Основные задачи механики физика – Основная задача механики. Матеріальная точка. Путь и перемещение — Кинематика – МЕХАНИКА – ВСЕ УРОКИ ФИЗИКИ 10 класс – конспекты уроков – План урока – Конспект урока – Планы уроков – разработки уроков по физике

Основная задача механики - характеристика

Основная задача механики. Основной задачей механики является описание механического движения тел, то есть установление закона (уравнения) движения тела на основе характеристик, описывают (координаты, перемещение, длина пройденного пути, угол поворота, скорость, ускорение и т.п.).

Иными словами, если с помощью составленного закона (уравнения) движения можно определить положение тела в любой момент времени, то основная задача механики считается решенной. В зависимости от выбранных физических величин и методов решения основной задачи механики ее разделяют на кинематику, динамику и статику.

Кинематика - раздел механики, в котором изучается механическое движение без рассмотрения его причин. Кинематика дает ответ на вопрос, где будет тело в пространстве с течением времени, если известны его первоначальные характеристики.

Динамика - раздел механики, в котором изучают закономерности механического движения тел под действием приложенных к ним сил. Динамика дает ответ на вопрос, почему именно так движется тело.

Статика - раздел механики, изучающий условия равновесия материальных тел под действием приложенных к ним сил.

Следует также заметить, что законы классической механики не всегда могут быть применимы. Например, движение одной молекулы можно описать законами механического движения, а движение их совокупности в теле описывается уже другими - статистическими законами. Движение тела со скоростью, близкой к скорости света (скорость света обозначают буквой с. С = 300 000 км / с), описывается релятивистскими законами. Движение и взаимодействие элементарных частиц микромира описывают в квантовой механике.

Говоря «механика», мы будем понимать именно классическую механику, которая базируется на законах механического движения, сформулированных Ньютоном, которая стала толчком к созданию современной квантовой физики.

Изучение механики мы начинаем с ее первого раздела - кинематики.


worldofscience.ru

Kvant. Основная задача механики — PhysBook

Кикоин А.К. Как решается основная задача механики? //Квант. — 1984. — № 2. — С. 24-25.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Основная задача механики, как неоднократно указывается в учебнике «Физика 8», — определять положение (координаты) движущегося тела в любой момент времени. Это механика обязательно должна «уметь», иначе она не может быть наукой о движении. Законы движения, открытые Ньютоном, и прежде всего второй закон Ньютона (основной закон динамики) \(~\vec F = m \vec a\) как раз и позволяют решать эту задачу.

Второй закон Ньютона связывает силу, приложенную к телу, и вызванное силой ускорение. Но ускорение — это быстрота изменения скорости, а скорость, в свою очередь, — быстрота изменения перемещения тела. Поэтому, решив уравнение, выражающее основной закон динамики, мы узнаем о быстроте изменения координат тела, а значит, и о самих координатах в любой момент времени. Для этого кроме силы нужно знать еще начальные условия — начальные координаты и начальную скорость тела.

На первый взгляд кажется, что уравнение второго закона Ньютона очень простое и что решается оно тоже просто. Однако надо помнить, что уравнение \(~\vec F = m \vec a\) — векторное. Это значит, что за ним «скрываются» три скалярных уравнения для проекции силы и ускорения на оси координат:

\(~\begin{matrix} F_x = ma_x \\ F_y = ma_y \\ F_z = ma_z \end{matrix}\) .

Эти уравнения в самом деле решаются легко, но только в том случае, когда проекции силы Fx, Fy и Fz постоянны, то есть когда их значения одинаковы при любых значениях координат точки, а значит, и в любой момент времени. Тогда постоянны и значения проекций ускорения ax, ay и az, движение тела, следовательно, равноускоренное, и координаты х, у и z определяются равенствами

\(~\begin{matrix} x = x_0 + \upsilon_{0x}t + \frac{a_x t^2}{2} \\ y = y_0 + \upsilon_{0y}t + \frac{a_y t^2}{2} \\ z = z_0 + \upsilon_{0z}t + \frac{a_z t^2}{2} \end{matrix}\) .

Здесь x0, y0 и z0 — начальные координаты, a υ0x, υ0y и υ0z — соответствующие проекции начальной скорости на оси координат.

В школьном курсе физики рассматриваются только такие задачи, когда силы постоянны. Значительно сложнее решать основную задачу механики, если сила и ее проекции зависят от координат. В действительности обычно именно так и бывает. Как решается задача в таком случае? Конечно, и теперь нужно знать начальные условия и силу. Но теперь «знать силу» — значит знать, как она изменяется при изменении координат тела.

Пусть, например, на тело действует сила Fx, которая определенным (и известным) образом зависит от координаты х. Для определения координаты х тела в любой момент времени прежние формулы непригодны, потому что если сила Fx изменяется от точки к точке, будет изменяться и ускорение ax тела. Будем решать задачу постепенно, так сказать, шаг за шагом.

