Fenomene si Principii Mecanice

„Dați-mi un punct de sprijin și voi muta Pământul din loc“. (Arhimede)

1.PRINCIPIUL INERTIEI

Enunt:„Orice corp își păstrează starea de repaus sau de mișcare uniformă rectilinie în care se află, cu condiția ca nicio forță să nu acționeze asupra corpului și să nu-l constrângă să-și schimbe starea“ (Isaac Newton, Principiile matematice ale filosofiei naturale – 1686).

Curlingul este un joc sportiv pe echipe, practicat pe o suprafață de gheață (imaginea 1). Concurenții a două echipe lansează, pe rând, pe suprafața gheții, pietre speciale din granit în direcția țintei, numită casă. Pietrele din granit sunt masive, au aproximativ 20 de kilograme și sunt foarte bine șlefuite.
Deși aceste pietre se deplasează cu viteze mici, pot ajunge la distanțe mari față de locul lansării (aproximativ 30 – 40 de metri). Odată lansată, piatra de curling își continuă mișcarea datorită inerției, până când forța de frecare, foarte mică în această situație, o oprește.

2.PRINCIPIUL FUNDAMENTAL AL MECANICII

Enunt: Dacă asupra unui corp de masă m acționează o forță , atunci corpul se va deplasa cu o accelerație a(marime fizica vectoriala), care are direcția și sensul forței și este dată de relația: F=m×a (unde F si a sunt marimi fizice vectoriale, iar m este marime fizica scalara, egala cu masa corpului de proba). Aplicând principiul fundamental al mecanicii clasice pentru deplasarea unui corp sub acțiunea greutății, se obține relația dintre greutate, masă și accelerația gravitațională:

În imaginea alăturată sunt figurate forțele ce acționează asupra a doi schiori cu mase aproximativ egale , aflați în mișcare pe pante acoperite cu zăpadă, de înclinări diferite (imaginile 2 și 3). Frecările pot fi considerate neglijabile. S-a observat că schiorii ating viteze mari atunci când coboară pe pante cât mai înclinate. Variațiile (creșterile) vitezelor celor doi schiori raportate la același interval de timp sunt diferite, ccea ce insemna ca ei coboara cu acceleratii diferite. Cel de pe panta mai înclinată are cea mai mare accelerație. Deși greutatea sportivilor este aproximativ aceeași, rezultanta tuturor forțelor diferă de la un sportiv la altul.

3.PRINCIPIUL ACTIUNII SI REACTIUNII

Enunt: Dacă un corp acționează asupra altui corp cu o forță numită acțiune, atunci cel de al doilea corp va acționa asupra primului corp cu o altă forță numită reacțiune, care are același modul și aceeași direcție cu acțiunea, însă în sens opus.

În imaginile alăturate sunt prezentate mobile a căror deplasare poate fi explicată cu ajutorul principiului acțiunii și reacțiunii.

Pentru a deplasa canoea , sportivul împinge cu vâsla apa, care la rândul ei reacționează și împinge vâsla. Vâsla este ținută de sportivul aflat în canoe și determină în aceste condiții deplasarea sportivului cu ambarcațiunea. Sportivul este menținut în repaus față de canoe datorită forței de frecare statice dintre tălpi și suprafața interioară a ambarcațiunii.

JetPack-ul folosit azi de astronauți are la bază „rucsacul zburător“ inventat de românul Justin Capră în 1958. JetPack-ul este un dispozitiv fixat pe spatele unei persoane și utilizează jeturi de gaz sau lichid pentru a propulsa omul prin aer (imaginea 5). Această deplasare este explicată prin faptul ca forta datorata fluidului ejectat (spre dreapta) determina o alta forta de reactiune in sens contrar (spre stanga) cu ajutorul careia are loc deplasarea rectilinie si uniforma/accelerata a echipamentului, in functie de debitul evacuat. de om. Rezistenta datorata aerului inconjurator este considerabil neglijabila.

