Масса тела. Взаимодействие тел. Сила

Тема 3. От классической физики

К современной физической картине мира

Принцип соответствия в методологии науки(в форме утверждения):

«Любая новая теория должна включать старую, хорошо проверенную теорию и ее результаты как частный случай (т.е. старая теория дает точные результаты в известных границах применимости)».

 

Например, механика Исаака Ньютона выполняется при скоростях, меньших 100 км/сек, т.е. при малых скоростях классическая механика может быть основанием для расчета движения тел.

При больших скоростях должны учитываться эффекты, описываемые теорией относительности Альберта Эйнштейна.  

Основополагающие концепции, теории, законы и принципы классической физики.

 

К теориям, не утратившим научную ценность и значимость, в первую очередь следует отнести:

- теоретическую механику,

- молекулярно-кинетическую теорию,

- термодинамику,

- теорию электричества и электродинамику.

Основы классической механики.

Три закона Ньютона составляют фундамент динамики – науки, позволяющей описывать механическое движение, определять действующие силы, скорости, ускорения тел и их массы.

 

Закон инерции. Принцип относительности Галилея.

 

Первый закон динамики: если на тело не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано, оно сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

 

Формулировка принципа относительности, согласно которой законы механики во всех инерциальных системах отсчёта инвариантны (т.е. действуют одинаково), для физики чрезвычайно важна.

Из нее следует, что никакими механическими опытами, проводящимися в инерциальной системе, нельзя определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно. Принцип относительности установленГалилеем в 1636 г.

 

Масса тела. Взаимодействие тел. Сила.

 

Способность тела сохранять скорость называется инерцией. Мерой инерции является масса тела. Масса – величина скалярная. В системе Си единицей измерения массы является килограмм (кг).

Воздействие одного тела на другое называется силой. Сила является векторной величиной: ее направление совпадает с вектором ускорения, которое приобретает тело под действием силы. Единицей измерения силы в системе СИ является ньютон: [Н] = [кг]·[м]/[с²].

Второй закон динамики: ускорение тела прямо пропорционально результирующей силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела. В математической форме: ā = F̃/m.

                           

здесь F̃ – результирующая сила, то есть векторная сумма всех сил, действующих на тело.

 

Третий закон динамики: тела взаимодействуют с силами, равными по величине и противоположными по направлению и направленными вдоль прямой, соединяющей эти тела. В математической форме: F̃12 = − F̃21

F̃12 – сила, действующая на первое тело, со стороны второго;

F̃21 – сила, действующая на второе тело, со стороны первого.

 

Сформулированные Ньютоном законы динамики играют роль аксиом, т.е. утверждений, не выводимых из более общих положений. Эти законы строго выполняются только в инерциальных системах отсчета. Они сформулированы для идеализированных объектов (материальных точек): их применение для реальных тел, имеющих конечные размеры, требует уточнения.

Виды взаимодействий.

Силы, проявляющие себя в динамических процессах, имеют разную природу. Одну из таких сил исследовал Ньютон, установивший закон гравитационного взаимодействия тел. Впоследствии экспериментально были установлены законы для других видов сил – упругости, трения, электрических и т.д.

 

Закон всемирного тяготения (установлен Ньютоном в 1687 г.): два тела притягиваются с силами, прямо пропорциональными произведению их масс и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними; векторы сил приложены к каждому из тел и направлены вдоль прямой, соединяющей тела.

 

G – коэффициент пропорциональности, названный гравитационной постоянной. Значение гравитационной постоянной в системе СИ равно 6,6720·10^-11 м²/с²·кг.

 

Для гравитационных сил справедлив принцип суперпозиции: сила, действующая на тело со стороны других тел, равна векторной сумме сил действующих со стороны каждого тела.

 

Вопрос о природе гравитационного взаимодействия является достаточно сложным. Сам Ньютон на этот вопрос давал лаконичный ответ: «Гипотез не измышляю». Тогда считалось, что каким-то образом одно тело может притягивать другое – это действие передается мгновенно: принцип дальнодействия.

 

Подобный взгляд на все виды взаимодействий был характерен до начала XIX в., пока в рамках волновой теории электромагнитного поля не был выдвинут альтернативный принцип близкодействия.    В XIX веке «полевая» гипотеза распространилась и на гравитацию.

 

Существование гравитационных волн экспериментально подтверждено в XXI веке: о первом прямом детектировании гравитационных волн было объявлено 11 февраля 2016 года. За экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Нобелевский комитет присудил премию по физике американским учёным Райнеру Вайссу, Барри Баришу и Кипу Торну, чья работа помогла обнаружить гравитационные волны, существование которых предсказывал Альберт Эйнштейн.

Такие волны появляются в результате космических катастроф, когда огромные массы вещества превращаются в энергию и распространяются во Вселенной со скоростью света. Впервые они были зафиксированы в сентябре 2015 года – их источником стало столкновение массивных чёрных дыр, произошедшее 1,3 млрд. лет назад.