Механика - учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем (для человека) наиболее распространенную форму существования материи. Поэтому механика занимает исключительно важное место в естествознании и является основным подразделом физики. Она исторически возникла и сформировалась как наука раньше других подразделов естествознания.

Механика включает в себя статику, кинематику и динамику. В статике изучаются условия равновесия тел, в кинематике - движения тел с геометрической точки зрения, т.е. без учета действия сил, а в динамике - с учетом этих сил. Статику и кинематику часто рассматривают как введение в динамику, хотя и они имеют самостоятельное значение.

До сих пор под механикой мы подразумевали классическую механику, строительство которой было завершено к началу XX века. В рамках современной физики существуют еще две механики - квантовая и релятивистская. Но более подробно мы рассмотрим классическую механику.

Классическая механика рассматривает движение тел со скоростями много меньше скорости света. Согласно специальной теории относительности, для тел, перемещающихся с большими скоростями, близкими к скорости света, не существует абсолютного времени и абсолютного пространства. Отсюда характер взаимодействия тел становится сложнее, в частности, масса тела, оказывается, зависит от скорости его движения. Все это явилось предметом рассмотрения релятивистской механики, для которой константа скорости света играет фундаментальную роль.

Классическая механика базируется на следующих основных законах.

Принцип относительности Галилея

Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Этот принцип можно также сформулировать как отсутствие абсолютных систем отсчёта, то есть систем отсчёта, каким-либо образом выделенных относительно других.

Основой классической механики являются три закона Ньютона.

• 1. Всякое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Поэтому первый закон называют также законом инерции.
• 2. Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела.
• 3. Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.

Второй закон Ньютона нам известен в виде

естествознание классический механика закон

F = m Ч a, или a = F/m,

где ускорение а, получаемое телом под действием силы F, обратно пропорционально массе тела m.

Первый закон можно получить из второго, так как в случае отсутствия воздействия на тело со стороны других сил ускорение также равно нулю. Однако первый закон рассматривается как самостоятельный закон, поскольку он утверждает существование инерциальных систем отсчета. В математической формулировке второй закон Ньютона чаще всего записывается в следующем виде:

где -- результирующий вектор сил, действующих на тело; -- вектор ускорения тела; m -- масса тела.

Третий закон Ньютона уточняет некоторые свойства введёного во втором законе понятия силы. Им постулируется наличие для каждой силы, действующей на первое тело со стороны второго, равной по величине и противоположной по направлению силы, действующей на второе тело со стороны первого. Наличие третьего закона Ньютона обеспечивает выполнение закона сохранения импульса для системы тел.

Закон сохранения импульса

Данный закон является следствием законов Ньютона для замкнутых систем, то есть систем, на которые не действуют внешние силы или действия внешних сил скомпенсированы и результирующая сила равна нулю. С более фундаментальной точки зрения существует взаимосвязь закона сохранения импульса и однородности пространства , выражаемая теоремой Нётер.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии является следствием законов Ньютона для замкнутых консервативных систем, то есть систем, в которых действует только консервативные силы. Энергия, отданная одним телом другому, всегда равна энергии, полученной другим телом. Для количественной оценки процесса обмена энергией между взаимодействующими телами в механике вводится понятие работы силы, вызывающей движение. Сила, вызывающая движение тела, совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Как известно, тело массой m, движущееся со скоростью v, обладает кинетической энергией

Потенциальная энергия - это механическая энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей, например посредством гравитационных сил. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит только от начального и конечного положения тела в силовом поле. Гравитационные силы являются консервативными силами, а потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна

Е пот = mgh,

где g - ускорение свободного падения.

Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии.

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Классическая (ньютоновская) механика изучает движение материальных объектов при скоростях, которые значительно меньше скорости света в вакууме.

Начало формирования классической механики связывают с именем итал. ученого Галилео Галилея (1564-1642). Он впервые перешел от натурфилософского рассмотрения природных явлений к научно-теоретическому.

Трудами Галилея, Кеплера, Декарта был заложен фундамент классической физики, а трудами Ньютона было построено здание этой науки.

Галилей

1. установил основополагающий принцип классической механики – принцип инерции

Движение - собственное и основное, естественное состояние тел, тогда как трение и действие других внешних сил может изменить и даже прекратить движение тела.

2. сформулировал еще один основополагающий принцип классической механики – принцип относительности – Равноправие всех ИСО.

Согласно этому принципу внутри движущейся равномерно системы все механические процессы происходят так, как если бы система покоилась.

3. принцип относительности движения задает правила перехода от одной ИСО к другой.

Эти правила получили название галилеевых преобразований и состоят они в проецирование одной ИСО на другую.

Галилеевы преобразования предъявляют определенное требование к формулировке законов механического движения: эти законы должны быть сформулированы так, чтобы остались инвариантными в любой ИСО.

Пусть некоторое тело А отнесено к декартовой системе, координаты которой обозначены х,y,z , а нам нужно определить параметры тела в параллельной координатной системе со штрихами (xl,yl,zl). Для простоты будем определять параметры одной точки тела, и совместим координатную ось x1 с осью x. Примем также, что координатная система со штрихами покоится, а без штрихов – движется равномерно и прямолинейно. Тогда правила галилеевых преобразований имеют вид

4. формулировка закона свободного падения (путь свободного падающего тела пропорционален ускорению, равному 9,81 м/с2.

