Реферат на тему динамика материальной точки

Обновлено: 05.07.2024

Название работы: Динамика материальной точки

Предметная область: Физика

Описание: Динамика материальной точки. Законы Ньютона. Основное уравнение динамики поступательного движения. Виды взаимодействий. Силы упругости и трения. Закон Всемирного тяготения. Сила тяжести и вес тела. Законы Ньютона. Основное ур.

Дата добавления: 2012-11-01

Размер файла: 169 KB

Работу скачали: 67 чел.

Динамика материальной точки.

Законы Ньютона. Основное уравнение динамики поступательного движения.
Виды взаимодействий. Силы упругости и трения.
Закон Всемирного тяготения. Сила тяжести и вес тела.
Законы Ньютона. Основное уравнение динамики поступательного движения.

Динамика изучает движение тел с учетом причин, вызывающих это движение.

Основу динамики составляют законы Ньютона.

 закон. Существуют инерциальные системы отсчета (ИСО), в которых материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не выведет ее из этого состояния.

Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии воздействия на него других тел называется инерцией (инертностью).

ИСО называют систему отсчета, в которой тело, свободное от внешних воздействий, покоится или движется равномерно прямолинейно.

Инерциальной является система отсчета, которая покоится или движется равномерно прямолинейно относительно какой-либо ИСО.

Система отсчета, движущаяся с ускорением относительно ИСО, является неинерциальной.

 закон Ньютона, называемый также законом инерции, был впервые сформулирован Галилеем. Его содержание сводится к 2-м утверждениям 

все тела обладают свойством инертности 
существуют ИСО.

Принцип относительности Галилея  все механические явления во всех ИСО происходят одинаково, т.е. никакими механическими опытами внутри ИСО невозможно установить, покоится данная ИСО или движется равномерно прямолинейно.

Инерциальной с большой точностью можно считать систему отсчета, в начале координат которой находится Солнце, а оси координат направлены на неподвижные относительно Солнца звезды.

В большинстве практических задач систему отсчета, жестко связанную с Землей, можно считать ИСО.

Из опыта известно, что при одинаковых воздействиях различные тела неодинаково изменяют свою скорость, т.е. приобретают различные ускорения, ускорение тел зависит от их массы.

Масса - мера инерциальных и гравитационных свойств тела. С помощью точных экспериментов установлено, что инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу. Выбирая единицы таким образом, чтобы коэффициент пропорциональности стал равным единице, получим, что m и =m г , поэтому говорят просто о массе тела.

[m]=1кг - масса платино-иридиевого цилиндра, диаметр и высота которого равны h=d=39мм.

Чтобы характеризовать действие одного тела на другое, вводят понятие силы.

Сила - мера взаимодействия тел, в результате которого тела изменяют свою скорость или деформируются.

Сила характеризуется численным значением, направлением, точкой приложения. Прямая, вдоль которой действует сила, называется линией действия силы . Одновременное действие на тело нескольких сил эквивалентно действию одной силы, называемой равнодействующей, или результирующей силой и равной их геометрической сумме:

Второй закон Ньютона - основной закон динамики поступательного движения - отвечает на вопрос, как изменяется движение тела под действием приложенных к нему сил.

II закон. Ускорение материальной точки совпадает по направлению с действующей на нее силой и равно отношению этой силы к массе материальной точки.

, где - равнодействующая сила .

Силу можно выразить формулой

1Н - это сила, под действием которой тело массой 1 кг получает ускорение 1м/с 2 в направлении действия силы.

Второй закон Ньютона можно записать в другом виде, введя понятие импульса (Ломоносов это сделал впервые).

Импульс - векторная величина, численно равная произведению массы тела на его скорость и сонаправленная с вектором скорости.

= - основное уравнение динамики поступательного движения:

скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе.

Согласно этому закону, изменение импульса материальной точки равно импульсу действующей на нее силы:

Характер взаимодействия между телами определяется 3-м законом Ньютона:

III закон . Две материальные точки действуют друг на друга с силами, равными по величине, противоположными по направлению и направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки (рис. 1):

Физическими называются взаимодействия, приводящие к изменению скорости тел. Физические взаимодействия делятся на 2 типа: фундаментальные и производные.

