Механический принцип относительности

В рамках ньютоновской механики длины отрезков и время считаются абсолютными, т.е. одинаковыми в разных системах отсчёта.

Пусть К^’-система отсчёта движется поступательно по отношению к К-системе со скоростью и ускорением . Из рисунка видно, что

.

Продифференцировав по времени это выражение сначала один, а потом два раза получаем:

 

и .

 

Если (инерциальная система отсчёта) то ,.т.е. ускорения во всех инерциальных системах отсчёта одинаковы.

 

Лекция 2

Динамика материальной точки.

Силы

 

Силой называется векторная величина, характеризующая воздействия на рассматриваемое тело со стороны других тел, в результате которых рассматриваемое тело получает ускорение или деформируется.

В современной физике различают четыре вида взаимодействий:

1) гравитационное;

2) электромагнитное;

3)сильное или ядерное (обеспечивающее связь частиц в атомном ядре);

4) слабое (наблюдается при распаде элементарных частиц).

 

В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами. Упругие силы и силы трения определяются характером взаимодействия между молекулами вещества и по своей природе являются электромагнитными.

Сила гравитационного притяжения, действующая между двумя материальными точками (или между телами сферической формы), в соответствии с законом всемирного тяготения пропорциональна произведению масс точек т₁ и т₂ , обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними и направлена по прямой, соединяющей эти точки (или центры тел сферической формы):

Однородная сила тяжести: .

В отличие от силы тяжести вес тела – это сила, с которой тело действует на опору или подвес.

, где

– ускорение свободного падения;

– ускорение тела вместе с опорой относительно Земли.

Упругая сила – сила пропорциональная смещению материальной точки из положения равновесия и направленная к положению равновесия:

, где

– радиус вектор, характеризующий смещение частицы из положения равновесия;

k – коэффициент упругости тела.

Для растяжения (сжатия) пружины или стержня в соответствии с законом Гука , где – величина упругой деформации.

Сила трения скольжения, возникающая при скольжении данного тела по поверхности другого тела:

, где

– коэффициент трения скольжения, зависящий от природы и состояния соприкасающихся поверхностей;

N – сила нормального давления, прижимающая трущиеся поверхности друг к другу.

Сила направлена в сторону, противоположную направлению движения данного тела относительно другого.

Сила сопротивления среды, действующая на тело при его поступательном движении в газе или жидкости. Эта сила зависит от скорости тела относительно среды, причём направлена противоположно вектору :

, где

k – положительный коэффициент, характерный для данного тела и данной среды.

 

Первый закон механики – закон инерции Галилея-Ньютона: существует такая система отсчёта, относительно которой свободная материальная точка движется прямолинейно и равномерно. или. как говорят, по инерции, если на неё не воздействуют другие тела или воздействие других тел скомпенсировано. Такую систему отсчёта называют инерциальной.

Второй закон Ньютона: произведение массы материальной точки на её ускорение равно действующей на неё силе:

 

Если тела, являющиеся источниками сил, не влияют друг на друга и поэтому не меняют своего состояния от присутствия других тел, то сила, действующая на рассматриваемое тело, называется равнодействующей:

или , где

 

– сила, с которой действовало бы на данную материальную точку i- е тело в отсутствии других тел (принцип суперпозиции).

 

Третий закон Ньютона: силы, с которыми две материальные точки действуют друг на друга, всегда равны по модулю и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти точки:

При скоростях тел, значительно меньших скорости света 2-й и 3-й законы Ньютона выполняются с очень большой точностью во всех инерциальных системах отсчёта (говорят, что уравнение инвариантно относительно преобразований Галилея).

 

Основное уравнение динамики

Скорость изменения импульса материальной точки равна равнодействующей силе, приложенной к этой точке.

Векторную величину называют элементарным импульсом силы за малое время dt её действия.

Изменение импульса материальной точки равно импульсу действующей на неё силы.

При рассмотрении системы материальных точек, которые могут взаимодействовать как между собой (внутренние силы), так и с телами, не входящими в данную систему (внешние силы) вводится понятие импульса системы, равного векторной сумме импульсов её отдельных частиц:

.

Как и в случае с одной частицей приращение импульса системы за конечный промежуток времени t

, где

– результирующая всех внешних сил.

 

Закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы тел остаётся постоянным

Замкнутой (или изолированной) называют систему тел, на которую не действуют никакие посторонние тела или импульсы внешних сил пренебрежимо малы.

Импульсы отдельных частей замкнутой системы могут меняться со временем, однако эти изменения всегда происходят так, что приращение импульса одной части системы равно убыли импульса оставшейся части системы.

Импульс может сохраняться и у незамкнутой системы при условии, что результирующая всех внешних сил равна нулю.

У незамкнутой системы может сохраняться не сам импульс , а его проекция р_х на некоторое направление ОХ. Это бывает тогда, когда проекция результирующей внешней силы на направление Х равна нулю.

Центр масс.

 

Центром масс системы материальных точек (частиц) называется точка С, положение которой относительно начала системы отсчёта характеризуется радиусом-вектором

– масса и радиус-вектор i -ой частицы;

т – масса всей системы частиц.

Если в пределах данной системы поле силы тяжести можно считать однородным, то центр масс системы совпадает с её центром тяжести.

Скорость центра масс системы .

Уравнение движения центра масс т.е. центр масс любой системы частиц движется так, как если бы вся масса системы была сосредоточена в этой точке и к ней были бы приложены все внешние силы. При этом ускорение центра масс совершенно не зависит от точек приложения внешних сил.

Если центр масс системы движется равномерно и прямолинейно, то это означает, что её импульс сохраняется в процессе движения

.

Ц-система

Систему отсчёта, жёстко связанную с центром масс и перемещающуюся поступательно по отношению к инерциальным системам отсчёта, называют системой центра масс или, кратко, Ц-системой.

Полный импульс системы частиц в Ц-системе всегда равен нулю, т.к. в этой системе = 0. (Любая система частиц как целое покоится в своей Ц-системе.

Система из двух частиц:

т₁; т₂ – массы частиц;

– скорости частиц в исходной К-системе;

– скорости частиц в Ц-системе;

– импульсы частиц в Ц-системе;

– скорость Ц-системы относительно К-системы отсчёта.

Тогда

.

Учитывая, что

Получаем

т.е.

.