8450

22

Для вывода закона сохранения импульса рассмотрим некоторые понятия.

Совокупность материальных точек и тел, рассматриваемых как единое целое, называется механической системой. Силы взаимодействия между материальными точками механической системы называются внутренними.

Силы, с которыми на материальные точки системы действуют внешние тела, называются внешними. Механическая система тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой (или изолированной). Если мы имеем

механическую систему, состоящую из многих тел, то, согласно третьему закону Ньютона, силы, действующие между этими телами, будут равны и противоположно направлены, т. е. геометрическая сумма внутренних сил равна нулю.

Рассмотрим механическую систему, состоящую из n тел, масса и скорость которых соответственно равны m1, m2, … m n, и v1, v2, … v n. Пусть F' — равнодействующая всех приложенных к данному телу внутренних сил, а F — равнодействующая приложенных к данному телу внешних сил. Запишем второй закон Ньютона для каждого из n тел механической системы:

Но так как геометрическая сумма внутренних сил механической системы по третьему закону Ньютона равна нулю, то

Таким образом, производная по времени от количества движения механической системы равна геометрической сумме внешних сил, действующих на систему.

23

Рассматривая замкнутую систему, можем записать

F1 + F2 + … + F n = 0

Таким образом,

i =1

Это выражение и является законом сохранения количества движения

(импульса) - количество движения (импульс) замкнутой механической системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Этот закон справедлив не только в рамках классической механики. Он является фундаментальным законом природы.

2.6.Уравнение движения тела переменной массы*

Движение некоторых тел сопровождается изменением их массы, например масса ракеты уменьшается за счет истечения газов, образующихся при сгорании топлива, и т. п. Если система выбрасывает часть своей массы в каком-то определенном направлении, то она получает количество движения в

противоположном направлении. В этом заключается физическая сущность принципа реактивного движения лежащего в основе ракетной техники.

Выведем уравнение движения тела переменной массы на примере движения ракеты. Если в момент времени t масса ракеты m, а ее скорость v, то по истечении времени dt ее масса становится равной m - dm, а скорость - v + dv. Изменение количества движения

dp = (m - dm)(v + dv) + (v + dv - u)dm - mv,

или

dp = mdv — udm,

где u — скорость истечения газов из ракеты.

Если на систему действуют внешние силы, то dp = Fdt, поэтому

Применим уравнение (24) к движению ракеты, на которую не действуют никакие внешние силы. Полагая F = 0 и учитывая, что скорость истечения газов из ракеты по направлению противоположна скорости ракеты, получим

m dv = −u dm

откуда

υ = −u∫ dmm = −u ln m + C

Значение постоянной интегрирования С определим из начальных условий. Если в начальный момент времени скорость ракеты равна нулю, а ее масса m0, то С = u ln m0. Следовательно,

Это соотношение называется формулой Циолковского. Онo показывает,

что:

1)чем больше полезная нагрузка, тем больше должна быть начальная масса ракеты m0;

2)чем больше скорость истечения газов, тем больше может быть полезная нагрузка при данной массе ракеты.

26

Эти силы приложены к разным точкам, действуют парами и являются силами одной природы.

∙В замкнутой механической системе выполняется фундаментальный закон природы – закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы

материальных точек (тел) с течением времени не изменяется:

n

∑ mi vi = const,

i =1

где n – число материальных точек в системе. Замкнутой (изолированной) называется механическая система, на которую не

действуют внешние силы.

∙Закон сохранения импульса является следствием однородности пространства: при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства не изменяются.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Какие системы отсчета называются инерциальными? Почему система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальна?

2.Какое свойство тела называется инертностью? Что является мерой инертности тела при его поступательном движении?

3.Что такое сила, чем она характеризуется?

4.Какие основные задачи решает ньютоновская динамика?

5.Сформулируйте законы Ньютона. Является ли первый закон Ньютона следствием второго закона?

6.В чем заключается принцип независимости действия сил?

7.Что называется механической системой? Какие системы являются замкнутыми (изолированными)?

8.Сформулируйте закон сохранения импульса. В каких системах он выполняется?

9.Каким свойством пространства обусловлена справедливость закона

сохранения импульса?

