Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

Челябинский институт путей сообщения

Кафедра Естественнонаучных дисциплин

Физические основы механики

Учебное пособие для студентов

института путей сообщения

Челябинск

2010

УДК 531 (07)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ. Учебное пособие по физике для студентов института путей сообщения.

Учебное пособие представляет собой курс лекций по физике. Пособие написано в соответствии с программой для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений. Однако, в отличие от Общего курса физики в данном учебном пособии дополнительно рассмотрены вопросы применения физических законов к процессам на железнодорожном транспорте. Таких как создание силы тяги локомотива, динамики поезда, динамики вагона, собственных и вынужденных колебаний вагона, колебаний тягового двигателя на рессорах подвески и т.д.

В конце каждой главы приведены контрольные задачи. Все формулы и решения задач приведены в Международной системе единиц СИ.

Авторы: А. В. Шушарин, ст. преподаватель кафедры ЕНД,

М.А. Круглова, доцент кафедры ЕНД.

Рецензенты: А.Е. Гришкевич, профессор кафедры

Общей и теоретической физики ЮУрГУ,

канд. физ.мат. наук;

В. Л. Федяев, доцент, зам. директора ЧИПС,

канд. техн. наук;

Печатается по решению научно-методического Совета

Челябинского института путей сообщения

Филиал Уральского государственного университета путей сообщения

Челябинский институт путей сообщения, 2010.

ВВЕДЕНИЕ

«Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, и законы её движения» (БСЭ).

Материя – это та реальность, из которой создан окружающий мир, которую можно обнаружить посредством ощущений. Материя существует в двух видах: как вещество и как силовые поля. Всякое изменение материи является движением. Простейшая форма движения материи – механическое движение – это процесс изменения взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени. Раздел физики, занимающийся изучением закономерностей механического движения, называется механикой.

Развитие механики, как науки, было вызвано потребностями техники и строительства. Древнейшие постройки Египта свидетельствуют о знании закона равновесия тел. Началом следует считать III в. до н.э., когда древнегреческий ученый Архимед сформулировал закон рычага и законы равновесия плавающих тел. Развитие механики было продолжено в 16 – 17 веках трудами Коперника, Кеплера, Гюйгенса, и особенно Галилея, впервые применившего экспериментальный метод исследования. Окончательно основные законы классической механики были экспериментально установлены и сформулированы И. Ньютоном в его многотомном труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.). В этом сочинении был воплощен идеал научной теории – отыскание количественных закономерностей в явлениях природы. Дальнейшее развитие механики шло по созданию аналитических методов решения задач, по созданию новых направлений механики. Развитие не прекращается и в наше время. В 20 веке были созданы новые области механики: релятивистская механика и квантовая механика, со своими законами и методами решения задач (рис.1).

В классической механике изучаются законы движения макроскопических тел со скоростью меньше скорости света (V<3∙10⁸ м/с) и на расстоянии до 10²² м (но может быть и далее). Макроскопические тела это обычные тела, содержащие громадное количество молекул.

Закономерности механического движения микрообъектов (атомы, элементарные частицы) изучает квантовая механика. Критерием применения законов микромира является универсальная константа – постоянная Планка ћ =1,054·10^-34 Дж∙с. Если момент импульса частицы сопоставим с постоянной Планка, mVr ≈ ħ, то проявляются волновые свойства частиц, исчезает понятие траектории. Неизвестны законы движения на расстоянии менее, чем 10^-20 м. Может, здесь уже следует учитывать дискретность пространства и времени?

Закономерности движения тел со скоростями, близкими к скорости света, изучает релятивистская механика или специальная теория относительности. Её основой является постулат Эйнштейна о существования предельной скорости движения материи, равной скорости света в вакууме. Движение с большей скоростью теорией запрещено.

