Классическая механика Галилея-НьютОНА

Тема 4

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИДЕИ И ПРИНЦИПЫ физики

I. ФИЗИКА ДВИЖЕНИЯ

Классическая механика Галилея-НьютОНА

Рассмотреть классическую механику как определенную физическую концепцию означает последовательно ответить на такие вопросы: что понимается под механическим движением тел? Как задается объект в теории? Что является условием познания? Как формулируется основная механическая задача? Как определяется корректность формулировки задачи? Что означает полное описание механического движения тела (как оно задается)? Какие основные принципы лежат в основе классической механики? Какие основные законы классической механики? Границы применимости классической механики и другие?

Механическое движение – это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Классическая механика создавалась как математическое обобщение результатов опытов и наблюдений над механическим движением различных по своей природе тел. Ранее отмечалось, что в теории познаваемый объект задается или с помощью идеализации или с помощью идеальной модели. Так как у нас природа механически движущихся тел различная, то задать механически движущейся объект в теории механического движения можно только с помощью идеализации.

Классическая механика использует целую систему идеализаций. Основные две : материальная точка и абсолютно твердое тело. Материальная точка – это абстрактный объект, который обладает массой, но не обладает пространственными размерами. Реальные объекты можно рассматривать материальными точками, если выполняется одно из следующих условий: а) траектория движения тела во много раз больше размеров самого тела; б) расстояние между телами во много раз больше размеров самих тел.

Абсолютно твердое тело – это тело, которое ни при каких условиях не может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя частицами этого тела остается постоянным (под воздействием тел друг на друга тела могут деформироваться, т.е. изменять свою форму и размеры; поэтому в механике и используется идеализация «абсолютно твердое тело»).

То, что позволяет выделить механическое движение тела и его математически описать, называется условием познания. Условием познания механического движения тела является система отсчета (СО). Она включает в себя: тело отсчета, систему координат и часы. Линия, по которой движется точка тела, называется траекторией движения. Вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называется перемещением. Траектория движения тела, пройденный путь и перемещение зависят от выбора системы отсчета. Это означает, что механическое движение относительно.

В классической механике особое значение имеют так называемые инерциальные системы отсчета (ИСО). ИСО – это такие СО, в которых выполняется первый закон Ньютона: если суммарная сила, действующая на тело, равна нулю, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения. Пусть СОΣ – инерциальная. Тогда СОΣ¹ будет инерциальной, если СОΣ¹ движется по отношению к СОΣ равномерно, прямолинейно и поступательно (поступательность означает, что все точки СОΣ¹ движутся с одинаковой скоростью).

Основная механическая задача формулируется так: найти траекторию движения тела. Задача считается корректно сформулированной, если при заданном комплексе условий траектория движения тела является единственной и в любой момент времени можно одновременно точно измерить координату тела х и импульс р. Численные значения Х и Р задают полное описание механического движения тела. Это означает, что если известны численные значения х и р, то по формулам классической механики можно рассчитать численное значение любой характеристики механически движущегося тела.

Классическая механика делится на два раздела: кинематику и динамику. Кинематика изучает только геометрические свойства механического движения тела. Она не учитывает ни массу движущегося тела, ни силы, действующие на него. Динамика изучает механическое движения тела с учетом его массы и действующих на него сил. Все задачи механики решаются на базе трех законов динамики ( первый закон Ньютона – закон инерции: если суммарная сила, действующая на тело равна нулю, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного, прямолинейного движения; 2-й закон Ньютона: ускорение движения тела прямо пропорционально действующим на тела силам и обратно пропорционально его массе;3-й закон Ньютона: действие равно противодействию, т.е.

F₁₂ = - F₂₁) и законов сохранения массы, импульса, момента импульса и энергии.

Фундаментальными являются в классической механике не только три закона динамики Ньютона, но и принципы относительности механического движения Галилея и суперпозиции. Принцип относительности механического движения гласит: законы динамики при переходе от одной ИСО к другой ИСО не изменяются, т.е. они инвариантны по отношению к преобразованию координат. На практике это означает, что в затемненном вагоне никакой механический опыт не может дать ответа на вопрос, или вагон находится в покое или он движется равномерно и прямолинейно. Значит, все равно как считать: или вагон движется, а вокзал покоится, или, наоборот, вокзал движется, а вагон покоится. Это означает, что механическое движение относительно: бессмысленно говорить с какой скоростью движется объект, если не указана система отсчета, в которой рассматривается движение этого объекта.

Принцип суперпозиции справедлив только для систем, описываемых линейными уравнениями. Применительно к классической механике он гласит: результирующий эффект от нескольких независимых воздействий представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности ( в классической механике воздействием на систему считается действие на него силы, а результатом этого воздействия является приобретаемое телом ускорение).

В заключение краткого анализа классической механики как специфической физической концепции отметим еще:

1) так как скорость, ускорение, сила являются векторными величинами, то к классической механике они складываются как векторные величины;

2)развертывание классической механики в теорию требует определенных представлений о пространстве и времени, о структурной организации материи;

3) классическая механика Галилея-Ньютона претендовала на то, что она описывает механическое движение любых материальных объектов и при любых их скоростях. Развитие физики показало, что это не так.