Сначала рассмотрим движение нашего тела в течение малого промежутка времени Δt, начиная с момента, который мы условимся считать начальным. В этот момент (t = 0) координата х тела, равна x0 (начальная координата), а скорость равна υ0x (начальная скорость). Промежуток Δt выберем настолько малым, чтобы в течение этого времени силу Fx, а значит, и ускорение ax можно было считать постоянными. Силу F0x мы знаем, поскольку нам известно, как сила зависит от координаты; a0x мы тоже знаем, так как \(~a_{0x} = \frac{F_{0x}}{m}\). Следовательно, по известным нам формулам равноускоренного движения для скорости υ1x и координаты x1 в конце промежутка времени Δt мы можем написать:

\(~\begin{matrix} \upsilon_{1x} = \upsilon_{0x} + a_{0x} \Delta t \\ x_1 = x_0 + \upsilon_{0x} \Delta t + \frac{a_{0x} (\Delta t)^2}{2} \end{matrix}\) .

Затем рассмотрим движение тела в следующий столь же малый промежуток времени Δt. Начальной координатой теперь будет найденное нами значение x1 и начальной скоростью — значение υ1x. В течение этого второго промежутка на тело будет действовать уже другая сила — F1x. Ее значение мы найдем, зная зависимость силы от координаты. Соответственно другим будет и ускорение тела a1x. Таким образом, к концу второго промежутка времени скорость тела будет равна

\(~\upsilon_{2x} = \upsilon_{1x} + a_{1x} \Delta t\) ,

а координата —

\(~x_2 = x_1 + \upsilon_{1x} \Delta t + \frac{a_{1x} (\Delta t)^2}{2}\) .

Эти значения скорости и координаты будут начальными для движения тела в течение следующего, третьего, промежутка, и мы таким же способом найдем значения скорости и координаты к концу этого промежутка.. Так, «двигаясь» шаг за шагом, мы сможем определить координату х тела в любой момент времени. Аналогично можно найти и координаты y и z.

В рассмотренной нами процедуре нетрудно заметить систематическую ошибку, которую мы допускаем. Состоит она в том, что сила и ускорение считаются постоянными в течение каждого малого промежутка времени Δt, а в конце промежутка они скачком изменяются. Между тем в действительности и сила, и ускорение всегда изменяются непрерывно. Уменьшить эту ошибку можно, уменьшив значение Δt. Ошибка практически вовсе исчезнет, если промежутки времени сделать бесконечно малыми. Но тогда число наших «шагов» станет бесконечно большим, и процедура из-за этого сделается невозможной.

Специально для таких случаев разработан особый математический аппарат, называемый дифференциальным и интегральным исчислением (Ньютон придумал его именно для этой цели). С его помощью и решается основная задача механики. Но принцип решения именно тот, который мы здесь рассмотрели. Именно таким способом рассчитывают сложные механические движения (например, спутников и ракет) современные ЭВМ.

В заключение отметим следующее. Когда мы говорим, что основная задача механики — находить координаты движущихся тел по известным силам и начальным условиям, то это вовсе не значит, что только этим и занимается механика. Бывает и так, что движение тела, то есть его положение в любой момент времени, известно из наблюдений. Тогда законы движения позволяют найти силу, действующую на тело. Эта задача, так называемая обратная задача механики, столь же важна, как и рассмотренная нами прямая задача, но, как нетрудно понять, она значительно проще.

www.physbook.ru

Основная задача механики.

Поиск Лекций

Введение.

Вплоть до начала нынешнего столетия в науке господствовала возникшая в Новое время ньютоновско-картезианская парадигма - система мышления, основанная на идеях И. Ньютона и Р. Декарта.

Учения Декарта и Ньютона отбросили один очень важный момент - фигуру Бога. Рационально-механистический образ мира, сформировавшийся в трудах по следователей, демонстрирует нам мир как единый и единственный: мир твердой материи, подчиненный жестким законам. Сам по себе он лишен духа, свободы, благодати, он безмолвен и слеп. Понятая действительность - гигантские космические просторы, в которых движутся по четким траекториям массы материи - не несет в себе никакой необходимости появления человека и сознания. Человек в этом мире - ошибка, описка, курьезный случай.Он - побочный продукт звездной эволюции. Лишенная Бога и сознания Вселенная, не живет, а существует без смысла и цели, более того, всякий смысл для нее - ненужная роскошь, разрушающаяся под влиянием закона энтропии.