Развивая и углубляя исследования Галилея, Ньютон сформулировал три закона механики .

1. Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения. Пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.

Смысл первого закона состоит в том, что если на тело не действуют внешние силы, то существует система отсчета, в которой оно покоится. Но если в одной системе тело покоится, то существует множество других систем отсчета, в которых тело движется с постоянной скоростью. Эти системы называются инерциальными (ИСО).

Любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно ИСО также является ИСО.

2. Второй закон рассматривает результаты действия на тело других тел. Для этого вводится физическая величина, называемая силой.

Сила – это векторная количественная мера механического действия одного тела на другое.

Масса – мера инертности (инертность – способность тела оказывать сопротивление изменению его состояния).

Чем больше масса, тем меньше ускорение получит тело при прочих равных условиях.

Существует и более общая формулировка второго закона Ньютона для другой физической величины – импульса тела. Импульс – это произведение массы тела на его скорость:

При отсутствии внешних сил импульс тела остается неизменным, иначе говоря, сохраняется. Такая ситуация достигается, если на тело не действуют другие тела, или их действие скомпенсировано.

3. Действия двух материальных тел друг на друга численно равны по величине силы и направлены в противоположные стороны.

Действие сил осуществляется независимо. Сила, с которой несколько тел действуют на какое-либо другое тело, есть векторная сумма сил, с которыми они бы действовали отдельно.

Это утверждение представляет собой принцип суперпозиции .

На законах Ньютона основана динамика материальных точек, в частности, закон сохранения импульса системы.

Сумма импульсов частиц, образующих механическую систему, называется импульсом системы. Внутренние силы, т.е. взаимодействия тел системы друг с другом на изменения полного импульса системы не влияют. Из этого вытекает закон сохранения импульса : при отсутствии внешних сил импульс системы материальных точек остается постоянным.

Другой сохраняющейся величиной является энергия – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может только переходить из одной формы в другую.

Мерой изменения энергии является работа. В классической механике работа определяется как мера действия силы, которая зависит от величины и направления силы, а также от перемещения точки ее приложения.

Закон сохранения энергии: полная механическая энергия остается неизменной (или сохраняется), если работа внешних сил в системе равна нулю.

В классической механике считается, что все механические процессы подчиняются принципу строгого детерминизма (детерминизм - это учение о всеобщей причинной обусловленности и закономерности явлений) который состоит в признании возможности точного определения будущего состояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Ньютон ввел два абстрактных понятия – «абсолютное пространство» и «абсолютное время».

По Ньютону, пространство – это абсолютное неподвижное однородное изотропное бесконечное вместилище всех тел (то есть пустота). А время- это чистая однородная равномерная и прерывная длительность процессов.

В классической физике считалось, что мир можно разложить на множество независимых элементов экспериментальными методами. Этот метод в принципе неограничен, так как весь мир - это совокупность огромного числа неделимых частиц. Основа мира - атомы, т.е. мельчайшие, неделимые, бесструктурные частицы. Атомы перемещаются в абсолютном пространстве и времени. Время рассматривается как самостоятельная субстанция, свойства которой определяются ею самой. Пространство – это тоже самостоятельная субстанция.

Напомним, что субстанция - это сущность, нечто, лежащее в основе. В истории философии субстанция интерпретировалась по-разному: как субстрат, т.е. основа чего–то; что-то, что способно к самостоятельному существованию; как основание и центр изменения предмета; как логический субъект. Когда говорят, что время - субстанция, то имеют в виду, что оно способно самостоятельно существовать.

Пространство в классической физике абсолютно, что означает, что оно не зависит от материи и времени. Можно убрать из пространства все материальные объекты, а абсолютное пространство остается. Пространство однородно, т.е. все его точки эквивалентны. Пространство - изотропно, т.е. эквивалентны все его направления. Время тоже однородно, т.е. эквивалентны все его моменты.

Пространство описывается геометрией Евклида, согласно которой кратчайшим расстоянием между двумя точками является прямая.

Пространство и время бесконечны. Понимание их бесконечности было позаимствовано из математического анализа.

Бесконечность пространства означает, что какую бы большую систему мы не взяли, всегда можно указать на такую, которая еще больше. Бесконечность времени означает, что как бы долго ни длился данный процесс, всегда в мире можно указать на такой, который будет длиться дольше.

Из разрозненности и абсолютности пространства и времени вытекают правила галилеевых преобразований.

Из оторванности движущихся тел от пространства и времени вытекает правило сложения скоростей в классической механике: оно состоит в простом сложении или вычитании скоростей двух тел, движущихся относительно друг друга.

ux = u"x + υ, uy = u"y, uz = u"z.

Законы классической механики позволили сформулировать первую научную картину мира – механистическую.

Прежде всего, классическая механика выработала научное понятие движения материи. Теперь движение трактуется как вечное и естественное состояние тел, как основное их состояние, что прямо противоположно догалилеевой механике, в которой движение рассматривалось как привнесенное извне. Но вместе с тем в классической физике абсолютизируется механическое движение.

