Силы в механике

Российский  Государственный Аграрный Университет -  Московская Сельскохозяйственная

Академия  имени К.А. Тимирязева

Кафедра физики 
 

Реферат на тему: «Силы в  механике» 
 
 
 
 
 

                                                                                                                                      выполнил:

                                                                                                студент 

                                                                                               106 группы

                                                                                               Абдулазизов К.М.

                                                                                                проверил:

                                                                                                Поспелов В.В. 
 
 
 

Москва- 2011

Содержание 

1. Введение 
2. Понятие силы
3. Законы Ньютона
4. Силы трения
5. Закон сохранения импульса
6. Заключение
7. Литература

Введение

     Физика-наука о наиболее общих  свойствах материи и формах  её движения.

     Известны два вида материи:  вещество и поле. К первому  виду материи – веществу относятся  атомы, молекулы и все построенные  из них тела. Второй вид образуют  гравитационные, электромагнитные  и другие поля. Материя находится  в непрерывном движении, под которым  понимается всякое изменение  вообще.

     Физика разделяется на классическую и квантовую. Начало классической физики было положено Ньютоном, сформулировавшим основные законы механики. Завершена она созданием Эйнштейном теории относительности.

     На пороге двадцатого столетия  появилось понятие кванта, играющее  в современной физике исключительно  важную роль и приведшее к  созданию квантовой механики, в  основу которой положен корпускулярно-волновой  дуализм. 

     Классическая механика принципиально  отличается от квантовой детерминированностью описания физических процессов и явлений.

     Физика - экспериментальная наука.  Её законы базируются на фактах, установленных опытным путём.  На основе экспериментальных  наблюдений и измерений строятся  физические теории. Результаты экспериментальных  наблюдений и предсказания теории  могут быть всегда сведены  к зависимостям и числам. Поэтому  языком физики является математика.

     В зависимости от условий конкретных  задач в физике используются  различные физические модели. Реальные  объекты заменяют их идеализированными  моделями, приблизительно правильно  отражающими не все свойства реальных объектов, а только те из них, которые существенны в рассматриваемом круге вопросов. Простейшими моделями являются: материальная точка, абсолютно твёрдое тело, идеальный газ, электронный  газ.

Понятие силы

     В инерциальных системах отсчета  любое изменение скорости тела  происходит под действием других  тел. Описывая действие одного  тела на другое, мы часто говорим  о слабом, сильном или очень  сильном действии. Но значение  слов «сильный удар», «слабый  удар», например, при описании  действия клюшки хоккеиста на  шайбу совершенно не определено, пока нет количественной меры  действия одного тела на другое.

     В физике для количественного  выражения действия одного тела  на другое вводится понятие  «сила». Если учесть, что в результате  действия других тел скорость  тела меняется, то можно дать  и другое определение силы  – это количественная мера  действия тел друг на друга,  в результате которого тела  получают ускорения.

     Нужно отчетливо представлять  себе, что понятие силы относится  к двум телам, а не к одному  и не ко многим. Всегда можно  указать тело, на которое действует  сила, и тело, со стороны которого  она действует. Так, сила тяжести  действует на камень со стороны  Земли, а на шарик, прикрепленный  к растянутой пружине, действует  сила упругости со стороны  пружины.

     Сила – величина векторная,  ее обозначают буквой. За направление  вектора силы принимается направление  вектора ускорения тела, на которое  действует сила.

     В Международной системе единиц  за единицу силы принимается  сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с². Эта единица называется ньютоном (Н).

     В качестве эталона единицы  силы выбирают силу, с которой  некоторая определенная (эталонная)  пружина при фиксированном растяжении  действует на прикрепленное к  ней тело. Сила упругости пружины  направлена вдоль оси пружины. (Необязательно брать именно пружину;  можно использовать любое упругое  тело, деформацию которого легко  измерить.)

     На практике нет необходимости все измеряемые силы сравнивать с эталоном. Для измерения сил используют проградуированную на различные значения силы пружины. Такие откалиброванные пружины называются динамометрами. Использование динамометра основано на том факте, что сила упругости пружины в определенных пределах прямо пропорциональна ее деформации. Поэтому по длине растянутой пружины можно непосредственно судить о значении силы.

     Располагая методом измерения сил, можно опытным путем доказать, что силы складываются, как векторы. Именно это дает основание считать силу, подобно скорости и ускорению, векторной величиной.

     При одновременном действии на одно тело нескольких тел тело движется с ускорением, являющимся векторной суммой ускорений, которые возникли бы под действием каждого тела в отдельности. Действующие на тело силы, приложенные к одной точке тела, складываются по правилу сложения векторов. Векторная сумма всех одновременно действующих на тело сил называется равнодействующей.

     В механике важно знать, при каких условиях возникают силы, и каковы их модули и направления, т. е. знать, как силы зависят от расстояний между телами и от скоростей их движения. А узнать значения сил, определить, когда и как они действуют, можно, не вникая в природу сил, а лишь располагая способами их измерения. В механике в первую очередь имеют дело с тремя видами сил: гравитационными силами, силами упругости и силами трения. Модули и направления этих сил определяются опытным путем. Важно, что все рассматриваемые в механике силы зависят либо только от расстояний между телами или частями одного тела (гравитация и упругость), либо только от относительных скоростей тел (трение). 
 
 
 
 
 
 

Законы  Ньютона

     Основным разделом механики является  динамика, в её основе лежат  три закона Ньютона, сформулированные им в 1687 г. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются обобщением результатов огромного человеческого опыта. Их рассматривают как систему взаимосвязанных законов и опытной проверке подвергают не каждый отдельный закон, а всю систему в целом.

