3. Dynamika

Przyczyny ruchu

Dynamika ruchu bada związki pomiędzy czynnikami wywołującymi ruch, a jego właściwościami. Przyczyną wywołującą ruch ciał materialnych i powodującą zmianę jego stanu są siły.

Rysunek 3.1.1. Siła \( \vec{F} \) przyłożona w punkcie A

{W punkcie A należącym do kulistego ciała został zaczepiony wektor siły F, który został przedstawiony w postaci strzałki skierowanej ukośnie w górę – na godzinę drugą.}

Siła jest wielkością wektorową. Posiada określoną wartość, punkt przyłożenia, kierunek i zwrot. Siła \( \vec{F} \) (Rysunek 3.1.1) przyłożona jest do ciała w punkcie \( A \), zaś jej kierunek i zwrot wskazuje strzałka, której długość proporcjonalna jest do wartości siły.

Przyjrzyjmy się bliżej relacji pomiędzy siłą i ruchem. Stojący na szafie wazon nie porusza się (nie spada) choć wiemy, że działa na niego siła ciężkości. Zaczyna spadać, gdy pozbawimy go podpory, jaką jest górna ścianka szafy. Pod wpływem siły ciężkości jego prędkość wzrasta. Jeśli jest ciężki i spada z dużej wysokości, 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 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. 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:

1.    Kiedy pomimo działania siły (tu - siły ciężkości) 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, aż do chwili, kiedy siły działające na ciało przestają się równoważyć (pozbawiamy wazon podpory).

2.    Działająca na ciało niezrównoważona siła (tu - siła ciężkości) zmienia stan jego ruchu - zamienia bezruch w ruch i zamienia małą prędkość w większą, czyli nadaje ciału przyspieszenie.

3.    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.

Galileusz jako pierwszy powiązał przypadek spoczynku i ruchu jednostajnego prostoliniowego, jako nie dające się odróżnić stany ruchu.

Rysunek 3.1.2. Galileusz (Galileo Galilei, 1564-1642). Ottavio Leoni, Public domain, via Wikimedia Commons, 

{Rysunek przedstawia portret Galileusza}