Айзерман М.А. Классическая механика (1980)

§7. Поддержание регулярной прецессии относительно произвольной оси при движении симметричного твердого тела с неподвижной

§7. Действие внешней силы, зависящей явно от времени, на произвольную стационарную систему при ее движении вблизи поло-

КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

При подготовке второго издания книги наиболее существенные дополнения включены в первую, вторую, четвертую и седьмую главы; кроме того (на основе замечаний, полученных мною от читателей), во многие места текста внесены отдельные уточнения и исправления.

Автор благодарен читателям за присланные замечания и с интересом ждет их оценки изменений, внесенных во второе издание книги.

К моменту выхода в свет настоящего издания читатели будут располагать задачником, специально приспособленным к построению этого курса и составленным на основе многолетнего опыта кафедры механики МФТИ (Е. С. Пятницкий, Н. М. Трухан, Ю. И. Ханукаев, Г. Н. Яковенко «Сборник задач по аналитической механике»).

Автор надеется, что почти одновременный выход в свет второго издания лекционного курса и задачника поможет использованию опыта кафедры МФТИ кафедрами других высших учебных заведений, которые сталкиваются при преподавании классической механики с теми же проблемами и трудностями.

М. А. Айзерман

Светлой памяти Феликса Рувимовича ГАНТМАХЕРА

посвящает эту книгу автор

ОТ АВТОРА

Эта книга содержит изложение курса лекций по классической механике в том виде, в каком он читался последние годы студентам Московского физико-технического института (МФТИ).

Бесспорна и предельно ясна роль курса классической механики в учебных планах механико-математических факультетов университетов и втузов, готовящих инженеров-механиков. После курса классической механики студенты таких учебных заведений знакомятся с различными дисциплинами, непосредственно на него опирающимися (прикладная механика, сопротивление материалов и теория упругости, гидро- и аэромеханика и т. д.). Курсы теоретической и аналитической механики строятся так, чтобы создать основу для изучения этих дисциплин и привить навыки, необходимые для успешного их освоения.

Иное положение складывается при подготовке физиков и инженеров физических профилей. При подготовке специалистов этих профилей непосредственно за курсом классической механики читаются не упомянутые выше специальные разделы механики, а курсы теоретической физики (теория поля, квантовая механика, статистическая физика и т. д.) и специальные курсы, которые опираются на знание основ теоретической физики.

Разумеется, курсы классической механики, созданные для механико-математических факультетов или втузов, готовящих инже- неров-механиков, оказались малопригодными для подготовки специалистов указанных выше профилей. Если можно было позволить себе не обращать внимания на эти трудности, пока речь шла о сравнительно малочисленных физических факультетах университетов, то положение стало более серьезным, когда количество студентов на этих факультетах выросло во много раз, а масштаб подготовки инженеров физических профилей стал соизмерим с масштабом подготовки инженеров-механиков. В этих условиях настоятельно

8 ОТ АВТОРА

необходимы постепенное создание новых курсов и выработка новых традиций, а это невозможно без обмена опытом кафедр и без широких дискуссий.

Кафедра механики МФТИ за последние годы существенно меняла характер изложения и экспериментировала в поисках курса классической механики, который «вписывался» бы в учебный план подготовки инженеров-физиков. Эти поиски и привели к курсу, излагаемому в настоящей книге.

Курс МФТИ складывался в значительной мере под влиянием Феликса Рувимовича Гантмахера. Ему принадлежат многие методические находки, которые легли в основу принятого в МФТИ построения курса. Неожиданная и преждевременная кончина не позволила Феликсу Рувимовичу самому написать задуманный им курс классической механики. Он успел написать лишь часть этого курса, содержащуюся в его книге «Лекции по аналитической механике», которая вышла первым изданием (1960 г.) при его жизни и вторым изданием (1966 г.) посмертно. Влияние Феликса Рувимовича на остальные разделы курса также столь велико, что эта книга по праву должна была бы быть подписана двумя авторами. Я не счел возможным сделать это только потому, что не был убежден, что Ф. Р. Гантмахер согласился бы со всеми теми изменениями, которые были внесены в этот курс за последние годы.

Курс складывался в ходе учебного процесса, «лекционного опробования», опыта семинарских занятий и экзаменов. Естественно, что все профессора и преподаватели кафедры приняли посильное участие в отработке курса. После того как курс был издан для студентов, я получил и от них немало ценных замечаний и советов. И все же я считаю приятным долгом особо выделить и поблагодарить моих коллег по кафедре — Л. И. Розоноэра, Е. С. Пятницкого и Г. М. Ильичеву. Их многочисленные советы, а порой и подлинно творческую помощь я принял с благодарностью. Но, разумеется, несмотря на все это, ответственность за все огрехи и прямые ошибки, которые могут быть обнаружены в книге, лежат целиком на мне.

