Класична механіка. Межі її застосування

Кінематика вивчає рух матеріальних тіл без врахування причин, які викликали цей рух. Динаміка вивчає рух матеріальних тіл, враховуючи ці причини, тобто вона вивчає зв’язок між взаємодією одного тіла з іншими тілами, або полями та змінами стану руху тіла внаслідок цієї взаємодії. Тому динаміка є основним розділом механіки.

Основою класичної, або ньютонівської, механіки є три закони дина-міки, сформульовані Ньютоном у 1687р. і є геніальним узагальненням у всіх дослідних і теоретичних відомостей, які були отримані до Ньютона і самим Ньютоном.

Протягом двох століть ньютонівська механіка досягла таких великих успіхів, що багато хто в ХІХ ст. були переконані в її силі і вважали, що по-яснити будь-яке фізичне явище означає звести його до механічного проце-су, котрий підкоряється законам Ньютона. Однак з розвитком науки було виявлено нові факти, які не вкладалися в рамки класичної механіки. Ці фак-ти одержали своє пояснення в нових фізичних теоріях – теорії відносності і квантовій механіці. Перегляд Ейнштейном ньютонівських уявлень про про-стір і час дали змогу створити у 1905 р. "механіку великих швидкостей” – релятивістську механіку, що не привела до заперечення ньютонівської ме-ханіки. Рівняння релятивістської механіки у випадку швидкостей, дуже ма-лих у порівнянні зі швидкістю світла, переходять у рівняння ньютонівської механіки. Аналогічно рівняння квантової механіки переходять у рівняння ньютонівської механіки, яка описує рух мас, значно більших від маси атома. Таким чином, розвиток науки не перекреслив класичну механіку – механіку великих мас і малих швидкостей, а лише засвідчив її обмежене за-стосування. Тут дуже чітко проявляється співвідношення між відносною й абсолютною істиною, тобто між знанням неповним, незавершеним, котре надалі підлягає уточненню, поглибленню, і повним, вичерпним знанням, що досягається лише в нескінченному русі думки. Узгодженість теорій зумов-лена єдністю матеріального світу, досліджуваного цими теоріями.

Поняття сили. Перший закон Ньютона.

Інерціальні системи відліку

Внаслідок дії на тіло з боку інших тіл це тіло може змінювати стан свого механічного руху, а також форму та розміри. Для опису механічної дії одного тіла на інше вводять поняття сили. Силою, що діє на тіло (або при-кладену до тіла), називають фізичну величину, котра є мірою механічної дії на це тіло з боку якого-небудь іншого тіла. Отже, рух тіла під дією інших тіл можна розглядати як рух тіла під дією прикладеної до нього сили. Оскільки дія відбувається в якомусь напрямку, то сила є величиною век-торною. Пряму, проведену через точку прикладання сили в напрямку дії цієї сили, називають лінією дії сили.

Виміряти силу можна за допомогою динамометра з деформації пружини на підставі закону Гука:

(4.1)

де – коефіцієнт пружності пружини.

Рівнодійна всіх сил, що діють на тіло, дорівнює векторній сумі цих сил:

(4.2)

Будь-які обмеження на можливі положення й рух тіла називають зв'язками. Дія тіл, які здійснюють зв'язки, називають реакціями зв’язків. Усі інші сили називають активними.

Перший закон динаміки в перекладі з мови І. Ньютона на українську можна сформулювати так: "Усяке тіло і надалі утримується у своєму стані спокою або рівномірного і прямолінійного руху доки й оскільки воно не примушується прикладеними силами змінювати цей стан”. Це формулю-вання рівносильне більш поширеному в наш час формулюванню: "Тіло перебуває в стані спокою або рухається рівномірно й прямолінійно, якщо рівнодійна всіх сил, що діють на тіло, дорівнює нулю”. З огляду на визна-чення поняття сили, перший закон Ньютона можна сформулювати так: "Усяке тіло зберігає стан спокою або рівномірного і прямолінійного руху до тих пір, поки вплив з боку інших тіл не змусить його змінити свій стан". Обидва ці стани характерні тим, що прискорення тіла дорівнює нулю. А це означає, що перший закон Ньютона можна сформулювати й у такий спо-сіб: "Швидкість тіла залишається сталою доки вплив з боку інших тіл на це тіло не викличе зміни його стану". З усіх формулювань першого закону Ньютона випливає, що стан спокою або рівномірного й прямолінійного ру-ху не вимагає для своєї підтримки яких-небудь зовнішніх впливів. В цьому суть та основний зміст першого закону Ньютона при всій розмаїтості його формулювань. В цьому проявляється особлива динамічна властивість тіл, названа інертністю. Відповідно перший закон Ньютона називають законом інерції, а рух тіла, вільного від зовнішніх впливів, називають рухом по інер-ції. Тоді як рух матерії абсолютний, усякий механічний рух відносний, тому що розглядається відносно яких-небудь систем відліку, а характер самого руху залежить від системи відліку. Стан спокою або руху без прискорення можливий не у всіх системах відліку, а лише у деяких. Системи, в яких ви-конується перший закон Ньютона, називають інерціальними. Їх може бути як завгодно багато і всі вони рівноправні. Одні відносно інших вони можуть бути або в стані спокою, або рухатися рівномірно і прямолінійно. Інерці-альною (як показує досвід) є геліоцентрична система відліку, центр якої співпадає з Сонцем, а осі спрямовані на обрані відповідним чином зірки. Лабораторну систему відліку, пов'язану з Землею, у першому наближенні вважають інерціальною.

Наведені вище формулювання першого закону Ньютона справедливі лише для абсолютно твердого тіла, яке виконує поступальний рух. Не абсо-лютно тверде тіло, піддаючись руху, може деформуватися.

Необхідність у всіх застереженнях відпадає, якщо перший закон Нью-тона сформулювати для матеріальної точки: "Матеріальна точка, на яку не діють інші тіла, або перебуває в стані спокою, або рухається рівномірно й прямолінійно".