Files
exams/physics/theory/questions.typ
2025-10-01 22:55:09 +03:00

1715 lines
79 KiB
Typst
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

#set text(font: "Maple Mono", size: 1em)
= Механика
=== Лекция 1. Кинематика поступательного движения.
*Механика* - наука о движении и равновесии тел.
*Материальной точкой* называется тело, размеры и форма которого в условиях данной задачи несущественны.
*Абсолютно твердое тело* - система материальных точек, расстояния между которыми не меняются в процессе движения.
*Механическое движение* - изменение положения тела в пространстве с течением времени.
*Виды механического движения:*
+ Поступательное
+ Вращение вокруг неподвижной оси
+ Вращение вокруг неподвижной точки
+ Плоское движение
+ Свободное движение
*Поступательным* называется такое движение твердого тела, при котором любая прямая, связанная с телом, все время остается параллельной своему начальному положению.
*Плоским* называется такое движение твердого тела, при котором каждая его точка движется в плоскости, параллельной некоторой неподвижной данной системе отсчета) плоскости.
*Описание механического движения.*
*Тело отсчета* - тело, относительно которого задается положение данного тела или данной точки.
*Система отсчета* - совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат, и синхронизованных между собой часов.
Международный стандарт ISO 31-11 предполагает использование следующих систем координат:
#image("assets/1.png")
#image("assets/2.png")
$rho gt.eq 0$ - расстояние от начала координат до $A'$
$0 lt.eq phi lt.eq 360 degree$ - угол между осью $0X$ и отрезком $0A'$
$z$ - апликата точки $A$
Цилиндрическая система координат удобна при анализе поверхностей, симметричных относительно какой-либо оси, если взять ось $0Z$ в качестве оси симметрии. Бесконечный цилиндр в декартовых координатах имеет уравнение $x^2 + y^2 = r^2$,
А в цилиндрических - простое: $rho = r$
#image("assets/3.png")
$r gt.eq 0$ - расстояние от начала координат до заданной точки $A$.
$theta$ - угол между осью $0Z$ и отрезком, соединяющим начало координат и точку $A$.
$0 lt.eq phi lt.eq 360 degree$ - угол между осью $0X$ и проекцией на плоскость $X 0 Y$ отрезка, соединющего точку $A$ с началом координат. Сферическая система координат удобна при анализе поверхностей, имеющих сферическую симметрию. Начало координат нужно поместить в центр симметрии, тогда уравнение сферы $r = r_("сферы")$
#image("assets/4.png")
#image("assets/5.png")
#image("assets/6.png")
#image("assets/7.png")
#image("assets/8.png")
#image("assets/9.png")
#image("assets/10.png")
#image("assets/11.png")
Векторным произведением векторов $accent(a, arrow)$ и $accent(b, arrow)$ называется вектор $accent(c, arrow)$, модуль которого равен произведению модулей этих векторов на синус угла между ними, а направление определяется следующим образом: если смотреть на конец вектора $accent(c, arrow)$, то поворот вектора $accent(a, arrow)$ к вектору $accent(b, arrow)$ по кратчайшему пути осуществляется против часовой стрелки.
#image("assets/12.png")
*Дифференциалы - малые приращения*
$
Delta x space d x
$
В математике спокойно говорим "бесконечно малые"
В физике тоже так говорим, но понимаем, что это малые, но конечные (доступные для измерения) приращения, иначе они могут менять физический смысл - вместо классической, окажемся в мире квантовой механики.
#image("assets/13.png")
*Примеры вычисления дифференциалов*
Рассмотрим, например, такую функцию.
$
f = 3x^2
$
Теперь вычислим дифференциалы левой и правой части этого уравнения.
#align(center)[$d f = $ #underline(stroke: 1.5pt + red, offset: 2pt, [6x]) $space d x$]
Подчеркнута производная.
*Дифференциальное уравнение*
$
f'_x = 6x space frac(d f, d x) = 6x
$
Разделяем переменные. $d f = 6x space d x$
Нужно знать начальные условия. Пусть, например, при $x = 0 space f(x) = 3$
Интегрируем $integral d f = integral 6 x space d x$
$
f = 3x^2 + "const" = 3x^2 + 3
$
*Измерение времени.*
*Часы* - тело или система тел, в которых совершается периодический процесс, служащий для измерения времени.
*Одна секунда*
#align(center)[#text(size: 2em)[9102631700]]
колебаний электромагнитного излучения между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133.
*Измерение расстояний.*
*Один метр* - длина пути, проходимая светом в вакууме в течение
$
frac(1, 299792458) "секунды"
$
Такое измерение эталона метра вызвано тем, что экспериментальная погрешность определения скорости света в вакууме в настоящее время составляет примерно $0, 3$ м/с. Это превышает относительную точность воспроизведения метра $4 dot 10^(-9)$ предложенным выше способом. Относительная точность измерения расстояния будет непрерывно повышаться, чтобы каждый раз не менять определения метра, зафиксировали скорость света. Это позволило зафиксировать значения ряда физических констант.
Частота сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 в точности равна 9192631770 Гц;
скорость света в вакууме $с$ в точности равна 299792458 $м/с$;
световая эффективность $k_(c d)$ монохроматического излучения частотой $540 dot 10^(12)$ Гц в точности равна 683 лм/Вт
*Планируется зафиксировать следующие константы*
постоянная Планка $h$ в точности равна $6.626 06X dot 10^(-34)$ Дж$dot$с;
элементарный электрический заряд $e$ в точности равен $1.602 17X dot 10^(-19)$ Кл;
постоянная Больцмана $k$ в точности равна $1.380 6X dot 10^(-23)$ Дж/К;
число Авогадро $N_A$ в точности равно $6.022 14X dot 10^(23) "моль"^(-1)$;
На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам 17 - 21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц переопределить четыре основные единицы СИ: килограмм, ампер, кельвин и моль.
Предполагается, что новые определения будут базироваться на фиксированных численных значениях постоянная Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро, соответственно. Всем этим величинам будут приписаны точные значения, основанные на наиболее достоверных результатах измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA). Под фиксированием (или фиксацией) подразумевается "принятие некоторого точного численного значения величины по определению". В резолюции сформулированы следующие положения, касающихся этих единиц
*Килограмм* останется единицей массы, но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Планка равным в точности $6.626 06X dot 10^(-34)$, когда она выражена единицей СИ $"м"^2 dot$ кг $dot$ $c^(-1)$, что эквивалентно Дж$dot$с.
*Ампер* останется единицей силы электрического тока, но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения элементарного электрического заряда равным в точности $1.602 17X dot 10^(-19)$, когда он выражен единицей СИ $c dot A$, что эквивалентно Кл.
*Кельвин* останется единицей термодинамической температуры, но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Больцмана равным в точности $1.380 6X dot 10^(-23)$, когда она выражена единицей СИ $"м"^(-2) dot "кг" dot c^(-2) dot K^(-1)$, что эквивалентно Дж$dot K^(-1)$.
*Моль* останется единицей количества вещества, но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Авогадро равным в точности $6.022 14X dot 10^(23)$, когда она выражена единицей СИ $"моль"^(-1)$.
Выше и далее $X$ заменяет одну или более значащи цифр, которые будут определены в дальнейшем на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.
*Систем единиц СИ*
"Systeme International d'Unites" Включает в себя основные и производные единицы.
