Реферат физические основы механики

Обновлено: 02.07.2024

Физика как наука является основой всего естествознания и имеет фундаментальное значение для понимания различных процессов в окружающем нас мире. Она оказывает влияние на другие науки и служит базой для профессиональной подготовки студентов всех технических специальностей.

· 071900 – Информационные системы и технологии;

· 120100 – Технология машиностроения;

· 120200 – Металлообрабатывающие станки и комплексы;

· 121300 – Инструментальные системы машиностроительных производств;

· 190200 – Приборы и методы контроля качества и диагностики;

· 200800 – Проектирование и технология радиоэлектронных средств;

· 201500 – Бытовая радиоэлектронная аппаратура;

· 220100 – Вычислительные машины, комплексы, системы и сети;

· 220400 – Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем;

· 330100 – Безопасность жизнедеятельности в техносфере.

Изложение материала ведется без громоздких математических выкладок, основное внимание уделяется физической сущности явлений и описывающих их законов. В конце каждой главы пособия даются краткие выводы по теме, вопросы для самоконтроля и повторения, примеры решения задач, а также задачи для самостоятельной подготовки студентов.

Предлагаемый краткий курс не охватывает как по объему, так и глубине весь материал, предусмотренный программой дисциплины. Поэтому для приобретения более полных и глубоких знаний, а также практических навыков решения задач по физике студенту необходимо пользоваться дополнительными источниками. Список некоторых рекомендуемых учебников и пособий приведен в конце конспекта.

Физика – наука о наиболее простых и общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Физика и ее законы лежат в основе всего естествознания. Она относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений и процессов в окружающем нас мире.

Физика – наука экспериментальная, ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Законы физики представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке.

В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения материи физика подразделяется на ряд дисциплин, связанных между собой. По изучаемым материальным объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твердого тела, физику плазмы. По изучаемым процессам или формам движения материив физике выделяют механику материальной точки и твердого тела, механику сплошных сред, термодинамику, электродинамику, теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля, теорию колебаний и волн.

Основы физики заложены в VI в. до н.э. – II в. н.э., когда зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В этот период установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты законы прямолинейного распространения и отражения света, сформулированы основы гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Развитие физики как науки в современном смысле этого слова началось в XVII в. и связано прежде всего с именем Г. Галилея. Галилей открыл принцип относительности в механике, доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, получил значительные результаты в астрономии, в изучении оптических, тепловых и других явлений. Его ученик Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Англичанин Р. Бойль и француз Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон.

Основное достижение физики XVII в. – созданиеклассической механики. Все основные законы этой науки сформулировал И. Ньютон. Фундаментальное значение имело введенное Ньютоном понятие состояния, которое стало одним из основных для всех физических теорий.

Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, при помощи которого удалось с большой точностью рассчитать движение Луны, планет и комет, объяснить приливы и отливы в океане.

В это же время Х. Гюйгенс и Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения. Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил первые часы с маятником. Началось развитие физической акустики.

Со второй половины XVII в. быстро развивается геометрическая оптика применительно к конструированию телескопов и других оптических приборов. Были заложены и основы физической оптики: открыта дифракция света (Ф. Гримальди), впервые измерена скорость света (О. Рёмер). Возникли и стали развиваться корпускулярная и волновая теории света.

В этот период была создана единая механическая картина мира, согласно которой все богатство и многообразие мира – результат различия движения частиц (атомов), слагающих тела, движения, подчиняющегося законам Ньютона. Объяснение физического явления считалось научным и полным, если его удавалось свести к действию законов механики.

В других областях физики происходило накопление опытных данных и формулировались простейшие экспериментальные законы: закон сохранения электрического заряда (Б. Франклин), основной закон электростатики (Ш. Кулон), открыто инфракрасное (Д. Гершель и У. Волластон) и ультрафиолетовое (И. Риттер и У. Волластон) излучения.

Заметный прогресс произошел в исследовании тепловых явлений: сформулировано понятие теплоемкости, началось изучение теплопроводности и теплового излучения. В трудах М. Ломоносова, Р. Бойля, Р. Гука, Д. Бернулли были заложены основы молекулярно-кинетической теории вещества.

В начале XIX в. борьба между корпускулярной и волновой теориями света завершилась победой волновой теории. Этому способствовали работы Т. Юнга и О. Френеля, объяснившие явления интерференции и дифракции света с помощью волновой теории.

