5. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея, преобразования Галилея. Закон сложения скоростей.

Первый закон Ньютона называют законом инерции. Любое тело (м. т.) находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела.

Такие тела называют свободными, а движение – свободным движением или движением по инерции. Первый закон Ньютона связан с понятием инерциальной системы отсчета.

Существуют инерциальные системы отсчёта, в которых все свободные тела движутся равномерно и прямолинейно или покоятся. В инерциальных системах отсчёта одновременно выполняются 1-й, 2-й и 3-й законы Ньютона .

Преобразова́ния Галиле́я — в классической механике (механике Ньютона) преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой.

При́нцип относи́тельности — никакими механическими опытами, производимыми внутри инерциальной системы отсчёта, нельзя установить, находится она в покое или движется равномерно и прямолинейно.

Закон сложения скоростей: - определяет связь между значениями скорости материальной точки по отношению к разл. системам отсчёта, движущимся друг относительно друга. В нерелятивистской физике, когда рассматриваются скорости, малые по сравнению со скоростью света с, справедлив закон сложения скоростей Галилея:  где u и u' - скорости частицы в двух инерциалъных системах отсчёта К т К' соответственно (система К' движется относительно К со скоростью v). Если скорости движения близки к е, то формула неприменима и справедлив закон сложения скоростей, частной (специальной) относительности теории:

 

u’ - проекции скорости частицы в системе отсчёта К(К') на направления параллельное и перпендикулярное к v.

В пределе и формулы (2) переходят в (1). В случае, когда скорости и и v параллельны, (2) переписывается в виде 

Из ф-лы (3), в частности, следует, что если и = с, то и и' = с независимо от в, т. е. абс. величина скорости света не зависит от движения системы отсчёта. Тот же вывод справедлив, разумеется, и при произвольном направлении скоростей, когда надо пользоваться ф-лой (2).

В случае неравномерных относит. движений двух систем отсчёта, а также при наличии тяготения (т. е. в случае общей теории относительности) все приведённые соотношения справедливы в локально сопутствующих инерциальных системах отсчёта , т. е. в таких бесконечно малых системах отсчёта, которые в данный момент и в данном месте неподвижны относительно рассматриваемых систем К к К 'соответственно и в которых в этот момент нет сил ускорения и нет вращения и деформаций, т. е. они локально инерциальны.

6. Взаимодействие тел, сила, масса. Второй закон Ньютона. Виды силовых взаимодействий. Силы упругости, трения, тяготения.

Взаимодействие тел - воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

Сила – мера интенсивности взаимодействия тел, в результате которого они получают ускорение или деформируются.  Если на тело одновременно действует n сил, приложенных в одной точке А тела, то их можно заменить одной эквивалентной силой F, равно их геометрической сумме

и приложенной в той же точке. Эта сила   называется результирующей или равнодействующей силой. Действие силы на абсолютно твердое тело не изменяется при переносе точки ее приложения вдоль линии действия.

Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение материальной точки по направлению совпадает с равнодействующей всех сил, приложенных к телу, а по модулю прямо пропорционально модулю силы и обратно пропорционально массе материальной точки. Или, что эквивалентно, скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе.

где   — ускорение тела,   — сила, приложенная к телу, а   — масса материальной точки.

Или, в ином виде:

Коэффициент пропорциональности m зависит от предмета. Его величина растет с увеличением размеров тел, если они однородны. Постоянная m называется массой тела. Масса является мерой инертности тела в поступательном движении. Чем меньше инертность тела, тем большее ускорение оно должно приобретать под действием какой-либо определенной силы. Таким образом, второй закон Ньютона можно сформулировать в следующем виде: ускорение тела прямо пропорционально вызывающей его силе, совпадает с ней по направлению и обратно пропорционально массе тела.

Силовые взаимодействия делятся на четыре вида:

а) Гравитация (сила тяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи.

б) Сильное взаимодействие (обеспечивающие, в частности, связь частиц в атомных ядрах: ядерные силы возникают благодаря тому, что протоны и нейтроны обмениваются частицами ядерного поля — пи-мезонами) — фундаментальное короткодействующее взаимодействие между адронами и кварками.

в) Слабое взаимодействие (отвечающие за распады элементарных частиц) — фундаментальное короткодействующее взаимодействие.

г) Электромагнитные взаимодействия.

Сила упругости — это сила, которая возникает при упругих деформациях и действует только в процессе деформации. Закон Гука: сила упругости,  которая возникает при упругой деформации, прямо пропорциональна деформации тела, взятой со знаком «минус», и записывается формулой: где k  — жесткость  тела или  коэффициент упругости. Коэффициент жесткости  — это физическая  величина, которая является  характеристикой свойств упругих тел. Жесткость тела, имеющего цилиндрическую форму, определяется формулой: где S – это площадь поперечного сечения, - это начальная длина Е – модуль упругости или модуль Юнга, который является характеристикой  упругих свойств тела. Силы трения — это такие силы, которые возникнут при соприкосновении тел, действующие вдоль соприкасающихся поверхностей, препятствующие их относительному перемещению. Виды трения: 1)  cухое трение: а)  трение покоя; б)  трение скольжения; в)  трение качения; 2)  жидкое (вязкое) трение. Сухое трение — это трение, возникающее между поверхностями двух твердых тел. Трение покоя — это  трение, возникающее  при отсутствии  относительного движения соприкасающихся поверхностей.   Формула для вычисления силы трения покоя: Трение  скольжения  —  это  трение,  возникающее  в  процессе скольжения одной поверхности по другой. Трение качения — это трение, возникающее между опорой и катящимся  по ней телом. Сила трения качения — это сила, которая  необходима для равномерного прямолинейного качения тела по горизонтальной плоскости.

Закон Кулона:  модуль силы трения  качения  пропорционален коэффициенту  трения  качения,   модулю силы  реакции  опоры и обратно пропорционален радиусу катящегося тела, и записывается формулой: Момент  трения — это  физическая  величина, которую  создает пара сил, приложенных к катящемуся телу: Жидкое (вязкое)  трение — это трение, возникающее между поверхностью  твердого тела и жидкой  (газообразной)   средой,  где движется твердое тело.

Гравитационное взаимодействие  —  это  самое  слабое взаимодействие, которое  характеризуется  своей универсальностью, это взаимодействие присуще всем материальным объектам. Гравитационная масса  — это  физическая  величина, которая  характеризует способность тела участвовать в гравитационном взаимодействии; эта характеристика определяет гравитационные свойства. Закон  всемирного тяготения:  две материальные  частицы  или материальные точки притягиваются  друг к другу с силой, которая определяется отношением  их масс к квадрату расстояния  между ними   Гравитационная  постоянная  — это  коэффициент  пропорциональности, который  имеет следующее значение: Физический   смысл гравитационной  постоянной:  гравитационная постоянная представляет численное значение силы, с которой притягиваются  два тела друг к другу, с массами равными по 1 кг, расположенными на расстоянии 1 м друг от друга. Формула для гравитационного взаимодействия тела с Землей: Гравитационное поле (поле тяготения) — это поле, где осуществляется тяготение  между телами; гравитационное поле  является одной из форм материи. Сила, с которой тела притягиваются к Земле вследствие гравитационного взаимодействия, назы­вается силой тяжести. Согласно закону всемирного тяготения

  или   ,где g — ускорение свободного падения, R — рассто­яние от центра Земли до тела, М — масса Земли, т — масса тела.

Направлена сила тяжести вниз к центру Земли. В теле же она проходит через точку, которая называется центром тяжести.