В механике сила определятся как количественная мера взаимодействия тел, которое приводит к изменению их скорости или деформации.
В качестве первого закона Ньютон взял принцип инерции Галилея (1632 год) и дополнил его понятием инерциальной системы отсчета. Согласно принципу инерции Галилея свободное тело сохраняет состояние, покоя или равномерного, прямолинейного движения пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния.
Из этого принципа следует, что состояние покоя или равномерного прямолинейного движения не требует для своего поддержания каких-либо внешних воздействий. В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции, а движение тела в отсутствие воздействий со стороны других тел - движением по инерции.
Первый закон Ньютона выполняется не во всех системах отсчета. Те системы, в которых он выполняется, называются инерциальными системами отсчета.
Экспериментально установлено, что практически инерциальной системой отсчета является гелиоцентрическая система отсчета, начало координат которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении трех удаленных звезд, выбранных, например, так, чтобы они были взаимно перпендикулярны.
Для многих практических целей при движении макроскопических тел в качестве системы отсчета используется система, связанная с Землей. Такая система отсчета считается приближенно инерциальной из-за влияния суточного и годового вращения Земли.
|
|
|
Таким образом, можно дать следующую формулировку первого закона Ньютона: существуют такие системы отсчета, в которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния.
Покажем, что любая система отсчета, которая движется равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы, также является инерциальной. Пусть тело А покоится в инерциальной системе отсчета К (рис. 3.1). Система отсчета К' движется относительно системы К равномерно и прямолинейно со скоростью 
. Тело А относительно системы К' движется равномерно и прямолинейно со скоростью - , что также удовлетворяет первому закону Ньютона. Следовательно, система отсчета К' является инерциальной. Таким образом, по известной одной инерциальной системе отсчета можно описанным выше способом построить их сколько угодно.
Рис 3.1
3.1.2. Второй закон Ньютона
Этот закон является основным законом динамики материальной точки и твердого тела, движущегося поступательно.
Закон устанавливает связь между силой, массой и ускорением.
Опыт показывает, что всякое изменение величины или направления скорости движения тела вызывается его взаимодействием с другими телами.
|
|
|
В механике сила определятся как количественная мера взаимодействия тел, которое приводит к изменению их скорости или деформации.
Сила характеризуется величиной, направлением и точкой приложения. Следовательно, сила является векторной величиной.
По современным представлениям, основанным на опыте, все наблюдаемые в природе взаимодействия могут быть сведены к четырем фундаментальным: гравитационному, слабому, электромагнитному и сильному.
Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам. Оно определяется наличием у материальных тел массы и подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона. Радиус действия гравитационного взаимодействия неограничен. В области микромира роль гравитационного взаимодействия ничтожно мала.
Слабое взаимодействие - короткодействующее, существует в микромире и проявляется в том, что приводит к определенному виду нестабильности элементарных частиц.
Электромагнитное взаимодействие проявляется при взаимодействии токов и зарядов. Радиус действия электромагнитного взаимодействия неограничен. Оно является определяющим в образовании атомов, молекул и макроскопических тел.
|
|
|
Ядерное или сильное взаимодействие является самым интенсивным. Радиус сильного взаимодействия очень мал ~10-15 м. Благодаря этому взаимодействию протоны и нейтроны удерживаются в ядрах, несмотря на сильное отталкивание протонов.
К нефундаментальным силам относятся силы упругости, трения, сопротивления и другие. Все эти силы могут быть сведены к электромагнитным или гравитационным, однако, это приводит к существенному усложнению решения задач механики. По этой причине в механике силы упругости и трения рассматривают наряду с фундаментальными.
Опытным путем установлено еще одно важное свойство сил, проявляющееся при механическом взаимодействии. Силы в механике подчиняются принципу суперпозиции, который заключается в следующем: одновременное взаимодействие частицы М с несколькими другими n частицами с силами 
эквивалентно действию одной силы 
, равной их векторной сумме.
. (3.1)
Силу называют равнодействующей.
Как показывает опыт, все тела обладают свойством препятствовать изменению величины и направления скорости. Это свойство называется инертностью.
Массу можно определить двумя способами. Первый из них состоит в следующем. Выбирается эталонное тело, масса которого mэт принимается за единицу массы. Масса m исследуемого тела определяется из следующего соотношения, установленного опытным путем:
|
|
|
,
где а и аэт - ускорения, вызываемые действием одной и той же силы на эталонное и исследуемое тела. При этом определяется так называемая инертная масса.
Второй способ основан на использовании закона всемирного тяготения. При этом определяется так называемая гравитационная масса.
А. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности гравитационной и инертной массы: инертная и гравитационная массы одного и того же тела одинаковы.
Эквивалентность инертной и гравитационной масс позволяет выбрать для них одну единицу измерения. В качестве единицы массы в системе СИ принят килограмм (кг) - масса эталонного платиново-иридиевого тела, хранящегося во Франции в международном бюро мер и весов.
Динамическое воздействие движущегося тела на другие тела зависит от скорости и массы. Поэтому в качестве динамической характеристики интенсивности движения вводитсявекторная величина 
, называемая импульсом (или количеством движения) тела и равная произведению его массы на скорость:
. (3.2)
Единица импульса килограмм-метр, деленный на секунду (кг·м/с).
