Приняв гипотезу о едином четырехмерном пространстве-ремени, или четырехмерном мире, мы должны пересмотреть классическую механику Ньютона, исправить ее, сделав инвариантной не относительно преобразований Галилея, а относительно преобразований Лоренца. Такую программу пересмотра динамики материальной точки в классической механике выполнил Минковский, создавший релятивистскую динамику материальной точки.
Чтобы перейти в обычном трехмерном пространстве к геометрически естественным величинам (не зависящим от выбора системы декартовых координат, как координаты точки или компоненты вектора), вводят понятия трехмерных векторов а, b и т.д. и операции над этими векторами, в частности длина вектора а равна
и косинус угла между векторами а и b равен
,
где
- скалярное произведение векторов а в b. В частности, квадрат длины радиус-вектора г точки М с координатами x,y,z, в некоторой декартовой системе координат, который имеет декартовы компоненты г (x, у, z), равен
В четырехмерном мире для мгновенного точечного события М с координатами x,y,z,t в некоторой инерциальной системе отсчета можно ввести "4-радиус-вектор" c компонентами
|
|
причем квадрат длины этого вектора равен
Мгновенной скорость материальной точки
не является лоренц-инвариантной величиной, поэтому Минковский вместо нее в четырехмерном мире ввел релятивистски инвариантную "4-скорость", которая имеет компоненты
- интервал так называемого собственного времени материальной точки, связанный с ds - релятивистским интервалом между двумя близкими мгновенными точечными событиями, характеризующими два бесконечно близких состояния движения движущейся точки
и
соотношением
, т.е.
где v - обычная мгновенная скорость материальной точки. Так что
Аналогичным образом релятивистски инвариантное "4-ускорение " Минковский определил следующим образом:
Основные уравнения релятивистской динамики материальной точки в релятивистской механике Минковский записал следующим образом:
где - так называемая "масса покоя" материальной точки
- компоненты так называемой "4-силы " Минковского.
Покажем теперь, как уравнения Минковского релятивистской динамики материальной точки связаны с обычными уравнениями Ньютона для материальной точки. Прежде всего очевидно, что
так что
т.е. 4-скорость всегда имеет постоянную величину, чисто мнимую, по модулю равную с.
Используя найденные формулы для компонент 4-скорости и формулу для дифференциала собственного времени, имеем следующие
уравнения движения:
Три уравнения, в которые входят легко сопоставить с уравнениями Ньютона. Нужно только предположить, что теперь масса m материальной точки зависит от скорости по закону
|
|
а импульс движущейся материальной точки определяется формулой
где v - вектор мгновенной скорости материальной точки.
Четвертое уравнение, в которое входит , оказывается, выражает уравнение баланса кинетической энергии материальной точки. Чтобы в этом убедиться, умножим уравнения Минковского на и на - , соответственно и сложим. Получим тогда уравнение
Отсюда можно найти . Имеем
где - мгновенная мощность, развиваемая силой, действующей на рассматриваемую материальную точку. Таким образом,
и потому рассматриваемое четвертое уравнение примет вид:
Таким образом, величину
следует считать энергией движущейся материальной точки. Если
,
то приближенно получаем
Второе слагаемое есть классическая кинетическая энергия материальной точки
а первое слагаемое - так называемая "энергия покоя". Кинетической энергией материальной точки в релятивистской механике называют величину
Приведем еще одно важное соотношение, связывающее импульс и энергию релятивистской материальной точки. Имеем
так что имеем формулу
В заключение заметим, что описываемое релятивистское обобщение классической механики материальной точки сказалось полезным при применении к электронам и другим элементарным частицам, и, как показали эксперименты, очень хорошо описывают механические движения.
Вместе с тем, здесь следует отметить, что попытки релятивистского обобщения уравнений классической механики Ньютона для системы даже двух материальных точек в релятивистской механике не увенчались успехом, здесь она столкнулись с серьезными противоречиями и непреодолимыми трудностями.
Некоторые зависимости механики
Механика.
Кинематика.
Обозн. | Изм. | Смысл |
S | м | пройденный путь |
v | м/с | скорость |
t | с | время |
x | м | координата |
a | м/с2 | ускорение |
w | с-1 | угловая скорость |
T | с | период |
Гц | частота | |
e | с-2 | угловое ускорение |
R | м | радиус |
Скорость и ускорение.
, ,
Равномерное движение:
, ;
Равнопеременное движение:
a=const, , ;
, ; v=v0+at, ;
;
Криволинейное движение.
,
Вращательное движение.
, , ; ;
, ; , ;
, , , ;
Динамика и статика.
Обозн. | Изм. | Смысл |
F | Н | сила |
P | кг*м/с | импульс |
a | м/с2 | ускорение |
m | кг | масса |
v | м/с | скорость |
p | Н | вес тела |
g | м/с2 | ускорение свободного падения |
E | Дж | энергия |
A | Дж | работа |
N | Вт | мощность |
t | с | время |
I | кг*м2 | момент инерции |
L | кг*м2/с | момент импульса |
M | Н*м | момент силы |
w | с-1 | угловая скорость |
Первый закон Ньютона:
Второй закон Ньютона.
, , при m=const è
Третий закон Ньютона.
Основной закон динамики для неинерциальных систем отчета.
ma=ma0+Fинерц,где а- ускорение в неинерциальной а0- в инерциальной системе отчета.
Силы разной природы.
Скорость центра масс ;
Закон всемирного тяготения.
,
- ускорение свободного падения на планете.
- первая космическая скорость.
Вес тела.
p=mg - вес тела в покое.
p=m(g+a) - опора движется с ускорением вверх.
p=m(g-a) - опора движется с ускорением вниз.
p=m(g-v2/r) - движение по выпуклой траектории.
p=m(g+v2/r) - движение по вогнутой траектории.
Сила трения.
,
Закон Гука.
Fупр=–kx, - сила упругости деформированной пружины.
- механическое напряжение
- относительное продольное удлинение (сжатие)
- относительное поперечное удлинение (сжатие)
, где m- коэффициент Пуассона.
Закон Гука: , где Е- модуль Юнга.
, кинетическая энергия упругорастянутого (сжатого) стержня. (V- объем тела)
Динамика и статика вращательного движения.
- момент импульса
; - момент силы
L=const - закон сохранения момента импульса.
M=Fl, где l- плечо
I=I0+mb2 - теорема Штейнера
|
|
система | ось | I |
точка по окружности | ось симметрии | mR2 |
стержень | через середину | 1/12 mR2 |
стержень | через конец | 1/3 mR2 |
шар | через центр шара | 2/5 mR2 |
сфера | через центр сферы | 2/3 mR2 |
кольцо или тонкостенный цилиндр | ось симметрии | mR2 |
диск сплошной цилиндр | ось симметрии | 1/2 mR2 |
Условие равновесия тел
Законы сохранения.
Закон сохранения импульса.
P=mv; - импульс тела.
Ft=DP
Потенциальная и кинетическая энергия. Мощность.
- работа силы F
A=DE
- мощность
- кинетическая энергия
- кинетическая энергия вращательного движения.
Ep=mgh - потенциальная энергия поднятого над землей тела.
- потенциальная энергия пружины
Закон сохранения энергии.
Eк1+Eр1=Eк2+Eр2