Деле классическая физика выработала своеобразное понимание материи, сведя ее к вещественной, или весовой, массе. При этом масса тел остается неизменной при любых условиях движения и при любых скоростях. Позже в механике утвердилось правило замещения тел идеализированным образом материальных точек.

Развитие механики привело к изменению представлений о физических свойствах объектов.

Классическая физика считала свойства, обнаруживаемые при измерении, присущими объекту и только ему (принцип абсолютности свойств). Напомним, что физические свойства объекта характеризуются качественно и количественно. Качественная характеристика свойства - это его сущность (например, скорость, масса, энергия и т.д.). Классическая физика исходила из того, что средства познания на изучаемые объекты не влияют. Для различных типов механических задач средством познания является система отсчета. Без ее введения нельзя корректно ни сформулировать, ни решить механическую задачу. Если свойства объекта ни по качественной, ни по количественной характеристике не зависят от системы отсчета, то они называются абсолютными. Так, какую бы систему отсчета для решения конкретной механической задачи мы не взяли, в каждой из них будут проявляться качественно и количественно масса объекта, сила, действующая на объект, ускорение, скорость.

Если же свойства объекта зависят от системы отсчета, то их принято считать относительными. Классическая физика знала лишь одну такую величину - скорость объекта по количественной характеристике. Это означало, что бессмысленно говорить, что объект движется с такой-то скоростью, не указывая систему отсчета: в разных системах отсчета количественное значение механической скорости объекта будет различно. Все же остальные свойства объекта были абсолютными и по качественной, и по количественной характеристикам.

Уже теория относительности вскрыла количественную относительность таких свойств, как длина, время жизни, масса. Количественная величина этих свойств зависит не только от самого объекта, но и от системы отсчета. Отсюда следовало, что количественная определенность свойств объекта должна быть отнесена не к самому объекту, а к системе: объект + система отсчета. Но носителем качественной определенности свойств по-прежнему оставался сам объект.

КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ В КЛАССИЧЕСКУЮ МЕХАНИКУ

Классическая механика изучает механическое движение макроскопических объектов, которые движутся со скоростями много меньше скорости света (=3 10 8 м/с). Под макроскопическими объектами понимаются объекты, размеры которых м. (справа стоит размер типичной молекулы).

Физические теории, изучающие системы тел, движение которых происходит со скоростями много меньшими скорости света, относятся к числу нерелятивистских теорий. Если скорости частиц системы сравнимы со скоростью света , то такие системы относятся к релятивистским системам, и они должны описываться на основе релятивистских теорий. Основой всех релятивистских теорий является специальная теория относительности (СТО). Если размеры изучаемых физических объектов малы м., то такие системы относятся к квантовым системам, и их теории принадлежат к числу квантовых теорий.

Таким образом, классическую механику следует рассматривать как нерелятивистскую неквантовую теорию движения частиц.

1.1 Системы отсчета и принципы инвариантности

Механическое движение – это изменение положения тела относительно других тел с течением времени в пространстве.

Пространство в классической механике считается трехмерным (для определения положения частицы в пространстве необходимо задать три координаты), подчиняющимся геометрии Евклида (в пространстве справедлива теорема Пифагора) и абсолютным. Время одномерно, однонаправлено (меняется от прошлого к будущему) и абсолютно. Абсолютность пространства и времени означает, что их свойства не зависят от распределения и движения материи. В классической механике принимается справедливым следующее утверждение: пространство и время не связаны друг с другом и могут рассматриваться независимо друг от друга.

Движение относительно и, следовательно, для его описания необходимо выбрать тело отсчета , т.е. тело относительно которого рассматривается движение. Поскольку движение происходит в пространстве и во времени, то для его описания следует выбрать ту или иную систему координат и часы (арифметизировать пространство и время). В силу трехмерности пространства каждой его точке сопоставляются три числа (координаты). Выбор той или иной системы координат обычно диктуется условием и симметрией поставленной задачи. В теоретических рассуждениях мы обычно будем использовать прямоугольную декартову систему координат (рис 1.1).

В классической механике для измерения промежутков времени, в силу абсолютности времени, достаточно наличия одних часов, помещенных в начале системы координат (подробно этот вопрос будет рассмотрен в теории относительности). Тело отсчета и, связанные с этим телом, часы и масштабы (система координат) образуют систему отсчета .

Введем понятие замкнутой физической системы. Замкнутой физической системой называется такая система материальных объектов, в которой все объекты системы взаимодействуют между собой, но не взаимодействуют с объектами, которые не входят в систему.

Как показывают эксперименты, по отношению к целому ряду систем отсчета оказываются справедливыми следующие принципы инвариантности.

Принцип инвариантности относительно пространственных сдвигов (пространство однородно): на протекание процессов внутри замкнутой физической системы не сказывается ее место положения относительно тела отсчета.

Принцип инвариантности относительно пространственных поворотов (пространство изотропно): на протекание процессов внутри замкнутой физической системы не сказывается ее ориентация относительно тела отсчета.

