Силы и механическое движение тел

Министерство Образования  Российской Федерации

Новосибирский Государственный  Технический Университет

 

 

 

Реферат

по курсу «Концепции современного естествознания»

 

Тема: «Силы и механическое движение тел»

 

 

  

 

 

 

Выполнил:

студент группы ЗФ-107

Маринов Вениамин Александрович

Шифр 130910703 

 

 

   

 

 

 

г. Новосибирск 

Содержание 

 

Введение

 

1. Механическое движение

2. Силы в физике

2.1 Ньютоновская механика

 2.1.1 Первый закон Ньютона

 2.1.2 Второй закон Ньютона

      2.1.3 Третий закон Ньютона

 2.2 Фундаментальные взаимодействия

2.2.1  Гравитация

   2.2.2  Электромагнитное взаимодействие

          Электростатическое поле (неподвижных зарядов)

Электромагнитное поле (постоянных токов)

2.2.3 Сильное взаимодействие

 2.2.4 Слабое взаимодействие

2.3 Производные виды сил

 

Список литературы 

Введение 

 

Понятие «тело» является основным в большинстве естественных наук, но для начала стоит ознакомиться с закономерностями проявления свойств тела именно в области физических законов и принципов, так как законы физики лежат в основе всего естествознания.

 

Физика – это именно та наука, которая отличается от других естественных наук своей точностью. Физические законы позволяют прогнозировать ход событий в определенных условиях. Проверка этих прогнозов дает возможность оценить точность производимых физических измерений и установить область применения того или иного физического закона.

На основе физических исследований создаются различные области  техники, которые, в свою очередь, используются физиками для дальнейшего изучения природных явлений.

Силы и механическое движение тел есть фундаментальные феномены в области физики, без которых выявление закономерностей крайне сложно, знание возможных воздействий на тело внутри системы тел и вне нее необходимо. 

 

1. Механическое движение тел

 

 

Различные физические объекты  от звезд и планет до элементарных частиц называют физическими телами. Тела существуют в пространстве и  времени.

Понятия пространства и времени  являются первичными, т.е. их нельзя ввести через другие понятия. Согласно современным  научным представлениям пространство и время не являются самостоятельными сущностями. Они представляют собой  всеобщие и неотъемлемые свойства материи. Пространство трехмерно. Время имеет  только одно измерение.

Для того, чтобы обнаружить движение, необходимы, по крайней мере, два тела. Движение всегда относительно. Говорить об абсолютном движении, т.е. о движении тела безотносительно  и другому телу или телам, бессмысленно.

Тела, по отношению к которым  рассматривается движение других тел, называют телами отсчета. При наблюдении движения отмечают моменты времени, т.е. требуются части.

Тело отсчета и время образуют систему отсчета.

Приступая к изучению движения тела, необходимо определить систему  отсчета. При этом для описания движения математическими методами с телом  отсчета связывают систему координат.

Различные системы отсчета  одинаково допустимы при изучении движения, но физические явления протекают, вообще говоря, различно в разных системах отсчета. Очевидно, что исследователь  отдает предпочтение той системе (или  системам), в которой физическое явление выглядят наиболее наглядно.

Представим себе тело, находящееся  настолько далеко от других тел, что оно не испытывает воздействие с их стороны. В этом случае говорят, что тело движется свободно. Понятно, что свободное движение это - физическая абстракция, т.е. оно может осуществляться лишь с большой или меньшой степенью точности.

Свободное движение выглядит по-разному в различных системах отсчета. Если же в качестве тела отсчета выбрать свободно движущееся тело, то свободное движение других тел будет выглядеть наиболее просто: оно равномерно и прямолинейно. Это утверждение - один из основных законов природы - закон инерции (или I закон Ньютона).

Закон инерции часто формулируют  и следующим образом: существуют системы отсчета, относительно которых  свободные тела движутся прямолинейно и равномерно или покоятся. Такие системы отсчета называют инерциальными.

