Лекция по физике на тему : Динамика поступательного движения. Сила. Единицы силы

ПОАНО «ВМК» 59 Тема занятия: Динамика поступательного движения. Сила. Единицы силы. Первый, второй и третий законы Ньютона. Принцип независимости действия сил. Лекция №12.   Цель занятия: Иметь представление о поступательном движении, силе, единицах силы.   Познакомиться с законами Ньютона. Динамика поступательного движения.  Динамика является основным разделом механики, в ее основе лежат три закона Ньютона, сформулированные им в 1687 г. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и все физические законы) обобщением результатов огромного человеческого опыта. Их рассматривают как систему   взаимосвязанных   законов и   опытной   проверке   подвергают   не каждый отдельный закон, а всю систему в целом. Сила. ии С ла   —   векторная   физическая   величина,   являющаяся   мерой воздействия   на   данное   тело   других   тел,   а   также   полей.   Приложенная   к массивному   телу   сила   является   причиной   изменения   его   скорости   или возникновения в нём деформаций и напряжений. Сила как векторная величина характеризуется модулем, направлением и точкой приложения силы. Также используется понятие линия действия силы, обозначающее   проходящую   через   точку   приложения   силы   прямую,   вдоль которой направлена сила. Второй закон Ньютона гласит, что в инерциальных системах отсчета ускорение   материальной   точки   по   направлению   совпадает   с равнодействующей   всех   сил,   приложенных   к   телу,   а   по   модулю   прямо пропорционально   модулю   силы   и   обратно   пропорционально   массе материальной точки. Или, что эквивалентно, скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе. При   приложении   силы   к   телу   конечных   размеров   в   нём   возникают механические напряжения, сопровождающиеся деформациями.ПОАНО «ВМК» 60 С   точки   зрения   Стандартной   модели   физики   элементарных   частиц, фундаментальные   взаимодействия   (слабое,   электромагнитное,   сильное) осуществляются   посредством   обмена   так   называемыми   калибровочными бозонами. При этом гравитационное взаимодействие Стандартной моделью не объясняется и не описывается, хотя имеются теоретические предположения (например, в теории струн или М­теории), что с ним может быть связан свой бозон,   называемый   гравитоном,   однако   экспериментально   существование гравитона пока не подтверждено. Эксперименты по физике высоких энергий, проведённые   в   70−80­х   гг.   XX   в.   подтвердили   предположение   о   том,   что слабое   и   электромагнитное   взаимодействия   являются   проявлениями   более фундаментального электрослабого взаимодействия. Размерность   силы   в   Международной   системе   величин   (англ. InternationalSystemofQuantities, ISQ), на которой базируется Международная система единиц (СИ), и в системе величин LMT, используемой в качестве основы   для   системы   единиц   СГС,   —   LMT−2.   Единицей   измерения   в   СИ является ньютон (русское обозначение: Н; международное: N), в системе СГС — дина (русское обозначение: дин, международное: dyn). Для обозначения силы обычно используется символ F — от лат. fortis (крепкий, сильный) Первый закон Ньютона. Первый   закон   Ньютона: всякая   материальная   точка   (тело)   сохраняет состояние  покоя   или  равномерного  прямолинейного  движения  до  тех  пор, пока   воздействие   со   стороны   других   тел   не   заставит   ее   изменить   это состояние.  Стремление   тела   сохранять   состояние   покоя   или   равномерного прямолинейного   движения   называется инертностью.   Поэтому   первый   закон Ньютона называют также законом инерции. Механическое   движение   относительно,   и   его   характер   зависит   от системы отсчета. Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системеПОАНО «ВМК» отсчета,   а   те   системы,   по   отношению   к   которым   он   выполняется, называются инерциальными системами   отсчета.   Инерциальной   системой 61 отсчета является такая система отсчета, относительно которой материальная точка, свободная   от   внешних   воздействий, либо   покоится,   либо   движется равномерно   и   прямолинейно. Первый   закон   Ньютона   утверждает существование инерциальных систем отсчета. Опытным   путем   установлено,   что   инерциальной   можно   считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в   центре   Солнца,   а   оси   проведаны   в   направлении   определенных   звезд). Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальна, однако эффекты,   обусловленные   ее   неинерциальностью   (Земля   вращается   вокруг собственной оси и вокруг Солнца), при решении многих задач пренебрежимо малы, и в этих случаях ее можно считать инерциальной. Из опыта известно, что при одинаковых воздействиях различные тела неодинаково   изменяют   скорость   своего   движения,   т.