- •Физические основы механики.
- •1. Кинематика поступательного движения.
- •1.1 Механическое движение.
- •1.2.Пространство и время.
- •1.3. Система отсчета.
- •1.4. Кинематические уравнения движения.
- •1.5. Перемещение, элементарное перемещение.
- •1.6. Скорость.
- •1.7. Ускорение. Нормальное и тангенциальное ускорения.
- •2.Динамика поступательного движения
- •2.1. Поступательное движение
- •2.2. Закон инерции.
- •2.3. Инерциальная система отсчета.
- •2.4. Масса. Второй закон Ньютона.
- •2.5. Сила.
- •2.6.Основной закон динамики материальной точки.
- •2.7. Третий закон Ньютона
- •2.8. Преобразования Галилея
- •Продифференцировав их по времени, получим связь между скоростями точки а в системах отсчета и в векторной и координатной формах:
- •2.9. Принцип относительности Галилея
- •Законы сохранения.
- •Сохраняющиеся величины
- •3.3 Центр масс
- •3.4. Уравнение движения центра масс.
- •4.Работа и энергия
- •4.1 Работа
- •2. Работа упругой силы
- •4.3. Консервативные силы
- •4.4. Центральные силы.
- •4.5. Потенциальная энергия частицы в силовом поле.
- •4.6. Связь между потенциальной энергией и силой для консервативного поля.
- •4.7. Кинетическая энергия частицы в силовом поле.
- •4.8. Полная механическая энергия частицы.
- •4.9. Закон сохранения механической энергии частицы.
- •5.Кинематика и динамика вращательного движения.
- •5.1.Кинематика.
- •5.2. Момент импульса частицы. Момент силы.
- •5.3. Момент импульса и момент силы относительно оси.
- •5.4. Закон сохранения момента импульса системы.
- •5.5. Момент инерции твердого тела.
- •5.6. Уравнение динамики вращения твердого тела.
- •5.7. Кинетическая энергия вращающегося тела.
- •5.8. Работа вращения твердого тела.
- •6.Неинерциальные системы отсчёта
- •6.1 Силы инерции (Сав. Стр.118)
- •6.2. Центробежная сила инерции
- •6.3 Сила Кориолиса
- •7.Механические колебания
- •7.1 Общие сведения
- •7.1 Малые колебания
- •7.2 Гармонические колебания.
- •7.3 Математический маятник Это материальная точка, подвешенная на нерастяжимой нити длиною , совершающая колебания в вертикальной плоскости под действием силы тяжести.
- •Записав для пути точки: , а для ускорения , запишем уравнение движения вдоль оси : . Или для малых углов (когда )
- •7.4. Физический маятник.
- •7.5 Затухающие колебания
- •7.6 Автоколебания
- •7.7 Вынужденные колебания
- •7.8 Резонанс
- •8. Волны
- •8.1 Распространение волн в упругой среде.
- •8.2 Уравнение плоской и сферической волн.
- •8.3. Волновое уравнение
- •Подставим в уравнение () и и учтем, что , получим:
4.7. Кинетическая энергия частицы в силовом поле.
П
усть
частица массой
движется в силовом поле под действием
силы
.
Элементарная работа этой силы на
перемещении
равна:
;
Записывая
,
а сила
, получим:
.
Скалярное произведение
где
—
проекция вектора приращения скорости
на направление вектора скорости
.
Эта величина равна
— приращению модуля
вектора
скорости. Значит,
и работа
.
Отсюда видно, что работа результирующей
силы
идет на приращение некоторой физической
величины
,
которую называют кинетической энергией
и, которая является мерой энергии
движения материальной точки. Таким
образом:
,
а кинетическая энергия
(*)
При конечном перемещении частицы из т.1 в т.2 работа равна:
,
или
(**)
Т.е., приращение кинетической энергии частицы при перемещении из т.1 в т.2 силового поля равно алгебраической сумме работ всех сил, действующих на частицу на этом перемещении.
Если
,
то
— кинетическая энергия возрастает.
Если
—
уменьшается (на этом пути действуют
силы сопротивления).
Уравнения (*, **) справедливы в инерциальных и неинерциальных системах отсчета. В последних необходимо в работу всех сил учитывать работу сил инерции.
4.8. Полная механическая энергия частицы.
Известно,
что приращение кинетической энергии
частицы при перемещении в силовом поле
равно элементарной работе всех сил,
действующих на частицу:
.
