telnov-machanika-and-TO

Второй закон Ньютона.

В инерциальной системе отсчета ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе:

Третий закон Ньютона.

Силы взаимодействия двух материальных точек i и k равны по модулю и действуют вдоль прямой, соединяющей эти материальные точки

(Fik – это сила, действующая на i -ую частицу со стороны j -ой части-

цы).

В дополнение к законам Ньютона в классической механике предполагается, что справедлив закон независимости действия сил, т.е. взаи-

модействие двух материальных точек не зависит от присутствия во-

круг других частиц. Отсюда следует принцип суперпозиции сил – ре-

зультирующая сила, действующая на материальную точку, является векторной суммой сил взаимодействия с каждой из окружающих материальных точек.

Может показаться, что первый закон Ньютона вытекает из второго. Действительно, если сила равна нулю, то ускорение тоже нулю и скорость постоянна. Однако, эта точка зрения неверна. Первый закон постулирует существование инерциальных систем отсчета, привязанных к свободным телам. Исключить действие всех сил трудно, но если она привязана к свободному телу и при этом другие тела в этой системе покоятся или движутся равномерно, то такие системы отсчета можно считать инерциальными. Именно в таких системах справедлив второй закон Ньютона. В системе, связанной с вращающимся диском тело будет ускоряться даже без приложенных к нему сил.

Рассмотрим теперь смысл второго закона Ньютона.

Интуитивно ясно, что сообщить скорость пушинке легче, чем большому камню. Свойство тела "сопротивляться" попыткам изменить его скорость называется инертностью тела. Мера инертности – это масса тела. Степень воздействия одних тел на другие характеризуется силой. Требуется, конечно, дать точные количественные определения. Существует несколько подходов к формулировке законов динамики. Рассмотрим два из них.

61

Первый подход основан на законах Ньютона. В этом подходе предлагается ввести некоторый эталон силы. Это может быть, например, пружинка, растянутая на определенную длину. Указав направление силы, получим вектор эталонной силы. Складывая несколько пружинок можно получить любую силу. Различные силы, приложенные к одному и тому же телу, сообщают ему различные ускорения, причём было замечено, что ускорение пропорционально силе

Утверждение о том, что ускорение пропорционально действующей силе, является содержанием второго закона Ньютона. Сила, как и ускорение, является векторной величиной. Если к материальной точке приложено несколько сил, то результирующая сила находится по правилу сложения векторов. Обозначив коэффициент пропорциональности че-

Это вовсе не очевидное утверждение, а экспериментальный факт, справедливый только при малых скоростях. Одновременно второй закон Ньютона несёт в себе количественное определение массы тела. Опыт показывает, что масса является аддитивной величиной, т.е. масса равна сумме составляющих тело масс. (В релятивистском случае это неверно, поскольку при столкновениях кинетическая энергия может переходить в массу. Энергия связи также обладает массой. Так атом водорода легче, чем сумма масс протона и электрона.)

Из третьего закона Ньютона сразу следует закон сохранения им-

пульса

m1a1 = -m2a2 m1v1 +m2v2 º p1 + p2 = const . (26.5)

Однако закон сохранения импульса и третий закон Ньютона – это не эквивалентные утверждения. Действительно, из закона сохранения

импульса следует, что F12 = -F21 , но отсюда ещё никак не следует, что

эти силы действуют вдоль линии соединяющей тела. Последнее утверждение, содержащееся в третьем законе Ньютона, следует из того факта, что в замкнутой системе не только сумма сил равна нулю, но и сумма моментов сил равна нулю. Тело не начинает само по себе вращаться. Здесь проявляется свойство изотропности пространства – если тело начнет вращаться, то в какую сторону? Из симметрии следует, что тело будет оставаться в покое.

Закон равенства действия и противодействия, очевидно, не выполняется, когда тела удалены, а скорости распространения сигнала ко-

62

нечна. Эту проблему можно обойти, представив, что рассматриваемые два тела обмениваются импульсами за счет перекидывания третьего тела (поля) и взаимодействие происходит только в момент локального взаимодействия третьего тела с первым.

