Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ.ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ.ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ.ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Έχουμε μελετήσει αναλυτικά την δύναμη και την κίνηση.Έχουμε αναφερθεί ότι όλα τα είδη των δυνάμεων θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν ως δυνάμεις επαφής ή ως δυνάμεις από απόσταση.Για να γίνει η περιγραφή του φαινομένου της κίνησης πιο πλήρης πρέπει στην περιγραφή μας να συμπεριλάβουμε εκτός από το κινούμενο σώμα,την αιτία της αλλαγής της κίνηση,δηλαδή τη δύναμη.

Για να γίνει η περιγραφή του φαινομένου της κίνησης πιο πλήρης πρέπει στην περιγραφή μας να συμπεριλάβουμε εκτός από το κινούμενο σώμα,την αιτία της αλλαγής της κίνησης,δηλαδή τη δύναμη

 Η δύναμη της βαρύτητας,οι ηλεκτρικές δυνάμεις και οι μαγνητικές δυνάμεις ήταν παραδείγματα δυνάμεων που μπορεί να υπάρχουν μεταξύ δύο αντικειμένων.Τώρα θα μάθουμε να ταξινομούμε τις δυνάμεις με βάση το αν ή όχι η παρουσία τους είναι σε θέση να αλλάζει συνολικά την μηχανική ενέργεια ενός αντικειμένου.Οι δύο κατηγορίες των δυνάμεων αναφέρονται ως εσωτερικές και εξωτερικές δυνάμεις.

ΚΙΝΗΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ

 Μελετήσαμε τις απλές κινήσεις των διαφόρων σωμάτων.Περιγράψαμε την κίνηση σωμάτων χρησιμοποιώντας τον ορισμό της μετατόπισης,της ταχύτητας και της επιτάχυνσης.Μάθαμε να περιγράφουμε απλές κινήσεις διαφόρων σωμάτων.Έτσι για παράδειγμα μάθαμε να υπολογίζουμε την ταχύτητα που πρέπει να έχει ένα αυτοκίνητο για να διατρέξει μια απόσταση,σε συγκεκριμένο χρόνο.

Πρέπει να αναζητήσουμε την αιτία που καθορίζει εάν ένα σώμα ηρεμεί ή εκτελεί ένα ορισμένο είδος κίνησης 

 Όμως αγνοήσαμε την αιτία που προκαλεί τη μεταβολή στην κινητική κατάσταση των σωμάτων.Όμως το να περιγράφουμε κινήσεις χωρίς ταυτόχρονα να γνωρίζουμε τις αιτίες που τις προκαλούν δεν είναι αρ­κετό,γιατί δε θα έχουμε πλήρη γνώση των φαινομένων.

 Τώρα θα πρέπει να αναζητήσουμε την αιτία που καθορίζει εάν ένα σώμα ηρεμεί ή εκτελεί ένα ορισμένο είδος κίνησης.Αυτή η αναζήτηση οδηγεί στην εισαγωγή της έννοιας της δύναμης και γενικότερα της έννοιας της αλληλεπίδρασης.

Αλληλεπίδραση δύο σωμάτων

 Οι δύο πρώτοι νόμοι του Νεύτωνα αφορούσαν την κίνηση ενός μόνο σώματος,σε αντίθεση με τον τρίτο νόμο που περιγράφει δύο σώματα.Το ένα είναι το κινούμενο σώμα και το δεύτερο,αυτό με το οποίο αλληλεπιδρά το πρώτο.

Οι δύο πρώτοι νόμοι του Νεύτωνα αφορούσαν την κίνηση ενός μόνο σώματος,σε αντίθεση με τον τρίτο νόμο που περιγράφει δύο σώματα

 Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα εισάγει την περιγραφή του φαινομένου της κίνησης δύο νέες έννοιες,την έννοια της αλληλεπίδρασης και την έννοια του συστήματος των σωμάτων.