Квантовая механика и релятивистская механика являются более общими научными теориями, чем классическая механика. Они установили границы применения классической механики. Законы квантовой и релятивистской механики переходят в законы классической механики в предельном случае движения тел большой массы в большой области пространства с малыми скоростями. Но классическая механика не утратила своего значения с созданием более общих теорий, поскольку поправки новых теорий в задачах техники ничтожно малы.

Классическая механика подразделяется на три части. Кинематика (от греческого слова kinema – движение) – раздел механики, в котором изучаются законы движения тел без учета их массы и действующих на них сил. Динамика (от греческого dynamis – сила) изучает движения тел в связи с теми причинами, которые обусловливают это движение. Статика (от греческого statike – равновесие) изучает условия равновесия тел.

Механическое движение тел происходит в пространстве и времени. Эти понятия прочно связаны с нашим житейским опытом и кажутся нам очевидными и незыблемыми. Со времен Ньютона в классической механике постулируется, что пространство и время имеют абсолютный характер, т.е. существуют независимо друг от друга, от находящихся в них объектов и протекающих процессов. Но в ходе развития физики и философии эти понятия претерпели существенные изменения. В релятивистской механике пространство и время связаны между собой.

Пространство в классической механике однородно, изотропно и эвклидово (его геометрия описывается геометрией Эвклида). Однородность пространства означает, что любая его точка равноправна. То есть начало отсчета координатной системы можно перенести в любую точку пространства; этот перенос никак не влияет на процессы, происходящие с телом. Изотропность пространства означает равноправие всех направлений, то есть, если все оси системы координат повернуть, то это не изменит протекающие процессы. Время в классической механике – абсолютная реальность, не зависящая от тел, оно однородно и во всей Вселенной течет равномерно и одинаково. Однородность времени означает равноправность всех его моментов, т.е. время протекает непрерывно и одинаково от прошедшего к будущему, и любой из его моментов может быть выбран за начало отсчета любого процесса при одинаковых условиях.

Физика является фундаментальной наукой. Она является базой всех технических дисциплин, её законы используются в самых разных разделах науки и техники. Знание физики повышает кругозор образованного человека, он более критично относится к сверхновым теориям, к ложным наукам. Для специалиста путей сообщения особенно важна механика, так как движение транспортных средств на Земле вполне подчиняется законам классической механики. Прочное знание механики повышает компетентность специалиста при решении технических проблем.

Системы единиц измерения физических величин

Измерить какую-либо физическую величину - это значит сравнить ее с другой однородной физической величиной, принятой за единицу измерения. Единицы измерения сводятся в систему, охватывающую единицы всех физических величин и позволяющую оперировать с ними. Для построения системы произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга величин. Эти величины называются основными. Остальные величины и их единицы выводятся из законов, связывающих их с основными единицами. Они называются производными.

Т.к. выбор основных единиц произволен, то может быть построен целый ряд систем единиц: СГС, СГСЭ, МКС, МКГСС и др. Во всем мире и в нашей стране (болеет 80 лет) в качестве предпочтительной принята Международная система единиц СИ – единая система для всех разделов физики. В этой системе основными единицами измерения являются:

длины L – 1 метр (м), равный 1.650.763,73 длин волн излучения оранжевого цвета изотопа криптона 86 в вакууме;

массы m – 1 килограмм (кг), равный массе международного прототипа килограмма;

времени t – 1 секунда (с), равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133;

температуры T – 1 кельвин (К), равный 1/273,15 термодинамической температуры затвердевания дистиллированной воды при давлении 101 325 Па;

количества вещества v – 1 моль, содержащий столько атомов, сколько содержится в 0,012 кг нуклида углерода С₁₂;

силы тока J – 1 ампер (А), который, проходя по двум параллельным | прямым проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенных на расстоянии 1 м в вакууме, вызывает силу 2∙10^-7 Н на каждый метр длины;

силы света I – 1 канделла (Кд), равная силе света в заданном на правлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 · 10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/ 683 Вт/ср.

Дополнительные единицы: рад (радиан) – единица плоского угла, ср (стерадиан) – единица телесного угла.