Еще одно замечание, касающееся третьего закону Ньютона. Есть взаимодействия, когда сила направлена не вдоль линии, соединяющей точки. Например, это сила между двумя движущимися зарядами. Электрическая сила взаимодействия направлена вдоль линии между зарядами, однако магнитная компонента сила направлена иначе: перпендикулярно магнитному полю и скорости. Так что силы взаимодействия не равны друг другу и не направлены в противоположные стороны. Следует заметить, что магнитные силы – это проявление релятивистских эффектов в электромагнитных взаимодействиях, т.е. они важны при больших скоростях, где законы Ньютона не работают в целом. Кроме того, при электромагнитном взаимодействии следует учитывать импульс и момент импульса электромагнитного поля. Однако, несмотря на нарушение третьего закона Ньютона, суммарный момент сил в изолированной системе оказывается равен нулю даже в релятивистском случае. Связанный с этим закон сохранения момента импульса является более общим законом, чем третий закон Ньютона, он связан с изотропностью пространства (эквивалентностью всех направлений). Это будет обсуждаться в дальнейшем подробно.

Единицы измерений

Длина

Всистеме СИ единицей длины является метр (м)

Всистеме СГСЭ единицей длины является сантиметр, 1 см = 0.01м.

Время

Вобеих системах единицей времени является секунда.

Масса

Всистеме СИ единицей массы является килограмм (кг) – международный эталон.

Всистеме СГСЭ единицей массы является грамм,1 г = 10-3 кг.

Сила

Всистеме СИ единицей силы является ньютон (Н), это сила, сообщающая телу с массой 1 кг ускорение 1 м/с2, Н = кг·м/с2

Всистеме СГСЭ единицей силы является дина (обозначение: дин, dyn

от греч. δύναμις — «динамис»–сила) – это сила, сообщающая телу с массой 1 г ускорение 1 см/с2: дин = г·см/с2. Отсюда,

1 Н = 105 дин.

63

§ 27. Импульс

Величина p mv называется в ньютоновской механике импульсом

материальной точки. Покажем, что для замкнутой системы суммарный импульс сохраняется.

Закон сохранения импульса

Изменение суммарного импульса системы P = åPi

Смысл простой — материальные точки взаимодействуют попарно, сумма пары сил равна нулю по третьему закону Ньютона. Отсюда следует закон сохранения импульса

т.е. скорость изменения импульса равна сумме внешних сил.

Центр масс

В нерелятивистской ньютоновской механике можно ввести понятие центра масс. Преобразуем выражение для импульса системы частиц

определяет точку в системе, которая называется центром масс (ц.м.) системы. Тогда импульс системы записывается в виде

где V – скорость центра масс. Ускорение центра масс

Таким образом, центр масс тела движется с таким же ускорение как и материальная точка с массой, равной суммарной массе тела. Это

64

означает также, что в нерелятивистской механике справедлив закон аддитивности масс – масса тела равна сумме масс его частей.

Пример. К карандашу массы m приложили силу F, перпендикулярную карандашу. Один раз сила приложена к центру карандаша, другой раз к его концу. В каком случае ускорение центра карандаша будет больше? Ответ: из формулы (27.7) следует, что ускорение центра масс не зависит от того к какой точке тела приложена сила, так что в обоих случаях ускорение ц.м. будет a = F/m , несмотря на то, что во втором

случае наряду с поступательным движением карандаш будет еще вращаться.

Сила как мера скорости изменения импульса

Рассмотрим альтернативный подход к определению массы и сил. Здесь первичным считается закон сохранения импульса, следующий из опытных фактов. Постулируется, что каждой частице можно припи-

сать определенную массу mi , такую, что для замкнутой системы

(в релятивистской механике также работает закон сохранения импульса, но выражение для импульса другое).

Приняв некоторую массу m0 за эталонную, можно найти массы

всех остальных частиц, исследуя их взаимодействие с эталонной частицей

В этом подходе сила определяется как производная по времени от импульса частицы

Соотношения (27.8), (27.10), эквивалентны второму закону Ньютона. Из опыта следует, что силы зависят от координат и скоростей. Если сила определена (известна), то (27.10) может рассматриваться как уравнение движения

Третий закон Ньютона следует из (27.8) только частично

65

Вывода о направленности сил вдоль линии соединяющей тела отсюда не следует. В рассматриваемом подходе, когда исходными являются не законы Ньютона, к первичным законам следует отнести, кроме закона сохранения импульса, еще закон сохранения: момента импульса (о нем будет речь позже). Как было уже упомянуто, он связан с изотропностью пространства и справедлив даже в релятивистском случае.

Аддитивность масс

Обсудим еще раз одно на первый взгляд очевидное утверждение, об аддитивности масс, т.е. о том, что масса составного тела

В физике даже такие "очевидные" основополагающие утверждения нужно доказывать. Оказывается, это правило сложения масс справедливо только при малых скоростях. Посмотрим, откуда берется вывод об аддитивности масс в классической механике. Выше, при выводе уравнения движения центра масс, мы уже сделали такой вывод. Получим его другим способом: на основании закона сохранения импульса и принципа относительности.

