Физика Кинематика Динамика Принцип реактивного движения Кинетическая и потенциальная энергии Явление интерференции Момент импульса Момент инерции Вынужденные колебания и резонанс Затухающие колебания

Предмет физики. Греческое слово «physis» в переводе означает «природа», поэтому наука о природе, наука, изучающая общие закономерности явлений природы, простейшие и вместе с тем наиболее свойства материи называется физикой. Можно утверждать, что физика является фундаментом, на котором строятся все естественные прикладные науки.

Развитие физики и, в частности, механики было обусловлено потребностями мореплавания, военного дела и строительства. К началу XVIII века был заложен фундамент физической науки. В основу средние легли великие идеи Исаака Ньютона (1643-1727), Николая Коперника (1478-1543), Галилео Галилея (1564-1642), Михаила Ломоносова (1711-1765). Начиная с конца в. развитие сопровождается бурным прогрессом техники. Изучение тепловых процессов привело к созданию нового раздела физики - термодинамики, а ее законы позволили конструировать тепловые машины. конце XIX начале ХХ появилось много новых открытий области электричества магнетизма. физике выделяются новые разделы: электродинамика, радиотехника, радиоэлектроника. со второй половины века, физикой интенсивно изучались свойства атомов, атомных ядер, элементарных частиц, получили научились управлять атомной ядерной энергией.

Большинство естественных наук имеют специальные физические разделы: астрофизика - в астрономии, биофизика биологии, металлофизика металловедении, физическая химия химии. Связь физики с другими науками взаимна: развиваясь помощью физики, эти науки обогащают физику своими достижениями и ставят перед нею новые задачи, разрешая которые физика развивается совершенствуется сама.

Физика позволяет создавать приборы и вырабатывать методы исследования, необходимые для успешного развития всех естественных прикладных наук. Проектирование любого технологического процесса требует знаний законов физики, чтобы правильно рассчитать оптимальные термодинамические условия проведение процесса, получения максимального выхода продукта при минимуме затрат. Растущая связь физики техники обуславливает значительную роль курса физики в технологическом университете, как фундаментальной базы теоретической подготовки инженера-механика, инженера-технолога др., без которой их практическая деятельность невозможна.

Понятие материи и движения. Весь окружающий мир, вся природа представляет собой материю. Материя - это объективная реальность, существующая независимо от нашего сознания. В современной науке всё многообразие делят условно на следующие виды: физический вакуум, физические поля, элементарные частицы, атомы молекулы, макроскопические тела различных размеров, планеты, звезды, галактики, системы галактик. Особый тип макроскопических тел живая материя.

Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение включает в себя все происходящие изменения процессы,  начиная от простого перемещения кончая мышлением. В мире нет материи без движения, движения материи. Современная наука выделяет три основные группы форм материи: неорганической природе, живой обществе. каждой из групп имеется множество что обусловлено множеством видов материи. Все формы связаны между собой. К первой группе относятся: пространственное перемещение; изменение полей; процессы превращения элементарных частиц; тепловые процессы; звуковые колебания; изменения космических системах др. Перечисленные изучает физика. Процессы взаимодействия атомов молекул составляют химическую форму движения. Этот тип химия. Вторую третью группы, включающие биологическую социальную движений, изучают биология различные общественные науки

Механика - часть физики, изучающая закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение изменение взаимного расположения материальных точек, тел их частей в пространстве с течением времени.

Механика, изучающая движение макроскопических тел со скоростями, значительно меньшими скорости света в вакууме (с=3>×108м/с), называется классической механикой Галилея-Ньютона. Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света, изучаются релятивисткой механикой, в основе которой лежит специальная теория относительности А.Эйнштейна.

Законы движения и взаимодействия микрочастиц (атомов, элементарных частиц), обладающих двойственной природой (они обладают свойствами частицы, волны), описываются с помощью квантовой механики, которая была разработана М.Планком, Э.Шредингером, В.Гейзенбергом, П.Дираком. Квантовая механика делится на нерелятивистскую квантовую механику, изучающую движение со скоростями, значительно меньшими скорости света релятивистскую изучающую сравнимыми скоростью света.

Механика делится на три раздела: статику, кинематику, динамику. Статика изучает законы равновесия системы тел. Она подробно изучается в курсе теоретической механики. Поэтому предлагаемом пособии этот раздел мы опускаем.

1. КИНЕМАТИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО И ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, вызывающие это движение.

1.1.  Система отсчета. Радиус‑вектор материальной точки.

Простейшим примером механического движения является движение материальной точки. Материальная точка – это модель реального тела, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Для описания движения необходимо ввести тело отсчета и систему отсчета.

Подпись:  
Рис.1.1. Радиус-вектор и его состовляющие в декартовой системе координат.
Тело отсчета – это тело, условно принятое за неподвижное. Система отсчета – совокупность системы координат и часов, связанных с телом отсчета. Для решения большинства физических задач систему отсчета связывают либо с Солнцем, либо с Землей. Система отсчета, центр которой совмещен с Солнцем, называется гелиоцентрической (гелиос - по-гречески Солнце). Система отсчета, центр которой совмещен с Землей называется геоцентрической (геос - по-гречески Земля). Правильный выбор системы координат часто упрощает решение поставленной физической задачи. Важнейшими пространственными системами координат, применяемых в механике, являются прямоугольная декартова и системы криволинейных координат (цилиндрическая, сферическая, эллипсоидная и др.).