Механистическая Вселенная Ньютона состоит из атомов - маленьких неделимых частиц, обладающих постоянной формой и массой и связанных таинственным законом тяготения. Она организована в трехмерное пространство классической эвклидовой геометрии. Это пространство аб­солютно, постоянно и всегда находится в покое. Оно представляет собой большое вместилище тел, само по себе ни сколько от них не завися, и лишь предоставляя им возможность перемещения под воздействием силы притяжения. Точно так же время являет собой чистую длительность, оно абсолютно, автономно и независимо от материального мира. Однородным и неизменным потоком течет оно из прошлого через настоящее в будущее. В целом Вселенная предстает как огромный, полностью детерминированный часовой механизм, в котором действует непрерывная цепь взаимосвязанных причин и следствий. Если бы можно было получить точную информацию о каждом звене этой цепи, то стало бы вполне возможным совершенно точно реконструировать любую ситуацию прошлого и предсказывать события будущего без всяких погрешностей.

Механика Ньютона.

Вершиной научного творчества И. Ньютона является его бессмертный труд «Математические начала натуральной философии», впервые опубликованный в 1687 году. В нем он обобщил результаты, полученные его предшественниками и свои собственные исследования и создал впервые единую стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь Ньютон дал определения исходных понятий – количества материи, эквивалентного массе, плотности; количества движения, эквивалентного импульсу, и различных видов силы. Формулируя понятие количества материи, он исходил из представления о том, что атомы состоят из некой единой первичной материи; плотность понимал как степень заполнения единицы объема тела первичной материей. В этой работе изложено учение Ньютона о всемирном тяготении, на основе которого он разработал теорию движения планет, спутников и комет, образующих солнечную систему. Опираясь на этот закон, он объяснил явление приливов и сжатие Юпитера.

Концепция Ньютона явилась основой для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте сформировались многие методы научных исследований в различных областях естествознания.

Законы Ньютона — в зависимости от того, под каким углом на них посмотреть, — представляют собой либо конец начала, либо начало конца классической механики. В любом случае это поворотный момент в истории физической науки — блестящая компиляция всех накопленных к тому историческому моменту знаний о движении физических тел в рамках физической теории, которую теперь принято именовать

классической механикой. Можно сказать, что с законов движения Ньютона пошел отсчет истории современной физики и вообще естественных наук.

Однако Исаак Ньютон взял названные в его честь законы не из воздуха. Они, фактически, стали кульминацией долгого исторического процесса формулирования принципов классической механики. Мыслители и математики — упомянем лишь Галилея— веками пытались вывести формулы для описания законов движения материальных тел — и постоянно спотыкались о то, что лично я сам для себя называю непроговоренными условностями, а именно — обе основополагающие идеи о том, на каких принципах зиждется материальный мир, которые настолько устойчиво вошли в сознание людей, что кажутся неоспоримыми. Например, древним философам даже в голову не приходило, что небесные тела могут двигаться по орбитам, отличающимся от круговых; в лучшем случае возникала идея, что планеты и звезды обращаются вокруг Земли по концентрическим (то есть вложенным друг в друга) сферическим орбитам. Почему? Да потому, что еще со времен античных мыслителей Древней Греции никому не приходило в голову, что планеты могут отклоняться от совершенства, воплощением которой и является строгая геометрическая окружность. Нужно было обладать гением Иоганна Кеплера, чтобы честно взглянуть на эту проблему под другим углом, проанализировать данные реальных наблюдений и

вывести из них, что в действительности планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим траекториям.

Первый закон Ньютона

Учитывая столь серьезный, исторически сложившийся провал, первый закон Ньютона сформулирован безоговорочно революционным образом. Он утверждает, что если какую-либо материальную частицу или тело попросту не трогать, оно будет продолжать прямолинейно двигаться с неизменной скоростью само по себе. Если тело равномерно двигалось по прямой, оно так и будет двигаться по прямой с неизменной скоростью. Если тело покоилось, оно так и будет покоиться, пока к нему не приложат внешних сил. Чтобы просто сдвинуть физическое тело с места, к нему нужно обязательно приложить стороннюю силу. Возьмем самолет: он ни за что не стронется с места, пока не будут запущены двигатели. Казалось бы, наблюдение самоочевидное, однако, стоит нам отвлечься от прямолинейного движения, как оно перестает казаться таковым. При инерционном движении тела по замкнутой циклической траектории его анализ с позиции первого закона Ньютона только и позволяет точно определить его характеристики.

Представьте себе что-то типа легкоатлетического молота — ядро на конце струны, раскручиваемое вами вокруг вашей головы. Ядро в этом случае движется не по прямой, а по окружности — значит, согласно первому закону Ньютона, его что-то удерживает; это «что-то» — и есть центростремительная сила, которую вы прилагаете к ядру, раскручивая его. Реально вы и сами можете ее ощутить — рукоять легкоатлетического молота ощутимо давит вам на ладони. Если же вы разожмете руку и выпустите молот, он — в отсутствие внешних сил — незамедлительно отправится в путь по прямой. Точнее будет сказать, что так молот поведет себя в идеальных условиях (например, в открытом космосе), поскольку под воздействием силы гравитационного притяжения Земли он будет лететь строго по прямой лишь в тот момент, когда вы его отпустили, а в дальнейшем траектория полета будет всё больше отклоняться в направлении земной поверхности. Если же вы попробуете действительно выпустить молот, выяснится, что отпущенный с круговой орбиты молот отправится в путь строго по прямой, являющейся касательной (перпендикулярной к радиусу окружности, по которой его раскручивали) с линейной скоростью, равной скорости его обращения по «орбите».

