Физические основы механики

ФИЗИКА-наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира, наиболее общие и фундаментальные закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория.

Опыт- совокупность знаний и навыков, являющаяся результатом деятельности. в отличие от знания, достигнутого посредствомабстрактного мышления; единство знаний и умений. Одно из основных понятийтеории познания.

Гипо́теза(отдр.-греч.«основание», «предположение») — недоказанное утверждение, предположение или догадка. Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих еёнаблюдений(примеров), и поэтому выглядит правдоподобно. Гипотезу впоследствии илидоказывают, превращая её в установленныйфакт(см.теорема,теория), или жеопровергают(например, указываяконтрпример), переводя в разрядложныхутверждений.

Недоказанная и неопровергнутая гипотеза называется открытой проблемой.

Экспериме́нт(отлат.experimentum— проба, опыт) внаучном методе— метод исследования некоторого явления в управляемых условиях. Отличается отнаблюденияактивным взаимодействием с изучаемым объектом. Существует несколько моделей эксперимента:Безупречный эксперимент,Случайный эксперимент, Мы́сленный экспериме́нт

Компьютерный (численный) эксперимент, Физический эксперимент, Критический эксперимент 

Теория— совокупностьумозаключений, отражающая объективно существующие отношения и связи между явлениямиобъективной реальности. В теории каждоеумозаключениевыводится из других умозаключений на основе некоторых правиллогическоговывода.

Роль физики в развитии техники

Физика – основа научно- технической революции (постиндустриального общества).

Основные достижения НТР (научно-технической революции) базируются в

значительной степени на квантовой физике и теории относительности:

1) Ядерный реактор (1942 г. – Ферми), 1946 г. − Курчатов − основа атомной

энергетики.

2) Транзистор (1948 г. – Бардин и Шокли) − современные средства передачи

информации − микросхемы, компьютеризация.

1971 г. – фирма «Интел» создала интегральную схему для выполнения

арифметических и логических операций − микропроцессор. Это повлекло грандиозный

прорыв микроэлектроники в вычислительную технику.

Далее Интернет и персональный компьютер.

3) Лазеры (1960 г. – Тауэнс, Басов и Прохоров) – качественно новые технологии в

обработке материалов и медицине, системы связи, «звездные войны», управляемый

«термояд».

4) Космические аппараты (Королев, Браун − 1957 г. – первый спутник, 1961 г.

запуск первого космонавта, 1969 г. высадка космонавта на Луне − Нил Армстронг, 21.07.1969 г.) – освоение космоса.

Общая структура и задачи курса физики.

Программа предназначена для подготовки инженеров по специальностям технического профиля в области машиностроения. Основными акцентами программы являются: организация учебного процесса и изучение материала в тесной связи с современными техническими применениями, развитие навыков и умений в проведении экспериментальных исследований, анализе и изложении полученной технической информации.

Цели изучения курса физики состоят в следующем:

значительно расширить на основе преемственности между средней и высшей школой объем новых конкретных знаний студентов по важнейшим разделам физики, развить навыки применения этих знаний на практике, ознакомить с методологией физической науки, привить навыки общенаучного и “физического” мышления и оказать максимальное содействие студентам в получении фундаментального образования;

приблизить курс физики к особенностям и содержанию инженерной деятельности и показать место физики в современной технике и технологии;

создать принципиально важные предпосылки для дальнейшего развития личности студентов при получении профессионального инженерно-технического образования.

Система величин, виды величин

Система физических величин— совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин

Основная физическая величина — физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы

Производная физическая величина — физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы

Размерная физическая величина — физическая величина, в размерности которой хотя бы одна из основных физических величин возведена в степень, не равную нулю

Безразмерная физическая величина — физическая величина, в размерность которой основные физические величины входят в степени, равной нулю

Аддитивная физическая величина — физическая величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга

Неаддитивная физическая величина — физическая величина, для которой суммирование, умножение на числовой коэффициент или деление друг на друга ее значений не имеет физического смысла

Физический параметр — физическая величина, рассматриваемая при измерении данной физической величины как вспомогательная, например — при измерении электрического напряжения переменного тока частоту тока рассматривают как параметр напряжения.

Величина называется

экстенсивной, если ее значение складывается из значений для подсистем (например,объём,вес);

интенсивной, если ее значение не зависит от размера системы (например,температура,давление).

СИ— международная системаединиц, современный вариантметрической системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и внаукеитехнике.

Механика– это часть физики, изучающая механическое движение материальных тел и происходящие при этом взаимодействия между ними. С понятиями, с их определениями, в физике ситуация устроена по-своему. Здесь нет сильного стремления к формальной абстрактной строгости понятий как в разделах фундаментальной математики, пока не возникает потребности в таких строгостях, пока общепринятое понимание понятий демонстрирует собственную достаточность для анализа реальных явлений. Но время от времени пересмотр общепринятых понятий возникает в процессе углубления нашего понимания устройства мира. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве.