Наконец, приведем утверждение, которое также является одной  из формулировок закона инерции: по отношению  к инерциальной системе отсчета  пространство однородно и изотропно, время однородно. Однородность пространства и времени означает равнозначность (эквивалентность) всех положений свободного тела в пространстве во все моменты  времени. Изотропность пространства - эквивалентность различных направлений в нем. Неизменность характера свободного движения тела в инерциальной системе отсчета в любом направлении пространства является очевидным следствием этих свойств.

Если имеется инерциальная система отсчета, то любая другая система отсчета, движущаяся относительно нее равномерно и прямолинейно, также  будет инерциальной. Все эти системы  равноправны, т.е. изучая физические явления, нельзя отличить одну инерциальную систему  от другой.

Законы природы имеют  одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Это утверждение  является одной из формулировок фундаментального закона природы, называемого принципом относительности.

В различных инерциальных системах отсчета формулировки физических законов отличаются, поэтому естественно  изучать физические явления в  инерциальных системах. Однако следует  иметь в виду, что некоторые  явления удобно рассматривать в  тех или иных инерциальных системах.

Каков ход времени в  различных инерциальных системах отсчета? По-разному отвечают на этот вопрос механика классическая (или ньютоновская) и релятивистская (эйнштейновская) механика.

Классическая и релятивистская механики - теории механического движения. Почему для описания одного и того же явления существуют две теории? Как они соотносятся между  собой? Прежде, чем продолжить рассмотрение, попытаемся уяснить некоторые общие  вопросы построения физической науки.

Познавательные возможности, как отдельного человека, так и  всех людей вместе взятых, не в состоянии  дать абсолютно полное, исчерпывающее  объяснение какому-либо объекту, явлению. Даже такое обыденное явление, как  механическое движение, оказывается  весьма сложным. Для того, чтобы познать  главное, не отвлекаясь на второстепенные детали, в наука принят метод моделирования, состоящий в том, что вместо реального  объекта изучается некоторая  абстрактная система - модель, сходная  в главных чертах с реальным объектом.

Модели формулируются  на языке той или иной науки. Изучая физику, проводя физические исследования, мы мыслим моделями - образами физических объектов, процессов, явлений, и строим математические модели, отвечающие этим умозрительным физическим моделям. Одна и та же математическая модель может отвечать различным физическим моделям.

Модель - понятие весьма широкое. Это, например, и материальная точка - образ реального тела, и теория механического движения, которая  само, является системой моделей.

Основание физической теории составляют некоторые аксиомы (их называют законами или принципами). Эти фундаментальные  законы постулируются, исходя из многолетних  наблюдений, экспериментов, размышлений. Примерами фундаментальных законов  являются уже рассмотренные закон  инерции и принцип относительности, на фундаментальных принципах возводится теория, включающая законы, теоремы  и т.п. Они выводятся из этих принципов, достоверность теории (в том числе, аксиом, лежащих в ее основании) проверяется  экспериментальными исследованиями. В  развитии той или иной теории бывают переломные моменты, когда исследователи  сталкиваются с проблемами, разрешение которых требует пересмотра фундаментальных  принципов. Так возникают новые  теории.

Современная физика представляет собой стройную систему логически  связанных между собой моделей. Одна из замечательных ее особенностей состоит в том, что переход  к новой более глубокой теории не отвергает старую, а включает ее в систему моделей как некоторый  предельный случай новой теории.

Классическая механика стала  итогом тысячелетних наблюдений и размышлений  людей над природой механического  движения. Релятивистская механика является достижением физики 20 века. Это - следующий  после классической механики шаг  к абсолютному знанию, т.е. релятивистская механика представляет более полное, по сравнению с классической механикой, познание механического движения. Классическая механика следует из релятивистской как частный случай или, говорят, предельным переходом.

В обыденной жизни и  в технике мы сталкиваемся с механическим движением, хорошо моделируемым классической механикой, поэтому сосредоточимся главным образом на этой теории.

В основе классической механики лежит представление об абсолютности времени: интервалы времени между  событиями не зависят от того, относительно какой инерциальной системы они  рассматриваются. Абсолютность времени  в классической механике является следствием предположения с том, что взаимодействие (сигнал) распространяется мгновенно.