Согласно второму закону Ньютона, производная по времени от импульса тела равна равнодействующей всех приложенных к нему сил:
. (3.3)
Из (3.3) следует, что изменение импульса происходит в направлении равнодействующей силы . Отметим, что второй закон Ньютона в форме (3.3) допускает описание движения тела с переменной массой. Если масса тела постоянна, то из (3.2) и (3.3) получаем уравнение второго закона Ньютона в виде
, (3.4)
откуда с учетом формулы (2.21) получаем:
. (3.5)
Единица силы в СИ является производной единицей, определение которой основано на формуле (3.5). Единица силы - 1 Ньютон (Н), это такая сила, которая телу с массой 1 кг сообщает ускорение 1м/с2.
Теория, созданная в начале XX века Эйнштейном, названная «теорией относительности» – есть синтез той классической механики, которую приобрела наука из трудов Галилея-Ньютона, а также электродинамики Максвелла-Лоренца.
Изначально принцип относительности сформулировал Галилей, обозначив, что справедливые в одной системе координат законы механики должны оставаться таковыми и в любой иной, для которой характерно прямолинейное и равномерное движение. Эти системы были названы инерциальными, т.к. движение в них подчинено законам инерции.
Галилей, будучи всегда сторонником практического опыта как главного и наиболее быстрого источника познания, разъяснял это утверждение всевозможными наглядными опытами.
Самый, пожалуй, популярный в силу очевидности и доступности понимания, используемый сегодня в школах пример – это подбрасывание предмета человеком, находящимся в закрытой каюте плывущего корабля. Предмет, брошенный прямо вверх, упадет прямо вниз, не отстав от корабля и не упав, скажем, ближе к корме.
Принцип доказывает, что разница между покоем и движением только в точке зрения. То есть, развивая пример с кораблем, лежащая на столе каюты книжка для путешественника находится в состоянии покоя, а для того, кто мог бы увидеть ее с берега через иллюминационное окошко, станет удаляться или приближаться. Как категорично установить, движется ли она все-таки или нет? Вывод следующий: она покоится относительно судна и движется относительно того, кто на берегу.
Этим, разумеется, не утверждается, что между движением и недвижимостью нет разницы. Просто два этих понятия имеют смысл только в том случае, если указывается точка отсчета.
Принцип доказывает, что процессы, происходящие в инерциальных системах отсчета, происходят идентично. Однако в неинерциальной системе есть релятивистские эффекты, на которые можно влиять.
На примере это можно выразить так: если релятивистский космический аппарат отправится в далекий космос, то по возвращении домой обнаружится, что временя, потраченное на путешествие для космонавтов, бывших в системе аппарата, будет меньшим, нежели прошедшее на Земле. И тем большей будет разница, чем дальше проследует космический корабль в глубины космоса.
Важно добавить, что данный постулат в современном научном мире неопровержимо доказан опытным путем. Описанная зависимость скорости течения времени от скорости самого движения объекта реально зарегистрирована. Так, зафиксированы измерения в длине пробега мезонов, происходящие при сталкивании первичных космических частиц излучения с ядрами атомов на планете. Мезоны, в зависимости от типа частиц, существуют в течение 10-6 — 10-15 секунд, распадаясь затем (после своего возникновения) на некотором расстоянии от того места, где они рождались.
Подобные опыты проводятся с помощью специальных измерительных устройств, фиксирующих следы пробега частиц. Таким образом, если мезон передвигается с околосветовой скоростью, то проистекающие временные процессы в нем замедляются, а значит, увеличивается и период распада (в десятки тысяч раз), и, следовательно, возрастает названная длина пробега - от рождения до распада.
Выводы
Из приведенных общих описаний, а также образных примеров и описанных лабораторных опытов видно, что теория относительности как бы вобрала в себя принцип, открытый Галилеем, расширив его.
Более того, в ней используется еще одно новое положение: одинаковая скорость распространения света (при условии пустоты) в инерциальных системах отсчета.
В механике Ньютона массой тела называют скалярную физическую величину, которая является мерой инерционных его свойств и источником гравитационного взаимодействия. В классической физике масса всегда является положительной величиной.
Масса – аддитивная величина, что означает: масса каждой совокупности материальных точек (m) равна сумме масс всех отдельных частей системы (mi):
В классической механике считают:
- масса тела не является зависимой от движения тела, от воздействия других тел, расположения тела;
- выполняется закон сохранения массы: масса замкнутой механической системы тел неизменна во времени.
Инертная масса
Свойство инертности материальной точки состоит в том, что если на точку действует внешняя сила, то у нее возникает конечное по модулю ускорение. Если внешних воздействий нет, то в инерциальной системе отсчета тело находится в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. Масса входит во второй закон Ньютона:
где масса определяет инертные свойства материальной точки (инертная масса).
Гравитационная масса
Масса материальной точки входит в закон всемирного тяготения, при этом она определяет гравитационные свойства данной точки.при этом она носит название гравитационной (тяжелой) массы.
Эмпирически получено, что для всех тел отношения инертных масс к гравитационным являются одинаковыми. Следовательно, если правильно избрать величину постоянной гравитации, то можно получить, что для всякого тела инертная и гравитационная массы одинаковы и связываются с силой тяжести (Ft) избранного тела:
где g – ускорение свободного падения. Если проводить наблюдения в одной и той же точке, то ускорения свободного падения одинаковы.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1192; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!