П 1.1. Кинематика и динамика

Механика – раздел физики, в котором изучается механическое движение, причины, вызывающие это движение, и происходящие при этом взаимодействия между телами.

Механическое движение – изменение с течением времени взаимного положения тел или их частей (частиц) в пространстве.

Кинематика – раздел механики, в котором изучают геометрические свойства движения и взаимодействия тел в не связи с причинами их порождающими.

Физические модели (научные абстракции) классической механики:

1) материальная точка – протяженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, обладающее массой. Понятие применимо при поступательном движении или когда в изучаемом движении можно пренебречь вращением тела вокруг его центра масс;

2) абсолютно твердое тело – тело, расстояние между двумя любыми точками которого в процессе движения остается неизменным. Применимо, когда можно пренебречь деформацией тела;

3) сплошная изменяемая среда – понятие применимо при изучении движения изменяемой среды (деформируемого твердого тела, жидкости, газа), когда можно пренебречь молекулярной структурой среды.

Система единиц измерения физических величин – совокупность основных и производных эталонов. В настоящее время предпочтительной во всех областях науки и техники является система СИ.

В системе СИ единицами измерения являются: 1) основные – единица измерения длины (L) – 1 м; единица измерения массы (M) – 1 кг; единица измерения времени (T) – 1 с; единица измерения температуры (Т) – 1 К; единица измерения силы тока (I) – 1 А; единица измерения силы света (I) – 1 св.; 2) дополнительные – единица измерения плоского угла – 1 рад; единица измерения телесного угла – 1 стерад.

Тело отсчета – произвольно выбранное, условно неподвижное тело, по отношению к которому рассматривается движение данного тела.

Система отсчета – произвольная система координат, связанная с телом отсчета, например: а) прямоугольная, трехмерная система координат, в точке пересечения осей которой помещают тело отсчета; б) полярная система координат, положение материальной точки (тела) в которой задается радиус – вектором r и углами: j; q.

Траектория движения – совокупность последовательных положений материальной точки (тела) в процессе ее движения

Поступательное движение – движение, при котором тело перемещается параллельно самому себе. При этом все точки тела описывают одинаковые траектории, смещенные относительно друг друга.

Положение материальной точки (тела) в прямоугольной системе отсчета, в данный момент времени, может быть определено: с помощью координат x, y, z – M(x,y,z); с помощью радиус – вектора r и естественным (траекторным) способом (рис. П 1. 1).

Уравнения движения материальной точки (тела) в кинематике:

x=f₁(t); y=f₂(t); z=f₃(t);

r_x=f₁(t); r_y=f₂ (t); r_z=f₃(t),

где x, y, z – координаты;

r_x, r_y, r_z – проекции радиуса вектора r на соответствующие оси координат.

Основные понятия и определения кинематики материальной точки и твердого тела, движущегося поступательно:

1) перемещение (рис. П 1. 2) – вектор D r, проведенный из начального положения материальной точки (тела) в положение этой точки в данный момент времени (приращение радиус – вектора за рассматриваемый промежуток времени):

D r = r ₁– r ₂;

2) элементарное перемещение d r – бесконечно малое перемещение, которое с достаточной степенью точности совпадает с соответствующим участком траектории движения. При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с соответствующим участком траектории и модуль перемещения численно равен пройденному пути:

½D r ½=DS;

3) путь – расстояние, пройденное телом при его движении по траектории. В частных случаях перемещение и путь могут совпадать;

4) мгновенная линейная скорость – векторная физическая величина, характеризующая состояние движения, показывающая, как изменяется перемещение в единицу времени, равная первой производной от перемещения по времени:

;

5) средняя скорость неравномерного движения – скалярная физическая величина, численно равная отношению всего пути, пройденного телом (материальной точкой), к тому промежутку времени, в течение которого совершалось движение:

6) линейное ускорение – векторная физическая величина, характеризующая изменение скорости в единицу времени, равная первой производной от скорости или второй производной от перемещения по времени:

;

7) тангенциальное ускорение а _t – составляющая ускорения, направленная вдоль касательной к траектории движения. Изменяет линейную скорость только по величине:

;

8) нормальное ускорение a _n – составляющая линейного ускорения, направленная по нормали n к вектору линейной скорости, т.е. к касательной в данной точке:

,

где R – радиус кривизны траектории движения;

n – единичный вектор нормали к траектории движения;

9) полное ускорение a:

.

10) среднее ускорение при неравномерном движении:

.

Принцип относительности Галилея (в классической механике) – никакие опыты, проводимые в инерциальных системах отсчета с механическими приборами, не позволяют установить, покоится система отсчета или движется равномерно и прямолинейно по отношению к другой инерциальной системе отсчета. Предполагается, что время не зависит от относительного движения систем отсчета.

Преобразования Галилея определяют положение произвольной материальной точки в двух инерциальных системах отсчета, одна из которых движется со скоростью v _o относительно другой (при условии, если направление скорости v ₀ совпадает с направлением r _o):

r=r ^' +r ₀ =r ' +v _ot; t=t^'.

где r и r ^' – радиус – векторы, определяющие положение материальной точки в неподвижной и подвижной системе отсчета в данный момент времени;

r _o – радиус вектор, определяющий положение начала координат системы К^' (подвижной) в системе К (неподвижной).

В проекциях на оси координат в произвольный момент времени t положение выбранной точки в системе К можно определить так:

x=x^'+v_0xt, x^'=x – v_0xt,

у=у^'+v_0уt, у^'=у – v_0уt,

z=z^'+v_0zt, z^'=z – v_0zt,

t=t^'. t=t^'.

Ковариантные или инвариантные уравнения – уравнения, обе части которых при переходе от одной системы координат к другой преобразуются одинаково и сохраняют свой вид во всех инерциальных системах отсчета.

Закон сложения скоростей в классической механике:

v = v ^'+ v ₀.

Относительное расстояние между выбранными точками пространства в системах отсчета определяется соотношением – они абсолютны, т.е. инвариантны:

В подвижной

,

В неподвижной

.

Инварианты преобразований – инвариантные величины (расстояния между телами (точками), промежутки времени между событиями, относительные скорости тел, ускорения).

Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси – движение, при котором какие – либо две его точки остаются неподвижнымив процессе движения. Прямая, проходящая через эти точки, – ось вращения; все остальные точки твердого тела описывают окружности в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения, центры которых лежат на этой оси (рис. П 1. 3).

Основные кинематические характеристики вращательного движения (рис. П 1. 4):