е.,   иными   словами, приобретают различные ускорения. Ускорение зависит не только от величины воздействия, но и от свойств самого тела (от его массы). Второй закон Ньютона. Второй   закон   Ньютона — основной   закон   динамики   поступательного движения   — отвечает   на   вопрос,   как   изменяется   механическое   движение материальной точки (тела) под действием приложенных к ней сил. Если рассмотреть действие различных сил на одно и то же тело, то оказывается,   что   ускорение,   приобретаемое   телом,   всегда   прямо пропорционально равнодействующей приложенных сил:  а ~ F (т = const).(6.1)       При   действии   одной   и   той   же   силы   на   тела   с   разными   массами   их ускорения оказываются различными, а именно а ~ 1/т (F = const).     (6.2)ПОАНО «ВМК» 62 Используя выражения (6.1) и (6.2) и учитывая, что сила и ускорение— величины векторные, можем записать а = kF/m. (6.3)     Соотношение   (6.3)   выражает   второй   закон   Ньютона:   ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе, совпадает с нею по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки (тела).  В СИ коэффициент пропорциональности k= 1. Тогда                       A=F/m или  (6.4) Учитывая,   что   масса   материальной   точки   (тела)   в   классической механике есть величина постоянная, в выражении (6.4) ее можно внести под знак производной: Векторная величина  (6.5)      (6.6) численно   равная   произведению   массы   материальной   точки   на   ее скорость   и   имеющая   направление   скорости, (количеством движения) этой материальной точки.   называется импульсом Подставляя (6.6) в (6.5), получим (6.7)        Это выражение — более общая формулировка второго закона Ньютона: скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силе. Выражение (6.7) называется уравнением движения материальной точки.ПОАНО «ВМК» Единица силы в СИ — ньютон (Н): 1 Н — сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы: 63 1Н=1кг*м/c2        Второй   закон   Ньютона   справедлив   только   в   инерциальных   системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующей сил (при отсутствии воздействия на тело   со   стороны   других   тел)   ускорение   (см.   (6.3))   также   равно   нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон (а не   как   следствие   второго   закона),   так   как   именно   он   утверждает существование   инерциальных   систем   отсчета,   в   которых   только   и выполняется уравнение (6.7).      В механике большое значение имеет принцип независимости действия сил: если   на   материальную   точку   действует   одновременно   несколько   сил,   то каждая   из   этих   сил   сообщает   материальной   точке   ускорение   согласно второму   закону   Ньютона,  как   будто   других   сил  не   было.  Согласно   этому принципу,   силы   и   ускорения   можно   разлагать   на   составляющие, использование которых приводит к существенному упрощению решения задач. Например, на рис. 10 действующая сила F=ma разложена на два компонента: тангенциальную   силу   Ft,   (направлена   по   касательной   к   траектории)   и нормальную силу Fn (направлена по нормали к центру кривизны). Используя выраженияПОАНО «ВМК»  и  а также , можно записать: 64 Если   на   материальную   точку   действует   одновременно   несколько   сил,   то, согласно   принципу   независимости   действия   сил,   под   F   во   втором   законе Ньютона понимают результирующую силу. Принцип независимости действия сил. Принцип   независимости   действия   сил   где   ­   ускорение   материальной точки, вызываемое действием на нее одной силы . Таким образом, если на материальную точку одновременно действуют несколько сил, то каждая из них сообщает м.т. такое же ускорение, как если бы других сил не было. Если на материальную точку действуют несколько сил, то ( 3.3) где  ­  ускорение  материальной   точки,  вызываемое   действием   на  нее одной силы  . Таким образом, если на материальную точку одновременно действуют несколько сил, то каждая из них сообщает м.т. такое же ускорение, как  если бы  других сил не было. Это утверждение  называется  принципом независимости действия  Третий закон Ньютона. Взаимодействие   между   материальными   точками   (телами) определяется третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел)   друг   на   друга   носит   характер   взаимодействия;   силы,   с   которыми действуют   друг   на   друга   материальные   точки,   всегда   равны   по   модулю,ПОАНО «ВМК» противоположно   направлены   и  действуют   вдоль   прямой,  соединяющей   эти точки: 65 F12 = – F21       (7.1) где   F12   —   сила,   действующая   на   первую   материальную   точку   со стороны второй; F21 — сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы. Третий   закон   Ньютона   позволяет   осуществить   переход   от динамики отдельной материальной   точки   к   динамике системы материальных точек.   