Физика. Лекция 1 Кинематика. Введение
 Скачать 326 Kb.
|
§ 2-1. Первый закон Ньютона. F ) , по другому a = k F, где k - коэффициент пропорциональности. С учетом (2-1) имеем:. ( 2-2 а ) Выбор коэффициента пропорциональности зависит от выбора системы единиц. В настоящее время во всех существующих системах единиц принято считать k = 1, т.е. . ( 2-2 б) Ускорение - вектор, масса - величина скалярная ( число ), поэтому сила тоже вектор, направление которого совпадает с направлением ускорения. Если на тело действует несколько сил, то ускорение тела пропорционально их геометрической сумме: . ( 2-3 ) Уравнение ( 2-3 ) представляет одну из форм записи второго закона Ньютона. В механике это уравнение принято называть уравнением движения . Это уравнение - векторное, и его можно заменить тремя скалярными, проектируя поочередно( 2-3 ) на оси координат X, Y и Z. Второй закон Ньютона может быть сформулирован несколько другим способом с помощью понятия импульса тела. Импульсом принято называть величину p = mv, где v - скорость тела. В ньютоновской механике предполагается, что масса тела постоянна и не зависит от скорости, поэтому: ma = m . ( 2-4 ) С учетом ( 2-4 ) уравнение ( 2-3 ) принимает такой вид : . ( 2-5 ) § 2-3. Третий закон Ньютона. Понятие силы определено как мера взаимодействия тел, т.е. при рассмотрении движения какого-нибудь тела учитывается только одна сторона этого взаимодействия. Ясно, однако, что все тела надо рассматривать как равноправные, т.е. если второе тело воздействует на первое, то и первое тело воздействует на второе. Третий закон Ньютона устанавливает соотношение между этими воздействиями. Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по величине и направлены пр одной прямой в разные стороны. Пример: книга лежит на столе; она притягивается к Земле и вследствие этого давит на стол. Однако книга не проваливается к центру Земли, т.к. стол со своей стороны действует на книгу с силой равной по величине силе давления книге на стол. Эта сила со стороны стола носит название реакции опоры. К самой книге приложено две силы: сила притяжения и сила реакции опоры. Они равны по величине и противоположно направлены, т.е. их сумма равна нулю, поэтому книга никуда не двигается. § 2-4. Природа механических сил. Из кинематики известно, что знание величины и направления ускорения позволяет вычислить значения радиуса - вектора материальной точки в любой последующий момент времени, т.е. предсказать 5 положение точки. Законы динамики позволяют сделать это, если известна правая часть уравнений (2-3) или (2-5). Другими словами, нужно уметь определять силы, действующие на тело, положение которого требуется описать. Взаимодействие между макроскопическими телами физика сводит к взаимодействию между элементарными частицами. Таких элементарных частиц в настоящее время известно более сотни. Среди них наиболее популярны электрон, протон и нейтрон. Для характеристики всех частиц вводятся такие понятия как масса покоя, электрический заряд, собственный механический момент ( спин ), а также четность, странность, красивость, барионный заряд, цветовой заряд, слабый заряд и т.д. Установлено, что между элементарными частицами существует четыре фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Сравнительные характеристики этих взаимодействий приведены в таблице 1. Таблица 1.
В классической физике считается, что электромагнитное и гравитационное взаимодействия осуществляются посредством поля. Поле - это особый вид материи, характерный тем, что каждой точке пространства можно приписать определенное значение поля. Физическое поле - непрерывно. Однако, современная физика, базирующаяся на квантовых представлениях, считает дискретной любую физическую величину, которая может изменяться только определенными порциями - квантами. Она приписывает полям дискретный характер, когда изменение поля рассматривается как излучение или поглощение некой частицы, распространяющейся с конечной скоростью ( не больше скорости света с). Другими словами, в квантовой физике взаимодействия сводятся к обмену теми или иными частицами, переносящими квант действия. Если квант действия электромагнитного поля хорошо известен под названием фотон, то квант гравитационного взаимодействия остается по сих пор неоткрытым, хотя он уже получил название гравитона. Строго говоря, силы в механике могут быть сведены к этим двум взаимодействиям, тем более, что два других типа описывают взаимодействия, существующие только в микромире. В частности, сильное взаимодействие может объяснить наличие ядерных сил, ответственных за устойчивость атомного ядра. Слабые взаимодействия возникают между микрочастицами, обладающими так называемым слабым зарядом. До 1983 года этот тип взаимодействия рассматривался только теоретиками, но в этом году экспериментально была открыта W+ - частица с энергией 81 ГэВ ( Гига - 109, электрон - Вольт - единица измерения энергии, равная 1,6•10 -19 Джоуля), так что слабое взаимодействие получило опытное подтверждение. Из таблицы 1 видно, что гравитационные силы являются слабейшими из всех фундаментальных взаимодействий, однако они обладают свойствами аддитивности и достигают значительных величин в космическом масштабе ( притяжение Луны, строение Солнечной системы и т.п.). Величина гравитационной силы притяжения двух точечных масс m1 и m2 определена Ньютоном и известна как закон всемирного тяготения: , ( 2-6 ) где r - расстояние между массами, а G = 6,67 10 -11 Н· м2/кг2 - гравитационная постоянная. Чтобы подчеркнуть, что сила - вектор, закон записывают несколько иначе, рассматривая силу, действующую на m2 со стороны m1: r12 , ( 2-7 ) откуда видно направление силы ( она направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие массы). Модуль силы притяжения P тела массы m к Земле , которую называют силой тяжести можно записать так: ( 2-8 ) где величина - ускорение свободного падения, МЗ- масса Земли, а RЗ - радиус Земли. Из выражения g видно, что оно не зависит от массы выбранного тела и поэтому одинаково для всех тел в определенной точке земной поверхности.