Теперь заменим ядро легкоатлетического молота планетой, молотобойца — Солнцем, а струну — силой гравитационного притяжения: вот вам и ньютоновская модель Солнечной системы.

Такой анализ происходящего при обращении одного тела вокруг другого по круговой орбите на первый взгляд кажется чем-то само собой разумеющимся, но не стоит забывать, что он вобрал в себя целый ряд умозаключений лучших представителей научной мысли предшествующего поколения (достаточно вспомнить Галилео Галилея). Проблема тут в том, что при движении по стационарной круговой орбите небесное (и любое иное) тело выглядит весьма безмятежно и представляется пребывающим в состоянии устойчивого динамического и кинематического равновесия. Однако, если разобраться, сохраняется только модуль (абсолютная величина) линейной скорости такого тела, в то время как ее направление

постоянно меняется под воздействием силы гравитационного притяжения. Это и значит, что небесное тело движется равноускоренно. Кстати, сам Ньютон называл ускорение «изменением движения».

Первый закон Ньютона играет и еще одну важную роль с точки зрения нашего естествоиспытательского отношения к природе материального мира. Он подсказывает нам, что любое изменение в характере движения тела свидетельствует о присутствии внешних сил, воздействующих на него. Условно говоря, если мы наблюдаем, как железные опилки, например, подпрыгивают и налипают на магнит, или, доставая из сушилки стиральной машины белье, выясняем, что вещи слиплись и присохли одна к другой, мы можем чувствовать себя спокойно и уверенно: эти эффекты стали следствием действия природных сил (в приведенных примерах это силы магнитного и электростатического притяжения соответственно).

Второй закон Ньютона

Если первый закон Ньютона помогает нам определить, находится ли тело под воздействием внешних сил, то второй закон описывает, что происходит с физическим телом под их воздействием. Чем больше сумма приложенных к телу внешних сил, гласит этот закон, тем большее

ускорение приобретает тело. Это раз. Одновременно, чем массивнее тело, к которому приложена равная сумма внешних сил, тем меньшее ускорение оно приобретает. Это два. Интуитивно эти два факта представляются самоочевидными, а в математическом виде они записываются так:

F = ma

где F — сила, m — масса, а — ускорение. Это, наверное, самое полезное и самое широко используемое в прикладных целях из всех физических уравнений. Достаточно знать величину и направление всех сил, действующих в механической системе, и массу материальных тел, из которых она состоит, и можно с исчерпывающей точностью рассчитать ее поведение во времени.

Именно второй закон Ньютона придает всей классической механике ее особую прелесть — начинает казаться, будто весь физический мир устроен, как наиточнейший хронометр, и ничто в нем не ускользнет от взгляда пытливого наблюдателя. Назовите мне пространственные координаты и скорости всех материальных точек во Вселенной, словно говорит нам Ньютон, укажите мне направление и интенсивность всех действующих в ней сил, и я предскажу вам любое ее будущее состояние. И такой взгляд на природу вещей во Вселенной бытовал вплоть до появления квантовой механики.

Третий закон Ньютона

За этот закон, скорее всего, Ньютон и снискал себе почет и уважение со стороны не только естествоиспытателей, но и ученых-гуманитариев и попросту широких масс. Его любят цитировать (по делу и без дела), проводя самые широкие параллели с тем, что мы вынуждены наблюдать в нашей обыденной жизни, и притягивают чуть ли не за уши для обоснования самых спорных положений в ходе дискуссий по любым вопросам, начиная с межличностных и заканчивая международными отношениями и глобальной политикой. Ньютон, однако, вкладывал в свой названный впоследствии третьим закон совершенно конкретный физический смысл и едва ли замышлял его в ином качестве, нежели как точное средство описания природы силовых взаимодействий. Закон этот гласит, что если тело А воздействует с некоей силой на тело В, то тело В также воздействует на тело А с равной по величине и противоположной по направлению силой. Иными словами, стоя на полу, вы воздействуете на пол с силой, пропорциональной массе вашего тела. Согласно третьему закону Ньютона пол в это же время воздействует на вас с абсолютно такой же по величине силой, но направленной не вниз, а строго вверх. Этот закон экспериментально проверить нетрудно: вы постоянно чувствуете, как земля давит на ваши подошвы.

