Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

3.1. Закон сохранения импульса

Рассмотрим систему, состоящую из n материальных точек. Обозначим через силу, с которой материальная точка k действует на i -ю материальную точку (т.е. – это внутренняя сила). Обозначим через , результирующую всех внешних сил, действующих на i-тую материальную точку. Тогда, согласно второму закону Ньютона

(1)

Сложим все эти уравнения

(2)

Согласно третьему закону Ньютона каждая из скобок равна нулю. Следовательно, сумма внутренних сил, действующих на тела системы всегда равна нулю, т.е. . (3)

С учетом этого из (2) получим . (4)

Введем понятие импульса системы . (5)

С учетом этого из (4) находим , (6)

где , т.е. производная по времени импульса системы равна геометрической сумме внешних сил, действующих на тела системы.

Если , то соответственно и, следовательно,

. (7)

Итак, если геометрическая сумма внешних сил, действующих на систему, равна нулю, то импульс системы сохраняется, т.е. не изменяется со временем. В частности, это имеет место, когда система замкнута: .

Импульс замкнутой системы сохраняется.

Это утверждение представляет закон сохранения импульса – фундаментальный закон природы, не знающий никаких исключений. В таком широком понимании закон сохранения импульса не может рассматриваться как следствие законов Ньютона.

Оказывается, в основе закона сохранения импульса лежит однородность пространства: т.е. одинаковость свойств пространства во всех его точках.

Однородность пространства означает, что если замкнутую систему перенести из одного места в другое, поставив при этом все тела в ней в те же условия, в каких они находились в прежнем положении, то это не отразится на ходе всех последующих явлений.

3.2. Центр масс и закон его движения

В динамике широко используется понятие центра масс системы материальных то чек, который обычно обозначают буквой С. Положение центра масс определяется радиусом-вектором

. (8)

Здесь m_i – масса i-той материальной точки, – радиус-вектор, задающий положение этой точки, – суммарная масса системы.

Отметим, что в однородном поле сил тяжести центр масс совпадает с центром тяжести системы. Скорость центра масс

, (9)

где ­ – импульс системы. Согласно (9) импульс системы

. (10)

Подставив (10) в (6), получим уравнение движения центра масс

. (11)

Таким образом, центр масс движется так, как двигалась бы материальная точка с массой, равной массе системы, под действием результирующей всех внешних сил, приложенных к телам системы.

Для замкнутой системы и, следовательно, [см. (11)]

, (12)

это означает, что центр масс замкнутой системы движется прямолинейно и равномерно, либо покоится.

Система отсчета, относительно которой центр масс покоится, называется системой центра масс. Эта система инерциальна.

3.3. Реактивное движение. Движение тел с переменной массой

Имеется много явлений, в основе которых лежит закон сохранения импульса. Например, полет ракет (и работа реактивных двигателей) основаны на том, что в результате выбрасывания из сопла газов, ракете сообщается такой же импульс, который уносят с собой газы. Впервые мысль о возможности такого применения реактивных двигателей была высказана Кибальчичем в 1881 г. Выведем уравнение движения материальной точки с переменной массой на примере движения ракеты.

Пусть m(t) – масса ракеты в произвольный момент времени t, – ее скорость в тот же момент времени, а – скорость убыли ее массы [ = (dm/dt)] за счет истечения газов. Импульс ракеты в этот момент будет . В следующий момент времени (t+dt) ракета будет иметь массу , а ее скорость получит приращение и будет равна . Отделившиеся от ракеты газы будут иметь относительно Земли скорость . Тогда импульс ракеты в момент времени (t+dt) равен: , импульс газов . Изменение импульса всей системы (ракета + ее газы) за время dt будет равно:

(13)

В уравнении (13), как членом второго порядка малости можно пренебречь. Согласно второму закону Ньютона скорость изменения импульса за время dt равна внешней силе, действующей на это тело за это время, т. е.: . С учетом (13) находим

(14)

или , (15)

где – скорость истечения газов относительно ракеты. Уравнение (15) называют уравнением Мещерского или уравнением движения точки с переменной массой. Если , то уравнение (15) переходит в уравнение вида:

, (16)

решая которое можно получить:

, (17)

где т₀ - начальная стартовая масса ракеты (когда ) .

