Сила. Ньютоновское определение.

Сила — мера механического воздействия одного тела на другое, векторная величина. Взаимодействие может осуществляться непосредственно в контакте или между удаленными телами, с помощью физических полей: гравитационное, электромагнитное. Сила задана, если указаны её модуль, направление и точка приложения.

Из опытов следует что действие нескольких сил на тело которые приложены в одной точке можно заменить действием одной силы, равной их геометрической сумме . Приложенной в той же точке называется результирующей. В основ механического явления лежат гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Однако, для практических задач вводят следующие силы:

1. Сила тяжести ;

2. Упругости сила ;

3. Сила трения ;

4. Сила сопротивления среды ;

Масса. 2-ой закон Ньютона.

Основная задача механики заключается в определении характеристик движения тел под действием приложенных к ним сил. Из опыта известно, что под действием силы свободное твердое тело изменяет свою скорость, приобретая ускорение , это ускорение пропорционально силе и совпадает с ней по направлению.

(*)

где — коэффициент пропорциональности; , постоянный для каждого конкретного тела, разный для разных тел. Это соотношение(*) отражает свойство инертности тел, согласно которому тела изменяют скорость не мгновенно, а постепенно, приобретая под действие конечное ускорение.

В качестве меры инертности в механике вводится положительная величина —масса тела. Чем больше инертность, а следовательно, его масса, тем меньше оно должно приобретаться под действием одной и той же силы. Поэтому приняв в (*) ; во всех системах??? получим:

— второй закон Ньютона;

Отсюда следует, что величина постоянная для данного тела (по Ньютону масса количество материи), не зависящая от состояния движения тела. Ни от его положения в пространстве, ни от действия других тел. Поэтому для сравнения масс двух тел достаточно сравнить ускорения , приобретенные ими под действием одинаковой силы;

;

Из опыта следует, что масса величина аддитивная, т.е. масса тела равна сумме масс всех составляющих его частей. Масса произвольной механической системы равна сумме масс материальных точек, на которые эту систему можно разбить.

Обычно массу тела определяют сравнением её с массой эталонных тел (гирь) путем взвешивания на рычажных весах. Этот метод основывается на том, что в одной и той же точке земного шара все тела падают с одним ускорением . Свободное падение обусловлено действием единственной силы—силы тяжести , так что согласно (*):

;

и отношение масс: ;

Инертность можно продемонстрировать: скатерть из-под накрытого стола, вертикальный шарик на нити тянуть за нитку.

2. Центробежная сила инерции.

Центробежная сила — силаинерции, возникающая при вращении тела и направленная от центра оси вращения. Центробежная сила возникает из-за инерции массы в ходе её кругового движения^[1] вокруг центра (отсюда и название). Центростремительное ускорение в инерциальной системе координат, направленное в противоположную сторону, создаёт эту силу.

Рассмотрим диск, вращающийся вокруг перпендикулярной к нему вертикальной оси z’ с угловой скоростью ω. Вместе с диском вращается надетый на спицу шарик, соединённый с центром диска пружиной. Шарик уравновешивается на таком расстоянии R от центра диска, на котором сила натяжения пружины F_pr оказывается равной произведению массы шарика m на его ускорение W_n = − ω²R:

. ^[2]

Система отсчёта, связанная с диском, вращается по отношению к инерциальной системе. Относительно системы отсчёта, связанной с диском, шарик покоится. Это можно формально объяснить тем, что, кроме силы F_pr, на шарик действует сила инерции F_cf = − F_pr = mω²R^[2], направленная вдоль радиуса от центра диска.

Силу инерции F_cf, возникающую во вращающейся системе отсчёта, называют центробежной силой. Эта сила действует на тело во вращающейся системе отсчёта, независимо от того, покоится тело в этой системе или движется относительно нее со скоростью v’.

3. Первый закон термодинамики.

Равновесный процесс перехода т. системы из начального состояния 1 в другое – 2 можно рассмотреть с точки зрения закона сохранения энергии. Изменение внутренней энергии системы в таком процессе равно сумме работы, совершенной внешними силами над системой и теплоты, сообщенной системе, :

.

Работа численно равна и противоположна по знаку работе , совершаемой самой системой против внешних сил в том же равновесном переходе: , тогда первый закон термодинамики можно записать в виде:

,

т.е., теплота, сообщенная системе, идет на приращение внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Обычно первый закон записывают для изменения состояния системы при сообщении ей малого количества теплоты , совершением системой малой (элементарной) работы и элементарному изменению (приращению) внутренней энергии :

Отличие в записи малых величин теплоты и работы и изменении внутренней энергии не формальны, а отражают глубокое физическое различие этих величин. Дело в том, что внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния. Ее значение в каком-либо произвольном состоянии не зависит от того, каким способом система пришла в это состояние, . При совершении системой процесса, в результате которого она вновь возвращается в исходное состояние, полное изменение энергии , т.е., интеграл:

Это тождество является необходимым и достаточным условием для того, чтобы выражение представляло собой полный дифференциал. Ни работа, ни теплота не являются функциями состояния и поэтому и не являются полными дифференциалами. По определению из математики полный дифференциал функции:

, т.е., определяется значениями функции в конечном и начальном состояниях и не зависит от пути перехода.

Все физические величины, входящие в 1 закон термодинамики могут быть больше нуля или меньше нуля, возможно также, что = 0 и = 0. Если теплота подводится, >0, если отводится, то < 0. На одних участках перехода она может быть положительна, на других – отрицательна.

Общее количество теплоты, сообщенное системе в конечном процессе перехода 1 – 2 равно алгебраической сумме теплот , сообщенных на всех участках процесса:

.

Работа, совершаемая системой в конечном процессе 1 – 2 равна алгебраической сумме работ , т.е.,

Изменение внутренней энергии в этом конечном переходе:

и не зависит от вида перехода.

 

 

Б-7

1. Основное уравнение динамики материальной точки. Элементарный импульс силы и импульс силы.