Лекции по "Физике"

Физика

1.Кинематика, как раздел механики. Кинематика точки: механическое движение, система отсчета,  траектория, положение, перемещение, путь, скорость (мгновенная, средняя), ускорение.

КИНЕМАТИКА-(от греч. kinema, род. п. kinematos — движение), раздел механики, посвящённый изучению геом. св-в движений тел, без учёта их масс и действующих на них сил. Методы и зависимости, устанавливаемые в К., используются при кинематич. исследованиях движений, в частности при расчётах передач движений в разл. механизмах, машинах и др., а также при решении задач динамики. В зависимости от св-в изучаемого объекта К. разделяют на К. точки, К. тв. тела и К. непрерывной изменяемой среды (деформируемого тв. тела, жидкости, газа).

Движение  любого объекта в К. изучают по отношению к нек-рому телу (тело отсчёта), с к-рым связывают т. н. систему отсчёта (оси х, у, г на рис. 1), позволяющую определять положение движущегося объекта в разные моменты времени относительно тела отсчёта.

 

Механическим  движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. Механическое движение тел изучает механика. Раздел механики, описывающий геометрические свойства движения без учета масс тел и действующих сил, называется кинематикой.

Путь и перемещение. Линия, по которой движется точка тела, называется траекторией движения. Длина траектории называется пройденным путем. Вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называется перемещением.

Система отсчета. Относительность механического движения. Чтобы описать механическое движение тела (точки), нужно знать его координаты в любой момент времени. Для определения координат материальной точки следует прежде всего выбрать тело отсчета и связать с ним систему координат. В механике часто телом отсчета служит Земля, с которой связывается прямоугольная декартова система координат (рис. 4).

Скорость. Для количественной характеристики процесса движения тела вводится понятие скорости движения.

Мгновенной  скоростью поступательного движения тела в момент времени t называется отношение очень малого перемещения к малому промежутку времени Δt , за который произошло это перемещение:

. (1.1)

Мгновенная скорость —  векторная величина.

Ускорение, векторная величина, характеризующая быстроту изменения скорости точки по её численному значению и по направлению. При прямолинейном движении точки, когда её скорость u возрастает (или убывает) равномерно, численно У. , где  – приращение скорости за промежуток времени

2.Нормальное  и тангенциальное (центростремительное и касательное)  ускорения.

Нормальное ускорение, составляющая ускорения точки при криволинейном движении, направленная по главной нормали к траектории в сторону центра кривизны; Н. у. называется также центростремительным ускорением. Численно Н. у. равно v²/r, где v — скорость точки, r — радиус кривизны траектории. При движении по окружности Н. у. может вычисляться по формуле rw², где r — радиус окружности, w— угловая скорость вращения этого радиуса. В случае прямолинейного движения Н. у. равно нулю.

Тангенциа́льное ускоре́ние(касательное)  — компонента ускорения, направленная по касательной к траектории движения. Совпадает с направлением вектора скорости при ускоренном движении и противоположно направлено при замедленном. Характеризует изменение модуля скорости. Обозначается обычно или ( , итд в соответствии с тем, какая буква выбрана для обозначения ускорения вообще в данном тексте).

Величину тангенциального ускорения - в смысле проекции вектора ускорения  на единичный касательный вектор траектории - можно выразить так:

Центростремительное ускорение — часть полного ускорения точки, обусловленного кривизной траектории и скоростью движения по ней материальной точки. Такое ускорение направлено к центру кривизны траектории, чем и обусловлен термин. Формально и по существу термин центростремительное ускорение в целом совпадает с термином нормальное ускорение, различаясь скорее лишь стилистически (иногда исторически)^[1].

Особенно часто о центростремительном  ускорении говорят, когда речь идет о равномерном движении по окружности или при движения, более или менее приближенном к этому частному случаю.

или

где  — нормальное (центростремительное) ускорение,  — (мгновенная) линейная скорость движения по траектории,  — (мгновенная) угловая скорость этого движения относительно центра кривизны траектории,  — радиус кривизны траектории в данной точке. (Cвязь между первой формулой и второй очевидна, учитывая ).

3.Кинематическое уравнение для  радиус-вектора и скорости равноускоренного  движения точки. Роль начальных  условий.

При движении материальной точки M ее координаты z,y,z и радиус-вектор r изменяются с течением времени t. В механике время считается аргументом, то есть независимым переменным, поэтому для задания закона движения материальной точки необходимо указать либо вид функциональной зависимости всех ее трех координат от времени

(1.3)

либо зависимость от времени  ее радиус-вектора 

r = r(t)   (1.4)

Уравнения (1.3) и (1.4) называют кинематическими уравнениями движения материальной точки.

 

Равноускоренное прямолинейное движение — это движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, т. е. это движение с постоянным по модулю и направлению ускорением.

— уравнение ускорения.

 

— кинематическое уравнение равноускоренного движения.

4.Плоское движение брошенного тела.

