Коллоквиум по физике

1.

Материа́льная то́чка (частица) — простейшая физическая модель в механике — тело, размеры которого допустимо считать бесконечно малыми в пределах допущений исследуемой задачи.

Практически под материальной точкой понимают обладающее массой тело, размерами и формой которого можно пренебречь при решении данной задачи.

Траектория -линия, которая очерчивает материальная точка при движении в пространстве. Траектория может быть прямой и кривой, плоской и пространственной линией.

Путь s — скалярная физическая величина, определяемая длиной траектории, описанной телом за некоторый промежуток времени. Путь всегда положителен: s > 0.

Перемещением тела называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением. Перемещение есть векторная величина.

Скорость — векторная величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчёта.

Ускорение — векторная величина, показывающая, насколько изменяется вектор скорости точки (тела) при её движении за единицу времени.

2.

Основные законы динамики были открыты Исааком Ньютоном и носят его имя.

1-й закон( закон инерции): Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

2-й закон: В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

где a — ускорение материальной точки; F — сила, приложенная к материальной точке; m — масса материальной точки. Или в более известном виде:

Второй закон Ньютона действителен только для скоростей, много меньших скорости света и в инерциальных системах отсчёта. Для скоростей, приближенных к скорости света, используются законы теории относительности.

3-й закон: Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению: Закон отражает принцип парного взаимодействия. То есть все силы в природе рождаются парами.

Масса тела - физическая величина, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. В настоящее время можно считать доказанным, что гравитационная и инертная массы численно совпадают.

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.

В механике обычно имеют дело с тремя основными видами сил: силой тяжести( природа гравитационная), силой упругости и силой трения(природа электромагнитная).

3.

И́мпульс (Количество движения) — векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела. В классической механике импульс тела равен произведению массы m этого тела на его скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости:

Закон сохранения импульса: В замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

4.

Механическая работа (А)- Физическая величина, характеризующая результат действия силы и численно равная скалярному произведению вектора силы и вектора перемещения, совершенного под действием этой силы.

A=Fscosα.

Работа не совершается, если:1.Сила действует, а тело не перемещается. 2.Тело перемещается, а сила равна нулю или все силы скомпенсированы. 3. Угол между векторами силы и перемещения (мгновенной скорости) равен 900(cosα=0).

Если вектора силы и перемещения сонаправлены (α=00, cos0=1), то A=Fs

Если вектора силы и перемещения направлены противоположно (α=180, cos180 = -1), то A= -Fs (например, работа силы сопротивления, трения).

Если угол между векторами силы и перемещения 00 < α < 90, то работа положительна.

Если на тело действует несколько сил, то полная работа (работа всех сил) равна работе результирующей силы.

Единицы работы.

В международной системе единиц (СИ):

[А] = Дж = Н • м

Мощность - физическая величина, характеризующая скорость совершения работы и численно равная отношению работы к интервалу времени, за который эта работа совершена.

Мощность показывает, какая работа совершается за единицу времени.

Единицы мощности

В международной системе единиц (СИ):

Мощность равна одному ватту, если за 1 с совершается работа 1 Дж.

В физике механи́ческая эне́ргия описывает сумму потенциальной и кинетической энергии, имеющихся в компонентах механической системы. Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Закон сохранения механической энергии утверждает, что если тело или система подвергается действию только консервативных сил, то полная механическая энергия этого тела или системы остаётся постоянной. В изолированной системе, где действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется.

5.

Угловая скорость, угловое ускорение, частота и период вращения. Связь между линейной скоростью и угловой, линейным ускорением и угловым

Рассмотрим твердое тело, которое вращается вокруг неподвижной оси. Тогда отдель­ные точки этого тела будут описывать окружности разных радиусов, центры которых лежат на оси вращения. Пусть некоторая точка движется по окружности радиуса R (рис. 6). Ее положение через промежуток времени t зададим углом .