Flyboard-ul este un dispozitiv care se atașează la o ambarcațiune (imaginea 6). Pilotul de pe flyboard este fixat cu legături de acesta și propulsat de jeturi de apă aruncate sub dispozitiv. Jeturile de apă trimise în jos actioneaza cu o forta catre nivelului marii, iar acesta, conform principiului acțiunii și reacțiunii, trimite o forta egala ca modul si de sens contrar asupra persoanei, forta care invinge greutatea acesteia, permitand ridicarea dispozitivului.

4.CONSERVAREA ENERGIEI ELASTICE

In cele ce urmeaza sunt prezentate mai multe obiecte folosite in viata de zi cu zi care folosesc energia elastica pentru a functiona:

Arcul este alcătuit dintr-o vergea elastică ușor încovoiată și o coardă prinsă de extremitățile vergii. Energia potentiala inmagazinata in coarda elastica a arcurilor in timpul fixarii sagetii este transformata in lucru mecanic. Sageata este propulsata inainte tocmai datorita trecerii energiei elastice (din arc) in energie cinetica/ lucru mecanic (in sageata).

O trambulină este un dispozitiv format dintr-o bucată de țesătură elastica, puternică, întinsă între un cadru de oțel, adesea folosind multe resorturi de sustinere si legatura. Oamenii sar pe trambuline în scopuri recreative și competitive.
Atunci cand un copil sare pe trambulina au loc mai multe schimburoi de energie. Cand acesta se afla in aer, deasupra plasei elastic, corpul are o energie potentiala gravitationala care il ajuta sa coboare, ciocnindu-se elstic cu trambulina. Aceasta se deformeaza si capata o energie potentiala elastica care se transforma la randul ei in lucru mecanic tranferat corpului, acesta putand sa se ridice din nou de la suprafata acum nedeformata a trambulinei.

Amortizoarele sau suspensiile unui cadru sunt practic un sistem de resorturi.
Atunci cand se trece cu roata peste anumite obstacole, o parte din energia cinetica datorata vitezei cu care aceasta se roteste este amortizata si inmagazinata in resorturile prezente in amortizoare, iar astfel, calatorul poate beneficia de mai mult comfort si nu va resimti un soc atat de mare ca in cazul lipsei acestora.

Animalele prezentate în imagini au aceste performanțe remarcabile datorită mușchilor elastici care înmagazinează energie elastică, a tendoanelor care permit o mare mobilitate a corpului și datorită tehnicii prin care fiecare animal este capabil să utilizeze optim energia gravitațională și energia elastică.

5. CONSERVAREA ENERGIEI GRAVITATIONALE

bdfbhgkfrfmvmhvhhvhmnbbkjfkkdfdhbvbmnvmvmhvmvfmvb

bdfbhgkfrfkjfkkdfdhbvbfmvb
Hidrocentrala este o centrală electrică care transformă energia mecanică a apei în energie electrică. O hidrocentrală are un baraj de acumulare a apei pe cursul unui râu, ceea ce permite acumularea energiei potențiale gravitaționale a apei. Această energie potențială din lacul de acumulare se transformă în energie cinetică în timpul căderii. Apa aflată în cădere interacționează cu paletele turbinelor hidrocentralei și determină rotirea acestora. Această mișcare de rotație este transmisă mai departe, printr-un angrenaj de roți dințate, generatorului de curent electric, care transformă energia mecanică în energie electrică.

6.CONSERVAREA ENERGIEI MECANICE-TEORIA BIG BENG

În anul 1940 fizicianul George Gamow a lansat ideea că Universul a luat naștere în urma unei explozii incandescente de materie și energie. Numele teoriei „Big Bang“ a fost dat de astronomul englez Fred Hoyle în 1950. Teoria Big Bang-ului explică modul în care au apărut materia, energia, spațiul și timpul, altfel spus, existența Universului.