Есть одно обстоятельство, за которое я хотел бы извиниться перед читателем. Оно касается списка литературы. В отношении такого списка, на мой взгляд, действует закон — «все или ничего». Лишенный возможности включить в список все публикации по клас-

сической механике или даже все вышедшие курсы — это непозволительно увеличило бы объем книги, — я принял решение отойти от традиций и вообще не включать в книгу библиографический список. Такое решение, заведомо непростительное, если бы речь шла о научной монографии, представляется мне естественным, когда речь идет о лекционном курсе.

Создание курса классической механики для физиков и инженеров физических специальностей — дело сравнительно новое. Курсов такого рода было издано немного, и всякий опыт в этой области неизбежно должен стать предметом дискуссий. Такая же участь ожидает и этот курс, и автор с интересом ждет отзывов, замечаний, пожеланий и предложений читателей. Автор просит направлять их на кафедру механики Московского физико-техниче- ского института (г. Долгопрудный Московской области).

М. А. Айзерман

Г л а в а I

СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ (КЛАССИЧЕСКАЯ КИНЕМАТИКА)

§ 1. Пространство, время и системы отсчета

Механика — наука о движении материальных объектов в пространстве и времени. Это определение лишено содержания до тех пор, пока не установлено, что означают термины «материальный объект», «пространство», «время» и «движение». Разъяснению того, какой смысл вкладывает в эти термины классическая механика, посвящены первые параграфы этой и следующей глав.

Классическая механика исходит из предположения, что свойства пространства и времени не зависят от того, какие материальные объекты участвуют в движении и каким образом они движутся. В связи с этим возникает возможность предварительно выделить и изучить некоторые общие свойства движений. При таком изучении рассматриваются лишь общие геометрические характеристики движения, которые в равной мере относятся к движению любых объектов — молекулы или Солнца, изображения на экране телевизора или тени самолета на Земле. Если бы предметом нашего исследования были лишь свойства пространства, то мы не вышли бы за пределы геометрии. С другой стороны, если бы мы интересовались лишь течением времени, то возникающие при этом простые задачи относились бы к иной науке, которую можно было бы назвать «хронометрией». Согласно данному выше определению механики, нас интересуют изменения положения некоторых объектов в пространстве и времени. До тех пор, пока мы не рассматриваем инерционных свойств движущихся объектов, нас интересует по существу лишь объединение геометрии и хронометрии. Такое объединение геометрии и хронометрии называется кинематикой. Кинематика не является собственно частью механики (поскольку при ее построении никоим образом не учитываются инерционные свойства материи) и могла бы излагаться в курсах геометрии. Однако по традиции в обычные курсы геометрии кинематика не включается, и необходимые сведения из кинематики приводятся в курсах механики. Связано это главным образом с тем, что хронометрия сравнительно бедна идеями и фактами, и поэтому, если отвлечься от потребностей механики, добавление хронометрии к обычным геометрическим построениям мало интересно с математической точки зрения,

§ 1. ПРОСТРАНСТВО. ВРЕМЯ И СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА И

Эта глава посвящена некоторым вопросам кинематики, которые освещаются здесь лишь в объеме, необходимом для понимания дальнейшего изложения.

При построении любой системы геометрии в основу кладется абстрактное представление о «месте», которое приводит к понятию геометрическаятонка. Непрерывная последовательность сменяющих друг друга явлений порождает не поддающиеся точным определениям представления о «мгновении» и о «текущем времени». Абстрактное представление о «мгновении» связывается с понятием момента времени. Поскольку кинематика представляет собой объединение в единую систему геометрии и хронометрии, в основе ее построения лежит абстрактное понятие, объединяющее представление о месте и о мгновении. Соответствующая абстракция называется движущейся геометрической точкой, т. е. точкой, которая характеризуется как своим положением («местом»), так и мгновением («моментом времени»). В геометрии пространство понимается как совокупность (множество) геометрических точек; в хронометрии время понимается как множество моментов времени. Все дальнейшее построение кинематики полностью определяется тем, какие предположения делаются о взаимосвязи пространства и времени.

Сама возможность независимого построения геометрии и хронометрии при классическом миропонимании возникла именно потому, что такое миропонимание исходит из предположения о независимости течения времени от свойств пространства. Разумеется, это очень сильное и, вообще говоря, не обязательное предположение; например, релятивистская кинематика специальной теории относительности основана на утверждении о взаимосвязи времени и пространства, а при этом раздельное построение геометрии и хронометрии оказывается невозможным.

При классическом миропонимании предполагается, что пространство однородно и изотропно,а время однородно и однонаправленно. Однородность (изотропность) пространства означает отсутствие в пространстве чем-либо примечательных геометрических точек (направлений), которые могут быть выделены среди всех точек (направлений). Однородность времени означает, что при течении времени нет чем-либо примечательных, специально выделенных моментов и безразлично, от какого момента ведется отсчет.

Смысл понятия движения — основного понятия механики — становится ясным лишь после того, как в рассмотрение вводится «система отсчета», которую мы интуитивно связываем с каким-либо выбором системы координат в пространстве и способа отсчета времени. Но систему координат нельзя выделить и описать в пустом однородном и изотропном пространстве, так как для того, чтобы сделать это, надо указать, где расположено начало координат и как направлены ее оси, тем самым выделив в пространстве неко-