Законы Ньютона. Правило сложения сил.

Рассмотрим движение материальной точки (рис. 46) в инерциальной системе отсчёта под действием сил, обусловленных взаимодействием точек с другими точками и телами (т. е. возникающих в результате взаимодействия материальных объектов).

Рис.46.

Заметим, что при движении в неинерциальной системе отсчёта относительные движения частично определяются движением самой системы отсчёта.

Уравнения движения составляются на основе законов Ньютона.

Трактат «Математические начала натуральной философии»:

1687 г. – год возникновения теоретической механики.

Законы Ньютона – идеализированные законы природы, но для практики это допустимо в очень широких пределах.

Введём меры движения.

Количество движения – равно произведению массы m на вектор скорости точки:

где m = const > 0 – мера инертности материи.

Момент количества движения, относительно начала координат (рис. 47):

Рис.47.

Кинетическая энергия материальной точки:

(скаляр)

В дальнейшем покажем, что в ряде случаев движение точки наглядней описывается через или Т.

При формулировании законов Ньютона обозначаем:

- сила взаимодействия между точками и ;

- суммарная сила, приложенная к точке М , взаимодействующей со многими точками.

Первый закон Ньютона: материальная точка пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчёта до тех пор, пока действующие на неё силы не изменят это состояние.

То есть изолированная точка либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно. Причина изменения движения – вне самой точки.

Второй закон Ньютона: производная по времени от количества движения материальной точки геометрически равна силе, приложенной к точке. Или, при постоянной массе, произведение массы точки на её абсолютное ускорение геометрически равно приложенной к материальной точке силе, т. е.

или , если m = const.

Связь кинематической величины – ускорения с динамической величиной – силой через коэффициент пропорциональности – массу.

Третий закон Ньютона: две любые материальные точки взаимодействуют друг с другом с силами, направленными по прямой, соединяющей эти точки, равными по величине и противоположно направленными (рис. 48).

Рис.48.

Рассмотрим воздействие точки M1 c остальными точками (рис. 49).

Для имеем ускорение:

Принцип независимости действия сил:ускорение , вызываемое силой , определяется только этой силой и не зависит от других сил.

Следствие:

; обозначая

Геометрическая сумма ускорений , вызываемых силами взаимодействия точки М1 с остальными точками, пропорциональна геометрической сумме сил взаимодействия – правило параллелограмма для сложения сил.

От чего зависит сила ?

1) от координат точки в данный момент времени;

2) от предистории движения (старение);

3) от окружающей среды (температура);

4) сопротивление воздуха.

и т. д.

Рис.50.

Идеализация: силы зависят только от координат точки, от первых производных и явно от времени:

На практике – допустимо.

Развитие физики привело к изменению некоторых устаревших представлений и к выяснению границ области, в пределах которой справедлива механика Ньютона: его понятие об абсолютном пространстве заменено теперь понятием инерциальной системы отсчёта; установлено, что механика Ньютона – классическая механика – неприменима, если относительные скорости точек сравнимы со скоростью света [это область релятивистской или эйнштейновской механики]; неприменима механика классическая и к изучению явлений микромира [это область квантовой механики]. Но они основаны на классической механики. В остальных областях => классическая механика даёт достаточно точные результаты.

Контрольные вопросы:

1. Что называют динамикой?

2. Перечислите меры движения материальной точки

3. Сформулируйте законы Ньютона.

4. Каковы границы области применения классической механики Ньютона

Рассмотрим движение свободной материальной точки в инерциальной системе отсчёта в декартовых координатах. Из 2-го закона Ньютона:

, ,

причём, Fx, Fy, Fz – могут зависеть от координат, первых производных, времени: .

Если известен закон движения (например из кинематики):

, , ,

то => Fx(t), Fy(t), Fz(t). Это первая (прямая) задача динамики точки.

Если известна сила, то для исследования движения необходимо интегрировать дифференциальные уравнения – это вторая (обратная) задача динамики точки.

Формы дифференциальных уравнений движения

1) 2-ой закон Ньютона – для количества движения.

2) Умножим на (векторно):

или - уравнение момента количества движения.

[Почему? – самостоятельно. Учесть ].

Производная по времени от момента количества движения геометрически равна моменту силы.

Подробная запись (координатная):

3) Умножим скалярно на элементарные перемещения :

- уравнение кинетической энергии.

Дифференциал кинетической энергии точки равен элементарной работе суммы сил, приложенных к точке, на действительном перемещении.

О первых интегралах (законы сохранения).

Из дифференциальных уравнений: функция координат, их производных по времени, являющаяся постоянной в силу уравнений (то есть её производная по времени равна нулю) => называется первым интегралом.

Получим такие условия.

Если - первый интеграл, то и

1) Если Fx = 0, то , - интеграл количества движения (закон сохранения количества движения).

2) Если (то есть проекция момента силы на ось z),

то из

- интеграл момента количества движения (закон сохранения момента количества движения).

3) Получим интеграл энергии.

Пусть правая часть есть полный дифференциал некоторой скалярной функции – потенциала силового поля .

Тогда:

, , .

Работа:

Чтобы было полным дифференциалом:

1) - то есть поле стационарно (не зависит от t).

2) , с условиями из высшей математики:

; ;

или

; ;

или

Иначе: если и , то и уравнение кинетической энергии будет в полных дифференциалах:

Интегрируя:

Введём потенциальную энергию:

Тогда: - интеграл энергии (закон сохранения механической энергии).

Если силовое поле потенциально и стационарно, то сумма кинетической и потенциальной энергий свободной материальной точки равна постоянной.

Е0 – механическая энергия; находится из начальных условий.

Энергия сохраняется, то есть консервируется => поле называется консервативным.

Покажем, что работа сил консервативного поля не зависит от вида траектории, а равна разности значений функции П в конце и начале перемещения (рис.51).

Рис.51.

Работа:

что и требовалось доказать.

Работа сил консервативного поля на замкнутом перемещении равна нулю (рис.52).

Рис.52.

Контрольные вопросы:

1. Сформулируйте прямую и обратную задачи динамики.

2. Напишите уравнение момента количества движения точки.

3. Что называется перовым интегралом дифференциального уравнения?

4. Какое силовое поле называется консервативным?

1) Сила зависит только от времени – поле однородно, но не стационарно.

Тогда:

;

Аналогично, для y и z.

2) Проекции силы зависят только от соответствующих координат.

Умножая на dx и интегрируя:

Дифференцируем снова для проверки:

; .

Положим:

Тогда:

(знак берётся из начальных условий).

Разделяя переменные:

3) Проекция силы зависит лишь от проекции скорости на эту же ось.

Обозначая:

Разделяя переменные:

Таким образом, в каждом из трёх частных случаев силовых полей по заданным силе, массе и начальным условиям определены выражения для скорости и ускорения точки.

Контрольные вопросы:

1. В чём суть метода разделения переменных при решении дифференциальных уравнений?

2. В чём особенность интегрирования уравнения движения точки, если сила зависит только от координаты?

3. В каких реальных задачах сила зависит от скорости движения точки?

Рассмотрим движение n свободных материальных точек относительно инерциальной системы отсчёта (рис. 53).