Законы динамики

Введение.

            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.

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.

 

ЗАКОНЫ  ДИНАМИКИ.

ЗАДАЧИ  ДИНАМИКИ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

 

                 В основе динамики лежат законы, установленные путем обобщения  результатов целого ряда опытов  и наблюдений, посвященных изучению  движения тел, и проверенные  обширной общественно-производственной  практикой человечества. Систематически  законы динамики были впервые  изложены И. Ньютоном в его  классическом сочинении «Математические  начала натуральной философии», изданном в 1687г. (Есть прекрасный русский перевод, сделанный А. Н. Крымовым. См.: Собрание трудов акад. А. Н. Крылова, т. VII. М.— Л., 1936). Сформулировать эти законы можно следующим образом.

 

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

ma=F

 При этом между модулями  ускорения и силы имеет место  зависимость

mа=F .

            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

ma=R  или 

           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.

 

Задачи  динамики.

           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.

 

СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ

             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

 Тогда из уравнения (1') следует,  что