Характеристика сил

ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ

Опираясь на аксиомы механики, динамика разрабатывает главным образом следствия из второй аксиомы, которую поэтому называют основным законом динамики. Основной закон динамики сформулирован для одной материальной точки. Движение материальной точки под действием приложенных к ней сил представляет значительный интерес, так как целый ряд задач механики можно свести к задаче о движении материальной точки. Раздел динамики, в котором объектом изучения является материальная точка, называется динамикой материальной точки. Вторая аксиома механики полностью заключает в себе всё содержание этого раздела и нашей задачей является лишь представление в явном виде её следствий и приложений к решению конкретных задач.

Сила в общем случае зависит от времени, положения точки и скорости:

Однако в ряде практических случаев сила оказывается функцией лишь одного из этих аргументов. Вместе с тем часто встречаются случаи, когда сила зависит от , но практически её можно считать функцией лишь одной из этих переменных, т.к. остальные слабо влияют на движение. Познакомимся с некоторыми категориями сил.

1. СИЛЫ, ЗАВИСЯЩИЕ ТОЛЬКО ОТ ВРЕМЕНИ:

Со стороны электрического поля напряжённостью на точечный электрический заряд действует сила . Если напряжённость электрического поля зависит только от времени , то сила, действующая на точечный заряд, будет зависеть от времени:

К силам этого класса, но действующим между материальными телами можно отнести, например, двигатель с возвратно-поступательным движением своих частей действует на фундамент. Во многих случаях такие силы имеют периодический характер и поэтому представляются тригонометрическими функциями.

2. СИЛЫ, ЗАВИСЯЩИЕ ТОЛЬКО ОТ СКОРОСТИ ТОЧКИ:

С такими силами мы чаще всего встречаемся тогда, когда рассматриваем движение тела в сопротивляющейся среде. Сила сопротивления со стороны среды возникает только тогда, когда имеется движение тела относительно среды. Когда относительная скорость обращается в нуль, сила сопротивления исчезает. Направлена эта сила противоположно скорости движения тела. Сила сопротивления зависит от скорости, эта зависимость в общем случае носит сложный характер. Однако, при медленном относительном движении тела силы сопротивления пропорционально скорости:

,

где λ – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств среды (в случае движения материальных тел λ зависит от формы и размеров тела). При более высоких скоростях движения такая зависимость оказывается неверной. В этом случае имеет место квадратичный или гидравлический закон сопротивления:

,

где, k – коэффициент пропорциональности зависящий от тех же факторов, что и .

При очень больших скоростях движения этот закон становится более сложным, но с достаточной степенью точности можно считать, что сила сопротивления движению точки в жидкости или газе зависит только от скорости и направлена противоположно ей.

СИЛЫ, ЗАВИСЯЩИЕ ТОЛЬКО ОТ ПОЛОЖЕНИЯ ТОЧКИ:

Особо важное значение имеют два типа сил этого класса: силы упругости и гравитационные силы.

а) СИЛЫ УПРУГОСТИ

Силы упругости возникают при деформации упругих тел. Примером упругой силы может служить сила, возникающая при деформации пружины. Когда пружина находится в свободном состоянии – эта сила равна нулю. Но если пружину растянуть или сжать, то появляется сила, старающаяся вернуть её в первоначальное состояние.

Для цилиндрической пружины , где ∆ l – удлинение, k – коэффициент пропорциональности – коэффициент жёсткости пружины.

Зависимость F ~ | l | не является обязательным признаком силы упругости (например, для конической пружины такая зависимость не является линейной.) Однако в большей части практических задач приходиться рассматривать упругую силу пропорциональную деформации.

Точка закрепления N неподвижна относительно XYZ. – радиус-вектор точки М при отсутствии деформации пружины – радиус-вектор точки М при наличии деформации пружины. Для силы упругости :

– закон Гука.

Знак «–» означает, что сила направлена противоположно вектору .

Одно векторное уравнение, выражающее закон Гука, эквивалентно трем уравнениям в проекциях:

– закон Гука.

Если положение точки М при отсутствии деформации совпадает с началом системы координат 0, предыдущие уравнения запишутся в виде:

Если с осью симметрии пружины совместить одну из осей декартовой системы координат (например, с осью 0X), мы получим одномерный случай для рассматриваемой задачи:

б) ГРАВИТАЦИОННЫЕ СИЛЫ

Гравитационные силы – силы, определяемые законом всемирного тяготения, открытым И.Ньютоном (1678 г.): две материальные точки притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массам этих материальных точек и обратно пропорциональной квадрату расстояние между ними:

или , где – вектор, проведенный от материальной точки массой m_j к материальной точке массой m_i, – радиус-вектор, определяемый положение точки пространства, в которой находится материальная точка массой m_i, – радиус-вектор, определяемый положение точки пространства, в которой находится материальная точка массой m_j, =6,67 ^. 10 ^{- 11} Н ^. м²/кг² – гравитационная постоянная (впервые определена в 1798 г. Генри Кавендишем.)

Гравитационная сила взаимодействия двух материальных тел определяется соотношением:

Дата добавления: 2014-11-29