Динамика материальной точки

Содержание

Слайд 2

Динамика материальной точки (частицы)

1. Состояние частицы в классической механике. Механическое движение частицы.

Динамика материальной точки (частицы) 1. Состояние частицы в классической механике. Механическое движение
Принцип причинности.
2. Инерциальные системы отсчёта (ИСО). Первый закон Ньютона.
3. Сила. Инертная масса. Импульс. Второй закон Ньютона.
4. Уравнение движения частицы постоянной массы. Начальные условия. Связи. Прямая и обратная задачи механики.
5. Взаимодействие двух частиц. Третий закон Ньютона.
6. Силы упругости и трения. Законы Гука и Амонтона - Кулона. Формула Стокса.
7. Сила всемирного тяготения. Гравитационная (тяжелая) масса. Принцип эквивалентности.

Слайд 3

Состояние частицы в классической механике.

В классической механике состояние частицы определяется с

Состояние частицы в классической механике. В классической механике состояние частицы определяется с
помощью её радиус-вектора (t) и мгновенной скорости .
Механическое движение понимается как изменение во времени состояния частицы. Состояние частицы может быть задано только после выбора определённой системы отсчёта. Системы отсчета, построенные на основе тел, не имеющих ускорения называются инерциальными .

Слайд 4

ПРИНЦИП ПРИЧИННОСТИ

Законы динамики выражают причинно-следственную связь между источником движения и характером этого

ПРИНЦИП ПРИЧИННОСТИ Законы динамики выражают причинно-следственную связь между источником движения и характером
движения (изменением состояния частицы). Принцип причинности играет очень важную роль во всей физике, поскольку выражает связь, детерминированность, обусловленность событий, протекающих последовательно во времени. Причина всегда предшествует во времени следствию.

Слайд 5

Причиной изменения характера движения является сила.
Сила – это векторная величина, являющаяся мерой

Причиной изменения характера движения является сила. Сила – это векторная величина, являющаяся
механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.
Под действием сил тела либо изменяют
скорость движения, т.е. приобретают ускорения
( динамическое проявление сил ), либо
деформируются, т.е. изменяют свою форму и
размеры ( статическое проявление сил).
В системе СИ сила измеряется в ньютонах [Н].
1Н=1кг·м/с2

Слайд 6

Законы Ньютона
Исаак Ньютон (1642 - 1727) – великий ученый, сделавший большой

Законы Ньютона Исаак Ньютон (1642 - 1727) – великий ученый, сделавший большой
вклад в развитие физики и математики.
важнейшие работы:
закон всемирного тяготения, дифференциальное и интегральное исчисления, изобрел зеркальный телескоп

Слайд 7

Первый закон Ньютона:
Всякая материальная точка сохраняет
состояние покоя или равномерного

Первый закон Ньютона: Всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолиней-
прямолиней-
ного движения до тех пор, пока воздействие со
стороны других тел не заставит её изменить
это состояние.
Стремление тела сохранять
состояние покоя или равномер-
ного прямолинейного движения
называется инертностью.
Первый закон Ньютона
называют законом инерции.

Слайд 8

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчёта. Первый

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчёта. Первый закон
закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчёта, а те системы, по отношению к которым он выполняется, называются инерциальными системами отсчёта.
Инерциальной системой отсчёта является такая система отсчёта, относительно которой материальная точка, свободная от внешних воздействий, либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно (т.е. с постоянной скоростью).
Таким образом, первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчёта (ИСО).
В природе существует ИСО. Это гелиоцентрическая система: в центре – солнце, оси направлены на удаленные звезды, положение которых мало меняется в пространстве.

Слайд 9

Система отсчёта, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальная, однако эффекты, обусловленные

Система отсчёта, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальная, однако эффекты, обусловленные её
её неинерциальностью (Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца) при решении многих задач малы, и в этих случаях её можно считать инерциальной.
Из приведённых выше примеров легко понять, что основным признаком инерциальной системы является отсутствие ускорения.

Слайд 10

При одинаковых воздействиях различные тела
неодинаково изменяют скорость своего движения, т.е.

