Сила та рух
Nav view search
Login Form
Сила та рух. Механіка Ньютона
Ми вже знайомі з механічним рухом та його видами.
Чому виникає механічний рух? На це питання відповідає динаміка - розділ механіки, який вивчає причини виникнення та зміни механічного руху.
Найважливіше поняття динаміки -сила.
З історії
Поняття сили використовувалося ще вченими античності у процесі вивчення статики та руху. У ІІІ ст. до н.е. давньогрецький вчений Архімед пов'язав поняття сили, вантажу та плеча, описуючи принцип дії важеля.
Перше вчення про рух, механіку створив давньогрецький філософ Аристотель. Він вважав, що є два види руху: природне і насильницьке. Природний рух відбувається, без втручання сили, оскільки кожне тіло прагне зайняти своє «природне» місце. А рух, який відбувається під впливом сили, Аристотель називав насильницьким. Він вважав, що більшість тіл перебувають у стані спокою. І для того, щоб тіло рухалося, потрібно безперервно впливати на нього силою. Рух тіла триватиме, доки на нього діє сила. Такі рухи він називав насильницькими. І швидкість, яку отримує тіло, за Арістотелем, має бути пропорційна прикладеної до тіла сили.
А коли на тіло перестане діяти сила, воно зупиниться.
Зв'язок між рухом і силою був зрозумілий, коли йшлося про тіла, які піднімали, штовхали, тягли. Щойно припинялася дія сили, рух припинявся. Але механіка Аристотеля не могла пояснити, чому не припиняє рух стріли, випущеної з лука. Адже сила на неї діє тільки в початковий моментруху.
Сила - фізична величина, що визначає інтенсивність впливу на тіло інших тіл. Говорячи простими словами, сила - це кількісна міра впливу тіл один на одного.
Кажуть, що дія – це додаток сили до тіла. Завжди можна визначити тіло, що є джерелом дії сили, та тіло, на яке діє сила.
Сила – векторна величина. Вона характеризується величиною, напрямом та точкою докладання. Розмір вектора сили називається йогомодулем.Лінія дії сили- це пряма, що проходить через точку докладання сили, і збігається з напрямом сили.
Від величини, напряму та точки докладання сили залежить результат дії сили на тіло.
Одиниця виміру сили у системі СІ – ньютон (Н).
Якщо прикласти силу до тіла, що перебуває у стані спокою, тіло почне рухатися з прискоренням (рівноприскорено). Сила, що дорівнює 1 Н, прикладена до тіла масою 1 кг, змінює його швидкість на 1 м за 1 сек.
1 Н ≈ 0,10197162 кгс.
Механіка Ньютона
В основі класичної механіки лежать три закони Ньютона. Ці закони формулюють зв'язок між силою та рухом.
Причиною зміни руху тіла є вплив тіла інших тіл. Якщо відбувається зміна руху, змінюється швидкість руху, і його прискорення. Якщо тіло не діють ніякі сили, воно або перебуває у стані спокою, або рухається з постійною швидкістю.
Перший закон Ньютона
Перший закон Ньютона називають також першим законом механіки, абозаконом інерції.
Інерція- цевластивість тілзберігати свій первісний стан, коли на нього не діють сили. Це означає, що ввідсутність впливу тіло, що знаходиться в стані спокою, буде залишатися в цьому ж стані. А тіло, яке перебуває в русі, продовжуватиме рух. При цьому величина та напрямок швидкості не змінюватимуться.
Усі закони Ньютона розглядають рух стосовноінерційним системам відліку. Інерційною вважається така система відліку, в якій всі вільні тіла рухаються рівномірно і прямолінійно або перебувають у стані спокою, якщо на них не діють інші тіла.
Іноді кажуть, що інерційною вважається така система відліку, де виконуються закони Ньютона.