Тут важно понимать и помнить, что речь у Ньютона идет о двух силах совершенно разной природы, причем каждая сила воздействует на «свой» объект. Когда яблоко падает с дерева, это Земля воздействует на яблоко силой своего гравитационного притяжения (вследствие чего яблоко равноускоренно устремляется к поверхности Земли), но при этом и яблоко притягивает к себе Землю с равной силой. А то, что нам кажется, что это именно яблоко падает на Землю, а не наоборот, это уже следствие второго закона Ньютона. Масса яблока по сравнению с массой Земли низка до несопоставимости, поэтому именно его ускорение заметно для глаз наблюдателя. Масса же Земли, по сравнению с массой яблока, огромна, поэтому ее ускорение практически незаметно. (В случае падения яблока центр Земли смещается вверх на расстояние менее радиуса атомного ядра.)

По совокупности же три закона Ньютона дали физикам инструменты, необходимые для начала комплексного наблюдения всех явлений, происходящих в нашей Вселенной. И, невзирая на все колоссальные подвижки в науке, произошедшие со времен Ньютона, чтобы спроектировать новый автомобиль или отправить космический корабль на Юпитер, вы воспользуетесь все теми же тремя законами Ньютона.

Основная задача механики.

Результатом развития классической механики явилось создание единой механической картины мира, в рамках которой все качественное многообразие мира объяснялось различиями в движении тел, подчиняющемся законам ньютоновской механики. Согласно механической картине мира, если физическое явление мира можно было объяснить на основе законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона, таким образом, стала основой механической картины мира, господствовавшей вплоть до научной революции на рубеже XIX и XX столетий.

Механика Ньютона, в отличие от предшествующих механических концепций, давало возможность решать задачу о любой стадии движения, как предшествующей, так и последующей, и в любой точке пространства при известных фактах, обусловливающих это движение, а также обратную задачу определения величины и направления действия этих факторов в любой точке при известных основных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла использоваться в качестве метода количественного анализа механического движения. Любые физические явления могли изучаться как, независимо от вызывающих их факторов. Например, можно вычислить скорость спутника Земли.

Законы ньютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением движения. Это позволило отказаться от традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и отвести трению, которое делало силу необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, второстепенную роль. Установив динамический взгляд на мир вместо традиционного статического, Ньютон свою динамику сделал основой теоретической физики. Хотя Ньютон проявлял осторожность в механических истолкованиях природных явлений, все равно считал желательным выведение из начал механики остальных явлений природы. Дальнейшее развитие физики стало осуществляться в направлении дальнейшей разработки аппарата механики применительно к решению конкретных задач, по мере решения которых механическая картина мира укреплялась.

Заключение.

С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 – 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г. Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям – в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А.Эйнштейном (1879 – 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы и скорости движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.

Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение - почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной?

Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют.

Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них.

Литература.

1. Астахова В.Г, Дубровский Е.В. и др. «Мир вокруг нас: Беседы о мире и его законах» – М.: Политиздат, 1983 г.

2. «Материалистическая диалектика и пути развития естествознания» / Под ред. А.М. Мостапенко – Л.: Издательство ленинградского университета, 1987

3. Кохановский В.П. «Философия» – Р.: Феникс, 1996

4. Дубровский Е.В. «Разум побеждает» – М.: Политиздат, 1989

5. «Философия, естествознание и современность» / Под ред. И.Т. Фролова и Л.И. Грекова – М.: Мысль, 1991 г.

6. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

7. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

8. Краткий миг торжества. М., 1989.

9. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: ЮНИТИ, 1998.

10. Ньютон и философские проблемы физики XX века. Коллектив авторов под ред. М.Д. Ахундова, С.В. Илларионова. М.: Наука, 1991.

11. Гурский И.П. Элементарная физика. М.: Наука, 1984.

12. Большая Советская Энциклопедия в 30 томах. Под ред. ПрохороваА.М., 3 издание, М., Советская энциклопедия, 1970.

13. ДорфманЯ.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. М., 1979.

 



poisk-ru.ru

Механика

Определение 1

Механика — это наука о систематическом механическом движении всех материальных тел, а также взаимодействии, которое происходит при этом между ними.

Рисунок 1. Механика и ее виды. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Под механикой принято понимать называемое классическое учение, которое базируется на законах механики Ньютона. Научные труды знаменитого физика исследуют движение любых физических тел (кроме атомов и других элементарных частиц) при условии, что скорость подвижности всех объектов намного меньше скорости света. Таким образом, быстрота движение материальных тел, которая близка к скорости света, рассматривают в механике относительности, а внутриатомные процессы и действие элементарных частиц — в квантовой физике.

Под механическим воздействием ученые понимают кардинальное изменение с течением определенного периода времени общего расположения тел или их элементов в пространстве. Например, передвижение небесных тел, постоянные колебания земной коры, морские и воздушные течения, быстрота летательных аппаратов и транспортных средств, деформация основных элементов сооружений, движение газов и другое.