Termenul de Big Bang se referă la ideea că Universul s-a extins de la o singularitate primordială fierbinte și densă, fara dimensiuni, cu o energie infinita, acum aproximativ 13,7 miliarde de ani. La momentul zero, acest punct a ieșit din starea lui de singularitate și și-a manifestat uriașa energie printr-o explozie care a determinat expansiunea Universului; această expansiune continuă și în ziua de azi.

Cantitatea de energie din Univers rămâne constantă. Legea conservării energiei afirmă că aceasta nu poate fi creată sau distrusă; energia se transformă doar dintr-o formă în alta.

7.MISCAREA CIRCULARA

Sateliții artificiali sunt nave robotice folosite pentru comunicații, supraveghere, și orbitează în jurul Pământului. Sateliții sunt folosiți pentru un număr mare de scopuri. Există sateliți de observare ai Pământului civili și militari, de comunicații, de navigație, meteorologici și de cercetare. Stațiile spațiale și navele cu echipaj uman pe orbită sunt, de asemenea, sateliți.
Un satelit primește semnalul de la o stație emițătoare de pe Pământ (uplink) care amplifică și retransmite semnalul spre o stație de recepție (downlink), la o frecvență diferită.

In cele ce urmeaza, se vor explica principiile care stau la baza pastrarii traiectoriei satelitilor.
Orbita acestora este sub forma de cerc (aproximativ), datorita structurii sferice a Pamantului, asadar satelitul va avea o miscare circulara uniforma. Schimbarea continua a directiei si sensului vectorului viteza, desi modulul sau ramane constant, determina o acceleratie centrifuga a satelitului, orientata pe aceeasi directie si sens razei cercului descris.

Conform principiului I al mecanicii newtoniene, acceleratia satelitului dezvolta o forta centrifuga, care, pentru a pastra corpul in echilibru, trebuie sa fie egala ca modul cu forta de atractie universala dintre satelit si Pamant. Astfel, se poate calcula cu usurinta, folosind formulele cunoscute pentru cele doua forte, viteza pe care trebuie satelitul sa o aiba pentru a-si pastra traiectoria, si, implicit, cantitatea de energie (combustibi) consumata.

Aflati mai multe despre legea atractiei universale accesand link-ul .

8.CONSERVAREA IMPULSULUI MECANIC

Biliardul este o activitate recreativa; un joc practicat la o masă cu un tac, folosit pentru a lovi bilele, pentru ca acestea să se miște pe suprafața acesteia. Deplasarea bilelor este explicata cu ajutrul conservarii impulsului mecanic.
Impulsul este definit ca fiind produsl dintre masa si viteza corpului de proba. In cazul de fata, prima bila ii transmite integral impulsul celei de-a doua bile, ceea ce face posibila deplasarea acesteia.

De asemenea, directiile de deplasarea ale bilelor pot fi determinate foarte usor, descompunand pe doua directii perpendiculare impulsurile lor. Fenomenl poate fi numit ciocnire elastica si se poate considera ca fiind un schimb continuu de energie intre mana persoanei, tac, prima bila si cea de-a doua.

Ademanator se intampla si in cazul pendulului lui Newton. Putem alege un numar oarecare n de bile pe care le departam de pozitia de echilibru (cea in care firul este vertical), ridicandu-le la o anumita inaltime h, deci avand o energie potentiala gravitationala. Aceasta este transformata in energie cinetica, bilele capatand astfel un impuls mecanic. Impulsul este transmis integral prin ciocnire celorlate bile, iar datorita legii conservarii, un acelasi numar n de bile din capatul opus vor capata acelasi impuls si se vor ridica la inalimea h.

9.MOMENTELE FORTELOR

V-ati intrebat vreodata de ce clantele stau cat mai departe de incheietura usilor si nu, de exemplu, in centrul lor? Ei bine, raspunsul se gaseste tot cu ajutorul fizicii.

Definim momentul unei forte ca fiind o mărime fizică vectorială ce măsoară efectul de rotație al unei forțe față de un punct (de pe axa de rotație). Modulul momentului unei forțe față de un centru de rotație este egal cu produsul dintre mărimea forței și brațul forței față de acel punct.