Большое значение для развития физики имело открытие электрического тока (Л. Гальвани и А. Вольта). Исследовано химическое действие электрического тока (Х. Дэви и М. Фарадей), получена электрическая дуга (В. Петров). В 1820 г. Х. Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку, что доказало связь между электрическими и магнитными явлениями. В том же году А. Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов. В 1831 г. М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции. Это явилось основой формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.

Важнейшее значение для физики и всего естествознания имело открытие в середине XIX в. закона сохранения энергии (Ю. Майер, Г. Гельмгольц, Д. Джоуль), связавшего воедино все явления природы. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики) и получил название первого начала термодинамики.

Фундаментальный закон теории теплоты – второе начало термодинамики был сформулирован Р. Клаузиусом в 1850 г. На основе результатов, полученных Н. Карно и У. Томсоном. Этот закон обобщил опытные данные, свидетельствующие о необратимости процессов в природе, определяет направление возможных энергетических превращений. Значительную роль в создании термодинамики сыграли также исследования Ж. Гей-Люссака, Б. Клапейрона, Д. Менделеева.

Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В 1899 г. П. Лебедев экспериментально обнаружил и измерил давление света, предсказанное Максвеллом. В 1895 г. А. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.

Новый этап в развитии физики связан с открытием электрона (Д. Томсон, 1897 г.). Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы. В конце XIX – начале XX вв. Х. Лоренц заложил основы электронной теории, которая позволила рассчитывать значения электромагнитных характеристик вещества в зависимости от частоты, температуры и других факторов.

В начале XX в. стало ясно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 г. А. Эйнштейн создал частную (специальную) теорию относительности – новое учение о пространстве и времени. Эта теория показала, что свести электромагнитные процессы к механическим в гипотетической среде (эфире) невозможно. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики. В 1916 г. Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения.

На рубеже XIX – XX вв. было положено начало величайшей революции в области физики, связанной с возникновением и развитием квантовой теории. В 1900 г. М. Планк показал, что атом испускает электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. В 1905 г. Эйнштейн развил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии поглощается также только целиком, т.е. ведет себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классической теории электродинамики. Таким образом, на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведет себя подобно потоку частиц, но одновременно ему присущи и волновые свойства (дифракция, интерференция). Следовательно, несовместимые с точки зрения классической физики волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света).

Квантование излучений приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также изменяется только скачкообразно (Н. Бор, 1913 г.). К этому времени Э. Резерфорд построил планетарную модель атома. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны, двигаясь по круговым (эллиптическим) орбитам, испытывают ускорения, а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, за время ~10 -8 с упасть на ядро. Таким образом, планетарная модель атома в рамках классической физики приводила к неустойчивости атомов. Для решения этой проблемы Бор постулировал существование в атомах стационарных состояний, находясь в которых электрон не излучает. При переходе из одного такого состояния в другое он может испускать или поглощать энергию.

Созданный Бором первый вариант квантовой теории атома был внутренне противоречивым: используя для описания движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической механике. Достоверно установленная дискретность действия и ее количественная мера – постоянная Планка – требовали радикальной перестройки механики и электродинамики. Классические законы физики оказались справедливыми лишь при рассмотрении тел достаточно большой массы, для которых величина действия велика по сравнению с постоянной Планка (квант действия) и дискретностью действия можно пренебречь.

В 20-е годы XX в. была создана квантовая, или волновая механика – последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц. В основу ее легли идея квантования Планка-Эйнштейна-Бора и выдвинутая в 1923 г. Луи де Бройлем гипотеза о двойственной корпускулярно-волновой природе любых видов материи. В 1927 г. впервые была обнаружена дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у микрочастиц волновых свойств.

Параллельно с квантовой механикой развивалась квантовая статистика – квантовая теория поведения физических систем, состоящих из огромного количества микрочастиц. Она сыграла важную роль в развитии физики конденсированных сред и в первую очередь физики твердого тела.

На основе квантовой теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном в 1917 г., в 50-х годах XX в. возникла новая область радиофизики – квантовая электроника. Учеными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью построенного ими мазера. В 60-х годах был создан квантовый генератор света – лазер.