гравитационные ;
электромагнитные;
сильные (ядерные) - в 100 раз больше электромагнитных, в 10 15 раз гравитационных; радиус действия R~ 10 -14 м 10 -15 м.
слабые (взаимодействия легких частиц: лептонов, нейтрино и т.п.), R~10 -18 м.

Эти взаимодействия называются фундаментальными потому, что:

а) ни одно из их свойств не объяснено в настоящее время на основе более общих законов;

б) все остальные взаимодействия могут быть представлены как результат фундаментальных взаимодействий.

Взаимодействие тел на расстоянии осуществляется материальным объектом - полем и происходит с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме с .

Поле - особая форма существования материи. Силовое поле - область пространства, в каждой точке которой на материальную частицу действует определенная по величине и направлению сила, зависящая от координат этой точки. Поле играет роль носителя данного вида взаимодействия.

В механических процессах действуют различные силы: упругости, трения, тяжести, вес.

Сила упругости - это сила, возникающая в теле при упругой деформации (имеет электромагнитную природу).

Упругой называют деформацию, при которой тело восстанавливает первоначальную форму и размеры после прекращения действия деформирующей силы.

Пластической называют деформацию, при которой тело принимает новые формы и размеры после прекращения действия деформирующей силы.

В реальных телах упругие деформации всегда сочетаются с пластическими.

Закон Гука. С ила упругости, возникающая в теле при упругой деформации, пропорциональна величине деформации и направлена в сторону, противоположную деформации:

где - жесткость или коэффициент упругости, численно равный силе упругости, возникающей при единичной деформации; - деформация тела, численно равная абсолютному изменению ею длины.

Силы трения возникают при перемещении соприкасающихся тел (или их частей) друг относительно друга, они направлены по касательной к трущимся поверхностям и противодействуют относительному смещению этих поверхностей.

Сила трения возникает не только при скольжении одной поверхности относительно другой, но и при попытке вызвать такое скольжение. В этом случае она называется силой трения покоя.

Максимальная сила трения покоя и сила трения скольжения прямо пропорциональны величине силы нормального давления N , прижимающей трущиеся поверхности друг к другу:

где k - коэффициент трения, безразмерная величина.

Силы трения имеют электромагнитную природу.

Закон Всемирного тяготения. Сила тяжести и вес тела.

Все тела взаимно притягивают друг друга. Закон, которому подчиняется это притяжение, был установлен Ньютоном и носит название закона Всемирного тяготения . Согласно этому закону, сила, с которой две материальные точки притягивают друг друга, прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

где  ·  -11 - гравитационная постоянная.

Впервые экспериментальное доказательство закона всемирного тяготения для земных тел и числовое определение проведено английским физиком Т. Кавендишем (1798 г). Если в (1) подставить m = m =1кг, r =1м, то сила оказывается численно равной .

Физический смысл : две материальные точки с массой по 1кг, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимно притягиваются с силой 6,67·10 Н.

F - гравитационная сила или сила Всемирного тяготения, она направлена вдоль прямой, соединяющей материальные точки.

Для определения силы взаимного притяжения тел их нужно разбить на элементарные массы, подсчитать по формуле (1) силы притяжения между всеми попарно взятыми элементами, а затем геометрически их сложить (проинтегрировать), что является сложной математической задачей.

Если взаимодействующие тела - однородные шары, такие вычисления приводят к формуле (1), где r - расстояние между их центрами.

Сила тяжести - это сила, под действием которой тело падает на поверхность планеты с ускорением свободного падения.

Если не учитывать вращения планеты, то сила тяжести совпадает с силой тяготения к планете. Однако на тело действует ещё сила реакции земной поверхности. Равнодействующая этих сил создаёт нормальное ускорение , направленное к центру окружности, по которой движется тело в процессе его суточного вращения (рис.3). С учётом этих факторов сила тяжести численно равна , но направлена противоположно ей вдоль линии отвеса.

