Основни закони на механиката - описание, характеристики и формули

Във физиката движението на различни тела в пространството се изучава в специален раздел - механика. Последният от своя страна се разделя на кинематика и динамика. В тази статия ще разгледаме законите на механиката във физиката, като се съсредоточим върху динамиката на транслационното и ротационното движение на телата.

Исторически контекст

Как и защо се движат телата е било интересно за философите и учените още от древността. Така Аристотел смята, че обектите се движат в пространството само защото върху тях има някакво външно влияние. Ако тази сила бъде спряна, тялото веднага ще спре. Много гръцки философи са вярвали, че естественото състояние на всички тела е покой.

С настъпването на Новата епоха много учени се заемат с изучаването на законите на движението в механиката. Сред известните имена са Хюйгенс, Хук и Галилео Галилей. Последният разработва научен подход към изучаването на природните явления и всъщност открива първия закон на механиката, който обаче не носи неговото фамилно име.

През 1687 г. англичанинът Исак Нютон публикува научна публикация. В своята научна работа той ясно формулира основните закони за движението на телата в пространството, които заедно с законът за универсалната гравитация, е в основата не само на механиката, но и на цялата съвременна класическа физика.

Законите на Нютон

Те се наричат още закони на класическата механика, за разлика от релативистката механика, чиито постулати са изложени от Алберт Айнщайн в началото на 20-ти век. В първия случай има само три основни закона, които са в основата на цялата физика. Те се наричат тези:

1. Закон за инерцията.
2. Законът за връзката между силата и ускорението.
3. Законът за действието и противодействието.

Защо тези три закона са основните? Те са прости, всяка формула в механиката може да бъде изведена от тях, но никой теоретичен принцип не води до нито една от тях. Тези закони са изведени изключително въз основа на многобройни наблюдения и експерименти. Тяхната валидност се доказва от надеждността на прогнозите им при решаването на различни проблеми в практиката.

Закон за инерцията

Първият закон на Нютон за механиката гласи, че всяко тяло при липса на Външно въздействие върху него ще поддържа състояние на покой или праволинейно движение във всяка инерциална система на отчитане.

За да се разбере този закон, е необходимо да се разбере системата за докладване. Тя се нарича инерционна тогава и само тогава, когато отговаря на следния закон. С други думи, в една инерциална система няма фиктивни сили, които да се усещат от наблюдателите. Например система, която се движи равномерно по права линия, може да се счита за инерциална. От друга страна, система, която се върти равномерно около една ос, е инерциална, защото съдържа фиктивна центробежна сила.

Законът за инерцията установява причината, с което се променя характерът на движението. Тази причина е наличието на външна сила. Обърнете внимание, че върху едно тяло могат да действат няколко сили. В такъв случай те трябва да се сумират според правилото за векторите, ако резултантната сила е нула, тялото ще продължи равномерното си движение. Важно е също така да се разбере, че в класическата механика не се прави разлика между равномерното движение на едно тяло и неговото състояние на покой.

Вторият Нютонов закон

Той твърди, че причината за промяната в характера на движението на тялото в пространството е наличието на външна ненулева сила, приложена към него. Всъщност този закон е продължение на предишния. Математическото му записване е следното:

F¯ = m*a¯.

Тук a¯ е ускорението, което описва скоростта на изменение на вектора на скоростта, m е инерционната маса на тялото. Тъй като m винаги е по-голямо от нула, векторите на силата и ускорението са насочени в една и съща посока.

Разглежданият закон е приложим към голям брой явления в механиката, например към описанието на свободното падане, движението с ускорение на автомобил, приплъзването на прът по наклонена плоскост, колебанието на махало, разтягането на пружинна везна и др. Можем със сигурност да кажем, че това е основният закон на движението.

Количество на движението и импулс

Ако се обърнете директно към научните трудове на Нютон, ще видите, че самият учен е формулирал втория закон на механиката по малко по-различен начин:

F*dt = dp, където p = m*v.

Стойността p се нарича маса на движение. Много хора погрешно го наричат инерция на тяло. Величината на движението е инерционно-енергийна характеристика, която е равна на произведението на масата на тялото от неговата скорост.

Само външна сила F, действаща върху тялото за интервал от време dt, може да промени величината на движението с някаква стойност dp. Произведението на силата от времето на нейното действие се нарича импулс на силата или просто импулс.

Когато две тела се сблъскват, между тях действа сила на сблъсък, която променя ъгловия момент на всяко тяло, но тъй като тази сила е вътрешна за изследваната система от две тела, тя не променя общия ъглов момент на системата. Този факт се нарича закон за запазване на импулса.

Въртене с ускорение

Ако законът на Нютон за механиката, формулиран от Нютон, се приложи към движението на въртене, се получава следният израз:

M = I*α.

M е импулсът е величина, която показва способността на дадена сила да извърши завъртане в системата. Моментът на силата се изчислява като произведение на вектора на силата и радиус-вектора, насочен от оста към точката на прилагане. Стойността I е инерционният момент. Подобно на силовия момент, той зависи от параметрите на въртящата се система, по-специално от геометричното разпределение на масите около оста. Накрая, величината α е ъгловото ускорение, което ни позволява да определим с колко радиана в секунда се променя ъгловата скорост.

Ако разгледаме внимателно написаното уравнение и направим аналогия между неговите величини и индексите от втория закон на Нютон, ще получим пълната им идентичност.

Законът за действието и противодействието

Остава ни да разгледаме третия закон на Нютон за механиката. Ако първите два закона, по един или друг начин, са формулирани от предшествениците на Нютон, а самият учен само им е придал стройна математическа форма, то третият закон е оригинално дете на великия англичанин. И така, тя гласи: ако две тела се допират със сила, силите, които действат между тях, са равни по модул и противоположни по посока. Накратко можем да кажем, че всяко действие предизвиква противодействие.

F₁₂¯ = -F₂₁¯.

Тук F₁₂¯ и F₂₁¯ са силите, действащи съответно от първото тяло върху второто тяло и от второто тяло върху първото тяло.

Примерите в подкрепа на този закон са многобройни. Например, скачащ човек се отблъсква от земята, която го изтласква нагоре. Същото важи и за ходещ пешеходец или плувец, който се отблъсква от стената на басейна. Друг пример: ако човек натисне ръката си върху масата, той усеща противоположната сила на масата върху ръката, която се нарича сила на реакция на опората.

При решаване на задачи за прилагане на третия закон на Нютон трябва да се помни, че силата на действие и силата на противодействие се прилагат към различни тела, така че им придават различни ускорения.