Во второй четверти XX в. происходило дальнейшее революционное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, а также с созданием физики элементарных частиц. Открытию Резерфордом атомного ядра предшествовало открытие явления радиоактивности (А. Беккерель). В 1934 г. супруги Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа явилось открытие деления атомного ядра. В 1939-45 гг. была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235 U. В 1954 г. в СССР была построена первая атомная электрическая станция (г. Обнинск). В 1952 г. осуществлена реакция неуправляемого термоядерного синтеза (термоядерный взрыв).

Одновременно с физикой атомного ядра с 30-х годов начала быстро развиваться физика элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космических лучей. Были открыты мюоны, мезоны, гипероны, нейтрино, резонансы. Обнаружена универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц.

Все здание классической и современной физики покоится на фундаменте законов сохранения, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда.

Основным методом исследования в физике является опыт – основанное на практике чувственно-эмпирическое познание объективной действительности, т.е. наблюдение исследуемых явлений в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом процессов и многократно воспроизводить их при повторении этих условий.

Для объяснения экспериментальных фактов выдвигаются гипотезы. Гипотеза – это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверным научным фактом.

При исследовании явлений или процессов в зависимости от условий конкретной задачи используются различные физические модели. Применение моделей преследует единственную цель – рассмотреть определенную группу физических явлений таким образом, чтобы можно было абстрагироваться от целого ряда реальных факторов, второстепенных в данном случае, но учет которых существенно усложнил бы изучение данного явления.

Основными физическими моделями являются:

· материальная точка – тело, обладающее массой, размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи (например, изучая движение планет по орбитам вокруг Солнца, можно принять их за материальные точки, так как размеры планет пренебрежительно малы по сравнению с размерами их траекторий движения);

· абсолютно твердое тело – тело, расстояние между любыми двумя точками которого всегда остается неизменным. Другими словами, данная модель пригодна в случаях, когда в задаче деформации тела при его взаимодействии с другими телами пренебрежительно малы;

· абсолютно упругое тело – тело, деформации которого пропорциональны вызывающим их силам, т.е. подчиняются закону Гука. После прекращения внешнего механического воздействия на такое тело, оно полностью восстанавливает свои размеры и форму;

· абсолютно неупругое тело – тело, которое после прекращения внешнего механического воздействия полностью сохраняет деформированное состояние, вызванное этим воздействием;

· идеальный газ – газ, молекулы которого имеют пренебрежимо малый собственный объем и между ними отсутствуют силы взаимодействия;

· идеальная жидкость– жидкость, в которой отсутствуют силы внутреннего трения (не учитывается вязкость);

· точечный электрический заряд– заряженное тело, форма и размеры которого несущественны по сравнению с расстояниями до других заряженных тел;

· электрический диполь– система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек электрического поля;

· абсолютно черное тело– тело, полностью поглощающее при любой температуре весь направленный на него поток излучения любой частоты.

В результате обобщения экспериментальных фактов устанавливаются физические законы – устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами, для чего необходимо эти величины измерять. Измерение физической величины – это действие, выполняемое с помощью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах. В принципе единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возникнут трудности при их сравнении. Поэтому вводятся системы единиц, охватывающие единицы всех физических величин и позволяющие оперировать с ними.

Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга физических величин. Эти единицы называются основными. Остальные величины и их единицы выводятся из законов, связывающих эти величины с основными. Они называются производными величинами. В России согласно государственному стандарту обязательна к применению Международная система единиц SI (система СИ). Она базируется на семи основных единицах и двух дополнительных – радиан и стерадиан (табл. В.1).

Физика тесно связана с естественными науками - астрономией, химией, биологией, геологией и др. В результате образовался ряд новых научных дисциплин, таких, как астрофизика, физическая химия, биофизика, радиоастрономия и др. Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь двусторонняя: физика развивается из потребностей техники (развитие механики вызвано потребностями строительной и военной техники; задача создания экономичных тепловых и электрических машин потребовало развития термодинамики и электродинамики и т.д.). С другой стороны развитие техники позволяет совершенствовать экспериментальные методы физических исследований, применять новые, более совершенные приборы и установки (электронные микроскопы, спектрографы, счетчики заряженных частиц и т.п.).