где  - угловая скорость суточного вращения Земли.

Вследствие воздействия на тело силы тяжести тело давит на опору или растягивает подвес, на котором висит (рис. 4).

Вес - это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес.

Согласно третьему закону Ньютона,

Определим вес тела массой m в различных ситуациях.

1.Тело покоится или движется равномерно прямолинейно относительно поверхности Земли.

2.Тело движется вертикально вверх с ускорением (или вниз с замедлением).

Перегрузка показывает, во сколько раз вес тела, движущегося с ускорением, больше веса неподвижного тела.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Федеральное Агентство по Образованию

Московский государственный индустриальный университет

РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ

ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

1. Основные формулы и понятия

2. Классификация задач и рекомендации по методам их решения

3. Примеры решения типовых задач

Основная задача динамики материальной точки состоит в том, чтобы найти закон движения материальной точки, зная приложенные к ней силы, или наоборот, по известному закону движения определить силы, действующие на эту точку.

Задачи на динамику материальной точки удобно решать в следующей последовательности:

Представив по условию задачи физический процесс, следует сделать схематический чертеж и указать на нем все тела, участвующие в движении, и связи между ними (нити, пружины и т.д.). Изобразить направления ускорений этих тел, если это возможно по условию задачи. В противном случае направления ускорений следует проставить произвольным образом.

При изображении сил следует помнить, что:

а) сила тяжести направлена вертикально вниз (к центру Земли);

б) сила натяжения нити направлена вдоль нити от тела;

в) сила упругости направлена вдоль пружины от тела, если пружина в процессе движения растянута, или к телу, если пружина сжата;

г) сила реакции опоры направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения тела с подставкой;

д) сила трения скольжения направлена по касательной к поверхности подставки в сторону противоположную скорости движения точек поверхности тела, соприкасающихся с подставкой;

е) сила сопротивления направлена в сторону, противоположную вектору скорости тела.

При расстановке сил, приложенных к телу, не обязательно их прикладывать к строго определенным точкам тела (например, силу тяжести к центру масс). Обычно, все силы изображают приложенными к какой-либо произвольной точке тела, выбор которой определяется удобством и наглядностью рисунка.

После того, как проставлены все силы, желательно проверить, имеется ли сила противодействия каждой из сил, изображенных на рисунке. Нет необходимости рисовать силы противодействия силе тяжести, силам реакции опоры и трения , если подставкой, по которой движется тело, является другое неподвижное тело, например, Земля.

Записать уравнение второго закона Ньютона для каждого тела в векторной форме.

Записать уравнения второго закона Ньютона в проекциях на оси выбранной системы координат. При наличии трения скольжения, силы трения, входящие в уравнения, нужно представить через соответствующие коэффициенты трения и силы нормального давления.

Упростив, если можно, уравнение динамики, дополнить их необходимыми соотношениями кинематики для получения замкнутой системы уравнений, которую решить относительно искомых неизвестных величин.

1. Основные формулы и понятия

Сила трения скольжения

где коэффициент трения скольжения; абсолютная величина силы нормального давления; единичный вектор в направлении скорости тела.

где коэффициентами жесткости;

- коэффициент жесткости при последовательном соединении пружин с коэффициент жесткости и соответственно;

коэффициент жесткости при параллельном соединении пружин с коэффициентами жесткости и соответственно; координата незакрепленного конца пружины; она же для нерастянутой пружины. Знак минус показывает, что сила направлена в сторону, обратную деформации.

Сила гравитационного взаимодействия (закон всемирного тяготения)

где Н м/кг 2 – гравитационная постоянная; ; радиус вектор тела 2 относительно тела 1. Знак минус указывает на притяжение тел.

где ускорение свободного падения (вблизи поверхности Земли); м/с 2 ;

где масса и радиус Земли (планеты, звезды) соответственно; высота над поверхностью Земли.

