![]() |
HYRJE NĖ MEKANIKĖN NJUTONIANE
nga Edward KLUK Dickinson State University, Dickinson ND Faqja u pėrshtat nga Polikron Dhoqina, Appleti nga Bejo Duka, Universiteti i Tiranės,Tiranė |

Hyrje
Duke zbuluar ekzistencėn e
sistemeve inerciale dhe joinerciale te referimit ne kemi mėsuar se ligji i dytė i Njutonit qė pėrshkruan lėvizjen
nė plan nė njė sistem inercial referimi (x,y):
kur transformohet nė njė sistem referimi (x',y'), qė rrotullohet uniformisht, merr njė formė tė re qė pėrfshin si pseudoforcen e Koriolisit dhe ate centrifugale:
Kėto pseudoforca pėrshkruajnė formalisht efektet e inercisė sė njė trupi, qe do te shfaqeshin ne njė sistem referimi qė rrotullohet. Me ndihmėn e tyre ne kemi shpjeguar fenomenin e satelitėve stacionar.
Tani ne do tė pėrpiqemi tė mėsojmė si sillet njė lavjerrės i zakonshėm nė njė sistem inercial dhe nė njė sistem joinercial. Njė sistem referimi konsiderohet inercial neqoftese boshtet e tij janė drejtuar drejt yjeve tė largėt tė caktuar.
Lavjerrėsi nė njė sistem inercial referimi
Nė Fig.1 paraqitet njė lavjerrės, qė lėkundet sipas harkut tė njė rrethi me rreze L. Forca e gravitetit mg
, qė vepron mbi lavjerrės ėshtė zbėrthyer nė dy komponente.
Komponentja tangjente me harkun mg sin
tėrheq lavjerrėsin pėrgjatė harkut tė rrethit, drejt pikės sė tij mė tė ulėt (pika e ekuilibrit tė qėndrueshėm).
Duke zbatuar ligjin e dyte te Njutonit per kete perberese shkruajme
Duke thjeshtuar masat nė tė dy anėt e ketij ekuacioni, ne mund tė arrijmė nė
ēast nė konkluzionin: lėvizja e lavjerrėsit ėshtė e pamvarur nga masa e tij. Megjithatė mund tė themi se pėrgjithėsisht
ky ekuacion ėshtė tepėr i vėshtirė tė diskutohet kėtu pa bėrė njė thjeshtėzim tė fortė. Bėjmė kufizimin qė
lavjerrėsi tė kryej lėkundje me kėnde
tė vegjėl (mė tė vegjėl se 11.5o ose
0.2 radian)
Atėhere ekuacioni i thjeshtuar (2) )
mund tė rishkruhet si mė poshtė:
Shihet se ky ekuacion i ngjan ekuacionit tė oshilatorit harmonik (njė trup me masė m = 1 kg qė lėkundet nė njė sustė me konstante elasticiteti k= g/L). Kėshtu perioda T pėr njė lavjerrės tė tillė ėshtė:
dhe zhvendosja x nga pozicioni i ekuilibrit ėshtė:
Le tė fillojmė me njė eksperiment. Bėjmė tė paktėn 1 m tė gjatė lavjerrėsin duke pėrdorur njė fije tė hollė dhe tė fortė si dhe njė sferė tė rėndė tė varur nė tė. Fiksoni njė pikė varje tė lavjerrėsit, rreth sė cilės ai lėkundet lirisht nė planin vertikal. Matni gjatėsinė L tė lavjerrėsit nga pika e varjes nė qendrėn e sferės. Matni me njė kronometėr kohėn gjatė sė cilės lavjerrėsi bėn dhjetė lėkundje. Bėni dy ose mė shumė matje tė tilla. Rezultatet duhet tė jenė gjithmonė identike. Neqoftese ato ndryshojnė shumė, kujdes duhet bėrė nė numėrimin e lėkundjeve. Nga tė dhėnat tuaja gjeni periodėn mesatare T pėr njė lėkundje. Duke njohur L dhe T llogaritni nxitimin e rėnies sė lirė g. Shmangja nga vlera e saj prej 9.8 m/s2 nuk duhet tė jetė mė shumė se2%. Kjo do tė thotė qė teoria punon mirė.