Наименование величины	Единица измерения	Обозначение
Длина	метр	м
Масса	килограмм	кг
Время	секунда	с
Сила электрического тока	ампер	А
Термодинамическая температура	кельвин	К
Количества вещества	моль	моль
Сила света	кандела	кд
Плоский угол	радиан	рад
Телесный угол	стерадиан	ср

Курс физики составляет основу теоретической подготовки студентов технических специальностей и играет роль фундаментальной базы, без которой невозможна успешная деятельность инженера любого профиля. Инженер должен знать и уметь пользоваться основными понятиями, законами и моделями механики, электричества и магнетизма, теории колебаний и волн, квантовой физики, статистической физики и термодинамики, физических основ электроники, методами теоретического и экспериментального исследования, уметь оценивать численные порядки величин.

Физика - наука о природе, изучающая наиболее общие свойства материального мира, наиболее общие формы движения материи, лежащие в основе всех явлений природы. Физика устанавливает законы, которым подчиняются эти явления.

Физика изучает также свойства и строение материальных тел, указывает пути практического использования физических законов в технике.

В соответствии с многообразием форм материи и ее движения физика подразделяется на ряд разделов: механика, термодинамика, электродинамика, физика колебаний и волн, оптика, физика атома, ядра и элементарных частиц.

На стыке физики и других естественных наук возникли новые науки: астрофизика, биофизика, геофизика, физическая химия и др.

Физика является теоретической основой техники. Развитие физики послужило фундаментом для создания таких новых отраслей техники, как космическая техника, ядерная техника, квантовая электроника и др. В свою очередь, развитие технических наук способствует созданию совершенно новых методов физических исследований, обуславливающих прогресс физики и смежных наук.

Лекция 1	Понятие состояния в классической механике. Кинематика материальной точки. Механическое движение, система отсчета. Скорость, ускорение. Радиус кривизны траектории, нормальное и тангенциальное ускорения.
Кинематика поступательного и вращательного движения твёрдого тела. Угловая скорость и ускорение, их связь с линейными.

I. Механика. Общие понятия

Механика - раздел физики, который рассматривает простейшую форму движения материи - механическое движение.

Под механическим движением понимают изменение положения изучаемого тела в пространстве со временем относительно некоторого гола или системы тел, условно считаемых неподвижными. Такую систему тел вместе с часами, в качестве которых может быть выбран любой периодический процесс, называют системой отсчета (С.О.). С.О. часто выбирают из соображений удобства.

Для математического описания движения с С.О. связывают систему координат, часто прямоугольную.

Простейшее тело в механике - материальная точка. Это тело, размерами которого в условиях денной задачи можно пренебречь.

Всякое тело, размерами которого пренебречь нельзя, рассматривают как систему материальных точек.

Механика подразделяется на кинематику , которая занимается геометрическим описанием движения, не изучая его причин, динамику, которая изучает законы движения тел под действием сил, и статику, которая изучает условия равновесия тел.

2. Кинематика точки

Кинематика изучает пространственно-временное перемещение тел. Она оперирует такими понятиями, как перемещение , путь, время t , скорость движения , ускорение .

Линию, которую описывает при своем движении материальная точка, называют траекторией. По форме траектории движения делятся на прямолинейные и криволинейные. Вектор , соединяющий начальную I и конечную 2 точки, называют перемещением (рис. I.I).

Каждому моменту времени t соответствует свой радиус-вектор:

Таким образом движение точки может быть описано векторной функцией.

которая определяем векторный способ задания движения, или тремя скалярными функциями

x= x( t); y= y( t); z= z( t) , (1.2)

которые называют кинематическими уравнениями. Они определяют задание движения координатным способом.

Движение точки будет также определено, если для каждого момента времени будет установлено положение точки на траектории, т.е. зависимость

Она определяет задание движения естественным способом.

Каждая из указанных формул представляет собой закон движения точки.

Если моменту времени t₁ соответствует радиус-вектор , а , то за промежуток тело получит перемещение . В этом случае средней скоростью за Dt называют величину

Механика Галилея- Ньютона (1564-1727гг.) называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме(С=3× м/с). Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света (≤ С), изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной Эйнштейном (1879-1955гг.). Для описания движения микроскопических тел (атомы, элементарные частицы) законы классической механики неприменимы – они заменяются законами квантовой механики (Шредингер, Гейзенберг и др.)
Механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику.

Вложенные файлы: 1 файл

lec_ph.docx

Физические основы механики

Механика-часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение.

Механическое движение – это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику.

Тема 1. Элементы кинематики.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обуславливают.

Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел.

Поступательное движение – движение, при котором все точки тела движутся так, что прямая, соединяющая две произвольные точки тела, переносится параллельно самой себе.

Вращательное движение – движение, при котором все точки данного тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой – оси вращения тела, а плоскости вращения точек перпендикулярны оси вращения.

Материальная точка – тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Система материальных точек или тел (механическая система) – мысленно выделенная совокупность материальных точек или тел, которые взаимодействуют как друг с другом, так и стелами, не входящими в состав системы.

Замкнутая или изолированная механическая система – совокупность материальных точек или тел, на каждое из которых не действуют внешние силы (тела).

Время. Под временем понимается свойство материальных процессов иметь определенную длительность, следовать друг за другом в определенной последовательности. Время измеряют специальными приборами (часы), в основе работы которых лежит строго периодический и равномерный

Физический процесс – колебания. За единицу времени в СИ принята 1 секунда

Начало отсчета – реальное физическое тело или условно абсолютно твердое тело, относительно, которого определяется положение изучаемых материальных точек или физических тел в пространстве и времени.

Абсолютно твердое тело – тело, расстояние, между любыми точками которого с течением времени неизменно.

Система отсчета – начало отсчета, связанная с ним система координат и часы, по отношению к которым определяется пространственное и временное положение других тел механической системы. Например, любую точку траектории тела на плоскости в системе отсчета – прямоугольная система координат (декартова) ОХУ и часы – характеризует тройка чисел (х, у, t). Для тела в пространстве (х, у, z, t).

Начальное положение. Положение движущейся точки А в некоторый фиксированный момент времени t = t называется ее начальным положением и характеризуется на плоскости тройкой чисел А (х ,у ,t ), в пространстве

Пусть S – расстояние между двумя заданными точками А и В траектории, отсчитанное вдоль нее ([S]= 1м.).

Перемещение –направленный отрезок, проведенный из начальной точки А в заданную точку В траектории (векторr). В СИ единица перемещения – метр:[r]=1 м.
2) Скорость и ускорение.

Скоростью равномерного движения (называется величина, измеряемая длиной пути, проходимого в единицу времени:

В случае переменного движения различают мгновенную и среднюю скорости. Если за время от момента t тело пройдет путь S (рис.1), то отношение называется средней скоростью за промежуток времени . Мгновенной скоростью или скоростью в данный момент времени t ( в данной точке траектории) называется предел

Скорость- величина векторная. Мгновенная скорость при криволинейном движении направлена по касательной к траектории в данной точке. Выразим скорость в векторном виде.

Из рис.1 вытекает, что , так как , и только в случае прямолинейного движения . Сложение скоростей производится векторно.

Физической величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению, является ускорение.

Средним ускорением неравномерного движения называется векторная величина, равная отношению изменения скорости к интервалу времени :

Мгновенным ускорением материальной точки в данный момент времени(в данной точке траектории) будет предел среднего ускорения:

Т. е., ускорение есть векторная величина, равная первой производной скорости по времени или второй производной перемещения по времени.

Полное ускорение тела есть геометрическая сумма тангенциальной и нормальной составляющих

где тангенциальная ( r) составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по модулю ( направлена по касательной к траектории), а нормальная составляющая ( n) ускорения – быстроту изменения скорости по направлению (направлена к центру кривизны траектории). Т.о., модуль полного ускорения при криволинейном движении равен:

В зависимости от и an движение можно классифицировать:

ar =0 , an =0- прямолинейное равномерное движение: t
ar =а=const, an=0 – прямолинейное равнопеременное движение:

где - начальная скорость.

ar =0, an = const. При ar =0 скорость по модулю не изменяется, а изменяется по направлению. Из формулы an = , следует, что радиус кривизны должен быть постоянным. Следовательно, движение по окружности является равномерным.
ar =0, an - равномерное криволинейное движение.
ar = const, an - криволинейное равнопеременное движение.

3). Вращательное движение

Рассмотрим твердое тело, которое вращается вокруг неподвижной оси. Тогда отдельные точки этого тела будут описывать окружности разных радиусов, центры которых лежат на оси вращения. Пусть некоторая точка движется по окружности радиуса R

Равномерным движением называется такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени поворачивается на один и тот же угол.(φ) угловая скорость равномерного вращения (ω ) есть величина, измеряемая углом поворота за единицу времени:

В случае неравномерного движения различают среднюю и мгновенную угловые скорости.