*Основные единицы системы СИ: секунда, метр*
*Килограмм* - единица массы, равная массе международного эталона килограмма.
*Ампер* - сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным на расстоянии друг от друга в вакууме, вызывал бы между этими проводниками силу взаимодействия, равную $2 dot 10^(-7) H$ на каждый метр длины.
*Кельвин* - единица абсолютной температуры, равная $frac(1, 273.16)$ части температуры тройной точки воды.
*Моль* - единица количества вещества, равная количеству вещества системы, в которой содержится столько же структурных элементов (атомов, молекул), сколько содержится атомов углерода в углероде-12 массой $0.012$ кг.
*Кандела* - единица силы света, равная силе света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частоты $540 dot 10^(-12)$ Гц, сила излучения которого в этом направлении составляет $frac(1, 683)$ Вт/ср.
*Дополнительные единицы СИ.*
*Радиан* - угол между двумя раиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.
*Стерадиан* - телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающей на поверхности сферы площади, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
*Принципы, используемые про построении классической механики.*
+ Однородность пространства - все пространственные точки эквивалентны между собой. (Начало отсчета можно выбрать в любой точке.)
+ Изотропность пространства - все направления в пространстве эквивалентны. (Систему координат можно поворачивать произвольным образом)
+ Однородности времени - все моменты времени эквивалентны. (В любой момент можно начать отсчет времени)
*Радиус-вектор*
Радиус-вектор точки - вектор, проведенный из начала координат в данную точку.
#image("assets/14.png")
#image("assets/15.png")
*Перемещением материальной точки* за интервал времени от $t = t_1$ до $t = t_2$ называется вектор, проведенный из ее положения в момент времени $t_1$ в ее положение в момент времени $t_2$.
*Траекторией материальной точки* называется линия, которую она описывает при своем движении.
*Длиной пути* $S$ называется сумма длин всех участков траектории, пройденных материальной точкой за рассматриваемый промежуток времени.
#image("assets/16.png")
#image("assets/17.png")
Вектор скорости точки в каждый момент времени направлен по касательной к ее пространственной траектории. Для получения траектории в пространстве скоростей необходимо все векторы скорости, относящиеся к выбранному моменту времени, отложить от одной точки-начала отсчета в пространстве скоростей.
Конец, изменяющегося во времени вектора скорости, вычерчивает некоторую кривую в пространстве скоростей, называющуюся годографом вектора скорости. (Гамильтон 1846 г.) Вектор мгновенного ускорения направлен по касательной к годографу вектора скорости.
Мы будем использовать три способа описания движения - векторный, координатный и траекторный.
#image("assets/18.png")
#image("assets/19.png")
*Среднее ускорение материальной точки в интервале времени от $t_1$ до $t_2$:*
$
accent(a, arrow)_"ср" = frac(accent(v, arrow)(t_2) - accent(v, arrow)(t_1), t_2 - t_1) = frac(Delta accent(v, arrow), Delta t)
$
*Мгновенное ускорение:*
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$accent(a, arrow) = lim_(Delta t arrow 0) frac(Delta accent(v, arrow), Delta t) = frac(d accent(v, arrow), d t) = frac(d^2 accent(r, arrow), d t^2)$
]
]
*Скорость метериальной точки в момент времени t:*
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$accent(v, arrow)(t) = accent(v, arrow)_0 + integral_0^t accent(a, arrow) (t) space d t,$
]
]
где $accent(v, arrow)_0$ - скорость материальной точки в момент времени $t = 0$.
Радиус-вектор материальной точки в момент времени $t$:
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$accent(r, arrow) (t) = accent(r, arrow)_0 + integral_0^t accent(v, arrow) (t) space d t$
]
]
где $accent(r, arrow)$ - радиус-вектор материальной точки в момент времени $t = 0$.
Перемещение материальной точки за интервал времени от $0$ до $t$:
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$Delta accent(r, arrow) = integral_0^t accent(v, arrow) (t) space d t$
]
]
Почему траектория тела, брошенного под углом к горизонту, плоская кривая?
$
Delta accent(r, arrow) (t) = accent(v, arrow)_0 t + frac(accent(g, arrow) t^2, 2)
$
В любой момент времени вектор перемещения лежит в плоскости, содержащей векторы $accent(v, arrow)_0$ и $accent(g, arrow)$
#image("assets/20.png")
*II Вектор скорости материальной точки.*
Проекции вектора скорости на оси координат.
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$v_x = frac(d x, d t); space v_y = frac(d y, d t); space v_z = frac(d z, d t)$
]
]
Модуль вектора скорости:
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$|accent(v, arrow)| = sqrt(v_x^2 + v_y^2 + v_z^2)$
]
]
Косинусы углов, которые вектор скорости составляет с осями $0x, space 0y, space 0z$:
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$cos alpha = frac(v_x, |accent(v, arrow)|); space cos beta = frac(v_y, |accent(v, arrow)|); space cos gamma = frac(v_z, |accent(v, arrow)|)$
]
]
*III. Ускорение материальной точки.*
Проекции вектора ускорения на оси координат:
$
a_x = frac(d v_x, d t) = frac(d^2 x, d t^2); space a_y = frac(d v_y, d t) = frac(d^2 y, d t^2); space a_z = frac(d v_z, d t) = frac(d^2 z, d t^2)
$
Модуль вектора ускорения:
$
|accent(a, arrow)| = sqrt(a_x^2 + a_y^2 + a_z^2)
$
Косинусы углов, которые вектор ускорения составляет с осями $0x, space 0y, space 0z$:
$
cos alpha = frac(a_x, |accent(a, arrow)|); space cos beta = frac(a_y, |accent(a, arrow)|); space cos gamma = frac(a_z, |accent(a, arrow)|)
$
*IV. Перемещение материальной точки за интервал времени от $t_1$ до $t_2$*
Проекции вектора перемещения на оси координат:
$
(accent(S, arrow))_x = x_2 - x_1
$
$
(accent(S, arrow))_y = y_2 - y_1
$
$
(accent(S, arrow))_z = z_2 - z_1
$
Модуль вектора перемещения:
$
|accent(S, arrow)| = sqrt(S_x^2 + S_y^2 + S_z^2)
$
Косинусы углов, которые вектор перемещения составляет с осями $0x, space 0y, space 0z$:
$
cos alpha = frac(S_x, |accent(S, arrow)|); space cos beta = frac(S_y, |accent(S, arrow)|); space cos gamma = frac(S_z, |accent(S, arrow)|);
$
*V. Приращение радиуса-вектора материальной точки (перемещение)*
Проекции приращения радиуса-вектора на оси координат:
$
Delta r_x = x_2 - x_1
$
$
Delta r_y = y_2 - y_1
$
$
Delta r_z = z_2 - z_1
$
Модуль приращения радиуса-вектора:
$
|Delta accent(r, arrow)| = sqrt(Delta r_x^2 + Delta r_y^2 + Delta r_z^2)
$
*Косинусы углов, которые приращение радиуса-вектора составляет с осями $0x, space 0y, space 0z$:*
$
cos alpha = frac(Delta r_x, |Delta accent(r, arrow)|); space cos beta = frac(Delta r_y, |Delta accent(r, arrow)|); space cos gamma = frac(Delta r_z, |Delta accent(r, arrow)|)
$
#image("assets/21.png")
#image("assets/22.png")
#image("assets/23.png")
#image("assets/24.png")
#image("assets/25.png")
#image("assets/26.png")
#image("assets/27.png")
Тангенциальное ускорение отвечает за скорость изменения модуля скорости
$
accent(a, arrow)_tau = frac(d |accent(v, arrow)|, d t) dot accent(tau, arrow)
$
Нормальное ускорение пропорционально скорости изменения направления вектора скорости
$
accent(a, arrow)_n = |accent(v, arrow)| frac(d phi, d t) accent(n, arrow) = |accent(v, arrow)|^2 frac(1, R) accent(n, arrow)
$
#image("assets/28.png")
*Движение с постоянным ускорением*
Зависимость скорости материальной точки от времени:
$
accent(a, arrow) = "const"
$
$
accent(v, arrow) = accent(v, arrow)_0 + integral_0^t accent(a, arrow) space d t
$
$
accent(v, arrow)(t) = accent(v, arrow)_0 + accent(a, arrow) dot t
$
$accent(v, arrow)_0$ - скорость материальной точки в момент времени $t = 0$.
