microbik.ru
1 2 3 4

1. Механическое движение, его характеристики. Относительность скорости, перемещения, траектории механического движения


Механическим движением тела называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. При рассмотрении вопросов, связанных с движением тел, можно не принимать во внимание размеры тела. Тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь, называют материальной точкой. Положение тела (точки) в пространстве можно определить относительно какого-либо другого тела, выбранного за тело отсчета A. Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы составляют систему отсчета. Характеристики механического движения тела: траектория (линия, вдоль которой движется тело) , перемещение (направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела M1 с его последующим положением M2) , скорость (отношение перемещения ко времени движения - для равномерного движения) . Характеристики механического движения относительны, т.е. они могут быть различными в разных системах отсчета. Например, за движением лодки следят два наблюдателя: один на берегу в точке O, другой - на плоту в точке O1 (см. рис.) . Проведем мысленно через точку О систему координат XOY - это неподвижная система отсчета. Другую систему X'O'Y' свяжем с плотом - это подвижная система координат. Относительно системы X'O'Y' (плота) лодка за время t совершает перемещение и будет двигаться со скоростью . Относительно системы XOY (берег) лодка за это же время совершит перемещение , , где - перемещение плота относительно берега. Скорость лодки относительно берега или . Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы и скорости этой системы относительно неподвижной.

2. Виды механического движения - прямолинейное равномерное, прямолинейное равноускоренное, равномерное движение по окружности

В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным и криволинейным. Движение называется прямолинейным и равномерным, если за любые сколь угодно малые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения. Запишем математическое выражение этого определения . Это значит, что перемещение определяют по формуле , а координату - по формуле . Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называется равноускоренным движением. Для характеристики этого движения нужно знать скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, т.е. мгновенную скорость, а также ускорение. Мгновенная скорость - это отношение достаточно малого перемещения на участке траектории, примыкающей к этой точке, к малому промежутку времени, в течение которого это перемещение совершается. Ускорение - величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Иначе, ускорение - это быстрота изменения скорости: . Отсюда формула мгновенной скорости: . Перемещение при этом движении определяют по формуле: . При равномерном движении по окружности углы поворота радиуса за любые равные промежутки времени будут одинаковы. Поэтому угловая скорость , она измеряется в рад/с. При этом движении модуль скорости постоянный, он направлен по касательной к траектории и постоянно меняет направление (см. рис.) , поэтому возникает центростремительное ускорение .

3. Законы Ньютона. Примеры проявления законов Ньютона в природе и использование этих законов в технике Первый закон Ньютона. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются) . Этот закон часто называется законом инерции, поскольку движение с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий на тело называется инерцией. Второй закон Ньютона. Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение . - ускорение прямо пропорционально действующей (или равнодействующей) силе и обратно пропорционально массе тела. Третий закон Ньютона. Из опытов по взаимодействию тел следует, из второго закона Ньютона и, поэтому . Силы взаимодействия между телами: направлены по одной прямой, равны по величине, противоположны по направлению, приложены к разным телам (поэтому не могут уравновешивать друг друга) , всегда действуют парами и имеют одну и ту же природу. Законы Ньютона выполняются одновременно, они позволяют объяснить закономерности движения планет, их естественных и искусственных спутников. Иначе, позволяют предвидеть траектории движения планет, рассчитывать траектории космических кораблей и их координаты в любые заданные моменты времени. В земных условиях они позволяют объяснить течение воды, движение многочисленных и разнообразных транспортных средств (движение автомобилей, кораблей, самолетов, ракет) . Для всех этих движений, тел и сил справедливы законы Ньютона.

4. Взаимодействие тел: силы тяжести, упругости, трения. Примеры проявления этих сил в природе и технике

Опыты с различными телами показывают, что при взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные в противоположные стороны. При этом отношение абсолютных значений ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Обычно вычисляют ускорение одного тела (того, движение которого изучается) . Влияние же другого тела, вызывающего ускорение, коротко называется силой. В механике рассматриваются сила тяжести, сила упругости и сила трения. Сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся вблизи ее поверхности () . Сила тяжести приложена к самому телу и направлена вертикально вниз (рис. 1а) . Сила упругости возникает при деформации тела (рис. 1б) , она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения взаимодействующих тел. Сила упругости пропорциональна удлинению: . Знак “-” показывает, что сила упругости направлена в сторону, противоположную удлинению, k - жесткость (пружины) зависит от ее геометрических размеров и материала. Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному перемещению, называется силой трения. Если тело скользит по какой-либо поверхности, то его движению препятствует сила трения скольжения, где N - сила реакции опоры (рис. 2) , m - коэффициент трения скольжения. Сила трения скольжения всегда направлена против движения тела. Сила тяжести и сила упругости - это силы, зависящие от координат взаимодействующих тел относительно друг друга. Сила трения зависит от скорости тела, но не зависит от координат. Как в природе, так и в технике эти силы проявляются одновременно или парами. Например, сила трения увеличивается при увеличении силы тяжести. В быту часто полезное трение усиливают, а вредное - ослабляют (применяют смазку, заменяют трение скольжения трением качения) .

5. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Примеры проявления закона сохранения импульса в природе и использования этого закона в технике

Импульс тела - это произведение массы тела на его скорость () . Импульс тела - величина векторная. Предположим, что взаимодействуют друг с другом два тела (тележки) (см. рис.) с массами m1 и m2, движущиеся относительно выбранной системы отсчета со скоростями и . На тела при их взаимодействии действовали соответственно силыи, и после взаимодействия они стали двигаться со скоростями и . Тогда , , t - время взаимодействия. Согласно третьему закону Ньютона, следовательно, или . В левой части равенства - сумма импульсов обоих тел (тележек) до взаимодействия, в правой - сумма импульсов тех же тел после взаимодействия. Импульс каждой тележки изменился, сумма же осталась неизменной. Это справедливо для замкнутых систем, к которым относят группы тел, которые не взаимодействуют с другими телами, не входящими в эту группу. Отсюда вывод, т.е. закон сохранения импульса: Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Примером проявления закона сохранения импульса является реактивное движение. Оно наблюдается в природе (движение осьминога) и очень широко в технике (водометный катер, огнестрельное оружие, движение ракет и маневрирование космических кораблей) .

6. Механическая работа и мощность. Простые механизмы. КПД простых механизмов

Физическая величина, равная произведению модуля силы на модуль перемещения и косинус угла между ними, называется механической работой (см. рис.) . . Работа - величина скалярная. Измеряется работа в джоулях (Дж) . 1 Дж - это работа, совершаемая силой в 1 Н на перемещение 1 м. В зависимости от направлений векторов силы и перемещения механическая работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю. Например, если векторы и совпадают, то cos00 = 1 и A > 0. Если векторы и направлены в противоположные стороны, то cos1800 = -1 и A < 0. Если же и перпендикулярны, то cos900 = 0 и A = 0. Мощность машины или механизма - это отношение совершенной работы ко времени, в течение которого она совершена. . Измеряется мощность в ваттах (Вт) , 1 Вт = 1 Дж/с. Простые механизмы: наклонная плоскость, рычаг, блок. Их действие подчиняется “золотому правилу механики” : во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении. На практике совершаемая с помощью механизма полная работа всегда несколько больше полезной. Часть работы совершается против силы трения в механизме и перемещения его отдельных частей. Например, применяя подвижный блок, приходится дополнительно совершать работу по поднятию самого блока, веревки и по преодолению силы трения в оси блока. Поэтому для любого механизма полезная работа (AП) всегда меньше, чем полная, затраченная (AЗ) . По этой причине КПД = AП/AЗ • 100% любого механизма не может быть больше или хотя бы равен 100%.

7. Механические колебания (на примере математического или пружинного маятников) . Характеристики колебательных движений: амплитуда, период, частота. Соотношение между периодом и частотой. График колебания

Механическими колебаниями называют движения тел, которые точно (или приблизительно) повторяются через равные промежутки времени. Примерами механических колебаний являются колебания математического или пружинного маятников (рис. 1) . Свободные (собственные) колебания совершаются под действием внутренних сил колебательной системы, а вынужденные - под действием сил, не входящих в колебательную систему. Колебательные движения происходят, если: 1) сила, действующая на тело в любой точке траектории, направлена к положению равновесия, а в самой точке равновесия равна нулю; 2) сила пропорциональна отклонению тела от положения равновесия. Для пружинного маятника такой силой является сила упругости (FУПР = -k • x) , для математического - равнодействующая сил тяжести маятника и упругости нити подвеса (F = - m • g • x / l) . Координата колеблющегося тела изменяется со временем по закону синуса и графически представлена в виде синусоиды (рис. 2) . Амплитуда (A) - наибольшее расстояние, на которое удаляется тело от положения равновесия. Период (Т) - время одного полного колебания. Частота - число колебаний за 1 секунду () . Период колебания определяют: для пружинного маятника Т = 2п^т/Н', для математического маятника .

8. Механические волны. Длина волны, скорость распространения волны и соотношения между ними. Звуковые волны. Эхо Механические волны - это распространяющиеся в упругой среде возмущения (отклонения частиц среды от положения равновесия) . Если колебания частиц и распространение волны происходят в одном направлении, волну называют продольной, а если эти движения происходят в перпендикулярных направлениях, - поперечной. Продольные волны, сопровождаемые деформациями растяжения и сжатия, могут распространяться в любых упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные волны распространяются в тех средах, где появляются силы упругости при деформации сдвига, т.е. в твердых телах. При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества. Скорость, с которой распространяется возмущение в упругой среде, называют скоростью волны. Она определяется упругими свойствами среды. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней (T) , называется длиной волны l (ламбда) . или . Звуковые волны - это продольные волны, в которых колебания частиц происходят вдоль ее распространения. Скорость звука в различных средах разная, в твердых телах и жидкостях она значительно больше, чем в воздухе. На границе сред с упругими свойствами звуковая волна отражается. С явлением отражения звука связано эхо. Это явление состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где он возник, через промежуток времени не менее 1/15 с. Через такой интервал времени человеческое ухо способно воспринимать раздельно следующие один за другим звуки.

 


следующая страница >>