Чтобы понять, почему и каким образом движутся окружающие нас объекты в быту и космические тела во Вселенной, необходимо знать и понимать законы Ньютона. Они составляют прочный фундамент специального раздела классической физики - механики. В данной статье мы подробно выясним, в чем состоит основное утверждение механики.
Изучение законов движения известными умами в истории
Со времен цивилизаций Древнего Египта и Месопотамии человечество пыталось описать движение различных тел, начиная от полета камня и заканчивая смещением звезд на небесной сфере. За несколько веков до нашей эры многие философы античной Греции во главе с Аристотелем полагали, что любое движение является результатом воздействия на тела внешних усилий. Как только эти усилия исчезают, тела моментально останавливаются. Покой - это нормальное состояние любой материи, так полагали древние греки.
Вам будет интересно:«Не ровен час» - значение выражения
Прошло более полутора тысяч лет, когда такие ученые как Гук, Гюйгенс, Галилей и Ньютон снова заинтересовались проблемой перемещения тел в пространстве. Следует отметить большой вклад Галилея, который, по сути, сформулировал основное утверждение механики и разработал научный подход к изучению явлений природы.
В конце XVII века Исаак Ньютон публикует знаменитую работу, которая содержит накопленный предыдущими учеными экспериментальный опыт по изучению механического движения, структурированный в виде стройной теории с ясными и понятными математическими формулами. Именно поэтому в настоящее время Исаак Ньютон считается ученым, который основал современную классическую механику.
Основные физические величины
Прежде чем сформулировать основное утверждение механики (в 10 классе его рассматривают глубже, хотя законы Ньютона изучают еще в 7 классе), мы познакомимся с рядом физических величин, понимание которых является ключевым моментом для раскрытия темы статьи.
Начнем с понятия о массе тела. Ее обычно обозначают буквами m или M. Означает эта величина количество вещества, которым обладает данный объект. Масса является мерой инерционных свойств и проявляет себя во время любого вида движения. Измеряется в килограммах в СИ.
Скорость - это мера быстроты изменения положения тела в пространстве. Обозначается она как v и измеряется в метрах в секунду.
Сила F - величина, которая способна совершать работу по перемещению тел и изменению их потенциальной и кинетической энергии. Сила измеряется в Ньютонах. Ее воздействие на тело приводит к появлению ускорения у него.
Ускорение - описывающая быстроту изменения скорости величина, которая измеряется в метрах в квадратную секунду. Появляется оно только в присутствии внешних сил в инерционных системах отсчета.
Законы механики Ньютона
Основное утверждение механики является следствием ньютоновских трех законов. Они называются законом инерции, взаимоотношения ускорения и силы и действия и противодействия. Все они получены исключительно на основании многочисленных экспериментов и наблюдений и являются фундаментальными, то есть не следуют не из одного физического принципа. Перечислим кратко суть каждого из них.
Первый закон гласит, что если не воздействовать на тело внешними силами, то оно не изменит своего состояния механического движения никогда, то есть будет двигаться равномерно и прямолинейно или будет покоиться, что является одним и тем же.
Второй закон говорит о том, что если сила начала действовать на тело, то она неминуемо приведет к изменению его движения, создав ускорение. Последнее будет прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально инерционной массе, то есть:
a = F/m.
Третий закон постулирует, что любое физическое действие одного тела на другое приводит к аналогичному противоположному противодействию, что записывают так:
F12 = -F21.
Отметим, что силы F12 и F21 действуют на разные тела.
Основное утверждение механики
Все три закона приводят к вполне ясному выводу: если на тело не действуют силы, либо их векторная сумма равна нулю, то тело не изменит своей скорости и прямолинейной траектории, такое изменение возможно только при наличии ненулевых сил. Это утверждение, по сути, является обобщением первого и второго ньютоновских законов. Оно называется основным утверждением механики.
Приведем пример. Предположим, что мы раскрутили камень на веревке. Натяжение веревки действует на камень, заставляя его вращаться. Допустим, в один момент веревка порвалась, что произойдет с камнем? Верно, он полетит прямо, не меняя своей скорости. В конечном итоге он все же упадет на землю, что связано уже с действием силы тяжести.
Важность системы отсчета
Основное утверждение классической механики будет справедливым только в инерциальной системе отсчета. Такой системой является любой объект, движущийся равномерно и по прямой линии. Если же система отсчета сама вращается или движется по иной криволинейной траектории, то в ней появляются фиктивные центробежные силы. Такие системы называются неинерционными. В них тело может изменять характеристики своего движения, даже если на него не действуют внешние силы.
Наша Земля вращается вокруг оси и вокруг светила, поэтому точно полагаться инерциальной системой отсчета не может. Тем не менее, мы ее такой считаем по той простой причине, что создаваемое центростремительное ускорение при этих вращениях порядка 0,01 м/с2, что почти в 1000 раз меньше ускорения свободного падения на нашей планете.