Угловой скоростью называется векторная величина, равная первой производной угла поворота тела по времени:

Вектор  направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта. Размерность угловой скорости =T^–1, а ее единица — ради­ан в секунду (рад/с).

Линейная скорость точки (см. рис. 6)

т. е.

Если ( = const, то вращение равномерное и его можно характеризовать периодом вращения T — временем, за которое точка совершает один полный оборот, т.е. поворачивается на угол 2. Так как промежутку времени t = T соответствует  = 2, то  = 2/T, откуда

Число полных оборотов, совершаемых телом при равномерном его движении по окружности, в единицу времени называется частотой вращения:

откуда

Угловым ускорением называется векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени:

Тангенциальная составляющая ускорения

Нормальная составляющая ускорения

Таким образом, связь между линейными (длина пути s, пройденного точкой по дуге окружности радиуса R, линейная скорость v, тангенциальное ускорение , нормальное ускорение ) и угловыми величинами (угол поворота , угловая скорость , угловое ускорение ) выражается следующими формулами:

В случае равнопеременного движения точки по окружности (=const)

      

где  ₀ — начальная угловая скорость.

6.

	Момент инерции

Момент инерции тела относительно оси вращения  зависит от массы тела и от распределения этой массы. Чем больше масса тела и  чем дальше она отстоит от воображаемой оси, тем большим моментом инерции обладает тело. Момент инерции элементарной (точечной) массы mi, отстоящей от оси на расстоянии ri, равен:

Момент инерции всего тела относительно оси равен

или, для непрерывно распределенной массы:

Момент инерции всего тела сложной конфигурации обычно определяют экспериментально.

Момент инерции некоторых однородных твердых приведены в таблице 1

		Таблица 1
Момент инерции некоторых симметричных однородных тел
Твердое тело	Ось вращения	Момент инерции I, кг м2
Тонкий стержень длины l	Перпендикулярна стержню, проходит через центр масс	ml2/12
Тонкий стержень длины l	Перпендикулярна стержню, проходит через край	ml2/3
Сплошной цилиндр радиуса R	Совпадает с осью цилиндра	mR2/2
Полый цилиндр радиуса R	Совпадает с осью цилиндра	mR2
Шар радиуса R	Проходит через центр шара	2mR2/5
Полый шар радиуса R	Проходит через центр шара	2mR2/3
Тонкий диск радиуса R	Совпадает с диаметром диска	mR2/4
Тонкая прямоугольная пластина со сторонами а и b	Проходит через центр пластины перпендикулярно пластине	m (a2+b2)/12

Вычисление моментов инерции во многих случаях можно упростить, используя соображения симметрии и теорему Штейнера. Согласно теореме Штейнера момент инерции тела относительно какой-либо оси IA равен моменту инерции тела равен инерции тела относительно параллельной оси, проходящей через центр масс IC, сложенному с величиной ma2, где a - расстояние между осями: 

IA = IC + ma2.

Понятием о моменте инерции широко пользуются при решении многих задач механики и техники. 

7.

Момент силы относительно точки О - это вектор, модуль которого равен произведению модуля силы на плечо - кратчайшее расстояние от точки О до линии действия силы. Направление вектора момента силы перпендикулярно плоскости, проходящей через точку и линию действия силы, так, что глядя по направлению вектора момента, вращение, совершаемое силой вокруг точки О, происходит по часовой стрелке.

M — момент силы (Ньютон • метр),F — Приложенная сила (Ньютон),

r — расстояние от центра вращения до места приложения силы (метр),

l — длина перпендикуляра, опущенного из центра вращения на линию действия силы (метр),

α — угол, между вектором силы F и вектором положения r, то

M= F•l= F•r•sin(α) или в виде векторного произведения M=→F •→r

Моментом силы относительно оси называется момент проекции силы на плоскость, перпендикулярную оси, относительно точки пересечения оси с этой плоскостью. Момент силы относительно оси характеризует способность силы вращать тело относительно данной оси.

8.