*Зависимость радиуса-вектора материальной точки от времени:*
$accent(a, arrow) = "const"$
$accent(v, arrow)(t) = accent(v, arrow)_0 + accent(a, arrow) dot t$
$
accent(r, arrow)(t) = accent(r, arrow)_0 + integral_0^t accent(v, arrow) space d t
$
$
accent(r, arrow) (t) = accent(r, arrow)_0 + accent(v, arrow)_0 t + frac(accent(a, arrow) t^2, 2)
$
$accent(r, arrow)_0$ - радиус-вектор материальной точки в момент времени $t = 0$
*Перемещение материальной точки за интервал времени от $0$ до $t$:*
$
accent(a, arrow) = "const", space accent(v, arrow)(t) = accent(v, arrow)_0 + accent(a, arrow) dot t
$
$
Delta accent(r, arrow) (t) = integral_0^t accent(v, arrow) space d t
$
$
Delta accent(r, arrow) (t) = accent(v, arrow)_0 t + frac(accent(a, arrow) t^2, 2)
$
#image("assets/29.png")
*Проекция на ось $0x$ перемещения материальной точки за интервал времени от $0$ до $t$:*
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$(Delta accent(r, arrow))_x = Delta x = frac(v_x^2 - x_(0 x)^2, 2 a_x)$
]
]
*Средняя скорость прохождения отрезка пути.*
#align(center)[
#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[
$v_"ср" = frac(S, Delta t)$
]
]
Средней путевой скоростью движения точки называется скалярная величина равная отношению пути, пройденного точкой за интервал времени $Delta t$, к его продолжительности.
#image("assets/30.png")
Пример. Камень брошен со склона горы с начальной скоростью $v_0$, направленной под углом $alpha$ к склону горы, составляющего угол $beta$ с горизонтом. На каком расстоянии от точки бросания $l$ упадет камень?
#image("assets/31.png")
Выразим высоту в треугольнике через модуль каждого из векторов по очереди.
$
v_0 t sin alpha = frac(g t^2, 2) cos beta
$
$
t = frac(2 v_0 sin alpha, g cos beta)
$
$
l = frac(2 v_0^2 sin alpha, g cos beta)(cos alpha + frac(sin alpha sin beta, cos beta)) = frac(2v_0^2 sin alpha, g cos^2 beta) cos(alpha - beta)
$
#image("assets/32.png")
3). Проекцию перемещения материальной точки за интервал времени от $t_1$ до $t_2$:
$
(Delta accent(r, arrow))_x = 2 - 0.5 = 1.5 м
$
#image("assets/33.png")
#image("assets/34.png")
Пример. Материальная точка движется вдоль оси $0x$.
+ Укажите момент времени, когда мгновенная скорость точки максимальна.
+ Укажите момент времени $t_1$, когда мгновенная скорость совпадает по величине со средней путевой скоростью за интервал времени от $0$ до $t_1$.
#image("assets/35.png")
Пример. Материальная точка покоится в начале координат. В момент времени $t = 0$ она начинает движение вдоль оси $0x$. На рисунке показан график зависимости проекции ее ускорения на ось $0x$ от времени. Определите:
+ В какие моменты времени модуль скорости точки возрастает
+ В какой момент времени направление движения точки изменяется на противоположное.
+ Максимальное значение модуля скорости точки
+ На какое максимальное расстояние точка удалилась от начала координат
#image("assets/36.png")
=== Лекция 2. Кинематика вращательного движения.
#image("assets/37.png")
#image("assets/38.png")
Направление вектора угла поворота определяют по правилу правого винта: если смотреть вдоль вектора угла поворота, то мы будем видеть поворот, совершающимся по часовой стрелке.
#image("assets/39.png")
#image("assets/40.png")
#image("assets/41.png")
#image("assets/42.png")
#image("assets/43.png")
При рассмотрении таких векторов, как радиус-вектор, скорость или сила и. т. п., вопрос о выборе их направления не возникает - оно вытекает естественным образом из природы этих величин. Такие векторы называют полярными или истинными. Векторы, направление которых связано с направлением вращения, называются псевдовекторами или аксиальными векторами.
При изменении условия, определяющего направление псевдовекторов, например, переходе от правой системы координат к левой псевдовекторы меняют направление на противоположное, а полярные остаются без изменений. Если оба вектора в векторном произведении полярные (или аксиальные), то векторное произведение - аксиальный вектор.
Произведение полярного вектора на аксиальный будет полярным вектором. Изменение условия, определяющего направление псевдовекторов на обратное приведет в этом случае к изменению знака перед векторным произведением и одновременно к изменению знака перед аксиальным вектором. В итоге направление векторного произведения не изменится.
#image("assets/44.png")
#image("assets/45.png")
#image("assets/46.png")
#image("assets/47.png")
#image("assets/48.png")
Положение твердого тела однозначно определяется положением плоской фигуры $Phi$ в неподвижной плоскости $P$. Выберем произвольные точки $A'$ и $O'$ плоской фигуры $Phi$. Положение фигуры $Phi$
в плоскости $P$ можно определить, задав радиус-вектор $accent(r, arrow)_0$ точки $O'$ и угол между радиусом-вектором $accent(r, arrow)'$ задающим положение $A'$ относительно $O'$ (этот вектор жестко связан с фигурой) и некоторым фиксированным направлением в $K$ - системе отсчета.
Выберем произвольные точки $A$ и $O'$ плоской фигуры $Phi$. Положение фигуры $Phi$ в плоскости $P$ можно определить, задав радиус-вектор $accent(r, arrow)_0$ точки $O'$ и угол между радиусом-вектором $accent(r, arrow)'$, задающим положение $A$ относительно $O'$, и некоторым фиксированным направлением в $K$ - системе отсчета (например, с осью $0x$).
#image("assets/49.png")
Заметим, что, если $accent(r, arrow)'$ повернется на угол $d phi$, на такой же угол повернется и любой другой отрезок фигуры. Угловая скорости фигуры не зависит от выбора точки $O'$
Введем вспомогательную систему отсчета $K'$, с началом отсчета в точке $O'$. Оси $0x$ и $0x'$ направим параллельно. Пусть система отсчета $K'$ перемещается поступательно относительно $K$. Элементарное перемещение $d accent(r, arrow)$ точки $A$ в $K$ - системе
$
d accent(r, arrow) = d accent(r, arrow)_0 + d accent(r, arrow)' space (1)
$
#image("assets/50.png")
Скорость любой точки $A$ твердого тела при плоском движении складывается из скорости $accent(v, arrow)_0$ произвольной точки $O'$ тела и $accent(v, arrow)' = [accent(omega, arrow), accent(r, arrow)']$ скорости, обусловленной вращением тела вокруг оси, проходящей через точку $O'$.
#image("assets/51.png")
#image("assets/52.png")
#image("assets/53.png")
Орт $accent(e, arrow)_z$ направлен вдоль вектора угла поворота, первое слагаемое при подстановке в векторное произведение обратится в нуль. Рассмотрим второе слагаемое. Сначала рассмотрим общий случай, когда на движение точки не наложено никаких ограничений, в цилиндрической системе координат перемещение точки разделяют на две составляющие.
#image("assets/54.png")
#image("assets/55.png")
При вращении вокруг неподвижной оси $rho = R$ не изменяется. Нет радиального перемещения $d p$, есть только поперечное перемещение $rho d phi$. Нет радиальной скорости
$
accent(v, arrow)_r = frac(d rho, d t) accent(e, arrow)_r
$
есть только трансверсальная скорость
$
accent(v, arrow)_phi = rho frac(d phi, d t) accent(e, arrow)_phi = rho omega accent(e, arrow)_phi
$
А она в свою очередь может быть представлена в виде
$
accent(v, arrow) = [accent(omega, arrow), accent(r, arrow)]
$
$
R = r sin theta
$
$
v = omega R
$
=== Лекция 3. Динамика поступательного движения.
*Законы динамики Ньютона.*
I закон:
Существуют такие системы отсчета, в которых свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Такие системы отсчета называются инерциальными.
II закон:
$
accent(a, arrow) = frac(accent(F, arrow)_Sigma, m)
$
$accent(F, arrow)_Sigma$ - сумма всех сил, действующих на тело
III закон:
$
accent(F, arrow)_(12) = -accent(F, arrow)_(21)
$
#image("assets/56.png")
#image("assets/57.png")
#image("assets/58.png")
*Масса инертная и гравитационная*
Казалось бы, инертность и способность к гравитационным взаимодействиям представляют собой совершенно различные свойства материи. Количественные меры этих свойств могли бы быть разными, но...
I. Впервые (сам не подозревая об этом) доказать на опыте равенство инертной и гравитационной масс пытался Галилей. Он проводил опыты, стремясь опровергнуть утверждение Аристотеля о том, что тяжелые тела падают быстрее легких.
$
m_"инертн" a = m_"грав" g
$
для всех тел.
II. Ньютон открыл закон всемирного тяготения, анализируя законы Кеплера и используя свой закон динамики.
$
m_"инертн" a = F_"грав" = G frac(m_"грав" M, r^2)
$
Он первый проверил пропорциональность инертной и гравитационной масс с точностью до $10^(-3)$
III. Современные эксперименты доказали равенство инертной и гравитационной масс с относительной погрешностью измерений до $10^(-12)$.
В классической механике можно выбрать один и тот же эталон для измерения обеих масс и говорить просто и массе, которая выступает как мера инертности тела и как мера его гравитационного взаимодействия.
*Принцип эквивалентности сил тяготения и сил инерции Эйнштейна.*
Общая теория относительности релятивистская теория гравитации. Равенство инертной и гравитационной масс заложено в основу теории. Все физические явления в однородном поле тяготения происходят совершенно так же, как и в соответствующем однородном поле сил инерции.
*Законы Кеплера.*
+ Траектории, по которым движутся планеты, предствавляют собой эллипсы, а одном из фокусов которых находится Солнце.
+ Радиус-вектор планеты, проведенный из Солнца, зачерчивает за равные промежутки времени одинаковые площади.
+ Для всех планет отношение квадрата периода обращения к кубу большой полуоси эллиптической орбиты имеет одно и то же значение.
$
frac(T_1^2, R_1^3) = frac(T_2^2, R_2^3)
$
*Вывод третьего закона Кеплера из закона всемирного тяготения.*
Будем рассматривать движение по круговым орбитам
$
a_"цс" = frac(v^2, R) = frac(4 pi^2 R, T^2) = frac(F_"грав", m) = G frac(M_"Солн", R^2)
$
Для всех планет, вращающихся вокруг Солнца,
$
G frac(M_"солн", 4 pi^2) = frac(R^3, T^2) = "const"
$
$
frac(T_1^2, R_1^3) = frac(T_2^2, R_2^3)
$
#image("assets/59.png")
#image("assets/60.png")
Пример. Брусок массой $m$ находится на наклонной плоскости, составляющей угол $alpha$ с горизонтом. Коэффицент трения бруска о плоскость равен $mu$. Вычислите силу трения, действующую на брусок.
#image("assets/61.png")
Если составляющая силы тяжести, направленная вдоль плоскости,
$
m g sin alpha
$
больше максимально возможного значения силы трения покоя, брусок скользит вдоль наклонной плоскости
$
F_"тр. ск." = mu N = mu m g cos alpha
$
Если
$
m g sin alpha lt mu m g cos alpha
$
$
F_"тр. покоя" = m g sin alpha
$
*Сила сопротивления*
$
accent(F, arrow)_"сопр" = -k accent(v, arrow)
$
При больших скоростях
$
accent(F, arrow)_"сопр" = -k v accent(v, arrow)
$
#image("assets/62.png")
#image("assets/63.png")
$
accent(F, arrow) = m dot frac(d^2 accent(r, arrow), d t^2) space.quad accent(a, arrow) = frac(accent(F, arrow)_"суммарн", m)
$
$
accent(v, arrow)(t) = accent(v, arrow)_0 + integral_0^t accent(a, arrow) space d t
$
$
accent(r, arrow) (t) = accent(r, arrow)_0 + integral_0^t accent(v, arrow) space d t
$
#image("assets/64.png")
$
x' = x - V_x t
$
$
y' = y
$
$
z' = z
$
*Покажем, что законы Ньютона инвариантны относительно преобразований Галилея.*
1. Масса не зависит от скорости, т.е. одинакова во всех инерциальных системах отсчета:
$
m = m'
$
2.
$
t = t'; space.quad accent(a, arrow) = accent(a, arrow)' space.quad ("т.к." space frac(d^2 accent(r, arrow), d t^2) = frac(d^2 accent(r, arrow)', d t'^2))
$
3. Сила может зависеть от масс взаимодействующих тел, от взаимного расположения тел и от их относительной скорости.
#set math.cases(reverse: true)
$
cases(
accent(r, arrow)_1 - accent(r, arrow)_2 = accent(r, arrow)'_1 - accent(r, arrow)'_2,
accent(v, arrow)_1 - accent(v, arrow)_2 = accent(v, arrow)'_1 - accent(v, arrow)'_2,
m = m'
) arrow.double accent(F, arrow) = accent(F, arrow)'
$
*Принцип относительности Галилея.*
Законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
*Силы инерции*
При переходе из инерциальной системы отсчета в неинерциальную ускорения приобретают, в худшем случае, три математические добавки
$
m accent(a, arrow)_"нсо" = m(accent(a, arrow)_"исо" + accent(a, arrow)')
$
$
Sigma accent(F, arrow)_"взаимодействия"
$
В неинерциальных системах отсчета можно формально сохранить вид II закона Ньютона, если добавить к силам взаимодействия силы инерции.
