Физика механика лекции и вопросы / OF1_3_Dinamika_materialnoy_tochki_mini_1

1.3. Динамика материальнойльной точки

1.3.1.Инерциальные системы отсчёта

1.3.2.Принцип инерции, принципы относительности

1.3.3.Первый закон Ньютона

1.3.4.Сила

1.3.5.Основные силы в физике

1.3.6.Второй закон Ньютона

1.3.7.Масса

1.3.8.Импульс

1.3.9.Третий закон Ньютона

1.3.10.Закон сохранения импульса

1.3.1. Инерциальные системытемы отсчёта

Кромешной тьмой был мир окутан,

И в тайны естества наш взор не проникал,

Но Бог сказал: «Да будет Ньютон!»

И свет над миром воссиял.

А. Поуп

Инерциальные системы отсчёта

(Inertial frames of reference)

Динамика – раздел механики, изучающий движение тел совместно с причинами, вызывающими это движение.

Взаимодействием тел принято называть взаимное влияние тел на движение каждого из них.

Инерциальная система отсчёта (ИСО) – система, в которой все тела находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если сумма взаимодействий равна нулю. В этом случае всякое механическое движение описывается наиболее простым способом.

Понятие «инерциальная система отсчёта» является научной абстракцией. Реальная система отсчёта всегда связывается с каким-нибудь конкретным телом, по отношению к которому и изучается движение различных объектов.

Инерциальные системы отсчёта

(Inertial frames of reference)

Опытным путём установлено, что система отсчёта, центр которой совмещён с Солнцем, а оси направлены на соответствующим образом выбранные звёзды, является с очень высокой степенью точности инерциальной. Она называется гелиоцентрической системой отсчёта (или системой Коперника). Эту систему использовал Ньютон при открытии закона всемирного тяготения.

Такая ИСО используется главным образом в задачах небесной механики и космонавтики.

Вповседневной практике за тело отсчёта чаще всего принимают Землю, считая геоцентрическую систему, связанную с Землёй, инерциальной. Однако хорошо известно, что Земля вращается вокруг своей оси, т. е. движется с ускорением и, строго говоря, система отсчёта, связанная с Землёй, не является инерциальной. Но вращение Земли в большинстве случаев не оказывает заметного влияния на движение окружающих нас тел.

1.3.2. Принцип инерциии,, принципы относительностисти

Производя различные опыты, чтобы выяснить, как скатываются шарики по наклонной плоскости, как качаются маятники и т.д., Галилей открыл движение по инерции: «Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то… движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца». В самом деле, «при движении по наклонной плоскости вниз наблюдается ускорение, а при движении вверх – замедление. Отсюда следует, что движение по горизонтали является неизменным, ибо… оно ничем не ослабляется, не замедляется и не ускоряется».

Принцип (закон) инерции Галилея

(1632 г.):

Если на предмет ничто не действует, и он движется с определённой скоростью по прямой линии, то он будет двигаться с той же самой скоростью и по той же самой прямой линии вечно.

Таким образом, тело может двигаться и в отсутствие какого-либо внешнего воздействия. Подобное движение называется

свободным движением или движением по инерции.

Согласно Галилею внешним воздействием определяется не скорость тела (как считал Аристотель), а её изменение. «Степень скорости, обнаруживаемая телом, ненарушимо лежит в самой его природе, в то время как причины ускорения или замедления являются внешними», – подчёркивал Галилей.

Инерция

(Inertia)

Явление сохранения телом скорости движения при отсутствии или равенстве нулю равнодействующей внешних воздействий на него со стороны других тел называют инерцией.

Свойство материальных тел, проявляющееся в том, что тело сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя по отношению к инерциальной системе отсчёта, когда внешние воздействия на тело (силы) отсутствуют или взаимно уравновешиваются, называют

инертностью.

Одним из основных законов динамики материальных тел является закон инерции, согласно которому тело при взаимном уравновешивании всех внешних воздействий (или при отсутствии внешних воздействий) сохраняет неизменным состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно ИСО, пока приложенные воздействия не заставляют его изменить это состояние.

Принцип относительности и преобразования Галилея

(Relativity principle and Galilean transformations)

В 1636 г. Галилей сформулировал принцип относительности:

Во всех ИСО законы механики описываются одними и теми же уравнениями.

Фактически отсюда вытекает требование независимости законов классической (нерелятивистской) механики от выбора ИСО, понимаемое как инвариантность уравнений механики относительно преобразований Галилея, т. е. преобразований координат r и времени t движущейся материальной точки при переходе от одной ИСО к другой:

r → r′ = r + vt t →t′ = t

где v – относительная (постоянная) скорость двух ИСО, движущихся поступательно и прямолинейно; штрихованные и нештрихованные величины относятся к разным ИСО.

Принцип относительности Галилея

(Galilean principle of relativity)

Галилей использовал наглядный и образный метод изложения. Он писал: «Уединитесь с кем-нибудь из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля… Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; … все падающие капли попадут в подставленный сосуд и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придётся бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же… Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью, и тогда (если только движение корабля будет равномерным и без качки в ту или другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них вы не сможете установить, движется корабль или стоит на месте неподвижно».

Суть принципа относительности Галилея

•Движение относительно: по отношению к наблюдателю «в помещении под палубой» и к тому, кто смотрит с берега, движение выглядит по-разному;

•физические законы, управляющие движением тел в этом помещении, не зависят от того, как движется корабль (если только это движение равномерно). Иначе говоря, никакие опыты в «закрытой кабине» не позволяют определить, покоится кабина или движется равномерно и прямолинейно.