اتخذ نيوتن مبدأ القصور الذاتي لجاليليو (1632) كقانونه الأول وأكمله بمفهوم الإطار المرجعي بالقصور الذاتي. وفقًا لمبدأ القصور الذاتي لجاليليو، يحافظ الجسم الحر على حالة من السكون أو الثبات، حركة مستقيمةحتى يخرجه تأثير الأجسام الأخرى من هذه الحالة.

ويترتب على هذا المبدأ أن حالة السكون أو الحركة المستقيمة المنتظمة لا تتطلب أي مؤثرات خارجية للحفاظ عليها. وهذا يكشف عن خاصية ديناميكية خاصة للأجسام تسمى التعطيل. ولذلك فإن قانون نيوتن الأول يسمى قانون القصور الذاتي، وحركة الجسم في غياب المؤثرات من الأجسام الأخرى هي الحركة بالقصور الذاتي.

قانون نيوتن الأول لا ينطبق على جميع الأطر المرجعية. تسمى تلك الأنظمة التي يعمل بها الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي.

لقد ثبت تجريبياً أن النظام المرجعي بالقصور الذاتي عملياً هو النظام المرجعي الشمسي المركز، الذي يقع أصله في مركز الشمس، ويتم رسم المحاور في اتجاه ثلاثة نجوم بعيدة، يتم اختيارها مثلاً، بحيث فهي متعامدة بشكل متبادل.

ولأغراض عملية عديدة، تستخدم حركة الأجسام العيانية الإطار المتعلق بالأرض كإطار مرجعي. يعتبر مثل هذا النظام المرجعي بالقصور الذاتي تقريبًا بسبب تأثير اليومي و الدوران السنويأرض.

وبالتالي، يمكننا تقديم الصياغة التالية لقانون نيوتن الأول: هناك مثل هذه الأنظمة المرجعية التي يحافظ فيها الجسم على حالة من الراحة أو الحركة المستقيمة الموحدة حتى يخرجه تأثير الأجسام الأخرى من هذه الحالة.

دعونا نبين أن أي نظام مرجعي يتحرك بشكل منتظم ومستقيم بالنسبة إلى إطار بالقصور الذاتي هو أيضًا نظام بالقصور الذاتي. دع الجسم A يكون في حالة سكون في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي K (الشكل 3.1). يتحرك النظام المرجعي K" نسبة إلى النظام K بشكل موحد ومستقيم مع السرعة. ويتحرك الجسم A بالنسبة للنظام K" بشكل موحد ومستقيم مع السرعة - ، وهو ما يتوافق أيضًا مع قانون نيوتن الأول. وبالتالي، فإن النظام المرجعي K" هو بالقصور الذاتي. وبالتالي، باستخدام نظام مرجعي بالقصور الذاتي معروف، يمكنك إنشاء العدد الذي تريده باستخدام الطريقة الموضحة أعلاه.

3.1.2. قانون نيوتن الثاني

هذا القانون هو القانون الأساسي لديناميات النقطة المادية والجسم الصلب الذي يتحرك بشكل انتقالي.

يحدد القانون العلاقة بين القوة والكتلة والتسارع.

أثبتت التجربة أن أي تغير في مقدار أو اتجاه سرعة حركة الجسم يكون بسبب تفاعله مع الأجسام الأخرى.

في الميكانيكا تعرف القوة بأنها مقياس كمي لتفاعل الأجسام، مما يؤدي إلى تغير في سرعتها أو تشوهها.

تتميز القوة بالحجم والاتجاه ونقطة التطبيق. لذلك، القوة هي كمية متجهة.

وفقًا للأفكار الحديثة المبنية على الخبرة، يمكن اختزال جميع التفاعلات التي يتم ملاحظتها في الطبيعة إلى أربعة تفاعلات أساسية: الجاذبية، والضعيفة، والكهرومغناطيسية، والقوية.

تفاعل الجاذبيةمتأصل في جميع الأشياء المادية. ويتحدد بوجود الكتلة في الأجسام المادية ويخضع لقانون الجذب العام لنيوتن. نطاق تفاعل الجاذبية غير محدود. في منطقة العالم الصغير، يكون دور تفاعل الجاذبية ضئيلًا.

التفاعل ضعيف- قصير المدى، موجود في العالم المصغر ويتجلى فيما يؤدي إلى نوع معين من عدم استقرار الجسيمات الأولية.

التفاعل الكهرومغناطيسييتجلى أثناء تفاعل التيارات والرسوم. نطاق التفاعل الكهرومغناطيسي غير محدود. وهو حاسم في تكوين الذرات والجزيئات والأجسام العيانية.