Перший закон Ньютона говорить: «Тіло рухається прямолінійно і рівномірно або перебуває у стані спокою, якщо на нього не діють сили, або всі сили, що діють на тіло, взаємно компенсуються».
Тобто, якщо на тіло не діють жодні сили, його швидкість не змінюється ні за величиною, ні за напрямом.
Сучасна фізика формулює перший закон Ньютона дляматеріальної точкинаступним чином:« Існують такі системи відліку, звані інерціальними, щодо яких матеріальні точки перебувають у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо на них не діють сили, чи чинні сили взаємно врівноважені».
Другий закон Ньютона
Внаслідок дії сили тіло змінює свою швидкість, тобто отримує прискорення. Це прискорення залежить від величини сили та властивостей самого тіла. Причому результат дії однакових за величиною сил буде різним для різних тіл.
Для характеристики здатності тіла змінювати швидкість під впливом сили в механіці існує величина, яка називається масою.
Властивість тілопиратися зміністану називаютьінертністю. А маса – це кількісна міра інертності тіла. Чим більша маса тіла, тим більша його інертність. Тобто, тіло з більшою масою складніше зрушити з місця, якщо воно спочиває, або, навпаки, зупинити, якщо воно перебуває в русі.
Відношення модуля сили до модуля прискорення називають масоютіла.
Це ставлення – величина стала.
Якщо до тіла прикладено кілька сил, то при розрахунках їх замінюють однією силою, яку називають рівнодіючою. Равнодіюча сила - це геометрична сума всіх сил, що діють на тіло. Геометрична сума обчислюється додаванням всіх векторів сил за правилом складання векторів .
Другий закон Ньютона описує залежність прискорення тіла від маси тіла та всіх доданих до нього сил.
У сучасній фізиці поняття "тіла" замінюється поняттям "матеріальної точки".
Другий закон Ньютона формулюється наступним чином: «Прискорення, яке отримує матеріальна точка в інерційній системі, прямо пропорційно силі, що його викликає, збігається з нею за напрямом і обернено пропорційно масі матеріальної точки».
де a – прискорення матеріальної точки; F - рівнодіюча всіх сил, прикладених до матеріальної точки; m — маса матеріальної точки.
Мірою механічного руху тіла в класичній механіці єімпульс(кількість руху). Вперше поняття імпульсу ввів французький вчений Рене Декарт XVII в. В ті часи про масу не було відомо нічого, і Декарт вважав за імпульс твір «величини тіла на швидкість його руху». Ньютон уточнив, що «кількість руху є міра такого, що встановлюється пропорційно швидкості і масі».
Імпульс дорівнює добутку маситіла на швидкість.
Імпульс однієї матеріальної точки - це добуток маси матеріальної точки на її швидкість.
Напрямок вектора імпульсу збігається із напрямом вектора швидкості.
Другий закон Ньютона можна записати і так: «Швидкість зміни імпульсу в інерційній системі відліку дорівнює рівнодіючої всіх сил, прикладених до матеріальної точки».
Оскільки маса матеріальної точки є постійною величиною, її можна винести за знак диференціала.
Отже, .
Сила сприймається як причина, що викликає зміна прямолінійного рівномірного руху на інерційної системі координат. Якщо ж рух залишається рівномірним і прямолінійним, це говорить про те, що сили, які діють тіло, врівноважені.
Другий закон справедливий лише для тіл, швидкості яких набагато менші за швидкість світла.
Третій закон Ньютона
Якщо два тіла взаємодіють між собою, то сила, з якою перше тіло діє друге, дорівнює за величиною і протилежна за напрямом силі, з яким друге тіло діє перше. Ці сили прикладені до різних тіл. Вони не врівноважують одне одного.
Але якщо розглядати перше та друге тіла як одну систему, то сумарна сила дорівнює нулю.
«Дію завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, взаємодії двох тіл один на одного рівні і спрямовані в протилежні сторони» - так сформулював третій закон сам Ньютон.