Динамика законы Ньютона

Принцип инерции

Если на тело не действуют внешние силы, то оно сохраняет состояние покоя
или равномерного прямолинейного движения.

Равномерное прямолинейное движение и состояние покоя физически эквивалентны, они существуют без внешнего взаимодействия. Однако эквивалентность и равномерность прямолинейного движения возможны лишь в инерциальных системах отсчета, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно
относительно друг друга.

Инерциальная система отсчета - система отсчета, в которой тело, не взаимодействующее с другими телами, сохраняет состояние покоя или равномерного
прямолинейного движения.

Будем производить разные механические опыты в вагоне поезда, идущего равномерно по прямолинейному участку пути, а затем повторим эти же опыты на
зеленой поверхности.

Поезд идет без толчков и окна завешены. Если толкнуть мяч, находившийся на земной поверхности, а затем такой же мяч толкнуть точно так же в движущемся вагоне, то скорость мячей будут одинаковы, каждый относительно своей системы отсчета.

Подобные опыты и наблюдения показывают, что относительно всех инерциальных систем отсчета тела получают одинаковое ускорение при одинаковых действиях на них других тел:

Все инерциальные системы совершенно равноправны относительно причин ускорения. Это утверждение называется принципом относительности Галилея.

       Вопросы

Какие системы отсчета являются инерциальными, а какие - неинерциальными? Приведите примеры таких систем.

Можно ли считать инерциальными системами отсчета, неподвижно связанные с Землей?

В чем заключается относительность движения тел. Приведите примеры.
Какая формула выражает классический закон сложения скоростей? Как формулируется данный закон.

При каких условиях справедлив классический закон сложения скоростей?

Дополнительный материал

Чему же учил Аристотель?

«Всякое движение, - писал Аристотель, - бывает или насильственным, или происходящим по природе. К последним он относил круговые движения небесных светил, а также считал их присущими самим телам и не нуждающимися в каких-либо
внешних причинах.

Если какое-либо движение отличается от естественного, то оно может быть осуществлено лишь насильственным путем. В отношении таких движений Аристотель писал: «Все движущееся необходимо приводится в движение чем-нибудь». Иными словами, причина «неестественного» движения - сила, действующая со стороны других тел. Нет силы - нет движения. В современных обозначениях основной закон динамики Аристотеля может быть представлен в виде:

F=k(S/t) F=kV,

где F - сила, приложенная к телу, V - S/t, - скорость тела, k - постоянный для каждого тела коэффициент, пропорциональный весу данного тела.

Конечно, сам Аристотель подобных формул никогда не записывал. И не только потому, что тогда не существовало используемой ныне символики, но и из-за отсутствия четко определенных физических понятий. Даже такое «простое» понятие, как скорость, еще не имело строгого определения. Под скоростью Аристотель понимал «быстроту» движения. «Быстрое, - писал он, - есть далеко продвигающееся в течение малого времени, медленное же - малопродвигающееся в течение большого времени».

Взгляды Аристотеля на движение тел соответствовали логике геоцентрической картины мира, а также существовавшему в то время уровню техники и средств пере -движения, когда движущая сила создавалась животными или рабами.

Практика использования говорила, например, о том, что для перемещения телеги нужна лошадь. Если лошадь будет тянуть с постоянной силой, телега будет двигаться с постоянной скоростью. Для перевозки вдвое более тяжелого груза или для вдвое более быстрого движения требовалось и двойное количество животных.

Законы Ньютона

Действия тел друг на друга, создающие ускорение, называются силами. Все силы можно разделить на два основных типа: силы, действующие при непосредственном соприкосновении, и силы, которые действуют независимо от того, соприкасаются тела или нет, т. е. на расстоянии.

Эксперимент 1

Возьмем в руки кусок мела, разожмем пальцы, и мел упадет. (Земля притягивает, действует на расстоянии.)

Эксперимент 2

Наэлектризованную палочку поднесем к висячей гильзе. Гильза притянется.(Взаимодействие на расстоянии.)

Эксперимент 3

Катнем мяч. (Непосредственное взаимодействие.)

Эксперимент 4

Демонстрация сегнетова колеса. (Взаимодействие.)

