Система законов динамики
Инерция: способность тела сохранять состояние движения и сопротивляться его изменению.
I закон Ньютона: Если на тело не действуют силы или их действия скомпенсированы, то тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.
Сила – это мера интенсивности и направленности взаимодействия двух точечных тел.
Свойства силы:
-
Векторная величина, т.е. результат её воздействия на тело зависит не только от величины, но и от направления.
-
Две силы равны, если они оказывают одинаковое воздействие на тело.
-
Две силы равны по величине и противоположны по направлению, если их одновременное воздействие не изменяет состояния движения тела.
Равнодействующая сила – сила, которая оказывает такое же действие как несколько отдельно взятых сил.
Принцип суперпозиции:
-
Два тела из системы тел взаимодействуют друг с другом с силами, не зависящими от присутствия других тел.
-
Силы складывают как векторные величины.
Силы трения
Жидкое трение – трение
между твёрдым телом и жидкостью или
твёрдым телом и газом.
.
При больших скоростях более точно
уравнение
.
Сухое трение – это трение, возникающее между поверхностями двух соприкасающихся твёрдых тел.
|
С |
|
|
Трение покоя |
Трение скольжения |
|
происходит при отсутствии относительного перемещения соприкасающихся тел. Трение покоя – это сила, препятствующая возникновению относительного движения двух соприкасающихся тел при попытке сдвинуть одно тело относительно другого. |
происходит при относительно движении соприкасающихся тел. Трение скольжение – это сила, возникающая при относительном движении соприкасающихся тел и препятствующая этому движению. |
Закон Амонтона-Кулона:
,
,
где
- коэффициент трения покоя тела, k
– коэффициент трения скольжения тела,
N – сила реакции опоры.
Сила упругости
Деформация – перемещение частей тела под воздействием силы. Упругие деформации – это такие деформации, которые исчезают после прекращения действия внешних сил.
Сила упругости – сила, возникающая при деформации твёрдого тела и направленная против сил, вызвавших деформацию. Сила упругости существует пока внешние силы вызывают деформацию.
Напряжение – количественная
мера деформации.
.
Абсолютное удлинение:
разность между конечной и начальной
длиной тела:
.
О
тносительное
удлинение: отношение абсолютного
удлинение к длине тела в недеформированном
состоянии:
.
Модуль Юнга – размерный
коэффициент, который зависит от материала
и упругих свойств тела. Численно
при
.
Закон Гука:
.
/
Основной закон динамики
II закон Ньютона: .
Уравнение Мещерского:
,
где m – масса тела,
– сила, действующая на тело,
- скорость тела в некоторой инерциальной
системе отсчёта,
и
- скорости присоединяющихся и
отсоединяющихся частиц относительно
той же инерциальной системы отсчёта,
и
- массы присоединяющейся и отсоединяющейся
частицы
.
Уравнения движения – уравнения,
описывающие изменение состояние движения
тела во времени и в пространстве и
связывающие функциональной зависимостью
время, скорость и радиус-вектор:
.
Сила действия – активная сила, которая оказывает воздействие на систему, сила противодействия – пассивная, сопротивляющаяся силе действия.
III закон Ньютона: Два изолированных тела взаимодействуют между собой в инерциальной системе отсчёта с силами, равными по величине и противоположно направленными вдоль прямой, соединяющей эти тела.
-
III закон Ньютона формулируется, а силы определяются в одной и той же инерциальной системе отсчёта.
-
Закон отражает равноправие действующих тел, а, значит, и равноправие их действия и противодействия.
-
силы действия и противодействия приложены к разным телам, но возникают одновременно;
. -
Равенство сил не зависит от состояния движения тел.
Уравнение движения в неинерциальных
системах отсчёта:
.
Если обозначить
,
,
то уравнение движения в неинерциальной
системе отсчёта приобретёт вид
.
Динамика системы точечных тел
Описание системы
Масса системы
,
где m - масса тела.
Центр масс – математическая
точка, которая определяется радиус-вектором
следующим образом:
,
где
- радиус-вектор тела. Тогда
,
.
Импульс системы тел
.
Система отсчёта центра масс – это система, в которой полный импульс системы тел равен нулю.
Закон сохранения импульса системы
,
где
- сила, действующая на тело I
со стороны тела k,
а
- внешняя сила, действующая на тело.
Тогда
.
Таким образом,
,
где
- равнодействующая внешних сил.
Теорема о движении центра масс: Центр масс системы тел движется как тело, масса которого равна массе системы и на которое действует сила, равная сумме векторов внешних сил.
-
В случае, когда
,
центр
масс движется равномерно и прямолинейно
или покоится. -
Если
,
а
,
то
центр движется вдоль данной оси
равномерно или покоится.
Закон изменения момента импульса системы тел
Уравнение моментов для тела
Моментом импульса называется
,
моментом силы -
.
Тогда
.
Уравнение моментов для тела (основной
закон динамики вращательного движения):
.
Момент импульса и главный момент системы тел
;
.
.
Таким образом, уравнение моментов для
системы выглядит так:
.
Работа и механическая энергия
Изменение работы равно
скалярному произведению силы на
элементарное перемещение:
.
,
l
– длина траектории тела.
Для равнодействующей нескольких сил:
,
.
Мощность – это физическая
величина, которая характеризует скорость
совершения работы,
.
Энергия – это единая мера
различных форм движения. В механике
энергия разделяется на кинетическую и
потенциальную. Кинетическая энергия –
энергия движения,
.
Потенциальная энергия – энергия
взаимного расположения тел (конфигурации
системы). Существует только для
потенциальных сил.
Консервативная сила – сила, работа которой по перемещению тела зависит только от начального и конечного положения тела и не зависит от траектории.
Критерием потенциальности силы является
равенство нулю работы этой силы вдоль
любой замкнутой траектории:
.
Любая сила, поле которой однородно,
потенциальна.
Потенциальная энергия вводится следующим образом: определяют некоторое положение как нулевое и принимают потенциальную энергию на нём равным нулю. Тогда при любом другом положении потенциальная энергия равна работе, которую нужно затратить, чтобы, преодолевая консервативные силы, перевести систему из нулевого положения в данное. Ввиду того, что работа консервативных сил не зависит от вида траектории, потенциальная энергия системы зависит только от начального и конечного положения системы и не зависит от способа перехода.
Общая потенциальная энергия системы равна сумме потенциальных энергий внутренних и внешних консервативных сил. Кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий всех отдельных её частей.
Связь потенциальной энергии и силы:
,
.
Тогда
.
Оператор
называется градиентом.
Центральная сила – это сила, поле которой имеет центр, и линия действия силы всегда проходит через этот центр.
Если на тело действуют только консервативные
силы, то
.
Тогда
,
где E – полная
механическая энергия тела. При
этом кинетическая и потенциальная
энергия определяется в одних и тех же
системах отсчёта и потенциальная энергия
должна быть нормирована.
Если на тело действуют и неконсервативные
силы, то
.
,
,
.
Работа системы тел:
.
Закон изменения механической энергии:
То
есть, если в системе отсутствуют
неконсервативные (диссипативные) силы,
то полная механическая энергия системы
остаётся постоянной.


ухое
трение