ODDZIAŁYWANIA W PRZYRODZIE ODDZIAŁYWANIA GRAWITACYJNE

Transkrypt

1 ODDZIAŁYWANIA W PRZYRODZIE ODDZIAŁYWANIA GRAWITACYJNE 1. Ruch planet dookoła Słońca Najjaśniejszą gwiazdą na niebie jest Słońce. W przeszłości debatowano na temat związku Ziemi i Słońca, a także innych ciał niebieskich. Teorii było wiele: Tales z Miletu uważał, że Ziemia jest płaskim dyskiem pośród oceanu, Pitagoras uważał, że to kula otoczona ośmioma strefami, Klaudiusz Ptolemeusz zakładał, że środkiem świata jest nieruchoma Ziemia, a wokół niej krążą: Księżyc, Merkury, Wenus, Słońce, Mars, Jowisz, Saturn, a za nimi rozciąga się sfera gwiazd stałych. Mikołaj Kopernik po opublikowaniu swojej pracy: O obrotach sfer niebieskich przedstawił tam teorię heliocentryczną, która mówiła, że środkiem wszechświata jest Słońce, a wokół niego po orbitach poruszają się planety.

2 I Prawo Keplera "Planety poruszają się wokół Słońca po orbitach eliptycznych, ze Słońcem w jednym z ognisk." Peryhelium to punkt, w którym planeta znajduje się najbliżej Słońca. Aphelium to punkt, w którym planeta znajduje sie najdalej od Słońca. II Prawo Keplera Promień wodzący planety zakreśla jednakowe pola w równych odstępach czasu. Prędkości polowe planet są stałe. III Prawo Keplera Stosunek drugich potęg okresów obiegu planet do trzecich potęg ich średnich odległości od Słońca jest stały, co wyraża się wzorem:

3 2. Prawo powszechnej grawitacji. Każde dwa ciała przyciągają się wzajemnie siłami, których wartości są wprost proporcjonalne do iloczynu mas obu ciał i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między ich środkami. Stała grawitacji informuje, że dwa Punty materialne lub ciała o symetrii kulistej, o masie 1 kg, znajdujące się w odległości równej 1 m, przyciągają się wzajemnie siłami grawitacji o wartości 6, N. Doświadczenie Jolly ego przeprowadzone 100 lat po odkryciu przez Newtona prawa powszechnej grawitacji w celu wyznaczenia i pomiaru stałej grawitacji.

4 3. Swobodny Spadek Ciało puszczone z pewnej wysokości spada pod wpływem siły ciężkości. Zjawisko to nazywamy spadkiem swobodnym. W czasie spadku bez oporu powietrza: - przyspieszenie jest stałe - prędkość ciała rośnie Oznacza to, że ruch jest jednostajnie przyspieszony. W rzeczywistych warunkach ziemskich ruch bez oporu powietrza zdarza się rzadko. Jednak dla w miarę ciężkich, niedużych, niezbyt szybko poruszających się ciał (np. spadająca z niedużej wysokości moneta, czy kamień) przyspieszenia i prędkości ruchu są prawie takie jak dla idealnego spadku swobodnego. Dla tych ciał wpływ oporu powietrza jest nieznaczny. 4. Rzut Poziomy W rzucie poziomym mamy do czynienia z lotem ciała wyrzuconego na pewnej wysokości H nad poziomem zerowym. Ciału jest nadawana pozioma prędkość początkowa o wartości v. Dzięki takiemu nadaniu prędkości przesuwa się ono cały czas w poziomie. Jednocześnie jednak siła grawitacji zmienia pionowe położenie ciała. W efekcie w pionie będzie ono opadać ruchem jednostajnie przyspieszonym. Dzięki złożeniu tych dwóch ruchów - poziomego: jednostajnego - pionowego: jednostajnie przyspieszonego W efekcie złożenia tych ruchów ciało porusza się łukiem (po paraboli, jeśli nie uwzględniamy oporu powietrza), by po pewnym czasie opaść na ziemię. 5. I prędkość kosmiczna To najmniejsza pozioma prędkość, jaką należy nadać ciału względem przyciągającego je ciała niebieskiego, aby ciało to poruszało się po zamkniętej orbicie. Z tak określonych warunków wynika, że dla ciała niebieskiego o kształcie kuli, orbita będzie orbitą kołową o promieniu równym promieniowi planety. Ciało staje się wtedy satelitą ciała niebieskiego.

