Лекция №2. Тема: Динамика поступательного движения

Тема: Динамика поступательного движения. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Силы в механике: упругости, трения, гравитационные. Масса тела, релятивистская масса. Импульс тела. 2-й и 3-й законы Ньютона. Закон сохранения импульса.

Динамика же изучает движение тел в связи с теми причинами (взаимодействиями между телами), которые обусловливают тот или иной характер движения.

Пространство-Время – всеобщая двуединая форма существования материи в известных нам измерениях. Считается, что Пространство – это форма существования, структурность и протяженность материальных объектов и процессов, а Время – это форма последовательной смены явлений и состояний материи. Пространство выражает прерывность и непрерывность, ограниченность и неограниченность полей и тел, их относительные размеры и взаимное расположение. Время характеризует последова­тельность явлений, совместность или разделенность их друг от друга, относительную их длительность. Поэтому научные представле­ния о пространстве и времени имеют исключительно важное значение для физики. Классическая физика основывалась на представлениях об абсолютном пространстве и времени, введенных в науку Ньютоном. По мере углубления научных знаний об окружающем мире понятия об аб­солютных пространстве и времени постепенно обнаруживали свою не­состоятельность. В 1905 г. А. Эйнштейном была создана специальная теория относительности, в которой общие пространственно-времен­ные отношения в материальном мире рассматриваются с новой точ­ки зрения. Название теории связано с тем, что в ней принцип от­носительности, установленный в классической механике по отношению к движению тел, был распространен на любые физические явления. Принцип относительности движения заключается в том, что вза­имное перемещение тел в замкнутой системе (системе, на которую не действуют внешние силы) не зависит от того, находится ли она в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Системы отсчета, движущиеся одна относительно другой равномер­но и прямолинейно, называются инерциальными системами отсчета. Поэтому принцип относительности движения, введенный в механи­ку Галилеем, можно сформулировать так: все законы механики одинаковы в любой инерциальной системе отсчета. Из этого поло­жения вытекает, что одно и тоже движение тела наблюдается раз­лично в различных инерциальных системах отсчета. В основе тео­рии относительности лежат два постулата.

1.Равномерное прямолинейное движение замкнутой материальной системы не влияет на ход любых физических (механических, элек­тромагнитных и т. п.) процессов, происходящих внутри системы, или законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

2. Скорость света в вакууме является величиной постоянной, не зависящей от равномерного прямолинейного движения источника света относительно наблюдателя. Другими словами, скорость све­та в вакууме в любых направлениях во всех инерциальных систе­мах одинакова.

В соответствии с этими постулатами потребовались другие соотношения для перехода от одной системы отсчета (не штрихованной) к другой (штрихованной), названные преобразованиями Лоренца (рис. 1.1). Опуская вывод, приведем их в окончательном виде:

Х = Z = Z; у = у; t =

где V – скорость перемещения штрихованной системы; С – скорость света в вакууме.

Характерным для этих преобразований является взаимная зависимость между координатами х и х^’ и промежутками времени t и t^’в рассматриваемых системах отсчета. Таким образом, не только координаты, но и счет времени в различных инерциальных системах отличается. Правило сложения скоростей в теории относительности в отличие от классической механики также принимает вид:

.

Преобразования Лоренца

Из преобразований Лоренца следует, что, например, для наблюда­теля, связанного с нештрихованной системой отсчета, размер тела, неподвижного в штрихованной системе и имеющего размер l , уменьшается в направлении движения по соотношению

Аналогично для наблюдателя в нештрихованной системе промежуток времени t между двумя событиями, происходящими в штрихован­ной системе, увеличивается по соотношению

где t₀– промежуток между теми же событиями в штрихованой системе.

Таким образом, понятия длины, размера тела, а также поня­тия времени, промежутка времени или одновременности событий относительны, они зависят от того,в какой системе отсчета наблюдаются. Теория относительности утверждает, что пространство и время взаимосвязаны и относительны, так как обусловливаются свойствами тел или происходящими в них событиями. Абсолютное значение (физическую реальность) имеет только совокупная пространственно - временная характеристика явлений. Мир существует в пространственно- временном континууме, который имеет четыре измерения (три пространственные координаты и четвертую, связан­ную со временем ).

Для характеристики событий при этом пользуются величиной,

называемой пространственно-временным интервалом S, которая связывает начальные и конечные условия, определяющие события:

где x₂, y₂, z₂ и x₁, y_1, z₁ есть пространственные координаты; t₂ и t₁ – соответствующие моменты времени; С – скорость света в вакууме. При этом величина интервала одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Такое положение о пространстве и времени находится в полном соответствии с положением диалектического материализма о том, что пространство и время есть формы существования материи: «В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени».

На основании специальной теории относительности была создана новая релятивистская механика, законы которой являют­ся более универсальными, чем законы классическоймеханики, так как они могут применяться к любым телам и при любых скоростях движения. Формулы теории относительности при малых скоростях дают результат, практически не отличающийся от формул класси­ческоймеханики. Поэтому можносказать, что релятивистскаяме­ханика включает классическуюмеханику как предельный случай при движении тел, скорость которых ничтожно мала по сравнению со скоростью света.

Классическая механика вошла в качестве предельного слу­чая и в квантовуюмеханику, возникшую в 20-х гг. ХХ столе­тия. Таким образом, развитие науки не перечеркнуло классичес­куюмеханику, а лишь показало ее ограниченную применимость. Классическая механика, основывающаяся на законах Ньютона, является механикой тел больших масс, движущихся с малыми (по срав­нению с «С») скоростями.

В наше время значениемеханики Ньютона не падает, а рас­тет. Анализ работы машини механизмов основан на классических моделях механики. И не стоит поддаваться иллюзии, будто быст­рое развитие вычислительной техники и электроники вытесняет механику. В технике, где все летает, плавает, перемещается, совершает работу, электрические, электронные и прочие уст­ройства чаще всего играют лишь вспомогательную роль, а основ­ная функциональная роль принадлежит механическим системам. К тому же большинство изделий электромеханики и электроники основано на моделях классическоймеханики. Кроме того, трех­вековой опыт развития методов научного подхода к проблемам практики, накопленный в классическоймеханике, не может игно­рироваться никакой новой наукой.