Δυο σώματα αλληλεπιδρούν,όταν ασκούν δυνάμεις το ένα στο άλλο  

 Δυο σώματα αλληλεπιδρούν,όταν ασκούν δυνάμεις το ένα στο άλλο.Όπως η κίνηση έτσι και η αλληλεπίδραση αποτελεί ένα γενικό χαρακτηριστικό της ύλης.

Ο μαγνήτης έλκει τη σφαίρα

 Θα μελετήσουμε ένα απλό παράδειγμα.Την αλληλεπίδραση μιας μεταλλικής σφαίρας με τον μαγνήτη.Σε εμάς φαίνεται,ότι μόνο ο μαγνήτης έλκει τη μεταλλική σφαίρα.

Η σφαίρα έλκει το μαγνήτη

 Η πραγματικότητα όμως είναι διαφορετική.Αυτό λοιπόν που συμβαίνει είναι ότι ο μαγνήτης και η μεταλλική σφαίρα αλληλεπιδρούν.

Η έλξη μεταξύ Γης και Σελήνης

 Άλλα παραδείγματα αλληλεπίδρασης είναι η έλξη μεταξύ Γης και Σελήνης,μεταξύ φορτισμένων σωμάτων κ.τ.λ.

ΝΟΜΟΣ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ

 Ακόμα και από την αρχαιότητα υπάρχει η ιδέα ότι η συνολική μάζα ενός συστήματος σωμάτων διατηρείται σταθερή.

Ο Αντουάν Λωράν Λαβουαζιέ (Antoine Laurent Lavoisier) ήταν Γάλλος χημικός.Γεννήθηκε στις 26 Αυγούστου του 1743 και πέθανε στις 8 Μαΐου του 1794).Θεωρείται ο πατέρας της σύγχρονης χημείας,καθώς θεμελίωσε με τις έρευνές του μια νέα αντίληψη στη μελέτη της φύσης και οδήγησε την ανθρώπινη σκέψη στην ορθολογική προσέγγιση των χημικών φαινομένων,σύμφωνα με τις επιταγές της εποχής του ορθού λόγου

 Ο πατέρας της σύγχρονης Χημείας Αντουάν Λαβουαζιέ διατύπωσε πρώτος το νόμο διατήρησης της μάζας:

 Η μάζα ενός συστήματος σωμάτων που αλληλεπιδρούν χημικά παραμένει σταθερή.

 Η αρχή διατήρησης τής μάζας αναφέρει ότι η συνολική μάζα ενός συστήματος σωμάτων διατηρείται σταθερή ανεξαρτήτως των εσωτερικών αλληλεπιδράσεων. Ισοδύναμη πρόταση είναι ότι η ύλη μπορεί να αλλάζει μορφές, αλλά η ποσότητά της παραμένει σταθερή.

Η μάζα ενός συστήματος σωμάτων που αλληλεπιδρούν χημικά παραμένει σταθερή

 Η αρχή είναι πολύ σημαντική στις χημικές αλληλεπιδράσεις.Βεβαιώνει ότι η μάζα των αντιδρώντων ισούται με την μάζα των προϊόντων.

Κλειστό σύστημα

 Γνωρίζουμε ότι ο σίδηρος (Fe) και το υδροχλωρικό οξύ (HCl) αλληλεπιδρούν χημικά.Ας θεωρήσουμε το σύστημα.Αν ανυψώσουμε τη φιάλη που περιέχει το HCl ώστε αυτό να έρθει σε επαφή με το Fe θα γίνει χημική αντίδραση και θα παραχθούν Η2 και FeCl2.Θα παρατηρήσουμε ότι τόσο στη διάρκεια του φαινομένου,όσο και μετά απ' αυτό η ένδειξη του ζυγού παραμένει η ίδια.Αν όμως κάνουμε το ίδιο πείραμα με ανοικτά τα δύο δοχεία,τότε η ένδειξη του ζυγού θα γίνει μικρότερη διότι θα έχει διαφύγει στην ατμόσφαιρα το Η2.