$
m accent(a, arrow)_"нсо" = Sigma accent(F, arrow)_"взаимодействия" + Sigma accent(F, arrow)_"инерции"
$
#image("assets/65.png")
#image("assets/66.png")
#image("assets/67.png")
#image("assets/68.png")
#image("assets/69.png")
=== Лекция 4. Второй закон Ньютона в импульсной форме. Закон сохранения импульса.
Второй закон Ньютона в импульсной форме. Основное уравнение динамики.
Импульс тела:
$
accent(p, arrow) = m accent(v, arrow)
$
$
accent(p, arrow)_2 - accent(p, arrow)_1 = accent(F, arrow) Delta t
$
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$(d accent(p, arrow))/(d t) = accent(F, arrow)$
]
]
Приращение импульса тела равно импульсу действавшей на него силы.
$
[accent(p, arrow)] = ("кг" dot "м")/"с" space.quad floor.l accent(F, arrow) Delta t floor.r = "H" dot "c"
$
#image("assets/70.png")
*Центр масс системы частиц. Закон движения центра масс.*
1. Радиус-вектор центра масс: $accent(r, arrow)_c = frac(sum_i m_i accent(r, arrow)_i, sum_i m_i)$
2. Скорость центра масс:
$
accent(v, arrow)_c = frac(d accent(r, arrow)_c, d t) = frac(sum_i m_i accent(v, arrow)_i, sum_i m_i) = frac(accent(P, arrow)_"системы", m_"системы")
$
3. Закон движения центра масс системы частиц:
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$m_"системы" frac(d accent(v, arrow)_c, d t) = frac(d accent(P, arrow)_"системы", d t) = sum_i accent(F, arrow)_(i "внешн.")$
]
]
Центр масс любой системы частиц, движется так, как если бы вся масса системы была сосредоточена в этой точке и к ней была бы приложены все внешние силы.
#image("assets/71.png")
*Ц - система.*
Систему отсчета, жестко связанную с центром масс, называют системой отсчета центра масс или Ц-системой.
Отличительной особенностью Ц-системы является то, что полный импульс системы частиц в ней всегда равен нулю.
$
accent(v, arrow)_c = 0 = frac(accent(P, arrow)_"системы", m_"системы")
$
Для замкнутой системы частиц Ц-система является инерциальной.
Пример. Два электрона сближаются, двигаясь вдоль одной прямой. На какое минимальное расстояние они сблизятся, если на очень большом расстоянии друг от друга они имеют скорости $v_1 = 50 "м/с"$ и $v_2 = 20 "м/с"$.
#image("assets/72.png")
$
m frac(tilde(v)_1^2, 2) + m frac(tilde(v)_2^2, 2) + U_infinity = k frac(e^2, r_"min") + 0
$
В момент максимального сближения электронов их кинетическая энергия в Ц-системе равна нулю.
$r_"min" = frac(k e^2, m tilde(v)^2)$
*Закон сохранения импульса*
Импульс замкнутой системы частиц не изменяется с течением времени
1. В классической механике закон сохранения импульса является следствие из законов Ньютона:
$
frac(d accent(P, arrow)_"системы", d t) = sum_i accent(F, arrow)_(i "внешн.")
$
В замкнутой системе частиц
$
accent(F, arrow)_(i "внешн.") = 0
$
$
accent(P, arrow)_"системы" = "const"
$
2. Закон сохранения импульса - фундаментальный закон природы.
*Закон сохранения импульса можно применять*
1. Если система частиц замкнута ($accent(F, arrow)_"внешн" = 0$)
2. Если $sum_i accent(F, arrow)_(i "внешн") = 0$
3. Если $sum_i F_(i x) = 0$, то $p_x = "const"$
4. Если кратковременные силы взаимодействия в системе во много раз превосходят по величине внешние силы
#image("assets/73.png")
#image("assets/74.png")
#image("assets/75.png")
#image("assets/76.png")
=== Лекция 5. Работа. Мощность. Энергия.
#image("assets/77.png")
*Элементарной работой* $delta A$ силы *$accent(F, arrow)$* на малом перемещении *$d accent(r, arrow)$* нызывается скалярное произведение *$accent(F, arrow)$* на *$d accent(r, arrow)$*.
*Работой* $A$, совершаемой силой *$accent(F, arrow)$* на конечном участке траектории точки ее приложения, называется алгебраическая сумма элементарных работ этой силы на всех малых частях этого участка.
#image("assets/78.png")
#image("assets/79.png")
*Мгновенная мощность силы*
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$N = frac(delta A, d t) = accent(F, arrow) frac(d accent(r, arrow), d t) = accent(F, arrow) accent(v, arrow) = F_tau dot v$]]
$
[N] = "Вт"
$
Мощностью (мгновенной мощностью) силы называется скалярная физическая величина $N$, равная отношению элементарной работы этой силы $delta A$ к малому промежутку времени $d t$, в течение которого эта работа совершается.
*Срядняя мощность силы*
Средней мощностью силы в интервале времени от $t$ до $t + Delta t$ называется физическая величина $N_"ср"$, равная отношению работы $A$, совершаемой этой силой за промежуток времени $Delta t$ к его продолжительности.
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$N_"ср" = frac(A, Delta t)$
]
]
*Кинетической энергией* тела называется энергия его механического движения.
#image("assets/80.png")
#image("assets/81.png")
$
delta A = m v space d v
$
$
A = integral_I^(I I) m v space d v = frac(m v_(I I)^2, 2) - frac(m v_I^2, 2) = Delta E_K
$
$
E_K = frac(m v^2, 2)
$
Сумма работ всех сил, приложенных к телу, равна приращению кинетической энергии тела.
*Консервативные силы.*
*Стационарным* называют поле, остающееся постоянным во времени.
*Консервативными* называют силы, работа которых при перемещении частицы из одной точки в другую не зависит от пути между этими точками.
#image("assets/82.png")
*Диссипативными* называются силы, суммарная работа которых при любых перемещениях замкнутой системы всегда отрицательна.
*Гироскопическими* называются силы, зависящие от скорости материальной точки, на которую они действуют, и направленные перпендикулярно к этой скорости. (Эти силы не могут совершать работы.)
*Центральные силы*
*Центральными* называют силы, зависящие только от расстояния между взаимодействующими частицами, и направленные по прямой, проходящей через эти частицы.
$
accent(F, arrow) = plus.minus F(r) frac(accent(r, arrow), r)
$
#image("assets/83.png")
*Потенциальной энергией частицы* называется энергия зависящая от ее положения в потенциальном поле.
*Потенциальной энергией системы частиц* называется часть энергии механической системы, зависящая только от ее конфигурации, т.е. от взаимного расположения всех частиц системы и от их положения во внешнем потенциальном поле.
#image("assets/84.png")
$
A_(12) = integral_1^2 accent(F, arrow)_"конс" space d accent(r, arrow) = U_1 - U_2 = - Delta U
$
Работа сил поля на пути 1-2 равна убыли потенциальной энергии частицы в данном поле. Потенциальная энергия определяется с точностью до произвольной (не зависящей от $accent(r, arrow)$) постоянной.
