Основные понятия и определения механики

Раздел физики, занимающийся изучением общих законов механического движения и механического взаимодействия материальных тел называется механикой. В более узком смысле слова под механикой часто понимают классическую механику, в которой рассматриваются движения макроскопических тел, совершающиеся со скоростями, во много раз меньше скорости света в вакууме. В основе классической механики лежат законы Ньютона. Поэтому ее часто называют ньютоновской механикой. Закономерности движения тел со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, являются предметом релятивистской механики, а закономерности движения микрочастиц (например, электронов в атомах, молекулах, кристаллах и т.п.) – квантовой механики. Основоположником механики как науки является знаменитый ученый древности Архимед (287 – 212гг. до н.э.).

Классическая механика состоит из трех основных разделов – статики, кинематики и динамики. В статике рассматриваются законы сложения сил и условия равновесия сил. В кинематике изучается движение материальных тел в пространстве, вне связи с силами, определяющими это движение. В динамике изучается движение, обусловленное взаимодействием между телами.

Существующий вне нас материальный мир находится в процессе непрерывного движения.

Механика, как и любая естественная наука, служит для изучения одной из сторон окружающей нас действительности и помогает изменить эту действительность в интересах человека.

Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, есть форма существования материи, и обнимает собой все происходящие во Вселенной изменения и процессы. Движение, так же как и материю нельзя уничтожить, но и возникнуть из ничего движение тоже не может. Там, где нам кажется, что движение возникает или уничтожается, на самом деле наблюдается передача движения от одних физических тел к другим или переход движения из одной формы в другую.

Механическое движение представляет собой перемещение материальных тел относительно друг друга в пространстве и во времени.

Наблюдая какое либо движение, мы сталкиваемся с вопросом о размерах, масштабах этого движения. Что касается механического движения, то здесь масштабы движения характеризуются с одной стороны, массой движущегося объекта, а с другой стороны его скоростью (например, железнодорожный поезд и маленькая вагонетка, тяжелый снаряд и пуля и т.д.). В разное время в механике было предложено пользоваться различными мерами движения. Наиболее старой мерой механического движения является векторная мера – количество движения, введенная в механику Декартом. Развивая идею Декарта (1596 – 1650) о сохраняемости количества движения, Ньютон установил, что изменение количества движения механической системы определяется лишь внешними силами. Чуть позже введено понятие скалярной меры механического движения – кинетическая энергия. Теорема об изменении кинетической энергии или, как ее раньше называли, теорема живых сил была сформулирована Иваном Бернулли (1667 – 1748) и Даниилом Бернулли (1700 – 1782). Есть еще одна векторная мера механического движения – момент количества движения. Теорему об изменении момента количества движения установили почти одновременно два ученых Эйлер и Даниил Бернулли в 1746 году.

В динамике рассматривают два случая преобразования механического движения материальной точки или систем материальных точек:

Реальные физические тела, движение которых изучает механика, является сложными объектами. Поэтому, приступая к изучению этих объектов, приходится отвлекаться от ряда побочных факторов и вводить в рассмотрение упрощенные схемы этих объектов. Для этого необходимо ввести абстрактные понятия: материальная точка, абсолютно твердое тело. Практика показывает, что введение подобных абстракций не искажает правильности выводов о движении реальных тел.

Введем некоторые понятия динамики, которая изучает механическое движение тел с учетом сил, действующих на эти тела.

Материальная точка – тело, размерами которого при решении конкретной задачи можно пренебречь.

Механическая система – совокупность материальных точек, связанных между собой так, что движение каждой из них зависит от движения остальных.

Абсолютно твердое тело – неизменяемая механическая система, т.е. недеформируемое тело.

Связи – тела, ограничивающие движение других тел (например, плоскость, нить, стержень и т.д.).

Реакция связи – сила, с которой связь действует на тело. Масса – мера инертности материальной точки или твердого тела при его поступательном движении. Обозначают - m.

Момент инерции тела относительно оси вращения – мера инертности тела при вращательном движении. Обозначают [Jx; Jy; Jz]. J0=∑mjrj², где rj – расстояние от данной точки до оси, проходящей через точку О.

Внешние силы системы – силы, с которыми тела, не входящие в эту механическую систему, действуют на точки данной системы.