Ανοικτό σύστημα

 Συνεπώς η αρχή διατήρησης της μάζας στα χημικά φαινόμενα ισχύει όταν το σύστημα είναι κλειστό,δηλαδή δεν εισέρχεται,ούτε εξέρχεται μάζα στο σύστημα.

 Στη Χημεία είναι εύκολο να απομονώσουμε ένα σύστημα σωμάτων από το περιβάλλον του.Ένα απλό παράδειγμα είναι ο αέρας που είναι και αυτός σώμα.Αντίθετα στη Φυσική τα πράγματα είναι πιο πολύπλοκα.Για παράδειγμα ο μαγνήτης αλληλεπιδρά με τη μεταλλική σφαίρα. 

ΕΣΩΤΕΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΕΞΩΤΕΡΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

 Στη Φυσική μπορούμε να θεωρήσουμε ότι ένα σύνολο δύο ή περισσοτέρων σωμάτων που αλληλεπιδρούν,αποτελούν σύστημα.Ωστόσο τα σώματα αυτά επειδή αλληλεπιδρούν και με άλλα σώματα μπορούν να ανήκουν και σε άλλα συστήματα.Παραδείγματος χάρη στο μαγνήτη εκτός από την έλξη από τη μεταλλική σφαίρα ασκείται δύναμη από το χέρι μας και δύναμη από τη Γη.

Στο μαγνήτη εκτός από την έλξη από τη μεταλλική σφαίρα ασκείται δύναμη από το χέρι μας και δύναμη από τη Γη.Στη μεταλλική σφαίρα ασκείται εκτός από την έλξη του μαγνήτη,το βάρος της και η τάση του νήματος

 Στη μεταλλική σφαίρα ασκείται εκτός από την έλξη του μαγνήτη,το βάρος της και η τάση του νήματος.Επίσης στα σώματα ασκούνται δυνάμεις και από το μαγνητικό πεδίο της Γης τις οποίες θεωρούμε αμελητέες διότι δεν επηρεάζουν την εξέλιξη του φαινομένου.

Εσωτερικές δυνάμεις και εσωτερικές δυνάμεις

 Δυνάμεις μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εσωτερικές δυνάμεις ή εξωτερικές δυνάμεις. 

α) Εσωτερικές.
 Εσωτερικές δυνάμεις ονομάζονται οι δυνάμεις που προέρχονται αποκλειστικά από τα σώματα που αποτελούν το σύστημα.

Εσωτερικές δυνάμεις ονομάζονται οι δυνάμεις που προέρχονται αποκλειστικά από τα σώματα που αποτελούν το σύστημα

 Οι εσωτερικές δυνάμεις περιλαμβάνουν τις δυνάμεις βαρύτητας,τη μαγνητική δύναμη,τη ηλεκτρική δύναμη και τη δύναμη του ελατηρίου.
β) Εξωτερικές. 

 Εξωτερικές δυνάμεις ονομάζονται οι δυνάμεις που προέρχονται από άλλα σώματα. 

Οι εξωτερικές δυνάμεις περιλαμβάνουν την εφαρμοζόμενη δύναμη,τη δύναμη τριβής και τη δύναμη αντίστασης του αέρα

 Οι εξωτερικές δυνάμεις περιλαμβάνουν την εφαρμοζόμενη δύναμη,τη δύναμη τριβής και τη δύναμη αντίστασης του αέρα.

ΜΟΝΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

ΟΡΙΣΜΟΣ

 Στη Φυσική σχεδόν πάντα υπάρχουν εξωτερικές δυνάμεις που επιδρούν πάνω σ' ένα σύστημα.Στην περίπτωση που οι εξωτερικές δυνάμεις έχουν συνισταμένη μηδέν,τότε το σύστημα αυτό θα ονομάζεται μονωμένο.