При одинаковых воздействиях различные тела неодинаково изменяют скорость своего движения, т.е. приобретают
приобретают различные ускорения. Ускорение зависит не только от величины воздействия, но и от свойства самого тела (от его массы).
Масса тела – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства.
Доказано, что инертная и гравитационная массы равны друг другу (с точностью, не меньшей 10-12 их значения)

Масса – величина аддитивная (масса тела равна сумме масс частей, составляющих это тело).

Масса

Слайд 12

ИМПУЛЬС ТЕЛА

Произведение массы тела m на скорость
называется импульсом тела

ИМПУЛЬС ТЕЛА Произведение массы тела m на скорость называется импульсом тела

Слайд 13

Второй закон Ньютона

Согласно второму закону Ньютона, в инерциальной системе отсчета первая производная

Второй закон Ньютона Согласно второму закону Ньютона, в инерциальной системе отсчета первая
импульса частицы по времени t равна полной (суммарной) силе , действующей на частицу:

где полная сила есть векторная сумма всех сил, действующих на частицу. В системе СИ масса m измеряется в килограммах, а сила – в ньютонах.

Слайд 14

Выражение второго закона через ускорение a :

т. к.

то

но

тогда

2-ой закон
Ньютона

(уравнение движения

Выражение второго закона через ускорение a : т. к. то но тогда
частицы постоянной массы)
Масса, умноженная на ускорение, равна
действующей силе.
Второй закон Ньютона
можно записать в другом
виде: и это
читается:
изменение импульса равно импульсу
силы.



Слайд 15

Уравнение движения частицы постоянной массы. При заданной силе , неизвестной функцией

Уравнение движения частицы постоянной массы. При заданной силе , неизвестной функцией времени
времени является радиус-вектор частицы (обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка по времени)
Для однозначного нахождения решения дифференциального уравнения необходимо задать не только действующую силу, но и два начальных условия.

Слайд 17

Третий закон Ньютона

Взаимодействие между материальными точками (телами) в инерциальной системе

Третий закон Ньютона Взаимодействие между материальными точками (телами) в инерциальной системе отсчёта
отсчёта 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, противоположно направлены и
действуют вдоль прямой,
соединяющей эти точки:

Слайд 18

Всякое действие вызывает равное по величине противодействие

3-й Закон Ньютона в общем

Всякое действие вызывает равное по величине противодействие 3-й Закон Ньютона в общем
случае является универсальным законом взаимодействий:

F21

F12

Подчеркнем, что силы, связанные по 3 закону Ньютона, приложены к различным телам и, следовательно, никогда не могут начинаться в одной точке и компенсировать друг друга

Слайд 20

силы в механике
В настоящее время в физике, различают четыре типа

силы в механике В настоящее время в физике, различают четыре типа сил
сил или взаимодействий:
гравитационные;
электромагнитные;
сильные (ответственные за связь частиц в ядрах)
слабые (ответственные за распад частиц)

Слайд 21

Силы упругости

Электромагнитные силы, действующие между молекулами и атомами, проявляют себя

Силы упругости Электромагнитные силы, действующие между молекулами и атомами, проявляют себя как
как упругие силы и силы трения.
Под действием внешних сил возникают деформации (т.е. изменение размеров и формы) тел. Если после прекращения действия внешних сил восстанавливаются прежние форма и размеры тела, то деформация называется упругой. Деформация имеет упругий характер в случае, если внешняя сила не превосходит определенного значения, которая называется пределом упругости.

Слайд 22

При превышении этого предела деформация становится пластичной или неупругой, т.е. первоначальные

При превышении этого предела деформация становится пластичной или неупругой, т.е. первоначальные размеры
размеры и форма тела полностью не восстанавливается.
Рассмотрим упругие деформации.
В деформированном теле (рис) возникают упругие силы, уравновешивающие внешние силы.

Слайд 23

Удлинение пружины пропорционально
внешней силе и определяется законом Гука:
где k – жесткость

Удлинение пружины пропорционально внешней силе и определяется законом Гука: где k –
пружины.
Чем больше k,
тем меньшее
удлинение
получит пружина
под действием
данной силы.

