Ценрт масс. Закон движения центра масс.

Центром масс (или центром инерции) системы материальных точек называется воображаемая точка С, положение которой характеризует распре­деление массы этой системы. Ее радиус-вектор равен

где m_i и r_i — соответственно масса и радиус-вектор i-й материальной точки; n — число материальных точек в системе;

m— масса системы.

Скорость центра масс

Учитывая, что p _i =m_i v _i, а есть импульс р системы, можно написать p = m v _c, (9.2)

т. е. импульс системы равен произведе­нию массы системы на скорость ее цент­ра масс.

Подставив выражение (9.2) в уравне­ние (9.1), получим

mdv_c/dt= F ₁+ F ₂+...+ F _n, (9.3)

т. е. центр масс системы движется как материальная точка, в которой сосредото­чена масса всей системы и на которую действует сила, равная геометрической сумме всех внешних сил, действующих на систему. Выражение (9.3) представляет собой закон движения центра масс.

В соответствии с (9.2) из закона со­хранения импульса вытекает, что центр масс замкнутой системы либо движется прямолинейно и равномерно, либо остает­ся неподвижным.

 

Тело переменной массы. Формула Циолковского.

Уравнение движения тела переменной массы

Выведем уравнение движения тела пе­ременной массы на примере движения ра­кеты. Если в момент времени t масса раке­ты т, а ее скорость v, то по истечении времени dt ее масса уменьшится на dm

и станет равной т- dm, а скорость станет равной v +d v. Изменение импульса систе­мы за отрезок времени dt

dp = [(m-dm) (v +d v)+dm (v + u)]- m v,

где и — скорость истечения газов относи­тельно ракеты. Тогда

d p = md v + u dm

(учли, что dm dv — малый высшего порядка малости по сравнению с осталь­ными).

Если на систему действуют внешние силы, то d p = F dt, поэтому

F dt = m d v + u dm,

md v /dt= F - u dm/dt. (10.1)

Член - u dm/dt называют реактивной силой

at

F _p. Если u противоположен v, то ракета ускоряется, а если совпадает с v, то тормо­зится.

Таким образом, мы получили уравне­ние движения тела переменной массы

m a = F + F _p, (10.2)

Применим уравнение (10.1) к движе­нию ракеты, на которую не действуют ни­какие внешние силы. Полагая F = 0 и счи­тая, что скорость выбрасываемых газов относительно ракеты постоянна (ракета движется прямолинейно), получим

dv dm т dv/dt=-udm/dt. Откуда

Значение постоянной интегрирования С определим из начальных условий. Если в начальный момент времени скорость ра­кеты равна нулю, а ее стартовая масса то, то С = uln m₀. Следовательно,

v = uln(m₀/m). (10.3)

Это соотношение называется формулой Циолковского. Она показывает, что: 1) чем больше конечная масса ракеты т, тем больше должна быть стартовая масса ракеты то; 2) чем больше скорость истече­ния и газов, тем больше может быть ко­нечная масса при данной стартовой массе ракеты.

 

Работа силы. Мощность.

Чтобы количественно характеризовать процесс обмена энергией между взаимодействую­щими телами, в механике вводится по­нятие работы силы.

Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила F, которая составляет некоторый угол а с на­правлением перемещения, то работа этой силы равна произведению проекции силы F_s на направление перемещения (F_s = Fcosa), умноженной на перемещение точки приложения силы:

A = F_ss = F_s cosa. (11.1)

В общем случае сила может изменять­ся как по модулю, так и по направлению, поэтому формулой (11.1) пользоваться не­льзя. Если, однако, рассмотреть элемен­тарное перемещение dr, то силу F можно считать постоянной, а движение точки ее приложения — прямолинейным. Элемен­тарной работой силы F на перемещении d r называется скалярная величина

dА = F d r = F cosa• ds=F_sds,

где а — угол между векторами F и d r; ds = |d r | — элементарный путь; F_s — про­екция вектора F на вектор d r (рис. 13).

Работа силы на участке траектории от точки 1 до точки 2 равна алгебраической сумме элементарных работ на отдельных бесконечно малых участках пути. Эта сум­ма приводится к интегралу

(11.2)

Для вычисления этого интеграла надо знать зависимость силы F_s от пути s вдоль траектории 1 — 2. Пусть эта зависимость представлена графически (рис. 14), тогда искомая работа А определяется на графи­ке площадью закрашенной фигуры. Если, например, тело движется прямолинейно, сила F=const и a=const, то получим

где s — пройденный телом путь (см. также формулу (11.1)).

Единица работы — джоуль (Дж): 1 Дж — работа, совершаемая силой в 1 Н на пути в 1 м (1 Дж = 1 Н•м).

Чтобы охарактеризовать скорость со­вершения работы, вводят понятие мощ­ности: N=da/dt. (11.3)

За время dt сила F совершает работу F d r, и мощность, развиваемая этой силой, в данный момент времени N= F d r /dt= Fv

т. е. равна скалярному произведению век­тора силы на вектор скорости, с которой движется точка приложения этой силы; N — величина скалярная. Единица мощности — ватт (Вт): 1 Вт — мощность, при которой за время 1 с совершается работа в 1 Дж (1 Вт = 1 Дж/с).

 

10. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности.

Преобразова́ния Галиле́я — в классической механике преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Пусть система к – инерциальная система отсчета и к’. к’ движется равномерно и прямолинейно со скоростью u. Тогда

t

t

x=x’+ y=y’++ z=z’++ t=t’

= = +

= + - правило сложения скоростей

a= = ’ a=a’; если а=0, то и а’=0

Таким образом система отсчета к’, движущийся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета к, также будет инерциальной. Во всех инерциальных системах отсчета равенство ускорений а и а’ означает, что законы классической динамики имеют одинаковую формулу.