Mė sipėr supozuam qė lavjerrėsi lėkundet vetėm nė planin vertikal. Por nė fakt, gjatė nje ngacmimi tė vogėl anėsor qė i bėhet atij, ėshtė e pashmangshme qė lėvizja e tij tė mos jetė sipas njė trajektoreje ovale tė ndodhur nė sipėrfaqen sferike me rreze L . Le tė supozojmė se plani x,y nė Fig. 2 ėshtė tangent me sferėn e pėrmendur mė sipėr, nė pikėn O tė ekuilibrit tė lavjerrėsit. Shėnojmė se ne kemi ndryshuar kuptimin e boshtit tė y-eve !!! Tani forca e pashėnuar nė Fig. 2 duke tėrhequr lavjerrėsin drejt pozicionit tė tij tė ekuilibrit, neqoftese vleresojme vetėm lėkundjet e vogla, ka madhėsi F = k (x2 + y2)½ ( forca ėshtė proporcionale me distancėn e lavjerrėsit nga pika e ekuilibrit) dhe komponentet e saj janė Fx = - k x dhe Fy = - k y. Kėtu x dhe y janė koordinatat e lavjerrėsit dhe k = g/L. Duke zbatuar nė kėtė situatė ligjin e dytė tė Njutonit (0a,b) ne kemi:
Kjo do tė thotė qė ēdo koordinatė e lavjerrėsit
sillet si njė oshilator harmonik. Ne kemi gjetur tashmė njė zgjidhje
(4a) . Kjo zgjidhje ėshtė: x(t)
= xo cos
t. Njelloj (4b) ka njė zgjidhje y(t) = yo
cos
t . Duke pėrdorur ekzaktėsisht nje
metodė tė njėjtė mund tė gjenden zgjidhjet shtesė:
Tani imagjinoni
nisjen e lavjerrėsit nga pika e prerjes sė boshtit tė x-eve
me trajektoren ovale nė Fig. 2. Neqoftese e leme atė tė kalojė pa ndonjė shtytje shtesė,
atėhere koordinata e tij y do tė jetė gjithmonė zero dhe koordinata x do tė pėrshkruhet
nga funksioni x(t) = xo
cos
t . Por neqoftese ju i jepni njė shpejtėsi fillestare
vo nė drejtimin e y-eve,atėhere koordinata y nuk do tė qėndrojė
e barabartė me zero. Ne kete rast, zgjedhja e vetme e mundėshme ėshtė tė marrim y(t) = yo
sin
t ,sepse duhet
gjithashtu tė kemi y(0) = 0. Pėr tė gjetur njė formė tė trajektores
bėjmė veprimet e thjeshta si mė poshtė:
Siē shihet kjo trajektore ėshtė njė elips me gjysmėboshte xo dhe yo. Neqoftese yo = xo elipsi kthehet ne rreth.
Nė rastin tonė tė veēantė yo varet nga vo . Njė lidhje midis tyre varet nga komponentja y e shpejtėsisė sė lavjerrėsit. Kjo komponente
kėshtu yo
= vo /
.
Atėhere lėvizja e veēantė e lavjerrėsit pėrshkruhet si mė poshtė:
Neqoftese lavjerrėsi niset nga boshti iy-eve me njė shpejtėsi fillestare qė ka kahe tė kundėrt me boshtin ex -eve, atėhere lėvizja e tij pėrshkruhet nga:
Lavjerrėsi nė njė sistem referimi qė rrotullohet
Supozojmė se lavjerrėsi ėshtė fiksuar nė njė suport qė mund tė rrotullohet ngadalė dhe fija e varjes shtrihet ekzaktėsisht sipas boshtit tė rrotullimit. Nė Fig.3 janė treguar dy sisteme referimi. Sistemi i laboratorit i fiksuar nė laborator dhe sistemi i rrotullueshėm i fiksuar nė suport. Origjinat e tė dy sistemeve janė ekzaktėsisht nė boshtin e rrotullimit. Fillimisht sfera e lavjerrėsit ndodhet nė pikėn P nė sistemin e rrotullueshėm. Lavjerrėsi lėshohet nga njė pozicion ēfarėdo (natyrisht kėndi i shmangjes i vogėl) pa ndonjė shtytje,

nė ēastin t =
0 kur tė dy sistemet janė tė mbivendosur. Neqoftese neglizhojmė rrotullimin e Tokės,
lėvizja e lavjerrėsit, e vrojtuar nga sistemi i laboratorit, pėrshkruhet nga ekuacionet:
(4a,b) dhe (5b).