Средней угловой скоростью ( ) за промежуток времени называется отношение: = .

Предел этого отношения есть мгновенная угловая скорость в момент времени :

Угловая скорость векторная величина. Вектор направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта (так же направлен вектор оси )

Линейная скорость рассматриваемой точки А(рис.3).

Угловым ускорением () называется векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени или второй производной угла поворота по времени:

При ускоренном движении вектор сонаправлен вектору (рис.3), при замедленном – противоположен .

Тангенциальная составляющая ускорения:

Нормальная составляющая ускорения:

В случае равнопеременного движения точки по окружности (Е=const):

Где – начальная угловая скорость.

Изменение движения тел или изменение их формы происходит в результате взаимодействия по меньшей мере двух тел.

Силой называется физическая величина, характеризующая взаимодействие тел; она определяет изменение движения тела или изменение формы тела, или то и другое вместе. Сила – величина векторная.

1) Законы динамики

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Свойство тел сохранять величину и направление скорости ( , когда на него действуют силы или действуют уравновешенные силы ( ), называется инерцией (или инертностью). Изменение движения тела определяется не только действующей на него силой, но и свойствами самого тела. Физическая величина, пропорциональная отношению величины действующей на тело силы к сообщаемому ею ускорению , называется массой данного тела: .

Масса, входящая в законы Ньютона, характеризует инертные свойства; кроме того, масса входит в закон всемирного тяготения, где она характеризует гравитационные свойства, т.е. свойство тел притягивать друг друга. Следовательно, можно различать массу инертную и массу гравитационную. Однако все опытные факты говорят о том, что инертная и гравитационная массы тела равны друг другу. Поэтому физики говорят просто о массе. При больших скоростях, близких к скорости света в вакууме, масса зависит от скорости:

m – масса движущегося тела; m0 – масса неподвижного тела; v – скорость движущегося тела; c – скорость света в вакууме.

Второй закон Ньютона:

Ускорение материальной точки (тела) пропорционально вызывающей его силе, совпадает с нею по направлению и обратно пропорциональна движущейся массе тела.

В системе cu коэффициент пропорциональности k=1. Тогда .

В системе СИ за единицу силы принимают силу, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2. Эту единицу называют Ньютоном (н).

Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела (или количеством движения): . Импульс – величина векторная, совпадающая по направлению со скоростью.

Если приложенная к телу сила постоянна по величине и направлению, то закон Ньютона можно записать в следующем виде:

Где - импульс силы.

Третий закон Ньютона: Силы, с которыми два тела друг на друга, направлены по одной прямой, равны по величине и противоположны по направлению:

F1 – сила, приложенная к первому телу;

F2 – сила, приложенная ко второму телу;

m1 – масса первого тела;

m2 – масса второго тела.

2) Закон сохранения импульса.

Действующих на систему материальных точек (тел) можно разделить на два вида – внутренние и внешние. Внутренними называются силы, которые действуют между телами, входящими в систему; внешними называются силы, обусловленные взаимодействием с телами, не принадлежащими данной системе. Система называется замкнутой, если внешние силы отсутствуют. Для замкнутой системы выполняется закон сохранения импульса: векторная сумма импульсов тел в замкнутой системе является величиной постоянной из уравнения: (II) , т. к. .

Тогда (закон сохранения импульса). Для системы тел:

3) Динамика вращательного движения.

При изучении вращения твердых тел будем пользоваться понятием момента инерции.

Момент инерции материальной точки относительно некоторой оси равен произведению ее массы на квадрат расстояния от точки до этой оси рис 6:

Моментом инерции системы материальных точек (тела) относительно данной оси называется физическая величина, равная сумме произведений масс n материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси (вращения) 00`:

Момент инерции тела относительно любой оси (например на рис7) можно найти, если известны момент инерции тела относительно параллельной ей оси , проходящей через центр тяжести тела (точка C), масса тела m и расстояние между осями в (рис. 7):

Где Jc находится по формуле (14).

Т. О., роль массы при вращательном движении выполняет момент инерции.

Запишем закон ньютона для вращательного движения :

Где роль массы выполняет момент инерции J, силы момент силы M , линейного ускорения –углового ускорения .