Принцип независимости действия сил: если на материальную точку действуют одновременно несколько сил, то каждая из этих сил сообщает материальной точке ускорение согласно второму закону Ньютона, как будто других сил не было. Согласно этому принципу, силы и ускорения можно разлагать на составляющие. Сила, действующая на материальную точку, движущуюся по кривой, может быть разложена на две составляющие – тангенциальную и нормальную.

Тангенциальная (или касательная) сила

где единичный вектор направленный по касательной к траектории.

Нормальная (или центростремительная) сила

где радиус кривизны траектории; единичный вектор, направленный по нормали к траектории.

Импульс материальной точки

где – скорость материальной точки.

Импульс системы материальных точек

где – масса -ой частицы, – её скорость в инерциальной системе отсчета.

Второй закон Ньютона

где геометрическая сумма сил, действующих на материальную точку; – её импульс; – число сил, действующих на точку.

Если масса постоянна, то второй закон Ньютона классической механики может быть выражен формулой

Если не известен точный закон, по которому изменяется полная сила

действующая на тело, то можно использовать понятие средней силы за какой-то промежуток времени от момента до :

Тогда уравнение второго закона Ньютона можно записать в виде

где - изменение импульса за тот же промежуток времени; иногда произведение называют средним импульсом силы.

Второй закон Ньютона в координатной (скалярной) форме

где под знаком суммы стоят проекции сил на соответствующие оси координат.

Третий закон Ньютона

где – сила, действующая на i -ую материальную точку со стороны k -ой материальной точки; – сила, действующая на k -ую материальную точку со стороны i -ой материальной точки. Силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, приложены к разным материальным точкам, противоположно направлены, всегда действуют парами и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки.

2. Классификация задач и рекомендации по методам их решения

Задачи на динамику прямолинейного движения материальной точки, исходя из методики их решения, можно разбить на следующие основные типы.

Все силы , действующие на тело совпадают с прямой, вдоль которой направлен вектор ускорения. В этом случае уравнение второго закона Ньютона в векторном виде и решение в скалярной форме проводится с учетом направления сил.

Если действующие на тело силы разнонаправлены (а тем более некоторые из них не совпадают по направлению с , например, движение тела по наклонной плоскости):

спроецировать все действующие силы на оси ОХ и OY ;

записать второй закон Ньютона соответственно для осей ОХ:

решить систему уравнений совместно (при необходимости дополнить соответствующими кинематическими уравнениями движения).

Движение нескольких сил, связанных невесомыми и нерастяжимыми нитями (движение нескольких тел по горизонтальной и наклонной плоскостях; задачи на блоки, через которые перекинута нить - веревка, канат, шнур и т.д.).

Основные закономерности при решении задач на блоки можно сформулировать следующим образом:

блок считать невесомым (или его массой можно пренебречь);

нити между телами считать невесомыми и нерастяжимыми;

силы натяжения нити по обе стороны блока одинаковы;

второй закон Ньютона записывать для каждого тела в отдельности (с учетом выбранного направления движения системы тел);

если нить перекинута, например, через 2 невесомых блока (один – подвижный, второй – неподвижный), сила натяжения нити будет по всей длине одинакова, но ускорение грузов вследствие движения подвижного блока разные.

3. Примеры решения типовых задач

Аэростат массой m 250 кг начал опускаться с ускорением 0,2м/с 2 . Определить массу балласта, который следует сбросить, чтобы аэростат получил такое же ускорение, но направленное вверх. Ускорение свободного падения 9,8 м/с 2 . Сопротивлением воздуха пренебречь.

Решение: Так как аэростат опускается с ускорением , меньшим ускорения свободного падения , и по условию задачи сопротивление воздуха отсутствует, то это означает, что на него кроме силы тяжести действует подъемная сила , направленная вертикально вверх.

Действующие на аэростат силы направлены вертикально, следовательно, уравнение движения

достаточно спроецировать только на одну ось системы координат OY :

Откуда подъемная сила . (3)

Если сбросить балласт массой , то уравнение движения можно записать в виде

или с учетом полученного выражения для подъемной силы (3)

Следовательно, масса сброшенного балласта равна

Автомобиль, трогаясь с места, за время 5с равноускоренно набирает скорость 72 км/ч.