 Μονωμένο σύστημα ονομάζεται το σύστημα στο οποίο δεν ασκούνται πάνω του δυνάμεις ή αν ασκούνται η συνισταμένη των εξωτερικών δυνάμεων είναι μηδέν

 Άρα:
 Μονωμένο σύστημα ονομάζεται το σύστημα στο οποίο δεν ασκούνται πάνω του δυνάμεις ή αν ασκούνται η συνισταμένη των εξωτερικών δυνάμεων είναι μηδέν.
 Αν το σύστημα δεν είναι μονωμένο τότε:
α) Οι δυνάμεις είναι σταθερές.
 Συνεπώς έχουμε απλές περιπτώσεις ομαλά μεταβαλλόμενης κίνησης. 
β) Το σύστημα είναι συνδεμένο με τη Γη,όπως για παράδειγμα περιπτώσεις ανάκλασης. 

ΜΕΛΕΤΗ ΜΟΝΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

 Για να μελετήσουμε το μονωμένο σύστημα θα δούμε ένα απλό παράδειγμα.Έχουμε ένα σύστημα που αποτελείται από δυο αμαξάκια τα οποία μπορούν να κινούνται χωρίς τριβές σε ένα οριζόντιο τραπέζι.Ο μαγνήτης και η σφαίρα έχουν στερεωθεί πάνω στα αμαξάκια όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Το σύστημα αποτελείται από δυο αμαξάκια τα οποία μπορούν να κινούνται χωρίς τριβές σε ένα οριζόντιο τραπέζι.Ο μαγνήτης και η σφαίρα έχουν στερεωθεί πάνω στα αμαξάκια

 Πρέπει πρώτα να ξεκαθαρίσουμε ποιες είναι οι εσωτερικές και ποιες οι εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται στα σώματα που αποτελούν το σύστημα.

 Στο μαγνήτη ασκούνται οι εξής δυνάμεις:

α) Το βάρος του μαγνήτη Β1.

β) Η αντίδραση Ν1 από την επιφάνεια στην οποία βρίσκεται.

γ) Η δύναμη F  η οποία είναι η έλξη από την μεταλλική σφαίρα.

  Στη μεταλλική σφαίρα  ασκούνται οι εξής δυνάμεις:

α) Το βάρος της μεταλλικής σφαίρας Β2.

β) Η αντίδραση Ν2 από την επιφάνεια στην οποία βρίσκεται.

γ) Η δύναμη F  η οποία είναι η έλξη από την μαγνήτη.
 Εξωτερικές δυνάμεις για τα σώματα του συστήματος είναι το βάρος και η αντίδραση.Όμως για τα δύο σώματα έχουμε:

                                                                                   Β1=Ν1 

                                                                                     Β2=Ν2 

 Συνεπώς η συνισταμένη των εξωτερικών δυνάμεων για κάθε ένα από τα σώματα είναι μηδέν.Εσωτερικές δυνάμεις για τα σώματα του συστήματος είναι οι μεταξύ τους έλξεις.

 Άρα το σύστημα των δύο σωμάτων μαγνήτης-μεταλλική σφαίρα είναι μονωμένο.

Γενικότερα,σε ένα μονωμένο σύστημα δεν ασκούνται εξωτερικές δυνάμεις ή αν ασκούνται έχουν μηδενική συνισταμένη

 Συνεπώς η κίνησή τους καθορίζεται μόνο από τις εσωτερικές δυνάμεις.Καταλήγουμε λοιπόν στο συμπέρασμα:

 Γενικότερα,σε ένα μονωμένο σύστημα δεν ασκούνται εξωτερικές δυνάμεις ή αν ασκούνται έχουν μηδενική συνισταμένη.

 Στην πραγματικότητα στη φύση δεν υπάρχουν μονωμένα συστήματα.Μπορούμε όμως να θεωρήσουμε ένα σύστημα μονωμένο κάνοντας προσεγγίσεις στις οποίες θεωρούμε αμελητέες διάφορες εξωτερικές δυνάμεις.Για παράδειγμα στο σύστημα που μελετήσαμε δεχθήκαμε ότι δεν υπάρχουν τριβές και αγνοήσαμε την αντίσταση του αέρα.