Asadar, cu cat vom avea bratul fortei cu care impingem usa mai mare, cu atat forta aplicata trebuie sa fie mai mica, cele douamarimi fiind, ca modul, invers proportionale. Asadar, in imaginea noastra, punctul A este punctul unde ar trebui sa atasam clanta pentu a depune cel mai putin efort la deschiderea usii.

10.PARGHII IN ORGANISMUL UMAN

Vertebra atlas este prima vertebră cervicală și punctul de sprijin al capului. Capul în echilibru pe coloana vertebrală este o pârghie de ordinul I.

Un adult are 32 de dinți, ce pot fi împărțiți în patru tipuri: 8 incisivi, 4 canini, 8 premolari și 12 molari. Dintre aceștia, incisivii și caninii pot fi considerați pârghii de gradul II.

Pentru a ne putea deplasa, piciorul uman are oase, mușchi și tendoane de susținere, așa cum se vede în imaginea alăturată. Gamba este o pârghie de ordinul III.

11.SCRIPETI

Stiati că un singur om poate ridica cu ajutorul unui sistem de scripeti, ca in figura alaturata, o piesă cu o masă de aproximativ 3 tone ?!

In imagine, forta F este de 8 ori mai mica decat forta R, adica greutatea corpului ridicat. Asadar, pentru un om de aproximativ 60 kg, sunt necesari 50 scripeti mobili pentru a ridica un corp cu masa de 3 tone.

12.CENTRUL DE GREUTATE

Turnul din Pisa este cea mai faimoasă clădire înclinată din lume și punctul de reper al orașului Pisa, Italia. După doisprezece ani de la punerea pietrei de temelie, turnul a început să se încline în direcția sud-est. Următoarele patru etaje au fost construite oblic, pentru a compensa partea înclinată. În 1990, turnul s-a aplecat din nou la un unghi de 5,5 grade.

De ce nu se prabuseste turnul din Pisa?
Prin definiție, centrul de greutate al unui corp este locul în care se găsește punctul de aplicație (originea) al forței de greutate ce acționează asupra corpului.

Asadar, atat timp cat centrul de greutate al Turcului din Pisa se afla pe aceeasi verticala cu baza sa, acest nu se va prabusi.

13.FORTA ARHIMEDICA

În lista cu vehicule de agrement, baloanele cu aer cald ocupă un loc important. Pentru a se putea înălța ele trebuie să respecte legea lui Arhimede. Deși un balon este destul de greu din cauza materialului din care este făcut și a încărcăturii din timpul zborului, el poate pluti prin aer datorită volumului său foarte mare (ajunge până la 9000 m³). Un balon dezlocuiește o masă mare de aer din mediul înconjurător, aer care este rece. Aerul din interiorul balonului este încălzit de regulă cu arzătoare cu propan.

Legea lui Arhimede: Un corp scufundat într-un fluid este împins de către acesta, de jos în sus, cu o forță egală cu greutatea volumului de fluid dislocuit de către corp.

14.UNDE MECANICE

Unda mecanică este fenomenul de propagare a unei oscilații printr-un mediu material. Acest proces este însoțit de un transport de energie. Sursa producerii undelor mecanice este un oscilator mecanic, iar mediul prin care se propagă oscilația este un mediu elastic.