Принцип инвариантности относительно временных сдвигов (время однородно): на протекание процессов внутри замкнутой физической системы не сказывается время начала протекания процессов.

Принцип инвариантности относительно зеркальных отражений (пространство зеркально - симметрично): процессы, протекающие в замкнутых зеркально – симметричных физических системах, сами являются зеркально – симметричными.

Те системы отсчета по отношению, к которым пространство однородно, изотропно и зеркально – симметрично и время однородно называются инерциальными системами отсчета (ИСО).

Первый закон Ньютона утверждает, что ИСО существуют.

Существует не одна, а бесконечное множество ИСО. Та система отсчета, которая движется относительно ИСО прямолинейно и равномерно сама будет ИСО.

Принцип относительности утверждает, что на протекание процессов в замкнутой физической системе не сказывается ее прямолинейное равномерное движение относительно системы отсчета; законы, описывающие процессы, одинаковы в разных ИСО; сами процессы будут одинаковы, если одинаковы начальные условия.

1.2 Основные модели и разделы классической механики

В классической механике при описании реальных физических систем вводится ряд абстрактных понятий, которым отвечают реальные физические объекты. В число основных таких понятий входят: замкнутая физическая система, материальная точка (частица), абсолютно твердое тело, сплошная среда и ряд других.

Материальная точка (частица) – тело, размерами и внутренней структурой которого можно пренебречь при описании его движения. При этом каждая частица характеризуется своим определенным набором параметров – масса, электрический заряд. В модели материальной точки не рассматриваются структурные внутренние характеристики частиц: момент инерции, дипольный момент, собственный момент (спин) и др. Положение частицы в пространстве характеризуется тремя числами (координатами) или радиус-вектором (рис. 1.1).

Абсолютно твердое тело

Система материальных точек, расстояния между которыми не меняются в процессе их движения;

Тело, деформациями которого можно пренебречь.

Реальный физический процесс рассматривается как непрерывная последовательность элементарных событий.

Элементарное событие – это явление с нулевой пространственной протяженностью и нулевой длительностью (например, попадание пули в мишень). Событие характеризуется четырьмя числами – координатами; три пространственные координаты (или радиус – вектор) и одна временная координата: . Движение частицы при этом представляется как непрерывная последовательность следующих элементарных событий: прохождение частицы через данную точку пространства в данное время.

Закон движения частицы считается заданным, если известна зависимость радиус – вектора частицы (или трех ее координат) от времени:

В зависимости от вида изучаемых объектов классическую механику подразделяют на механику частицы и системы частиц, механику абсолютно твердого тела, механику сплошных сред (механика упругих тел, гидромеханика, аэромеханика).

По характеру решаемых задач классическую механику подразделяют на кинематику, динамику и статику. Кинематика изучает механическое движение частиц без учета причин, вызывающих изменение характера движения частиц (сил). Закон движения частиц системы считается заданным. По этому закону в кинематике определяются скорости, ускорения, траектории движения частиц системы. Динамика рассматривает механическое движение частиц с учетом причин, вызывающих изменение характера движения частиц. Силы, действующие между частицами системы и на частицы системы со стороны тел, не включенных в систему, считаются известными. Природа сил в классической механике не обсуждается. Статика может рассматриваться как частный случай динамики, где изучаются условия механического равновесия частиц системы.

По способу описания систем механика делится на ньютонову и аналитическую механику.

1.3 Преобразования координат событий

Рассмотрим, как преобразуются координаты событий при переходе от одной ИСО к другой.

1. Пространственный сдвиг. В данном случае преобразования выглядят так:

Где – вектор пространственного сдвига, который не зависит от номера события (индекс а).

2. Временной сдвиг:

Где – временной сдвиг.

3. Пространственный поворот:

Где – вектор бесконечно малого поворота (рис.1.2).

4. Временная инверсия (обращение времени):

5. Пространственная инверсия (отражение в точке):

6. Преобразования Галилея. Рассматриваем преобразования координат событий при переходе от одной ИСО к другой, которая движется относительно первой прямолинейно и равномерно со скоростью (рис.1.3):

Где второе соотношение постулируется (!) и выражает собой абсолютность времени.

Дифференцируя по времени правую и левую часть преобразования пространственных координат с учетом абсолютного характера времени, используя определение скорости , как производной от радиуса – вектора по времени, условие, что =const, получаем классический закон сложения скоростей

Здесь следует особо обратить внимание на то обстоятельство, что при выводе последнего соотношения необходимо принимать во внимание постулат об абсолютном характере времени.

Рис. 1.2 Рис. 1.3

Дифференцируя по времени еще раз, используя определение ускорения , как производной от скорости по времени, получим, что ускорение одинаково по отношению к разным ИСО (инвариантно относительно преобразований Галилея). Данное утверждение математически выражает собой принцип относительности в классической механике.

