Vybrané kapitoly ze středoškolské fyziky - Pro přípravný kurz k přijímacím zkouškám z fyziky na DFJP Univerzity Pardubice - Dynamika pohybu hmotného bodu

 RNDr. Jan Z a j í c , CSc., 2004

2.2 DYNAMIKA POHYBU HMOTNÉHO BODU

Dynamika je tou částí klasické mechaniky, která se zabývá studiem pohybů a příčinami jejich vzniku. Jejím základem jsou tři Newtonovy pohybové zákony. Pohyb hmotného bodu (nebo tělesa, jež lze za určitých podmínek hmotným bodem nahradit) a jeho změny je důsledkem působení jiných hmotných objektů (bodů, těles, ale i fyzikálních polí). Veličina, která kvalitativně i kvantitativně popisuje toto působení mezi hmotnými objekty, je síla F (jako typický vektor mající vždy určitou velikost F, směr daný směrem vzájemného působení a také působiště).

2.2.1 Vzájemné působení mezi tělesy

Vzájemné silové působení dvou nebo více těles (též se běžně používá termínu interakce těles) se může projevovat dvěma naprosto odlišnými způsoby. Dochází k němu:

→ při vzájemném dotyku (bezprostředním kontaktu) těles,

→ prostřednictvím silových polí, aniž by se objekty dotýkaly (typická je taková interakce mezi hmotnými objekty v gravitačních polích nebo mezi nabitými tělesy v polích elektrických a magnetických).

Důsledky silového působení mezi tělesy pak lze rovněž rozdělit do dvou rozdílných kategorií:

→ 1. deformace tělesa - v takovém případě se jedná o statický účinek působící síly,

→ 2. změna pohybového stavu tělesa - zde hovoříme o dynamických účincích působící síly.

Jak již bylo řečeno v úvodu, je síla F typická vektorová fyzikální veličina. Je vždy určena velikostí, směrem a nesmíme zapomínat na to, že i působištěm. Jednotkou síly v soustavě SI je newton (N). Platí, že 1 N = 1 kg.m.s-2.

Působí-li na hmotný bod současně několik sil (hovoříme pak o soustavě sil), můžeme je nahradit jedinou výslednicí této soustavy F tak, aby měla na hmotný bod stejný účinek, jako je účinek všech sil, jež skládáme. Platí

F = F1 + F2 + F3 + ...... + Fn = . (2.30)

Tento postup se také nazývá vektorové skládání (vektorové sčítání) sil. V následujícím výkladu (nebude-li výslovně řečeno jinak) budeme pod pojmem síla chápat vždy sílu výslednou.

2.2.2 Newtonovy pohybové zákony

Jedná se o tři základní zákony (vlastně axiomy) klasické mechaniky, jež zformuloval Isaac Newton již v druhé polovině 17. století. Vysvětlují pohybové účinky síly na hmotné body nebo na tělesa, jež lze hmotnými body nahradit. Meze platnosti newtonovské klasické mechaniky jsou na jedné straně dány vysokými rychlostmi a velkými hmotnostmi pohybujících se objektů - podobné jevy zkoumá a vysvětluje teorie relativity, na druhé straně pak (v oblasti mikrosvěta) musíme použít závěrů kvantové mechaniky.

Důležitou fyzikální veličinou, jež charakterizuje pohybový stav konkrétních hmotných bodů (resp. těles), je hybnost p hmotného bodu (tělesa). Je to vektorová fyzikální veličina definovaná jednoduchým vztahem p = m.v , kde m je hmotnost daného hmotného bodu a v jeho rychlost vzhledem k dané vztažné soustavě. Směr vektoru hybnosti p je tedy totožný se směrem vektoru rychlosti v. (Vzhledem k tomu, že hmotnost m je vždy kladná, musí mít oba vektory nutně souhlasnou orientaci.) Hybnost nás vlastně "informuje", zda je daný hmotný objekt v pohybu či v klidu a jakým směrem se pohybuje - jak se hýbe.