النووية أو تفاعل قوي هو الأكثر كثافة. نصف قطر التفاعل القوي صغير جدًا ~ 10 -15 م. وبفضل هذا التفاعل، يتم الاحتفاظ بالبروتونات والنيوترونات في النوى، على الرغم من التنافر القوي للبروتونات.

وتشمل القوى غير الأساسية قوى المرونة والاحتكاك والمقاومة وغيرها. يمكن اختزال كل هذه القوى إلى القوى الكهرومغناطيسية أو الجاذبية، إلا أن هذا يؤدي إلى تعقيد كبير في حل مشاكل الميكانيكا. لهذا السبب، في الميكانيكا، يتم أخذ قوى المرونة والاحتكاك في الاعتبار جنبًا إلى جنب مع القوى الأساسية.

تم إثبات خاصية أخرى مهمة للقوى، والتي تتجلى أثناء التفاعل الميكانيكي، بشكل تجريبي. القوى في الميكانيكا تطيع مبدأ التراكب، وهي كالتالي: التفاعل المتزامن للجسيم M مع عدة جسيمات أخرىنالجسيمات مع القوى

يعادل عمل قوة واحدة ، يساوي مجموعهم المتجه.

. (3.1)

قوة تسمى النتيجة .

وكما تبين التجربة، فإن جميع الأجسام لديها خاصية منع التغيرات في حجم واتجاه السرعة. هذه الخاصية تسمى التعطيل.

يمكن تحديد الكتلة بطريقتين. أولهم على النحو التالي. يتم اختيار هيئة مرجعية كتلتها ميتم أخذ fl كوحدة للكتلة. يتم تحديد الكتلة m للجسم قيد الدراسة من العلاقة التالية المثبتة تجريبيا:

,

أين أو أوآخرون - التسارع الناتج عن عمل نفس القوة على الهيئات المرجعية والاختبارية. في هذه الحالة، ما يسمى كتلة خاملة.

الطريقة الثانية تعتمد على استخدام قانون الجذب العام. في هذه الحالة، ما يسمى كتلة الجاذبية.

صاغ أينشتاين مبدأ تكافؤ كتلة الجاذبية والقصور الذاتي: كتل القصور الذاتي والجاذبية لنفس الجسم هي نفسها.

معادلة خاملة و كتلة الجاذبيةيسمح لك باختيار وحدة قياس واحدة لهم. وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام (كجم) - كتلة جسم قياسي من البلاتين والإيريديوم مخزن في فرنسا في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس.

يعتمد التأثير الديناميكي لجسم متحرك على الأجسام الأخرى على السرعة والكتلة. لذلك، كخاصية ديناميكية لكثافة حركة المرور، نقدمها كمية ناقلات ويسمى زخم (أو زخم) الجسم ويساوي حاصل ضرب كتلته وسرعته:

. (3.2)

وحدة الدفع هي كيلو متر مقسوم على ثانية (كجم م/ث).

وفقًا لقانون نيوتن الثاني، فإن المشتقة الزمنية لزخم الجسم تساوي محصلة جميع القوى المطبقة عليه:

. (3.3)

ومن (3.3) يتبع ذلك يحدث التغير في الزخم في اتجاه القوة المحصلة . لاحظ أن قانون نيوتن الثاني في الصورة (3.3) يسمح بوصف حركة جسم ذي كتلة متغيرة. إذا كانت كتلة الجسم ثابتة فمن (3.2) و (3.3) نحصل على معادلة قانون نيوتن الثاني في الصورة

, (3.4)

ومن هنا وبأخذ الصيغة (2.21) في الاعتبار نحصل على:

. (3.5)

وحدة القوة في النظام الدولي للوحدات (SI) هي وحدة مشتقة، يعتمد تعريفها على الصيغة (3.5). وحدة القوة - 1 نيوتن (N)، هذه هي القوة التي تعطي تسارعًا قدره 1 متر لجسم كتلته 1 كجم/ مع 2 .

غالبًا ما يُطلق على قانون نيوتن الثاني اسم القانون الأساسي لديناميات الحركة الانتقالية. وبمساعدة هذا القانون تحل الميكانيكا مهمتان رئيسيتان:

1. المهمة الرئيسية المباشرة -إنشاء المعادلات التفاضلية لحركة الجسم (النقطة) وحلها.

2. المشكلة الرئيسية معكوسة- إيجاد اعتماد قوى التفاعل بين الأجسام على إحداثياتها وسرعاتها وزمنها، أي وضع قوانين التفاعل.

صياغة القانون الأول نيوتن ، والتي تم إنشاء أساسها التجريبي من خلال التجارب، تم تغيير غاليليو في عام 1636 عدة مرات، لكن جوهره ظل كما هو. حاليا، يتم استخدام صيغتين لهذا القانون. الأكثر استخدامًا هو ما يلي:

توجد مثل هذه الأنظمة المرجعية التي يحتفظ بها الجسم المتحرك انتقاليًا بسرعته الثابتة إذا لم تعمل الأجسام الأخرى عليها أو يتم تعويض عمل الأجسام الأخرى.