*Потенциальная энергия и сила поля.*
$
-d U = delta A = accent(F, arrow) space d accent(r, arrow) = F_tau space d l
$
$F_tau = - frac(diff U, diff l)$ Знак частной производной указывает на то, что производная берется по определенному направлению
$
F_x = - frac(diff U, diff x); space F_y = - frac(diff U, diff y); space F_z = - frac(diff U, diff z)
$
$
accent(F, arrow) = -(frac(diff U, diff x) accent(i, arrow) + frac(diff U, diff y) accent(j, arrow) + frac(diff U, diff z) accent(k, arrow)) = -"grad" U = - gradient U
$
*Векторный дифференциальный оператор набла*
$
gradient C = (-frac(diff, diff x) accent(i, arrow) + frac(diff, diff y) accent(j, arrow) + frac(diff, diff z) accent(k, arrow)) C = "grad" C
$
*Напряженность и потенциал силового поля.*
Выделим величину, характеризующую частицу, находящуюся в силовом поле $(q, m)$. Останутся величины, характеризующие само поле - напряженность и потенциал.
$
accent(F, arrow) = q accent(E, arrow) space.quad U = q phi
$
$accent(E, arrow)$ - силовая характеристика поля
$phi$ - энергетическая характеристика поля
*Связь напряженность и потенциала*
$
accent(E, arrow) = -(frac(diff phi, diff x) accent(i, arrow) + frac(diff phi, diff y) accent(j, arrow) + frac(diff phi, diff z) accent(k, arrow)) = -"grad" phi
$
Напряженность поля направлена в сторону наибыстрейшего убывания его потенциала.
$
E_tau = frac(diff phi, diff tau) = 0
$
Линии напряженности направлены перпендикулярно эквипотенциальным поверхностям.
*Силовое поле можно задать двумя способами:*
1. Указать значение потенциала в каждой точке
$
accent(E, arrow) = -(frac(diff phi, diff x) accent(i, arrow) + frac(diff phi, diff y) accent(j, arrow) + frac(diff phi, diff z) accent(k, arrow)) = -"grad" phi
$
2. Указать значение напряженности в каждой точке
$
phi = - integral E_r space d r
$
#image("assets/85.png")
#image("assets/86.png")
#image("assets/87.png")
#image("assets/88.png")
*Полная механическая энергия частицы в поле*
*Полной механической энергией* частицы в поле называют сумму ее кинетической и потенциальной энергии.
$
E_"полн. мех." = E_K + U
$
$
Delta E_K = A_"консервативных сил" + A_"сторонних сил"
$
$
A_"конс." = -Delta U
$
$
Delta E_"полн. мех." = Delta (E_K + U) = A_"сторонних сил"
$
Приращение *полной механической энергии* частицы на некотором пути равно алгебраической сумме работ всех *сторонних сил*, действующих на частицу на этом пути.
#image("assets/89.png")
#image("assets/90.png")
*Собственная механическая энергия системы взаимодействующих частиц*
$
E_"собств" = E_K + U_"собств"
$
*Собственной механической энергией системы взаимодействующих частиц* называют сумму ее кинетической и собственной потенциальной энергии.
$
Delta E_(K "системы") = A_"внешних консервативных и неконсервативных сил" + A_"консервативных внутренних сил" + A_"диссипативных внутренних сил"
$
$
A_"консервативных внутренних сил" = -Delta U_"соб."
$
$
Delta(E_K + U_"соб") = A_"внешних сил" + A_"диссипативных внутренних сил"
$
*Закон сохранения собственной механической энергии:*
Собственная механическая энергия замкнутой системы частиц, в которой нет диссипативных сил, сохраняется в процессе движения.
*Если в замкнутой системе частиц действуют диссипативные силы:*
$
Delta E_"собств" = A_"диссипативных внутренних сил" lt 0
$
Часть собственной механической энергии переходит во внутреннюю.
*Универсальный закон сохранения энергии*
Энергия никогда не создается и не уничтожается, она может только переходить из одной формы в другую или обмениваться между отдельными частями материи.
#image("assets/91.png")
*Теория соударений.*
*Ударом* называется столкновение тел, при котором за весьма малый промежуток времени происходит значительное изменение скоростей тел.
*Линией удара* называется общая нормаль, проведенная к повехностям двух соприкасающихся тел в месте их соприкосновения при ударе.
Удар называется *центральным*, если в момент удара центры масс сталкивающихся тел находятся на линии удара.
Удар двух тел называется *абсолютно упругими*, если при этом ударе полная механическая энергия системы не изменяется.
Удар двух тел называется *абсолютно неупругим*, если после удара оба тела движутся как одно целое.
#image("assets/92.png")
Часть полной механической энергии системы переходит во внутреннюю:
$
frac(m_1 v_1^2, 2) + frac(m_2 v_2^2, 2) = frac((m_1 + m_2) v'^2, 2) + Q
$
Скорость центра масс системы не изменяется:
$
accent(v, arrow)'_c = frac(m_1 accent(v, arrow)_1 ' + m_2 accent(v, arrow)_2 ', m_1 + m_2) = frac(m_1 accent(v, arrow)_1 + m_2 accent(v, arrow)_2, m_1 + m_2) = accent(v, arrow)_c
$
*В системе отсчета, связанной с центром масс.*
$
tilde(accent(v, arrow))_1 = accent(v, arrow)_1 - accent(v, arrow)_c = frac(m_2 (accent(v, arrow)_1 - accent(v, arrow)_2), m_1 + m_2) space.quad tilde(accent(v, arrow))_2 = frac(m_1 (accent(v, arrow)_2 - accent(v, arrow)_1), m_1 + m_2)
$
До удара $tilde(accent(p, arrow))_1 = -tilde(accent(p, arrow))_2$, после удара $tilde(accent(p, arrow))' = 0$
Закон сохранения импульса: $tilde(accent(p, arrow))_1 + tilde(accent(p, arrow))_2 = 0$
Суммарная кинетическая энергия частиц целиком переходит во внутреннюю:
$
frac(m_1 m_2^2 |accent(v, arrow)_1 - accent(v, arrow)_2|^2, 2(m_1 + m_2)^2) + frac(m_2 m_1^2 |accent(v, arrow)_2 - accent(v, arrow)_1|^2, 2(m_1 + m_2)^2) = frac(1, 2) frac(m_1 m_2, m_1 + m_2) |accent(v, arrow)_2 - accent(v, arrow)_1|^2 = Q
$
#image("assets/93.png")
$
m_1 v_(1x) - m_1 v_(1x) ' = m_2 v_(2x) ' - m_2 v_(2x) space.quad (3)
$
$
m_1(v_(1x)^2 - v_(1x)^('2)) = m_2 (v_(2x)^('2) - v_(2x)^2) space.quad (4)
$
$
v_(1x) + v_(1x) ' = v_(2x) ' + v_(2x) space.quad (5)
$
Из уравнений (3) и (5) определяем:
$
v^'_(1x) = frac(2m_2v_(2x) + (m_1 - m_2)v_(1x), m_1 + m_2)
$
$
v_(2x)^' = frac(2m_1v_(1x) + (m_2 - m_1)v_(2x), m_1 + m_2)
$
#image("assets/94.png")
#image("assets/95.png")
=== Лекция 6. Динамика вращательного движения.
