Физические основы механики, Исаков А.Я., 2007

Физические основы механики, Исаков А.Я., 2007.
    Программа изучения курса физики предусматривает самостоятельную работу студентов, которая заключается, в основном, в приобретении навыков практического использования физических законов при решении задач. Умение применять приобретенные теоретические знания является основной целью изучения любой дисциплины университетской образовательной программы, физика здесь не является исключением.
Эта книга посвящена физическим основам законов движения и адресована всем тем, кто по роду своих занятий или из любопытства пытается разобраться в окружающих нас процессах, кто интересуется естествознанием, историей возникновения физических теорий, кто стремиться научиться использовать законы движения в своей профессиональной деятельности или повседневной жизни. Тема движения является одной из основных в таких дисциплинах, как физика, теоретическая механика, термодинамика, гидродинамика, астрономия, теория машин и механизмов и многих других, с которыми приходится сталкиваться аспирантам, студентам, лицеистам, школьникам старших классов и просто любопытным людям, стремящимся узнать новое.
Ближневосточное начало.
Когда в прошлом веке начитали писать книги, посвященные законам движения, то непременно было принято по известным причинам ссылаться на идеологических классиков, в частности на В. И. Ленина, который поучал: «В мире нет ничего, кроме движущейся материи, и движущаяся материя не может двигаться иначе, как в пространстве и во времени». Эту справедливую сентенцию нельзя признать пионерской, потому как задолго до исторического материализма классики естествознания разрабатывали свои бессмертные теории движения, исходя из того, что происходит оно, это самое движение, завсегда в пространстве и непременно во времени. Достаточно вспомнить Аристотеля, Архимеда, Галилея, Ньютона и многих других, которые за долго до В.И. Ленина осознали это фундаментальное обстоятельство и использовали его в качестве основы своих теорий и их практических реализаций [1].
Сейчас трудно установить, когда и где человек впервые начал интересоваться движением. Это могло произойти на африканских просторах, в Месопотамии, Древнем Китае, Древней Индии, в загадочных цивилизациях Южной Америки или на просторах нашей необъятной Родины. Антропологи склонны считать, что около 4 млн. лет назад в живописных ландшафтах Восточной и Южной Африки обретались обезьяноподобные существа - австралопитеки (рис. 1.1), имевшие рост 120 - 130 см и объём головного мозга порядка 600 см3, что не намного меньше, чем у современного человека. Однако объёма этого мозга хватило, чтобы представить всю полезность обыкновенной палки, которая, с одной стороны, удлиняла его руки, а с другой - могла трансформировать требуемые движения, производя эффекты невиданные до этого во всём окружающем пространстве. Пожалуй именно с этого началось, во многом загадочное и противоречиво победное развитие прямоходящих существ, которым было суждено не только выжить в жестокой действительности, но и подчинить реалии своим интересам. Причём, наряду с огнём, познание тайн движения стало в этом процессе основополагающим.
Естественно, что человека никак нельзя абсолютизировать, практически все живые организмы используют перемещение для создания собственного благополучия, но наиболее успешными в деле использования разного рода движений стали наши пращуры. Именно наши далёкие предки научились метать естественные и искусственно созданные для этих целей предметы. Изобретение копья (рис. 1.2), в частности, позволило осознанно использовать баллистическую траекторию движения, описанную математически на много тысячелетий позже, когда знания стали выходить за пределы практических потребностей.
Оглавление
1. Исторический экскурс
1.1. Ближневосточное начало 4
1.2. Дальневосточное начало 11
1.3. Древняя Греция и Древний Рим 12
1.4. Античные теории движения 15
2. Кинематические характеристики движения
2.1. Общие принципы 24
2.2. Основные единицы измерения 24
2.3. Способы задания движения 27
2.4. Траектория. Путь. Перемещение 30
2.5. Скорость точки 31
2.6. Ускорение точки 36
3. Основные типы движения
3.1. Равномерное прямолинейное движение 40
3.2. Равнопеременное прямолинейное движение 42
3.3. Движение тела, брошенного под углом к горизонту 45
3.4. Вращательное движение твёрдого тела вокруг неподвижной оси 51
4. Возникновение и развитие динамики
4.1. Вводные замечания 56
4.2. Механика Леонардо да Винчи 59
4.3. Небесная механика 68
4.4. Галилео Галилей и Исаак Ньютон 74
5. Динамика материальной точки
5.1. Понятие о силе 81
5.2. Принцип освобождаемости 82
5.3. Законы Ньютона 83
5.4. Методика решения второй задачи динамики 88
5.5. Импульс материальной точки. Закон сохранения импульса 98
6. Элементы динамики системы материальных точек
6.1. Понятие механической системы 103
6.2. Масса и центр масс системы 104
6.3. Движение центра масс механической системы 106
6.4. Движение тел с переменной массой 118
7. Работа и энергия
7.1. Работа и мощность сил 121
7.2. Кинетическая энергия 125
7.3. Потенциальная энергия 126
7.4. Закон сохранения механической энергии 128
7.5. Законы столкновения тел 130
7.6. Условия равновесия консервативных систем 132
7.7. Примеры применения законов сохранения 134
8. Момент импульса
8.1. Момент силы и момент импульса 183
8.2. Динамика тела, вращающегося вокруг неподвижной оси 186
8.3. Моменты инерции тел простой геометрии 189
8.4. Примеры использования уравнений движения твёрдого тела 191
9. Трение
9.1. Виды сил трения 232
9.2. Вязкое трение 235
9.3. Трение скольжения 238
9.4. Трение качения 240
9.5. Примеры применения законов трения 242
10. Относительное движение
10.1. Силы инерции 245
10.2. Инерция вращательного движения 250
10.3. Силы инерции, возникающие во вращающейся системе отсчёта 251
11. Тяготение. Элементы теории поля
11.1. Законы Иоганна Кеплера. Закон всемирного тяготения 254
11.2. Сила тяжести и вес. Невесомость 256
11.3. Потенциальная энергия тяготения 258
11.4. Движение тел в поле тяготения 260
12. Элементы механики жидкостей и газов
12.1. Давление в жидкости и газе. Закон Паскаля 262
12.2. Сжимаемость 268
12.3. Закон Архимеда 269
12.4. Атмосферное давление 271
12.5. Кинематические характеристики движущейся жидкости 274
12.6. Уравнение Даниила Бернулли 276
12.7. Истечение жидкости из сосуда. Формула Торричелли 278
12.8. Эффекты вязкости 280
12.9. Движение тел в жидкости или газе 284
12.10. Пограничный слой 287
12.11. Подъёмная сила крыла самолёта 290
12.12. Особенности вихревого движения 292
13. Примеры применения уравнений механики жидкости и газа
13.1. Элементы гидростатики 298
13.2. Элементы гидродинамики 322
Литература 343.