10

Раздел 1 . Механика

Вводные понятия

Механическое движение – простейший и в то же время самый распространенный вид движения материальных объектов микро-, макро- и мегамира. Наряду с универсальными законами, описывающими поведение любых тел (законы сохранения, принцип минимального действия и др.), существуют специфические законы для каждого масштабного уровня, являющиеся предметом изучения разных разделов науки (астрономии, квантовой механики, теории относительности и др.).

Классическая механика изучает законы движения и взаимодействия макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме. Релятивистская механика (специальная теория относительности) описывает особенности движения макроскопических тел, движущихся со скоростью, сравнимой со скоростью света. Для описания движения микроскопических тел (элементарных частиц) законы классической механики неприменимы, они заменяются законами квантовой механики. На рисунке представлены границы применимости разных разделов механики, где m - масса тела;

m₀ - масса протона;

V - скорость тела;

С - скорость света в вакууме.

классическая

механика

детерминированный характер движения

вероятностный

характер движения

квантовая

механика

СТО

релятивисткая

механика

релятивистская

квантовая

механика

10⁶

0,01

1

Механическое движение– это изменение положения тел или их частей относительно друг друга с течением времени.

Д

А

О О

В

Рис. 1.1

вижение одного и того же тела при рассмотрении его относительно разных тел может выглядеть по-разному. Например, грузы А и В связаны нитью и движутся вдоль вертикальной стойки (рис. 1), при этом груз В относительно стойки движется медленнее, чем относительно груза А. Кусочек мела, движущийся прямолинейно вдоль линейки С, на вращающемся диске Д (рис. 2) оставит след в виде кривой линии.

Таким образом,механическое движение относительно, поэтому при решении любой задачи о движении должна быть выбрана система отсчета, в которой будет рассматриваться движение.

С

С Д

Рис 1.2

истема отсчета– это совокупность тела отсчета, системы координат, связанной с этим телом, и неподвижных относительно них инструментов для измерения расстояния и времени. Во многих задачах в качестве тела отсчета выбирается Земля, а в качестве системы координат – прямоугольная декартова система.

Физика, как и любая другая наука, рассматривает не реальные тела во всем многообразии их свойств, амодели, в которых у тела оставляют ограниченное число свойств, существенных для рассматриваемого явления, пренебрегая всеми остальными. Для изучения простейших типов движения (поступательного и вращательного движений твердых тел) достаточно двух моделей:

1) материальная точка– тело, формой и размерами которого можно пренебречь по сравнению с характерными расстояниями, рассматриваемыми в задаче;

2) абсолютно твердое тело– тело, расстояние между любыми двумя точками которого не меняется во время движения (то есть тело, для которого можно пренебречь его деформацией).

Более сложные движения во многих случаях сводятся к совокупности простых. Так, движение катящегося обруча можно рассматривать как совокупность поступательного движения центра масс и вращения вокруг центра масс.

Рис.1 3

А

В

Поступательное движение– движение, при котором любая прямая, проведенная в теле, остается параллельной себе или, по-другому, когда все точки тела движутся одинаково. В зависимости от формы траектории поступательное движение может быть как прямолинейным, так и криволинейным. Например, на рис. 3 все точки стержня АВ движутся по окружностям одинаковых радиусов, имеют одинаковые скорости, а сам стержень во время движения остается параллелен себе.

В

А

Рис.1. 4

Вращательное движениевокруг неподвижной оси – движение, при котором все точки движутся по окружностям разных радиусов, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения (рис. 4).

Поскольку при поступательном движении все точки тела движутся одинаково, достаточно описать движение одной из них, то есть можно считать тело материальной точкой. Характеристики движения, используемые для описания материальной точки, принято называть линейными (линейная скорость, линейное ускорение).

Линейные характеристики разных точек вращающегося тела различны, например, линейная скорость точки А (рис. 4) меньше, чем линейная скорость точки В. Поэтому при описании вращения тела относительно неподвижной оси необходимо найти такие характеристики, которые были бы одинаковы для всех точек тела. Их называют угловыми характеристиками.