Объединяя преобразование Галилея  и принцип относительности, приходим к принципу относительности Галилея, на котором основывается классическая механика: законы движения формулируются одинаково для любых двух систем отсчета, связанных преобразованием Галилея.

Все физические тела деформируются. Это означает, что со временем относительное  расположение частей физических тел  изменяется. Тем не менее, часто при  изучении движений тел их деформации ввиду, малости можно не принимать  во внимание, т.е. считать тела недеформируемыми, абсолютно твердыми.

В абсолютно твердом теле (обычно говорят, твердом теле) положение  любой произвольно выбранной  точки тела относительно других точек  с течением времени не изменяется. Далее при изучении движений реальных тел математическими методами будем  основываться на модели абсолютно твердого тела.

Заметим, что приведенное  в начале нашей работы определение  механического движения относится  к недеформируемому телу. В общем  случае механическое движение это - перемещение тел по отношению к другим телам и (или) перемещение частей одного и того же тела относительно друг друга.

Рассмотрим твердое (недеформируемое) тело произвольной формы и размеров. Свяжем с телом  трехмерную систему координат Оxyz так, что ее расположение в движущемся теле не изменяется. В системе Оxyz координаты любой из точек тела при любых его движениях остаются неизменными. Это является следствием недеформируемости тела. Говорят, что система координат Оxyz жестко связана с телом. Такую систему называют связанной системой.

Рассмотрим наиболее простые  движения связанной системы координат - твердого тела.

1. Поступательное движение. Пусть при движении тела оси связанной системы остаются параллельными самим себе, т.е. Oxyz не испытывает поворотов. Такое движение называют поступательным.

Так как ориентация связанной  системы Оxyz в пространстве не изменяется, то поступательное движение тела полностью описывается движением одной его точки. Например, точки О.

Понятно, что свойством  оставаться параллельным самому себе при поступательном движении обладает и отрезок, соединяющий любые  две точки тола. Это утверждение  можно рассматривать в качестве одного из определений поступательного  движения.

Можно дать еще и такое  определение: при поступательном движении траектории всех точек таковы, что  при совмещении совпадают.

Очевидны эквивалентность  приведенных определений поступательного  движения и следующий из них вывод  о том, что изучение поступательного  движения тела сводится к рассмотрению движения произвольно выбранной одной его точки.

2. Вращательное движение тела. Пусть точка О остается неподвижной, а при движении тела изменяется лишь ориентация связанных осей. В этом случае говорят, что твердое тело совершает вращательное движение. Описания такого движения математическими методами является весьма громоздким и не входит в наши задачи. Рассмотрим наиболее простой пример вращательного движения тела.

Пусть вращение системы Оxyz (твердого тела) происходит вокруг оси Оz, положение которой в пространстве остается неизменным . В этом случае траектории всех точек тела - окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных оси Оz , так, что центры окружностей находятся на Оz.

В общем случае положение  оси, вокруг которой происходит вращение тела, изменяется со временем.

В заключение заметим, что  вращательное движение может совершать  только тело. Выражение "вращательное движение точки" лишено смысла. 

 

Сложное движение тела. Движение тела в общем случае представлено как суперпозиция поступательного  и вращательного движений:

Сложное движение твердого тела = поступательное движение + вращательное движение.

В кинематике - разделе механики, изучающем геометрические свойства движения тел, выделяют кинематику материальной точки и кинематику твердого тела.

К кинематике точки приходим в следующих двух случаях:

а. При изучении поступательного  движения тел. Это движение замечательно том, что оно полностью характеризуется  движением одной из точек тела.

б. При рассмотрении движения тела, размеры которого достаточно малы. В этом случае можно не принимать  во внимании вращательное движение. Тело, размерами которого можно пренебречь, называют материальной точкой. Возможность  рассматривать движение некоторого тела пак движение материальной точки  определяется не только абсолютными  размерами тела, а зависит от условий  задачи.