Скорость и ускорение. Законы движения

Автомобили, ракеты, падающие тела и футбольные мячи-все движется под действием сил. Раздел физики, изучающий движение и силы, которые его вызывают и на него влияют, называется динамикой. Ее прочные научные основы были заложены в трудах Исаака Ньютона, сформулировавшего три основных закона движения.

Законы движения. Первый закон механики Ньютона обобщает принцип инерции, который заключается в том, что любое движущееся тело стремится продолжать свое движение, а всякое покоящееся тело-сохранять состояние покоя. Этот закон гласит: «Тело остается в покое или продолжает двигаться с постоянной скоростью, пока на него не подействует какая-либо сила». Начав двигаться, автомобиль и пассажиры в нем будут продолжать свое движение, пока на них не подействует какая-то сила, например сила торможения. При внезапном столкновении автомобиль может резко остановиться, но сила инерции толкнет пассажиров вперед, и это может кончиться весьма плачевно, если они не будут пристегнуты ремнями безопасности, которые создают силу, удерживающую пассажиров.

Второй закон Ньютона утверждает, что, чем больше приложенная сила, тем больше изменение скорости тела. Скорость может изменяться не только по величине, но и по направлению; изменение скорости в единицу времени называется ускорением. Следовательно, чем больше приложенная сила, тем больше ускорение. Кроме того, второй закон движения утверждает, что ускорение обратно пропорционально массе движущегося предмета.

Третий закон Ньютона показывает, каким образом тела действуют друг на друга. Если тело лежит на столе, то стол действует на него с силой, направленной противоположно силе тяжести (т. е. весу тела) и равной ей по величине. В общем виде третий закон утверждает, что при взаимодействии тел каждой приложенной силе всегда соответствует равная по величине и противоположная по направлению сила реакции. Два безмена, сцепленные между собой и растянутые в противоположные стороны, покажут одинаковые значения силы. Более наглядным примером действия этого закона может служить ракета. Сила давления расширяющихся газов в камере сгорания ракеты действует одинаково во всех направлениях. Движение же ракеты вперед обусловлено ее реакцией на перемещение массы горящих газов, которые вылетают из сопла двигателя в противоположном направлении.

Второй закон Ньютона показывает, каким образом ускорение а зависит от массы т и приложенной силы F: F = mа. Он позволяет определить вес тела, который есть не что иное, как сила притяжения тела к центру Земли. Эта сила равна произведению массы тела на ускорение, с которым движется свободно падающее тело (так называемое ускорение свободного падения). Следовательно, масса и вес-совершенно различные величины, измеряемые в разных единицах. Масса характеризует количество вещества, заключенного в теле; вес-силу гравитационного притяжения. К сожалению, в прошлом для измерения массы и веса применялись одни и те же единицы (килограммы и т.д.); в современной системе единиц СИ масса измеряется в килограммах, а вес (сила тяжести)-в ньютонах.

Покоящийся шар соударяется с движущимся шаром равной массы. До столкновения (А) движущийся шар обладал некоторым импульсом (равным произведению его массы на скорость). При столкновении (Б) он передает этот импульс покоящемуся шару, не имевшему импульса. В результате покоящийся шар начинает движение, тогда как шар, прежде двигавшийся, останавливается (В). При таких взаимодействиях импульс сохраняется-после столкновения второй шар приобретает импульс, равный импульсу первого.

Определение импульса. Поскольку ускорение есть «темп» изменения скорости, из уравнения второго закона Ньютона также следует, что силу можно представить как «темп» изменения произведения массы на скорость. Это произведение называется импульсом; при фиксированной скорости импульс возрастает с увеличением массы тела. Импульс характеризует усилие, которое требуется приложить, чтобы сдвинуть или остановить тело или изменить направление его движения. Например, если кирпич аккуратно положить на ногу, то он не вызывает болевых ощущений. Другое дело, если кирпич упадет на ногу с высоты метра-в этом случае уже сказывается действие импульса.

Важным свойством импульса служит его сохранение при изменении движения, например при внезапных столкновениях или взрывах. Точнее говоря, полный импульс изолированной системы тел до и после столкновения абсолютно одинаков.

Паровая катапульта, используемая в гидравлических таранах, приводится в действие давлением газа. Она обладает большим запасом потенциальной энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию. В результате даже тяжелый самолет приобретает достаточно высокую скорость, позволяющую ему взлететь после очень короткого разбега с палубы авианосца.

При столкновениях тел наблюдается и другое явление, а именно превращение энергии. Энергия может существовать во многих формах: тепловая энергия, энергия света, звука, химическая и электрическая энергии. Все эти формы энергии при различных процессах преобразуются друг в друга-химическая энергия бензина превращается в двигателе внутреннего сгорания в механическую энергию движения автомобиля. Однако если учесть все процессы превращения энергии, то, как показывают весьма точные расчеты, энергия не исчезает и не возникает из ничего. Это закон сохранения энергии, из которого следует, что ни одна машина не может дать выигрыша в энергии.

Две формы механической энергии. В механике рассматривают две основные формы энергии: кинетическую, которой обладают движущиеся тела, и потенциальную, которой обладают покоящиеся тела, способные совершать работу при изменении своего положения. Поднимая молот, рабочий совершает работу против силы тяжести, а затем, опуская его вниз, высвобождает запасенную в молоте энергию. В действительности, когда молот падает, потенциальная энергия переходит в кинетическую и уже кинетическая энергия совершает работу.

При движении прыгающего мячика (А), шарика, катающегося по полусферической чаше (Б), или качающегося маятника (В) происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. До бросания мячик обладал только потенциальной энергией. По мере его падения она переходит в кинетическую энергию, которая достигает максимума в момент удара (когда потенциальная энергия становится равной нулю). Затем, подпрыгнув и остановившись в верхней точке траектории, мячик вновь приобретает потенциальную энергию. Подобная последовательность превращений энергии наблюдается и у маятника, и у шарика, катающегося внутри чаши.