Пространство в классической механикесчитается трехмерным (для определения положения частицы в пространстве необходимо задать три координаты), подчиняющимся геометрии Евклида (в пространстве справедлива теорема Пифагора) и абсолютным. Время одномерно, однонаправленно (меняется от прошлого к будущему) и абсолютно. Абсолютность пространства и времени означает, что их свойства не зависят от распределения и движения материи. В классической механике принимается справедливым следующее утверждение: пространство и время не связаны друг с другом и могут рассматриваться независимо друг от друга.

Релятивистская механика – раздел механики, изучающий движения тел со скоростью

близкой к скорости света в вакууме. В основе релятивистской механики лежат два постулата,

являющиеся обобщением опытных фактов

Различие релятивистской и нерелятивистской квантовой механики. Естественно, что если существует два направления квантовой механики, то значит, они должны противоречить друг другу. Через это противоречие можно просмотреть значение как нерелятивистской, так и релятивистской квантовой механики. Вот эти характеристики, различающие оба направления:

1) нерелятивистская квантовая механика более «строгая», это законченная фундаментальная физическая теория, главной особенностью которой является ее непротиворечивость. Релятивистская квантовая механика является более «мягкой», она допускает наличие противоречий в теории;

2) в нерелятивистской теории принято считать, что информация, помогающая взаимодействию, передается мгновенно. Релятивистская же квантовая механика утверждает, что взаимодействие распространяется со строго определенной скоростью (так называемой «конечной скоростью»). Следовательно, должно существовать что-то, что будет способствовать такой передаче. И этим «помощником» является физическое поле.

Квантовая механика–теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Квантовая механика описывает законы движения микрочастиц. Однако поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, постольку квантовая механика применяется для объяснения многих макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звездах.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости этих величин от времени. Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, ирелятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.

Класси́ческая меха́ника— видмеханики(разделафизики, изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, его вызывающие), основанный назаконах Ньютонаипринципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «ньютоновой механикой».

Классическая механика подразделяется на:статику(которая рассматривает равновесие тел);кинематику(которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин);динамику(которая рассматривает движение тел с учётом вызывающих его причин).

Кинематикаизучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают (т.е. движение тел без учета их масс и действующих на них сил). Методы и зависимости, устанавливаемые в кинематике, используются при расчетах передач движения в различных механизмах и машинах, а также при решении задач динамики.Динамикаизучает движение материальных тел под действием приложенных к ним сил. В основе динамики лежат законы механики Ньютона, из которых получаются все уравнения и теоремы, необходимые для решения задач динамики.Статикаизучает условия равновесия материальных тел под действием сил. Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому законы статики всегда рассматриваются в связи с законами динамики.

Материальная точка (частица)– тело, размерами и внутренней структурой которого можно пренебречь при описании его движения. При этом каждая частица характеризуется своим определенным набором параметров – масса, электрический заряд. В модели материальной точки не рассматриваются структурные внутренние характеристики частиц: момент инерции, дипольный момент, собственный момент (спин) и др. Положение частицы в пространстве характеризуется тремя числами (координатами) или радиус-вектором(рис. 1.1).

Абсолютно твердое тело

- система материальных точек, расстояния между которыми не меняются в процессе их движения;

- тело, деформациями которого можно пренебречь.

Сплошная среда — часто и успешно используемая вфизике сплошных средмодель для более-менее однородных систем с очень большим числом частиц (т. е. степеней свободы). Так, теория упругости,гидро-иаэродинамика, физикаплазмыформулируются именно для сплошной среды. Однако с точки зрения математической строгости следует помнить об одной неточности: все реальные системы обладают пусть большим, но конечным числом степеней свободы. Сплошная же среда обладает не просто бесконечным, а несчётным числом степеней свободы.

Виды сплошных сред: Твёрдое тело,Жидкость,Газ,Плазма,Сыпучее тело

Механическая система(система материальных точек) - это совокупность конечного числа материальных точек, выделенных для рассмотрения.В механике, степени свободы — это совокупность независимых координат перемещения и вращения, полностью определяющая положение системы или тела. Это фундаментальное понятие применяется в теоретической механике, теории механизмов и машин, машиностроении, авиации и теории летательных аппаратов, робототехнике и других областях.

Большинство обычных механизмов имеют одну степень свободы, то есть, имеется одно входное движение, определяющее одно выходное движение. Кроме того, большинство механизмов являются плоскими. Пространственные механизмы более сложны для расчётов.