В рамках любого учебного курса изучение физики начинается с механики. Не с теоретической, не с прикладной и не вычислительной, а со старой доброй классической механики. Эту механику еще называют механикой Ньютона. По легенде, ученый гулял по саду, увидел, как падает яблоко, и именно это явление подтолкнуло его к открытию закона всемирного тяготения. Конечно, закон существовал всегда, а Ньютон лишь придал ему понятную для людей форму, но его заслуга – бесценна. В данной статье мы не будем расписывать законы Ньютоновской механики максимально подробно, но изложим основы, базовые знания, определения и формулы, которые всегда могут сыграть Вам на руку.

Механика – раздел физики, наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействия между ними.

Почему изучение физики начинается именно с механики? Потому что это совершенно естественно, не с термодинамического же равновесия его начинать?!

Механика – одна из старейших наук, и исторически изучение физики началось именно с основ механики. Помещенные в рамки времени и пространства, люди, по сути, никак не могли начать с чего-то другого, при всем желании. Движущиеся тела – первое, на что мы обращаем свое внимание.

Что такое движение?

Механическое движение – это изменение положения тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.

Именно после этого определения мы совершенно естественно приходим к понятию системы отсчета. Изменение положения тел в пространстве относительно друг друга. Ключевые слова здесь: относительно друг друга. Ведь пассажир в машине движется относительно стоящего на обочине человека с определенной скоростью, и покоится относительно своего соседа на сиденье рядом, и движется с какой-то другой скоростью относительно пассажира в машине, которая их обгоняет.

Именно поэтому, для того, чтобы нормально измерять параметры движущихся объектов и не запутаться, нам нужна система отсчета - жестко связанные между собой тело отсчета, система координат и часов. Например, земля движется вокруг солнца в гелиоцентрической системе отсчета. В быту практически все свои измерения мы проводим в геоцентрической системе отсчета, связанной с Землей. Земля – тело отсчета, относительно которого движутся машины, самолеты, люди, животные.

Система отсчета, связанная с землей - геоцентрическая

Механика, как наука, имеет свою задачу. Задача механики – в любой момент времени знать положение тела в пространстве. Иными словами, механика строит математическое описание движения и находит связи между физическими величинами, его характеризующими.

Для того, чтобы двигаться далее, нам понадобится понятие “материальная точка”. Говорят, физика – точная наука, но физикам известно, сколько приближений и допущений приходится делать, чтобы согласовать эту самую точность. Никто никогда не видел материальной точки и не нюхал идеального газа, но они есть! С ними просто гораздо легче жить.

Материальная точка – тело, размерами и формой которого в контексте данной задачи можно пренебречь.

Разделы классической механики

Механика состоит из нескольких разделов

Кинематика с физической точки зрения изучает, как именно тело движется. Другими словами, этот раздел занимается количественными характеристиками движения. Найти скорость, путь – типичные задачи кинематики

Динамика решает вопрос, почему оно движется именно так. То есть, рассматривает силы, действующие на тело.

Статика изучает равновесие тел под действием сил, то есть отвечает на вопрос: а почему оно вообще не падает?

Границы применимости классической механики

Классическая механика уже не претендует на статус науки, объясняющей все (в начале прошлого века все было совершенно иначе), и имеет четкие рамки применимости. Вообще, законы классической механики справедливы привычном нам по размеру мире (макромир). Они перестают работать в случае мира частиц, когда на смену классической приходит квантовая механика. Также классическая механика неприменима к случаям, когда движение тел происходит со скоростью, близкой к скорости света. В таких случаях ярко выраженными становятся релятивистские эффекты. Грубо говоря, в рамках квантовой и релятивистской механики – классическая механика, это частный случай, когда размеры тела велики, а скорость – мала.

Движение на скорости, близкой к скорости света, нельзя описать законами классической механики

Вообще говоря, квантовые и релятивистские эффекты никогда никуда не деваются, они имеют место быть и при обычном движении макроскопических тел со скоростью, много меньшей скорости света. Другое дело, что действие этих эффектов так мало, что не выходит за рамки самых точных измерений. Классическая механика, таким образом, никогда не потеряет своей фундаментальной важности.

Мы продолжим изучение физических основ механики в следующих статьях. Для лучшего понимания механики Вы всегда можете обратиться к нашим авторам, которые в индивидуальном порядке прольют свет на темное пятно самой сложной задачи.

Читайте также: