К следующей лекции                                 К содержанию

МЕХАНИКА,

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

И ТЕРМОДИНАМИКА

 

Курс лекций по физике

для студентов инженерно-технических

специальностей

 

 

                                    

 

 

 

МЕХАНИКА

Лекция 1. Элементы кинематики

План лекции

1.1. Система отчета.

1.2. Перемещение и путь.

1.3. Скорость и ускорение.

1.4. Движение материальной точки по окружности.

Система отчета

Механика – раздел физики, изучающий закономерности механического движения и причины, вызывающие и изменяющие это движение. Механическое движение, заключается в изменении с течением времени взаимного расположения тел или их частей. Таким образом, основная задача механики – определение положения тела в любой момент времени. Различают

· классическую механику, изучающую движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме;

· релятивистскую механику, изучающую движение макроскопических тел, скорости которых соизмеримы со скоростью света в вакууме;

· квантовую механику, изучающую движение микроскопических тел (отдельных атомов и элементарных частиц)

Классическая механика делится на три раздела:

1. кинематика – изучает геометрические свойства движения тел, без учета масс и действующих сил; т.е. кинематика отвечает на вопрос КАК движется тело, без рассмотрения причин, его вызвавших;

2. динамика – отвечает на вопрос ПОЧЕМУ движутся тела, т.е. изучает законы движения тел и причины, вызывающие и изменяющие движение;

3. статика – отвечает на вопрос ПОЧЕМУ тела остаются в состоянии покоя, т.е. изучает законы равновесия тел.

Для описания движения необходимо выбрать систему координат, которая может быть как неподвижной, так и подвижной. Координаты тела позволяют определить его положение в пространстве. Однако движение происходит не только в пространстве, но и во времени, т.е. для описания движения необходимо учитывать время движения. Система координат, связанная с телом отсчета, и время (часы) образуют систему отсчета.

Перемещение и путь

Для изучения закономерностей физических процессов используют физические модели. Физической моделью, используемой для изучения законов механического движения является материальная точка ­– тело, обладающее массой, но размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

Рассмотрим кинематику материальной точки. Существует два способа геометрического описания движения точки.

Первый способ. С помощью радиус-вектора , являющегося функцией времени t, который фиксирует положение материальной точки М по отношению к некоторой точке О (начало координат – рис. 1.1).

Рис. 1.1

 

Для прямоугольной (декартовой) системы координат вектор  может быть представлен в виде трех независимых координат:

                          (1.1)

При движении материальной точки ее координаты изменяются со временем и определяются скалярными уравнениями:

                               (1.2)

Это параметрические уравнения траектории, где параметром является время t, а , ,  – единичные векторы соответствующих осей.

Число независимых координат, определяющих положение материальной точки в пространстве, называется числом степеней свободы.

Второй способ. С помощью траектории, по которой движется точка и уравнения ее движения по этой траектории. Траектория (или пройденный путь) – это непрерывная линия, которую описывает точка при своем движении (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Прямая, проведенная из точки, в которой началось движение, в точку, где находится материальная точка в определенный момент времени, называется вектором перемещения. В общем случае вектор перемещения не совпадает с траекторией, но при достаточно малом перемещении траекторию можно заменить хордой. Длина траектории совпадает с длиной вектора перемещения и в случае прямолинейного движения.

Скорость и ускорение

Рассмотрим движение материальной точки из положения А в положение В вдоль произвольной траектории (рис. 1.3). Положения материальной точки в начальный и конечный момент времени определяются радиус-векторами  и ; за время  материальная точка проходит путь и получает приращение радиус-вектора  – вектор перемещения.

 

Рис. 1.3

 

Среднюю скорость можно определить как

                                            (1.3)

В случае малого промежутка времени ( ), получаем выражение для мгновенной скорости

                                           (1.4)

Математически понятие мгновенной скорости совпадает с определением производной (или иначе: физический смысл понятия производной есть мгновенная скорость)

                                                 (1.5)

Скорость – векторная величина, направление которой определяется касательной к траектории в данной точке. Для вектора скорости справедливо векторное сложение.

                                      (1.6)

Например, такое часто наблюдается в строительстве. Так, автомобильный кран, имеющий выдвижную стрелу, поднимает груз. При этом стрела, находясь под углом, выдвигается и еще вращается вокруг вертикальной оси. Груз участвует в трех движениях и обладает, соответственно, скоростями: вверх - , вдоль оси стрелы -  и окружной скоростью .  Результирующая скорость  будет:

Часто на практике используется средняя скорость.

