Законы Ньютона образуют основу динамики — раздела механики, рассматривающего взаимодействие тел.
Первый закон Ньютона отражает свойство инерции, тел и часто называется законом инерции. Он утверждает, что всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других не заставит его изменить это состояние. Ясно, во-первых, этот выполняется только в инерциальных системах отсчета. Во-вторых, отсюда следует важное заключение, что, поскольку изменение состояния движения связано с наличием системе ускорения, последнее, свою очередь, возникает как результат воздействия тел. Это утверждение создает предпосылки для формулирования второго закона Ньютона.
Воздействие одного физического тела на другое характеризуется физической величиной, называемой силой. Сила, действующая тело, сообщает ему ускорение. Величина полученного ускорения пропорциональна приложенной силе. Но разные под влиянием одинаковых сил приобретают ускорения. Данный опытный факт есть проявление уже упоминавшегося свойства инерции тела. Это свойство количественно инертной массой — коэффициентом пропорциональности между к телу силой и полученным им ускорением.
Таким образом, второй закон Ньютона
может быть записан в форме:
, (1.24)
где фигурируют вновь введенные физические величины: вектор силы F и инертная масса тела m. В таком виде его можно сформулировать следующим образом: ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело, обратно массе тела. Третий закон Ньютона имеет дело со взаимодействующими, телами. Он утверждает, что силы, с которыми действуют друг друга взаимодействующие тела, равны по величине противоположны направлению. Важно подчеркнуть, о которых идет речь, приложены к разным взаимодействующим другом телам.
Законы сохранения
Запишем уравнение (1.24) в виде
. (1.25)
Выражение (2.25) представляет собой уравнение движения частицы. Если его проинтегрировать, то можно найти траекторию частицы r = r(t, F). Однако часто это не является необходимым. Оказывается, уравнения Ньютона обладают тем свойством, что некоторые величины, характеризующие движение частицы, остаются неизменными во все время движения. О таких величинах принято говорить, они сохраняются. Их также называют интегралами Знание интегралов позволяет получить ряд важных следствий без фактического решения уравнений Получим сохраняющиеся величины.
Перепишем уравнение (1.25) в виде
. (1.26)
Величина>
называется импульсом тела. Внеся величину
m под знак дифференциала в (1.26), закон Ньютона можно записать в форме:
. (1.27)
Физический смысл импульса становится очевидным, если уравнение (1.27) проинтегрировать на конечном интервале времени от 0 до t:
. (1.28)
Изменение импульса служит мерой величины силы, действующей на тело в течение конечного промежутка времени. Численно величина
. (1.29)
Рассмотрим тело или систему тел в отсутствие внешних сил. Система тел, на которую не действуют внешние силы (или векторная сумма этих сил равна нулю), является замкнутой. В этом случае F=0; как видно из уравнений (1.26) (1.27),
, т.е. величина , (1.30)
остается постоянной во все время движения. Полученный результат представляет собой закон сохранения импульса, который имеет место как для одного тела, так и системы тел в отсутствие внешних сил.
В отсутствие внешних сил сохраняется еще одна скалярная величина. Если умножить уравнение (1.26) одновременно слева и справа на вектор скорости, в левой части окажется производная от полного дифференциала, примет вид
. (1.31)
Пусть F = 0. Тогда постоянной во время движения является величина
. (1.32)
Она называется кинетической
энергией частицы. При отсутствии внешних сил, т. е. в замкнутой системе, сохраняется
кинетическая энергия как случае одного тела, так и для системы тел. Когда на частицу
действует внешняя сила F, не остается постоянной. В этом согласно (1.31) приращение
энергии за время dt равно скалярному произведению>
. Величина dA = — это работа, совершаемая силой F на пути dr
.
Проинтегрируем соотношение (1. 31) вдоль некоторой траектории от точки 1 до 2:
.
Левая часть представляет собой приращение кинетической энергии на пути между точками 1 и 2, а величина
(1.33)
есть работа силы на пути 1—2.
Таким образом, работа сил, действующих на частицу, расходуется изменение ее кинетической энергии:
. (1.34)
Соответственно, изменение кинетической энергии частицы служит мерой работы, произведенной над частицей.
Если частица в каждой точке пространства подвержена действию других тел, то говорят, что эта находится поле сил. В случае силового поля действие силы распределено по всему пространству. Рассмотрим такое сил, которого на частицу зависит только от положения частицы пространстве. Такое можно описать с помощью некоторой скалярной функции φ(r), зависящей, а соответствии со сказанным, координат. Это случай специального, но часто встречаемого природе потенциального поля, функция характеризующая поле, является потенциалом поля. Сила связана соотношением
, (1.35)
где постоянная определяется свойствами частицы, взаимодействующей с полем сил.
Подставим соотношение (1.35) в (1.33) и опять проинтегрируем вдоль траектории от точки 1 до 2. Получим
T2 - T1 +const(φ2 φ1) = О,
т.е. величина T2 +const·φ2 = T1 +const·φ1 остается постоянной при движении вдоль траектории. Таким образом, для частицы в потенциальном поле внешней силы сохраняется, т. е. является интегралом движения,
E = T+const·φ(r). (1.36)
Величина U = const·φ(r) называется потенциальной энергией частицы в поле φ(r), а выражение (1.36) представляет собой полную механическую энергию
E = T + U. (1.37)