Найти минимально возможный коэффициент трения между колесами автомобиля и дорогой при таком движении.

Какой наименьший тормозной путь автомобиля, набравшего эту скорость?

Решение: При движении автомобиля, как при разгоне, так и при торможении, на него действуют три силы: сила тяжести , сила нормальной реакции со стороны дороги и сила трения

а) При ускоренном движении автомобиля сила трения препятствует проскальзыванию ведущих колес по поверхности дороги, поэтому, она направлена в сторону движения и является силой трения покоя. Именно сила трения покоя в данном случае будет являться движущей силой. Исходя из выбранной системы координат XOY , уравнение движения имеет вид

В проекциях на оси системы координат:

Выразив силу трения через силу реакции и коэффициент трения между колесами и дорогой

из уравнения движения определим ускорение автомобиля:

С другой стороны, так как по условию задачи автомобиль двигаясь равноускоренно за время приобрел скорость , то его ускорение равно . (6)

Из выражений (5) и (6) имеем 0,41. Следовательно,

б) При торможении сила трения направлена в сторону, противоположную движению и является силой трения скольжения. Уравнение движения автомобиля в этом случае в проекциях на оси координат

Учитывая, что , ускорение автомобиля при торможении

Путь, пройденный автомобилем, движущимся равнозамедленно с начальной скоростью равен

Время движения до остановки можно определить из условия, что конечная скорость автомобиля

Учитывая выражения для коэффициента трения (7), получаем

На гладкой наклонной плоскости с углом при основании лежит доска массой М, а на доске – брусок массой m . На доску действует сила, направленная вверх по склону. При какой величине этой силы, груз начнёт соскальзывать? Коэффициент трения между доской и бруском . Ускорение свободного падения .

Решение: Силы, действующие на каждое из тел, в инерциальной системе отсчета XOY указаны на Рис.2.4.

На брусок действует сила тяжести , сила трения , сила и сила реакции ; на доску действует сила тяжести , сила реакции , сила трения и вес бруска равный по величине . Учтём, что

Запишем второй закон Ньютона в проекциях на оси выбранной системы координат при условии, что брусок по доске не скользит:

Решая систему уравнений (2) и (3), получим .

Используем условие (1): .

Следовательно, при брусок будет соскальзывать с доски.

На наклонной плоскости с углом при основании неподвижно лежит кубик. Коэффициент трения между клином и кубиком равен . Наклонная плоскость движется с ускорением в направлении, показанном на рис. 2.5. При каком минимальном значении этого ускорения кубик начнет соскальзывать?

Решение: Запишем второй закон Ньютона в проекциях на оси ОХ и О Y инерциальной системы отсчета, связанной с Землей, считая, что кубик относительно клина покоится:

Так как кубик покоится относительно клина, то и связаны соотношением , т.е.

Следовательно, при кубик начнёт соскальзывать при ускорении клина, равном .

Если , то тело начнет соскальзывать при любом сколь угодно малом ускорении.

При решении задач динамики нужно в первую очередь выбрать систему координат и задать начало отсчета времени.

Описание движения в различных системах координат эквивалентны между собой в том смысле, что при известном расположении двух систем координат относительно друг друга по величинам, найденным в первой системе, можно определить соответствующие величины во второй.

При решении задач следует выбрать такую систему координат, в которой уравнения, описывающие движение, получаются проще. При прямолинейном движении система уравнений получается проще, если одна из осей координат направлена вдоль движения.

При решении задач на движение нескольких тел рекомендуется пользоваться одной системой координат.

Калашников Н.П., Смондырев М.А.. Основы физики. Т.1. М.: Дрофа, 2003

Калашников Н.П., Смондырев М.А. Основы физики. Упражнения и задачи. М.: Дрофа, 2004.

Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. М.: Высш. шк., 1988.

Демков В.П., Третьякова О.Н. В помощь поступающим в ВУЗы. Физика. Механика. – М.: Издательство МАИ, 1996.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела Первый закон Ньютона. Масса. Сила

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние. Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.

Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета, а те системы, по отношению к которым он выполняется, называются инерциальными системами отсчета.

Масса тела — физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. В настоящее время можно считать доказанным, что инертная и гравитационная массы равны друг другу (с точностью, не меньшей 10–12 их значения).

Итак, сила — это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона — основной закон динамики поступательного движения — отвечает на вопрос, как изменяется механическое движение материальной точки (тела) под действием приложенных к ней сил.

а ~ F (т = const).(6.1) а ~ 1/т (F = const).(6.2)

а = kF/m.(6.3)

В СИ коэффициент пропорциональности k= 1. Тогда или

численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость и имеющая направление скорости, называется импульсом (количеством движения) этой материальной точки.

Подставляя (6.6) в (6.5), получим

Выражение (6.7) называется уравнением движения материальной точки.

Единица силы в СИ — ньютон (Н): 1 Н — сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы:

1 Н = 1 кгм/с2.

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго.

В механике большое значение имеет принцип независимости действия сил: если на материальную точку действует одновременно несколько сил, то каждая из этих сил сообщает материальной точке ускорение согласно второму закону Ньютона, как будто других сил не было.

Третий закон Ньютона

Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется третьим законом Ньютона.

F12 = – F21,(7.1)

Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек.

В механике мы будем рассматривать различные силы: трения, упругости, тяготения. Силы трения, которые препятствуют скольжению соприкасающихся тел друг относительно друга.

Внешним трением называется трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении.

В зависимости от характера их относительного движения говорят о трении скольжения, качения или верчения.

Механика является важнейшим разделом естествознания, фундаментом многих естественных и большинства технических наук. Достижения в области механики всегда означают прогресс в технике, более глубокое понимание сути явлений природы. В наш век фундаментальных открытий в области физики элементарных частиц, физики твердого тела и плазмы, теории излучения и удивительных достижений молекулярной биологии и химии, механика – наука о простейшей форме движения материи, – казалось бы, мало чем может удивить человечество.

Прикрепленные файлы: 1 файл

физика.docx

Введение в динамику. Законы динамики.

Основные понятия и определения.

Динамикой называется раздел механики, в котором изучается движение материальных тел под действием сил. Движение с чисто геометрической точки зрения рассматривается в кинематике. Отличие динамики состоит в том, что при изучении движения тел принимают во внимание как действующие на них силы, так и инертность самих материальных тел.

Понятие о силе, как об основной мере механического действия, оказываемого на материальное тело, было введено в статике. Но статика не касается вопроса о возможных изменениях действующих сил с течением времени., а при решении задач считали все силы постоянными. Между тем на движущееся тело наряду с постоянными силами действуют обычно силы переменные, модули и направления которых при движении тела изменяются. При этом переменными могут быть и заданные (активные) силы (Активной обычно называют силу, которая, начав действовать на покоящееся тело, может привести его в движение) и реакции связей.

Как показывает опыт, переменные силы могут определенным образом зависеть от времени, положения тела и его скорости. В частности, от времени зависит сила тяги электровоза при постепенном выключении или включении реостата или сила, вызывающая колебания фундамента при работе мотора с плохо центрированным валом; от положения тела зависит Ньютонова сила тяготения или сила упругости пружины; от скорости зависят силы сопротивления среды. В заключение отметим, что все введенные в статике понятия и полученные там результаты относятся в равной мере и к переменным силам, так как условие постоянства сил нигде в статике не использовалось.

Инертность тела проявляется в том, что оно сохраняет свое движение при отсутствии действующих сил, а когда на него начинает действовать сила, то скорости точек тела изменяются не мгновенно, а постепенно и тем медленнее, чем больше инертность этого тела. Количественной мерой инертности материального тела является физическая величина, называемая массой тела (Масса является еще мерой гравитационных свойств тела), В классической механике масса т рассматривается как величина скалярная, положительная и постоянная для каждого данного тела.