Cutremur sau seism sunt termenii folosiți pentru mișcările Pământului generate de mișcările plăcilor tectonice sau de o activitate vulcanică. Cutremurele submarine pot declanșa formarea de valuri uriașe (de până la 30 de metri înălțime); acestea sunt numite tsunami în Oceanul Pacific. Sursa care generează cutremurul și care se află în interiorul Pământului se numește hipocentru, iar punctul de la suprafață, situat deasupra hipocentrului, în care se măsoară intensitatea cutremurului este numit epicentru. Intensitatea cutremurului, măsurată în epicentru, va fi cu atât mai mare cu cât hipocentrul este mai aproape de suprafață. Undele seismice se propagă atât longitudinal, cât și transversal, și în toate direcțiile. Se disting două tipuri de unde: undele de volum, care traversează Pământul, și undele de suprafață, care se propagă la suprafața Pământului (ca în imaginea 9).
Undele de volum se împart în unde primare și unde secundare. Undele primare, numite și unde P, sunt unde longitudinale și apar în urma compresiei mediului. Acestea sunt cele mai rapide, având viteza de aproximativ 6 km/s în apropierea suprafeței Pământului; sunt primele înregistrate de seismografe și sunt responsabile de zgomotul care se poate auzi la începutul unui cutremur.
Undele secundare, numite și unde S, sunt unde transversale. La trecerea lor, mișcările solului se efectuează perpendicular pe sensul de propagare a undei. Viteza lor este de aproximativ 4 km/s. Undele transversale transportă majoritatea energiei mecanice rezultate din seism. Diferența de timp dintre venirea undelor P și venirea undelor S este relativ mare; cunoscând viteza lor se poate localiza, cu ajutorul a trei seismografe, epicentrul seismului. Totodată, diferența între cele două viteze de propagare permite aflarea momentului când va ajunge unda seismică.

15.UNDE SONORE

Sunetele sunt oscilații mecanice ale mediilor elastice percepute de organul auditiv datorită variațiilor presiunii aerului. Principalele surse sonore sunt: coarda elastică, tubul sonor, lamela elastică și membrana elastică. Frecvența de oscilație a acestora determină frecvența sunetului produs.

Tăria sunetului este cu atât mai mare cu cât amplitudinea oscilațiilor care produc sunetul este mai mare.

Urechea umană percepe, în general, sunete cu frecvențe cuprinse în intervalul 20 Hz – 20 kHz. Sunetele cu frecvențe mai mici de 20 Hz sunt cunoscute sub numele de infrasunete, iar cele cu frecvențe mai mari de 20 kHz, ultrasunete. Urechea umană este un sistem auditiv complex, care are rolul de a înregistra variațiile de presiune ale aerului datorate sunetului și de a le transmite sistemului nervos central. Urechea umană are trei părți componente: urechea externă, urechea medie și urechea internă. Rolul principal al urechii externe este de a recepționa sunetele prin intemediul unei membrane elastice numite timpan. Acesta transmite vibrația elementelor ce formează urechea medie (trei sisteme osoase de mici dimensiuni – ciocanul, nicovala și scărița, aflate într-o incintă plină cu aer). Urechea internă are două roluri importante – cel al unui traductor de poziție și mișcare, asigurând echilibrul mecanic al omului, și cel de a transforma oscilațiile mecanice în semnale nervoase care ajung la creier.

Coardele vocale constituie sistemul fizic prin care omul poate produce sunete. Vibrațiile coardelor vocale sunt produse de acțiunea aerului expirat. Amplitudinea și frecvența vibrațiilor depinde, în general, de viteza aerului și de caracteristicile elastice ale coardelor. Vibrațiile coardelor sunt mai ample în plan vertical (3 – 4 mm) decât în cel orizontal (0,2 – 0,5 mm). Aerul este deci expulzat în fluxuri ce produc variații ample și bruște ale presiunii aerului, se transmit în atmosferă și sunt percepute ca sunete.

Sursele sonore produc sunete dacă există oscilații ale mediului elastic.

Corzile de la chitară sunt „ciupite“ pentru a intra în oscilație, prin tuburile de la orgă se suflă aer care oscilează în interiorul tubului, membrana difuzorului este pusă în oscilație prin intermediul unui dispozitiv electromagnetic fixat de ea, iar lamela elastică de la drâmbă este pusă în oscilație cu ajutorul unui deget.

Delfinul are capacitatea de a emite și recepționa sunete de frecvență mare (ultrasunete). Înregistrând diferența între timpul scurs de la emiterea sunetului până la recepționarea lui (ecoul), creierul delfinului poate aprecia, precis, distanța de la care provine unda sonoră reflectată.