11

Таким образом, связь между линейными (длина пути s, пройденного точкой по дуге окружности радиуса R, линейная скоростьυ, тангенциальное ускорение aτ нормальное ускорение аn) и угловыми величинами ( угол поворота φ, угловая скоростьω, угловое ускорениеε ) выражается следующими

формулами:

s = Rφ, υ = Rω, aτ = Rε, an = ω2R

В случае равнопеременного движения точки по окружности (ε = const)

ω = ω0 + εt,	φ = ω0t + εt2/2,
где ω0 — начальная угловая скорость.

Глава 2. Динамика материальной точки

§ 5. Первый закон Ньютона. Масса и сила

Как уже указывалось, кинематика изучает движение тел, не рассматривая причин, обусловливающих это движение. Динамика же рассматривает законы движения тел и те причины, которые его вызывают или изменяют. Динамика является основным разделом механики, в ее основе лежат законы Ньютона.

Первый закон Ньютона – всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит изменить ее это состояние.

Свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии воздействия на него других тел называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также

законом инерции.

Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета, а те системы, по отношению к которым он выполняется, называются

инерциальными системами отсчета. Инерциальной системой отсчета является такая, которая либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то другой инерциальной системы.

С очень высокой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд). Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальна, однако эффекты, обусловленные ее неинерциальностью (Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца), пренебрежимо малы, поэтому при решении многих задач ее можно считать инерциальной.

Из опыта известно, что при одинаковых воздействиях различные тела неодинаково изменяют скорость своего движения, т.е., иными словами,

12

приобретают различные ускорения. Ускорение зависит не только от величины воздействия, но и от свойств 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. С помощью точных экспериментов установлено, что инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу. Выбирая единицы таким образом, чтобы коэффициент пропорциональности стал равным единице, получим, что инертная и гравитационная массы равны друг другу. Поэтому в дальнейшем будем говорить просто о массе тела.

Чтобы описывать воздействия, упоминаемые в первом законе Ньютона, вводят понятие силы. 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 каждый момент времени сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения. Итак, сила — это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело получает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

§ 6. Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона — основной закон динамики поступательного движения — отвечает на вопрос, как изменяется механическое движение материальной точки (тела) под действием приложенных к ней сил.

Если рассмотреть действие различных сил на одно и то же тело, то оказывается, что ускорение всегда прямо пропорционально равнодействующей приложенных сил:

a ~ F

(m = const)

(6.1)

При действии одной и той же силы на различные тела их ускорения оказываются различными. Чем больше масса тела, тем больше его инертность и тем меньшее ускорение под действием данной силы оно приобретает, т. е.

a ~ 1/m

(F = const)

(6.2)

Используя выражения (6.1) и (6.2) и учитывая, что сила и ускорение — величины векторные, можем записать

a = kF/m

(6.3)

Соотношение (6.3) выражает второй закон Ньютона - ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), совпадает по направлению с действующей на нее силой и равно отношению этой силы к массе материальной точки.

13

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона является частным случаем второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующей всех сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение (см. (6.3)) также будет равно нулю.

Всистеме СИ коэффициент пропорциональности k = 1. Тогда

а= F/m,

или

	F = ma = m	dv	(6.4)
		dt

Учитывая, что масса тела (материальной точки) в классической механике есть величина постоянная, в выражении (6.4) ее можно внести под знак производной:

	F =	d	(mv)	(6.5)
		dt

Векторная величина

p=mv,

(6.6)

численно равная произведению массы материальной точки на ее скорость и имеющая направление скорости, называется количеством движения (импульсом) этой материальной точки.

Подставляя (6.6) в (6.5), получим

	F =	dp	(6.7)
		dt

Выражение (6.7) более общая формулировка второго закона Ньютона – производная количества движения материальной точки по времени равна действующей на нее силе.

Из (6.4) следует определение: за единицу силы принимают силу, которая единице массы сообщает ускорение, равное единице. Единица силы — ньютон (Н): 1 Н — сила, которая массе в 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы:1 Н = 1 кг · м/с2.

§ 7. Третий закон Ньютона

Характер взаимодействий между материальными точками (телами) 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,

14

противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F1 = - F2

(7.1)

Рассмотрим, например, два разноименных заряженных тела массами m1 и
		m2, которые притягивают друг друга (рис. 11).
		Под действием сил F1		и F2 тела приобретают
F1	F2	ускорения а1 и	а2. Согласно второму		закону
		Ньютона, можно записать:
a1		a2
Рис. 11		F1 = m1a1	и	F2 = m2a2	(7.2)
		Используя выражения (7.1) и (7			.2),

получим

	m1a1 = - m2a2,
или	a1 = - m2a2/m1,

т. е. ускорения двух взаимодействующих тел обратно пропорциональны их массам и направлены в противоположные стороны.

§ 8. Силы трения

Рассматривая до сих пор силы, мы не интересовались их происхождением. Однако в механических процессах действуют различные силы: трения, упругости, тяготения. Рассмотрим силы трения. Из опыта известно, что всякое тело, движущееся по горизонтальной поверхности другого тела, при отсутствии действия на него других сил с течением времени замедляет свое движение и в конце концов останавливается. С механической точки зрения, это можно объяснить существованием некоторой силы, которая препятствует движению. Это сила трения — сила сопротивления, направленная противоположно относительному перемещению данного тела и приложенная по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Различают внешнее (сухое) и внутреннее (жидкое, или вязкое) трение.

Внешним трением называется трение, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Если соприкасающиеся тела неподвижны друг относительно друга, говорят о трении покоя, если же происходит относительное перемещение этих тел, то в зависимости от характера их относительного движения говорят о трении

скольжения, качения или верчения.

Внутренним трением называется трение между частями одного и того же тела, например, между различными слоями жидкости или газа, скорости которых меняются от слоя к слою. В отличие от внешнего трения здесь отсутствует трение покоя. Если тела скользят относительно друг друга и

15

разделены прослойкой вязкой жидкости (смазки), то трение происходит в слое смазки. В таком случае говорят о гидродинамическом трении (слой смазки достаточно толстый) и граничном трении (толщина смазочной прослойки≈ 0,1 мкм и меньше).

Рассмотрим некоторые закономерности

Fтр

N

F

внешнего трения. Это

трение

обусловлено

шероховатостью

соприкасающихся

поверхностей, в случае же очень гладких

поверхностей

трение

обусловлено

силами

межмолекулярного притяжения.

mg

Рассмотрим лежащее на плоскости тело

(рис.

12),

к

которому

приложена

горизонтальная

сила

F.

Тело придет

в

Рис. 12

движение лишь

тогда,

когда

приложенная

сила F будет больше силы трения Fтр.

Французские

физики

Г.

Амонтон

и

Ш. Кулон опытным путем установили следующий закон: сила Fтр

трения

скольжения пропорциональна силе N нормального давления:

N

Fтр

F

α

α

mg

Рис. 13

или

откуда

Fтр = µN,

где µ — коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.

Найдем значение коэффициента трения. Если тело находится на наклонной плоскости с углом наклонаα (рис. 13), то оно приходит в движение только когда тангенциальная составляющая F силы тяжести mg будет больше силы трения Fтр . Следовательно, в предельном случае (начало скольжения тела)

F = Fтр

mg sinα= µN = µmg cosα

µ = tgα

Таким образом, коэффициент трения равен тангенсу углаα, при котором начинается скольжение тела по наклонной плоскости. коэффициент трения скольжения.