Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Desktop_1 / Лекции 1 симестр / механика1.doc
Скачиваний:
65
Добавлен:
29.03.2015
Размер:
128 Кб
Скачать

Лекция №1 механика Вводная лекция

(физика как наука, механика как часть физики)

Физика наряду с другими науками изучает объективные свойства окружающего нас мира. По гречески φύσυξ означает природа. В глубокой древности под физикой понимали естествознание в самом широком смысле. Лишь позднее, когда сведения о окружающем нас мире расширились отдельные части физики выделились в самостоятельные науки (геология, зоология, ботаника, химия, астрономия и т.д.)

Физика изучает наиболее общие формы и свойства движения материи (механические, тепловые, электромагнитные и т.д.).

Под материей мы будем понимать все то, что существует независимо от человеческого сознания и что понимается в чувственном опыте.

Под движением в широком смысле понимают изменение вообще, любые изменения реальности, любой протекающий в природе или человеческом обществе процесс.

Изучаемые физикой формы движения материи (механические, тепловые, электромагнитные и т.д.) сводятся к физическим законам, которые проявляются во всех более сложных движениях материи (химических, биологических, и т.д.). Так, например законам сохранения энергии, импульса, всемирного тяготения подчиняются в известной части Вселенной любые объекты и процессы в живой и не живой природе.

Таким образом, ФИЗИКА есть наука о строении материи, о простейших и наиболее общих формах ее движения, о взаимных превращениях форм движения и видов материи.

Из определения физики следует, что в ней сосредотачивается учение о наиболее общих свойствах и явлениях внешнего мира. Предельная общность законов сближает физику с философией. Иногда утверждения и выводы из физических теорий таковы, что буквально определяют развитие философии.

Физика изучает материю. В настоящее время известны два вида материи (вещество и поле). Граница между этими понятиями весьма условна. Оба вида материи могут превращаться одно в другое. Так при аннигиляции электрона и позитрона они превращаются в электромагнитное излучение. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются способом ее существования, формой ее бытия.

Основным методом исследования в физике является опыт. На основе обобщения опытных фактов создаются физические теории, формулируются физические законы, которые в рафинированном наиболее сжатом виде выражают объективные закономерности, существующие в природе. Законы, как правило, формулируются в виде количественных соотношений между различными физическими величинами. Для описания физических законов и процессов в физике используется математический аппарат. Математика это язык, на котором говорит физика. Поэтом велико взаимное влияние этих двух наук. Хорошо известно, что многие математики занимались проблемами физики и наоборот. Так, например Исаак Ньютон разработал и ввел в математику дифференциальное исчисление.

Физика условно делится на классическую и современную физику. Основой классической физики является классическая механика и молекулярная физика.

Механика - раздел физики, в котором изучается простейшая форма движения материи - механическое движение, т. е. перемещение одних тел или частей тела относительно других. Эти движения возникают в результате действия на данное тело или данную часть тела сил со стороны других тел или других частей тела. Задача механики состоит в экспериментальном исследовании различных движений и обобщении экспериментальных данных в виде законов, которые далее позволяют решить конкретные задачи описания тех или иных движений. Для этого необходимо знать не только свойства рассматриваемых тел, но и характер тex сил, которые действуют в каждом конкретном случае. Происхождение сил, вызывающих механические движения, выходит за рамки механики, и природа сил изучается в других разделах физики - в теории гравитации, электродинамике, молекулярной физике и т.д. Изучение механических движений, независимо от причин их вызывающих, должно рассматриваться как задача механики. Наметить границы механики как раздела физики на основании каких-либо признаков, касающихся природы сил, невозможно, так как любое такое разделение всегда оказалось бы более или менее произвольным

Классическая механика в свою очередь подразделяется на кинематику изучающую движения тел или частей тел относительно друг друга без учета причин вызвавшие эти движения и динамику изучающую законы движения тел с учетом их взаимодействия. Как раздел динамики, в виде частного случая, можно рассматривать статику, изучающую условия, при которых тела остаются в покое.

Механика как наука, в современном понимании, возникла раньше других разделов физики. Вся современная физика развилась, в основном, на базе механики, начиная с 17 века. Принципы механики впервые были сформулированы Исааком Ньютоном (1643-1727) в его основном сочинении "Математические начала натуральной философии", первое издание которого вышло в 1687 году. Многие выдающиеся ученые, предшественники Ньютона, Архимед (287-212 до н.э.), Иоганн Кеплер (1571-1630), Галилео Галилей (1564-1642), Христиан Гюйгенс (1629-1695) и др., решили немало частных вопросов статики и отчасти динамики. Однако именно Ньютон был первым, кто сформулировал полную систему принципов механики и на их основе создал стройное здание этой науки.

