Основы кинематики

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ. ЭЛЕМЕНТЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ

ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ.

Лекция 1.1. Введение. Основы кинематики точки.

Лекция 1.2. Кинематика абсолютно твердого тела.

Лекция 1.3. Основные уравнения динамики.

Лекция 1.4. Закон сохранения импульса.

Лекция 1.5. Момент силы. Момент импульса. Закон сохранения момента

импульса.

Лекция 1.6. Работа, мощность, кинетическая энергия.

Лекция 1.7. Потенциальная энергия. Механическая энергия. Закон сохране-

ния механической энергии.

Лекция 1.8. Условия равновесия тел. Столкновения.

Лекция 1.9. Динамика абсолютно твердого тела.

Лекция 1.10. Элементы специальной теории относительности.

Лекция 1.11. Макроскопические состояния. Статистические распределения.

Температура и энтропия.

Лекция 1.12. Основные понятия и исходные положения термодинамики.

Лекция 1.13. Первое начало термодинамики. Теплоемкость. Политропиче-

ские процессы.

Лекция 1.14. Второе начало термодинамики. Энтропия и абсолютная

температура в термодинамике.

Лекция 1.15. Идеальный и реальный газ.

Лекция 1.16. Агрегатные состояния. Жидкости. Фазы в термодинамике.

Фазовые переходы.

Лекция 1.17. Физическая кинетика. Явления переноса.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ.

Лекция 1.1.

Введение.

Развитие техники базируется на достижениях физики. поэтому понимание логики постановки и решения физических вопросов необходимо для плодотворной деятельности современного инженера.

Физика – наука опытная. Все физические теории опираются на наблюдения и опыт, и только опыт является критерием их правильности. Важнейшим свойством физического эксперимента является его воспроизводимость. Однако, все измерения производятся с ограниченной точностью. Ограничение точности ставит предел степени подробности информации, получаемой из опыта. Поэтому при каждом измерении указывается не только его результат, но и точность, с которой он получен.

На основе результатов физических экспериментов формулируются физические законы. Физический закон формулируется так, чтобы он был в согласии с имеющимися опытными данными и давал возможность предсказывать результаты новых опытов и даже существование новых физических явлений. Опытные факты, использованные для получения определенного физического закона, всегда ограничены как по точности измерений, так и по области измерения физических величин. Поэтому каждый физический закон имеет определенную область применимости. Физические законы, имеющие наиболее обширные области применимости, называются фундаментальными. Например, такими законами являются закон сохранения энергии, закон Кулона.

Для количественного описания физических явлений используются различные физические величины. Используемая физическая величина должна иметь четкое определение. Такое определение должно содержать либо количественный метод измерения, либо ее выражение через другие величины, считающиеся известными. Для выражения количественных закономерностей широко применяется математический аппарат. Каждая формула имеет четкий физический смысл либо как закономерность, либо как определение физической величины.

Реальные физические процессы настолько сложны, что, изучая их, необходимо отвлечься от несущественных для рассматриваемого движения деталей (в противном случае задача так усложнилась бы, что решить ее практически было бы невозможно). С этой целью используют понятия (абстракции, идеализации, модели), применимость которых зависит от конкретного характера интересующей нас задачи, а также от той степени точности, с которой мы хотим получить результат. Тем самым возникает вопрос о том, какие величины малы или велики. Не бывает величин просто больших или малых. Каждая величина мала или велика лишь по сравнению с другой, характерной для данной задачи. Среди этих понятий большую роль играют понятия материальной точки и абсолютно твердого тела.

Материальная точка — это тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Ясно, что одно и то же тело в одних случаях можно рассматривать как материальную точку, в других же — как протяженное тело.

Абсолютно твердое тело, или, короче, твердое тело, — это система материальных точек, расстояния между которыми не меняются в процессе движения. Реальное тело можно считать абсолютно твердым, если в условиях рассматриваемой задачи его деформации пренебрежимо малы.

Характер физических явлений существенно зависит от размера изучаемых объектов и вообще от размера области пространства, в которой происходит явление. В связи с этим физические явления разделяют на макроскопические и микроскопические. Макроскопическими называют явления, происходящие с объектами, содержащими очень большое количество атомов и ли молекул в областях, превышающих размеры атомов на несколько порядков (размер атома примерно м). Микроскопическими называют явления, происходящие в областях, сравнимыми с атомными размерами.

Механика — это раздел физики, в котором изучается изменение положения тел в пространстве с течением времени. Тот факт, что механические явления протекают в пространстве и времени, находит свое отражение в любом механическом законе, содержащем явно или неявно пространственно-временные соотношения — расстояния и промежутки времени.

Положение тела в пространстве может быть определено только по отношению к каким-либо другим телам. Это же относится и к движению тела, т.е. к изменению его положения с течением времени. Тело (или система неподвижных друг относительно друга тел), которое служит для определения положения интересующего нас тела, называют телом отсчета.

Практически для описания движения с телом отсчета связывают какую-нибудь систему координат, например декартову. Координаты тела позволяют установить его положение в пространстве. Так как движение происходит не только в пространстве, но и во времени, то для описания движения необходимо отсчитывать также и время. Это делается с помощью часов того или иного типа.

Совокупность тела отсчета и связанных с ним координат и синхронизированных между собой часов образует систему отсчета. Понятие системы отсчета является фундаментальным в физике. Пространственно-временное описание движения при помощи расстояний и промежутков времени возможно только тогда, когда выбрана определенная система отсчета.

Пространство и время сами являются физическими объектами, как и любые другие, однако неизмеримо более важными и существенными. Чтобы изучить свойства пространства и времени, нужно наблюдать движение тел, которые в них находятся. Исследуя характер движения тел, мы тем самым познаем и свойства пространства и времени.

Опыт показывает, что, пока скорости тел малы по сравнению со скоростью света, линейные масштабы и промежутки времени остаются неизменными при переходе от одной системы отсчета к другой, т. е. не зависят от выбора системы отсчета. Это нашло свое выражение в ньютоновской концепции абсолютности пространства и времени. Механику, изучающую движения тел именно в этих случаях, называют ньютоновской или нерелятивистской.

При переходе же к скоростям, сравнимым со скоростью света, обнаруживается, что характер движения тел радикально меняется. При этом линейные масштабы и промежутки времени уже зависят от выбора системы отсчета и в разных системах отсчета будут разными. Механику, основанную на этих представлениях, называют релятивистской. Естественно, что релятивистская механика является более общей и в частном случае малых скоростей переходит в ньютоновскую.

Механика ставит перед собой две основные задачи:

1. Изучение различных движений и обобщение полученных результатов в виде законов движения — законов, с помощью которых может быть предсказан характер движения в каждом конкретном случае.

2. Отыскание общих механических свойств, т. е. общих теорем или принципов, присущих любой системе, независимо от конкретного рода взаимодействий между телами системы.

Решение первой задачи привело к установлению Ньютоном и Эйнштейном так называемых динамических законов, решение же второй задачи — к обнаружению законов сохранения таких фундаментальных величин, как энергия, импульс и момент импульса.

Динамические законы и законы сохранения энергии, импульса и момента импульса представляют собой основные законы механики.

Основы кинематики

Кинематика — это раздел механики, где изучаются способы описания движений независимо от причин, обусловливающих эти движения.