تمت صياغة قانون نيوتن الأول بشكل مختلف.

يحافظ الجسم على حالة من الراحة أو الحركة المستقيمة المنتظمة حتى يتعرض لتأثير غير معوض من أجسام أخرى أو مجالات فيزيائية.

المعنى المادي: 1) ينص القانون على ما سيحدث للجسد إذا لم تفعل الأجسام الأخرى ذلك أو تم تعويض فعل الأجسام الأخرى. 2) من بين جميع الأنظمة المرجعية، يميز قانون نيوتن الأول بين تلك التي يتم استيفاءها؛ تسمى هذه الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي

تسمى ظاهرة الجسم الذي لا يخضع لمؤثرات خارجية غير معوضة ويحافظ على سرعته ثابتة (بما في ذلك الصفر إذا كان الجسم في حالة راحة) بالقصور الذاتي، والأنظمة المرجعية التي تتحرك بها هذه الأجسام سرعة ثابتةأو الراحة، وتسمى بالقصور الذاتي. وفي هذا الصدد، غالبًا ما يُطلق على قانون نيوتن الأول اسم قانون القصور الذاتي. تسمى الحركة المنتظمة المستقيمة لجسم في إطار مرجعي بالقصور الذاتي الحركة بالقصور الذاتي. يعد مفهوم الإطار المرجعي بالقصور الذاتي أمرًا أساسيًا في الفيزياء بشكل عام والميكانيكا بشكل خاص.

لا تعتمد قوانين الميكانيكا على الإطار المرجعي بالقصور الذاتي الذي ترتبط به. وبعبارة أخرى، كل شيء أنظمة القصور الذاتيالنقاط المرجعية لأي ظاهرة ميكانيكية متساوية، أي. لا يوجد إطار مرجعي خاص "رئيسي" بالقصور الذاتي، ويمكن اعتبار الحركة المتعلقة به "حركة مطلقة".

8. القوة. قانون نيوتن الثاني.

يشير قانون نيوتن الأول إلى أنه لتغيير سرعة الجسم نسبة إلى إطار مرجعي قصوري، أي: لتسريع حركة الجسم، من الضروري أن يؤثر جسم آخر على هذا الجسم. ويسمى هذا التأثير بالقوة . يمكن أن تكون طبيعة القوى مختلفة، ولكن أي قوة تتميز بخاصيتين أساسيتين.

1. القوة هي كمية فيزيائية، أي. ويمكن وصفها ليس فقط من الجانب النوعي، وتمييزها عن الكميات الفيزيائية الأخرى، ولكن يمكن أيضًا التعبير عنها بطريقة كمية معينة. وهذا ما تؤكده الحقيقة التجريبية المتمثلة في أن القوى المختلفة تسبب تسارعات مختلفة.

2. القوة هي كمية متجهة. نتيجة لتأثير قوة على الجسم، فإنه يكتسب تسارعًا، وهو كمية متجهة. وبالتالي، فإن القوة هي أيضًا كمية متجهة: من خلال تغيير اتجاه القوة، فإننا نغير اتجاه التسارع. يحدد معامل ناقل القوة مدى عمل الأجسام الأخرى على جسم معين.

هكذا، قوة - المتجه الكمية المادية، الذي يميز عمل جسم على آخر، والذي يؤدي، دون تعويض، إلى تغيير في تسارع هذا الجسم وهو مقياس لهذا التأثير. في نظام SI، القوة هي 1 N. تتميز القوة بـ: نقطة التطبيق، الحجم، الاتجاه.

يتم إنشاء علاقة كمية مباشرة بين القوة المؤثرة على الجسم وتسارع هذا الجسم قانون نيوتن الثاني :

إن التسارع الذي يكتسبه الجسم تحت تأثير قوة ما يتناسب طرديا مع هذه القوة، ويتوافق اتجاهه مع اتجاه هذه القوة. أو: محصلة جميع القوى المؤثرة على الجسم تساوي حاصل ضرب كتلة الجسم وعجلته.

المعنى المادي: 1) القانون يربط بين الخصائص الحركية والديناميكية للجسد الواحد؛ 2) ينص القانون على ماذا يحدث لجسم إذا أثرت عليه أجسام أو مجالات أخرى 3) يتم ضبط وحدة القوة على 1 نيوتن

جسم (نقطة مادية)لا يخضع للمؤثرات الخارجية، فهو إما في حالة سكون أو يتحرك بشكل مستقيم وموحد. يسمى مثل هذا الجسم حر. وتسمى حركة مثل هذا الجسم حركة حرةأو الساحل.

