Первый закон Ньютона (закон инерции). Инерциальные системы отсчета

ЛЕКЦИЯ 1.2.

Динамика материальной точки. Границы применимости классической механики. Как мы уже отмечали, кинематика дает описание движения тел без анализа причин, вызвавших это движение. Динамика изучает движение тел в связи с теми причинами (носящими характер взаимодействия между телами), которые обусловливают то или иной характер движения.

В основе так называемой классической или иначе ньютоновской механики лежат три закона динамики, сформулированные Ньютоном в 1687 г. Эти законы явились результатом обобщения большого количества опытных данных. Правильность законов подтверждается большим количеством подтвержденных на практике следствий из них, а также огромным количеством машин, механизмов и устройств, принцип работы которых базируется на этих законах.

Следует, однако, отметить, что имеются определенные ограничения на применение этих законов. Развитие теории относительности и ее специального раздела – релятивистской механики (механики больших скоростей), а также квантовой механики показало, что законы классической механики с достаточной для практики точностью описывают поведение объектов, если их размеры и масса значительно превосходят массы и размеры атомов, а скорость движения существенно меньше скорости света.

Первый закон Ньютона (другое название – закон инерции) формулируется следующим образом: всякое тело находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.

Закон инерции выполняется не во всякой системе отсчета. Системы отсчета, в которых этот закон выполняется, называются инерциальными. Те системы отсчета, в которых первый закон Ньютона не выполняется, называются неинерциальными. Установленный Ньютоном закон инерции сам по себе подразумевает наличие в природе инерциальных систем отсчета. С достаточной для практики точностью инерциальной можно считать систему отсчета, центр которой совмещен с Солнцем. Такая система отсчета называется гелиоцентрической. Отметим также, что всякая система отсчета, движущаяся относительно некоторой инерциальной системы отсчета прямолинейно и равномерно, также является инерциальной.

Во многих задачах инерциальной может считаться система отсчета, связанная с поверхностью Земли. В то же время начало отсчета такой системы совершает вращательное движение, обусловленное суточным вращением Земли вокруг своей оси. Поэтому, строго говоря, такую систему отсчета нельзя считать инерциальной. Ускорение рассматриваемой системы отсчета будет в общем случае зависеть от радиуса планеты и географической широты, на которой расположено начало отсчета системы. Из рис. видно, что

,

где - радиус планеты, α – географическая широта.

Линейная скорость вращения начала отсчета (т. О)

,

где Т – период обращения планеты вокруг своей оси.

Связанное с суточным вращением нормальное ускорение т. О

.

Наличие нормального ускорения приводит к тому, что, например, полное ускорение тела, свободно падающего в такой системе отсчета, будет равно

,

а груз на нити (отвес) в состоянии покоя будет ориентирован строго говоря не перпендикулярно поверхности Земли. Однако при длительности земных суток 24 ч нормальное ускорение т. О даже при ее расположении на экваторе, т.е. когда , будет составлять

м/с²,

что примерно в 288 раз меньше ускорения свободного падения. Поэтому во многих практически важных случаях наличием дополнительного центростремительного ускорения можно пренебречь, считая систему отсчета, связанную с поверхностью Земли инерциальной.

Сила. Принцип суперпозиции сил. В качестве меры механического воздействия одного тела на другое в механике вводится векторная величина, называемая силой. Механическое воздействие может осуществляться как между непосредственно контактирующими телами (например, при ударе), так и между удаленными телами. В последнем случае взаимодействие между телами осуществляется через особую форму материи – поле. Взаимодействие при этом распространяется в пространстве с конечной скоростью. Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы. Опыты показали, что механическое воздействие на тело N сил , приложенных в одной точке, равнозначно воздействию на тело одной силы F, являющейся векторной суммой этих сил:

. (1)

Выражение (1) представляет собой математическую формулировку принципа суперпозиции сил.

Замечание: следует иметь в виду, что соотношение (1) выполняется строго только применительно к материальной точке. В случае, когда силы приложены к разным точкам тела, соотношение (1) перестает быть справедливым.