В механике взаимодействия тел считаются логическим результатом изменения всех скоростей точек объектов или их деформации. В этом аспекте, притяжение предметов по закону всемирного тяготения, а также взаимное давление соприкасающихся частиц являются главными показателями деятельности механических явлений.

При исследовании движения материальных объектов физики оперирует рядом понятий, которые демонстрируют те или иные характеристики реальных тел:

  • материальная точка — представляет собой пренебрежимо малых размеров предмет, имеющий определенную массу;
  • абсолютно твердое тело — объект, где расстояние между двумя любыми точками не меняется, следовательно, этим определением пользуются при деформации тела;
  • сплошное изменяемое пространство — применяется, когда необходимо пренебречь молекулярной структурой предмета и изучить движения газов, жидкостей, и деформируемых твердых тел.

История развития механики

Процесс развития и становления механики, так же как и иных естественных наук, напрямую связан с историей эволюции общества и его производительных сил. Технографию механики можно условно разделить на несколько основных периодов, которые отличаются характером проблем и способами их решения.

Замечание 1

Эпоху создания первых обязательных орудий производства и искусственных сооружений следует считать началом накопления необходимого опыта и знаний, которые в дальнейшем помогли ученым открыть главные законы механики.

В то время, когда астрономия и геометрия античного мира представляли уже достаточно развитые научные концепции, положения в сфере механики были практически не изучены и относились к самым элементарным случаям равновесия материальных тел. Ранее всех разделов официально зародилась статика. Этот раздел развивался в тесной взаимосвязи со строительным искусством древних народов.

Основное определения статики – понятие мощности и интенсивности– изначально связывали с мускульным усилием, которое происходит посредством давления предмета на руку.

Приблизительно к середине IV в. до н. э. уже были представлены обществу простейшие законы уравновешивания и сложения сил, приложенных к одному объекту вдоль однородной линии. Задача о рычаге, которая была разработана великим философом Архимедом, вызвала особый интерес у древних мыслителей. Физик установил основные правила разложения и сложения параллельных объектов, дал определение понятия центра тяжести и системы двух грузов, которые были подвешены к одному стержню. Архимеду также принадлежит открытие ключевых законов гидростатики.

Динамические и Кинематические исследования эпохи Возрождения были направлены на точное представление о нестабильном криволинейном движении материальных точек. До этого времени все процессы было принято считать не соответствующими действительности воззрениям Аристотеля, который считал, что для полноценного поддержания равномерного движения тела к необходимо приложить беспрерывно действующую силу.

Основная заслуга правильной формулировки всех известных на сегодняшний день законов динамики принадлежит известному английскому ученому И. Ньютону (1643 – 1727). В своих трактатах, которые были представлены обществу в 1687 г., физик окончательно подвел итог достижениям своих предшественников, указав пути дальнейшего развития механических процессов на столетия вперед.

Задача механики

Замечание 2

Основная задача механики заключается в детализированном описании свойств механического движения тел, то есть установление уравнения движения объектов на основе их характеристик, описывающих перемещение, координаты, длину пройденного пути и динамику развития изучаемых предметов.

Другими словами, если путем составленного закона перемещение материальных тел можно определить положение любой элемента системы в конкретный момент времени, то главная задача механики считается полностью решенной. В зависимости от исследуемых физических величин и способов решения проблем в механики ее разделяют на динамику, кинематику и статику.

Кинематика представляет собой раздел механики, в котором исследуется беспрерывное механическое движение без предоставления его причин. Это направление помогает ответить на вопрос, где в следующий раз окажется материальный объект, если известны только его первоначальные особенности.

Динамика, в первую очередь, занимается изучением закономерностей всех механических движений предметов под непосредственным влиянием приложенных к ним сил. Данный процесс дает ответ на вопрос, почему именно таким образом движется тело.

Определение 2

Статика – особый и значимый раздел механики, который изучает и трактует условия равновесия материальных объектов под действием приложенных к ним явлений.

Основные направления развития механики

Практически все решенные задачи механики отражают технические проблемы определенного времени. В этой среде необходимо выделить группу самых важных процессов динамики, представляющие собой основу современной теории предметных колебаний. Изучая малые движения, можно увидеть, что любое движение физического тела можно представить, как конечный итог наложения друг на друга простых естественных колебаний.

Механика XIX и начала XX столетия подытожила все достижения теоретической механики прошлых веков определив своим положением следующие главные направления в дальнейшем развития:

  • расширение общих понятий взаимосвязей и обобщение центральных уравнений динамики нестабильной системы для новых трансформаций;
  • правильная формулировка градации принципов динамики и метода сохранения механической энергии;
  • создание методов целостного интегрирования уравнений механики.

В середине XIX века был озвучен принцип сохранения энергии: для любой физической концепции возможно выделить коэффициент, называемую интенсивность, равную сумме потенциальной, кинетической и электрической силам, определение которого остается стабильным независимо от происходящих в системе изменений.