Shpejtėsia fillestare vo nė drejtimin negativ tė boshtit
tė x-eve, e vrojtuar nga sistemi i laboratorit, ėshtė lidhur me yo
(zhvendosja e pikės P nga origjina e sistemit tė referimit qė rrotullohet)
dhe
T
(shpejtėsia kėndore e rrotullimit), dhe
vo = yo
T
. Prandaj njė vrojtues i ndodhur nė sistemin laboratorik do tė
shikojė trajektoren e lavjerrėsit si njė elips me gjysmėbosht yo
pėrgjatė boshtit tė y -eve dhe gjysmėbosht yo
T
/
pėrgjatė boshtit tė
x -eve.
Por a mund ta neglizhojmė rrotullimin e Tokės? Pėr lėvizje tė ngadalta dhe nė intervale tė vogla kohe forca centrifugale dhe ajo e Koriolisit, qė lidhen me rrotullimin e Tokės janė shumė tė vogla. Ato janė proporcional respektivisht me shpejtėsinė kėndore tė Tokės dhe me katrorin e saj. Shpejtėsia kendore e rrotullimit te Tokes rreth boshtit te saj ėshtė 7.27 x 10-5 rad/s. Prandaj efektet e saj pėr njė interval tė vogėl kohe eshte vėshtirė tė maten. Pėr njė interval tė gjatė kohe ato akumulohen dhe bėhen vėrtet tė dukshme.
E njėjta lėvizje e parė nga njė vrojtues nė sistemin qė rrotullohet pėrshkruhet nga ekuacionet(1a,b). Ne tashmė e dimė se koordinatat x,y tė lavjerrėsit ndryshojnė me kohėn nė sistemin laboratorik dhe nga ana tjetėr gjetėm si ato mund tė transformohen nga ky sistem nė sistemin qė rrotullohet. Formulat e transformimit pėr situatėn konkrete kanė formėn e mėposhtėme:
Duke futur nė to x
dhe y te pėrshkruara nga ekuacionet (5b) me
vo = yo
T
ne fitojmė ekuacionet:
Ky rezultat duket akoma shumė i komplikuar dhe praktikisht i pamundur pėr t'u perfytyruar pa njė grafik. Disa konkluzione tė shpejta megjithatė mund tė nxirren nga lidhjet trigonometrike: cos a cos b = (1/2)[cos(a+b) + cos(a-b)] etj. Atėhere:
Nė bazė tė kėtij rezultati lėvizja e lavjerrėsit
e parė nga sistemi qė rrotullohet ėshtė njė superpozim i dy lėvizjeve tė thjeshta, njė
lėvizje rrethore ne sensin orar me rreze (yo/2)[1 - (
T
/
)] dhe
frekuencė kėndore
+
T,
dhe njė lėvizje rrethore ne sensin orar me rreze (yo/2)[1 + (
T
/
)] dhe
frekuencė kėndore
-
T
. Kėtu ne vėme re njė zhvendosje tė Dopplerit pėr shkak tė rrotullimit. Lavjerrėsi i vrojtuar nga
sistemi laboratorik shfaq njė frekuence tė vetme kėndore
,
ndėrsa nė sistemin qė rrotullohet ai shfaq dy frekuenca tė zhvendosura
+
T
dhe
-
T
. Frekuenca e tij origjinale kėndore
ėshtė moduluar nga frekuenca kėndore
T
e suportit qė rrotullohet.
Nė njė
rast tė veēantė kur
=
T
rezultati ėshtė shumė i thjeshtė sepse (8a,b)
reduktohen nė x'(t) = 0 dhe y'(t)
= (yo/2)[1 + (
T
/
)] = yo .