Свободные и несвободные тела. Связи. Реакции связей. Принцип освобождаемости. Тело называется свободным, если на его перемещения не наложено никаких ограничений. На практике в большинстве случаев тела нельзя считать свободными, так как на их движение и возможные положения наложены те или иные ограничения. Такие ограничения в механике называют связями. При изучении поведения отдельных несвободных тел или механических систем в механике пользуются принципом освобождаемости: несвободное тело (или систему тел) можно рассматривать как свободное, если заменить действие на него тел, осуществляющих связи, соответствующими силами. Эти силы называются реакциями связей.

Масса и импульс тела. Силовое воздействие на тело со стороны других тел вызывает изменение его скорости, т.е. сообщает данному телу ускорение. Опыт показывает, что одинаковое воздействие сообщает разным телам разные по величине ускорения. Кроме того, всякое тело сопротивляется попыткам изменить состояние его движения. Из опыта известно, что оказавшись под воздействием силы, тело изменяет направление и (или) скорость своего движения постепенно, проявляя таким образом свойство инертности. В качестве количественной меры инертности тела в физику была введена величина, называемая массой тела. Масса обладает свойством аддитивности, т.е. масса тела (механической системы) равна сумме масс его отдельных частей.

Предположим, что в результате кратковременного воздействия на тело (или материальную точку) силы F тело массой m приобрело скорость v.

Определение: импульсом тела (материальной точки) называется векторная величина, определяемая соотношением

. (2)

Для импульса, как и для силы, выполняется принцип суперпозиции: если система состоит из N частей массами , двигающихся со скоростями , то результирующий импульс системы определяется выражением

. (3)

Второй закон Ньютона. Уравнение движения тела. Второй закон Ньютона гласит, что скорость изменения импульса тела равна действующей на тело силе:

. (4)

Уравнение (4) называется уравнением движения тела. Заменив в (8) импульс соотношением (2), получим

. (5)

Если предположить, что масса тела не изменяется с течением времени, то соотношение (5) приводится к виду

. (6)

Таким образом, формула (6) является частным случаем соотношения (5). Из (6) непосредственно следует, что движение тела с ускорением означает, что на тело действует сила. Справедливо и обратное утверждение.

Третий закон Ньютона. Всякое действие тел друг на друга носит характер взаимодействия. Если тело 1 действует на тело 2 с силой F ₂₁, то и тело 2 действует на первое тело с силой F ₁₂. Третий закон Ньютона утверждает, что силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению:

. (7)

Из третьего закона Ньютона следует, что силы всегда возникают попрано: всякой силе приложенной к какому-либо телу можно сопоставить равную ей по величине и противоположную по направлению силу, приложенную к другому телу, взаимодействующему с данным телом.

Закон всемирного тяготения. Все тела в природе взаимно притягивают друг друга. Закон, которому подчиняется это притяжение был установлен Ньютоном и носит название закона всемирного тяготения. Согласно этому закону сила, с которой две материальные точки притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна массам этих точек и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

. (8)

Помимо материальных точек соотношение (8) справедливо так же и для шаров. Коэффициент пропорциональности , называется гравитационной постоянной. Направление действия силы проходит по прямой, соединяющей материальные точки. В случае притяжения двух тел конечных размеров закон всемирного тяготения дает сложное выражение для силы взаимодействия тел. Посмотрим на рис. 1, на котором представлены взаимодействующие тела. Разобьем тела на N достаточно малых частей. Сила гравитационного притяжения, действующая на элемент первого тела со стороны элемента второго тела может быть представлена в виде

.

Согласно принципу суперпозиции на элемент со стороны второго тела будет действовать сила

.

Просуммировав последнее выражение по i, найдем силу взаимодействия между телами

.

Сила тяжести и вес тела. Под действием силы притяжения Земли все тела падают на ее поверхность с одинаковым ускорением g. Согласно второму закону Ньютона это означает, что в системе отсчета, связанном с Землей на все тела действует сила

, (9)

называемая силой тяжести. Пусть теперь тело покоится на горизонтальной опоре (см. рис. 2). В этом случае сила тяжести будет уравновешена силой реакции опоры N, действующей на тело со стороны опоры. Тогда по третьему закону Ньютона тело будет действовать на опору с силой G:

,

называемой весом тела. Следует иметь в виду, что, вообще говоря, вес тела может быть не равен силе тяжести (пример с лифтом).

