3. Динамика

3.1. Основные понятия. Законы динамики

Динамикой называют раздел теоретической механики, в котором изучают движение материальных объектов под действием приложенных к ним сил.

Свойство объекта оказывать сопротивление изменению состояния его движения называют инертностью. Количественную характеристику инертности материального объекта называют массой.

Материальной точкой называют точку, имеющую массу.

Такие понятия как система отсчета, движение, точка, абсолютно твердое тело, сила были рассмотрены в разделах «Кинематика» и «Статика».

Основу теоретической механики составляют законы динамики, которые называют законами Ньютона.

Первый закон Ньютона (закон инерции). Существует система отсчета, в которой свободная материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Такую систему отсчета называют инерциальной.

Второй закон Ньютона (основной закон динамики). В инерциальной системе отсчета произведение массы точки на ее ускорение равно приложенной к ней силе.

Третий закон Ньютона (закон равенства действия и противодействия). Силы, с которыми взаимодействуют две материальные точки, равны по величине, противоположны по направлению и имеют одну общую линию действия.

Четвертым законом является закон независимости действия сил. Ускорение, приобретаемое материальной точкой при действии на нее системы сил, равно геометрической сумме ускорений, сообщаемых точке каждой силой в отдельности.

3.2. Основное уравнение динамики точки.

Дифференциальные уравнения движения точки.

Две задачи динамики точки

Если на материальную точку действует система сил, то векторное равенство, математически выражающее основной закон динамики запишем в виде:

, (3.1)

где –масса точки; – ускорение точки; – геометрическая сумма сил, действующих на точку. Для несвободной точки эта сумма представляет собой геометрическую сумму активных сил и реакций связей.

Векторное равенство (3.1) называют основным уравнением динамики точки. Проецируя его на оси декартовой системы координат, получим

(3.2)

Здесь соответствуют проекциям ускорения точки, а –суммам проекций сил, действующих на точку, на оси прямоугольной декартовой системы координат.

Проекции равенства (3.1) на оси естественной системы координат (оси естественного трехгранника):

, (3.3)

где – касательное и нормальное ускорения точки, соответственно. Проекция ускорения точки на бинормаль 0.

Математические выражения (3.2) и (3.3) являются дифференциальными уравнениями движения точки в координатной и естественной формах. Они позволяют решить две основные задачи динамики точки:

1-ю задачу – при известной массе точки и законе ее движения определить силы, действующие на точку;

2-ю задачу – при известных силах, действующих на материальную точку, определить закон движения этой точки.

Следует отметить, что 1-ю задачу динамики решают в основном посредством дифференцирования уравнений движения точки. При решении 2-й задачи динамики необходимо выполнить интегрирование систем дифференциальных уравнений (3.2) или (3.3) с последующим вычислением постоянных интегрирования, которые определяют из начальных условий. Начальные условия – это скорость (проекции скорости) и положение (координаты) точки в фиксированный момент времени, в основном в момент времени, равный нулю:

Рассмотрим движение свободной материальной точки в однородном поле тяжести.

Пример. Снаряд вылетает из орудия, находящегося на высоте Н под углом  к горизонту, с начальной скоростью v₀ (рис. 3.1).

Составить уравнения движения снаряда и определить его траекторию, пренебрегая сопротивлением воздуха.

Решение

Выберем систему координат и изобразим точку М в произвольном положении. На точку действует только постоянная сила тяжести G. Запишем дифференциальные уравнения движения точки:

В данном случае .Начальные условия в момент времени :

.

Сократив на величину массы m, которая отлична от нуля, получим

Проинтегрируем дважды дифференциальные уравнения движения точки:

; ;

; ; ;

;

; ; .

После вычисления постоянных интегрирования , которые определены из начальных условий приt = 0, , С₂ = х₀ = 0, ,С₄ = y₀ = H, окончательно запишем уравнения движения снаряда:

; .

Исключая время получим уравнение траектории движения точки в декартовой системе координат

.

Соответствующая этому уравнению траектория представляет собой параболу.