Билет 3. Понятие массы, импульса, силы в механике Ньютона

Вопрос 1.

Понятие массы, импульса, силы в механике Ньютона. Законы Ньютона и их инвариантность относительно преобразований Галилея.

Масса:

1) Всякое тело оказывает сопротивление при попытках изменить модуль или направление его скорости. Это свойство тел называется инертностью. Масса - мера инертности.

2) Изолированная система – система тел, настолько удаленных от всех остальных тел, что они практически не оказывают действия на рассматриваемую систему.

Рассмотрим изолированную систему из двух материальных точек (их скорости много меньше скорости света). Dv₁, Dv₂ - приращения скоростей м.т. за одинаковый Dt. Из опыта: m₁ Dv₁ =–m₂ Dv₂,где m₁, m₂ - положительные величины, не зависящие от характера взаимодействия между м.т., от Dv₁ и Dv₂,а зависящие только от самих м.т. Тогда m₁, m₂ – инертные массы м.т. 1 и 2.

Импульс: p =m× u - импульс м.т. Импульс системы м.т. - p = p₁ + p₂ +...+ p_n

Сила: Сила - любая причина, изменяющая импульс движущегося тела (мера взаимодействия). Одно из количественных определений: m r ¢¢= F.

Законы Ньютона:

I. Существуют такие системы отсчета, в которых изолированная точка движется прямолинейно и равномерно (инерциальные системы отсчета).

II. (уравнения движения м.т.): (m u) ¢= F. (в исо)

III. Силы взаимодействия двух м.т. равны по модулю, противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей их.

В замкнутой системе из двух м.т. p₁+p₂=const (из m₁× Dv₁ =-m₂× Dv₂) Þ p₁ ¢=- p₂ ¢ Þ F₁ =- F₂

Следствие из III (закон сохранения импульса замкнутой системы м.т.): (1), где (2) - полная внутренняя сила, действующая на j-тую частийу системы м.т.,

(3) - полная внешняя сила, действующая на j-тую частийу системы м.т.

Тогда (4)Þ(5)

Инвариантность:

S - исо, S¢ движется относительно S с V (V<<c).

 

Замкнутая система – это система, удалённая от остальных тел, на которую не оказывается действие.

Рассмотрим изолированную систему из двух мат. Точек, после взаимодействия их скорости изменятся на DV1 DV2

Векторы будут связаны так: m1V1 = -m2V2, коэфициенты m1,m2 называются массами

Опр. Величина m v = p называется импульсом материальной точки, импульс системы – это сумма импульсов всех её точек. Импульс замкнутой системы из двух точек неизменен.

Сила.

Под силой в механике Ньютона принимается любая причина изменяющая импульс движущегося тела.

Рассмотрим Инерциальную систему отсчёта:

dp/dt = t/dt*(mv) = F

Величина называется силой, действующей на тело, очевидно, сила – векторная величина.

Второй закон Ньютона: Таким образом в И.С.О. поизводная импульса по времени равна силе действующей на тело.

Рассмотрим две точки в И.С.О.:

P 1+ p 2=const,следовательно d p 1/dt + d p 2/dt = 0

Следовательно F 1 = - F 2, где F 1 и F 2 – силы взаимодействия

Третий закон Ньютона: То есть силы взаимодействия двух мат. Точек равны по величине и противополжны по направлению. Действуют они по прямой, соединяющей эти две точки.

 

Т.к. r = r ’ + V t’, t=t’

d r /dt = d r ’/dt + V = d r ’/dt’ + V ’.

v = v ’ + V – закон сложения скоростей

d v /dt = d v ’/dt = d V /dt, a = a ’

Сис. Отсчёта, двигающаяся равномерно и прямолинейно относительно И.С.О. – является И.С.О.

Так как F = F ’ следовательно сила инвариантна относительно преобразований Галилея.Ускорение тоже инвар.

Следовательно, уравнения механики Ньютона инвариантны относительно преобр. Галилея.

 

Вопрос 2.

Кинетическая энергия твёрдого тела. Теорема Кёнига.

 

Опр. Работой силы на перемещении называется поекция этой силы на направление перемещения, умноженная на перемещение. dA = FdS = FdScosa.

Если сложить все элементарные работы и перейти к пределу, устремив к 0 длинны всех элементарных перемещений, а их число к µ, то такой предел обозначается символом: , и наз. криволинейным интегралом вектора F вдоль траектории L. Элементарная работа результирующей 2-х или нескольких сил равна сумме элементарных работ этих сил.

F=dp/dt, ds=v dt Þ A=ò(v dp)=[p=mv, v dp=mv dv, скалярное произведение самого на себя равно квадрату длинны]=mv²/2. A₁₂=m , речь идёт о работе при перемещении материальной точки из положения 1 в положение 2. Величина K=(mv²/2)=p²/2m наз. кинетической энергией материальной точки. Работа силы при перемещении материальной точки равна приращению кинетической энергии этой точки. Кинетической энергией системы наз. сумма кин. эе. м.т., из к-х эта система состоит.

Как преобразовыается кинетическая энергия из одной системы в другую? Скорости связаны соотношением: v=v’+V Þ (Mv²)/2 = (mv’²)/2 + (mV²)/2 + mv’V

или K =K’+(mV²)/2+(p’V), где р’=mv’ – импульс материальной точки в системе S’.

Это справедливо и для системы м. т. (мы можем рассмотреть их по две)

K=K’+(mV²)/2 + m(Vv’)/

Это теорема Кёнига:

Кинетическая энергия системы м. т. равна сумме кин. энергии всей массы системы, мысленно сосредоточенной в её центре масс и движущейся вместе с ним, и кин. энергии той же сиситемы в её относительном движении по отнош. К поступательно движущейся системе с началом в центре масс.