Динамика Ньютона. Взаимодействие и силы. Законы Ньютона

 
 
 
 
 

Доклад  по физике:

«Динамика Ньютона.

Взаимодействие и силы.

Законы  Ньютона» 
 
 

                                                                   Выполнил:

                                                                                студент гр. 08-ЭКэ

                                                                         Морозова Ю.Р.

                                                                Проверил:

                                                                        пр.Яшина А.Н. 
 
 
 
 

Нижний  Новгород

2009 

Содержание

1.Утверждения в физике: определения, законы природы и их следствия

2. Взаимодействие и силы

3. Первый закон Ньютона

4. Второй закон Ньютона

5. Третий закон Ньютона

6. Область применимости законов классической механики  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Утверждения в физике: определения, законы природы и их следствия

    При формулировке законов Ньютона важно различать два связанных с ним утверждения: определение инерциальной системы отсчета и непосредственно сам закон природы. Определения по своей сути представляют собой утверждения, поясняющие смысл тех или иных терминов и вводятся в результате общепринятых соглашений о их употреблении.

    Законы  природы выражают реальные свойства нашего мира, имеющихся в нем объектов и явлений. В отличие от определений, эти утверждения существенно более содержательны, допускают сомнения в их справедливости и возможность их обсуждения. Новые законы природы не могут быть выведены из уже имеющихся естественно - научных знаний при помощи строгих математических или логических рассуждений. Законы природы угадываются. При этом, очевидно, возможны ошибки и формулировка ложных утверждений. В результате встает важнейший для естествознания вопрос о критерии истинности формулируемых законов.

    Опыт  развития естествознания показывает, что формулируемые законы природы  имеют ограниченные области применимости. Попытки абсолютизировать законы природы (т.е. считать их безусловно справедливыми вне той области, где эти законы надежно проверялись на эксперименте) неоднократно приводили с существенным недоразумениям и заблуждениям.  
 

2.Виды взаимодействия и силы.

  Существуют 4 основных вида: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Последние два характерны для элементарных частиц.

  Сила гравитационная характеризует гравитационное взаимодействие (любые два тела  притягиваются друг к другу).  

  Различий между инертной и гравитационной массой не существует. Физические свойства тела характеризует и та и другая масса.        

  Опыты с различными телами показывают, что при взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные в противоположные стороны. При этом отношение абсолютных значений ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Обычно вычисляют ускорение одного тела (того, движение которого изучается). Влияние же другого тела, вызывающего ускорение, коротко называется силой. В механике рассматриваются сила тяжести, сила упругости и сила трения. Сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся вблизи ее поверхности F=mg. Сила тяжести приложена к самому телу и направлена вертикально вниз. Сила упругости возникает при деформации тела, она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения взаимодействующих тел. Сила упругости пропорциональна удлинению: F=-kx . Знак “-” показывает, что сила упругости направлена в сторону, противоположную удлинению, k - жесткость (пружины) зависит от ее геометрических размеров и материала. Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному перемещению, называется силой трения. Сила трения является проявлением электромагнитного взаимодействия.

  Если тело скользит по какой-либо поверхности, то его движению препятствует сила трения скольжения, где N - сила реакции опоры, m - коэффициент трения скольжения. Сила трения скольжения всегда направлена против движения тела. Сила тяжести и сила упругости - это силы, зависящие от координат взаимодействующих тел относительно друг друга. Сила трения зависит от скорости тела, но не зависит от координат. Как в природе, так и в технике эти силы проявляются одновременно или парами. Например, сила трения увеличивается при увеличении силы тяжести. В быту часто полезное трение усиливают, а вредное - ослабляют (применяют смазку, заменяют трение скольжения трением качения) .

3. Первый закон Ньютона

   Для формулировки первого закона Ньютона  необходимо дать определение инерциальной системы отсчета:

   Инерциальными системами отсчета называются такие системы, в которых свободные (т.е. не участвующие во взаимодействиях с другими телами) тела движутся без ускорения (т.е. равномерно и прямолинейно) или покоятся (состояние покоя, вообще говоря, следует рассматривать как частный случай равномерного движения с нулевой скоростью).

   Для практического использования приведенного определения для выбора инерциальной системы отсчета необходимо описать  способ выбора свободного тела: практически  все реальные объекты нашего мира участвуют во взаимодействиях. Однако, все известные на сегодняшний день взаимодействия ослабевают по мере увеличения расстояний между взаимодействующими объектами (закон природы). В соответствии с этим свойством в качестве свободного тела следует выбирать тело, удаленное от других на возможно большие расстояния.

   Опыт  показывает, что покоящийся относительно поверхности Земли наблюдатель  не является инерциальной системой отсчета (например, весьма удаленные друг от друга звезды перемещаются по "небесной сфере" по криволинейным траекториям, что, разумеется, связано с вращением нашей планеты. Связанная с центром масс Солнца система отсчета так же не является инерциальной из-за ускоренного движения звезды под действием гравитационного притяжения планет и ее вращения вместе с другими звездами галактики. Т.о. вопрос о существовании инерциальных систем отсчета отнюдь не тривиален. Именно на этот вопрос и отвечает первый закон Ньютона:

   Существуют инерциальные системы отсчета.

