Предмет механики

Механика представляет собой учение о простейшей форме движения материи, которое состоит в перемещении тел или их частей относительно друг друга. Движение одного и того же тела относительно других тел может иметь разный характер. Поэтому для описания движения необходимо условиться, относительно какого другого тела (или группы неподвижных относительно друг друга тел) будет отсчитываться перемещение данного тела, какие величины (координаты) использовать для определения его положения и как измерять время движения. Все вместе это составляет систему отсчета. Из приведенных рассуждений следует, что система отсчета представляет собой совокупность тела отсчета, системы координат и способа измерения времени. Система отсчета - понятие физическое, система координат - понятие математическое. Система координат позволяет определить положение тела в пространстве (например координатами х, у, z). Однако движение происходит как в пространстве, так и во времени. Поэтому при описании движения тела необходимо не только указывать положение тела в пространстве, но и отсчитывать время.

Движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме, изучает классическая механика. В ее основе лежат законы Ньютона, сформулированные им в сочинении "Математические начала натуральной философии", первое издание которого вышло в 1687 г. В классической механике время считается абсолютным, т. е. одинаковым во всех системах отсчета и не связанным с пространством. С точки зрения классической механики считалось, что объяснить физическое явление означает свести его к механическому процессу, подчиняющемуся законам Ньютона. Однако с развитием науки обнаружились новые факты, которые не укладывались в рамки классической механики. Эти факты получили свое объяснение в новых теориях - специальной теории относительности и квантовой механике.

В специальной теории относительности, разработанной на рубеже XIX–XX вв. Х. Лоренцем, А. Пуанкаре и А. Эйнштейном, подверглись радикальному пересмотру ньютоновские представления о пространстве и времени. Это привело к созданию механики больших скоростей - релятивистской механики. Классическая механика вошла в релятивистскую механику как ее частный случай и сохранила свое прежнее значение для описания движений, происходящих со скоростями, значительно меньшими скорости света в вакууме.

В результате развития физики атома в 20-х гг. ХХ в. в работах Л. де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга были заложены основы квантовой механики, изучающей законы движения микроскопических тел. Ее уравнения для масс, больших по сравнению с массами атомов, переходят в уравнения классической механики. Следовательно, классическая механика вошла и в квантовую механику в качестве ее предельного случая.

Таким образом, развитие науки не перечеркнуло классическую механику, а лишь показало ее ограниченную применимость. Классическая механика, основывающаяся на законах Ньютона, является механикой тел больших (по сравнению с массой атомов) масс, движущихся с малыми (по сравнению со скоростью света в вакууме) скоростями.

Часто при рассмотрении движения тела можно пренебречь его размерами по сравнению с прочими размерами, с которыми приходится иметь дело в условиях данной задачи. В таком случае тело называют материальной точкой. Движение материальной точки является наиболее простым видом механического движения. Любое физическое тело можно представить как совокупность большого числа материальных точек. Если при движении тела или при воздействии на него других тел относительное положение его частей не изменяется, т. е. тело не деформируется, то его называют абсолютно твердым телом.

Всякое движение твердого тела можно разложить на два основных вида движения - поступательное и вращательное.

Поступательное движение - это такое движение, при котором любая прямая, связанная с движущимся телом, остается параллельной самой себе.

При вращательном движении все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения.

Механика подразделяется на три раздела: кинематику, статику и динамику. Кинематика изучает движение тел вне зависимости от тех причин, которые обусловливают это движение. Статика изучает условия равновесия тел. Поскольку равновесие есть частный случай движения, законы статики оказываются естественным следствием законов динамики. Динамика изучает движение тел в связи с теми причинами (взаимодействиями между телами), которые обусловливают тот или иной характер движения.

Материальная точка при своем движении относительно выбранной системы координат описывает некоторую линию, которая называется траекторией. В зависимости от формы траектории движение называют прямолинейным или криволинейным.

Существуют разные способы описания движения: естественный (траекторный), векторный, координатный.

При естественном способе необходимо задать:

а) траекторию движения (относительно какой-либо системы координат);

б) произвольную точку на ней - нуль, от которого отсчитывают расстояние S до движущейся частицы вдоль траектории;

в) положительное направление отсчета S;

г) начало отсчета времени t;

д) функцию S(t), которая называется законом движения точки.

Координатный способ -наиболее универсальный и исчерпывающий - предполагает задание:

а) системы координат, например, x, y, z;

б) начала отсчета времени t;

в) закона движения точки, т. е. функций х(t), у(t), z(t).

Векторный способ для определения положения материальной точки использует радиус-вектор , проведенный из некоторой начальной точки пространства в данную точку. В этом случае для описания движения необходимо задать:

а) начало отсчета радиус-вектора ;

б) начало отсчета времени t;

в) закон движения точки .