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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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.