Лекція 2. Основи динаміки матеріальної точки та абсолютно твердого тіла Перший закон Ньютона.

Кінематика вивчає рух тіл не торкаючись причин виникнення і зміни цього руху. В динаміці вивчається рух тіла¹, а також причини зміни цього руху, які є наслідком дії на дане тіло інших тіл. В основі динаміки лежать три закони Ньютона. Перший закон Ньютона називається законом інерції. В свій час Галілей показав, що для підтримки рівномірного і прямолінійного руху не потрібна ніяка дія зі сторони інших тіл. Наприклад, тіло, що котиться по горизонтальній поверхні зупиниться тому, що на нього чинить дію сама ця поверхня (діє сила тертя). Якби цієї дії не було, то тіло котилося б нескінченно довго. Ньютон, узагальнивши всі експериментальні факти, сформував свій перший закон:

Будь-яке тіло зберігає свій стан спокою або прямолінійного і рівномірного руху, доки дія на нього зі сторони інших тіл не змусить його змінити цей стан.

Система відліку, в якій виконується перший закон Ньютона називається інерціальною. Якщо в системі відліку перший закон Ньютона не виконується, то, відповідно, вона називаєтьсянеінерціальною. По суті, перший закон Ньютона стверджує, що в природі існують інерціальні системи відліку. Найбільш наближається до інерціальної системи відліку система, в якій тіло відліку є Сонце, а осі координат напрямлені на віддалені зорі (геліоцентрична система відліку).

Якщо ж системі відліку пов’язати із Землею, то вона, строго кажучи, не буде інерціальною, оскільки Земля рухається навколо Сонця і навколо своєї осі, а отже рухається із прискоренням. В зв’язку з цим вище сказану систему відліку не можна вважати інерціальною. Однак, в багатьох випадках цими рухами можна нехтувати і таку систему відліку вважають інерціальною.

Сила. Маса. Другий закон Ньютона.

До Галілея вважали, що рух тіл зумовлений дією на них інших тіл з певною силою. Галілей, на основі експериментів показав, що не швидкість, а зміна швидкості тіла має певну причину і саме з цим він пов’язав поняття сили. З досліду відомо, що тіла змінюють свою швидкість в тому випадку, коли на них діють інші тіла. Крім того дія одного тіла на інше може спричинити деформацію останнього. Величина, що характеризує ці явища, є силою. Отже, сила – це фізична величина, що характеризується дією одного тіла на інше, внаслідок чого останнє може змінювати свою швидкість або деформуватись. Сила є векторною величиною, тобто це векторна кількісна характеристика взаємодії тіл.

Якщо на дану матеріальні точку діє кілька тіл, то як показують експерименти, їхня дія є незалежною і сила зумовлена дією цих тіл, рівна геометричній або векторній сумі сил, створених кожним тілом окремо:

(1.27)

Велична сили визначається по величині деформації або прискорення, яке отримує тіло при взаємодії. На практиці найчастіше силу вимірюють за допомогою пружини, розміщуючи біля незакріпленого кінця пружини шкалу. По її розтягу можна визначити значення діючої сили.

Як показує дослід, під дією одної і тої ж сили різні тіла набувають різних прискорень, але якщо взяти окреме тіло, то відношення діючої на нього сили до прискорення тіла є величина стала. Якщо ж з двох тіл під дією одної і тої ж сили одне набуває меншого прискорення, то кажуть, що воно є більш інертним. Кількісною характеристикою інертності тіл є маса. За одиницю маси в СІ (система інтернаціональна)беруть 1 кг.

З експерименту відомо, що прискорення, якого набуває тіло, прямо пропорційне діючій на нього силі і обернено пропорційне масі цього тіла:

(1.28)

Це і є математичний запис другого закону Ньютона, який також можна записати у вигляді: .

Якщо на тіло діє не одна, а кілька сил, то другий закон Ньютона можна сформулювати так:

Рівнодійна сил, що діють на тіло, дорівнює добутку маси цього тіла на його прискорення:

(1.29)

З другого закону Ньютона випливає, що якщо виконується рівність , то. Тобто якщо на тіло не діють ніякі сили, або дія цих сил компенсується, то тіло знаходиться в стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху.

Може виникнути враження, що перший закон Ньютона є наслідком другого. Проте, перший закон Ньютона має глибоке самостійне значення тому, що він передбачає існування інерціальної системи відліку, в якій виконується другий закон Ньютона. З цього випливає фундаментальна властивість тіл – інертність.