Однородная сила тяжести

F = mg , (2.9)

где m – масса тела,

g – ускорение свободного падения, g = 9.8 м/с² .

Заметим, что в отличие от силы тяжести вес Р – это сила, с которой тело действует на опору (или подвес), неподвижную относительно данного тела. Например, если тело с опорой (подвесом) неподвижны относительно Земли, то вес Р совпадает с силой тяжести. В противном случае вес Р = m(g – a), где a – ускорение тела (с опорой) относительной Земли.

Упругая сила – сила, пропорциональная смещению материальной точки из положения равновесия и направленная к положению равновесия:

F = –k r , (2.10)

где r – радиус-вектор, характеризующий смещение частицы из положения равновесия;

k – положительный коэффициент, зависящий от “упругих” свойств той или иной конкретной силы.

Примером такой силы является сила упругой деформации при растяжении (сжатии) пружины или стержня; в соответствии с законом Гука эта сила определяется как

F = k  l ,

где l – величина упругой деформации.

Сила трения скольжения, возникающая при скольжении данного тела по поверхности другого тела,

F =  N , (2.11)

где  – коэффициент трения скольжения, зависящий от природы и состояния соприкасающихся поверхностей (в частности, от их шероховатости);

N – сила нормального давления, прижимающая трущиеся поверхности друг к другу.

Сила F направлена в сторону, противоположную направлению движения данного тела относительно другого.

Сила сопротивления, действующая на тело при его поступательном движении в газе или жидкости. Эта сила зависит от скорости V тела относительно среды, причем направлена противоположно вектору V:

F =  r V, (2.12)

где r – положительный коэффициент, характерный для данного тела и данной среды. Этот коэффициент зависит, вообще говоря, от скорости V, однако при малых скоростях во многих случаях его можно практически считать постоянным.

§ 2.5. Сохраняющиеся величины. Закон сохранения импульса

Совокупность тел, выделенных для рассмотрения, называется механической системой. Тела, системы могут взаимодействовать как между собой, так и с телами, не входящими в систему. В соответствии с этим силы, действующие на тела системы, подразделяются на внутренние и внешние. Внутренними называют силы, с которыми тела системы действуют друг на друга, внешними – силы, обусловленные воздействием тел, не принадлежащих системе. Система, в которой внешние силы отсутствуют, называется замкнутой (или изолированной).

Для замкнутых систем остаются постоянными (сохраняются) три физические величины: энергия, импульс и момент импульса. Соответственно имеются три закона сохранения: закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса. Эти законы тесно связаны со свойствами времени и пространства.

Рассматриваемые в механике законы сохранения энергии, импульса и момента импульса оказываются точными законами и имеют всеобщий характер – они применимы не только к механическим явлениям, но и вообще ко всем явлениям природы, в частности они соблюдаются в релятивистской области и в мире элементарных частиц.

Законы сохранения не зависят от природы и характера действующих сил. Поэтому с их помощью можно делать ряд важных заключений о поведении механических систем даже в тех случаях, когда силы остаются неизвестными.

Рассмотрим систему, состоящую из N частиц (материальных точек). Обозначим через F_ik силу, с которой k-я частица действует на i-ю (первый индекс указывает номер частицы, на которую действует сила, второй индекс – номер частицы, воздействием которой обусловлена эта сила). Символом F_i обозначим результирующую всех внешних сил, действующих на i-ю частицу. Напишем уравнения движения всех N частиц:

( p_i  импульс i-й частицы).

Сложим вместе эти уравнения. Слева получится производная по времени от суммарного импульса системы:

.

Справа отличной от нуля будет только сумма внешних сил . Действительно, сумму внутренних сил можно представить в виде

(F₁₂ + F₂₁) + (F₁₃ + F₃₁) + … + (F_ik + F_ki) + …+ (F_N-1,N + F_N,N-1) .

Согласно третьему закону Ньютона каждая из скобок равна нулю. Следовательно, сумма внутренних сил, действующих на тела системы, всегда равна нулю:

. (2.15)

С учетом этого получим, что

. (2.16)

Таким образом, производная по времени от суммарного импульса системы равна сумме внешних сил, действующих на тела системы. Если система замкнута, внешние силы отсутствуют и правая часть уравнения (2.16) равна нулю. Соответственно dp/dt = 0 и, следовательно, р = const. Итак, мы пришли к выводу, что суммарный импульс замкнутой системы материальных точек остается постоянным. Это утверждение составляет содержание закона сохранения импульса. В основе закона сохранения импульса лежит однородность пространства, т.е. одинаковость свойств пространства во всех точках. Параллельный перенос замкнутой системы из одного места в другое без изменения взаимного расположения и скоростей частиц не изменяет механических свойств системы. Поведение системы на новом месте будет таким же, каким оно было бы на прежнем месте.

Заметим, что согласно формуле (2.16) импульс остается постоянным и у незамкнутой системы в том случае, если сумма всех внешних сил равна нулю.