Привет всем, кто жаждет знаний! 👋
Сегодня мы начнём новый раздел механики - динамику. Напомню, механика делится на кинематику, динамику и статику.
В предыдущем разделе - кинематике, мы учились описывать движение тел с помощью уравнений движения (все, о кинематике тут). Напомню, уравнение движения для каждого вида движения свое. А видов движения много.
По виду траектории движение делится на прямолинейное и криволинейное, по характеру изменения скорости - на равномерное и равноускоренное.
Нам надо остановить всё свое внимание на последних двух видах движения. Новый раздел - динамика, как раз изучает, почему у тел изменяется скорость движения (появляется ускорение). То есть вследствие каких процессов характер движения тела меняется с равномерного на равноускоренное, и наоборот. Напомню,
📌Ускорение - это отношение изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.
Вспомните, чтобы открыть дверь (изменить ее скорость), вы должны ее толкнуть. Чтобы забросить баскетбольный мяч в корзину, вы делаете бросок, сам по своему желанию мяч в кольцо не полетит. В этих примерах мы воздействуем на объект, чтобы увеличить его скорость, но можно привести и противоположные примеры. Любое движущееся тело мы можем остановить, то есть уменьшить его скорость до нуля. Например, шайбу, которая катится по льду, легко остановить с помощью клюшки. Возможно, вам кажется, что действовать на тело вовсе не обязательно, чтобы оно остановилось, оно это сделает и без нашего вмешательства рано или поздно. Но вмешательство есть, просто мешаем движению уже не мы.
Если катнуть шарик по столу и немного подождать, он остановится "сам собой". Это будет происходить из-за наличия трения между столом и шариком. Именно трение заставляет в итоге все тела замереть. То есть шарик остановился, потому что на него действовала поверхность стола.
Или еще пример, футболист ударил по мячу. Ударил — значит, его нога воздействовала на мяч с некоторой силой, и скорость мяча увеличилась. А вот какое действие позволяет футболисту быстро устремиться к воротам противника? Одного желания здесь мало. Будь вместо футбольного поля идеально гладкий лёд, а на ногах футболиста тапочки с гладкой подошвой, то ему бы это не удалось. Для того чтобы бежать с ускорением, нужно упираться ногами в землю. Если ноги будут скользить, вы никуда не убежите. Значит, только трение о землю (действие со стороны земли на ноги футболиста) позволяет ему, да и всем нам, при беге и ходьбе изменять свою скорость.
Вспомнив все случаи, когда мы сталкивались с изменением скорости тела, можно сделать следующий вывод. Изменение скорости всегда вызывается воздействием на тело каких-либо других тел.
То есть у нас сформировалась чёткая взаимосвязь: Если скорость тела меняется, то на тело действуют другие тела.
Казалось бы, что должно быть справедливо и обратное суждение: Если скорость тела не меняется, то на тело не действуют другие тела.
Вывод, к которому мы пришли, является законом инерции.
📌Закон инерции: Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют другие тела.
Но, стоит прояснить, на самом деле скорость тела может не меняться и в том случае, когда на него действуют другие тела. Приведу пример.
Вспомните игру "перетягивание каната". Если обе команды равны по силам, канат не будет двигаться с места. Это связано с тем, что силы, которые прилагают команды к канату, равны по модулю и противоположны по направлению. В результате сила, действующая на канат со стороны первой команды, компенсирует силу, действующую на канат со стороны второй команды, то есть равнодействующая этих сил равна нулю, поэтому канат остаётся в состоянии покоя.
Возвращаясь к закону инерции, возможно, у вас есть некоторое недоумение, откуда в законе появилось "состояние покоя", ведь выше мы говорили о сохранении телом скорости. Дело в том, что с точки зрения динамики состояние покоя (ускорение тела равно нулю) и состояние равномерного прямолинейного движения (снова ускорение тела равно нулю) не различаются. Закон инерции фактически был открыт Галилеем, а Исаак Ньютон дал ему более строгую формулировку. Давайте сформулируем первый закон Ньютона:
📌Первый закон Ньютона (или закон инерции): Существуют системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно или покоится, если на него не действуют другие тела.
То есть системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона (закон инерции), мы будем называть инерциальными.
Ключевое здесь - закон инерции выполняется, то есть на тело не действуют другие тела, и поэтому оно движется равномерно и прямолинейно или покоится. В жизни любое реальное тело подвержено воздействию других тел, поэтому понятие инерциальной системы отсчета является научной идеализацией. Проясню, мы можем называть систему отсчета инерциальной только приближенно, если это позволяет сделать конкретная задача.
Давайте рассмотрим пару примеров инерциальных и неинерциальных систем отсчета.
Перед примерами оговорюсь,
📌Неинерциальные системы отсчета - это системы отсчета, в которых не выполняется первый закон Ньютона.
Система отсчета, связанная с Землей
Очень часто в решении задач мы связываем систему отсчёта с Землёй, т. е. рассматриваем движение тел относительно земной поверхности, какой-то произвольной точки на ней. Система отсчета "Земля" будет являться инерциальной практически для всех движений вблизи ее поверхности (движение автомобилей, самолетов, поездов и так далее). Это связано с тем, что тела, движение которых мы рассматриваем, настолько малы по сравнению с размерами Земли, что Земля может восприниматься как неподвижный объект, относительно которого тела двигаются равномерно и прямолинейно.
Однако при рассмотрении, например, движения планет считать систему отсчета "Земля" инерциальной нельзя.
На это есть две причины:
1. Земля вращается вокруг своей оси;
2. Земля движется вокруг Солнца по криволинейной траектории.
И этим фактами мы уже не можем пренебречь.
Система отсчета, связанная с движущимся поездом
Рассмотрим систему отсчета, связанную с движущимся поездом. Если мы будет рассматривать процессы, находящиеся исключительно внутри поезда (человек идет от одного конца вагона к другому, в вагоне на столе лежит книга), а сам поезд будет двигаться с постоянной скоростью и не менять своего направления (двигаться прямолинейно), то движущийся поезд будет являться инерциальной системой отсчета.
Если же рассматриваемый процесс будет происходить за пределами поезда или поезд будет ускоряться/тормозить или двигаться по дуге окружности (не прямолинейно), то он будет являться неинерциальной системой отсчета. То есть тело, которое мы будем рассматривать в системе отсчета, связанной с поездом, будет изменять свою скорость, даже в том случае, когда на него другие тела не действуют (не выполняется первый закон Ньютона).
🏁Давайте подведем итог🏁
Динамика изучает причины, по которым у тел изменяется скорость их движения, то есть появляется ускорение. В будущем мы увидим, что динамика описывает, как взаимодействие тел влияет на их дальнейшее движение (тела ускоряются, замедляются или останавливаются).
Основой динамики являются три закона Ньютона, которые подробно описывают взаимодействия тел. Сегодня мы поговорили о первом законе Ньютона (законе инерции). Первый закон Ньютона главным образом говорит о существовании инерциальных систем отсчета, в которых закон инерции выполняется.
Стоит помнить, что инерциальная система отсчета - это научная идеализация и связать ее с каким-либо реальным телом можно лишь с некоторой точностью.
Инерциальной системой отсчета мы называем такую систему, в которой тело движется прямолинейно и равномерно или покоится, если на него не действуют другие тела.
