Методические рекомендации для самостоятельного изучения темы
«Динамика: законы Ньютона и их применение»
ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА (ЗАКОН ИНЕРЦИИ):
Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело находится в покое или движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действия тел компенсируются (уравновешиваются).
Явление сохранения скорости тала при отсутствии действия на него других тел или при компенсации действия других тел называется инерцией.
Системы отсчета, в которых выполняются законы Ньютона, называются инерциальными системами отсчета (ИСО). К ИСО относятся системы отсчета связанные с Землей или не имеющие ускорения относительно Земли. Системы отсчета, движущиеся с ускорением относительно Земли, являются неинерциальными, в них законы Ньютона не выполняются. Согласно классическому принципу относительности Галилея все ИСО равноправны, законы механики имеют одинаковую форму во всех ИСО, все механические процессы протекают одинаково во всех ИСО (никакими механическими опытами, проведенными внутри ИСО, нельзя определить находится она в покое или движется прямолинейно и равномерно).
ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА:
Скорость тела изменяется при действии на тело силы. Любое тело обладает свойством инертности. Инертность – это свойство тел, состоящее в том, что для изменения скорости тела требуется время, скорость тела мгновенно измениться не может. То тело, которое больше изменяет свою скорость при действии одинаковой силы, является менее инертным. Мерой инертности служит масса тела.
Ускорение тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально массе тела.
Сила и ускорение всегда сонаправлены. Если на тело действуют несколько сил, то ускорение телу сообщает равнодействующая этих сил (), которая равна векторной сумме всех сил, действующих на тело:
Если тело совершает равноускоренное движение, то на него действует постоянная сила.
ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА:
Силы возникают при взаимодействии тел.
Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению.
Особенности сил, возникающих при взаимодействии:
1. Силы всегда возникают парами.
2 Силы, возникающие при взаимодействии, имеют одну природу.
3.Силы, не имеют равнодействующей, т. к. приложены к разным телам.
СИЛЫ В МЕХАНИКЕ
СИЛА ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ - сила, с которой притягиваются все тела во Вселенной.
ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ: тела притягиваются друг к другу с силами прямо пропорциональными произведению их масс и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними.
(формулой можно пользоваться для расчета притяжения точечных тел и шаров), где G-гравитационная постоянная (постоянная всемирного тяготения), G=6,67·10-11, -массы тел, R-расстояние между телами, измеряется между центрами тел.
СИЛА ТЯЖЕСТИ – сила притяжения тел к планете. Сила тяжести вычисляется по формулам:
1) , где - масса планеты, - масса тела, - расстояние между центром планеты и телом.
2) , где - ускорение свободного падения,
Сила тяжести всегда направлена к центру тяжести планеты.
- радиус орбиты искусственного спутника, - радиус планеты, - высота спутника над поверхностью планеты,
Тело становится искусственным спутником, если ему в горизонтальном направлении сообщить необходимую скорость. Скорость, необходимая для того, чтобы тело двигалось по круговой орбите вокруг планеты, называется первой космической скоростью. Чтобы получить формулу для вычисления первой космической скорости, необходимо помнить, что все космические тела, в том числе и искусственные спутники, движутся под действием силы всемирного тяготения , кроме того, скорость – величина кинематическая, «мостиком» в кинематику может служить формула, следующая из второго закона Ньютона Приравнивая правые части формул, получаем:или Учитывая, что тело движется по окружности и поэтому обладает центростремительным ускорением , получаем: или . Отсюда - формула для вычисления первой космической скорости. Учитывая, что формулу для расчета первой космической скорости можно записать в виде: Аналогично, используя второй закон Ньютона и формулы криволинейного движения, можно определить, например, период обращения тела по орбите.
СИЛА УПРУГОСТИ – сила, действующая со стороны деформированного тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц при деформации. Силу упругости можно вычислить с помощью закона Гука: сила упругости прямо пропорциональна удлинению: где - удлинение,
- жесткость, . Жесткость зависит от материала тела, его формы и размеров.
СОЕДИНЕНИЕ ПРУЖИН
Если , то
Если , то
Закон Гука выполняется только при упругих деформациях тел. Упругими называются деформации, при которых после прекращения действия силы тело приобретает прежние форму и размеры.
Если тело находится на опоре, то на него действует сила упругости, перпендикулярная опоре, которая называется силой реакции опоры
Если тело находится на подвесе, то на него действует сила упругости, направленная вдоль подвеса, которая называется силой натяжения нити
ВЕС ТЕЛА – это упругая сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес.
При вычислении веса тела Р надо помнить: если тело находится на горизонтальной опоре, то Р=N (по третьему закону Ньютона), аналогично, если тело находится на вертикальном подвесе, то Р=Т.
Частные случаи вычисления веса тела:
1) Тело движется с направленным вертикально вверх ускорением :
2) Тело движется с направленным вертикально вниз ускорением : .
3) Тело движется равномерно или с горизонтально направленным ускорением:
4) Тело свободно падает (на тело действует только сила тяжести): (невесомость).
СИЛА ТРЕНИЯ - сила, возникающая при соприкосновении поверхностей тел и препятствующая их перемещению относительно друг друга.
Возникает сила трения при 1) попытке сдвинуть тело с места (трение покоя); 2) при движении одного тела по поверхности другого.
При вычислении силы трения надо помнить: 1) если , то сила трения равна равнодействующей сил, действующих на тело: ; 2) если тело скользит по поверхности другого тела, то возникающая сила трения скольжения вычисляется по формуле: , где - сила реакции опоры (сила нормального давления), - коэффициент трения. Коэффициент трения зависит от материала соприкасающихся тел и от качества обработки поверхностей.
АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ДИНАМИКЕ
На наклонной плоскости длиной 5 и высотой 3 находится груз массой 50 Какую силу, направленную вдоль плоскости надо приложить, чтобы втаскивать груз с ускорением 0,2 Коэффициент сопротивления 0,04.
Изобразить вектор ускорения.
Выбрать систему координат (одномерную, если силы направлены вдоль одной прямой и двухмерную в остальных случаях).
3. Записать уравнение для вычисления равнодействующей сил.
4. Переписать уравнение для равнодействующей в скалярном виде, спроецировав силы на выбранные координатные оси, при этом расписать их по формулам.
5. Если необходимо, дополнить полученные уравнения формулами кинематики и математики.
6. Решить полученную систему уравнений.
Из выражаем и подставляем в .
Если по условию задачи происходит движение связанных тел, то алгоритм решения применяется к каждому телу отдельно, причем, со стороны одной нити на разные тела действует одинаковая по модулю сила натяжения.