هناك إطار مرجعي فيه كل شيء الهيئات الحرةالتحرك بشكل مستقيم وبشكل متساو

هناك مثل هذه الأنظمة المرجعية، التي تسمى بالقصور الذاتي، والتي بالنسبة لنقطة مادية، في غياب التأثيرات الخارجية، تحتفظ بحجم واتجاه سرعتها إلى أجل غير مسمى.

تسمى هذه الأنظمة الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي - قانون نيوتن الأول.

قانون نيوتن الثاني

يُظهر كل جسم مقاومة عند محاولته تحريكه، أي: أعطها بعض التسارع. تسمى خاصية الأجسام هذه التعطيل. قياس القصور الذاتي - وزن.

يسمى نظام الأجسام التي لا تتأثر بالأجسام الأخرى نظام مغلقأو نظام معزول. في مثل هذه الأنظمة، لا يمكن للأجسام أن تتفاعل إلا مع بعضها البعض، وليكن النظام المغلق يتكون من جسدين (نقطتين ماديتين). سرعة الأجسام و، وزيادة هذه السرعات خلال نفس الفترة الزمنية. ناقلات ولها اتجاهين متعاكسينوترتبط بالعلاقة . المعاملات على حد سواء ثابتة ولها علامات متطابقةوتسمى كتل أو كتل القصور الذاتي للأجسام 1 و 2.

نبضأو زخم نقطة مادية- المتجه، يساوي المنتجكتلة النقطة إلى سرعتها.

دافع النظام- المجموع المتجه لنبضات النقاط المادية الفردية التي يتكون منها النظام: لنظام يتكون من نقاط مادية.

يظل زخم النظام المعزول ثابتًا مع مرور الوقت - قانون الحفاظ على الزخم.

قوة (في الميكانيكا)- أي سبب يغير زخم جسم (وهذه صفة نوعية). الخصائص الكميةيعبر عنها بالمعادلة:

هذه المعادلة صالحة فقط إذا ملا يعتمد على السرعة.

في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي، يكون مشتق زخم نقطة مادية بالنسبة إلى الزمن مساويًا للقوة المؤثرة عليها.

في الإطار المرجعي بالقصور الذاتي، يتناسب التسارع الذي تستقبله نقطة مادية بشكل مباشر مع محصلة جميع القوى المطبقة عليها ويتناسب عكسيًا مع كتلتها

العبارات المذكورة أعلاه ليست أكثر من صيغتين قانون نيوتن الثاني. المعادلة المقابلة لتعريف القانون هي معادلة حركة نقطة مادية.

قانون نيوتن الثالث

إن قوى التفاعل بين نقطتين ماديتين متساويتين في الحجم، وموجهتين بشكل معاكس، وتعملان على طول الخط المستقيم الذي يربط بين نقطتي المادة.

كل عمل له رد فعل معاكس ومساو له.

تعمل النقاط المادية على بعضها البعض في أزواج مع وجود قوى نفس الطبيعة، موجهة على طول الخط المستقيم الذي يصل بين هاتين النقطتين، متساويتين في المقدار ومتعاكستين في الاتجاه: . أو إذا كان النظام يتكون من نقاط مادية كثيرة، أي: تتفاعل النقاط المادية في أزواج. يتم توجيه كلتا القوتين على طول الخط المستقيم الذي يربط هذه النقاط.

هذه التعبيرات الثلاثة هي صيغ مختلفة قانون نيوتن الثالث.

أي نظام يتحرك بتسارع بالنسبة إلى إطار مرجعي بالقصور الذاتي هو غير بالقصور الذاتي.

الديناميكيات هي فرع الميكانيكا الذي يدرس أنواع مختلفة الحركات الميكانيكيةمع مراعاة تفاعل الأجسام مع بعضها البعض. أسس الديناميكية هي قوانين نيوتن الثلاثة، وهي نتيجة تعميم الملاحظات والتجارب في مجال الظواهر الميكانيكية التي كانت معروفة قبل نيوتن ونفذها نيوتن نفسه. قوانين نيوتن للديناميكيات (المعروفة أيضًا باسم الديناميكيات الكلاسيكية) لها منطقة محدودةالقابلية للتطبيق. وهي صالحة للأجسام العيانية التي تتحرك بسرعات أقل بكثير من سرعة الضوء في الفراغ. ظاهرة القصور الذاتي دعونا نلاحظ سلوك الأجسام المختلفة بالنسبة للأرض، باختيار نظام مرجعي ثابت مرتبط بسطح الأرض. وسوف نكتشف أن سرعة أي جسم لا تتغير إلا تحت تأثير الأجسام الأخرى. على سبيل المثال، دع الجسم يقف على عربة ثابتة. ندفع العربة وسوف ينقلب الجسم ضد الحركة. على العكس من ذلك، إذا قمت بإيقاف عربة متحركة بجسم فجأة، فسوف تنقلب في اتجاه الحركة. من الواضح أنه إذا لم يكن هناك احتكاك بين العربة والجسم، فلن ينقلب الجسم. في الحالة الأولى سيحدث ما يلي: منذ السرعة الجسم الواقفصفرًا، وبدأت سرعة العربة في الزيادة، فستنزلق العربة للأمام من أسفل الجسم الثابت. وفي الحالة الثانية، عندما تقوم العربة بالفرملة، فإن الجسم الذي يقف عليها يحافظ على سرعة حركته وينزلق إلى الأمام من العربة المتوقفة.