Если частица находится в стационарном
поле консервативных сил, то на нее кроме
консервативной силы
могут действовать и другие силы,
называемые сторонними
;
Тогда результирующая сила равна :
.
Работа всех этих сил идет на изменение кинетической энергии частицы:
![]()
Известно также, что работу консервативных сил поля можно записать как убыль потенциальной энергии частицы в этом поле.
,
значит
или
![]()
Т.о.
работа сторонних сил идёт на приращение
величины
.
Эту величину называют полной
механической энергией
частицы в поле:
.
Отсюда
видно, что
определяется с точностью до постоянной,
так как с точностью до постоянной
определяется
.
Теперь можно записать
(***)
т.е.,
приращение
полной механической энергии частицы
на некотором пути равно работе сторонних
сил, действующих на частицу на этом
пути; Если
,
то полная механическая энергия частицы
растёт. При
— уменьшается.
Пример: Для тела, падающего с обрыва, работа сторонних сил:
,
где
-
силы сопротивления.
4.9. Закон сохранения механической энергии частицы.
Из
выражения
следует, что в стационарном поле
консервативных сил полная механическая
энергия частицы может изменяться только
под действием сторонних сил, отсюда
вытекает закон сохранения механической
энергии частицы:
Если сторонние силы отсутствуют, то полная механическая энергия частицы в стационарном поле консервативных сил остается постоянной.
;
![]()
Закон сохранения позволяет решать многие задачи, не привлекая уравнения движения, которые часто приводят к громоздким расчетам.
5.Кинематика и динамика вращательного движения.
5.1.Кинематика.
П
оворот
тела на некоторый угол
можно задать в виде отрезка, длина
которого
,
а направление совпадает с осью вращения
и определяется правилом правого винта:
Направление должно быть таким, чтобы
глядя вдоль него, мы видели поворот
совершающийся по часовой стрелке, рис.
П
ри
поворотах на очень малые углы, путь
проходимый точкой можно считать
прямолинейным, поэтому два последовательных
малых поворота
и
(вокруг разных осей; в данном случае оси
перпендикулярны) обуславливают, как
видно из рис., такое же перемещение,
любой точки тела, как и поворот
получаемый из
и
сложением по правилу параллелограмма.
Значит, очень
малые повороты можно рассматривать как
векторы.
Направление вектора поворота
связывается с направлением вращения
тела, следовательно
не является истинным вектором, а является
псевдовектором.
Для
истинных векторов типа
вопрос об их направлении не возникает,
он решается естественным образом, из
природы самих физических величин.
Векторы типа
,
направление которых определяется
направлением вращения, называются
псевдовекторами или аксиальными
векторами.
В
![]()
называется угловой скоростью тела, она
направлена вдоль оси вращения,
в сторону, определяемую правилом правого
винта,
также псевдовектор, модуль угловой
скорости равен
.
Если
,
то наблюдается равномерное вращение
,
для равномерного движения
есть угол поворота в единицу времени.
Для такого движения можно ввести период
вращения
и частоту: число оборотов за 1 с.
,
а
.
П
онятия
и
можно сохранить и для неравномерного
вращения, понимая под ними их мгновенные
значения.
Вектор
может изменяться как за счет изменения
скорости вращения вокруг оси (по
величине), так и за счет поворота оси
вращения в пространстве ( по направлению).
Если за
угловая скорость
получает приращение
,
то изменение угловой скорости со временем
характеризуется угловым ускорением:
![]()
—
тоже
псевдовектор.
Если
ось вращения не изменяет своего положения
в пространстве, то векторы
,
и
коллинеарны.
Точки
вращающегося тела имеют разные линейные
скорости, которые определяются угловой
скоростью
и радиусами точек
.
Если за время
тело повернулось на угол
,
то дуга окружности при этом
.
Линейная скорость точки:
;
т.е., связь между модулями скоростей
.
Найдем
связь между векторами
и
.
Положение точки определяется
радиусом-вектором
.
Из рис. видно, что векторное произведение
совпадает с
по направлению, модуль
равен
.
Таким
образом:
![]()
Модуль
нормального ускорения точек
или
.
Вводя вектор
,
перпендикулярный оси вращения, можно
записать:
![]()
Когда ось вращения не поворачивается в пространстве, тангенциальное ускорение можно представить:
;
-модуль
углового ускорения, т.е.,
.
Таким образом, нормальное и тангенциальное ускорения растут пропорционально радиусу точек.