Кроме суммарной массы движение тела зависит еще в общем случае от формы тела, точнее от взаимного расположения образующих его частиц, т.е. от распределения масс в теле.

Чтобы при первоначальном изучении динамики отвлечься от учета формы тела (распределения масс), вводят абстрактное понятие о материальной точке, как о точке, обладающей массой, и начинают изучение динамики с динамики материальной точки.

Из кинематики известно, что движение тела слагается в общем случае из поступательного и вращательного. При решении конкретных задач материальное тело можно рассматривать как материальную точку в тех случаях, когда по условиям задачи допустимо не принимать во внимание вращательную часть движения тела. Например, материальной точкой можно считать планету при изучении ее движения вокруг Солнца или артиллерийский снаряд при определении дальности его полета и т.п. Соответственно поступательно движущееся тело можно всегда рассматривать как материальную точку с массой, равной массе всего тела.

Изучать динамику обычно начинают с динамики материальной точки, так как естественно, что изучение движения одной точки должно предшествовать изучению движения системы точек и, в частности, твердого тела.

ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

Первый закон (закон инерции):

изолированная от внешних воздействий материальная точка сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока приложенные силы не заставят ее изменить это состояние. Движение, совершаемое точкой при отсутствии сил, называется движением по инерции.

Закон инерции отражает одно из основных свойств материи — пребывать неизменно в движении. Важно отметить, что развитие динамики как науки стало возможным лишь после того, как Галилеем был открыт этот закон (1638 г.) и тем самым опровергнута господствовавшая со времен Аристотеля точка зрения о том, что движение тела может происходить только под действием силы.

Существенным является вопрос о том, по отношению к какой системе отсчета справедлив закон инерции. Ньютон предполагал, что существует некое неподвижное (абсолютное) пространство, по отношению к которому этот закон выполняется. Но по современным воззрениям пространство — это форма существования материи, и какого-то абсолютного пространства, свойства которого не зависят от движущейся в нем материи, не существует. Между тем, поскольку закон имеет опытное происхождение (еще Галилей указал, что к этому закону можно прийти, рассматривая движение шарика по наклонной плоскости со все убывающим углом наклона), должны существовать системы отсчета, в которых с той или иной степенью приближения данный закон будет выполняться. В связи с этим в механике, переходя, как обычно, к научной абстракции, вводят понятие о системе отсчета, в которой справедлив закон инерции, постулируют ее существование и называют инерциальной системой отсчета.

Можно ли данную реальную систему отсчета при решении тех или иных задач механики рассматривать как инерциальную, устанавливается путем проверки того, в какой мере результаты, полученные в предположении, что эта система является инерциальной, подтверждаются опытом. По данным опыта для нашей Солнечной системы инерциальной с высокой степенью точности можно считать систему отсчета, начало которой находится в центре Солнца, а оси направлены на так называемые неподвижные звезды. При решении большинства технических задач инерциальной, с достаточной для практики точностью, можно считать систему отсчета, жестко связанную с Землей.

Второй закон (основной закон динамики)

устанавливает, как изменяется скорость точки при действии на нее какой- нибудь силы, а именно: произведение массы материальной точки на ускорение, которое она получает под действием данной силы, равно по модулю этой силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы.

Математически этот закон выражается векторным равенством

При этом между модулями ускорения и силы имеет место зависимость

Второй закон динамики, как и первый, имеет место только по отношению к инерциальной системе отсчета. Из этого закона непосредственно видно, что мерой инертности материальной точки является ее масса, поскольку при действии данной силы точка, масса которой больше, т. е. более инертная, получит меньшее ускорение и наоборот.

Если на точку действует одновременно несколько сил, то они, как это следует из закона параллелограмма сил, будут эквивалентны одной силе, т. е. равнодействующей, равной геометрической сумме данных сил. Уравнение, выражающее основной закон динамики, принимает в этом случае вид

Этот же результат можно получить, используя вместо закона параллелограмма закон независимости действия сил, согласно которому при одновременном действии на точку нескольких сил каждая из них сообщает точке такое же ускорение, какое она сообщила бы, действуя одна.