Силы упругости. Мы уже отмечали, что часто используемое в механике понятие «абсолютно твердое тело» представляет собой математическую абстракцию. В действительности под действием приложенных к нему сил всякое тело деформируется. Различают упругую и неупругую деформации. Если после прекращения действия сил, тело восстанавливает свои размеры и форму, то такая деформация называется упругой.

Рассмотрим пружину, имеющую в недеформированном состоянии длину , и приложим к ее концам равные по величине и противоположные по направлению силы F ₁ и F ₂ (см. рис. 1). Под действием этих сил пружина растянется на величину . В состоянии равновесия внешние силы F ₁ и F ₂ будут уравновешены внутренними упругими силами, возникающими в пружине при ее деформации. Опытным путем установлено, что при небольших деформациях (в этом случае деформация упругая) удлинение пружины оказывается пропорциональным растягивающей силе :

. (1)

Коэффициент пропорциональности k называется коэффициентом жесткости пружины. Соотношение (1) носит название закона Гука.

Силы трения. Силы трения возникают при перемещении соприкасающихся поверхностей друг относительно друга. Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним. Трение между частями одного и того же сплошного тела называется внутренним (например, трение в жидкостях или газах). Различают сухое и вязкое трение. Сухое трение – это трение между поверхностями двух твердых тел при отсутствии жидкой (газообразной) прослойки между ними. В случае наличия такой прослойки, а также в случае трения друг о друга слоев жидкости или газа, или в случае трения твердого тела о жидкость, говорят о вязком тернии. В сухом трении выделяют трение скольжения и трение качения.

Силы трения всегда направлены по касательной к трущимся поверхностям, причем так, что они противодействуют относительному перемещению поверхностей (см. рис.2).

Сухое трение. В случае сухого трения сила терния возникает не только при скольжении тел относительно друг друга, но и при попытке вызвать такое скольжение. В последнем случае говорят о том, что между телами действует сила трения покоя. Рассмотрим еще раз рис. 2. Пусть на тело 1 действует сила нормального давления N. Эта сила может быть обусловлена различными причинами, в частности весом тела. Приложим теперь к телу 1 силу F, направленную в горизонтальном направлении. Мы увидим, что для того, чтобы сдвинуть тело 1 с места придется увеличить силу F до некоторого значения . Пока тело 1 будет оставаться в покое. Согласно второму закону Ньютона это означает, что на тело будет действовать уравновешивающая силу F сила трения F _тр. Причем до тех пор, пока тело 1 не сдвинется с места справедливо соотношение

.

Заметим, что по третьему закону Ньютона сила, равная по модулю , и противоположная ей по направлению будет действовать и на тело 2 (см. рис. 2).

После того, как тело 1 сдвинется с места, между ним и телом 2 будет действовать сила трения скольжения, величина которой, вообще говоря, будет зависеть от скорости перемещения тела 1 относительно тела 2, а также от природы и состояния соприкасающихся поверхностей. При специальной обработке поверхностей, возможно реализовать ситуацию, когда сила трения скольжения практически не будет зависеть от скорости.

Законы сухого терния сводятся к следующему: максимальная сила трения покоя и сила трения скольжения не зависят от площади соприкасающихся поверхностей и приблизительно пропорциональна силе нормального давления, прижимающей трущиеся поверхности друг к другу:

, (2)

где - коэффициент трения. График зависимости силы трения в этом случае представлен на рис. 3.

Вязкое трение и сопротивление среды. Как показывает опыт, сила вязкого терния, возникающая при перемещении слоев жидкости друг относительно друга, оказывается в существенной зависимости от скорости относительного движения слоев. В случае небольших скоростей с достаточной для практики точностью выполняется закон прямой пропорциональности между скоростью и силой вязкого трения:

, (3)

где знак «-» означает, что сила трения, действующая на слой жидкости, всегда противоположна скорости движения этого слоя.

Дата добавления: 2014-01-07