Лекция № 3 Динамика

Всякое движение относительно, и одно и тоже движение, а значит и его причины, выглядят совершенно по-разному, если рассматривать движение относительно разных систем отсчета. Относительно некоторых систем отсчета причины движений выглядят особенно просто; к таким системам отсчета относится, например, Земля. Поэтому изучение динамики начнем, выбрав в качестве системы отсчета Землю.

3.1. Первый закон Ньютона

Наблюдения и опыт показывают, что тела получают ускорение относительно Земли, т.е. изменяют свою скорость относительно Земли по величине или по направлению, только при действии на них других тел. Каждый раз, когда какое- либо тело получает ускорение по отношению к Земле, можно указать другое тело, которое это ускорение вызвало. Например, бросаемый мяч приходит в движение, т.е. получает ускорение, под действием мышц руки. Ловя мяч, мы замедляем и останавливаем его, также действуя на него рукой. Что же будет происходить, если на данное тело никакие другие тела не действуют? В этом случае тело будет оставаться в покое относительно Земли, либо двигаться относительно нее равномерно и прямолинейно, т.е. без ускорения. Проверить простыми опытами, что в отсутствии действия других тел данное тело движется относительно Земли без ускорений, практически невозможно, потому что невозможно полностью устранить действия всех окружающих тел. Проверить простыми опытами, что в отсутствии действия других тел данное тело движется относительно Земли без ускорений, практически невозможно, потому что невозможно полностью устранить действия всех окружающих тел. О чем тщательнее устранены эти действия тем ближе движение данного тела к равномерному или прямолинейному.

Труднее всего устранить действие трения, возникающего между движущимся телом и подставкой, по которой оно катится или скользит, или средой (воздух, вода), в которой оно движется.

В некоторых физических приборах удается осуществить движение элементарных частиц, при котором каждая частица практически не испытывает действия никаких других частиц вещества. В этих условиях движения частиц очень близко к прямолинейному и равномерному. Тщательные опыты по изучению движения тел были впервые произведены Галилеем в конце XVI и начале XVII веков. Они позволили установить следующий закон: «Если на тело не действуют никакие другие тела, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли».

Как при покое, так и при равномерном прямолинейном движении ускорение отсутствует. Значит, закон, установленный Глилеем, означает: чтобы тело двигалось с ускорением относительно Земли, на него должны действовать другие тела. Причины ускорений – это действия других тел.

Свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на него других тел и менять ее только при действии других тел называют инерцией (от латинского – бездеятельность). Поэтому и указанный закон называют законом инерции. Закон инерции явился первым шагом в установлении основных законов механики, в то время еще совершенно неизвестных. Впоследствии великий английских математик и физик Исаак Ньютон (1643-1727), формулирую общие законы движения тел, включил в их число закон инерции в качестве первого закона движения. Поэтому закон инерции очень часто называют первым законом Ньютона.

Итак, тела получают ускорение под действием других тел. Если действия, оказываемые на разные части тела, различны, то эти части получают разные ускорения и через некоторое время приобретут различные скорости. В результате может измениться сам характер движения в целом. Например, при резком изменение скорости вагона трение об пол будет увлекать за собой ноги пассажира, но ни на туловище, ни на голову никакого действия со стороны пола оказано не будет, и эти части тела будут продолжать двигаться по инерции. Поэтому, например, при торможении вагона скорость ног уменьшается, а туловище и голова, скорость которых останется без изменений, опередят ноги: в результате тело пассажира наклонется вперед по движению. Наоборот, при резком увеличении скорости вагона туловище и голова, сохраняя о инерции прежнюю скорость, отстанут от ног, увлекаемых вагоном, и тело пассажира отклонится назад.

Подобные проявлении инерции тел широко применяются в быту, в технике. Вытряхивание пыльной тряпки, сбрасывание столбика ртути в медицинском термометре – все эти действия используют инерцию движения тел .

Инерциальные системы отсчета. Системы отсчета, для которых выполняется закон инерции, называют инерциальными системами. Опыты Галилея показали, что Земля инерциальная система отсчета. Но Землю не единственная такая система. Инерциальных систем отсчета – бесконечное множество. Например, поезд, идущий с постоянной скоростью по прямому участку пути, - тоже инерциальная система отсчета. Вообще всякая система отсчета, движущаяся относительно какой-либо инерциальной системы (например, Земли) поступательно, равномерно прямолинейно, - также инерциальная система.

Силы

Действия тел друг на друга, создающие ускорения, называют силами. Все силы можно разделить на 2 основных типа: силы, действующие при непосредственном соприкосновении, и силы, которые действуют независимо от того, соприкасаются тела или нет, т.е. силы, которые могут действовать на расстоянии.

Для того, чтобы одно тело могло действовать на другое при непосредственном соприкосновении, первое должно быть в особом состоянии: чтобы рука действовала на мяч, мышцы руки должны быть сокращены. Сжатия, растяжения, изгибы и т.д. – это изменения формы или объема тел по сравнению с их исходным состоянием. Такие изменения называют деформациями. Мышцы, пружины и т.д. должны находится в деформированном состоянии, чтобы действовать на соприкасающиеся с ними тела с некоторой силой. Эти силы в большинстве случаев действуют только до тех пор, пока тела деформированы, и исчезают вместе с исчезновением деформаций. Такие силы называют упругими. Кроме упругих сил могут возникать и силы трения.

Если на тело действует только одна сила, то она обязательно получает ускорение. Но если на тело действует не только одна, а две или большее число сил, то иногда может оказаться, что тело ускорения не получит, т.е. либо останется в покое, либо будет двигаться равномерно и прямолинейно. В таких случаях говорят, что все силы взаимно уравновешиваются и что каждая из них уравновешивает остальные, или что их равнодействующая сила равна нулю. Простейшим является случай, когда на тело действует две уравновешивающие друг друга силы: при их совместном действии тело не получает ускорения. Такие силы, действуя на тело каждая в отдельности, сообщили бы ему равные ускорения, направленные противоположно. Действуя совместно на какое-нибудь другое тело, эти силы снова взаимно уравновесились бы, а действуя в отдельности, сообщили бы ему ускорение другой величины, но также равные друг другу и направленные противоположно.