مثال آخر. تتدحرج كرة معدنية أسفل منحدر مائل على مستوى أفقي من نفس الارتفاع h (الشكل 16)، وبالتالي فإن سرعتها عند النقطة التي تبدأ منها حركة أفقية، هو نفسه دائمًا. دع السطح الأفقي يرش بالرمل أولاً. ستسافر الكرة مسافة قصيرة s1 وتتوقف. دعونا نستبدل السطح الرملي بلوح أملس. سوف تقطع الكرة مسافة أكبر بكثير s2 قبل أن تتوقف. دعونا نستبدل اللوحة بالثلج. سوف تتدحرج الكرة لفترة طويلة جدًا وستقطع مسافة s3 >> s2 قبل أن تتوقف. يوضح هذا التسلسل من التجارب أنه إذا قمنا بتقليل التأثير بيئةعلى جسم متحرك، فإن حركته الأفقية بالنسبة إلى الأرض تقترب إلى ما لا نهاية من خط منتظم ومستقيم. (عندما يتحرك الجسم على طول سطح أفقييتم تعويض جاذبية هذا الجسم للأرض بمرونة الدعامة - الألواح والجليد وما إلى ذلك.) تتجلى حقيقة أن الجسم لا يميل إلى الحفاظ على أي حركة، أي الحركة المستقيمة، على سبيل المثال، من خلال التجربة التالية ( الشكل 17). كرة تتحرك بشكل مستقيم على طول سطح أفقي مستو، وتصطدم بعائق ذو شكل منحني، تضطر إلى التحرك في قوس تحت تأثير هذه العقبة. ومع ذلك، عندما تصل الكرة إلى حافة العائق، تتوقف عن الحركة بشكل منحني وتبدأ في التحرك في خط مستقيم مرة أخرى. بتلخيص نتائج الملاحظات المذكورة أعلاه (والمشابهة)، يمكننا أن نستنتج أنه إذا لم يتم التأثير على جسم معين من قبل الأجسام الأخرى أو تم تعويض أفعالها بشكل متبادل، فإن هذا الجسم يكون في حالة راحة أو تظل سرعة حركته دون تغيير نسبي إلى الإطار المرجعي، المتصل بشكل ثابت بسطح الأرض. ظاهرة حفاظ الجسم على حالة من السكون أو الاستقامة حركة موحدةفي غياب أو تعويض التأثيرات الخارجية على هذا الجسم يسمى الجمود.

توصل جاليليو ثم نيوتن أولاً إلى استنتاج حول وجود ظاهرة القصور الذاتي. تمت صياغة هذا الاستنتاج في شكل قانون نيوتن الأول (قانون القصور الذاتي): هناك مثل هذه الأنظمة المرجعية التي يحتفظ بها الجسم (النقطة المادية) في غياب التأثيرات الخارجية عليه (أو مع تعويضها المتبادل) حالة الراحة أو الحركة المستقيمة المنتظمة. تسمى الإطارات المرجعية التي يتم فيها استيفاء قانون نيوتن الأول بالقصور الذاتي. وبالتالي، فإن أنظمة القصور الذاتي هي تلك الأنظمة المرجعية التي تكون نقطة مادية، في غياب التأثيرات الخارجية عليها أو تعويضها المتبادل، في حالة سكون أو تتحرك بشكل منتظم ومستقيم.

