Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
Лабораторная система отсчета, оси координат которой жестко связаны с Землей, неинерциальна главным образом из-за суточного вращения Земли. Однако Земля Вращается столь медленно, что максимальное нормальное ускорение (1.1.4.6°) точек ее поверхности в суточном вращении не превосходит
0,034 м/с2. Поэтому в большинстве практических задач лабораторную систему отсчета можно приближенно считать инер-циальной.
4°. Инерциальные системы отсчета играют особую роль не только в механике, но также и во всех других разделах физики. Это связано с тем, что, согласно принципу относительности Эйнштейна (1.5.1.2°), математическое выражение любого физического закона должно иметь один и тот же вид во всех инер-циальных системах отсчета. Поэтому в дальнейшем мы будем пользоваться, не оговаривая это каждый раз, только инерци-
22
ГЛ. 1.2. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА
альными системами отсчета. Закономерности движения материальной точки по отношению к неинерциальной системе отсчета рассмотрены в главе 1.7.
§ 1.2.2. Сила
1°. Силой называется векторная величина, являющаяся мерой механического действия на рассматриваемое тело со стороны других тел. Механическое взаимодействие может осуществляться как между непосредственно контактирующими телами (например, при трении, при давлении тел друг на друга), так и между удаленными телами. Особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действия одних частиц на другие, называется физическим полем, или просто полем. Взаимодействие между удаленными телами осуществляется посредством их гравитационных и электромагнитных полей (например, притяжение планет к Солнцу, взаимодействие заряженных тел, проводников с током и т. п.). Механическое действие на данное тело со стороны других тел проявляется двояко. Оно способно вызывать, во-первых, изменение состояния механического движения рассматриваемого тела, а во-вторых, — его деформацию. Оба эти проявления действия силы могут служить основой для измерения сил. Например, измерение сил с помощью пружинного динамометра основано на законе Гука (VII. 1.3.4°) для продольного- растяжения. Пользуясь понятием силы, в механике обычно говорят о движении и деформации тела под действием приложенных к нему сил. При этом, конечно, каждой силе всегда соответствует некоторое тело, действующее на рассматриваемое с этой силой.
Сила F полностью определена, если заданы ее модуль, направление в пространстве и точка приложения. Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы.
Поле, действующее на материальную точку с силой F, называется стационарным полем, если оно не изменяется с течением времени t, т. е. если в любой точке поля сила F не зависит 9F „
явно от времени: = О. Для стационарности поля необходи-
§ 1.2.2. СИЛА
23
мо, чтобы создающие его тела покоились относительно инер-циальной системы отсчета, используемой при рассмотрении поля.
2°. Одновременное действие на материальную точку M нескольких сил F1, F2, ..., Fn (рис. 1.2.1, а) эквивалентно действию одной силы, называемой равнодействующей, или результирующей, силой и равной их геометрической сумме
F= JF1.
I= 1
Она представляет собой замыкающую многоугольник сил F1, F2, ..., Fn (рис. 1.2.1, б).
Рис. 1.2.1
Если тело абсолютно твердое, то действие на него силы не изменяется при переносе точки приложения этой силы вдоль линии ее действия в пределах тела. Иначе говоря, силы, приложенные к абсолютно твердому телу, можно рассматривать как скользящие векторы.
3°. Тело называется свободным, если на его положение и движение в пространстве не наложено никаких ограничений. Например, летящий в воздухе самолет представляет собой свободное тело так же, как движущаяся в толще воды подводная лодка. В большинстве случаев приходится иметь дело с телами, которые несвободны: на их возможные положения и движения наложены те или иные ограничения, называемые в механике связями. Например, шарик, подвешенный на нерастяжимой нити, не может удалиться от точки подвеса
24
ГЛ. 1.2. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА
на расстояние, большее длины нити; трамвай может двигаться только вдоль рельсов. Связи осуществляются благодаря действию на рассматриваемое тело со стороны других тел, скрепленных или соприкасающихся с ним (например, нити на привязанный к ней шарик, рельсов на трамвай и т. п.).
При изучении поведения несвободных тел или систем тел в механике пользуются принципом освобождаемости: несвободное тело (или систему тел) можно рассматривать как свободное, заменив действие на него тел, осуществляющих связи, соответствующими силами. Эти силы называются реакциями связей, а все остальные силы, действующие на тело, — активными силами. Так, движение шарика, подвешенного на нити, можно рассматривать как движение свободного шарика, на который, помимо всех приложенных к нему активных сил (например, силы тяжести), действует еще реакция нити.
В отличие от активных сил, которые в каждой конкретной задаче должны быть заданы, реакции связей заранее неизвестны. Они подлежат определению в ходе решения задачи. Их значения должны быть такими, чтобы под совместным действием активных сил и реакций связей «освобожденное» тело совершало такое движение, которое полностью согласуется с ограничениями, накладываемыми связями на рассматриваемое несвободное тело. Никаких иных различий между реакциями связей и активными силами нет.
