Слободянюк А.И. Физика 10/4.1
§4. Основные законы динамики
В предыдущем разделе «Кинематика» мы рассмотрели математические способы описания механического движения. Фактически мы занимались математикой - переводом расплывчатого словесного описания на точный и однозначный язык математических формул, функций, графиков и.д. Сейчас нам предстоит выяснить физические причины, приводящие к тому или иному виду движения, раздел механики, изучающий причины движения и его изменения называется динамика.
4.1 Закон инерции. Принцип относительности Галилея.
Повседневный жизненный опыт показывает, что для того, чтобы какое либо тело двигалось, к нему необходимо прикладывать определенные усилия [1] - для передвижения человек и животные используют свои мышцы, все средства транспорта снабжены двигателями, если не подталкивать скользящую по льду шайбу, то она останавливается, вы можете без труда продолжить этот ряд примеров. Поэтому складывается впечатление, что причиной движения тела является воздействие на него других тел. Такая точка зрения господствовала в научных представлениях человечества в течение полутора тысяч лет.
Приходилось даже придумывать экзотические объяснения для объяснения простых движений. Так, например, для объяснения полета стрелы, выпущенной из лука, была придумана такая замысловатая теория. Стрела движется в воздухе, воздушная среда перед стрелой является более разряженным, а позади нее более плотным, и именно этот более плотный воздух постоянно подталкивает стрелу в полете [2].
Однако посмотрим на движение с иной точки зрения, попытаемся более подробно рассмотреть результаты воздействия одного тела на другое.
Пусть некоторое тело, например, тяжелый металлический шар, падает с некоторой высоты на поверхность земли. Он начинает двигаться под действием притяжения к земле, в ходе падения его скорость возрастает. Экспериментально можно показать, что его движение можно описать как примерно равноускоренное. Чтобы уменьшить ускорение пустим этот шар по желобу, наклоненному под некоторым углом к горизонту. Качение такого шара, по-прежнему остается равноускоренным, но величина ускорения уменьшается по мере уменьшения угла наклона. Поэтому разумно предположить, что при движении по горизонтальному желобу ускорение станет равным нулю. Именно, ускорение, а не скорость! Иными словами, его движение будет равномерным, с постоянной скоростью. Конечно, со временем шар остановится, но его торможение можно объяснить действием сил сопротивления воздуха и сил трения.
Рассмотрим еще один пример. Толкнем шайбу по поверхности стола. Сдвинувшись на некоторое расстояние, она остановится, следовательно, она движется с уменьшающейся скоростью, с отрицательным ускорением. Заменим поверхность стола, гладкой поверхность льда. И сообщим шайбе ту же начальную скорость. В этом случае шайба пройдет до остановки гораздо большее расстояние. Следовательно, величина (модуль) ее ускорения будет меньше. Поэтому разумно считать, что причиной отрицательного ускорения является сила сопротивления со стороны поверхности. Если каким-либо образом исключить действие поверхности, то движение шайбы должно продолжаться бесконечно долго.
Во всех случаях, оказывается можно найти причину изменения (!) скорости - действие других тел.
Таким образом, можно утверждать, что при отсутствии воздействия других тел, тело продолжает двигаться с постоянной скоростью, сохраняет скорость своего движения. Свойство тел сохранять свою скорость называется инерцией, а свободное движение тел называют движением по инерции. Сформулированное утверждение в физике носит название закона инерции Галилея.
Отметим, что, когда говорят о движении с постоянной скоростью, подразумевают постоянство скорости, как по величине, так и по направлению. Вспомните, как трудно повернуть на гладком льду - не хватает внешних сил, способных изменить направление скорости. Говоря в дальнейшем о равномерном движении, мы будем подразумевать движение с постоянной скоростью, как по величине, так и по направлению.
С проявлением инерции мы постоянно встречаем в окружающем мире. При резком торможении автобуса, пассажиров «бросает» вперед - они продолжают двигаться с прежней скоростью. Если на стол положить лист бумаги, а на него поставить какой либо предмет, то можно резко выдернуть этот лист бумаги так, что сам предмет не сдвинется с места.
В разделе «Кинематика» мы неоднократно подчеркивали, что механическое движение относительно - имеет смысл говорить только о движении одного тела относительно другого. Поэтому, в формулировке закона инерции Г.Галилея мы упустили одну существенную деталь – относительно какой системы отсчета рассматривается движение. Не трудно привести пример системы отсчета, в которой закон инерции не выполняется. Пусть поезд начинает отходить ускоренно от вокзала, в системе отсчета, связанной с поездом, вокзал движется с ускорением, хотя явных взаимодействий, приводящих к изменению скорости вокзала не заметно.
Поэтому закону инерции Г.Галилея [3] следует дать иную интерпретацию: существуют такие системы отсчета, в которых тело движется равномерно, при отсутствии взаимодействия с другими телами. Такие системы отсчета называются инерциальными.
Пусть некоторое тело А движется равномерно и прямолинейно относительно некоторой системы отсчета XOY. В любой другой системе отсчета, которая движется относительно XOY равномерно, движение тела А будет равномерным (но, конечно, с другой скоростью). Следовательно, любая система отсчета, которая движется равномерно относительно какой-нибудь инерциальной системы отсчета, сама является инерциальной.
Вопрос о существовании инерциальных систем отсчета, на самом деле, не простой. Во многих случаях, в качестве инерциальной системы отсчета рассматривают систему отсчета, связанную с поверхностью земли. Строго говоря, эта система не является инерциальной, так как Земля вращается вокруг собственной оси, то есть движется с ускорением. Эта неинерциальность проявляется в целом ряде экспериментов: движении маятника Фуко, отклонением в полете снарядов, подмыве одного из берегов рек и других. Безусловно, эти эффекты малы, и при решении многих задач ими можно пренебречь, то есть считать Землю инерциальной системой. Аналогичные рассуждения можно применить и к другим более грандиозным системам, например, связанным с Солнцем или другими звездами. Поэтому, вопрос об инерциальности той или иной системы отсчета связан с той точностью, которая требуется для описания физических явлений.
Таким образом, закон инерции постулирует существование инерциальных систем отсчета. Далее, если не будет оговорено особо, мы будем рассматривать движение тел именно в инерциальных системах отсчета.
Примечания
- ↑ Мерой действия одного тела на другое является сила - строгое физическое понятие. Однако, пока мы будем использовать этот термин в обыденном житейском смысле.
- ↑ На самом деле ситуация прямо противоположная - перед телом, движущимся в воздухе, среда более плотная, чем сзади него, этим объясняется возникновение сил сопротивления.
- ↑ Перед самим Г. Галилеем такой проблемы не стояло, он был убежден в существовании «абсолютного» движения. Более четко эта позиция была сформулирована И.Ньютоном: существует некое «абсолютное пространство», которое существует само по себе, не зависимо от существующих в нем материальных тел, поэтому абсолютное движение есть движение относительно этого абсолютного пространства.
Смотреть HD
видео онлайн
бесплатно 2022 года
