Основні закони механіки-опис, особливості та формули

Рух різних тіл у просторі у фізиці вивчає спеціальний розділ-Механіка. Остання, в свою чергу, ділиться на кінематику і динаміку. У даній статті розглянемо закони механіки у фізиці, концентруючи свою увагу на динаміці поступального і обертального переміщення тіл.

Історична довідка

Як і чому рухаються тіла, цікавило філософів і вчених з давніх часів. Так Аристотель вважав, що об`єкти переміщаються в просторі тільки тому, що існує деякий зовнішній вплив на них. Якщо цей вплив припинити, то тіло відразу ж зупиниться. Багато давньогрецькі філософи вважали, що природним станом всіх тіл є спокій.

З приходом Нового часу багато вчених зайнялися вивченням законів руху в механіці. Слід зазначити такі прізвища, як Гюйгенс, Гук і Галілей. Останній розробив науковий підхід до вивчення явищ природи і, по суті, відкрив перший закон механіки, який, однак, носить не його прізвище.

У 1687 році в світ вийшла наукова публікація, автором якої був англієць Ісаак Ньютон. У своїй науковій праці він чітко сформулював основні закони руху тіл в просторі, який разом з закон всесвітнього тяжіння, сформували основу не тільки механіки, але і всієї сучасної класичної фізики.

Про закони Ньютона

Їх також називають законами класичної механіки на відміну від релятивістської, постулати якої були викладені на початку XX століття Альбертом Ейнштейном. У першій існують всього три головних закону, на основі яких тримається весь розділ фізики. Вони називаються так:

1. Закон інерції.
2. Закон взаємовідносини між силою і прискоренням.
3. Закон дії та протидії.

Чому саме ці три закони є головними? Все просто, будь-яка формула механіки може бути отримана на їх основі, однак, жоден теоретичний принцип не призводить до жодного з них. Названі закони слідують виключно з численних спостережень і експериментів. Їх справедливість підтверджується надійністю прогнозів, отриманих за допомогою них, при вирішенні різних завдань на практиці.

Інерції закон

Перший закон Ньютона в механіці говорить, що всяке тіло при відсутності зовнішнього впливу на нього буде зберігати стан спокою або прямолінійного руху в будь-якій інерційній системі звіту.

Щоб зрозуміти цей закон, слід розібратися з системою звіту. Інерційної вона називається тільки в тому випадку, якщо задовольняє викладеним законом. Іншими словами, в інерційній системі не існує фіктивних сил, які б відчували спостерігачі. Наприклад, рухається рівномірно і по прямій лінії система може вважатися інерційною. З іншого боку, система, яка рівномірно обертається навколо осі, є неінерційною через наявність у ній фіктивної відцентрової сили.

Закон інерції встановлює причину, по якій змінюється характер руху. Цією причиною є наявність зовнішньої сили. Зауважимо, що на тіло можуть діяти кілька сил. В такому випадку вони повинні бути складені за правилом векторів, якщо результуюча сила виявиться рівною нулю, то тіло продовжить свій рівномірний рух. Важливо також розуміти, що в класичній механіці немає різниці між рівномірним рухом тіла і його станом спокою.

Другий ньютонівський закон

Він говорить про те, що причиною зміни характеру переміщення тіла в просторі є наявність зовнішньої ненульової сили, прикладеної до нього. По суті, цей закон є продовженням попереднього. Математична його запис виглядає наступним чином:

F¯ = m*a¯.

Тут величина A-це прискорення, що описує швидкість зміни вектора швидкості, m-інерційна маса тіла. Оскільки m завжди більше нуля, то вектора сили і прискорення спрямовані в одному і тому ж напрямку.

Розглянутий закон застосуємо до величезного числа явищ в механіці, наприклад, до опису процесу вільного падіння, руху з прискоренням автомобіля, зісковзування бруска по похилій площині, коливання маятника, розтягування пружинних ваг і так далі. Можна з упевненістю сказати, що він є головним законом динаміки.

Кількість руху і імпульс

Якщо звернеться безпосередньо до наукової праці Ньютона, то можна побачити, що сам вчений другий закон механіки сформулював трохи інакше:

F * dt = dp, де p = m * v.

Величина p називається кількістю руху. Багато хто помилково її називають імпульсом тіла. Кількість руху-це інерційно-енергетична характеристика, що дорівнює добутку маси тіла на його швидкість.

Змінити кількість руху на деяку величину dp може тільки зовнішня сила F, що діє на тіло протягом проміжку часу dt. Твір сили на час її дії називається імпульсом сили або просто імпульсом.

Коли два тіла стикаються, то між ними діє сила зіткнення, яка змінює кількості руху кожного тіла, однак, оскільки ця сила є внутрішньою по відношенню до досліджуваної системи двох тіл, то вона не призводить до зміни загальної кількості руху системи. Цей факт носить назву закону збереження імпульсу.

Обертання з прискоренням

Якщо сформульований Ньютоном закон механіки застосувати до руху обертання, то вийде наступний вираз:

M = I*α.

Тут m-момент імпульсу-це величина, яка показує можливість сили зробити поворот в системі. Момент сили обчислюється, як добуток векторне сили на радіус-вектор, спрямований від осі до точки додатки. Величина I-це момент інерції. Як і момент сили, він залежить від параметрів обертової системи, зокрема, від геометричного розподілу маси тіла щодо осі. Нарешті, величина α-це кутове прискорення, що дозволяє визначити, на скільки радіан в секунду змінюється кутова швидкість.

Якщо уважно подивитися на записане рівняння і провести аналогію між його величинами і показниками з другого ньютонівського закону, то ми отримаємо повне їх тотожність.

Закон дії та протидії

Нам залишилося розглянути третій закон механіки. Якщо перші два, так чи інакше, були сформульовані попередниками Ньютона, а сам вчений лише надав їм стрункий математичний вигляд, то третій закон є оригінальним дітищем великого англійця. Отже, він говорить: якщо два тіла вступають в силовий контакт, то діючі між ними сили рівні за модулем і протилежні за напрямком. Більш коротко можна сказати, що будь-яка дія викликає протидію.

F₁₂¯ = -F₂₁¯.

Тут F₁₂ і F₂₁ - діючі з боку 1-го тіла на 2-е і з боку 2-го на 1-е сили, відповідно.

Прикладів, що підтверджують цей закон, можна навести безліч. Наприклад, під час стрибка людина відштовхується від поверхні землі, остання штовхає його вгору. Те ж саме стосується ходьби пішохода і відштовхування від стінки басейну плавця. Інший приклад, якщо натиснути рукою на стіл, то відчувається зворотний вплив столу на руку, яке називається силою реакції опори.

При вирішенні завдань на застосування третього ньютонівського закону слід не забувати, що сила дії і сила протидії прикладена до різних тіл, тому повідомляють їм різні прискорення.