что такое механика классическая механика ньютона и границы ее применимости
Основы механики. Границы применимости классической механики.
В рамках любого учебного курса изучение физики начинается с механики. Не с теоретической, не с прикладной и не вычислительной, а со старой доброй классической механики. Эту механику еще называют механикой Ньютона.
По легенде, ученый гулял по саду, увидел, как падает яблоко, и именно это явление подтолкнуло его к открытию закона всемирного тяготения. Конечно, закон существовал всегда, а Ньютон лишь придал ему понятную для людей форму, но его заслуга – бесценна. В данной статье мы не будем расписывать законы Ньютоновской механики максимально подробно, но изложим основы, базовые знания, определения и формулы, которые всегда могут сыграть Вам на руку.
Механика – раздел физики, наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействия между ними.
Само слово имеет греческое происхождение и переводится как «искусство построения машин». Но до построения машин нам еще как до Луны, поэтому пойдем по стопам наших предков, и будем изучать движение камней, брошенных под углом к горизонту, и яблок, падающих на головы с высоты h.
Почему изучение физики начинается именно с механики? Потому что это совершенно естественно, не с термодинамического же равновесия его начинать?!
Механика – одна из старейших наук, и исторически изучение физики началось именно с основ механики. Помещенные в рамки времени и пространства, люди, по сути, никак не могли начать с чего-то другого, при всем желании. Движущиеся тела – первое, на что мы обращаем свое внимание.
Что такое движение?
Механическое движение – это изменение положения тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.
Именно после этого определения мы совершенно естественно приходим к понятию системы отсчета. Изменение положения тел в пространстве относительно друг друга. Ключевые слова здесь: относительно друг друга. Ведь пассажир в машине движется относительно стоящего на обочине человека с определенной скоростью, и покоится относительно своего соседа на сиденье рядом, и движется с какой-то другой скоростью относительно пассажира в машине, которая их обгоняет.
Механика, как наука, имеет свою задачу.
Задача механики – в любой момент времени знать положение тела в пространстве. Иными словами, механика строит математическое описание движения и находит связи между физическими величинами, его характеризующими.
Для того, чтобы двигаться далее, нам понадобится понятие “материальная точка”. Говорят, физика – точная наука, но физикам известно, сколько приближений и допущений приходится делать, чтобы согласовать эту самую точность. Никто никогда не видел материальной точки и не нюхал идеального газа, но они есть! С ними просто гораздо легче жить.
Материальная точка – тело, размерами и формой которого в контексте данной задачи можно пренебречь.
Разделы классической механики
Механика состоит из нескольких разделов
Кинематика с физической точки зрения изучает, как именно тело движется. Другими словами, этот раздел занимается количественными характеристиками движения. Найти скорость, путь – типичные задачи кинематики
Динамика решает вопрос, почему оно движется именно так. То есть, рассматривает силы, действующие на тело.
Статика изучает равновесие тел под действием сил, то есть отвечает на вопрос: а почему оно вообще не падает?
Границы применимости классической механики.
Классическая механика уже не претендует на статус науки, объясняющей все (в начале прошлого века все было совершенно иначе), и имеет четкие рамки применимости. Вообще, законы классической механики справедливы привычном нам по размеру мире (макромир). Они перестают работать в случае мира частиц, когда на смену классической приходит квантовая механика. Также классическая механика неприменима к случаям, когда движение тел происходит со скоростью, близкой к скорости света. В таких случаях ярко выраженными становятся релятивистские эффекты. Грубо говоря, в рамках квантовой и релятивистской механики – классическая механика, это частный случай, когда размеры тела велики, а скорость – мала.
Движение на скорости, близкой к скорости света, нельзя описать законами классической механики
Вообще говоря, квантовые и релятивистские эффекты никогда никуда не деваются, они имеют место быть и при обычном движении макроскопических тел со скоростью, много меньшей скорости света. Другое дело, что действие этих эффектов так мало, что не выходит за рамки самых точных измерений. Классическая механика, таким образом, никогда не потеряет своей фундаментальной важности.
Основы механики для чайников. Введение
В рамках любого учебного курса изучение физики начинается с механики. Не с теоретической, не с прикладной и не вычислительной, а со старой доброй классической механики. Эту механику еще называют механикой Ньютона. По легенде, ученый гулял по саду, увидел, как падает яблоко, и именно это явление подтолкнуло его к открытию закона всемирного тяготения. Конечно, закон существовал всегда, а Ньютон лишь придал ему понятную для людей форму, но его заслуга – бесценна. В данной статье мы не будем расписывать законы Ньютоновской механики максимально подробно, но изложим основы, базовые знания, определения и формулы, которые всегда могут сыграть Вам на руку.