Плоским (плоскопараллельным) назыв. такое движение, при котором все его точки перемещаются параллельно некоторой неподвижной плоскости. Уравнения плоского движения: x_A= f₁(t), y_A= f₂(t), j = f₃(t),  точка А назыв. полюсом. Плоское движение тв.тела слагается из поступательного движения, при котором все точки тела движутся так же, как полюс (А),и из вращательного движения вокруг этого полюса. Поступательное перемещение зависит от выбора полюса, а величина и направление угла поворота не зависят. Скорости точек тела при плоском движении: ; ,  v_BA= w×BA, т.е. скорость какой-либо точки В плоской фигуры равна геометрической сумме скорости полюса  А и скорости точки В при вращении плоской фигуры вокруг полюса  А. Теорема: при плоском движении проекции скоростей двух точек тела на ось, проходящую через эти точки, равны между собой: v_Acosa = v_Bcosb. Мгновенный центр скоростей – точка плоской фигуры, скорость которой в данный момент равна нулю – Р. Если тело движется непоступательно, т.е. w¹0, то мгн.цент.ск. всегда существует. При поступательном движении м.ц.с. находится в ¥.  – скорость любой точки плоской фигуры имеет модуль, равный произведению угловой скорости фигуры на длину отрезка, соединяющего точку с м.ц.с., и направлена ^ этому отрезку в сторону вращения фигуры. , скорости точек тела пропорциональны их расстояниям до м.ц.с. , угловая скорость тела равна отношению скорости какой-нибудь точки к ее расстоянию до м.ц.с. Определение положения м.ц.с.: 1) м.ц.с. – точка пересечения перпендикуляров, восстановленных к скоростям точек (напр. в точке В  и точке К); 2) если скорости точек А и В параллельны между собой и перпендикулярны АВ, то для определения м.ц.с. должны быть известны модули и направления скоростей (см. v_A и v_B); 3) если они при этом равны между собой, то м.ц.с. находится в ¥, а угловая скорость w=v_A/¥=0; 4) если известно, что скорости двух точек  А  и В равны, параллельны и не перпендикулярны АВ, то м.ц.с. в ¥, и угловая скорость w=v_A/¥=0, если это имеет место только к некоторый момент времени, то имеем мгновенное поступательное движение; 5) если плоская фигура катится без скольжения по неподвижной поверхности, то м.ц.с. плоской фигуры будет в точке соприкасания. Теорема Шаля: плоскую фигуру можно переместить из одного положения в любое другое положение на плоскости одним поворотом этой фигуры вокруг некоторого неподвижного центра. Этот центр на неподвижной плоскости, совпадает с м.ц.с. и называется мгновенным центром вращений (ось вращений). При движении плоской фигуры м.ц.с. непрерывно изменяет свое положение. Геометрическое место м.ц.с., отмеченных на неподвижной плоскости, называется неподвижной центроидой. Геометрическое место м.ц.с., отмеченных на плоскости фигуры, назыв. подвижной центроидой (колесо катится по прямой: неподвижная центроида – прямая, подвижная – окружность). При движении плоской фигуры подвижная центроида катится без скольжения по неподвижной центроиде (теорема Пуансо).

Ускорения точек: ,

 – ускорение любой точки  (В) фигуры геометрически складывается  из ускорения полюса (А) и центростремительного  и вращательного ускорений во  вращательном движении тела относительно  полюса. , , , . Мгновенный центр ускорений – точка (Q) плоской фигуры, ускорение которой в данный момент времени равно нулю. Для его построения из точки А откладываем под углом к ускорению а_А отрезок , при этом угол откладывается от ускорения в сторону, направления углового ускорения e. Модули ускорений точек плоской фигуры пропорциональны расстояниям от этих точек до мгн.ц. ускорений, а векторы ускорений составляют с отрезками, соединяющими эти точки и м.ц.у. один и тот же угол :    . Мгновенный центр скоростей Р и мгновенный центр ускорений Q являются различными точками плоской фигуры.

5.Поступательное движение тела. Вращательное движение тела. Угол  поворота, угловое перемещение, угловая  скорость, угловое ускорение. 

Поступательное  движение — это механическое движение системы точек (тела), при котором любой отрезок прямой, связанный с движущимся телом, форма и размеры которого во время движения не меняются, остается параллельным своему положению в любой предыдущий момент времени.^[1]

Враща́тельное движе́ние — вид механического движения. При вращательном движении абсолютно твёрдого тела его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами. Ось вращения в данной системе отсчёта может быть как подвижной, так и неподвижной. Например, в системе отсчёта, связанной с Землёй, ось вращения ротора генератора на электростанции неподвижна.

·  Угловое перемещение — векторная величина, характеризующая изменение угловой координаты в процессе её движения.

·  Угловая скорость — векторная величина, характеризующая быстроту вращения материальной точки. Вектор направлен вдоль оси вращения таким образом, чтобы, смотря с его конца, вращение казалось происходящим против часовой стрелки.

