Питання 1: поняття сили. Фундаментальні сили. Вільне тіло. Інерціальні системи відліку.
Сила - векторна фізична величина, що є мірою інтенсивності впливу на дане тіло інших тіл. а також полів. Прикладена до масивного тіла сила є причиною зміни його швидкості або виникнення в ньому деформацій (вимірюється в Ньютона).
1) Гравітаційна сила - одна з чотирьох фундаментальних сил в природі. Гравітація найслабша в порівнянні з іншими. Сила гравітації F між двома предметами масою m1 і m2 на відстані d, знайдена Ісааком Ньютоном, дорівнює F = Gm1m2 / d2, де G - коефіцієнт пропорційності, званий універсальної гравітаційної постійної.
2) Електромагнітна сила - пов'язує негативно заряджені електрони з позитивно зарядженим ядром усередині атома. (Єдина Теорія Поля - ЄДИНА ТЕОРІЯ ПОЛЯ, спроба розширити загальну теорію відносності, щоб дати одночасне подання як гравітаційного, так і електромагнітного полів. Найбільш повна, всеосяжна теорія повинна також включати сильні і слабкі ядерні взаємодії. Хоча в узагальненні електромагнітних сил і слабких ядерних взаємодій були досягнуті деякі успіхи, загальна проблема залишається невирішеною).
3) Ядерні взаємодія - слабке ядерна взаємодія. Слабкими взаємодіями обумовлений радіоактивний розпад. Вони мають дуже малий радіус дії: їх можна спостерігати тільки на субатомному рівні. Слабкі взаємодії слабкіше електромагнітної сили і сильного взаємодії (найсильнішого з фундаментальних сил), але набагато сильніше гравітаційних.
4) СИЛЬНА ЯДЕРНА ВЗАЄМОДІЯ, яке асоціюється з «клеєм», що зв'язує ядра разом, - це найпотужніша сила, відома в природі.
Вільне тіло - свобода переміщень тіла не обмежується ніякими іншими тілами (тіло, на яке не діють ніякі сили). Невільний тіло - його рух обмежено іншими тілами. Зв'язок - тіло, що обмежує свободу переміщень об'єкта. Реакція зв'язку - сила, що діє на об'єкт з боку зв'язку. Принцип освобождаемості від зв'язку - невільний тіло можна розглядати як вільне, якщо відкинути зв'язку і замінити їх дію відповідними реакціями.
Інерціальні системи відліку.
Інерціальні системи відліку - це системи, щодо яких матеріальна точка при відсутності на неї зовнішніх впливів або їх взаємної компенсації спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно.
Інерційних систем існує нескінченна безліч. Система відліку, пов'язана з поїздом, що йде з постійною швидкістю по прямолінійній ділянці шляху, - теж інерціальна система (наближено), як і система, пов'язана з Землею. Всі інерціальні системи відліку утворюють клас систем, які рухаються один щодо одного рівномірно і прямолінійно. Прискорення будь-якого тіла в різних інерційних системах однакові.
Інерційних є і системи відліку, які рухаються рівномірно і прямолінійно щодо будь-якої системи відліку.
Питання. Закони Ньютона. Поняття маси, імпульсу, імпульсу сили.
Закони механіки Ньютона
1) Перший закон Ньютона: Існують такі системи відліку, звані інерційних, щодо яких вільні тіла рухається рівномірно і прямолінійно.
Перший закон механіки, або закон інерції, як його часто називають, бал, по суті, встановлений ще Галілеєм, але загальне формулювання йому дав Ньютон.
Прямолінійний і рівномірний рух вільної матеріальної точки в інерціальній системі відліку називається рухом по інерції. При такому русі вектор швидкості матеріальної точки залишається постійним (= const). Спокій точки є окремим випадком руху за інерцією (= 0).
У інерційних системах відліку спокій або рівномірний рух являє собою природний стан, а динаміка повинна пояснити зміна цього стану (тобто поява уско-ренію тіла під дією сил). Вільних тел, не схильних до впливу з боку інших тіл не існує. Однак, благо-даруючи зменшенням всіх: відомих взаємодій зі збільшенням рас-стояння, таке тіло можна реалізувати з будь-якої необхідної, точ-ністю.
Системи відліку, в яких вільний тіло не зберігає сько-кість руху незмінною, називаються неінерційній. Неінерціальної є система відліку, що рухається з прискоренням відно-сительно будь системи відліку. У неінерціальної системи відліку навіть вільне тіло може рухатися з прискоренням.
Рівномірний і прямолінійний рух системи відліку не впливає на хід механічних явищ, що протікають в ній. Ніякі механічні досліди не дозволяють відрізнити спокій системи відліку від її рівномірного прямолінійного руху. Для будь-яких механічних явищ все ініціальні системи отсч-та виявляються рівноправними. Ці твердження висловлюють меха-ний принцип відносності (принцип відносності Галілея). Принцип відносності є одним з найбільш про-чих законів природи, в спеціальній теорії відносності він поширюється на електромагнітні і оптичні явища.
Другий закон Ньютона
Другий закон Ньютона описує рух частинки, викликане впливом навколишніх тіл, і встановлює зв'язок між прискоренням частки, її масою і силою, з якою на неї діють ці тіла:
Якщо на частку з масою т навколишні тіла діють з силою. то ця частка набуває таке прискорення. що твір її маси на прискорення дорівнюватиме діючій силі.