Механика – раздел физики, наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействия между ними.
Исаак Ньютон
Почему изучение физики начинается именно с механики? Потому что это совершенно естественно, не с термодинамического же равновесия его начинать?!
Механика – одна из старейших наук, и исторически изучение физики началось именно с основ механики. Помещенные в рамки времени и пространства, люди, по сути, никак не могли начать с чего-то другого, при всем желании. Движущиеся тела – первое, на что мы обращаем свое внимание.
Что такое движение?
Механическое движение – это изменение положения тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.
Именно после этого определения мы совершенно естественно приходим к понятию системы отсчета. Изменение положения тел в пространстве относительно друг друга. Ключевые слова здесь: относительно друг друга. Ведь пассажир в машине движется относительно стоящего на обочине человека с определенной скоростью, и покоится относительно своего соседа на сиденье рядом, и движется с какой-то другой скоростью относительно пассажира в машине, которая их обгоняет.
Механическое движение
Механика, как наука, имеет свою задачу. Задача механики – в любой момент времени знать положение тела в пространстве. Иными словами, механика строит математическое описание движения и находит связи между физическими величинами, его характеризующими.
Для того, чтобы двигаться далее, нам понадобится понятие “материальная точка”. Говорят, физика – точная наука, но физикам известно, сколько приближений и допущений приходится делать, чтобы согласовать эту самую точность. Никто никогда не видел материальной точки и не нюхал идеального газа, но они есть! С ними просто гораздо легче жить.
Материальная точка – тело, размерами и формой которого в контексте данной задачи можно пренебречь.
Разделы классической механики
Механика состоит из нескольких разделов
Кинематика с физической точки зрения изучает, как именно тело движется. Другими словами, этот раздел занимается количественными характеристиками движения. Найти скорость, путь – типичные задачи кинематики
Динамика решает вопрос, почему оно движется именно так. То есть, рассматривает силы, действующие на тело.
Статика изучает равновесие тел под действием сил, то есть отвечает на вопрос: а почему оно вообще не падает?
Границы применимости классической механики
Классическая механика уже не претендует на статус науки, объясняющей все (в начале прошлого века все было совершенно иначе), и имеет четкие рамки применимости. Вообще, законы классической механики справедливы привычном нам по размеру мире (макромир). Они перестают работать в случае мира частиц, когда на смену классической приходит квантовая механика. Также классическая механика неприменима к случаям, когда движение тел происходит со скоростью, близкой к скорости света. В таких случаях ярко выраженными становятся релятивистские эффекты. Грубо говоря, в рамках квантовой и релятивистской механики – классическая механика, это частный случай, когда размеры тела велики, а скорость – мала.
Движение на скорости, близкой к скорости света, нельзя описать законами классической механики
Вообще говоря, квантовые и релятивистские эффекты никогда никуда не деваются, они имеют место быть и при обычном движении макроскопических тел со скоростью, много меньшей скорости света. Другое дело, что действие этих эффектов так мало, что не выходит за рамки самых точных измерений. Классическая механика, таким образом, никогда не потеряет своей фундаментальной важности.
Мы продолжим изучение физических основ механики в следующих статьях. Для лучшего понимания механики Вы всегда можете обратиться к нашим авторам, которые в индивидуальном порядке прольют свет на темное пятно самой сложной задачи.
§ 2. Классическая механика Ньютона и границы ее применимости
Как и все законы физики, законы механики не абсолютно точны.
Законы механики были сформулированы великим английским ученым Исааком Ньютоном. На могильной плите в Вестминстерском аббатстве в Лондоне высечены знаменательные слова:
Здесь покоится Сэр Исаак Ньютон,
Который почти божественной силой своего ума
Впервые объяснил
С помощью своего математического метода
Движения и формы планет,
Пути комет, приливы и отливы океана.
Он первый исследовал разнообразие световых лучей
И проистекающие отсюда особенности цветов,
Которых до того времени никто даже не подозревал.
Прилежный, проницательный и верный истолкователь
Природы, древностей и священного писания.
Он прославил — в своем учении всемогущего Творца.
Требуемую Евангелием простоту он доказал своей жизнью.
Пусть смертные радуются, что в их среде
Жило такое украшение человеческого рода.
Родился 25 декабря 1642 г.
Умер 20 марта 1727 г.
