Файл: Гернет М.М. Курс теоретической механики учеб. для вузов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 293
Скачиваний: 2
Ч А С Т Ь I I I
ДИНАМИКА
Г Л А В А XIII
ВВЕДЕНИЕ В ДИНАМИКУ
§ 36. ПРЕДМЕТ ДИНАМИКИ. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ ГАЛИЛЕЯ — НЬЮТОНА
|
Предмет динамики. Динамика1 |
является |
||||
Динамикой называют раздел |
основным и наиболее общим разделом тео- |
|||||
теоретической механики, в |
ретической |
механики. Если |
в статике мы |
|||
котором изучают механиче- |
изучали условия равновесия твердого тела, |
|||||
ское движение в связи с си- |
совершенно |
г |
занимаясь |
г |
вопросами |
|
лами, приложенными к дви- |
не |
|
||||
жущимся объектам |
движения, а в кинематике, напротив, изу |
|||||
женных к этим телам, то |
чали движение тел |
без учета сил, |
прило |
|||
в динамике нас будут одинаково |
интере |
|||||
совать и силы, действующие на материальные тела, |
и |
движение |
||||
этих тел. |
|
|
|
|
|
|
В динамике изучают зависимость между движением материаль ных объектов и действующими на них силами, по данному движе нию точки или тела устанавливают, какие силы его производят, и по действующим силам определяют движение материального объекта. Поэтому динамика не может, подобно кинематике, ограни читься добавлением к понятиям геометрии одного лишь понятия времени. Она дополняет понятия кинематики понятием силы, извест ным нам из статики. Нас не интересует физическая сущность силы, и здесь, как и в статике, мы характеризуем силу величиной, на правлением и точкой приложения, разве лишь с тем добавлением, что в динамике чаще, чем в статике, рассматривают силы, перемен ные по величине и направлению.
Две одинаковые силы, приложенные к двум различным мате риальным телам, могут сообщить этим телам за одно и то же время совершенно различные движения, что зависит от инертности этих тел. Движущиеся объекты характеризуются также и массой и рас-
1 Название «динамика» введено Лейбницем (1690 г.).
246
пределением массы. В динамике изучают движение только матери альных тел (или точек), обладающих определенной массой.
|
Таким |
образом, динамикой |
называют |
раздел теоретической |
меха |
||||
ники, в котором изучают механическое движение |
материальных |
||||||||
объектов |
в связи |
с силами, приложенными к этим |
объектам. |
|
|||||
|
|
|
|
Три |
закона |
движения. |
В |
основе |
всей |
В |
основе |
динамики |
лежат |
механики, в частности динамики, лежат |
|||||
три закона Ньютона: 1) прин- |
три |
закона, называемые основными зако- |
|||||||
цип |
инерции^2) основной |
т м и |
Галилея —Ньютона |
и |
сформулиро- |
||||
равенс?ваНТеИйствия ГпроТи- |
ванные Ньютоном под названием «Аксиомы, |
||||||||
|
водействия |
|
или законы движения». Они опубликованы |
всочинении Ньютона «Математические
начала натуральной философии» (1686) *.
С |
двумя |
из этих |
законов |
(с первым |
и третьим) мы ознакоми |
|
лись |
в курсе |
статики |
(см. § 3). Но необходимо обратить |
внимание |
||
на некоторые |
обстоятельства, |
которые в |
динамике имеют |
большее |
значение. Поэтому, приступая к курсу динамики, мы критически рассмотрим первую аксиому Ньютона, затем изучим вторую аксиому, а потом расширим наше знакомство с третьей аксиомой.
Систему отсчета, по отношению к которой всякая материальная частица под действием взаимно уравновешенных сил совершает прямолинейное и равномерное движение, называют инерциальной системой отсчета
Инерциальная система отсчета. Первый
основной закон механики (принцип инерции) сформулирован Ньютоном так: «Вся-
кое тело продолжает удерживаться |
в своем |
|||
состоянии покоя или равномерного |
и пря |
|||
u |
1 |
_ |
r |
г |
молинеиного |
движения, |
пока и поскольку |
оно не понуждается приложенными силами • изменять это состояние».
