Механическое движение Относительность движения, Система отсчета, Материальная точка, Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная скорость. Ускорение. Равномерное и равноускоренное движение

План ответа

1. Определение механического движения. 2. Основные понятия механики. 3. Кинематические характеристики. 4. Основные уравнения. 5. Виды движения. 6. Относительность движения.

Механическим движением называют измене­ние положения тела (или его частей) относительно других тел. Например, человек, едущий на эскалато­ре в метро, находится в покое относительно самого эскалатора и перемещается относительно стен тунне­ля; гора Эльбрус находится в покое относительно Земли и движется вместе с Землей относительно Солнца.

Из этих примеров видно, что всегда надо ука­зать тело, относительно которого рассматривается движение, его называюттелом отсчета. Система ко­ординат, тело отсчета, с которым она связана, и вы­бранный способ измерения времени образуютси­стему отсчета. Рассмотрим два примера. Размеры орбитальной станции, находящейся на орбите около Земли, можно не учитывать, рассчитывая траекто­рию движения космического корабля при стыковке со станцией, без учета ее размеров не обойтись. Та­ким образом, иногда размерами тела по сравнению с расстоянием до него можно пренебречь, в этих случаях тело считают материальной точкой, Линию, вдоль которой движется материальная точка, называют траекторией. Длина части траектории между начальным и конечным положением точки называют путем (L). Единица измерения пути - 1м.

Механическое движение характеризуется тре­мя физическими величинами: перемещением, ско­ростью и ускорением.

Направленный отрезок прямой, проведенный из начального положения движущейся точки в ее конечное положение, называетсяперемещением (s), Перемещение - величина векторная Единица изме­рения перемещения-1м.

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, чис­ленно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Промежуток, времени считается достаточно малым, если скорость в течении этого промежутка не меня­лась. Например, при движении автомобиля t ~ 1 с, при движении элементарной частицы t ~ 10 с, при движении небесных тел t ~ 10 с. Определяющая формула скорости имеет вид v = s/t. Единица изме­рения скорости - м/с. На практике используют еди­ницу измерения скорости км/ч (36 км/ч = 10 м/с). Измеряют скорость спидометром.

Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это измене­ние произошло. Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле а = (v – v 0)/t. Единица измерения ускорения - м/с 2 .

Характеристики механического движения свя­заны между собой основными кинематическими уравнениями.

s = v 0 t + at 2 / 2;

v = v 0 + at.

Предположим, что тело движется без уско­рения (самолет на маршруте), его скорость в течение продолжительного времени не меняется, а = 0, тогда кинематические уравнения будут иметь вид: v = const, s = vt .

Движение, при котором скорость тела не ме­няется, т. е. тело за любые равные промежутки вре­мени перемещается на одну и ту же величину, назы­ваютравномерным прямолинейным движением.

Во время старта скорость ракеты быстро воз­растает, т. е. ускорение а > О, а == const.

В этом случае кинематические уравнения вы­глядят так: v = v 0 + at, s = V 0 t + at 2 / 2.

При таком движении скорость и ускорение имеют одинаковые направления, причем скорость изменяется одинаково за любые равные промежутки времени. Этот вид движения называютравноуско­ренным.

При торможении автомобиля скорость умень­шается одинаково за любые равные промежутки вре­мени, ускорение меньше нуля; так как скорость уменьшается, то уравнения принимают вид:v = v 0 + at, s = v 0 t - at 2 / 2 . Такое движение называют равнозамедленным.

Все физические величины, характеризующие движение тела (скорость, ускорение, перемещение), а также вид траектории, могут изменяться при пере­ходе из одной системы к другой, т. е. характер дви­жения зависит от выбора системы отсчета, в этом и проявляется относительность движения. Например, в воздухе происходит дозаправка самолета топливом. В системе отсчета, связанной с самолетом, другой самолет находится в покое, а в системе отсчета, свя­занной с Землей, оба самолета находятся в движе­нии. При движении велосипедиста точка колеса в системе отсчета, связанной с осью, имеет траекто­рию, представленную на рисунке 1.

Рис. 1 Рис. 2

В системе отсчета, связанной с Землей, вид траектории оказывается другим (рис. 2).

Билет№3

Взаимодействие тел. Сила. Законы Ньютона

Закон. Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела.

Закон. При взаимодействии тел возникают силы, равные по величине, противоположные по направлению, направленные вдоль одной прямой, одинаковые по природе и приложенные к разным телам.