Kėshtu nė sistemin e referimit qė rrotullohet lavjerrėsi qėndron nė prehje, sepse forca centrifugale qė vepron mbi tė
ekuilibron komponenten e forcės gravitacionale qė e tėrheq lavjerrėsin sipas boshtit tė
rrotullimit tė suportit. Ky ėshtė njė rast shumė i thjeshtė nė
rastin e satelitėve stacionar.
Tani ju mund tė "eksperimentoni" pėr tė parė trajektoret e lavjerrėsit nga tė dy sistemet e referimit. Pėr simulim janė pėrdorur formulat (8a,b). Mos harroni se ky lavjerrės fillon gjithmonė nga prehja nė sistemin qė rrotullohet.
Vendosni
periodėn e lavjerrėsit Tp nė 10 s
dhe periodėn e rrotullimit tė suportit Tt gjithashtu nė 10s.
Kjo do tė thotė qė
=
T
, dhe nė sistemin qė rrotullohet lavjerrėsi duhet tė qėndrojė nė prehje, ndėrsa nė sistemin e laboratorit ai duhet tė beje njė trajektore rrethore.
Mbasi ekzekutohet ky rast nė
sistemin qė rrotullohet klikoni "rivendos" dhe zgjidhni sistemin inercial (nė kėtė rast atė laboratorik).
Ndryshimi i sistemit rivendos parametra tė tjerė, kėshtu ju
duhet tė ruani vlerat e dėshiruara. I ekzekutoni ato pėr tė parė atė ēka prisni. Tani pastroni dritaren dhe bėni dy eksperimente tė reja duke marrė
Tp=5s , Tt = 10s
dhe Tp=5s , Tt = 50s
. Konkluzionet nga modelet e fituara janė tė qarta. Njė vlerė mė e vogėl e raportit
Tp / T t na ēon nė njė trajektore eliptike
mė tė ngushtė nė sistemin inercial tė referimit dhe nė njė trajektore me shumė
maja tė mprehta nė sistemin qė rrotullohet. Imagjinoni tė zhvendosim suportin rrotullues,
nė pika tė ndryshme tė Tokės, duke e vendosur p.sh. nė Polin e Veriut
dhe duke varur nė tė njė lavjerrės shumė tė gjatė, me boshtin e x-eve dhe tė y-eve,
tė njė sistemi inercial, tė drejtuar drejt dy yjeve tė percaktuar. Pra ne kemi njė
lavjerrės tė Fukoit nė Polin e Veriut.
Neqoftese gjatėsia e tij ėshtė 100 m perioda e tij do tė jetė vetėm 20
s , ndėrsa perioda e rrotullimit tė Tokės ėshtė 86400 s. Kėshtu,trajektorja e tij e parė
nga sistemi inercial mund tė jetė njė elips i stėrzgjatur me vlerė tė raportit
tė boshteve tė barabartė me 4320. E njėjta trajektore e parė nga Toka do tė ketė
8640 maja pėr 24 orė.
Deri tani jemi marrė me lėvizjet e lavjerrėsit raporti Tp / T t i tė cilit ėshtė mė i vogėl se njėsia. Pėr kėto raste forca centrifugale fillestare ėshtė mė e vogėl se forca fillestare qė tėrheq lavjerrėsin drejt boshtit tė rrotullimit. Pėr kėtė arėsye, lavjerrėsi fillimisht "bie" drejt boshtit tė rrotullimit, por shmanget prej tij nga ekzistenca e forcės centrifugale dhe e asaj tė Koriolisit. Pėr raportin Tp / T t mė tė madh se njėsia, trajektoret e lavjerrėsit nė sistemin inercial janė akoma eliptike, por pamja e tyre nė sistemin qė rrotullohet ėshte krejt e ndryshme. Ekzaminoni dy raste tė tila duke marrė Tp = 20s , Tt = 10s me dy radhė dhe Tp=50s , Tt = 10s me tre radhė. Kėtė herė forcat centrifugale fillestare tėrheqin lavjerrėsin drejt boshtit tė rrotullimit. Lavjerresi pėrfundon nė lėvizjen larg nga boshti i rrotullimit.