Исаак Ньютон (1642—1727) — гениальный английский физик и математик, один из величайших ученых в истории человечества. Ньютон сформулировал основные законы и понятия механики и открыл закон всемирного тяготения. Он разработал также теорию движения небесных тел и впервые объяснил происхождение приливов и отливов в океане. В оптике Ньютон открыл явление разложения белого света на цвета, объяснил происхождение цветов и др. Разработав метод математического исследования природы, Ньютон повлиял на все последующее развитие физики.
На протяжении многих лет ученые были уверены, что единственными основными (фундаментальными) законами природы являются законы механики Ньютона. Все богатство и многообразие мира считали результатом различий в движении первичных частиц, слагающих все тела Вселенной. Однако простая механическая картина мира оказалась несостоятельной. При исследовании электромагнитных явлений было доказано, что они не подчиняются законам Ньютона. Другой великий английский физик Джеймс Клерк Максвелл открыл новый тип фундаментальных законов. Это законы поведения электромагнитного поля, не сводимые к законам Ньютона.
Было выяснено также, что законы Ньютона, как и любые другие законы природы, не являются абсолютно точными. Они хорошо описывают движение больших тел, если их скорость мала по сравнению со скоростью света в вакууме.
Механика, основанная на законах Ньютона, называется классической механикой.
Для микроскопических частиц справедливы, как правило, законы квантовой механики. При движениях со скоростями, близкими к скорости света, тела обнаруживают свойства, о существовании которых Ньютон не подозревал.
Классическая механика и границы ее применимости.
В основе классической механики лежат три закона Ньютона, сформулированные им в 1687 (. ) году. Эти законы явились результатом обобщения большого количества экспериментальных фактов, и их справедливость подтверждается согласием следствий из них опытным данным для очень широкого, хотя и ограниченного, круга явлений.
Однако в начале ХХ века было установлено, что движение тел при скоростях, сравнимых со скоростью света в вакууме – с, подчиняется иным законам – законам релятивистской динамики. Релятивистская динамика основывается на специальной теории относительности Эйнштейна.При этом при малых скоростях законы релятивистской динамики практически совпадают с уравнениями классической механики в соответствии с принципом дополнительности в физике. Принцип дополнительности заключается в утверждении о том, что всякая новая теория в качестве некоего своего предельного случая включат в себя законы предыдущей теории.
Похожая ситуация сложилась при описании движения микрообъектов – частиц, сравнимых по массе с массой атома. Разработанная для описания таких объектов квантовая механика, для тел с большой массой дает такие же результаты, как классическая механика.
Таким образом, можно сказать, что классическая механика – это механика тел с массой намного больше масс атомов, движущихся со скоростями намного меньше скорости света в вакууме.
ЗАКОНЫ НЬЮТОНА
Первый закон утверждает: всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения (говорят также, сохраняет состояние своего движения) до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.
Этот закон выполняется не во всех системах отсчета. Действительно: что если есть две системы отсчета, движущиеся друг относительно друга с ускорением, то первый закон не может одновременно выполняться в обеих системах отсчета.
Системы отсчета, в которых первый закон выполняется, называются инерциальными.
Экспериментально с очень высокой точностью установлено, что инерциальной является гелиоцентрическая система отсчета. (Гелиоцентрической называется система отсчета, начало координат которой расположено в центре солнца, а оси координат направлены на соответствующим образом выбранные звезды.) Можно доказать, что если некоторая система отсчета движется относительно инерциальной равномерно и прямолинейно, то она также является инерциальной.
Общеизвестно, что все тела препятствуют попыткам изменить состояние их движения, тело изменяет свою скорость движения только в том случае, если к нему приложена некоторая сила. Об этом свойстве тел говорят, что все тела обладают определенной инертностью. Количественной мерой инертности является массатела.
Если материальная точка с массой 
движется со скоростью 
, то по определению она обладает импульсом
|
Всякое протяженное тело можно представить в виде совокупности 
материальных точек с массами 
, движущимися со скоростями 
. Импульсом такого тела называется величина
(1.2)
Второй закон Ньютона утверждает, что скорость изменения импульса тела равна действующей на тело силе:
(1.3)
Уравнение (1.3) называется уравнением движения тела.Учитывая важность этого уравнения, его часто называют такжеосновным уравнением динамики.