Третий закон (закон равенства действия и противодействия)

устанавливает характер механического взаимодействия между материальными телами. Для двух материальных точек он гласит:

две материальные точки действуют друг на друга с силами, равными по модулю и направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, в противоположные стороны.

Этим законом пользуются в статике. Он играет большую роль в динамике системы материальных точек, как устанавливающий зависимость между действующими на эти точки внутренними силами.

При взаимодействии двух свободных материальных точек, они, согласно третьему и второму законам динамики, будут двигаться с ускорениями, обратно пропорциональными их массам.

Для свободной материальной точки задачами динамики являются следующие: зная закон движения точки, определить действующую на нее силу (первая задача динамики);

2) зная действующие на точку силы, определить закон движения точки (вторая, или основная, задача динамики).

Для несвободной материальной точки, т. е. точки, на которую наложена связь, вынуждающая ее двигаться по заданной поверхности или кривой, первая задача динамики обычно состоит в том, чтобы, зная движение точки и действующие на нее активные силы, определить реакцию связи. Вторая (основная) задача динамики при несвободном движении распадается на две и состоит в том, чтобы, зная действующие на точку активные силы, определить: а) закон движения точки, б) реакцию наложенной связи.

Для измерения всех механических величин оказывается достаточным ввести независимые друг от друга единицы измерения каких-нибудь трех величин. Двумя из них принято считать единицы длины и времени. В качестве третьей оказывается наиболее удобным выбрать единицу измерения или массы, или силы. Так как эти величины связаны равенством (1), то произвольно единицу измерения каждой из них выбрать нельзя. Отсюда вытекает возможность введения в механике двух принципиально отличных друг от друга систем единиц.

Первый тип систем единиц.

В этих системах за основные принимаются единицы длины, времени и массы, а сила измеряется производной единицей.

К таким системам относится Международная система единиц измерения физических величин (СИ), в которой основными единицами измерения механических величин являются метр (м), килограмм массы (кг) и секунда (с). Единицей же измерения силы является производная единица — 1 ньютон (Н);

1 Н — это сила, сообщающая массе в 1 кг ускорение 1 м/с2 (1Н==1 кг-м/с2). О том, что собой представляют 1 м, 1 кг и 1 с, известно из курса физики. Международная система единиц (СИ) введена в России как предпочтительная с 1961 г

Второй тип систем единиц.

В этих системах за основные принимаются единицы длины, времени и силы, а масса измеряется производной единицей.

К таким системам относится имевшая большое распространение в технике система МКГСС, в которой основными единицами являются метр (м), килограмм силы (кГ) и секунда (с). Единицей измерения массы в этой системе будет 1 кГс2 /м, т. е. масса, которой сила в 1 кГ сообщает ускорение 1 м/с2.

Соотношение между единицами силы в системах СИ и МКГСС таково: 1 кГ=9,81 Н или 1 Н=0,102 кГ.

В заключение необходимо отметить, что надо различать понятия размерность величины и единица ее измерения. Размерность определяется только видом уравнения, выражающего значение данной величины, а единица измерения зависит еще от выбора основных единиц. Например, если, как это принято, обозначать размерность длины, времени и массы соответственно символами L, Т и М, то размерность скорости L/Т, а единицей измерения может быть 1 м/с, 1 км/ч и т. д.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ СИЛ

Рассмотрим следующие постоянные или переменные силы (законы изменения переменных сил, как правило, устанавливаются опытным путем).

Сила тяжести. Это постоянная сила , действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности. Модуль силы тяжести равен весу тела.

Опытом установлено, что под действием силы любое тело при свободном падении на Землю (с небольшой высоты и в безвоздушном пространстве) имеет одно и то же ускорение , называемое ускорением свободного падения, а иногда ускорением силы тяжести (Закон свободного падения тел был открыт Галилеем. Значение q в разных местах земной поверхности различно; оно зависит от географической широты места над уровнем моря. На широте Москвы (на уровне моря) q=9,8156м/с2