#image("assets/96.png")
#image("assets/97.png")
*Уравнение моментов*
$
frac(d accent(L, arrow), d t) = [frac(d accent(r, arrow), d t), accent(p, arrow)] + [accent(r, arrow), frac(d accent(p, arrow), d t)] = [accent(v, arrow), accent(p, arrow)] + [accent(r, arrow), accent(F, arrow)]
$
Закон динамики вращения частицы вокруг точки
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$frac(d accent(L, arrow), d t) = accent(M, arrow)$
]
]
#image("assets/98.png")
#image("assets/99.png")
#image("assets/100.png")
*Вращение системы материальных точек вокруг точки. Уравнение моментов.*
$
accent(L, arrow)_"системы" = sum_i accent(L, arrow)_i
$
$
frac(d accent(L, arrow)_"системы", d t) = sum_i accent(M, arrow)_"внутренних сил" + sum_i accent(M, arrow)_"внешних сил" = sum_i accent(M, arrow)
$
По 3 закону Ньютона $accent(F, arrow)_(i k) = -accent(F, arrow)_(k i)$
Внутренние силы направлены вдоль одной прямой. Их $accent(M, arrow)_Sigma = 0$
*Вращение твердого тела вокруг точки*
$
accent(L, arrow) = sum_i accent(L, arrow)_i
$
Закон динамики вращательного движения.
#align(center)[
#rect(
stroke: 1pt + red,
inset: (x: 20pt, y: 20pt)
)[
$frac(d accent(L, arrow), d t) = sum_i accent(M, arrow)_"внешних сил"$
]
]
*Момент импульса частицы относительно оси.*
Момент импульса частицы относительно оси равен проекции момента импульса частицы относительно любой из точек оси на эту ось.
#image("assets/101.png")
*Момент силы, действующий на частицу, относительно оси.*
Момент силы относительно оси равен проекции момента силы относительно любой из точек оси на эту ось.
#image("assets/102.png")
#image("assets/103.png")
*Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси.*
Полученные выше уравнения справедливы для каждой из точек твердого тела. Но необходимо помнить о том, что внутренние сил (силы взаимодействия частей тела) образуют пары. Моменты пар внутренних сил равны нулю. Момент импульса твердого тела может изменяться под действием только внешних сил.
*Для каждой из точек твердого тела закон динамики вращательного движения*
$
frac(d L_z, d t) = M_z space.quad m rho^2 epsilon_z = M_z
$
Для всех точек твердого тела значения $omega_z$ и $epsilon_z$ одинаковы.
Произведения $m rho^2$ для всех точек различны. Просуммируем эти значения для всех точек твердого тела (получим момент инерции), тогда можно будет записать закон динамики вращательного движения для всего твердого тела.
#image("assets/104.png")
$
I_0
$
Центральный момент инерции момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс.
#image("assets/105.png")
#image("assets/106.png")
#image("assets/107.png")
#image("assets/108.png")
#image("assets/109.png")
#image("assets/110.png")
#image("assets/111.png")
Закон динамики вращшения твердого тела вокруг неподвижной оси связывает скалярные величины.
$
M_(z "внешн") = frac(d L_z, d t) = I dot frac(d omega_z, d t) = I dot epsilon_z
$
Однако, для каждого твердого тела есть особые оси (они называются главными) при вращении относительно которых тот закон можно записывать в векторном виде. (Просто $L z$ направлен вдоль оси вращения.)
#image("assets/112.png")
Вы будете решать самые простые задачи только про вращение твердых тел вокруг их главных осей, поэтому не удивляйтесь, если увидите в учебнике этот закон записанным в векторном виде.
#image("assets/113.png")
#image("assets/114.png")
3. Связь линейного и углового ускорений.
$
a = epsilon R space.quad (3)
$
Из (1) и (3) $frac(m a, 2) = F_"тр" space.quad (4)$
Из (2) и (4) $a = frac(2, 3) g sin alpha$
#image("assets/115.png")
#image("assets/116.png")
Из (1), (2) и (3)
$
a = frac(m g sin alpha, m + frac(I_0, R^2)) space.quad t = sqrt(frac(2 S, a))
$
Чем больше момент инерции цилиндра, тем больше время скатывания.
#image("assets/117.png")
2. Закон динамики поступательного движения грузов. В проекции на ось $X$.
$
m_1 a = m_1 g - T_1
$
$
m_2 a = -m_2 g + T_2
$
3. Связь линейного и углового ускорений.
$
a = epsilon R space.quad (3)
$
Из (1), (2) и (3).
$
a = frac(g(m_1 - m_2), frac(m, 2) + m_1 + m_2) space.quad (4)
$
Из (2) и (4) определяем $T_1$ и $T_2$.
#image("assets/118.png")
$
T R = frac(m R^2, 2) epsilon space.quad (1)
$
2. Закон динамики поступательного движения цилиндра. В проекции на ось $X$.
$
m a = m g - T space.quad (2)
$
3. Связь линейного и углового ускорений.
$
a = epsilon R space.quad (3)
$
Из (1) и (3). $T = frac(m a, 2) space.quad (4)$
Из (2) и (4). $a = frac(2, 3)g$
#image("assets/119.png")
#image("assets/120.png")
#image("assets/121.png")
#image("assets/122.png")
#image("assets/123.png")
#image("assets/124.png")
*Закон сохранения момента импульса*
1. Классическая механика. Запишем уравнение моментов *при вращении материальной точки относительно точки* $frac(d accent(L, arrow), d t) = accent(M, arrow)$
Если $accent(M, arrow),$ то $accent(L, arrow) = "const"$
*При вращении материальной точки вокруг неподвижной оси*
Закон динамики вращательного движения
$
frac(d L_z, d t) = M_z
$
Если $M_z = 0$, то #rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$L_z = "const"$]
$
m rho^2 omega_z = "const"
$
*При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси*
Закон динамики вращательного движения
$
M_(z "внешних сил") = frac(d L_z, d t) = I dot frac(d omega_z, d t) = I dot epsilon_z
$
Если $M_(z "внешних сил") = 0$
#align(center)[
#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$L_z = I omega_z = "const"$] $space.quad epsilon_z = 0$
]
2. Закон сохранения момента импульса - фундаментальный закон природы.
#image("assets/125.png")
#image("assets/126.png")
#image("assets/127.png")
#image("assets/128.png")
#image("assets/129.png")
#image("assets/130.png")
*Пример.* Человек стоит на краю неподвижной карусели радиусом $r$ и ловит мяч, летящий по касательной к карусели со скоростью $v$. Момент инерции человека $I_"ч"$, момент инерции карусели $I_"к"$. С какой угловой скоростью начнет вращаться карусель? Как уменьшится кинетическая энергия карусели?
$
m v r = (m r^2 + I_"к" + I_"ч")omega
$
$
E к_1 - E к_2 = frac(m v^2, 2) - frac((m r^2 + I_"к" + I_"ч")omega^2, 2) gt 0
$
*Кинетическая энергия при плоском движении твердого тела*
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$E_"к" = frac(m v_c^2, 2) + frac(I_0 omega^2, 2)$]]
$v_c$ - скорость движения центра масс
$omega$ - угловая скорость вращения твердого тела, вокруг оси, проходящей через центр масс.
$I_0$ - центральный момент инерции твердого тела
#image("assets/131.png")
*Задание.* Вычислите центральный момент инерции шара
=== Лекция 7. Специальная теория относительности.
*Постулаты Эйнштейна*
*I. Принцип относительности:*
Все физические явления протекают одинаковым образом во всех инерциальных системах отсчета; все законы природы и уравнения, их описывающие, инвариантны, т. е. не меняются, при переходе от одной инерциальной системы отсчеты к другой. Другими словами, все инерциальные системы отсчета эквивалентны (неразличимы) по своими физическим свойствам; никакими опытами нельзя выделить одну из них как предпочтительную.