На основании закона сохранения импульса в системе S можно записать

Перейдем теперь в систему отсчёта S ¢ , движущуюся прямолинейно и равномерно относительно S со скоростью V . Согласно принципу относительности закон сохранения импульса справедлив и в S ¢ системе:

66

Этот закон для химических реакций был открыт Ломоносовым и Лавуазье. В релятивистском случае это утверждение не верно.

§ 28. Задача двух тел, приведенная масса

Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из двух взаимодействующих частиц, сила взаимодействия которых зависит только от расстояния:

можно упростить, введя новые переменные – радиус-вектор центра масс

Внутренние силы не влияют на движение центра масс, поэтому центр масс движется с постоянной скоростью

называют приведенной массой. Таким образом, задача двух тел свелась к задаче движения одного тела с массой m под действием силы F(r).

Предположим, что мы решили это уравнение и нашли r(t). Для на-

хождения координаты каждой точки нужно сначала выразить расстояние каждой частицы относительно центра тяжести через r(t). Расстоя-

ние частиц относительно центра масс r1¢ и r2¢ легко найти, перенеся начало отсчета в центр масс. Тогда

67

Полное решение

m

r1 = R + r1¢ = R0 + Vt - m1 +2m2 r

m

r2 = R +r2¢ = R0 + Vt + m1 +1m2 r . (28.10)

Пример. Найти частоту колебаний двух тел с массами m1 и m2 ,

соединенных пружинкой с жесткостьюk .

В соответствие с изложенным выше задача сводится к колебаниям

конец прицеплен к бесконечно тяжелой стенке.

Другой пример – это движение двух тел, связанных гравитацией

(Солнце и Земля, например). Они будут оба двигаться вокруг общего центра масс. Эту задачу можно свести к вращению приведенной массы

в силовом поле F = -G m1m2 r . r3

§ 29. Реактивное движение

Любую задачу по механике можно решить, в принципе, используя законы Ньютона. Однако иногда задача решается проще, если использовать законы сохранения. Рассмотрим, в качестве примера, движение ракеты с реактивным двигателем.

Ускорение ракете сообщают выброшенные назад продукты горения. Пусть их скорость относительно ракеты равна u0 . Перейдем в

систему ракеты. Пусть ракета выбрасывает малую порцию газа. По закону сохранения импульса импульс

где m – текущая масса ракеты, Dv – приращение скорости ракеты, Dmг – масса порции выброшенного газа, равная убыли массы ракеты

68

-Dm . Мы нашли приращение скорости Dv в системе ракеты, но в соответствие с преобразованиями Галилея, изменение скорости будет точно таким же и в лабораторной системе отсчета. Переходя бесконечно малым порциям газа получаем уравнение,

рость от 0 до v . Интегрируя обе части уравнения в указанных пределах, получаем

Это знаменитая формула Мещерского-Циолковского, дающая связь между оставшейся массой ракеты и набранной скоростью. В таблице

приведено отношение m0 m в зависимости от скорости истечения га-

зов при достижении ракетой первой космической скорости v = 8 км/сек

Скорость истечения газов u0 определяется жаропрочностью двига-

теля (u0 ~ T ), при T = 30000 молекулы H2O (кислородно-

водородный двигатель) имеют скорость ~2 км/сек. Видно, что для достижения высоких скоростей и уменьшения начальной массы ракеты нужно увеличивать скорость истечения газа. Метод сжигания газа достиг предела, дальнейшее продвижение связано с созданием ионных двигателей, где молекулы газа получают большую скорость за счет разгона в электрическом поле.

Из (29.3) легко найти зависимость скорости от времени. Если двигатель выбрасывает ежесекундно одинаковую массу газа

69

dmг = -dm = a dt , где a = const , то масса ракеты зависит от времени как m = m0 -at . Подставляя эту массу в (29.3), получаем

§ 30. Работа и кинетическая энергия

Рассмотрим перемещение материальной точки (частицы) из точки 1 в 2 вдоль некоторого пути l под действием силы F , которая в общем случае может зависеть от координаты, скорости и времени. На каждом участке силу можно разложить на продольную (тангенциальную) и перпендикулярную (нормальную) составляющую по отношению к линии движения. Нормальная составляющая силы вызывает ускорение перпендикулярное траектории, которое меняет только направление скорости, а продольная сила вызывает изменение модуля скорости.

Назовем работой величину

т.е. изменение кинетической энергии равно работе сил.

Пример. Если трактор тянет сани с достаточно большой силой, а они стоят на месте, то работа не совершается. Кинетическая энергия

70