Слайд 24

Роберт Гук (1635 – 1703)-
знаменитый английский физик,
сделавший множество
изобретений и

Роберт Гук (1635 – 1703)- знаменитый английский физик, сделавший множество изобретений и
открытий в области
механики, термодинамики,
положил начало физической оптике.

Слайд 25

Так как упругая сила отличается от внешней только знаком, т.е.
то

Так как упругая сила отличается от внешней только знаком, т.е. то закон
закон Гука можно записать в виде:

Слайд 27

Cилы трения

Введем классификацию сил трения.
Трение подразделяется на внешнее и внутреннее.
Внешнее трение возникает

Cилы трения Введем классификацию сил трения. Трение подразделяется на внешнее и внутреннее.
при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения или трение покоя).
Внутреннее трение наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела (например, жидкость или газ).
Различают сухое и жидкое (или вязкое) трение.

Слайд 28

Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой

Жидким (вязким) называется трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой
или ее слоями.
Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения. Рассмотрим законы сухого трения

Слайд 29

Подействуем на тело внешней силой ,
постепенно увеличивая ее модуль.

Подействуем на тело внешней силой , постепенно увеличивая ее модуль. Вначале брусок
Вначале брусок будет оставаться неподвижным, значит внешняя сила уравновешивается некоторой силой
В этом случае – есть сила трения покоя.
Когда модуль внешней силы, а следовательно, и модуль силы трения покоя превысит значение F0 , тело начнет скользить
по опоре - трение покоя
Fтр.пок сменится
трением скольжения
Fтр.ск.

Слайд 30

Сила трения скольжения возникает при движении одного тела относительно поверхности другого

Сила трения скольжения возникает при движении одного тела относительно поверхности другого тела.
тела. Эта сила направлена по касательной к данной поверхности против вектора относительной скорости и описывается формулой
где µ - коэффициент трения скольжения тела (µ>0), N- сила реакции опоры, действующая на тело. Выражение называется законом Амонтона - Кулона.

Слайд 31

Если тело движется вдоль оси х, зависимость
силы трения скольжения Fтр.ск.х от

Если тело движется вдоль оси х, зависимость силы трения скольжения Fтр.ск.х от

относительной скорости V отн. х = Vx имеет вид
Согласно приведённой зависимости (синяя линия) сила трения скольжения нелинейно зависит от относительной скорости тела, однако для многих практических задач можно принять ее постоянной (красная линия)

Слайд 32

Установлено, что максимальная сила трения
покоя не зависит от площади соприкосновения

Установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел
тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N
μ0 – коэффициент трения покоя – зависит от природы и состояния трущихся поверхностей.
Аналогично и для силы трения скольжения

Слайд 33

В случае относительно медленного движения тела в газовой или жидкой среде

В случае относительно медленного движения тела в газовой или жидкой среде на
на него действует сила вязкого трения:
где V - скорость тела и b >0 – коэффициент, зависящий от свойств среды и тела. Для гладкого шарика радиусом r справедлива формула Стокса
b = 6πηr - сила Стокса
где η - вязкость среды. В области больших скоростей следует учитывать силу сопротивления среды, величина которой пропорциональна квадрату скорости и площади поперечного сечения тела.

Слайд 34

Сила всемирного тяготения

Основой для формулировки закона всемирного тяготения Ньютоном послужили

Сила всемирного тяготения Основой для формулировки закона всемирного тяготения Ньютоном послужили эмпирические
эмпирические законы Кеплера, полученные путём обобщения многолетних наблюдений за движением планет Солнечной системы. Кеплер

Слайд 35

Согласно Ньютону сила гравитационного притяжения двух частиц, находящихся на расстоянии r

Согласно Ньютону сила гравитационного притяжения двух частиц, находящихся на расстоянии r друг
друг от друга, описывается формулой
где - гравитационная постоянная.

Слайд 36

Гравитационная постоянная , была определена впервые Генри Кавендишем в 1798 г.

Гравитационная постоянная , была определена впервые Генри Кавендишем в 1798 г. с
с помощью изобретенных им крутильных весов.