*II. Принцип инвариантности скорости света:*
Скорость света в вакууме не зависит от движения источника света и одинакова во всех направлениях. Это значит, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
#image("assets/132.png")
#image("assets/133.png")
#image("assets/134.png")
#image("assets/135.png")
*Интервал между событиями 1 и 2*
$S_(12) = sqrt(c^2 t_(12)^2 - l_(12)^2) = "inv"$
_I. Пространственноподобный интервал_ $l_(12) gt c t_(12)$
Можно найти такую $K'$ систему отсчета, в которой оба события происходят одновременно
$
(t_(12)^' = 0) c^2 t_(12)^2 - l_(12)^2 = -l_(12)^('2)
$
_II. Времениподобный интервал_ $c t_(12) gt l_(12)$
Можно найти такую $K'$ систему отсчета, в которой оба события происходят в одной точке
$
(l_(12)^' = 0) c^2 t_(12)^2 - l_(12)^2 = c^2 t_(12)^('2)
$
_III. Светоподобный интервал_ $c t_(12) = l_(12)$
События, разделенные времениподобными и светоподобными интервалами $l_(12) lt.eq c t_(12)$ могут быть причинно-связаны друг с другом.
#image("assets/136.png")
#image("assets/137.png")
#image("assets/138.png")
Из преобразований Лоренца видно, что в теории относительности можно говорить об "определенном моменте времени" лишь применительно к какой-либо инерциальной системе отсчета. Так, например, одному моменту времени в системе отсчета $K$ (одному определенному значению времени $t$ в этой системе) соответствует множество значений времени $t'$ в системе отсчета $K'$ в зависимости от значений координаты $x$.
#image("assets/139.png")
#image("assets/140.png")
#image("assets/141.png")
аналогично получаем выражение для $v'_(z')$
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$v'_(z') = frac(v_z sqrt(1 - (frac(V, c))^2), 1 - frac(v_x V, c^2))$]]
Модуль скорости
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$v' = sqrt(v_x^('2) + v_y^('2) + v_z^('2))$]]
Преобразование скорости при переходе из $K'$ в $K$.
$
v_x = frac(d x, d t) = frac(frac(d x, d t'), frac(d t, d t'))
$
#image("assets/142.png")
Действуя аналогично, получаем выражение для
$
v_y = frac(v'_(y') sqrt(1 - (frac(V, c))^2), 1 + frac(v'_(x') V, c^2))
$
$
v_z = frac(v'_(z') sqrt(1 - (frac(V, c))^2), 1 + frac(v'_(x')V, c^2))
$
$
v = sqrt(v_x^2 + v_y^2 + v_z^2)
$
Формулы преобразования идентичны. $K'$ - система отсчета движется относительно $K$-системы со скоростью $V$, $K$-система относительно $K'$ со скоростью - $V$.
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$v'_(x') = frac(v_x - V, 1 - frac(v_x V, c^2))$]]
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$v_x = frac(v'_(x') + V, 1 + frac(v'_(x')V, c^2))$]]
Это подтверждает тот факт, что системы отсчета равноправны.
*Преобразование ускорения при переходе из $K$ в $K'$*
Формулы преобразования идентичны. $K'$-система отсчета движется относительно $K$-системы со скоростью $V, K$-система относительно $K'$ со скоростью $-V$.
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$a'_(x') = frac(d v'(x'), d t') = a_x (
frac(
sqrt(1 - frac(V^2, c^2))
,
1 - frac(v_x V, c^2)
))^3$]]
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$a'_(y') = frac(d v'_(y'), d t') = [(1 - frac(v_x V, c^2))a_y + frac(v_y V, c^2)a_x] frac(1 - frac(V^2, c^2), (1 - frac(v_x V, c^2))^3)$]]
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$a'_(z') = frac(d v'_(z'), d t') = [
(1 - frac(v_x V, c^2))a_z + frac(v_z V, c^2) a_x] frac(1 - frac(V^2, c^2), (1 - frac(v_x V, c^2))^3)$]]
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$
a_x = frac(d v_x, d t) = a'_(x')(
frac(sqrt(1 - frac(V^2, c^2)), 1 - frac(v'_(x')V, c^2))
)^3
$]]
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$
a_z = frac(d v_z, d t) = [
(1 - frac(v'_(x')V, c^2))a'_(z') - frac(v'_(z')V, c^2) a'_(x')
]frac(1 - frac(V^2, c^2), (1 + frac(v'_(x')V, c^2))^3)
$]]
*Получим выражение для релятивистского импульса частицы.*
Будем исходить из того, что закон сохранения импульса должен выполняться во всех инерциальных системах отсчета. Рассмотрим две одинаковые частицы, которые в системе отсчета $K$ движутся навстречу друг другу с равными по модулю скоростями $v_0$. Выберем систему $K'$, которая движется вдоль оси $X$ со скоростью равной проекции скорости первой частицы на $X$. В этой системе первая частица движется со скоростью $accent(u, arrow)$ вверх.
#image("assets/143.png")
Рассмотрим также вторую систему отсчета $K''$, которая движется навстречу оси $X$ со скоростью, равной проекции скорости второй частицы на ось $X$. В этой системе отсчета вторая частица движется навстречу оси $Y''$ со скоростью $u$. необходимо, чтобы в любой системе отсчета получалось, что при столкновении частицы остановятся, так как выполнился ЗСИ.
#image("assets/144.png")
#image("assets/145.png")
*Основное уравнение релятивистской динамики*
$
frac(d accent(p, arrow), d t) = accent(F, arrow)
$
Релятивистский импульс частицы
$
accent(p, arrow) = frac(m accent(v, arrow), sqrt(1 - (frac(v, c))^2))
$
*Кинетическая энергия релятивистской частицы*
$
E_"к" = m c^2 (frac(1, sqrt(1 - (frac(v, c))^2)) - 1)
$
Энергия покоя $E_0 = m c^2$
$m(m_0)$ Масса (Ранее говорили "масса покоя")
*Полная энергия релятивистской частицы*
$
E_"полн" = E_"кин" + E_0
$
$
E_"полн" = frac(m c^2, sqrt(1 - (frac(v, c))^2))
$
Полная энергия частицы и ее импульс связаны соотношением.
$
frac(E^2, c^2) - p^2 = m^2 c^2
$
$
E^2 - p^2 c^2 = m^2 c^4
$
При переходе от одной системы отсчета к другой не изменяется масса частицы, следовательно, релятивистским инвариантом является
$
frac(E^2, c^2) - p^2 = frac(E^('2), c^2) - p^('2) = frac(E_0^2, c^2)
$
*Фотон.*
Фотон - квант света. Скорость фотона равна $c$.
Поскольку знаменатель в формуле для импульса обращается в нуль,
$
accent(p, arrow) = frac(m accent(v, arrow), sqrt(1 - (frac(v, c))^2))
$
масса фотона равна нулю.
*Энергия фотона.*
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$E = h theta.alt = frac(h c, lambda)$]]
$theta.alt$ - частота света
$lambda$ - длина волны света
Вычислим *импульс фотона*. Для этого воспользуемся формулой, связывающей энергию и импульс частицы.
$
frac(E^2, c^2) - p^2 = m^2 c^2 = 0
$
#align(center)[#rect(stroke: 1pt + red, inset: (x: 20pt, y: 20pt))[$p = frac(E, c) = frac(h theta.alt, c) = frac(h, lambda)$]]