewnie

0.54

0.34

Drewno po kamieniu

0.7

0.3

Stal po lodzie (np. łyżwy)

0.027

0.014

background image

10

Tarcie – przykład 2

Ciało o masie spoczywa na równi pochyłej, której kąt nachylenia θ stopniowo zwiększamy. 
Przy jakim granicznym kącie nachylenia ciało zacznie się zsuwać jeżeli współczynnik
tarcia statycznego klocka o równię wynosi f

s

?

θ

cos

max

Q

f

T

s

=

=

=

θ

θ

cos

sin

Q

N

Q

F

θ

tg

f

s

<

θ

θ

sin

cos

max

Q

Q

f

F

T

s

<

<

ciało zsuwa się

SIŁY POZORNE

0

bez

a

F

m

=

)

(

)

(

)

(

'

0

t

x

t

x

t

x

=

x

x

x

a

a

a

,

0

'

=

2

0

2

2

2

2

2

'

t

d

x

d

t

d

x

d

t

d

x

d

=

rozpatrzmy składową x:

bez

rzecz

0

0

F

F

a'

a

a

a'

a

a

a'

+

=

+

=

=

m

m

m

m

)

(

Iloczyn masy i przyspieszenia unoszenia (ze 
znakiem minus) nazywamy siłą bezwładności F

bez

.

Ogólnie:

background image

11

Ruch prostoliniowy

- dwaj obserwatorzy opisuj

ą

 ruch klocka znajduj

ą

cego 

si

ę

 w samochodzie

jeden z obserwatorów stoi na Ziemi, 
a drugi znajduje się w samochodzie,

samochód jedzie ze stałą prędkością (rys. 1)

v

klocka 

= 0 

⇒ F = 0

(O’ )

v

klocka 

= v = const. 

⇒ F = 0

(O)

(obserwatorzy O i O’ znajdują się w inercjalnych układach odniesienia)

samochód hamuje ze stałym opóźnieniem a (rys. 2),

(między klockiem, a podłogą samochodu nie ma tarcia)

a

F

klocka

m

=

(O’)

(obserwator O’ znajduje się w układzie nieinercjalnym a obserwator O jest w układzie inercjalnym)

v

klocka 

= v = const. 

⇒ F = 0 (O)

Ruch prostoliniowy

- wyrywanie obrusu 

mg

f

T

background image

12

Siła odśrodkowa

– stan nieważkości

r

r

F

odś

2

2

ˆ

ω

m

r

m

=

=

v

jeden z obserwatorów (O) stoi na Ziemi, 
a drugi znajduje się w sputniku (O’)

Siła odśrodkowa

- kamień na sznurku 

rg

=

min

v

background image

13

Biedronka porusza się wzdłuż 
promienia tarczy ze stałą prędkością v

r  

(względem tarczy !!)

Siła Coriolisa

r

r

F

odś

2

2

ˆ

ω

m

r

m

=

=

v

ω

v

a

F

cor

cor

×

=

=

m

m

2

Siły bezwładno

ś

ci działaj

ą

ce w układzie obracaj

ą

cym si

ę

:

ω

v

a

cor

×

=

2

Mieszkamy na Ziemi – wirującej planecie

Ruch obrotowy Ziemi powoduje zmianę kierunku poruszających się po jej powierzchni ciał. 
• silniejsze podmywanie prawych brzegów rzek na półkuli północnej i lewych na

półkuli południowej

• odchylenie kierunków wiatrów stałych
• układ prądów morskich
• odchylenie toru ciał spadających

RITA 2005

KATRINA 2005

Siła Coriolisa

na Ziemi

background image

14

Siła Coriolisa

- wahadło Foucaulta

Wahadło Foucaulta w Muzeum Sztuk i Rzemiosł 
w Paryżu; w miarę obrotu wahadło przewraca 
ustawione wokoło klocki.

Wahadło Foucaulta - Kościół św. Piotra i Pawła w Krakowie:  46,5m ,  25 kg