Проверить принцип инерции прямым "и непосредственным экспериментом вряд ли можно. Для такого эксперимента понадобилось бы тело, на которое не действуют ника кие силы; это тело должно быть полностью изолировано от всех других тел. Никакое тело, никакая материальная система во Все ленной не являются полностью изолированными. Но ввиду громад ности расстояний до звезд можно допустить, что звезды не оказы вают заметного действия на солнечную систему, т. е. на систему, состоящую из Солнца, планет и их спутников. Полагают, кроме того, что эта система не подвержена никаким другим посторонним воздействиям, как, например, сопротивление среды, заполняющей мировое пространство. Тогда можно считать, что центр масс (центр тяжести) солнечной системы в данное время находится в состоянии равномерного прямолинейного движения. Центр масс солнечной системы почти совпадает с центром Солнца, и в дальнейшем мы будем называть его центром Солнца.
Возникает вопрос: по отношению к какой системе отсчета центр Солнца движется прямолинейно и равномерно? Вполне конкретно и однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Ньютон ошибочно
1 Имеется русский перевод акад. А. Н. Крылова, изданный Морской ака демией в 1916 г., а также АН СССР в Собрании трудов А. Н. Крылова, т. " V I I .
полагал, что независимо от материи существует абсолютно неподвиж ное пространство. «Абсолютное пространство по самой сущности без относительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда оди наковым и неподвижным», —писал он в «Математических началах натуральной философии». Но мы не мыслим пространства безотноси тельно к внешнему миру, и для нас пространство есть форма суще
ствования материи. Материя же немыслима без движения, |
поэтому |
не может быть и пространства, которое было бы абсолютно |
непод |
вижно безотносительно к чему бы |
то ни было, т. е. не может быть |
||
неподвижной пустоты. Д'Аламбер, |
критикуя Ньютона за то, что он |
||
понятия |
пространства и времени отрывал |
от понятия материи, писал |
|
в 1759 |
г.: «Те философы, которые |
хотят |
создать пустоту, теряются |
всобственных выдумках»1 .
Вэтом вопросе воззрения Д'Аламбера близко подходят к пози ции Энгельса, который писал: «Разумеется, обе эти формы сущест вования материи (т. е. пространство и время—М. Г.) без материи
суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове» 2 .
Лобачевский показал, что представления геометрии Эвклида и механики Ньютона о пространстве не являются истинными, и подго товил почву для развития современных физических представлений о пространстве и времени.
Не следует думать, что неправильное понимание Ньютоном абсо лютного пространства делает его законы неверными и неприемле мыми. Неправильно только было бы считать аксиомы очевидными ис тинами, абсолютно верными и не нуждающимися в доказательствах, о чем мы уже говорили в § 3. Аксиомы нуждаются не только в до казательствах, но также и в уточнениях.
Представим себе какую-либо систему координат (связав ее, на пример, со звездами), по отношению к которой центр Солнца совер
шает |
равномерное и |
прямолинейное движение |
с какой-либо скоро- |
|
—> |
|
|
стью |
v, примем эту |
систему за основную и |
назовем инерциальной |
системой.