Это   следует   из   того,   что   и   для   системы   материальных   точек взаимодействие   сводится   к   силам   парного   взаимодействия   между материальными точками. Силы трения Обсуждая до сих пор силы, мы не интересовались их происхождением. Однако   в   механике   мы   будем   рассматривать   различные   силы:   трения, упругости, тяготения. Из   опыта   известно,   что   всякое   тело,   движущееся   по   горизонтальной поверхности   другого   тела,  при   отсутствии   действия   на   него   других   сил   с течением   времени   замедляет   свое   движение   и   в   конце   концов останавливается. Это можно объяснить существованием силы трения, которая препятствует   скольжению   соприкасающихся   тел   друг   относительно   друга. Силы трения зависят от относительных скоростей тел. Силы трения могут быть   разной   природы,   но   в   результате   их   действия   механическая   энергия всегда превращается во внутреннюю энергию соприкасающихся тел. Различают   внешнее   (сухое)   и   внутреннее   (жидкое   или   вязкое) трение. Внешним   трением называется   трение,   возникающее   в   плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. ЕслиПОАНО «ВМК» соприкасающиеся   тела   неподвижны   друг   относительно   друга,   говорят   о трении покоя, если же происходит относительное перемещение этих тел, то в 66 зависимости   от   характера   их   относительного   движения   говорят   о трении скольжения, качения или верчения. Внутренним трением называется трение между частями одного и того же тела, например между различными слоями жидкости или газа, скорости которых   меняются   от   слоя   к   слою.   В   отличие   от   внешнего   трения   здесь отсутствует   трение   покоя.   Если   тела   скользят   относительно   друг   друга   и разделены   прослойкой   вязкой   жидкости   (смазки),   то   трение   происходит   в слое   смазки.   В   таком   случае   говорят   о гидродинамическом   трении (слой смазки   достаточно   толстый)   и   граничном   трении   (толщина   смазочной прослойки »0,1 мкм и меньше). Обсудим   некоторые   закономерности   внешнего   трения.   Это   трение обусловлено   шероховатостью   соприкасающихся   поверхностей;   в   случае   же очень гладких поверхностей трение обусловлено силами межмолекулярного притяжения. Рассмотрим   лежащее   на   плоскости   тело   (рис.   11),   к   которому приложена горизонтальная сила F. Тело придет в движение лишь тогда, когда приложенная сила F будет больше силы трения Fтр. Французские физики Г. Амонтон (1663—1705) и Ш. Кулон (1736—1806) опытным путем установили следующий закон: силе N нормального давления, с которой одно тело действует на другое:   сила   трения   скольжения Fтр   пропорциональна Fтр=ƒN  где f—   коэффициент   трения   скольжения,   зависящий   от   свойств соприкасающихся поверхностей. Найдем   значение   коэффициента   трения.   Если   тело   находится   на наклонной плоскости с углом наклона a (рис.12), то оно приходит в движение, только когда тангенциальная составляющая F силы тяжести Р больше силыПОАНО «ВМК» трения   Fтр.   Следовательно,   в   предельном   случае   (начало   скольжения тела)  F=Fтр. или Psin a0 = fN = fPcos a0,откуда 67 ƒ=tg 0α Таким   образом,   коэффициент   трения   равен   тангенсу   угла   a0,   при котором начинается скольжение тела по наклонной плоскости. Для   гладких   поверхностей   определенную   роль   начинает   играть межмолекулярное   притяжение.   Для   них   применяется закон   трения скольжения Fтр=ƒист(N+S 0)ρ где р0 — добавочное   давление,   обусловленное   силами межмолекулярного притяжения, которые быстро уменьшаются с увеличением расстояния между частицами; S — площадь контакта между телами;   fист — истинный коэффициент трения скольжения.      Трение играет большую роль в природе и технике. Благодаря трению движется транспорт, удерживается забитый в стену гвоздь и т. д.        В некоторых случаях силы трения оказывают вредное действие и поэтому   их   надо   уменьшать.  Для   этого   на   трущиеся   поверхности   наносят смазку   (сила   трения   уменьшается   примерно   в   10   раз),   которая   заполняет неровности   между   этими   поверхностями   и   располагается   тонким   слоем между ними так, что поверхности как бы перестают касаться друг друга, а скользят друг относительно друга отдельные слои жидкости. Таким образом, внешнее   трение   твердых   тел   заменяется   значительно   меньшим   внутренним трением жидкости.ПОАНО «ВМК» 68        Радикальным способом уменьшения силы трения является замена трения скольжения трением качения (шариковые и роликовые подшипники и т. д.). Сила трения качения определяется по закону, установленному Кулоном: Fтр=fк N/r,   (8.1)   где r — радиус катящегося тела; fк — коэффициент трения качения, имеющий размерность dimfк =L. Из (8.1) следует, что сила трения качения обратно пропорциональна радиусу катящегося тела.