План ответа

Взаимодействие тел. 2. Виды взаимодейст­вия. 3. Сила. 4. Силы в механике.

Простые наблюдения и опыты, например с те­лежками (рис. 3), приводят к следующим качествен­ным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной;

б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или, чем ближе два одно­именных заряда, тем сильнее они будут притяги­ваться. В простейших случаях взаимодействия коли­чественной характеристикой является сила. Сила - причина ускорения тел по отношению к инерциальной системе отсчета или их деформации. Сила - это

векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимо­действии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точ­кой приложения; в) направлением.

Единица измерения силы - ньютон. 1 нью­тон - это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодей­ствующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу.

R=F1+F2+...+Fn,.

Качественно по своим свойствам взаимодей­ствия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием заря­дов у частиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинами­ке: сила Ампера - F = IlBsina, сила Лоренца - F=qv Bsin a., кулоновская сила - F = q 1 q 2 /r 2 ; и гравитационные силы: закон всемирного тяготе­ния-F = Gm 1 m 2 /r 2 . Такие механические силы, как

сила упругости и сила трения, возникают в резуль­тате электромагнитного взаимодействия. Для их рас­чета необходимо использовать формулы: .Fynp = -kx (закон Гука), Fтр = MN - сила трения.

На основании опытных данных были сформу­лированы законы Ньютона. Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело, прямо про­порционально равнодействующей всех сил, дей­ствующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействую­щая сила: а = F/m.

Для решения задач закон часто записывают в виде: F = та.

Билет4

Импульс тела. Закон сохранения импульса в природе и технике

План ответа

1. Импульс тела. 2. Закон сохранения импуль­са. 3. Применение закона сохранения импульса. 4. Реактивное движение.

Простые наблюдения и опыты доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зави­сит от выбора системы отсчета; по второму закону Ньютона, независимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение скорости его движе­ния может происходить только при действии силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохра­няться при взаимодействии тел. Такими величинами являются энергия и импульс.

Импульсом тела называют векторную физи­ческую величину, являющуюся количественной ха­рактеристикой поступательного движения тел. Им­пульс обозначается р. Единица измерения импульса Р - кг м/с. Импульс тела равен произведению мас­сы тела на его скорость: р = mv. Направление векто­ра импульса р совпадает с направлением вектора скорости тела v (рис. 4).

Рис. 4

Для импульса тел выполняется закон сохране­ния, который справедлив только для замкнутых фи­зических систем. В общем случае замкнутой назы­вают систему, которая не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в нее. В механикезамкнутой называют систему, на кото­рую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. В этом случае р 1 = р 2 где р 1 - начальный импульс системы, а р 2 - конеч­ный. В случае двух тел, входящих в систему, это вы­ражение имеет вид m 1 v 1 + т 2 v 2 = m 1 v 1 " + т 2 v 2 " где т 1 и т 2 - массы тел, а v 1 и v 2 , - скорости до взаимодей­ствия, v 1 " иv 2 " - скорости после взаимодействия. Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса:импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых вза­имодействиях, происходящих внутри этой системы.

Другими словами: в замкнутой физической системе геометрическая сумма импульсов тел до взаимодействия равна геометрической сумме импульсов этих тел после взаимодействия. В случае незамкнутой системы импульс тел системы не сохраняется. Одна­ко, если в системе существует направление, по кото­рому внешние силы не действуют или их действие скомпенсировано, то сохраняется проекция импульса на это направление. Кроме того, если время взаимо­действия мало (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае незамкнутой системы внешние силы незначительно изменяют импульсы взаимодействую­щих тел. Поэтому для практических расчетов в этом случае тоже можно применять закон сохранения им­пульса.

Экспериментальные исследования взаимодей­ствий различных тел - от планет и звезд до атомов и элементарных частиц - показали, что в любой си­стеме взаимодействующих тел при отсутствии дей­ствия со стороны других тел, не входящих в систему или равенстве нулю суммы действующих сил, гео­метрическая сумма импульсов тел действительно остается неизменной.

В механике закон сохранения импульса и за­коны Ньютона связаны между собой. Если на тело массой т в течение времени t действует сила и ско­рость его движения изменяется от v 0 до v, то уско­рение движения a тела равно a = (v - v 0)/t. На осно­вании второго закона Ньютона для силы F можно записать F = та = m(v - v 0)/t, отсюда следует Ft = mv - mv 0 .

Ft - векторная физическая величина, харак­теризующая действие на тело силы за некоторый промежуток времени и равная произведению силы на время t ее действия, называетсяимпульсом силы.