Известно, что в школьном курсе физике второй закон Ньютона формулируется несколько иначе – ускорение тела пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально его массе:
. (1.4)
Возникает вопрос – какая из формулировок правильней? Обе справедливы! Но более общей является формулировка, выражаемая формулой (1.3). Действительно, подставим в уравнение (1.3) выражение для импульса (1.1):
(1.5)
В частном случае, когда масса тела считается постоянной, 
,в уравнении (1.5) масса выходит из под знака производной и получаем:
, (1.6)
т.е. соотношение абсолютно эквивалентное формуле (1.4). Поэтому будем считать, что второму закону Ньютона соответствует уравнение (1.3). Правда в большинстве практических случаев масса тел может считаться постоянной, и с полным правом можно использовать традиционную формулировку – (1.4) или (1.6).
Третий закон Ньютона утверждает, что всякое действие одного тела на другое имеет характер взаимодействия и силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела равны по величине и противоположны по направлению:
, (1.7)
Как и большинство законов физики, этот закон имеет ограниченную область применения: третий закон всегда выполняется при контактных взаимодействиях тел, а также при взаимодействии на расстоянии покоящихся тел. Если взаимодействующие на расстоянии тела движутся друг относительно друга, то третий закон может нарушаться. Такое, в частности, возможно при взаимодействии заряженных тел.
Классическая механика Ньютона
Урок 1. Физика 10 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Классическая механика Ньютона»
В окружающем нас мире постоянно происходят различные изменения. Больше всего бросаются в глаза механические изменения, то есть, например, перемещения тех или иных тел относительно друг друга. Говоря о каких-либо перемещениях, в первую очередь нужно упомянуть о точке отсчета. Например, если вы едете в машине, то машина, несомненно, перемещается относительно Земли.
Вы, находясь в машине, тоже перемещаетесь относительно Земли. Но относительно машины, вы не перемещаетесь. Точно также, барон Мюнхгаузен может лететь на ядре и перемещаться относительно Земли, но не перемещаться относительно ядра.
Все эти перемещения подчиняются определенным закономерностям. Но самое главное — это понять, что если мы говорим о движении, то всегда подразумеваем движение относительно чего-либо.
Поэтому, механика — это наука об общих законах движения тел относительно друг друга.
Механическим движением называется перемещение тел или частей тел в пространстве относительно друг друга с течением времени.
Описать механическое движение — значит, предоставить способ определить его положение в пространстве в каждый момент времени.
Законы механики были сформулированы выдающимся ученым Исааком Ньютоном. Он был первым, кто объяснил движение небесных тел и выявил причину приливов и отливов. Также Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения.
Сформулировав основные законы механики, Исаак Ньютон фактически создал математическое описание множества процессов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Несмотря на то, что Ньютон внес огромный вклад в физику и повлиял на её последующее развитие, не все процессы можно объяснить с помощью законов механики. Например, электромагнитные явления не подчиняются законам механики Ньютона, поскольку они относятся к фундаментально другому типу явлений.
Кроме того, механика Ньютона не позволяет описать движение микроскопических тел, если те двигаются со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Поэтому, движение микроскопических частиц описывается с помощью законов квантовой механики.
Дело в том, что во времена Ньютона не было известно ничего ни об электромагнитных явлениях, ни, тем более, о строении атома и элементарных частицах. Поэтому, законы, сформулированные Ньютоном, называются классической механикой Ньютона.
Заметим, что тела, которые нас окружают, двигаются сравнительно медленно. Кроме того, размеры тел, которые мы в состоянии увидеть, довольно велики. Поэтому, их движение отлично описывается с помощью классической механики Ньютона.
Область, где применимы законы механики Ньютона, очень обширна. Мы можем использовать эти законы, если выполняется следующее:
1) Мы имеем дело с механическим явлением.
2) Тела, движение, которых мы пытаемся описать, не являются микроскопическими частицами, двигающимися со скоростью, сравнимой со скоростью света.
Как было сказано ранее, все эти явления происходят в течение какого-то промежутка времени. И, разумеется, любые перемещения происходят в пространстве. Пространство и время — это те составляющие, без которых мы не можем представить нашу жизнь. Вообразить, что значит отсутствие пространства или времени, довольно сложно. Мы относимся к существованию времени и пространства как к должному, но исчерпывающих сведений о пространстве и времени у нас нет на сегодняшний день.
Но, если не говорить о глобальном понимании, а остановиться на локальном, то особых сложностей в понимании быть не должно. Мы легко можем измерять расстояния и интервалы времени. На данном этапе, нам достаточно уметь измерять расстояние между двумя точками и измерять, за какое время то или иное тело переместится из одной точки в другую.