Максимальная скорость

, (18)

где т_топл – масса топлива и окислителя. В действительности, скорость будет меньше. Формула (17) называется Формулой Ц и о л к о в с к о г о.

Л Е К Ц И Я №4 . Р А Б О Т А . П О Т Е Н Ц И А Л Ь Н А Я Э Н Е Р Г И Я

4.1. Работа

Если под действием некоторой силы тело совершает элементарное перемещение , то говорят, что сила совершает элементарную работу (рис. 1). Вектор силы можно разложить на две составляющие, одна из которых совпадает по направлению с вектором перемещения, другая перпендикулярна ему.

Очевидно, что перемещать тело, а, следовательно, совершать работу будет только составляющая силы . Таким образом, элементарная работа

, (1)

где  – угол между вектором силы и элементарным перемещением.

Так как скалярное произведение двух векторов равно произведению их модулей на косинус угла между ними, то

. (2)

Для того чтобы определить работу по всей траектории движения, необходимо просуммировать работы на каждом элементарном участке

. (3)

Единицей работы в СИ служит работа, совершаемая на пути в один метр с силой в один ньютон, действующей в направлении перемещения. Эта единица называется джоулем (Дж), т.е. 1 Дж = 1 Н1 м.

Заметим, что в джоулях измеряется также энергия , количество теплоты.

Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью:

. (4)

Единицей мощности в СИ является ватт (Вт) – это такая мощность, при которой за одну секунду совершается работа, равная одному джоулю, т. е. 1 Вт = 1 Дж/1с. Заметим, что 1 кВт = 10³ Вт, 1 МВт = 10⁶ Вт, 1 ГВт = 10⁹ Вт (приставка М читается как «мега», а приставка Г – как «гига»). В технике иногда применяется единица мощности, именуемая лошадиной силой (л. с.) и равная 736 Вт.

4.2. Консервативные и неконсервативные силы

Все силы, встречающиеся в механике , принято разделять на консервативные и неконсервативные.

Сила, действующая на материальную точку, называется консервативной (потенциальной), если работа этой силы зависит только от начального и конечного положений точки. Работа консервативной силы не зависит ни от вида траектории, ни от закона движения материальной точки по траектории (см. рис. 2): .

Изменение направления движения точки вдоль малого участка на противоположное вызывает изменение знака элементарной работы , следовательно, . Поэтому работа консервативной силы вдоль замкнутой траектории 1a2b1 равна нулю: .

Точки 1и 2, а также участки замкнутой траектории 1a2 и 2b1 можно выбирать совершенно произвольно. Таким образом, работа консервативной силы по произвольной замкнутой траектории L точки ее приложения равна нулю:

или . (5)

В этой формуле кружок на знаке интеграла показывает, что интегрирование производится по замкнутой траектории. Часто замкнутую траекторию L называют замкнутым контуром L (рис. 3). Обычно задаются направлением обхода контура L по ходу часовой стрелки. Направление элементарного вектора перемещения совпадает с направлением обхода контура L. В этом случае формула (5) утверждает: циркуляция вектора по замкнутому контуру L равна нулю.

Следует отметить, что силы тяготения и упругости являются консервативными, а силы трения неконсервативными. В самом деле, поскольку сила трения направлена в сторону, противоположную перемещению или скорости, то работа сил трения по замкнутому пути всегда отрицательна и, следовательно, не равна нулю.

4.3. Потенциальная энергия

Е сли на материальную точку действует консервативная сила, то можно ввести скалярную функцию координат точки , называемую потенциальной энергией.

Потенциальную энергию определим следующим образом

, (6)

где С – произвольная постоянная, а – работа консервативной силы при перемещении материальной точки из положения в фиксированное положение . Образуем разность значений потенциальной энергии для точек 1 и 2 (см. рис. 4) и воспользуемся тем, что

.

Правая часть, полученного соотношения, дает работу, совершаемую на пути из точки 1

1

в точку 2, проходящем через точку О; Вследствие независимости работы от формы пути такая же работа А совершается на любом другом пути, т.е.

Характеристики

Список файлов лекций