Пусть точка М движется в пространстве. На рис.1.1 представлены тело отсчета О и связанная с ним прямоугольная декартова система координат. Вектор, соединяющий начало (тело) отсчета точкой М, есть радиус-вектор этой точки >. Из точки М опустим перпендикуляры на ось OZ и плоскость ХОY. Из точки М’ проведем перпендикуляры к осям ОХ и OY. Векторы  на координатных осях называются составляющими радиуса-вектора.  Пользуясь правилом сложения векторов можно получить 

Модули >,, есть проекции радиуса-вектора на координатные оси. Проекция – всегда скалярная величина. Эти проекции называются координатами материальной точки М –  x, y, z . Отсюда  , .

Каждому вектору может быть сопоставлен единичный вектор (орт), имеющий то же направление, что и сам вектор, но по модулю равный единице. Пусть >- орты координатных осей соответственно. Тогда можно записать или .

При движении материальной точки ее координаты и радиус-вектор изменяются с течением времени. Поэтому в общем случае можно записать: > или .

Это уравнение называется кинематическим уравнением движения материальной точки. Непрерывная кривая, которую описывает точка при своем движении относительно системы координат, траекторией.

1.2. > Кинематические характеристики и уравнения поступательного движения. 

Кроме модели реального тела в виде материальной точки, физике часто используется модель абсолютно твердого тела. Тело считается абсолютно твердым, если условиях рассматриваемой задачи оно не деформируется, т.е. расстояние между любыми двумя произвольными точками сохраняется неизменным.

Движение материальной точки и твердого тела можно разложить на два вида движения - поступательное вращательное. Любой другой вид есть их комбинация.

Поступательное движение твердого тела - это такое движение, при котором любая прямая, >Подпись:  Рис.2.1. Пример поступа¬тельного движения твер¬дого тела.
жестко связанная с телом, остается параллельной самой себе (рис.2.1). Поступательное движение твердого тела будет прямолинейным, если траектории всех его точек - параллельные прямые линии; криволинейным, если траектории произвольной формы.

Пусть за время > материальная точка переместилась из положения А в В по криволинейной траектории (рис.3.1). Расстояние, пройденное точкой вдоль траектории за время  есть скалярная, положительная величина – путь .   - радиусы-векторы точек А и В.

Вектор, соединяющий точки А и В, называется вектором перемещения > . В общем случае модуль вектора перемещения не равен пути (см. рис.3.1)  . Лишь при прямолинейном движении  . На малых временных интервалах, когда , можно с большой точностью считать, что Подпись:  
Рис.3.1. Путь и перемещение точки.
.

Векторная физическая величина, характеризующая изменение радиус-вектора с течением времени, называется скоростью. Скорость характеризует изменение > как по численному значению, так и по направлению. Различают среднюю и мгновенную скорости. Средняя скорость - это скорость за данный промежуток времени на данном участке траектории. Она равна отношению вектора перемещения  за время  к этому промежутку времени . Мгновенная скорость - это скорость в данный момент времени, в данном месте траектории. Она определяется как предел, к которому стремится  при ®0. Отсюда следует .

Математически, вектор мгновенной скорости равен первой производной от радиуса-вектора по времени. Таким образом >. Вектор  направлен вдоль вектора , вектор  направлен по касательной к траектории в данной точке.

Векторная физическая величина, характеризующая изменение вектора скорости с течением времени называется ускорением >. Различают среднее и мгновенное ускорения. Среднее ускорение  равно отношению изменения вектора скорости за время Dt к этому промежутку времени . Мгновенное ускорение , т.е. ускорение в данный момент времени находится как предел  при Dt ®0. Отсюда =.

Вектор ускорения в данный момент времени определяется как первая производная от вектора скорости по или вторая радиуса-вектора времени.

Подпись:  Рис. 4.1. Нормальное, тангенцальное и полное ускорения. Поскольку скорость величина векторная, она может изменяться как по величине, так и по направлению. Изменение вектора скорости  можно представить в виде суммы двух слагаемых векторов  и т.е. =+, где - изменение скорости по величине, - изменение скорости по направлению за промежуток времени Dt. Поэтому вводят две составляющие ускорения: - тангенциальное или касательное ускорение, - нормальное ускорение. Полное ускорение  , где - характеризует изменение скорости только по величине, а - характеризует изменение скорости только по направлению. На основании вышеизложенного можно записать мгновенное ускорение

,

Тангенциальное ускорение > численно равно первой производной от скорости по времени и направлено по касательной к траектории в данной точке. Вот почему  называется еще касательным ускорением.

Учитывая, что >, можно геометрическими построениями и расчетами получить. Вектор перпендикулярен траектории в данной точке (направлен по радиусу кривизны траектории к центру), отсюда его название – центростремительное ускорение. Полное ускорение численно равно

.

Вектор > является диагональю прямоугольника со сторонами  и  (рис.4.1).

Колебательными называются процессы в той или иной степени повторяющиеся во времени. Виды колебаний: Свободными колебаниями называются колебания, которые возникают в колебательной системе, в отсутствии внешних воздействий. Эти колебания возникают в следствии какого-либо начального наклонения колебательной системы от положения равновесия. Вынужденные колебания – это колебания, возникающие в колебательной системе под влиянием переменного внешнего воздействия.
Физика курс лекций