   Очевидно, что существование хотя бы одной инерциальной системы отсчета с необходимостью влечет утверждение о существовании их бесконечно количества: из классического закона сложения ускорений следует, что любое тело, равномерно движущееся в какой-либо системе отсчета, будет двигаться так же без ускорения в любой системе отсчета, равномерно движущейся относительно исходной. Т.о. любая система отсчета, равномерно движущаяся относительно инерциальной системы отсчета, так же является инерциальной.

   Опыт  показывает, что в инерциальных системах отсчета тела могут находиться в состоянии покоя или равномерного движения и в тех случаях, когда эти тела заведомо участвуют в взаимодействиях (например, тело, покоящееся на поверхности слегка наклоненного стола, участвует во взаимодействиях с Землей, атмосферой, наклонной поверхностью). В указанном случае говорят о компенсации взаимодействий.  

4. Второй закон Ньютона

    В большинстве элементарных курсов первоначально  дается определение массы, как меры инертности тела. В такой формулировке определение малопригодно для физики, поскольку не содержит в себе описания способа сопоставления массе  какого-либо количественного значения. Очевидно, этот недостаток в принципе может быть устранен добавлением к определению описания процедуры измерения массы. Однако, на следующем этапе становится неизбежным шаг введения понятия силы. В рамках рассматриваемого подхода сила традиционно вводится как произведение массы на ускорение. При этом физический смысл одного из важнейших законов природы (закона Ньютона) в большой мере маскируется формулировкой, форма которой в большей степени соответствует определениям.

    Альтернативный путь состоит в первоначальном определении вектора силы, вводимого в качестве количественной характеристики взаимодействия тел, путем описания процедуры ее зрения в результате использования прибора - динамометра. Эта процедура состоит в следующем:

• Необходимо выбрать инерциальную систему отсчета (существование такой системы гарантируется первым законом Ньютона).
• Если в такой системе отсчета тело движется с ускорением, оно участвует во взаимодействиях.
• Опыт показывает, что независимо от природы взаимодействий их результат (ускоренное движения тела) может быть скомпенсирован (тело может быть приведено в состояние покоя) при помощи воздействия определенным образом деформированного тела (пружины).
• Опыт показывает, что существует единственный способ деформации тела (величина и направление), необходимый для компенсации взаимодействий.
• В качестве величины вектора силы, по определению, может быть принята величина деформации эталонной пружины, а в качестве ее направления - направление деформации, необходимой для компенсации взаимодействия.

    После введения понятия силы становится возможной  следующая формулировка второго  закона Ньютона:

    Опыт показывает, что ускорение тела, участвующего во взаимодействиях, пропорционально приложенной к нему результирующей силы.

    Математическая запись второго закона Ньютона имеет вид:  

причем, в отличие от математики, для физики важен порядок записи входящих в  формулировку закона величин. Выбранный в порядок записи подчеркивает тот факт, что тела ускоряются в результате воздействия на них сил, а не наоборот.

    В соответствии со вторым законом Ньютона  отношение модулей силы и ускорения  для каждого тела оказывается величиной постоянной. Это отношение называют инертной массой тела. Второй закон Ньютона совместно с определением инертной массы приводят к хорошо известному соотношению:

согласно  которому ускорение тела пропорционально  приложенной к нему результирующей силе и обратно пропорционально  инертной массе тела.

    Основными свойствами инертной массы являются: ее скалярный характер, ее неотрицательность и аддитивность (последнее означает, что масса тела равна сумме масс составляющих его частей).

    В заключении представляется полезным указать  на некоторые недостатки рассмотренного подхода к формулировке второго  закона Ньютона. Указанный подход трудно реализуем с точки зрения создания эталона силы: техническая задача создания эталонной пружины с неизменными свойствами оказывается достаточно сложной. В связи с этим в настоящее время в физике используются эталоны длины, времени (их совокупности достаточно для определения ускорения) и массы. В результате единица силы вводится как комбинация перечисленных эталонных единиц, что соответствует первому варианту изложения второго закона Ньютона.    

5. Третий закон Ньютона

    Как уже отмечалось, силы возникают в результате взаимодействий между материальными телами. При этом оказывается, что во всех случаях взаимодействия двух тел возникают силы, приложенные к каждому из участников взаимодействия. При этом не зависимо от природы взаимодействий между телами выполняется простая связь между действующими на них силами, которая и описывается третьим законом Ньютона:

    При взаимодействии двух тел всегда возникают силы, приложенные к каждому из тел, при этом силы равны друг другу по величине и противоположны по направлению:

    Необходимо  отметить, что третий закон Ньютона  не содержит утверждения о том, что  возникающие при взаимодействиях  между двумя телами силы обязательно  направлены вдоль прямой, соединяющей  эти тела.  

6. Область применимости законов классической механики

   При формулировке фундаментальных законов  физики (в том числе и законов  Ньютона) важно понимать, что эти  законы (как и любые законы естествознания) имеют ограниченную область применимости. Так, законы классической механики применимы  только для описания движения достаточно массивных макроскопических тел, при условии их движения с малыми (по сравнению со скоростью света) скоростями.