Представим себе также вторук) систему координат, совершающую поступательное движение относительно первой системы. Пусть одна
из точек |
(а значит, |
и все остальные) второй системы движется отно |
||
сительно |
инерциальной |
прямолинейно |
и равномерно с"какой-либо |
|
скоростью ve. Тогда |
скорость vr центра |
Солнца относительно второй |
||
системы согласно закону |
параллелограмма скоростей равна |
|||
|
|
|
~Zr=v—ve. |
(103') |
В правой части равенства мы имеем разность постоянных вели чин, следовательно, постоянна и левая часть равенства, т. е. центр Солнца относительно второй системы координат тоже находится в
1 |
Д ' А л а м б е р . |
Об элементах |
философии или принципах |
человеческих по |
знаний с пояснениями. |
|
|
||
2 |
К. М а р к с |
и Ф. Э н г е л ь с . |
Сочинения, изд. 2-е, т. |
20. Госполитиздат, |
1961, |
стр. 550. |
|
|
|
г
прямолинейном и равномерном движении. Таким образом, характер движения центра Солнца по отношению к обеим системам координат один и тот же—прямолинейное и равномерное движение. Поэтому и вторую систему координат мы можем называть инерциальной сис темой, как и всякую прочую систему координат, движущуюся отно
сительно первой поступательно, прямолинейно и |
равномерно. |
|
|||
В |
таком движении по отношению ко |
всякой |
инерциальной |
си |
|
стеме |
находится не только центр солнечной системы, на |
которую, по |
|||
нашему заключению, не действуют извне |
никакие |
силы, |
но и |
каж |
дая материальная частица, находящаяся под действием взаимно урав
новешенных сил, потому что наличие взаимно |
уравновешенных |
сил |
эквивалентно их отсутствию (см. § 3). Все это |
требует значительно |
|
расширить понятие шнерциальная система-» и |
определить ее как |
та |
кую систему отсчета, по отношению к которой всякая материальная частщіа, находящаяся под действием взаимно уравновешенных сил, совершает прямолинейное и равномерное движение. Любую такую систему можно принять за неподвижную при решении задач дина мики. В этом заключается открытый Галилеем так называемый прин цип относительности классической механики.
В целом ряде проблем, например в задачах небесной механики — при вычислении траекторий искусственных спутников, при исследо ваниях, связанных сдвижением нашей планеты (опыты Фуко), и др., за инерииальную систему принимают систему координат, начало ко торой находится в центре Солнца, а оси направлены на какие-либо
три «неподвижные» |
звезды. Чтобы показать, |
как |
незначительна по |
|||||
грешность, которую |
допускают, считая звезды неподвижными друг |
|||||||
относительно друга, |
представим себе модель |
звездного |
мира, |
сделан |
||||
ную в масштабе 1:1 000 000 000 000. В таком масштабе |
наше |
Солнце, |
||||||
диаметр |
которого |
1500 000 |
км, |
изобразится |
шариком |
с булавочную |
||
головку |
диаметром |
1,5 мм. |
На |
расстоянии |
15 см |
от |
этого |
шарика |
будет кружиться невидимая глазу пылинка—Земля. Другие же звезды, в среднем такие же булавочные головки, мы должны будем помес тить километров на 40 от Солнца и друг от друга. Если принять скорость Солнца относительно соседних звезд равной 150 км/сек, то, следовательно (в том же масштабе), модель Солнца (начало коорди
нат) движется со скоростью |
1 мм/ч. |
Таким образом, |
относительные |
|||||||||
перемещения |
звезд ничтожны, и систему отсчета, связанную со |
звез |
||||||||||
дами, |
можно |
принимать |
за |
инерциальную |
с большой |
степенью |
точ |
|||||
ности. |
|
|
|
Всякую |
систему |
координат, |
неподвижную |
|||||
|
|
|
|
|||||||||
При многих технических рас- |
относительно Земли, обычно принимают за |
|||||||||||
четах можно принимать за не- |
инерциальную |
систему отсчета, |
пренебре- |
|||||||||
ПОДВИЖНУЮ |
ВСЯКУЮ СИСТему |
|
Г |
|
J |
|
J |
' |
г |
F |
||
отсчета, |
неизменно связан- |
г а я |
Движением Земли вокруг Солнца и |
|||||||||
ную с Землей. |
вокруг оси. Конечно, при этом допускают |
|||||||||||
|
|
|
|
некоторую ошибку, потому что невозмож |
||||||||
но, чтобы |
принцип инерции |
был |
верен |
одновременно |
и по |
отноше |
||||||
нию к |
осям, |
направленным |
на звезды, и по отношению к осям, |
уча |
||||||||
ствующим |
в |
движении |
Земли. Но |
эта |
ошибка невелика |
и вполне |
||||||
может |
быть допущена в |
обычных |
технических задачах. |
|
|