الملاحظات تظهر ذلك مع جدا درجة عاليةيمكن اعتبار الدقة إطارًا مرجعيًا بالقصور الذاتي نظام مركزية الشمسحيث يرتبط أصل الإحداثيات بالشمس، ويتم توجيه المحاور إلى نجوم معينة “ثابتة”. الأنظمة المرجعية المرتبطة بشكل صارم بسطح الأرض، بالمعنى الدقيق للكلمة، ليست بالقصور الذاتي، لأن الأرض تتحرك في مدار حول الشمس وفي نفس الوقت تدور حول محورها. ومع ذلك، عند وصف الحركات التي ليس لها نطاق عالمي (أي عالمي)، يمكن اعتبار الأنظمة المرجعية المرتبطة بالأرض بالقصور الذاتي بدقة كافية. الأنظمة المرجعية التي تتحرك بشكل منتظم ومستقيم بالنسبة لبعض الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي هي أيضًا بالقصور الذاتي (انظر أدناه). أثبت جاليليو أنه لا توجد تجارب ميكانيكية يتم إجراؤها داخل نظام مرجعي بالقصور الذاتي يمكنها تحديد ما إذا كان هذا النظام في حالة سكون أو يتحرك بشكل منتظم ومستقيم. يُطلق على هذا البيان اسم مبدأ النسبية لجاليليو أو المبدأ الميكانيكي للنسبية. تم تطوير هذا المبدأ لاحقًا بواسطة A. Einstein وهو أحد الافتراضات نظرية خاصةالنسبية. تلعب الأطر المرجعية بالقصور الذاتي دورًا حصريًا في الفيزياء دور مهملأنه، وفقًا لمبدأ النسبية لأينشتاين، التعبير الرياضيأي قانون في الفيزياء له نفس الشكل في كل إطار مرجعي بالقصور الذاتي. في ما يلي، سوف نستخدم أنظمة القصور الذاتي فقط (دون ذكر ذلك في كل مرة). تسمى الإطارات المرجعية التي لا يتم استيفاء قانون نيوتن الأول فيها بالقصور الذاتي. تتضمن هذه الأنظمة أي نظام مرجعي يتحرك بتسارع بالنسبة إلى النظام المرجعي بالقصور الذاتي.

I.2.1 قانون نيوتن الأول. الأنظمة المرجعية بالقصور الذاتي.

قانون نيوتن الأول: يحتفظ كل جسم بحالته من السكون أو الحركة المستقيمة المنتظمة حتى يجبره تأثير خارجي على تغيير هذه الحالة.

ينص قانون نيوتن الأول على أن حالة السكون أو الحركة الخطية المنتظمة لا تتطلب أي تأثيرات خارجية للحفاظ عليها. وهذا يكشف عن خاصية ديناميكية خاصة للأجسام تسمى التعطيل . وبناء على ذلك، يسمى أيضا قانون نيوتن الأول قانون القصور الذاتي ، وحركة الجسم متحررة من المؤثرات الخارجية الساحل .

في الصيغة المذكورة أعلاه لقانون نيوتن الأول، يعني ضمنا أن الجسم لا يتشوه، أي. صلبة تمامًا، وفي غياب المؤثرات الخارجية، فإنها تتقدم للأمام. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للجسم الصلب أيضًا أن يدور بشكل منتظم عن طريق القصور الذاتي. إذا كنا في قانون نيوتن الأول لا نتحدث عن "جسم"، بل عن نقطة مادية، والتي بحكم تعريفها ذاته، لا يمكن أن تتغير أو تدور، فإن الحاجة إلى كل هذه التحفظات تختفي. وبالنظر إلى كل ما قيل، يمكننا أن نعطي الصيغة التالية لهذا القانون: هناك أنظمة مرجعية تسمى بالقصور الذاتي، حيث تحتفظ نقطة مادية، في غياب التأثيرات الخارجية، بحجم واتجاه سرعتها إلى أجل غير مسمى.القانون صحيح أيضا في الحالات التي تأثيرات خارجيةموجودة، ولكن يتم تعويضها بشكل متبادل (وهذا يتبع قانون نيوتن الثاني، حيث أن القوى المعوضة تعطي تسارعًا كليًا للجسم صفرًا).

حقيقة بقاء الجسم في حالة سكون (أي يحافظ على سرعته، يساوي الصفر) حتى يعمل عليه جسم آخر - أمر مفهوم تمامًا وتؤكده الملاحظات اليومية. الحجر نفسه لا يتحرك من مكانه حتى يحركه شخص أو شيء. ولكن من الصعب علينا أن نصدق أن الجسم يمكنه أن يحافظ إلى الأبد على حركة منتظمة ومستقيمة. يتعرض الحجر المرمي لمقاومة الهواء والجاذبية تجاه الأرض. ولو لم توجد هذه المؤثرات لحافظ الجسم على حالة من الحركة المنتظمة والمستقيمة (أي سيحافظ على مقدار سرعته واتجاهها). أو مثال آخر: بعد الجري، لا يستطيع الشخص التوقف على الفور أو التحول على الفور إلى الجانب. للالتفاف حول عمود أثناء الجري، يمسكه الشخص بيده بشكل غريزي، أي. يلجأ إلى تأثير جسم آخر (العمود) لتغيير اتجاه سرعته.

I.2.2 الطاقة

بالقوةتسمى الكمية الفيزيائية المتجهة، وهي مقياس للتأثير على نقطة ماديةأو جسدًا من جانب أجساد أو حقول أخرى.