Единица импульсав СИ - Н с.

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения.Реактивное движение - это такое движение тела, которое возникает после отде­ления от тела его части.

Пусть тело массой т покоилось. От тела отде­лилась какая-то его часть т 1 со скоростью v 1 . Тогда

оставшаяся часть придет в движение в противопо­ложную сторону со скоростью v 2 , масса оставшейся части т 2 Действительно, сумма импульсов обоих частей тела до отделения была равна нулю и после разделения будет равна нулю:

т 1 v 1 +m 2 v 2 = 0, отсюда v 1 = -m 2 v 2 /m 1 .

Большая заслуга в развитии теории реак­тивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому.

Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рас­считал запасы топлива, необходимые для преодоле­ния силы земного притяжения; основы теории жид­костного реактивного двигателя, а так же элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работают одно­временно) и последовательный (реактивные двигате­ли работают друг за другом). К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет с жидкостным реактивным двигате­лем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рассмотрел условия жизни и жизнеобеспе­чения на них. Технические идеи Циолковского нахо­дят применение при создании современной ракетно-космической техники. Движение с помощью реак­тивной струи, по закону сохранения импульса, ле­жит в основе гидрореактивного двигателя. В основе движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, кальмаров, каракатиц) также лежит реактив­ный принцип.

В классической механике считается, что:

а) Масса материальной точки не зависит от состояния движения точки, являясь ее неизменной характеристикой.

б) Масса – величина аддитивная, т.е. масса системы (например, тела) равна сумме масс вех материальных точек, входящих в состав этой системы.

в) Масса замкнутой системы остается неизменной при любых процессах, происходящих в этой системе (закон сохранения массы).

Плотностью ρ тела в данной его точке M называется отношение массы dm малого элемента тела, включающего точку M , к величине dV объема этого элемента:

Размеры рассматриваемого элемента должны быть столь малы, чтобы изменением плотности в его пределах можно было во много раз больше межмолекулярных расстояний.

Тело называется однородным , если во всех его точках плотность одинакова. Масса однородного тела равна произведению его плотности на объем:

Масса неоднородного тела:

dV,

где ρ – функция координат, а интегрирование проводится по всему объему тела. Средней плотностью (ρ) неоднородного тела называется отношение его массы к объему: (ρ)=m/V.

Центром масс системы материальных точек называется точка С, радиус-вектор

которой равен: и – масса и радиус-вектор i -й материальной точки, n – общее число материальных точек в системе, а m= - масса всей системы.

Скорость центра масс:

Векторная величина

, равная произведению массы материальной точки на ее скорость , называется импульсом, или количеством движения , этой материальной точки. Импульсом системы материальных точек называется вектор p , равный геометрической сумме импульсов всех материальных точек системы:

импульс системы равен произведению массы всей системы на скорость центра ее масс:

Второй закон Ньютона

Основным законом динамики материальной точки является второй закон Ньютона, который говорит о том, как изменяется механическое движение материальной точки под действием приложенных к ней сил. Второй закон Ньютона гласит: скорость изменения импульса ρ материальной точки равна действующей на нее силе F , т.е.

, или

где m и v – масса и скорость материальной точки.

Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил, то под силой F во втором законе Ньютона нужно понимать геометрическую сумму всех действующих сил – как активных, так и реакций связей, т.е. равнодействующую силу.

Векторная величина F dt называется элементарном импульсом силы F за малое время dt ее действия. Импульс силы F за конечный промежуток времени от

до равен определенному интегралу:

где F , в общем случае, зависит от времени t .

Согласно второму закону Ньютона изменение импульса материальной точки равно импульсу действующей на нее силы:

d p= Fdt и

, – значение импульса материальной точки в конце ( ) и в начале ( ) рассматриваемого промежутка времени.

Поскольку в ньютоновской механике масса m материальной точки не зависит от состояния движения точки, то

Поэтому математическое выражение второго закона Ньютона можно также представить в форме

– ускорение материальной точки, r – ее радиус-вектор. Соответственно формулировка второго закона Ньютона гласит: ускорение материальной точки совпадает по направлению с действующей на нее силой и равно отношению этой силы к массе материальной точки.

Касательное и нормальное ускорение материальной определяются соответствующими составляющими силы F

, – модуль вектора скорости материальной точки, а R – радиус кривизны ее траектории. Сила , сообщающая материальной точке нормальное ускорение, направлена к центру кривизны траектории точки и потому называется центростремительной силой.