вниз с ускорением а (см рис.7), то уравнение второго закона Ньютона, записанное в неподвижной системе координат6, имеет вид: ma = P - N , ( 2-9 ) откуда N = P - ma = mg - ma = m( g - a ). ( 2-10 ) По третьему закону Ньютона сила реакции опоры N равна и противоположно направлена силе давления гири на весы , т.е. весу гири ( N = ). Поэтому вес гири = m (g - a). ( 2-11 ) . Очевидно, что при а = g = 0, т.е. все свободно падающие тела ничего не весят. Сила тяжести на поверхности Земли не является постоянной по двум причинам: во-первых, Земля, как известно не является идеальным шаром ( она сплюснута на
ны электрическими силами. Силы упругости обусловлены деформациями. Деформации связаны с изменением взаимного расположения молекул, образующих рассматриваемое тело, причем силы возникают лишь тогда, когда деформации носят упругий характер. В этом случае справедлив закон Гука так, что , ( 2-12 ) д где x обозначает величину упругой деформации, а к - коэффициент пропорциональности, зависимый от свойств деформируемого тела и вида деформации. Частным примером проявления упругих сил служат силы реакции опор, направление которых считается всегда нормальным ( перпендикулярным ) к деформируемой поверхности. Другим примером действия упругих сил могут служить так называемые силы связи ( силы натяжения ). Рассмотрение сил трения можно ограничить двумя примерами : силами сухого и силами вязкого трения7. Сила сухого трения скольжения известна из школьного курса физики: Fтр = -m N, где m - коэффициент трения, характеризующий свойства взаимодействующих поверхностей, а N - так называемая сила нормального давления . В отличие от сил вязкого трения эта сила не зависит от скорости движения тела. Сила вязкого трения, напротив, зависит от величины скорости, причем степень зависимости меняется по мере возрастания скорости. Для сравнительно небольших скоростей она может быть представлена в таком виде: Fвяз = - bv = -. ( 2-13 ) Величина коэффициента b зависит как от свойств самого тела, которое движется в вязкой среде, так и от свойств среды. Иногда эту силу трения удобнее представлять в таком виде: Fвяз = - kS, ( 2-14 ) где S - площадь соприкосновения тела со средой, k - коэффициент внутреннего трения среды, а величина производной, входящей в выражение для силы, носит название градиента скорости, описывающего быстроту изменения скорости слоев среды, увлекаемых телом, в направлении, перпендикулярном направлению скорости тела. Практически важное значение имеет сила трения покоя , возникающая между соприкасающимися телами. Максимальную величину этой силы обычно оценивают поформуле для силы трения скольжения, хотя в действительности они несколько отличаются друг от друга. § 2- 5. Динамика вращательного движения материальной точки.
ления ее осей совпадает с направлением скорости тела в этот момент времени и с направлением радиуса вращения, проведенного в точку, где расположено тело в этот же момент времени. Важно отметить, что выбранная таким образом система отсчета является неподвижной относительно инерциальной системы отсчета (на-пример, Земли), и в ней справедливы законы Ньютона. Рассмотрим в качестве примера движение автомашины по выпуклому мосту, радиус которого r (см. рис.9) .Направим одну из осей следящей системы координат к центру моста, а другую - вдоль направления скорости v. Уравнение движения в этом случае имеет вид ( в проекции на вертикальную ось): maц = mg - N, ( 2-15 ) где через N обозначена сила реакции моста, а mg - сила тяжести. Решая это уравнение относительно N, получаем : N = mg - maц = m(g -), ( 2-16 ) откуда следует, что при = g сила реакции моста будет равна 0 . Но это означает, что автомашина в этот момент времени не оказывает никакого давления на мост, т.е. она находится в состоянии невесомости. Лекция 3 Динамика системы материальных точек. § 3 - 1. Центр масс системы материальных точек.
Умножая первое из этих уравнений на m1, а второе - на m2 и складывая их, получим: . ( 3-3 ) Из рис.10 и равенства ( 3-1 ) следует, что m2l2 = - m1l1. С учетом этого соотношения из выражения ( 3-3 ) можно определить значение радиуса - вектора R: . ( 3-4 ) Обобщая это выражение для произвольного числа материальных точек, получим: , ( 3-5 ) где = М - полная масса системы точек. Скорость центра масс такой системы определяется дифференцированием ( 3-5 ): . ( 3-6 ) Величины mivi представляют собой импульсы отдельных точек, поэтому урав-нение ( 3-6 ) можно переписать в следующем виде: = Р, ( 3-7 ) где через Р обозначен суммарный импульс системы. Дифференцируя ( 3-7 ), находим выражение для ускорения центра масс системы А: . ( 3-8 ) |