3.2 Физическая природа сил

В механике рассматриваются силы трения, упругости, тяготения.

При движении тела по горизонтальной поверхности другого тела, при отсутствии действия на него других сил со временем остановится. Это обусловлено силой трения. Она зависит от относительных скоростей тел. Силы трения могут быть разной природы. Различают внешнее (сухое) и внутреннее (жидкое или вязкое) трение. Внешнее трение возникает в плоскости касания при перемещении двух тел. если тела неподвижны друг относительно друга, то говорят о трении покоя. В зависимости от характера относительного движения разделяют трение скольжения и качения.

Внутреннее трение возникает между частями одного и того же тела, например, между различными слоями жидкости или газа, скорости которых различны.

Гидродинамическое трение (слой смазки достаточно толстый). Внешнее трение обусловлено шероховатостью соприкасающихся поверхностей: в случае очень гладких поверхностей трение обусловлено силами межмолекулярного притяжения.

Максимальная сила трения покоя равна той наименьше, внешней силе, которая вызывает скольжение тел. вообще сила трения скольжения всегда меньше максимальной силы трения покоя. Тело лежит на плоскости (Рис.5).

N

F_тр F

Рисунок 5

Приложена горизонтальная сила F. Тело придет в движение тогда, когда сила F›F_тр. Французский физики Г. Амонтон (1663-1705) и Ш. Кулон (1736-1806) опытным путем установили закон: «Сила трения скольжения F_тр пропорциональна силе N нормального давления, с которой одно тело действует на другое». (6),

где k – коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей, т.е. от рода вещества и качества обработки поверхностей.

Трение играет большую роль в природе и технике. Польза и вред трения (смазка и др.). Уменьшение трения: замена скольжения качением (подшипники, колеса, катки). Коэффициент трения качения в десятки раз меньше коэффициента трения скольжения.

Сила трения качения выражается следующей формулой

(7)

где N – сила нормального давления, R – радиус катящегося тела; η – коэффициент трения качения (имеет размерность длины). Сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела (плохие дороги – лучше колеса с большим радиусом и др.).

Природа сил различна:

Сила упругости (∆х – деформация, k – коэффициент пропорциональности) (Е – модуль-Юнга, х – длина, S – поперечное сечение).

Сила трения (k – коэффициент трения, N – сила нормального давления).

Сила тяготения (F=mg); G= 6,67•10^-11 Нм²/кг²; g= 9,81 м/с².

Силы при криволинейном движении (центростремительные) .

Электростатические силы .

Сила взаимодействия электрических токов и другие.

3.3 Масса и импульс

Масса тела – физическая величина, являющаяся одной из характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) свойства. Можно считать инертная и гравитационная массы равны друг другу.

Второй закон можно записать в следующем виде:

F=ma= (8),

зная, что масса материальной точки в классической механике есть величина постоянная, тогда ее можно внести под знак производной:

(9),

где обозначив через (10) –

векторная величина численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость называется импульсом (количество движения). Направлен вектор импульса как и вектор импульса как и вектор скорости.

Подставим (9) в (8), получим (11) – общая формулировка 2-го закона Ньютона «Скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе». Это уравнение движения материальной точки. Обозначим скорость материальной точки в начале промежутка времени ∆t через , в конце , имеем ∆V=V₂-V₁. Согласно (8), запишем (12),

где вектор , совпадает по направлению с силой и численно равный произведению вектора силы на ∆t в течение которого действовала сила называется импульсом силы.

Вектор равный произведению массы на вектор скорости движения называется вектором импульса материальной точки (тела). Разность - это приращение вектора импульса за время ∆t. - постоянная сила.

Выражение (12) – закон изменения импульса.«Импульс постоянной силы, действующей на тело, равен изменению импульса тела».

Инерциальной системой отсчета является такая система отсчета, относительно которой материальная точка (тело) движется либо равномерно и прямолинейно либо находится в покое. (нет внешних воздействий).

Инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в центре Солнца, а оси направлены на определенные звезды (Гелиос – Солнце). Система отсчета, связанная с Землей, неинерциальна, движение ее по орбите с ускорением. Изменение состояния движения материальных тел т.е. ускорения, вызываются силами. Под действием одной и той же силы – разные тела приобретают неодинаковые ускорения, те. Различна инерция этих тел. Ускорение зависит не только от величины воздействия, но и от его массы.