Наблюдая ускорение, полученное каким-либо телом под действием различных сил, видели, что ускорения могут оказаться различными как по модулю, так и по направлению. Сила векторная величина. Силу измеряют динамометром.
Силы, действующие при непосредственном соприкосновении, действуют по всей соприкасающейся поверхности тел. Молоток, ударяющий по шляпке гвоздя, действует на всю шляпку. Но если площадь мала, то считают, тело действует на одну точку. Эта точка называется точкой приложения.

Если же на тело действует несколько сил, то их действие на тело можно заменить одной заменяющую силу называют суммой или равнодействующей.

I закон Ньютона

Материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны упругих тел не заставит ее (его) изменить это состояние.

Тело движется прямолинейно и равномерно, так как все действующие на него силы скомпенсированы. (Равнодействующая равна нулю.)

Во Вселенной практически невозможно найти тело, не испытывающее внешнего воздействия.

I закон - закон инерции. Непосредственно' подтвердить экспериментально его невозможно, он аксиоматичен. Однако можно объяснить ряд опытов, что является косвенным подтверждением справедливости этого закона.

Эксперимент 5

Монета, лежащая на плексигласе, закрывающем бутылку, при резком щелчке по плексигласу в горизонтальной плоскости монета упадет в бутылку. (Монета сохраняет состояние покоя по инерции.)

Следствие I закона Ньютона состоит в том, что тело может двигаться как при наличии, так и при отсутствии внешнего воздействия.

Эксперимент 6

Подвижная тележка прикреплена при помощи пружинного динамометра к перекинутой через нити с грузом на конце. Груз растягивает пружину, сообщающую своей-силой упругости ускорение тележке. Чем больше подвешиваем груз, тем сильнее растянута пружина и тем больше ускорение тележки.

Опыт показывает, что направление ускорения совпадает с направлением силы, вызвавшей ускорение: F = ma.

II закон Ньютона

Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на создаваемое  этой силой ускорение, причем направления силы и ускорения совпадают:

II Закон можно выразить в другой форме. Ускорение, сообщаемое телу, прямо пропорционально действующей на тело силе, обратно пропорционально массе тела и направлено так же, как и сила.

Особенности II закона Ньютона:

1. Верен для любых сил.

2. Сила - причина, определяет ускорение.

3. Вектор а сонаправлен с вектором F.

4. Если действуют на тело несколько сил, то берется равнодействующая.

5. Если равнодействующая равна нулю, то ускорение равно нулю. (Первый закон Ньютона)

6. Можно применять только по отношению к телам, скорость которых мала по сравнению со скоростью света.

III закон Ньютона

Эксперимент 7

Возьмем два динамометра, и зацепим друг за друга их крючки, и, взявшись за кольца, будем растягивать их, следя за показаниями обоих динамометров.

Что увидим? Показания будут совпадать. Сила, с которой первый действует на второй, равна силе, с которой второй действует на первый.

Эксперимент 8

Укрепим на одной тележке магнит, на другой - кусок железа и прикрепим к тележкам динамометры. Тележки могут оставаться на разном расстоянии друг от друга, сила взаимодействия между магнитом и куском железа будет больше или меньше в зависимости от расстояния. Но во всех случаях окажется, что динамометры дадут одинаковые показания.

Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела.

(III закон Ньютона.)

Особенности III закона Ньютона:

1. Силы возникают только парами.

2. Всегда при взаимодействии.

      3. Только силы одной природы.

      4. Не уравновешивают.

      5. Верен для всех сил в природе.
                       Вопросы

1. Сформулируйте I закон Ньютона.

2. В чем состоит явление инерции?

3. Как движется тело, к которому приложена сила, постоянная по модулю и по направлению?

4. Как направлено ускорение тела, вызванное действующей на него силой.

5. Верно ли утверждение - силы есть, а ускорения нет.

6. Если на тело действует несколько сил, как определяется равнодействующая сил ?

7. Запишите III закон Ньютона.

8. Как направлены ускорения взаимодействия между собой тел?

9. Выполняется ли III закон Ньютона при взаимодействии на расстоянии или только путем непосредственного контакта.

10. Запишите II закон Ньютона.