Konkluzioni shumė i rėndėsishėm qė del nga studimet tona pėr lėvizjen e lavjerrėsit ėshtė se ai na jep informacion mbi sistemet e referimit. Ai tregon se sa shumė ėshtė apo nuk ėshtė njė sistem referimi inercial apo joinercial, ose nė ēfarė kufijsh mund tė aplikohet nė tė ligji i dytė i Njutonit, pa bėrė korigjimet pėr pseudoforcat. Mund tė kuptohet se ne realisht nuk dimė nėse ekzistojnė sistemet inerciale tė referimit,por ne vetėm mund tė themi se disa sisteme referimi janė mė shumė inercial se tė tjerėt. Nė kėta sisteme, mė shumė inercial, ligji i dytė i Njutonit parashikon lėvizjet me korrektesė pėr intervale kohorė mė tė gjata. Pėr shumicėn e problemeve inxhinjerike sistemet e referimit tė fiksuar me Tokėn janė inercialė ne shkalle te mjaftueshme. Por predhat e artilerisė janė tė ndikuara nga forca e Koriolisit, sepse shpejtėsia e tyre ėshtė e madhe dhe koha e fluturimit e gjatė.
Lavjerrėsi nė sistemin e referimit tė nxituar vertikalisht
Lėvizja e lavjerrėsit ndikohet jo vetėm nga rrotullimi i sistemit tė referimit, por dhe nga nxitimi linear i njė sistemi tė tillė. Le tė supozojmė se sistemi (x,y) nė Fig.4 ėshtė njė sistem inercial. Lavjerrėsi ėshtė i fiksuar nė sistemin (x',y'), qė nxitohet vertikalisht me nxitim konstant a . Njė rast i tillė eshtė psh lėvizja e ashensorit, me veēantinė se ky i fundit nuk mund tė pėrshpejtohet pėr njė kohė tė gjatė. Nė sistemin (x,y) Lėvizja e lavjerrėsit do tė pėrshkruhet me ndihmėn e ekuacioneve (0a,b) me komponentet e pėrshtatėshme tė forcaves Fx dhe Fy.

Relacionet ndėrmjet koordinatave tė lavjerrėsit nė tė dy sistemet e referimit janė si mė poshtė: (shiko Fig.4)
Kėtu yo(0) pėrshkruan pozicionin e sistemit (x',y') nė lidhje me sistemin (x,y) nė t = 0. Atehere:
vx(t) = Dx(t)/Dt = Dx'(t)/Dt = v'x(t) dhe vy(t) = Dy(t)/Dt = Dy'(t)/Dt + a t = v'y(t) + a t .
Si rrjedhim:
Dvx(t)/Dt = Dv'x(t)/Dt dhe Dvy(t)/Dt = Dv'y(t)/Dt + a . (9)
Komponentet e forcave duke vepruar mbi lavjerresin permbajne komponentet Tx dhe Ty të forcave qe ushtrohen nga fija dhe forcen e gravitetit. Prandaj ato mund të paraqiten si më poshtë:
Fx = Tx dhe Fy = Ty - mg . (10)
Duke përfshirë relacionet (9) dhe (10) në (0a,b) ne fitojmë ekuacionet që përshkruajnë lëvizjen e lavjerrësit në sistemin (x',y'):
m Dv'x / Dt = Tx (11a), m Dv'y / Dt = Ty - m(g + a) . (11b)
Duke përfshirë relacionet (10) në (0a,b) ) ne fitojmë ekuacionet që përshkruajnë lëvizjen e lavjerrësit në sistemin (x,y):
m Dvx / Dt = Tx (12a), m Dvy / Dt = Ty - mg. (12b) .
Por ekuacionet (11a,b) dhe (12a,b) ndryshojnë vetëm nga termi - ma në
(11b). Prandaj lëvizja e lavjerrësit e fiksuar në sistemin (x',y') duket pothuajse si lëvizja e lavjerrësit të njëjtë të fiksuar në
sistemin (x,y) përveçse në sistemin (x',y') veç forcës gravitacionale -mg vepron dhe një pseudoforcë shtesë - m a.