Дальнейшая эволюция гипотез малых непостоянных колебаний было тесно взаимосвязана с появлением отдельных серьезных технических проблем.

Замечание 3

Наиболее значимые работы по теории в механической сфере принадлежат известному советскому ученому А. Н. Крылову, деятельность которого была полностью посвящена использованию новых достижений в математике и механике для решения важнейших технических задач.

spravochnick.ru

В чем состоит основная задача механики?

В развитии естествознания ведущую роль сыграла и до сих пор играет классическая механика, или механика Ньютона. В ее рамки укладывается объяснение множества физических явлений и процессов, проходящих в земных и внеземных условиях. Многие методы научных исследований сформированы именно на ее основе. Суть механистического мировоззрения, господствовавшего в науке практически до начала ХХ века, сводится к объяснению всех физических процессов движением и взаимодействием тел и частиц. То есть механика – это наука о движении тел.

Концепция Ньютона, кратко выраженная Энштейном, гласила: физическая реальность определяется факторами времени, пространства, материальной точки и силой, т. е. взаимодействием материальных точек. Основная задача механики, таким образом, сводилась к изучению физических событий, под которыми понималось движение и взаимодействие в пространстве материальных точек, происходящее по неизменным законам.

В современной трактовке область применения классической механики – взаимодействие тел с относительно медленным движением (многократно меньше скорости света). «Классические» понятия пространства, времени, силы, массы и т. п. остались неизменными, основные законы механики действуют и не будут опровергнуты, пока существует наука.

Давайте вспомним главные понятия механики. Это механическое движение – так называется изменение положения данного тела по отношению к другим телам в пространстве и во времени (примером может служить движение транспорта, часовой стрелки, небесного тела, молекулы), относительность движения – тело движется относительно одних тел и может быть неподвижным относительно других. Пример – водитель автомобиля движется относительно пешеходов и неподвижен относительно корпуса машины. Поэтому существует понятие тела отсчета – так называется тело, относительно которого происходит движение.

Система координат определяет расположение тела или точки в пространстве. Движение может происходить по прямой, в плоскости или в пространстве. Соответственно изменяются одна, две или три его координаты. Основная задача механики сводится к определению координаты тела в определенный (любой) момент. При этом под координатой понимается расстояние от точки отсчета по соответствующей оси. Кроме того, следует учитывать, что движение осуществляется в определенном временном промежутке, т. е время является также одной из исходных величин.

Таким образом, систему отсчета, в которой решается основная задача механики, составляют система координат и часы. Любое движение происходит не само по себе, а относительно выбранной нами системы отсчета. Зная, как изменяется координата тела во времени, можем узнать положение данного тела (точки) в любой нужный нам момент.

Основная задача механики сводится, таким образом, к определению положения тела (его координаты) в любой нужный нам момент времени.

Каждое тело имеет свои определенные размеры. При поступательном движении все его точки движутся по одной траектории, и нет нужды описывать движение всех точек. Как же определить его координаты? В определенных условиях (если размеры тела многократно меньше проходимого им расстояния) его размерами можно пренебречь и считать тело материальной точкой. Например, при движении Земли по орбите наша планета может быть принята за материальную точку. При изучении же процессов, происходящих на поверхности Земли, ее никак нельзя считать таковой. Т. е. в механике под материальной точкой подразумевается тело, размерами которого можно пренебречь.

Путь – это расстояние, которое проходит точка вдоль траектории. Перемещение – вектор (направленный отрезок), соединяющий два положения тела, начальное и конечное.

Кроме того, движение не всегда бывает поступательным. Если части тела движутся по разным траекториям, такое движение можно рассматривать как вращение вокруг определенной оси. Любое движение в механике является совокупностью поступательных и вращательных движений.

fb.ru

В чем состоит основная задача механики?

Дата публикации

В развитии естествознания ведущую роль сыграла и до сих пор играет классическая механика, или механика Ньютона. В ее рамки укладывается объяснение множества физических явлений и процессов, проходящих в земных и внеземных условиях. Многие методы научных исследований сформированы именно на ее основе. Суть механистического мировоззрения, господствовавшего в науке практически до начала ХХ века, сводится к объяснению всех физических процессов движением и взаимодействием тел и частиц. То есть механика – это наука о движении тел.

Концепция Ньютона, кратко выраженная Энштейном, гласила: физическая реальность определяется факторами времени, пространства, материальной точки и силой, т. е. взаимодействием материальных точек. Основная задача механики, таким образом, сводилась к изучению физических событий, под которыми понималось движение и взаимодействие в пространстве материальных точек, происходящее по неизменным законам.

В современной трактовке область применения классической механики – взаимодействие тел с относительно медленным движением (многократно меньше скорости света). «Классические» понятия пространства, времени, силы, массы и т. п. остались неизменными, основные законы механики действуют и не будут опровергнуты, пока существует наука.