Основной закон динамики вращательного движения твердого тела формулируется так: “Момент силы, действующий на вращающееся тело, равен произведению момента инерции тела на угловое ускорение”.

Основной закон динамики вращательного движения имеет вид ,

где момент внешних сил приложенных к телу, относительно оси вращения, I момент инерции тела относительно оси вращения, -угловая скорость вращения.

9.

Работа при вращении твёрдого тела. При вращении тела внутренние силы работы не совершают. Работа же внешних сил определяется формулой dA=Nw dj . Знак работы зависит от знака Nw , то есть от знака проекции вектора N на направление вектора w . Кинетическая энергия вращающегося тела. Кинетическая энергия тела, вращающегося относительно неподвижной оси равняется T=1/2Iw ², где I - момент инерции относительно оси вращени.

10.

Момент импульса

При сравнении законов поступательного и вращательного движений видна аналогия между ними. Во вращательном движении аналогом силы становится ее момент, аналог массы - момент инерции. Какая же величина будет аналогом импульса тела? Это момент импульса тела относительно оси. Моментом импульса (количества движения) материальной точки А относительно неподвижной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением: где r - радиус-вектор, проведенный из точки О в точку A, p=mv - импульс материальной точки (рис. 1); L - псевдовектор, направление которого совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от r к р.

Рис.1

Модуль вектора момента импульса где α - угол между векторами r и р, l - плечо вектора р относительно точки О. Моментом импульса относительно неподвижной оси z называется скалярная величина L_z, равная проекции на эту ось вектора момента импульса, определенного относительно произвольной точки О данной оси. Момент импульса L_z не зависит от положения точки О на оси z. При вращении абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси z каждая точка тела движется по окружности постоянного радиуса r_i со скоростью v_i . Скорость v_i и импульс m_iv_i перпендикулярны этому радиусу, т. е. радиус является плечом вектора m_iv_i . Значит, мы можем записать, что момент импульса отдельной частицы равен (1) и направлен по оси в сторону, определяемую правилом правого винта. Монет импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц: Используя формулу v_i = ωr_i, получим т. е. 2) Таким образом, момент импульса твердого тела относительно оси равен моменту инерции тела относительно той же оси, умноженному на угловую скорость. Продифференцируем уравнение (2) по времени: т. е. Эта формула - еще одна форма уравнения динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси: производная момента импульса твердого тела относительно оси равна моменту сил относительно той же оси

11.

Закон сохранения момента импульса : момент импульса замкнутой системы тел относительно любой неподвижной точки не изменяется с течением времени.

Это один из фундаментальных законов природы.

Самый расхожий пример закона сохранения момента импульса — фигуристка, выполняющая фигуру вращения с ускорением. Спортсменка входит во вращение достаточно медленно, широко раскинув руки и ноги, а затем, по мере того, как она собирает массу своего тела всё ближе к оси вращения, прижимая конечности всё ближе к туловищу, скорость вращения многократно возрастает вследствие уменьшения момента инерции при сохранении момента вращения. Тут мы и убеждаемся наглядно, что чем меньше момент инерции I, тем выше угловая скорость ω и, как следствие, короче период вращения, обратно пропорциональный ей.

12. Аналогия между вращательным и поступательным движениями

 Между движением твердого тела вокруг неподвижной оси и движением отдельной материальной точки (или поступательным движением тела) существует тесная и далеко идущая аналогия. Каждой линейной величине из кинематики точки соответствует подобная величина из кинематики вращения твердого тела. Координате s соответствует угол φ , линейной скорости v - угловая скорость w ,   линейному (касательному) ускорению а - угловое ускорение ε . Сравнительные параметры движения:  

Поступательное движение			Вращательное движение
Перемещение	S	Угловое перемещение		φ
Линейная скорость		Угловая скорость
Ускорение		Угловое ускорение
Масса	m	Момент инерции		I
Импульс		Момент импульса
Сила	F	Момент силы		M

Таблицу можно продолжать и далее.

Работа: 

 Кинетическая энергия