Если на тело не действуют другие тела, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, относительно инерциальной системы отсчета

Основы динамики

Если кинематика это раздел механики, в котором описываются и изучаются движения без исследования причин, их вызывающих, то динамика рассматривает движение с другой стороны.

Динамика – раздел механики, в котором выясняются причины, по которым может меняться характер движения тел.

В основе классической динамики лежат три закона Ньютона.

Любое материальное тело испытывает воздействие со стороны окружающих его тел. В то же время оно само воздействует на окружающие его тела. Иными словами тела взаимодействуют между собой.

Количественной мерой взаимодействия является сила.

Сила – векторная величина. Чтобы определить силу, надо указать ее величину, направление действия, тело, к которому сила приложена и точку приложения.

Все тела обладают свойством инертности.

Инертность состоит в способности тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения (сохранять неизменной скорость, которой они обладают).

Инертность различных тел различна.

Количественной мерой инертности является масса тела.

Единицей измерения массы является килограмм. Это основная единица, представленная массой международного прототипа килограмма (эталоном).

Наблюдения и опыт показывают, что скорость любого тела изменяется только при действии на него других тел (при действии силы). Неизменность скорости возможно только при условии, что ускорение равно нулю.

Галилеем на рубеже XVI-XVII века был установлен закон:

Если на тело не действуют никакие другие тела, то тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения.

В конце XVII века Ньютон включил его в свои законы механики в качестве первого закона, назвав его законом инерции.

Закон инерции гласит:

Если на тело не действуют другие тела, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, относительно инерциальной системы отсчета.

Из этого закона следует, что причиной изменения скорости является сила.

Второй закон Ньютона отвечает на вопрос о том, как движется тело под действием силы. Поскольку скорость может меняться только при наличии ускорения, а причиной изменения является сила, то сила является причиной возникновения ускорения.

Закон гласит:

Ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом) в инерциальной системе отсчета, пропорционально действующей на точку силе, обратно пропорционально массе материальной точки и по направлению совпадает с силой.

Единица измерения силы – ньютон (Н):

В первом и втором законах рассматривается только одно тело. Но силы возникает только при наличии двух взаимодействующих тел, и являются мерой этого взаимодействия.

Третий закон рассматривает оба взаимодействующих тела.

Закон гласит:

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей эти тела.

Взаимодействие может осуществляться при непосредственном соприкосновении. Оно в таком случае сопровождается изменением формы и объема взаимодействующих тел – деформациями. Возникающие при этом силы, называются силами упругости.

Взаимодействие может осуществляться на расстоянии. В таком случае говорят о наличии силового поля. Одним из таких полей является поле тяготения, а возникающие в нем силы называются силами тяжести.

При непосредственном соприкосновении тел кроме сил упругости возникают силы другого типа, называемые силами трения. Они характерны тем, что препятствуют движению одного трущегося тела относительно другого или препятствуют самому возникновению этого движения.

Сила тяжести, к действию которой в земных условиях мы привыкли, обусловлена притяжением (действием поля тяготения) Земли. Количественно ее определяют по формуле:

g – ускорение свободного падения;

m – масса рассматриваемого тела;

То, что для всех тел, на которые действуют только силы тяжести, возникающее при этом ускорение одинаково и равно g, установил Галилей.

Сила тяжести приложена к центру масс тела и направлена вниз по отвесной линии.

Силы упругости возникают в результате взаимодействия тел, которые при этом деформируются.

Установлено, что упругая сила пропорциональна смещению частиц из положения равновесия, происходящему при деформировании тела, и направлена к положению равновесия.

Первым установил эту зависимость современник Ньютона Роберт Гук и известна в физике как закон Гука.

х – величина упругой информации;

k – жесткость тела;

Жесткость имеет размерность [Н/м]. Она зависит не только от материала тела, но и от формы, которую это тело имеет.

Сила трения скольжения препятствует движению одного трущегося тела относительно другого и действует, когда такое движение (скольжение) происходит. Она направлена по касательной к трущимся поверхностям в сторону, противоположную движению данного тела относительно другого и зависит от состояния трущихся поверхностей и прижимающего давления.

 – коэффициент трения скольжения, зависящий от природы и состояния соприкасающихся тел, который не имеет размерности;

N – сила нормального давления, прижимающая трущиеся поверхности друг к другу;

Сила трения покоя. Для того, чтобы одно трущееся тело начало двигаться относительно другого, необходимо приложить некоторое усилие. Если усилие будет меньше требуемого, движение не начнется. Это означает, что приложенное усилие компенсируется какой-то силой. Это сила трения покоя.

Сила трения покоя возникает при появлении силы, стремящейся вызвать скольжение одного тела по другому.

Сила трения покоя равна по величине и противоположна по направлению внешней силе.

Сила трения покоя увеличивается с ростом внешней силы до определенного предела, после достижения которого начинается скольжение.

Предельная сила трения покоя во многих случаях превышает силу трения скольжения.

Сила трения качения. Если тело имеет форму, которая позволяет его катить по поверхности другого тела, то возникает сила трения качения.

Сила трения качения меньше силы трения скольжения.

Возникновения трения качения обусловлено деформацией поверхностей обоих тел из-за чего катящееся тело как бы вкатывается на горку. В то же время происходит отрыв ранее находившихся в контакте участков одной поверхности от другой.