Основными принципами, на которых была построена классическая механика, являлись: 1. Единое универсальное во всех системах отсчетах время, 2. пространство это абсолютное вместилище материальных тел в котором справедлива геометрия Эвклида.

Громадные достижения механики Ньютона, а также его непререкаемый научный авторитет почти на 200 лет отвлекли внимание ученых от недостатков его системы механики. Серьезное критическое отношение к механике Ньютона возникло лишь во второй половине XIX века.

После Ньютона последовало быстрое развитие механики, но до начала XX века оно шло в основном в направлении совершенствования математических методов механики и применения ее законов к все новым и новым областям знания. Совершенствование механики не затрагивало содержание основных представлений механики Ньютона. Ничего принципиально нового в физические основы механики внесено не было вплоть до XX века, когда положение существенно изменилось.

К задачам механики с равным основанием могут быть отнесены как движения тела под действием упругих сил, сил трения и всемирного тяготения, так и движения электрически заряженных тел под действием сил со стороны других электрически заряженных тел (неподвижных или движущихся). Однако относить к механике все задачи о движении электрически заряженных тел невозможно, потому что среди этих задач встречаются такие, которые не могут быть решены путем применения только законов механики, а требуют применения также законов, лежащих в основе других разделов физики, в частности электродинамики.

В современной механике используются весьма сложные и разнообразные математические методы и понятия. Многие современные математические теории возникли из проблем физики и лишь впоследствии приняли тот аксиоматически абстрактный вид, который так затрудняет их изучение.

Приступая к решению задач механики, необходимо, прежде всего, рассмотреть методы описания движений. В зависимости от свойств тел, которые необходимо учитывать при изучении тех или иных движений и содержания вопросов, на которые должен быть получен ответ, механика условно делится на механику материальной точки (частицы), механику твердых (недеформируемых) тел и механику упругих тел (последняя включает в себя теорию упругости и механику жидкостей и газов).

Для того чтобы стало ясно, какой физический смысл содержится в этом разделении, рассмотрим следующий конкретный пример. Тело в виде мeталлического цилиндра подвешено горизонтально на цилиндрической пружине, прикрепленной к его центру (рис. 1.1а).

Рис. 1.1a. Диск на пружинном подвесе

     Если тело оттянуть вниз и сразу отпустить (рис. 1.1.б),

Рис. 1.1b. Вертикальные колебания диска

     то период вертикальных колебаний определяется упругостью пружины и массой тела и не зависит сколько-нибудь заметно от размеров и формы цилиндра. Если повернуть диск вокруг вертикальной оси на некоторый угол, а затем отпустить его (рис. 1.1.в), то он будет совершать крутильные колебания вокруг вертикальной оси. Из опыта известно, что период крутильных колебаний цилиндра, помимо упругих свойств пружины, зависит от его размеров, формы и

Рис. 1.1c. " Крутильные колебания диска

     массы диска, но не зависит от его упругих свойств. А если нас интересует вопрос о периоде тех звуковых колебаний, которые возникнут в диске после удара по нему, то на опыте можно убедиться, что их период зависит не только от массы, размеров и формы диска, но и от его упругости. Таким образом, опыт показывает, что в разных движениях определяющую роль играют разные свойства реального объекта (диска). Для вертикальных колебаний цилиндра можно заменить диск материальной точкой (частицей), т. е. телом, не обладающим размерами, формой и внутренней структурой, но обладающим массой. Такая модель правильно отразит то единственное свойство реального объекта, которое играет определяющую роль в рассматриваемом движении. Следующая по сложности модель - твердое тело, т.е. такое тело, которое сохраняет форму при всех своих движениях. Расстояние между любыми двумя точками такого тела неизменно во времени.

Период крутильных колебаний зависит от массы диска и его размеров, но не зависит от его упругих свойств; поэтому, можно рассмотреть диск как твердое тело и правильно отразить те свойства реального диска, которые играют роль в рассматриваемом движении. Наконец, период звуковых колебаний зависит не только от размеров диска, но и от упругих свойств и плотности материала, из которого диск сделан. Поэтому только представление об упругом теле, обладающем размерами, упругостью и плотностью реального диска, позволяет правильно отразить его свойства, которые играют роль в рассматриваемом движении.

Из приведенного примера видно, что один и тот же объект в зависимости от характера изучаемого движения рассматривается то как частица, то как твердое тело, то как упругое тело, и соответственно задача, которую мы решаем, относится либо к механике точки, либо к механике твердого тела, либо к механике упругих тел.

Соседние файлы в папке Лекции 1 симестр