Динамика. Силы в природе

Динамика – раздел физики, изучающий причины возникновения и изменения движения тел.

Основу динамики составляют три закона, открытые английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727).

Инерция. Первый закон Ньютона.

Опыты показывают, что скорость тела может изменяться только при действии на него других тел.

Замечание: Под изменением скорости следует понимать изменение скорости не только по величине, но и по направлению.

Если на тело не действуют другие тела или их действия компенсируются, то оно или находится в покое, или движется прямолинейно и равномерно (Г. Галилей).

Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел или их компенсации называется инерцией.

Системы отсчета, в которых справедливо утверждение Галилея, называются инерциальными системами отсчета.

Любая система отсчета, которая движется равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы, также является инерциальной. Таким образом, существует бесчисленное множество инерциальных систем отсчета.

Существование таких систем отсчета постулирует (определяет) первый закон Ньютона: Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело движется с постоянной по модулю и направлению скоростью при отсутствии действия на него других тел или их компенсации.

Замечание: Покой – частный случай движения тела с постоянной скоростью.

Примечание: первый закон Ньютона иногда называют законом инерции.

Взаимодействие тел.

Для изменения скорости движения тела необходимо действие второго тела. Но опыт показывает, что действие одного тела на другое не может быть односторонним, оба тела действуют друг на друга, то есть взаимодействуют.

Таким образом, причиной изменения скорости движения тел является их взаимодействие.

При взаимодействии изменяются скорости взаимодействующих тел.

Изменение скорости движения тел происходит все время, пока они взаимодействуют.

Масса тела.

а) Из опытов видно, что различные тела по-разному изменяют свою скорость при взаимодействии. То есть за одно и то же время, в течение которого длится взаимодействие, одно из тел изменяет свою скорость на меньшую величину по сравнению с другим, понятно, что это зависит от некоторых свойств тела.

О том теле, которое в результате взаимодействия изменяет свою скорость на меньшую величину, говорят, что оно более инертно.

Инертность – свойство тела сохранять свою скорость постоянной.

Инертностью обладают все тела.

Примечание: Понятие об инертности в физику ввел И. Ньютон.

Масса тела –физическая величина, которая характеризует инертные свойства тела.

Пусть то тело, которое в результате взаимодействия изменяет свою скорость на меньшую величину, то есть более инертно, имеет бóльшую массу по сравнению с другим. И наоборот, если при взаимодействии тело изменяет свою скорость на бóльшую величину, то есть менее инертно, имеет меньшую массу. Или, если массу обозначить буквой m, то (*), где k – постоянная величина, зависящая от характера взаимодействия.

За единицу измерения массы можно выбрать массу любого тела.

Единица измерения массы в СИ: 1 килограмм (1 кг) – масса эталона.

Примечание: масса 1 литра (1 дм³) чистой воды при 4° С равна 1 кг.

Кроме килограмма используют и другие единицы измерения массы:

1 т (1 тонна) = 1000 кг

1 ц (1 центнер) = 100 кг

1 г (1 грамм) = 0,001 кг

Масса, характеризующая инертные свойства тела, называется инертной.

Для двух взаимодействующих тел, согласно (*), справедлива следующая формула, которая подтверждается экспериментом:

, где

Δ - изменение скорости первого тела при взаимодействии;

m₁ – масса первого тела;

Δ - изменение скорости второго тела при взаимодействии;

m₂ – масса второго тела.

Разделим и числитель и знаменатель вышеприведенной формулы на время взаимодействия Dt. Тогда согласно определения ускорения (), получим:

Отношение ускорений взаимодействующих тел обратно пропорционально отношению их масс.

Примечание:

1. Массу тела m можно определить путем взаимодействия его с другим телом известной массы m₀:

2. Равные массы не нарушают равновесия равноплечных весов. Следовательно, неизвестную массу можно определить с помощью сравнения ее с эталонными массами (гирями) на равноплечных весах.

3. Масса обладает свойством аддитивности, т. е. масса системы тел находится как сумма масс тел, составляющих систему.

Таким образом, масса может быть использована как мера количества вещества, т. е. числа его структурных элементов:

, где

m – масса тела;

N – число структурных элементов вещества, например молекул;

m₀ – масса одной молекулы.

Плотность вещества.

Плотность – физическая величина, равная массе единицы объема. Она дает возможность связать две, наиболее часто используемые для измерения количества вещества, величины.

То есть

Обозначение: ρ

Замечание: При определении плотности вещества предполагается, что тело является однородным. Если тело неоднородно, то говорят о средней плотности этого тела.

Единица измерения плотности в СИ: 1 килограмм на куб. метр ().

- плотность такого однородного тела, 1 м³ которого имеет массу 1 кг.

Кроме иногда используют 1 грамм на куб. сантиметр ().

Плотность вещества, как правило, уменьшается с ростом температуры. Одним из исключений является вода: ее плотность с понижением температуры до 4 ºC растет, а при дальнейшем понижении температуры (от 4 до 0 ºC) уменьшается.

Примечание: При решении задач значения плотностей различных веществ берут из таблиц.

Сила.

Сила – физическая величина, количественно характеризующая действие тел друг на друга, то есть являющаяся мерой взаимодействия.

Сила – причина изменения скорости тела (т. е. причина его ускорения), а также причина его деформации.

Деформация – изменение формы или объема тела.

Результат действия силы на тело зависит от ее величины (модуля), направления и точки приложения.

Сила, как и скорость, является векторной величиной, то есть сила кроме числового значения (модуля) имеет еще и направление.

Обозначения: - вектор силы; F – модуль силы.

Графически силу изображают в виде отрезка прямой со стрелкой на конце. Стрелка указывает направление действия силы; начало отрезка есть точка приложения силы; длина отрезка обозначает модуль силы в некотором масштабе.

Результат действия силы, приложенной к телу, не изменится, если ее точку приложения перенести вдоль направления силы (если пренебречь деформацией тела).