5 6. Nieważkość i przeciążenie Nieważkość jest to stan, w którym działające na układ siły zewnętrzne nie są powodem powstawania wzajemnych sił nacisku pomiędzy elementami układu. Stan taki występuje, jeżeli jedynymi siłami zewnętrznymi działającymi na układ są siły grawitacji. Przykład: Statek kosmiczny znajdujący się na orbicie okołoziemskiej z wyłączonymi silnikami jest w stanie nieważkości, ponieważ jedyną siłą działającą na niego jest siła grawitacji. Przeciążenie to stan, w jakim znajduje się ciało poddane działaniu sił zewnętrznych innych, niż siła grawitacji, których wypadkowa powoduje przyspieszenie inne niż wynikające z siły grawitacji. Przyjęto wyrażać przeciążenie jako wielokrotność standardowego przyspieszenia ziemskiego. Tak zdefiniowane przeciążenie jest wektorem, mającym kierunek i zwrot. Oddziaływania Elektromagnetyczne 1. Prawo Coulomba Prawo Coulomba określa wartość siły elektrostatycznej działającej między dwoma ładunkami. W podstawowej formie są to tzw. ładunki punktowe, jednak prawo można też zastosować w odniesieniu do równomiernie naładowanych kul.

6 2. Ruch ładunku w polu elektrycznym Jeżeli ładunek elektryczny zostanie umieszczony w jednorodnym polu elektrycznym (np. pomiędzy okładkami kondensatora płaskiego), to zgodnie z definicją natężenia pola będzie na niego działać stała siła Coulomba. Kierunek przyspieszenia ładunku jest, więc zgodny z kierunkiem natężenia pola elektrycznego. W przypadku, gdy ładunkowi elektrycznemu zostanie nadana początkowa prędkość (v), skierowana prostopadle do kierunku natężenia jednorodnego pola elektrycznego, cząstka ta będzie się poruszać po torze parabolicznym. 3. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem Obok przewodnika ustawiamy igłę magnetyczną. Gdy przez przewodnik nie płynie prąd, igła wskazuje kierunek północ - południe. Gdy do przewodnika podłączymy napięcie powodując przepływ prądu, obserwujemy odchylenie się igły magnetycznej od kierunku pierwotnego. Zatem: Wokół przewodnika w którym płynie prąd występuje pole magnetyczne. a) Pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego b) Pole magnetyczne wokół przewodnika kołowego

7 c) Pole magnetyczne solenoidu 4. Ruch ładunku elektrycznego w polu magnetycznym Ruch ładunku elektrycznego (q) w jednorodnym polu magnetycznym zdeterminowany jest przez działanie siły Lorentza (FL), która zależy m.in. od kąta (α) jaki tworzy wektor prędkości ładunku z wektorem indukcji pola magnetycznego. Skutki działania siły Lorentza są różne dla trzech różnych wartości kąta α, dlatego poniżej zostaną omówione trzy przypadki ruchu ładunku w polu magnetycznym. Przypadek 1. Cząstka porusza się równolegle do wektora indukcji pola magnetycznego (α = 0 lub α = 180 ).