 – средняя скорость                                (1.7)

При достаточно малом промежутке времени имеем

– мгновенная скорость   (1.8)

 

Физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости по величине и по направлению при неравномерном движении, называется ускорением. Если за промежуток времени  скорость изменилась на , то

 – среднее ускорение                    (1.9)

 – мгновенное ускорение           (1.10)

Пусть материальная точка движется по криволинейной траектории со скоростью , которая изменяется по величине и по направлению (рис. 1.4). За время  точка переместилась из положения А в положение В и прошла путь , равный дуге АВ. За это время материальная точка приобрела скорость . Переместив вектор  в положение А, определим приращение скорости на пути АВ; оно будет равно .

 

Рис. 1.4

Разложим  на  составляющие    и , совпадающий с .

– характеризует изменение скорости по направлению;

– характеризует изменение скорости по величине:

   = +                                       (1.11)

 

Ускорение будет равно

            (1.12)

 – полное ускорение, состоящее из двух компонент.

 – тангенциальное (или касательное) ускорение, характеризующее изменение скорости по модулю за время . Это означает, что тангенциальное ускорение есть производная от скорости по времени.

                                               (1.13)

Тангенциальное ускорение  – векторная величина, направленная в сторону вектора скорости.

Определим составляющую .

Эта составляющая характеризует изменение скорости по направлению и называется нормальным ускорением

                        (1.14)

При  точка А близка к точке В. В этом случае путь  можно считать дугой окружности радиуса R. При этом дуга мало отличается от хорды АВ. Треугольники АО B и АС D подобны, как равнобедренные.

Отсюда следует, что

                             (1.15)

При , , но так как , то

                            (1.16)

и получаем

                 (1.17)

Нормальное ускорение  также называют центростремительным ускорением. Оно направлено по нормали к касательной к центру кривизны траектории.

Полное ускорение есть геометрическая сумма тангенциальной и нормальной составляющих (рис. 1.5):

                            (1.18)

 При  имеем .

 

 

 

Рис. 1.5

В зависимости от  и  движение можно классифицировать следующим образом:

1. ,  – движение прямолинейное равномерное;

2. , – движение прямолинейное ускоренное;

3. , , – равномерное движение по окружности.

 

Движение по криволинейной траектории можно представить как прямолинейное движение и движение по окружностям разных радиусов (рис. 1.6)

 

Рис. 1.6

1.4. Движение материальной точки
по окружности

Если материальная точка движется по окружности, то ее движение иногда удобнее oписывать не линейными величинами S, , a, а угловыми: углом поворота φ, угловой скоростью ω и угловым ускорением e.

Рассмотрим движение точки по окружности радиуса R (рис. 1.7) Пусть через промежуток времени  положение точки определяется углом поворота .

Рис. 1.7

     – средняя угловая скорость

– мгновенная угловая скорость.

Угловая скорость – величина векторная. Модуль вектора угловой скорости равен значению угловой скорости ω, а его направление  связано с осью вращения  (где  – единичный вектор вдоль оси вращения) и определяется по правилу правого винта: направление поступательного движения винта совпадает с направлением вектора угловой скорости (см. рис. 1.8).

Размерность угловой скорости [ω] = рад/с, ([ω] = с^-1).

Для малого угла Δφ установим связь между линейной и угловой скоростями.

                                       (1.19)

                                             (1.20)

В векторной форме

 

Рис. 1.8

При равномерном вращении ( )

Τ – период вращения – время одного полного оборота точки,

n – частота вращения – количество оборотов в единицу времени;

При неравномерном вращении ( )

 – среднее угловое ускорение

– мгновенное угловое ускорение

Угловое ускорение – величина векторная , где  – единичный вектор, совпадающий с направлением оси вращения.

Если , вектор углового ускорения  совпадает с направлением вектора угловой скорости  – вращение равноускоренное;

Если , вектор углового ускорения  направлен противоположно вектору угловой скорости  – вращение равнозамедленное.

Размерность углового ускорения [e] = рад/с², ([e]= с^-2).

Установим связь между линейным и угловым ускорениями.

Так как , то , .

Законы движения точки (тела) по окружности аналогичны законам поступательного движения. Уравнение вращательного движения можно вывести из уравнений поступательного движения, заменив путь S углом поворота φ, скорость u – угловой скоростью ω, ускорение а – угловым ускорением ε.

Например,

      ®

     ®

 

К началу

 

К следующей лекции                                 К содержанию

К титулу