Математично другий закон Ньютона записується у вигляді:
На основі цього закону встановлюється одиниця сили - 1 Н (нью-тон). 1 Н - це сила, з якою потрібно діяти на тіло масою 1 кг, щоб повідомити йому прискорення 1 м / с 2.
Якщо сила. з якої тіла діють на дану частку, через відоме, то записане для цієї частки рівняння другого закону Ньютона називають її рівнянням руху.
Другий закон Ньютона часто називають основним законом дина-міки, так як саме в ньому знаходить найбільш повне математичне вираз принцип причинності і саме він, нарешті, дозволяє вирішити основне завдання механіки. Для цього потрібно з'ясувати, які з навколишніх частку тел надають на неї істотний вплив, і, висловивши кожне з цих дій у вигляді відповідної сили, слід скласти рівняння руху даної частинки. З рівняння руху (при відомій масі) знаходиться прискорення частинки. знаючи
ж прискорення можна визначити її швидкість, а після швидкості - і становище даної частки в будь-який момент часу.
Практика показує, що вирішення основного завдання механіки за допомогою другого закону Ньютона завжди приводить до правильних результатів. Це і є експериментальним підтвердженням справедливості вто-якого закону Ньютона.
Третій закон Ньютона.
Третій закон Ньютона: Сили, з якими тіла діють один на одного, рівні за модулями і спрямовані по одній прямій в протилежні сторони.
Це означає, що якщо на тіло А з боку тіла В діє сила. то одночасно на тіло В з боку тіла А буде діяти сила, причому = -.
Використовуючи другий закон Ньютона, можна записати:
т. е. ставлення модулів прискорень і взаємодіють один з одним тел визначається зворотним відношенням їх мас і абсолютно не залежить від характеру діючих між ними сил. Більш масивне тіло отримує менше прискорення, а легке - більше.
Важливо розуміти, що сили, про які йде мова в третьому законі Ньютона, прикладені до різних тіл і тому вони не можуть врівноважувати один одного.
Наслідки з законів Ньютона
Закони Ньютона є систему взаємозалежних законів, які дозволяють глибше зрозуміти сутність понять сили і маси. Наслідки з законів:
1. Сила є заходом впливу, що чиниться на дану частку з боку інших тіл, і з збільшенням відстані до них зменшується, прагнучи до нуля.
Те, що сила є заходом впливу з боку оточуючих частик тел, випливає з того, що вона залежить від стану цих тіл і при цьому визначає прискорення даної частинки:. Спадання діючої сили до нуля при неогр-ніченний видаленні від частки оточуючих її тел є наслідком першого і другого законів Ньютона. Так як, з-гласно першим законом Ньютона, нескінченно віддалена від усіх тіл
частка має нульове прискорення. Згідно з другим законом Нью-тони Тому при і сила.
2. Сила, з якою відразу кілька тіл діє на дану частку, дорівнює сумі сил, з якими ці тіла діють на неї окремо:
Це твердження називається принципом незалежності взаємодій. З урахуванням цього принципу другий закон Ньютона запіси-ється у вигляді:
Суму сил, що стоїть в правій частині цього закону, називають рівнодіюча силою.
Принцип незалежності взаємодій інакше називають принципом суперпозиції сил.
3. Сума всіх внутрішніх сил, що діють в будь-який сис-темі, завжди дорівнює нулю.
Під внутрішніми розуміють ті сили, які діють між тілами самої даної системи.
Внутрішні сили не здатні привести в рух систему тел як ціле. Дійсно, для цього потрібно було б повідомити прискорення, а прискорення, як це випливає з другого закону Ньютона, можуть повідомити системі лише ті сили, сума ко-торих відмінна від нуля.
4. Ставлення модулів прискорень, отриманих двома ті-лами в результаті взаємодії один з одним, дорівнює зворотному відношенню їх мас:
Властивість тіла зберігати свою швидкість при відсутності взаємодії з іншими тілами називається інертністю. Фізична величина, що є мірою інертності тіла в поступальному русі, називається інертною масою. Маса тіла вимірюється в кілограмах:.
Маса характеризує також здатність тіла взаємодіяти з іншими тілами відповідно до закону всесвітнього тяжіння. У цих випадках маса виступає як міра гравітації і її називають гравітаційною масою.
У сучасній фізиці з високим ступенем точності доведена тотожність значень інертною і гравітаційної мас данно-го тіла. Тому говорять просто про масу тіла (m).
У механіці Ньютона вважається, що
а) маса тіла дорівнює сумі мас всіх частинок (або матеріальних точок), з яких воно складається;
б) для даної сукупності тел виконується закон збереження маси: при будь-яких процесах, що відбуваються в системі тіл, її маса залишається незмінною.
Фізична величина, що дорівнює добутку маси тіла на швидкість його руху, називається імпульсом тіла (або кількістю руху). Імпульс тіла - векторна величина. Одиницею вимірювання імпульсу в СІ є кілограм-метр в секунду (кг · м / с).
Фізична величина, що дорівнює добутку сили на час її дії, називається імпульсом сили. Імпульс сили також є векторною величиною.
У нових термінах другої закон Ньютона може бути сформульовано таким чином: зміна імпульсу тіла (кількості руху) одно імпульсу сили.
Позначивши імпульс тіла буквою другий закон Ньютона можна записати у вигляді