8 Ponieważ wartość sinusa 0 oraz 180 jest równa zero, to również wartość siły Lorentza jest równa zero. Zgodnie z pierwszą zasadą dynamiki Newtona ładunek musi się więc poruszać ruchem jednostajnym prostoliniowym, w kierunku zgodnym z wektorem indukcji pola magnetycznego. Przypadek 2. Cząstka porusza się w kierunku prostopadłym do wektora indukcji pola magnetycznego (α = 90 ). Wartość sinusa 90 wynosi 1, więc siła Lorentza w tym przypadku osiąga swoją maksymalną wartość i pełni ona rolę siły dośrodkowej (Fd), co powoduje, że ładunek porusza się ruchem jednostajnym po okręgu. 5. Indukcja elektromagnetyczna Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Zmiana strumienia pola magnetycznego może wynikać z ruchu przewodnika lub źródła pola magnetycznego. Jeżeli jest to ruch obrotowy, to wygenerowana w ten sposób SEM nazywana jest siłą elektromotoryczną rotacji. SEM wytworzona przez nieruchome przewodniki w wyniku zmian indukcji magnetycznej (wywołaną zazwyczaj zmianą natężenia prądu) nazywa się siłą elektromotoryczną transformacji. Prawo Faradaya stało się jednym z równań Maxwella. Indukcja elektromagnetyczna jest obecnie podstawową metodą wytwarzania prądu elektrycznego oraz podstawą działania wielu urządzeń elektrycznych np. prądnic, alternatorów, generatorów w elektrowniach, transformatorów, pieców indukcyjnych, silników indukcyjnych i mierników indukcyjnych, cewek, głowic elektromagnetycznych.

9 6. Prawa Maxwella Prawa Maxwella to cztery najważniejsze równania elektromagnetyzmu, które pokazują, że oddziaływania elektryczne i magnetyczne są ze sobą powiązane i nie istnieją niezależnie od siebie. Dla próżni można je wyrazić w następujący sposób: 1. Prawo Gaussa, które mówi, że strumień natężenia pola elektrycznego przez dowolną płaszczyznę zamkniętą jest równy ilorazowi wartości ładunku znajdującego się wewnątrz tej płaszczyzny i przenikalności dielektrycznej próżni: 2. Prawo Gaussa dla magnetyzmu, które mówi, że pole magnetyczne jest polem bezźródłowym, czyli że strumień indukcji magnetycznej przez dowolną płaszczyznę zamkniętą jest równy zero: 7. Fale elektromagnetyczne W XIX wieku okazało się, że zmienne pole elektrycznie i zmienne magnetyczne są od siebie zależnie i takie powiązane ze sobą zmienne pole elektryczne i magnetyczne nazywamy polem elektromagnetycznym. Dziś wiemy, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań w przyrodzie. James Maxwell oddziaływanie elektromagnetyczne opisał zestawem czterech równań zwanych dzisiaj równaniami Maxwella. Maxwell wykazał, że pole elektromagnetyczne może się rozchodzić w przestrzeni z prędkością światła i nazywamy je falą elektromagnetyczną. Fala elektromagnetyczna jest więc rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym i magnetycznym prostopadłych do siebie i do kierunku rozchodzenia się, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie. Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię. Do wielkości charakteryzujących fale elektromagnetyczne zaliczamy: - częstotliwość f (liczbę pełnych zmian pola elektrycznego i magnetycznego występujących w jednej sekundzie; jednostką jest herc - Hz) - długość λ (najmniejszą odległość między dwoma powtarzającymi się fragmentami fali; jednostką jest metr) Częstotliwość jest odwrotnie proporcjonalna do długości, co przedstawia zależność:

10 Najszybciej fala elektromagnetyczna porusza się w próżni. Inaczej jest w przypadku ośrodków materialnych, gdzie następuje absorpcja, czyli pochłanianie światła. Prędkość i energia fali wówczas maleje. Zjawisko to zależy od: - własności danego ośrodka, - grubości warstwy, przez którą przedostaje się fala, - częstotliwości fali. Fale elektromagnetyczne różniące się znacznie częstotliwością i długością, mają różne własności. Dlatego też związana jest z nimi duża różnorodność zjawisk fizycznych wykorzystywanych w różnych dziedzinach działalności człowieka.