Если на материальную точку одновременно действуют несколько сил

, то ее ускорение . Следовательно, каждая из сил, одновременно действующих на материальную точку, сообщает ей такое же ускорение, как если бы других сил не было (принцип независимости действия сил).

Дифференциальным уравнением движения материальной точки называется уравнение

В проекциях на оси прямоугольной декартовой системы координат это уравнение имеет вид

, ,

где x, y и z – координаты движущейся точки.

Третий закон Ньютона . Движение центра масс

Механическое действие тел друг на друга проявляется в виде их взаимодействия. Об этом говорит третий закон Ньютона: две материальные точки действуют друг на друга с силами, которые численно равны и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти точки.

– сила, действующая на i - ю материальную точку со стороны k - й, а – сила действующая на k-ю материальную точку со стороны i-й, то, согласно третьему закону Ньютона, приложены к разным материальным точкам и могут и взаимно уравновешиваться только в тех случаях, когда эти точки принадлежат одному и тому же абсолютно твердому телу.

Третий закон Ньютона является существенным дополнением к первому и второму законам. Он позволяет перейти от динамики отдельной материальной точки к динамике произвольной механической системы (системы материальных точек). Из третьего закона Ньютона следует, что в любой механической системе геометрическая сумма всех внутренних сил равна нулю: где

– результирующая внешних сил, приложенных к i -й материальной точке.

Из второго и третьего законов Ньютона следует, что первая производная по времени t от импульса p механической системы равна главному вектору всех внешних сил, приложенных к системе,

.

Это уравнение выражает закон изменения импульса системы.

В чем причина движения тел? Ответ на этот вопрос дает раздел механики, называемый динамикой.
Как можно изменить скорость тела, заставить его двигаться быстрее или медленнее? Только при взаимодействии с другими телами. При взаимодействии тела могут поменять не только скорость, но и направление движения и деформироваться, изменив при этом форму и объем. В динамике для количественной меры взаимодействия тел друг на друга введена величина названная силой. А изменение скорости за время действия силы характеризуется ускорением. Сила есть причина ускорения.

Понятие силы

Сила – это векторная физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое, проявляющееся в деформации тела или изменении его движения относительно других тел.

Сила обозначается буквой F. За единицу измерения в системе СИ принят Ньютон (Н), который равен силе, под действием которой тело массой в один килограмм получает ускорение в один метр на секунду в квадрате. Сила F полностью определена, если заданы ее модуль, направление в пространстве и точка приложения.
Для измерения сил служит специальный прибор называемый динамометром.

Сколько же сил в природе?

Силы можно разделить на два типа:

1. Действуют при непосредственном взаимодействии, контактные (упругие силы, силы трения);
2. Действуют на расстоянии, дальнодействующие (сила притяжения, сила тяжести, магнитные, электрические).

При непосредственном взаимодействии, например выстрел из игрушечного пистолета, тела испытывают изменение формы и объема по сравнению с первоначальным состоянием, то есть деформацию сжатия, растяжения, изгиба. Сжата пружина пистолета перед выстрелом, деформируется пулька при ударе о пружину. В данном случае силы действуют в момент деформации и исчезают вместе с ней. Силы такие называют упругими. Силы трения возникают при непосредственном взаимодействии тел, когда они катятся, скользят друг относительно друга.

Примером сил, действующих на расстоянии, может служить камень, брошенный вверх, вследствие притяжения он упадет на Землю, приливы и отливы, возникающие на океанских побережьях. С увеличением расстояния такие силы убывают.
В зависимости от физической природы взаимодействия силы можно разделить на четыре группы:

• слабые;
• сильные;
• гравитационные;
• электромагнитные.

Со всеми типами этих сил мы встречаемся в природе.
Гравитационные или силы всемирного тяготения являются самыми универсальными, все, что имеет массу способно испытывать эти взаимодействия. Они вездесущи и всепроникающие, но очень слабы, поэтому мы их не замечаем, особенно на огромных расстояниях. Гравитационные силы дальнодействующие, связывают все тела во Вселенной.

Электромагнитные взаимодействия возникают между заряженными телами или частицами, посредством действия электромагнитного поля. Электромагнитные силы позволяют нам видеть предметы, так как свет это одна из форм электромагнитных взаимодействий.

Слабые и сильные взаимодействия стали известны благодаря изучению строения атома и атомного ядра. Сильные взаимодействия возникают между частицами в ядрах. Слабые характеризуют взаимные превращения друг в друга элементарных частиц, действуют при реакциях термоядерного синтеза и радиоактивных распадах ядер.