Kjo pseudoforcë e re përshkruan më së miri efektet e njohura inerciale. Vendosni mbi njė sipėrfaqe horizontale njė fletė
letre tė lėmuar dhe mbi tė njė objekt tė rėndė. Tėrhiqni fletėn e letrės nė
drejtimin horizontal. Neqoftese ju e tėrhiqni shumė shpejt objekti nuk do tė lėviz
nga pozicioni qė kishte nė lidhje me tavolinėn, ndėrsa letra do tė largohet.
Neqoftese nxitimi i fletės sė letrės ėshtė a , nė lidhje me
njė sistem referimi tė lidhur me letrėn, objekti lėviz me nxitim
- a .
Pra duket sikur njė forcė - ma ėshtė duke vepruar mbi
objektin nė kėtė sistem referimi.
Tashmė ne kemi zgjidhur ekuacionet (0a,b) pėr njė lavjerrės qė kryen lėkundje tė vogla. Por ekuacionet B>(12a,b) janė tė njėjta si (0a,b) pėr njė lavjerės. Atėhere, pėr lėkundje tė vogla, perioda e lavjerėsit jepet nga formula: (3a) dhe koordinata x e lavjerėsit ndryshon me kohėn sipas formulės(3b). Pothuajse e njėjta zgjidhje merret gjithashtu pėr ekuacionet(11a,b). Ndryshimi i vetėm ėshtė se ne duhet tė zėvendėsojmė g me g + a . Ky zėvendėsim ėshtė rrjedhim i qartė qė del nga krahasimi i (11b) dhe (12b). Prandaj pėr njė lavjerrės nė sistemin e referimit qė nxitohet:
dhe
Prandaj lavjerrėsi nė sistemin e
nxituar tė referimit (x',y') e ndjen kėtė nxitim si njė "shtesė" tė
fushės gravitacionale. Kjo "fushė shtesė" mund tė jetė pozitive apo negative.
Neqoftese sistemi (x',y') bie lirisht poshtė, atėhere
a = - g ose g
+ a = 0 , rrjedhimisht
= 0 dhe x'(t)
qėndron konstant.Kėshtu lavjerrėsi shfaqet nė kushte tė mungesės sė peshės nė kėtė
sistem. Tė njėjtin lloj mungese peshe pėrjetojnė astronautėt nė bordin
e ndonjė anije kozmike qė rrrotullohet rreth Tokes, apo psh nė stacionin hapėsinor MIR.
Por atje forca gravitacionale e Tokės neutralizohet nga njė tjetėr pseudoforcė,
qė ėshtė forca centrifugale.
Shėnojmė se sistemet e referimit si ato tė lidhura me ashensorin qė
bie lirshėm, me njė anije kozmike qė rrotullohet rreth Tokes, apo psh nė stacionin
hapėsinor MIR (neqoftese ata nuk janė nė rrotullim rreth boshtit te anijes) duken krejtesisht si
sisteme inerciale ku ligji i dytė i Njutonit eshte i vlefshem pa pėrfshirjen e pseudoforcave.
Pohimi i fundit ėshtė njė formė e thjeshtuar e
parimit tė ekuivalencės sipas tė cilit, ligjet e fizikės konsiderohen te njejte ose ekuivalente
nė sisteme te ndryshme inerciale, si ato sisteme qė u pėrmėndėn mė sipėr. Duhet pas parasysh se ekuivalentimi
qėndron ndėrmjet forcave gravitacionale dhe atyre inerciale, por nė thelb tė kėtij
parimi qėndron ekuivalentimi i sistemeve.
Pėr tė ndėrfutur applet-in , zgjedhim sistemin e nxituar vertikalisht me anėn e trakerit dhe masim dhjetė perioda tė lavjerrėsit pėr nxitimet e mėposhtėme: - 4.9, 4.9, 9.8 dhe 19.6 m/s2. Krahasoni rezultatet tuaja me periodat e dhėna nga formula (13a).
Vlerėsim
Neqoftese mbas kėsaj ju :