شكل خاصالمادة التي تربط جزيئات المادة بها أنظمة موحدةويرسل مع السرعة النهائيةيسمى تأثير بعض الجزيئات على بعضها الآخر المجال المادي.

يسمى المجال الذي يؤثر على نقطة مادية بقوة مجال ثابت، إذا لم يتغير مع مرور الوقت، أي. إذا كان في أي وقت في هذا المجال

يتم التفاعل بين الأجسام البعيدة من خلال مجالات الجاذبية والكهرومغناطيسية.

تفاعل الجاذبية - تنشأ بين الأجسام طبقا لقانون الجاذبية العالمية.

التفاعل الكهرومغناطيسي - يحدث بين الأجسام أو الجسيمات ذات الشحنات الكهربائية.

وبالإضافة إلى ذلك، هناك أيضا تفاعل قويالموجودة، على سبيل المثال، بين الجزيئات التي تشكل نواة الذرات و تفاعل ضعيف، على سبيل المثال، وصف عمليات تحول بعض الجسيمات الأولية.

مشاكل الميكانيكا تأخذ في الاعتبار قوى الجاذبية (جاذبية) ونوعين القوى الكهرومغناطيسية – قوى مرنةو قوى الاحتكاك.

تسمى قوى التفاعل بين أجزاء بعض أنظمة الأجسام قيد النظر القوى الداخلية.

تسمى قوى التأثير على أجسام نظام معين من أجسام أخرى غير مدرجة في هذا النظام قوى خارجية.

الكلية الهيئات المادية، والتي لها تفاعلات مع الهيئات الخارجيةغائبا أو معوضا، دعا مغلق(معزول) نظام.

يتم تعريف القوة بشكل كامل إذا تم إعطاء مقدارها واتجاهها ونقطة تطبيقها. يسمى الخط المستقيم الذي توجه القوة من خلاله خط عمل القوة.

التأثير المتزامن لعدة قوى (، ...،) على نقطة مادية يعادل تأثير قوة واحدة تسمى الناتجةأو الناتجالقوة ومتساوية معهم مجموع هندسي:

الصيغة (I.48) هي مبدأ تراكب القوى.

أنواع القوى في الطبيعة

معظم أنواع بسيطةالقوى هي تلك التي تسببها مباشرة العمل الميكانيكي لجسم على آخر عندما يتلامسان، وتشمل: قوى الجر، الاحتكاك، الضغط، المرونة، التوتر.

دعونا نلقي نظرة على عدد قليل منهم.

القوى المرنة.تسمى القوى الناشئة أثناء التشوه المرن للأجسام قوى مرنة . تعمل هذه القوى بين الطبقات المتلامسة للجسم المشوه، وكذلك عند نقطة تماس الجسم المشوه مع الجسم المسبب للتشوه.

على سبيل المثال، من جانب اللوحة المشوهة بشكل مرن، تعمل قوة مرنة على الكتلة الملقاة عليها (الشكل 25). القوى المرنة هي قوى ذات طبيعة كهرومغناطيسية.

تسمى القوة المرنة المؤثرة على الجسم في هذه المشكلة من جانب الدعامة أو التعليق قوة رد الفعل الارضية(الإيقاف) أو قوة التوتر التعليق. في التين. يوضح الشكل 26 أمثلة لتطبيق قوى رد الفعل الداعم (القوة) وقوة شد التعليق (القوة) على الأجسام.

تعتمد القوة المرنة فقط على التغير في المسافات بين الأجزاء المتفاعلة لجسم مرن معين. عمل القوة المرنة لا يعتمد على شكل المسار وعند التحرك على طول مسار مغلق يساوي الصفر. وبالتالي فإن القوى المرنة هي القوى المحتملة (سيتم مناقشة مفهوم الشغل والقوى المحتملة في الفصل I.3 (§ I.3.1، ص. 41)، (§ I.3.2، ص. 45)).

قانون هوك:تتناسب القوة المرنة مع متجه الاستطالة (الضغط) وعكسها في الاتجاه:

، (ط.49)

أين - صلابة الجسم- القيمة التي تحددها القوة المرنة الناشئة عند تشوه الوحدة الجسم المعطى;

ناقل الاستطالة هو الكمية التي تميز التمدد (الخطي) أحادي البعد (الضغط).

قوى الاحتكاك.ومع أي حركة لجسم على سطح آخر تنشأ مقاومة لهذه الحركة التي نتصورها قوة الإحتكاكموجهة ضد هذه الحركة.