С математической точки зрения преобразования 1-6 образуют группу. Действительно, данная группа содержит в себе единичное преобразование – тождественное преобразование, отвечающее отсутствию перехода от одной системы к другой; для каждого из преобразований 1-6 существует обратное преобразование, которое переводит систему в исходное состояние. Операция умножения (композиции) вводится как последовательное применение соответствующих преобразований. Следует особо обратить внимание, что группа преобразований вращения не подчиняется коммутативному (перестановочному) закону, т.е. является неабелевой. Полную группу преобразований 1-6 называют галилеевой группой преобразований.

1.4 Векторы и скаляры

Вектором называется физическая величина, которая преобразуется как радиус-вектор частицы и характеризуется своим численным значением и направлением в пространстве. По отношению к операции пространственной инверсии векторы делятся на истинные (полярные) и псевдовекторы (аксиальные). При пространственной инверсии истинный вектор меняет свой знак, псевдовектор не изменяется.

Скаляры характеризуются только своим численным значением. По отношению к операции пространственной инверсии скаляры делятся на истинные и псевдоскаляры . При пространственной инверсии истинный скаляр не изменяется, псевдоскаляр меняет свой знак.

Примеры . Радиус-вектор, скорость, ускорение частицы являются истинными векторами. Векторы угла поворота, угловой скорости, углового ускорения – псевдовекторы. Векторное произведение двух истинных векторов – псевдовектор, векторное произведение истинного вектора на псевдовектор – истинный вектор. Скалярное произведение двух истинных векторов – истинный скаляр, истинного вектора на псевдовектор – псевдоскаляр.

Следует отметить, что в векторном или скалярном равенстве справа и слева должны стоять слагаемые одной природы по отношению к операции пространственной инверсии: истинные скаляры или псевдоскаляры, истинные векторы или псевдовекторы.

Это раздел физики, изучающий движение на основе законов Ньютона. Классическая механика подразделяется на:
Базовыми понятиями классической механики является понятие силы, массы и движения. Масса в классической механике определяется как мера инерции, или способности тела к сохранению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения при отсутствии воздействия на него сил. С другой стороны, силы, действующие на тело, изменяют состояние его движения, вызывая ускорение. Взаимодействие этих двух эффектов и является главной темой механики Ньютона.
Другими важными понятиями этого раздела физики есть энергия, импульс, момент импульса, которые могут передаваться между объектами в процессе взаимодействия. Энергия механической системы складывается из ее кинетической (энергии движения) и потенциальной (зависимой от положения тела относительно других тел) энергий. Относительно этих физических величин действуют фундаментальные законы сохранения.
Основы классической механики были заложены Галилеем, а также Коперником и Кеплером при изучении закономерностей движения небесных тел, и долгое время механика и физика рассматривались в контексте астрономических событий.
В своих работах Коперник отмечал, что вычисление закономерностей движения небесных тел может быть значительно упрощен, если отойти от принципов, заложенных Аристотелем, и считать Солнце, а не Землю, отправной точкой для таких вычислений, т.е. осуществить переход от геоцентрической к гелиоцентрической систем.
Идеи гелиоцентрической системы дальше были формализованы Кеплером в его трех законах движения небесных тел. В частности, из второго закона следовало, что все планеты солнечной системы движутся эллиптическими орбитами, имеющие одним из своих фокусов Солнце.
Следующий важный вклад в основание классической механики был осуществлен Галилеем, который, исследуя фундаментальные закономерности механического движения тел, в частности под воздействием сил земного притяжения, сформулировал пять универсальных законов движения.
Но все же лавры основного основателя классической механике относятся Исааку Ньютону, который в своей работе «Математические начала натуральной философии» осуществил синтез тех понятий по физике механического движения, которые были сформулированы его предшественниками. Ньютон сформулировал три фундаментальные законы движения, которые были названы его именем, а также закон всемирного тяготения, который подводил черту под исследованиями Галилеем феномена свободного падения тел. Таким образом, была создана новая, на замену устаревшей Аристотелевой, картина мира базовых его законов.
Классическая механика дает точные результаты для систем, которые мы встречаем в повседневной жизни. Но они становятся некорректными для систем, скорость которых приближается к скорости света, где она заменяется релятивистской механикой, либо для очень малых систем, где действуют законы квантовой механики. Для систем, которые объединяют оба эти свойства, вместо классической механики обеими характеристиками квантовая теория поля. Для систем с очень большим количеством составляющих, или степеней свободы, классическая механика также быть адекватной, зато используются методы статистической механики
Классическая механика сохраняет, потому что она, во-первых, гораздо проще в применении, чем остальные теории, и, во-вторых, имеет большие возможности для аппроксимации и применение для очень широкого класса физических объектов, начиная со привычных, таких как волчок или мяч, многих астрономических объектов (планеты, галактики) и совсем микроскопических).
Хотя классическая механика в общих чертах совместима с другими «классическими теориями, такими как классическая электродинамика и термодинамика, имеются некоторые несоответствия между этими теориями, которые были найдены в конце 19 века. Они могут быть решены методами более современной физики. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна, что несовместимо с классической механикой и привело к созданию специальной теории относительности. Принципы классической механики рассмотрении совместно с утверждениями классической термодинамики, что приводит к парадоксу Гиббса, согласно которому невозможно точно определить величину энтропии и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно черное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Для преодоления этих несоответствий была создана квантовая механика.
Объекты, которые изучаются механикой, называются механическими системами. Задачей механики является изучение свойств механических систем, в частности их эволюции во времени.
Базовый математический аппарат классической механики дифференциальное и интегральное исчисление, разработанное специально для этого Ньютоном и Лейбницем. В классическом формулировке механика строится на трех законах Ньютона.
Далее дается изложение базовых концепций классической механики. Для простоты будем рассматривать только материальную точку объекта, размерами которого можно пренебречь. Движение материальной точки характеризуется несколькими параметрами: ее положением, массой, и приложенными к ней силами.
В реальности, размеры каждого объекта, с которым имеет дело классическая механика, является ненулевыми. Материальные точки, такие, как электрон, подчиняются законам квантовой механики. Объекты ненулевого размера могут испытывать более сложные движения, поскольку их внутреннее состояние может меняться например, мяч может еще и вращаться. Тем не менее, к таким телам результаты, полученные для материальных точек, рассматривая их как совокупности большого количества взаимодействующих материальных точек. Такие сложные тела ведут себя как материальные точки, если их малы в масштабах рассматриваемой задачи.
Радиус-вектор и его производные
Положение объекта материальной точки определяется относительно фиксированной точки в пространстве, которая называется началом координат. Оно может быть задано координатами этой точки (например, в прямоугольной системе координат) или радиус-вектором r, проведенным из начала координат в эту точку. В реальности, материальная точка может двигаться с течением времени, поэтому радиус-вектор в общем случае является функцией времени. В классической механике, в отличие от релятивистской, считается, что течение времени является одинаковым во всех системах отсчета.
Траектория
Траекторией называется совокупность всех положений материальной точки, движущейся в общем случае она является кривой линией, вид которой зависит от характера движения точки и выбранной системы отсчета.
Перемещение
Перемещение это вектор, соединяющий начальное и конечное положение материальной точки.
Скорость
Скорость, или отношение перемещения ко времени, в течение которого оно происходит, определяется как первая производная от перемещения к времени:

В классической механике, скорости можно добавлять и отнимать. Например, если одна машина едет на запад со скоростью 60 км / ч, и догоняет другую, которая движется в том же направлении со скоростью 50 км / ч, то относительно второй машина первая движется на запад со скоростью 60-50 = 10 км / ч. Зато на перспективу быстрые машины, медленнее движется со скоростью 10 км / ч на восток.
Для определения относительной скорости в любом случае применяются правила векторной алгебры для составления векторов скорости.
Ускорение
Ускорение, или скорость изменения скорости это производная от скорости до времени или вторая производная от перемещения к времени:

Вектор ускорения может меняться по величине, так и по направлению. В частности, если скорость уменьшается, иногда ускорение "замедлением, но вообще любую изменению скорости.
Силы. Второй закон Ньютона
Второй закон Ньютона утверждает, что ускорение материальной точки является прямо пропорциональным силе, на нее действует, а вектор ускорения направлен по линии действия этой силы. Иными словами, этот закон связывает силу, которая действует на тело с его массой и ускорением. Тогда второй закон Ньютона выглядит так:

Величина m v называется импульсом. Обычно, масса m не изменяется со временем, и закон Ньютона можно записать в упрощенной форме

Где а ускорение, которое было определено выше. Масса тела m Не всегда с течением времени. Например, масса ракеты уменьшается по мере использования горючего. При таких обстоятельствах, последнее выражение неприменимо, и следует пользоваться полной формой второго закона Ньютона.
Второго закона Ньютона недостаточно для описания движения частицы. Он требует определения той силы, которая на нее действует. Например, типичный выражение для силы трения при движении тела в газе или в жидкости определяется следующим образом:

Где? некоторая константа, которая называется коэффициентом трения.
После того как определены все силы, на базе второго закона Ньютона получим дифференциальное уравнение, называемое уравнением движения. В нашем примере с лишь одной силой, которая действует на частицу, получим:

Проинтегрировав, получим:

Где Начальная скорость. Это означает, что скорость движения нашего объекта уменьшается экспоненциально до нуля. Это выражение в свою очередь может быть вновь проинтегровано для получения выражения для радиус-вектора r тела в зависимости от времени.
Если на частицу действуют несколько сил, то они добавляются по правилам сложения векторов.
Энергия
Если сила F действует на частицу, которая в результате этого перемещается на? r, то при этом выполняется работа, равный:

Если масса частицы стала, то тоскуя работы, выполненные всеми силами, из второго закона Ньютона

Где Т кинетическая энергия. Для материальной точки определяется как

Для сложных объектов из множества частиц, кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий всех частиц.
Особый класс консервативных сил может быть выражен градиентом скалярной функции, известной как потенциальная энергия V:

Если все силы, действующие на частицу консервативны, а V полная потенциальная энергия, полученная добавлением потенциальных энергий всех сил, то
Т.е. полная энергия E = T + V сохраняется во времени. Это проявление одного из фундаментальных физических законов сохранения. В классической механике он может быть полезным практически, ведь много разновидностей сил в природе являются консервативными.
Законы Ньютона имеют несколько важных последствий для твердых тел (см. момент импульса)
Существуют также два важных альтернативные формулировки классической механики: механика Лагранжа и гамильтонова механика. Они эквивалентны механике Ньютона, но иногда оказываются полезными для анализа некоторых проблем. Они, как и другие современные формулировки, не используют понятие силы, вместо обращаясь к другим физических величин, таких как энергия.

