 |
Первый закон Ньютона. Второй закон Ньютона. Система СИ (System International). Размерность силы. Третий закон Ньютона. §3. Силы в природе
|
|
|
|
Первый закон Ньютона
Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолине й-
ного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изм е-
нить это состояние.
Сила. Масса. Импульс
Сила – векторная величина, характеризующая воздействие на данное
тело других тел.
Величину силы можно определить опытным путем, используя прибор для
измерения силы – динамометр.
Сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве
и точкой приложения.
Масса тела , m, – скалярная величина, являющаяся мерой инертности тела.
Инертность – неподатливость действию силы, свойство тела сохранять велич и-
ну и направление своей скорости, невозможность ее мгновенного изменения.
Импульс материальной точки – это вектор, равный, в механике Ньютона,
произведению массы материальной точки на ее скорость:
. (4. 1)
m
Рис. 4. 1
В релятивистской механике, т. е. при v с это определение импульса не
справедливо. Импульс в этом случае (в теории относительности, см. лекцию
№ 12):
, 
(4. 2)
здесь с = 3 108 м/с – скорость света в вакууме.
Второй закон Ньютона
Скорость изменения импульса (т. е. производная импульса по времени)
равна действующей на м атериальную точку равнодействующей силе:
, (4. 3)
где .
Так как (см. рис. 4. 1), то из (4. 3) следует, что:
|
|
|
. (4. 3а)
При постоянной массе, т. е. , ее можно вынести за знак прои з-
водной:
,
используя (2. 7) и (2. 8)),
,
мы получаем еще две формулы, выражающие втор ой закон Ньютона.
(4. 4)
или
. (4. 5)
Подчеркнем, что формулы (4. 4) и (4. 5) справедливы только при постоя н-
ной масс е тела.
Как было показано в § 3 предыдущей лекции, для решения основной з а-
дачи механики при произвольном движении материальной точки в пространс т-
ве необходимо знать зависимость вектора ускорения от времени – – и н а-
чальные условия: . Второй закон Ньютона в форме (4. 4) позволяет на й-
LLLLLLLLLL. ускорение в данный момент времени, если известна равнодействующая сила
. Таким обр азом, решение основной задачи механики для материальной точки
полностью опре деляется действующими на эту точку силами и начальными у с-
ловиями: . Для системы материальных точек необходимо задать н а-
чальные условия для каждой точки: – и силы взаимодействия между
материальными то чками расс матриваемой системы.
А как определить действующие на материальную точку силы? Это можно
сделать, если из опыта известна – зависимость положения материальной
точки от времени. В этом случае, решая обратную задачу механики, можно у с-
LLLLLLLLLL. н о вить действующие на материальную точку силы.
Кое -что о силах говорит третий закон Ньютона. Более конкретные свед е-
|
|
|
ния о силах, полученные на основании опытных данных, приведены в §3 н а-
стоящей лекции.
Система СИ (System International)
В этой системе семь основных единиц, для них существуют эталоны.
Это единицы:
длины – метр (м);
массы – килограмм (кг);
времени – секунда (с);
силы электрического тока – ампер (А);
температуры – кельвин (К);
силы света – кандела (кд);
количества вещества – моль (моль).
Все остальные единицы являются производными, их размерности опред е-
ляю т ся из формул, связывающих производные величины с основными.
В механике используются единицы измерения: метр, килограмм, секунда.
Отметим, что с точки зрения логики, эти три единицы являются достато ч-
ными для введения производных от них величин не только в механике, но и во
всей физике. Для практических же целей в качестве основных единиц выбир а-
ют такие эталоны, которые можно воспроизвести с наибольшей точностью.
Размерность силы
.
1 ньютон (1Н) – это сила, которая массе 1 кг сообщает ускорение 1 м/с.
Третий закон Ньютона
Силы, с которыми взаимодействуют два тела, равны по модулю и прот и-
воположны по направлению . Пример – взаимодействие двух электрических з а-
рядов, изоб раженных на рис. 4. 2.
Рис. 4. 2
Обратим внимание, что силы, о которых говорится в третьем законе Нь ю-
тона, приложены к разным телам (рис. 4. 2) и являются силами одной природы.
Из третьего закона Ньютона следует, что для каждой силы можно указать
тело, явля ющееся причиной этой силы. Если же указать такое тело – причину
возникшей силы – не удается, то тогда причина «силы» – неинерциальность
системы отсчета. Напомним, что законы Ньютона справедливы только в ине р-
циальных си стемах отсчета.
§3. Силы в природе
Все изучаемое физикой многообразие взаимодействий тел сводится к ч е-
тырем видам:
1. гравитационному – описываемому законом всемирного тяготения;
2. электромагнитному – взаимодействию заряженных тел и частиц;
3. сильному (ядерному) – обеспечивающему связь частиц в ато мном я дре;
|
|
|
4. слабому – ответственному за многие процессы распада элементарных ча с- тиц.
В рамках классической механики имеют дело с гравитационными
и электромагнитными силами, которые являются фундаментальными, т. е. н е-
сводимыми к другим, более простым силам. Фундаментальные электромагни т-
ные силы будут подробно изучены во второй части настоящего курса лекций.
В механике также приходится иметь дело с упругими силами и силами
трения. Эти силы определяются электромагнитным взаимодействием между
молекулами веществ а, т. е. являются по своей природе электромагнитными.
Следовател ьно, упругие силы и силы трения не являются фундаментальными.
Законы действия этих сил описываются эмпирическими формулами, получе н-
ными на о снове обобщения опытных данных.
|
|
|