يتم التمييز بين الاحتكاك الخارجي والداخلي. الاحتكاك الخارجيهي المقاومة الميكانيكية التي تحدث أثناء الحركة النسبية لجسمين متلامسين في مستوى اتصالهما. على سبيل المثال، يوجد احتكاك خارجي بين كتلة و مستوى مائلالتي تقع عليها الكتلة أو تنزلق منها. في ظل ظروف معينة، يتحول الاحتكاك الخارجي إلى الاحتكاك الداخليحيث لا توجد قفزة في السرعة في منطقة التلامس عند الانتقال من جسم إلى آخر.

يسمى الاحتكاك بين سطحي جسمين متصلين في حالة عدم وجود طبقة سائلة أو غازية بينهما الاحتكاك الجاف. الاحتكاك بين السطح صلبويسمى الوسط السائل أو الغازي المحيط الذي يتحرك فيه الجسم سائلأو الاحتكاك اللزج.

وينقسم الاحتكاك الجاف إلى:

§ الاحتكاك الساكن- الاحتكاك في غياب الحركة النسبية للأجسام الملامسة؛

§ انزلاق الاحتكاك- الاحتكاك أثناء الحركة النسبية للأجسام الملامسة.

تسمى قوة الاحتكاك التي تمنع حركة جسم على سطح جسم آخر قوة الاحتكاك الساكن.

عادة، عند الحديث عن قوة الاحتكاك الساكن، فإنهم يقصدون قوة الاحتكاك الساكن النهائي. دعونا نشير بواسطة قوة خارجية، يتم تطبيقه على جسم على اتصال بجسم آخر. هذه القوة موازية لمستوى الاتصال. تحدث الحركة النسبية للجسم في ظل هذه الحالة . تنجم قوة الاحتكاك الساكن عن اشتباك الأسطح غير المستوية للأجسام، والتشوهات المرنة لهذه المخالفات والتصاق (التصاق) الأجسام في تلك الأماكن التي تكون فيها المسافات بين جزيئاتها صغيرة وكافية لحدوث التجاذب بين الجزيئات. وفي هذا الصدد، يمكن اعتبار قوة الاحتكاك الساكن نوعًا من مظاهر القوى المرنة.

لقد ثبت تجريبياً أن قوة الاحتكاك الساكن القصوى () لا تعتمد على مساحة تلامس الأجسام وتتناسب تقريبًا مع معامل قوة الضغط العمودي ()، مما يؤدي إلى ضغط أسطح الاحتكاك مع بعضها البعض: .

ويسمى العامل عديم الأبعاد بمعامل الاحتكاك الساكن. يعتمد ذلك على طبيعة وحالة أسطح الاحتكاك.

يرجع الاحتكاك المنزلق إلى خشونة أسطح الاحتكاك. دور كبيرتلعب قوى التفاعل بين الجزيئات دورًا أيضًا.

قوانين الاحتكاك المنزلق.

أنا. نسبة قوة الاحتكاك إلى قوة الضغط (أولئك. إلى القوة التي تضغط على الأسطح التي تحتك ببعضها البعض) هناك قيمة ثابتة لهذه الأسطح. يمكن صياغة قانون الاحتكاك الأول على النحو التالي: قوة الاحتكاك تتناسب طرديا مع قوة الضغط. لقد ثبت تجريبياً أن قوة الاحتكاك المنزلقة تتناسب طردياً مع قوة الضغط العمودي: .

ثانيا. يعتمد معامل الاحتكاك على المواد التي تتكون منها أسطح الاحتكاك.

ثالثا. لا يعتمد معامل الاحتكاك على حجم أسطح الاحتكاك. إذا كانت مساحة السطح صغيرة جدًا، بحيث يمكن لجسم متحرك أن يترك خدشًا على جسم ثابت (على سبيل المثال، طرف مسمار)، فإن هذا القانون يفقد قوته.

رابعا. يتناقص معامل الاحتكاك مع زيادة السرعة. يتم تفسير ذلك بحقيقة أنه عند السرعات العالية، ليس كل نتوءات الأسطح الخشنة لديها الوقت للتفاعل مع بعضها البعض بعمق كاف.

يوضح الشكل 27 رسمًا بيانيًا لمعامل الاحتكاك اعتمادًا على سرعة الحركة.

ومن الرسم البياني يتضح ذلك أعلى معاملالاحتكاك (وبالتالي أعظم قوةالاحتكاك) موجود في حالة السكون. يتم التعبير عن ذلك باختصار على النحو التالي: القيمة القصوى لقوة الاحتكاك الساكن أكبر من قوة الاحتكاك المنزلقة. تم العثور على القوانين الأول والثاني والثالث بواسطة كولومب من خلال تجاربه باستخدام مقياس التريبوميتر.

ملحوظة:وفي أبسط الحالات ترتبط قوة الاحتكاك وقوة الضغط العمودي بعدم مساواة لا تتحول إلى مساواة إلا في وجود حركة نسبية. وتسمى هذه النسبة