Механика - раздела физики, изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, это вызывающие, основанный на законах Ньютона. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой».

Классическая механика подразделяется на:

статику (которая рассматривает равновесие тел)

кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

динамику (которая рассматривает движение тел).

Основные понятия механики:

Пространство . Считается, что движение тел происходит в пространстве, являющимся евклидовым, абсолютным (не зависит от наблюдателя), однородным (две любые точки пространства неотличимы) и изотропным (два любых направления в пространстве неотличимы).

Время - фундаментальное понятие, не определяемое в классической механике. Считается, что время является абсолютным, однородным и изотропным (уравнения классической механики не зависят от направления течения времени)

Система отсчёта – состоит из тела отсчёта (некоего тела, реального или воображаемого, относительно которого рассматривается движение механической системы) и системы координат

Материальная точка - объект, размерами которого в задаче можно пренебречь. В действительности, любое тело, которое подчиняется законам классической механики, обязательно имеет ненулевой размер. Тела ненулевого размера могут испытывать сложные движения, поскольку может меняться их внутренняя конфигурация, например, тело может вращаться или деформироваться. Тем не менее, в определённых случаях к подобным телам применимы результаты, полученные для материальных точек, если рассматривать такие тела, как совокупности большого количества взаимодействующих материальных точек.

Масса - мера инертности тел.

Радиус-вектор - вектор, проведённый из начала координат в точку расположения тела, характеризует положение тела в пространстве.

Скорость является характеристикой изменения положения тела со временем, определяется как производная пути по времени.

Ускорение - скорость изменения скорости, определяется как производная скорости по времени.

Импульс - векторная физическая величина, равная произведению массы материальной точки на её скорость.

Кинетическая энергия - энергия движения материальной точки, определяемая как половина произведения массы тела на квадрат его скорости.

Сила - физическая величина, характеризующая степень взаимодействия тел между собой. Фактически, определением силы является второй закон Ньютона.

Консервативная сила - сила, работа которой не зависит от формы траектории (зависит только от начальной и конечной точки приложения сил). Консервативные силы - такие силы, работа по любой замкнутой траектории которых равна 0. Если в системе действуют только консервативные силы, то механическая энергия системы сохраняется.

Диссипативные силы - силы, при действии которых на механическую систему её полная механическая энергия убывает (то есть диссипирует), переходя в другие, немеханические формы энергии, например, в теплоту.

Основные законы механики

Принцип относительности Галилея - основной принципом, на котором базируется классическая механика является принцип относительности, сформулированный на основе эмпирических наблюдений Г. Галилеем. Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных системах отсчёта свойства пространства и времени одинаковы, и все процессы в механических системах подчиняются одинаковым законам.

Законы Ньютона

Основой классической механики являются три закона Ньютона.

Первый закон Ньютона устанавливает наличие свойства инертности у материальных тел и постулирует наличие таких систем отсчёта, в которых движение свободного тела происходит с постоянной скоростью (такие системы отсчёта называются инерциальными).

Второй закон Ньютона вводит понятие силы как меры взаимодействия тела и на основе эмпирических фактов постулирует связь между величиной силы, ускорением тела и его инертностью (характеризуемой массой). В математической формулировке второй закон Ньютона чаще всего записывается в следующем виде:

где F -результирующий вектор сил, действующих на тело;

a - вектор ускорения тела;

m - масса тела.

Третий закон Ньютона - для каждой силы, действующей на первое тело со стороны второго, существует противодействующая сила, равная по величине и противоположная по направлению, действующей на второе тело со стороны первого.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии является следствием законов Ньютона для замкнутых систем, в которых действует только консервативные силы. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остаётся постоянной.

Теория машин и механизмов

Основные понятия и определения.

Теория механизмов и машин занимается исследованием и разработкой высокопроизводительных механизмов и машин.

Механизм – совокупность подвижных материальных тел, одно из которых закреплено, а все остальные совершают вполне определенные движения, относительно неподвижного материального тела.

Звенья – материальные тела, из которых состоит механизм.

Стойка – неподвижное звено.

Стойка изображается. Звено, к которому изначально сообщается движение, называется входным (начальным, ведущим). Звено, совершающее движение, для выполнения которого предназначен механизм – выходное звено.

Кривошипно- ползунный механизм

Если это компрессор, то зв.1 – входное, а зв.3 – выходное.

Если это механизм ДВС, то зв.3 – входное, а зв.1 – выходное.

Кинематическая пара – подвижное соединение звеньев, допускающее их относительное движение. Все кинематические пары на схеме обозначают буквами латинского алфавита, например A, B, C и т.д.

Если, то К.П. – вращательная; если, то поступательная.

Порядок нумерации звеньев:

входное звено – 1;

стойка – последний номер.