10.Выведите уравнение движения тела переменной массы. Какие практические выводы позволяет сделать формула Циолковского?

3.Работа и энергия

3.1.Энергия, работа, мощность

Энергия — универсальная количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. С различными формами движения материи связывают различные формы энергии: механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную и др.

27

В одних явлениях форма движения материи не изменяется (например, горячее тело нагревает холодное), в других— переходит в другую форму (например, в результате трения механическое движение превращается в тепловое). Однако существенно, что во всех случаях энергия, отданная (в той или иной форме) другому телу, равна энергии, полученной вторым телом.

Изменение механического движения тела вызывается силами, действующими на него со стороны других тел. Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействующими телами, в механике рассматривают работу силы, приложенной к данному телу.

Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная

сила F, составляющая некоторый угол α с направлением перемещения, то работа этой силы равна произведению проекции силы Fs на направление

перемещения, умноженной на перемещение точки приложения силы:

В общем случае сила может изменяться как по модулю, так и по направлению. Чтобы найти работу переменной силы, пройденный путь разбивают на большое число достаточно малых элементов, чтобы их можно было считать прямолинейными, а действующую силу в любой точке данного элемента — постоянной. Тогда элементарная работа (рис. 16)

28

составляющая Fsi совпадает по направлению с вектором скорости движения v. Если α > π/2, то работа силы отрицательна, в этом случае работа совершается

против данной силы. При α = π/2 (сила направлена перпендикулярно перемещению) работа силы равна нулю. Единица работы — джоуль (Дж):1 Дж

- работа, совершаемая силой в. 1 Н на пути в 1 м.

Чтобы охарактеризовать скорость совершения работы, вводят понятие мощности. Мощность N есть физическая величина, равная отношению работы

ΔА к промежутку времени t, за который она совершена:

N = A t

Если тело движется с постоянной скоростью v под действием силы F, то мощность может быть выражена формулой

т. е. равна произведению проекции силы на направление перемещения на скорость тела.

В случае переменной мощности (за малые одинаковые промежутки

Если мгновенная мощность (29) не постоянна, то формула (30) определяет среднюю мощность <N>. Единица мощности — ватт (Вт): 1 Вт — мощность, при которой за время 1 с совершается работа в 1 Дж (1 Вт = 1 Дж/с).

3.2.Кинетическая и потенциальная энергия

Кинетическая энергия тела является мерой его механического движения и определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы вызвать данное движение тела.

Если сила F действует на покоящееся тело и вызывает его движение со скоростью v, то она совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Таким образом, работа силы F на пути, который тело прошло за время возрастания скорости от 0 до v, идет на увеличение кинетической энергии тела, т. е.

dA = dT.

29

Используя скалярную запись второго закона Ньютона F = m dυ и dt

умножая обе части равенства на перемещение ds, получим

m dυ ds = Fds = dA dt

Так как υ = ds , то dt

dA = mυdυ = dT

и

υ

T = ∫ mυdυ = mυ2 / 2

0

Таким образом, для тела массой m, движущегося со скоростью v, кинетическая энергия

Из формулы (31) видно, что кинетическая энергия зависит только от массы и скорости тела, т. е. кинетическая энергия системы есть функция состояния ее движения.

При выводе формулы (31) предполагалось, что движение рассматривается в инерциальной системе отсчета, так как иначе нельзя было бы использовать закон Ньютона. В разных инерциальных системах отсчета, движущихся друг относительно друга, скорость тела, а следовательно, и его кинетическая энергия будут неодинаковы. Таким образом, кинетическая энергия зависит от выбора

системы отсчета.

Потенциальная энергия — часть общей механической энергии системы, определяемая взаимным расположением тел и характером сил взаимодействия между ними.

Пусть взаимодействие тел осуществляется посредством силовых полей (например, поля упругих сил, поля гравитационных сил), характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это

перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Такие поля называются потенциальными, а силы, действующие в них, — консервативными. Если же работа, совершаемая силой, зависит от

траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такие силы называются диссипативными; примером их являются силы трения.

Тело, находясь в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией П, которая определяется с точностью до некоторой произвольной постоянной. Это, однако, не отражается на физических законах, так как в них входит или разность потенциальных энергий в двух положениях тела, или