Угловое ускорение, величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости твёрдого тела. При вращении тела вокруг неподвижной оси, когда его угловая скорость w растет (или убывает) равномерно, численно У. у. e = Dw/Dt, где Dw — приращение, которое получает w за промежуток времени Dt, а в общем случае при вращении вокруг неподвижной оси e = dw/dt = d ²j/dt², где j — угол поворота тела. Вектор У. у. e направлен вдоль оси вращения (в сторону w при ускоренном вращении и противоположно w — при замедленном). При вращении вокруг неподвижной точки вектор У. у. определяется как первая производная от вектора угловой скорости w по времени, т. е. e = dw/dt, и направлен по касательной к годографу вектора w в соответствующей его точке.

6.Связь угловых  и линейных величин. Кинематическое  уравнение вращательного движения. Период и частота. 

Связь угловых и  линейных величин

Отдельные точки вращающегося тела имеют различные линейные скорости . Скорость каждой точки, будучи направлена по касательной к соответствующей окружности, непрерывно изменяет свое направление. Величина скорости определяется скоростью вращения тела и расстоянием R рассматриваемой точки от оси вращения. Пусть за малый промежуток времени тело повернулось на угол (рис 2.4). Точка, находящаяся на расстоянии R от оси проходит при этом путь, равный

Линейная скорость точки по определению.

(2.6)

Найдем линейные ускорения точек  вращающегося тела. Нормальное ускорение:

подставляя значение скорости из (2.6), находим:

(2.7)

Тангенциальное ускорение

Воспользовавшись тем же отношением (2.6) получаем

(2.8)

Таким образом, как нормальное, так  и, тангенциальное ускорения растут линейно с расстоянием точки  от оси вращения.

Кинематические уравнения  движения материальной точки

При движении материальной точки М ее координаты и радиус-вектор изменяются с течением времени t.

Поэтому для задания закона движения м.т. необходимо указать либо вид функциональной зависимости всех трех ее координат от времени:

(1.2)

либо зависимость от времени  радиус-вектора этой точки

(1.3)

Три скалярных уравнения (1.2) или  эквивалентное им одно векторное  уравнение (1.3) называются кинематическими  уравнениями движения материальной точки.

Период-это время, за которое тело совершает один оборот, т.е. поворачивается на угол , называется периодом обращения. Так как промежутку времени соответствует угол поворота , то

откуда

Частота́ — физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов, совершённых за единицу времени. Стандартные обозначения в формулах — , , или . Единицей частоты в Международной системе единиц (СИ) в общем случае является Герц (Гц, Hz). Величина, обратная частоте, называется периодом.

7.Основная идея динамики поступательного  движения. Инерциальные системы  отсчета. Первый закон Ньютона.  Принцип относительности Галилея. 

Основной закон динамики поступательного движения

 

1. Производная но времени от количества движения К материальной точки или системы материальных точек относительно неподвижной (инерциальной) системы отсчета равна главному вектору F всех внешних сил, приложенных к системе: 
   dK/dt = F или mac = F 
    
   где ac - ускорение центра инерции системы, а т - ее масса. 
   В случае поступательного движения твердого тела с абсолютной скоростью v скорость центра инерции vc = v. Поэтому при рассмотрении поступательного движения твердого тела это тело можно мысленно заменить материальной точкой, совпадающей с центром инерции тела, обладающей всей его массой и движущейся под действием главного иехтора внешних сил, приложенных к телу. 
   В проекциях на оси неподвижной прямоугольной декартовой системы координат уравнения основного закона динамики поступательного движения системы имеют вид: 
   Fx = dK/dt, Fy = dK/dt, Fz = dK/dt 
    
   или 
   macx = Fx , macy = Fy , macz = Fz 
    
   2. Простейшие случаи поступательного движения твердого тела. 
   а) Движение по инерции (F = 0): 
   mv = const, a=0. 
    
   б) Движение под действием постоянной силы: 
   d/dt (mv) = F = const, mv = Ft + mv0, 
    
   где mv0 - количество движения тела в начальный момент времени t = 0. 
   в) Движение под действием переменной силы. Изменение количества движения тела за промежуток времени от t1 до t2 равно 
   mv2 - mv1 = Fcp (t2 - t1) 
    
    
   где Fcp - среднее значение вектора силы в интервале времени времени от t1 до t2.

Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: все свободные тела (то есть такие, на которые не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется) движутся прямолинейно и равномерно или покоятся^[1]. Эквивалентной является следующая формулировка, удобная для использования в теоретической механике^[2]:

Первый закон Ньютона.

Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

Закон верен также в ситуации, когда внешние воздействия присутствуют, но взаимно компенсируются (это следует  из 2-го закона Ньютона, так как скомпенсированные  силы сообщают телу нулевое суммарное  ускорение).

Галилея принцип относительности, принцип физического равноправия инерциальных систем отсчёта в классической механике, проявляющегося в том, что законы механики во всех таких системах одинаковы. Отсюда следует, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-либо инерциальной системе, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Это положение было впервые установлено Г. Галилеем в 1636. Одинаковость законов механики для инерциальных систем Галилей иллюстрировал на примере явлений, происходящих под палубой корабля, покоящегося или движущегося равномерно и прямолинейно (относительно Земли, которую можно с достаточной степенью точности считать инерциальной системой отсчёта): "Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно... Бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей" ("Диалог о двух главнейших системах мира птоломеевой и коперниковой", М. — Л., 1948, с. 147).