Основные законы механики - описание, особенности и формулы

Движение разных тел в пространстве в физике изучает специальный раздел - механика. Последняя, в свою очередь, делится на кинематику и динамику. В данной статье рассмотрим законы механики в физике, концентрируя свое внимание на динамике поступательного и вращательного перемещения тел.

Историческая справка

Как и почему движутся тела, интересовало философов и ученых с давних времен. Так Аристотель полагал, что объекты перемещаются в пространстве только потому, что существует некоторое внешнее воздействие на них. Если это воздействие прекратить, то тело сразу же остановится. Многие древнегреческие философы полагали, что естественным состоянием всех тел является покой.

С приходом Нового времени многие ученые занялись изучением законов движения в механике. Следует отметить такие фамилии, как Гюйгенс, Гук и Галилей. Последний разработал научный подход к изучению явлений природы и, по сути, открыл первый закон механики, который, однако, носит не его фамилию.

В 1687 году в свет вышла научная публикация, автором которой был англичанин Исаак Ньютон. В своем научном труде он четко сформулировал основные законы движения тел в пространстве, который вместе с законом Всемирного тяготения, сформировали основу не только механики, но и всей современной классической физики.

О законах Ньютона

Их также называют законами классической механики в отличии от релятивистской, постулаты которой были изложены в начале XX века Альбертом Эйнштейном. В первой существуют всего три главных закона, на основе которых держится весь раздел физики. Они называются так:

1. Закон инерции.
2. Закон взаимоотношения между силой и ускорением.
3. Закон действия и противодействия.

Почему именно эти три закона являются главными? Все просто, любая формула механики может быть получена на их основе, однако, ни один теоретический принцип не приводит ни к одному из них. Названные законы следуют исключительно из многочисленных наблюдений и экспериментов. Их справедливость подтверждается надежностью предсказаний, полученных с помощью них, при решении разных задач на практике.

Инерции закон

Первый закон Ньютона в механике гласит, что всякое тело при отсутствии внешнего воздействия на него будет сохранять состояние покоя или прямолинейного движения в любой инерционной системе отчета.

Чтобы понять этот закон, следует разобраться с системой отчета. Инерционной она называется только в том случае, если удовлетворяет изложенному закону. Иными словами, в инерционной системе не существует фиктивных сил, которые бы ощущали наблюдатели. Например, движущаяся равномерно и по прямой линии система может считаться инерционной. С другой стороны, система, которая равномерно вращается вокруг оси, является неинерционной из-за наличия в ней фиктивной центробежной силы.

Закон инерции устанавливает причину, по которой изменяется характер движения. Этой причиной является наличие внешней силы. Заметим, что на тело могут действовать несколько сил. В таком случае они должны быть сложены по правилу векторов, если результирующая сила окажется равной нулю, то тело продолжит свое равномерное движение. Важно также понимать, что в классической механике нет различия между равномерным движением тела и его состоянием покоя.

Второй ньютоновский закон

Он говорит о том, что причиной изменения характера перемещения тела в пространстве является наличие внешней ненулевой силы, приложенной к нему. По сути, этот закон является продолжением предыдущего. Математическая его запись выглядит следующим образом:

F¯ = m*a¯.

Здесь величина a¯ - это ускорение, описывающее быстроту изменения вектора скорости, m - инерционная масса тела. Поскольку m всегда больше нуля, то вектора силы и ускорения направлены в одном и том же направлении.

Рассматриваемый закон применим к огромному числу явлений в механике, например, к описанию процесса свободного падения, движению с ускорением автомобиля, соскальзыванию бруска по наклонной плоскости, колебанию маятника, растяжению пружинных весов и так далее. Можно с уверенностью сказать, что он является главным законом динамики.

Количество движения и импульс

Если обратится непосредственно к научному труду Ньютона, то можно увидеть, что сам ученый второй закон механики сформулировал несколько иначе:

F*dt = dp, где p = m*v.

Величина p называется количеством движения. Многие ошибочно ее называют импульсом тела. Количество движения - это инерционно-энергетическая характеристика, равная произведению массы тела на его скорость.

Изменить количество движения на некоторую величину dp может только внешняя сила F, действующая на тело в течение промежутка времени dt. Произведение силы на время ее действия называется импульсом силы или просто импульсом.

Когда два тела сталкиваются, то между ними действует сила столкновения, которая изменяет количества движения каждого тела, однако, поскольку эта сила является внутренней по отношению к изучаемой системе двух тел, то она не приводит к изменению общего количества движения системы. Этот факт носит название закона сохранения импульса.

Вращение с ускорением

Если сформулированный Ньютоном закон механики применить к движению вращения, то получится следующее выражение:

M = I*α.

Здесь M - момент импульса - это величина, которая показывает возможность силы совершить поворот в системе. Момент силы вычисляется, как произведение векторное силы на радиус-вектор, направленный от оси к точке приложения. Величина I - это момент инерции. Как и момент силы, он зависит от параметров вращающейся системы, в частности, от геометрического распределения массы тела относительно оси. Наконец, величина α - это угловое ускорение, позволяющее определить, на сколько радиан в секунду меняется угловая скорость.

Если внимательно посмотреть на записанное уравнение и провести аналогию между его величинами и показателями из второго ньютоновского закона, то мы получим полное их тождество.

Закон действия и противодействия

Нам осталось рассмотреть третий закон механики. Если первые два, так или иначе, были сформулированы предшественниками Ньютона, а сам ученый лишь придал им стройный математический вид, то третий закон является оригинальным детищем великого англичанина. Итак, он гласит: если два тела вступают в силовой контакт, то действующие между ними силы равны по модулю и противоположны по направлению. Более кратко можно сказать, что любое действие вызывает противодействие.

F₁₂¯ = -F₂₁¯.

Здесь F₁₂¯ и F₂₁¯ - действующие со стороны 1-го тела на 2-е и со стороны 2-го на 1-е силы, соответственно.

Примеров, подтверждающих этот закон, можно привести множество. Например, во время прыжка человек отталкивается от поверхности земли, последняя толкает его вверх. То же самое касается ходьбы пешехода и отталкивания от стенки бассейна пловца. Другой пример, если надавить рукой на стол, то ощущается обратное воздействие стола на руку, которое называется силой реакции опоры.

При решении задач на применение третьего ньютоновского закона следует не забывать, что сила действия и сила противодействия приложена к разным телам, поэтому сообщают им разные ускорения.