Звенья бывают:

простые – состоят из одной детали;

сложные – состоят из нескольких, жестко скрепленных друг с другом и совершающих одно и тоже движение.

Например, шатунная группа механизма ДВС.

Звенья, соединяясь друг с другом, образуют кинематические цепи, которые разделяют на:

простые и сложные;

замкнутые и разомкнутые.

Машина – техническое устройство, в результате осуществления технологического процесса определенного рода, можно автоматизировать или механизировать труд человека.

Машины условно можно разделить на виды:

энергетические;

технологические;

транспортные;

информационные.

Энергетические машины разделяют на:

двигатели;

трансформирующие машины.

Двигатель – техническое устройство, преобразующее один вид энергии в другой. Например, ДВС.

Трансформаторная машина – техническое устройство, потребляющее энергию извне и совершающее полезную работу. Например, насосы, станки, прессы.

Техническое объединение двигателя и технологической (рабочей машины) – Машинный агрегат (МА).

Двигатель имеет определенную механическую характеристику, рабочая машина тоже.

 1 – скорость, с которой вращается вал двигателя;

 2 – скорость, с которой будет вращаться главный вал рабочей машины.

 1 и  2 нужно поставить в соответствие друг другу.

Например, число оборотов n 1 =7000 об/мин., а n 2 =70 об/мин.

Чтобы привести в соответствие механические характеристики двигателя и рабочей машины, между ними устанавливают передаточный механизм, который имеет свои механические характеристики.

u П =1/2=700/70=10

В качестве передаточного механизма могут быть использованы:

фрикционные передачи (с использованием трения);

цепные передачи (привод мотоцикла);

зубчатые передачи.

В качестве рабочей машины наиболее часто используют рычажные механизмы.

Основные виды рычажных механизмов.

1. Кривошипно-ползунный механизм.

а) центральный (рис.1);

б) внеосный (дезоксиальный) (рис.2);

е - эксцентриситет

Рис. 2

1-кривошип, т.к. звено совершает полный оборот вокруг своей оси;

2-шатун, не связан со стойкой, совершает плоское движение;

3-ползун (поршень), совершает поступательное движение;

2. Четырехшарнирный механизм.

Звенья 1,3 могут быть кривошипами.

Если зв.1,3 – кривошипы, то механизм двукривошипный.

Если зв.1 – кривошип (совершает полный оборот), а зв.3 – коромысло (совершает неполный оборот), то механизм кривошипно-коромысловый.

Если зв.1,3 – коромысла, то механизм двукоромысловый.

3. Кулисный механизм.

1 - кривошип;

2 - камень кулисы (втулка) вместе с зв.1 совершает полный оборот вокруг А (1 и 2 одно и тоже), а также движется вдоль зв.3, приводя его во вращение;

3 - коромысло (кулиса).

4.Гидроцилиндр

(в кинематическом отношении подобен кулисному механизму).

В процессе проектирования конструктор решает две задачи:

анализа (исследует готовый механизм);

синтеза (проектируется новый механизм по требуемым параметрам);

Структурный анализ механизма.

Понятия о кинематических парах и их классификация.

Два звена неподвижно связанных между собой образуют кинематическую пару. Все кинематические пары подвергаются двум независимым классификациям:

Примеры классификации пар:

Рассмотрим кинематическую пару «винт-гайка». Число степеней подвижности этой пары равно 1, а число налагаемых связейравно 5. Это пара будет являться парой пятого класса, свободным можно выбрать только один вид движения для винта или гайки, а второе движение будет сопутствующим.

Кинематическая цепь – звенья, связанные между собой кинематическими парами различных классов.

Кинематические цепи бывают пространственными и плоскими.

Пространственные кинематические цепи – цепи, звенья которых двигаются в различных плоскостях.

Плоские кинематические цепи – цепи, звенья которых двигаются в одной или параллельных плоскостях.

Понятия о степени подвижности кинематических цепей и механизмов.

Число звеньев свободно парящих в пространстве обозначим за . Длязвеньев степень подвижности можно определить по формуле:. Образуем из этихзвеньев кинематическую цепь, соединив между собой звенья парами различных классов. Число пар различных классов обозначается за, где- класс, то есть:- число пар первого класса, у которого, а;- число пар второго класса, у которого, а;- число пар третьего класса, у которого, а;- число пар четвёртого класса, у которого, а;- число пар пятого класса, у которого, а. Степень подвижности образованной кинематической цепи можно определить по формуле:.

Образуем из кинематической цепи механизм. Одним из основных признаков механизма является наличие стойки (корпуса, основания), около которого движутся остальные звенья под действием ведущего звена (звеньев).

Степень подвижности механизма принято обозначать за . Одно из звеньев кинематической цепи превратим в стойку, то есть отнимем у него все шесть степеней подвижности, тогда:- формула Сомова-Малышева.

В плоской системе максимальное число степеней подвижности равно двум. Поэтому степень подвижности плоской кинетической цепи можно определить по следующей формуле:. Степень подвижности плоского механизма определяется по формуле Чебышева:, где- число подвижных звеньев. Используя определение высших и низших кинематических пар формулу Чебышева можно записать следующим образом:.

Пример определения степени подвижности.