Давайте вспомним главные понятия механики. Это механическое движение – так называется изменение положения данного тела по отношению к другим телам в пространстве и во времени (примером может служить движение транспорта, часовой стрелки, небесного тела, молекулы), относительность движения – тело движется относительно одних тел и может быть неподвижным относительно других. Пример – водитель автомобиля движется относительно пешеходов и неподвижен относительно корпуса машины. Поэтому существует понятие тела отсчета – так называется тело, относительно которого происходит движение.

Система координат определяет расположение тела или точки в пространстве. Движение может происходить по прямой, в плоскости или в пространстве. Соответственно изменяются одна, две или три его координаты. Основная задача механики сводится к определению координаты тела в определенный (любой) момент. При этом под координатой понимается расстояние от точки отсчета по соответствующей оси. Кроме того, следует учитывать, что движение осуществляется в определенном временном промежутке, т. е время является также одной из исходных величин.

Таким образом, систему отсчета, в которой решается основная задача механики, составляют система координат и часы. Любое движение происходит не само по себе, а относительно выбранной нами системы отсчета. Зная, как изменяется координата тела во времени, можем узнать положение данного тела (точки) в любой нужный нам момент.

Основная задача механики сводится, таким образом, к определению положения тела (его координаты) в любой нужный нам момент времени.

Каждое тело имеет свои определенные размеры. При поступательном движении все его точки движутся по одной траектории, и нет нужды описывать движение всех точек. Как же определить его координаты? В определенных условиях (если размеры тела многократно меньше проходимого им расстояния) его размерами можно пренебречь и считать тело материальной точкой. Например, при движении Земли по орбите наша планета может быть принята за материальную точку. При изучении же процессов, происходящих на поверхности Земли, ее никак нельзя считать таковой. Т. е. в механике под материальной точкой подразумевается тело, размерами которого можно пренебречь.

Путь – это расстояние, которое проходит точка вдоль траектории. Перемещение – вектор (направленный отрезок), соединяющий два положения тела, начальное и конечное.

Кроме того, движение не всегда бывает поступательным. Если части тела движутся по разным траекториям, такое движение можно рассматривать как вращение вокруг определенной оси. Любое движение в механике является совокупностью поступательных и вращательных движений.



Опубликовано в Образование и наука

Добавить комментарий

www.vigivanie.com

Предмет классической механики, ее основная задача — Мегаобучалка

Предмет механики

Механика изучает изменение с течением времени взаимного положения материальных тел в пространстве и происходящие при этом взаимодействия между ними.

Кинематика

Кинематика - раздел механики, изучающий движения тел в пространстве и времени без рассмотрения вызывающих это движение взаимодействий.

Динамика

Динамика изучает движение тел учитывая взаимодействия между телами, которые обуславливают тот или иной характер движения.

Статика

Статика изучает законы равновесия системы тел. Эти законы следуют из законов динамики.

Основная задача механики

Основная задача механики - предсказывать будущее положение тел.

 

Элементы кинематики

Материальная точка, система материальных точек, абсолютно твердое тело - простейшие физические модели

Материальная точка

Материальная точка - это одна из простейших физических моделей (1.3).

Тело из реального мира (см. рис.) иногда можно без ущерба для решаемой задачи заменить точкой в модельном мире, сохранив из всех многообразных свойств этого тела лишь два: положение в пространстве и массу. Эти две характеристики легко описать языком физики (1.4). Массу задают числом. Положение - координатами в выбранной системе координат (3.4.1).

Традиционное определение материальной точки: это тело, размерами которого можно пренебречь при описании его движения. Здесь вместе присутствуют понятия, описывающие и реальный мир, и модельный мир.

3.1.2. Система материальных точек
Если решается задача о движении нескольких материальных тел и каждое из них можно в условии данной задачи заменить материальной точкой, то моделью этой системы (1.3) будет система материальных точек.

Пример:

Абсолютно твердое тело

Существуют такие задачи, в которых размерами тела нельзя пренебречь, но, в то же время, можно не учитывать изменение со временем размеров, формы тела. При решении таких задач используют модель - абсолютно твердое тело, т.е. реальное тело заменяют таким, у которого размеры и форма не меняются.



Тело отсчета

Тело отсчета - это тело, относительно которого определяют положение рассматриваемого нами тела или системы тел.

Система отсчета

Это система координат, связанная с телом отсчета (3.2) и выбранный способ измерения времени (часы).

В реальном трехмерном мире система отсчета - это набор масштабных стержней (или линеек) и часы, расположенные в разных местах этих линеек. В модельном мире система отсчета превращается в трехмерную систему координат, положение которой связано с положением тела отсчета. В каждой точке пространства существует возможность определить время любого происшедшего в этой точке события.

megaobuchalka.ru