     Первый закон Ньютона: всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчёта – систем, относительно которых материальная точка либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

     Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой, пропорционально вызывающей его силе, совпадает с нею по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки тел. Это основной закон динамики поступательного движения. Отвечает на вопрос, как изменяется механическое движение материальной точки тела под действием приложенных к ней сил. Справедлив только в инерциальных системах отсчёта.

F=ma=m*dv/dt.

     Учитывая, что масса материальной точки в классической механике ест величина постоянная, в выражении её можно внести под знак производной:

F=d*mv/dt,

mv=p.

     Таким образом, можем получить более общую формулировку второго закона Ньютона:

F=dp/dt.

     Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F₁₂= - F_21,

где F₁₂ – сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F₂₁ – сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам, всегда действуют парами и являются силами одной природы.

     Третий закон Ньютона позволяет  осуществить переход от динамики  отдельной материальной точки  к динамике системы материальных  точек. Это следует из того, что и для системы материальных  точек взаимодействие сводится  к силам парного взаимодействия  между материальными точками. 

Силы  трения

     Всякое тело, движущееся по горизонтальной  поверхности другого тела, при  отсутствии действия на него  других сил с течением времени  замедляет своё движение и в конце концов останавливается. Это можно объяснить существованием силы трения, которая препятствует скольжению соприкасающихся тел друг относительно друга. Силы трения зависят от относительных скоростей тел, могут быть разной природы. Но в результате их действия механическая энергия всегда превращается вор внутреннюю энергию соприкасающихся тел.

     Различают трение внешнее (сухое)  и внутреннее (жидкое или вязкое).     Внутренним называется трение между частями одного и того же тела. В отличие от внешнего трения, здесь отсутствует трение покоя.

     Внешним называется трение, возникающее  в плоскости касания двух тел  при их относительном перемещении.  Если соприкасающиеся тела неподвижны  друг относительно друга, говорят  о трении покоя, если же происходит  относительное перемещение этих  тел, то в зависимости от  характера их относительного  движения говорят о трении  скольжения, качения или верчения. Обусловлено шероховатостью соприкасающихся  поверхностей или силами межмолекулярного  притяжения.

     Французские физики Г. Амонтон и Ш. Кулон установили закон: сила трения скольжения F_тр пропорциональна силе N нормального давления, с которой одно тело действует на другое:

F_тр=fN,

где f- коэффициент трения скольжения, зависящий от свойств соприкасающихся поверхностей.

     Для гладких поверхностей определённую  роль играет межмолекулярное  притяжение. Для них применяется закон трения скольжения:

F_тр=f_ист(N+Sp₀),

где p₀ – добавочное давление, обусловленное силами межмолекулярного притяжения, которые быстро уменьшаются с увеличением расстояния между частицами; S – площадь контакта между телами; f_ист – истинный коэффициент трения скольжения.

     Трение играет большую роль  в природе и технике, однако  в некоторых случаях силы трения  оказывают вредное воздействие и поэтому их надо уменьшать. Для этого на трущиеся поверхности наносят смазку, которая заполняет неровности между этими поверхностями и располагается тонким слоем между ними так, что поверхности перестают касаться друг друга, а скользят лишь отдельные слои жидкости. Таким образом, внешнее трение твёрдых тел заменяется значительно меньшим внутренним трением жидкости.

     Радикальным способом уменьшения  силы трения является замена  трения скольжения трением качения.  Сила трения качения определяется  по закону, установленному Кулоном:

F_тр=f_x*N/r,

где r- радиус катящегося тела; f_x- коэффициент трения качения, имеющий размерность dimf_x=L. 
 

Закон сохранения импульса.

     Это фундаментальный закон природы, который носит универсальный характер.  Он справедлив не только в классической физике, хотя и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты показывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц (они подчиняются законам квантовой механики).

     Закон сохранения импульса является  следствием определённого свойства  симметрии пространства. Однородность  пространства заключается в том,  что при параллельном переносе  в пространстве замкнутой системы  тел как целого её физические  свойства не изменяются.

     Для вывода закона сохранения импульса нужно рассмотреть некоторые понятия. Механическая система-это совокупность материальных точек, рассматриваемых как единое целое. Силы взаимодействия между материальными точками механической системы называются внутренними. Силы, с которыми на материальные точки системы действуют внешние тела, называются внешними. Механическая система тел, на которую не действуют внешние силы, называется замкнутой. Если механическая система состоит из многих тел, то, согласно третьему закону Ньютона, силы, действующие между этими телами, равны и противоположно направлены, то есть геометрическая сумма внутренних сил равна нулю:

dp/d_t=F₁+F₂+…+F_n,

где p=∑m_iv_i-импульс системы. Таким образом, производная по времени от импульса механической системы равна геометрической суме внешних сил, действующих на систему.

В случае отсутствия внешних сил

dp/dt=∑d/dt(mivi)=0, т.е. p=∑mivi =const

Это выражение  и является законом сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени. 
 
 
 

Заключение

     Основной раздел классической  механики составляют законы Ньютона,  сформулированные в 1687 году. Они  являются незыблемым фундаментом  научного познания и позволяют  решить многие задачи механики, а также записать уравнения движения для любой механической системы. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются обобщением результатов огромного человеческого опыта. Их рассматривают как систему взаимосвязанных законов. Важно понимать, что эти законы имеют ограниченную область применения.

     Сегодня мы постоянно пользуемся  творениями великого учёного. Можно утверждать, что на всей физике  лежал индивидуальный отпечаток его мысли, наука без него развивалась бы иначе.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература

1. Кибец И.Н., Кибец В.И. Физика: Справочник - Харьков: Фолио; Ростов н/Д: Феникс, 1997.-479с.
2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов – М: Высшая школа, 2003. – 542с.