Если на тело действует несколько сил?

При действии нескольких сил на тело одновременно заменяют это действие одной силой, равной их геометрической сумме. Полученную в этом случае силу называют равнодействующей. Она сообщает телу то же ускорение, что и одновременно действующие на тело силы. Это так называемый принцип суперпозиции сил.

Из наблюдений можно заметить, что тела изменяют свою скорость только при наличии не скомпенсированного действия. Т. к. быстрота изменения скорости характеризуется ускорением тела, можем заключить, что причиной ускорения является некомпенсированное действие одного тела на другое. Но одно тело не может действовать на другое, не испытывая его действия на себе. Следовательно, ускорение появляется при взаимодействии тел. Ускорение приобретают оба взаимодействующие тела. Так же из наблюдений можно установить ещё один факт: при одинаковом действии разные тела приобретают разные ускорения.

Инертность - это свойство тела сохранять свою скорость постоянной (то же, что и инерция). Проявляет себя в том, что для изменения скорости тела требуется некоторое время. Процесс изменения скорости не может быть мгновенным.

Например, движущийся по дороге автомобиль не может мгновенно остановиться, для уменьшения скорости требуется некоторое время, а за это время он успевает переместиться на довольно большое расстояние (десятки метров). (Осторожно переходите дорогу!!!)

Мерой инертности является инертная масса.

Масса (инертная) - мера инертности тела.

Чем инертнее тело, тем больше его масса. Чем больше инертность, тем меньше ускорение. Следовательно, чем больше масса тела, тем меньше его ускорение: a ∼ 1 m \boxed{a\sim\frac 1m} .

Данная зависимость записана единственно правильным способом, т. к. форма m ∼ 1 a m \sim \frac 1a не верна. Масса не может зависеть от ускорения, она является свойством тела, а ускорение является характеристикой состояния движения тела.

Данная зависимость подтверждается многочисленными опытными результатами.

Рис. 2 Измерение массы методом взаимодействия тел.

Два тела, скреплённые между собой сжатой пружиной, после пережигания нити, удерживающей пружину, начинают двигаться не которое время с ускорением (рис. 1) . Опыт показывает, что при любых взаимодействиях данных двух тел отношение ускорений тел равно обратному отношению их масс:

\[\frac{a_1}{a_2} = \frac{m_2}{m_1};\]

если взять первую массу за эталонную (m 1 = m эт m_1 = m_\mathrm{эт}), то m 2 = m эт a эт a 2 m_2 = m_\mathrm{эт}\frac{a_\mathrm{эт}}{a_2} .

Масса, измеренная путём взаимодействия (измерения ускорения), называется инертной .

Измерение массы методом взвешивания тел.

Второй способ измерения масс основан на сравнении действия Земли на различные тела. Такое сравнение можно осуществить либо последовательно (сначала определяют растяжение пружины под действием эталонных масс, а потом под действием исследуемого тела в тех же условиях ), либо одновременно располагают на равноплечих рычажных весах на одной чаше исследуемое тело, а на другой эталонные массы (рис. 2).

Рис. 2

Рис. 3

Масса, измеренная путём взвешивания, называется гравитационной.

В качестве эталона и той и другой массы принята масса тела, выполненного в форме цилиндра высотой 39 мм 39\ \mathrm{мм} и диаметром 39 мм 39\ \mathrm{мм} , изготовленного из сплава 10 % иридия и 90 % платины (рис. 3).

В 1971 г наши соотечественники Брагинский и Панов придумали и провели опыт по сравнению массы гравитационной и инертной. Оказалось, что с точностью до 10 - 12 10^{-12} % эти массы равны.

Данный факт известен был и ранее, и послужил основанием для формулировки Эйнштейном принципа эквивалентности.

Принцип эквивалентности утверждает, что

1) ускорение, вызванное гравитационным взаимодействием в малой области пространства , и за небольшой интервал времени, неотличимо от ускоренно движущейся системы отсчёта .

2) ускоренно движущееся тело эквивалентно неподвижному телу, находящемуся в гравитационном поле.

Пример 1.

Два тела массами 400 г 400\ \mathrm{г} и 600 г 600\ \mathrm{г} двигались навстречу друг другу и после удара остановились. Какова скорость второго тела, если первое двигалось со скоростью 3 м / с 3\ \mathrm{м}/\mathrm{с} ?