Часть II. КИНЕТИКА

А. ВВЕДЕНИЕ В КИНЕТИКУ

ГЛАВА 6. ОСНОВНЫЕ ОПЫТНЫЕ ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ

§ 1. Вектор силы

Область исследования кинетики

Кинематика отвечает на вопросы, как математически описать движение в заданной системе координат точки, механической системы или твердого тела. Она отвечает также на вопросы, как можно упростить изучение движения тел, разлагая эти движения на простейшие, и как можно точку и тело, участвующие в ряде движений, привести к одному движению. Кинематика указывает, как при заданном движении определить траектории, скорость и ускорение отдельных точек, изолированных или входящих в механическую систему. Однако в кинематике ничего не говорится о причинах, вызывающих то или иное движение материальных объектов.

Кинетикой называется раздел механики, посвященный изучению движения или, в частном случае, покоя материальных тел, происходящего в результате их взаимодействия.

Кинематика для кинетики служит вводной частью и необходимой базой.

Понятие силы

Причина и мера, вызывающая деформацию тела, либо изменяющая или вызывающая движение его, называется силой. Понятие силы принадлежит к первоначальным понятиям механики.

Это понятие возникло исторически как мера мускульного напряжения, которое необходимо развить для того, что поднять или удержать какое-либо тело или переместить его в пространстве. Однако производимый эффект мускульного напряжения может быть

заменен воздействием на данное тело другого неодушевленного тела, например, чтобы удержать камень в руке, требуется мускульное напряжение — сила. Но точно так же камень может быть удержан, если положить его на стол. Следовательно, действие стола на камень может быть заменено силой. Таким образом, в результате ряда экспериментальных факторов, наблюдаемых на Земле, понятие силы можно сформулировать следующим образом: сила — это мера механического взаимодействия материальных тел, изменяющая либо вызывающая движение или деформацию тела. Физическая природа сил в ряде случаев неизвестна, и в теоретической механике не ставится задача выяснить физическую сущность взаимодействия тел. В теоретической механике констатируется только реальность силы, как причины и меры взаимодействия на данное тело другого тела.

Вектор силы

Действие силы на тело зависит от величины ее. Например, сильный либо слабый толчок тела вызовет разные движения его. Итак, сила характеризуется своей величиной. Кроме того, характер движения тела зависит от того, как направлена сила. Например, давление на тело, расположенное на столе, перпендикулярное к столу, не вызовет его движения. В то же время такое же давление, действующее на тело, параллельно поверхности стола, может вызвать его движение. Следовательно, сила характеризуется своим направлением. Далее, движение тела, вызванное силами, равными по величине и направлению, будет различным, если эти силы приложены к разным точкам тела. Например, рассмотрим стержень, вращающийся в плоскости вокруг неподвижной точки. Действие силы одинаковой величины и направления (совпадающей с плоскостью вращения стержня), приложенной к неподвижной точке стержня или к движущимся его точкам, окажет различное влияние на движение. Именно, сила, приложенная в неподвижной точке, не окажет влияния на движение стержня, а сила, приложенная в других точках стержня, изменит движение его в зависимости от точки, в которой будет она приложена. Сила, приложенная в разных точках деформируемого тела, окажет на него различное влияние. Следовательно, сила в общем случае определяется и точкой приложения.

Итак, сила полностью определяется величиной, направлением и точкой ее приложения. В общем случае силу математически следует рассматривать как неподвижный или приложенный вектор.

Разделение сил на два класса

Все многообразие сил в природе ньютонианская механика подразделяет на два класса.

1) К первому классу относят силы, возникающие при непосредственном соприкосновении материальных объектов. Например,

на тело действует упругая сила пружины; последняя закреплена в некоторой точке тела. Примером таких сил также служат силы, возникающие при движении одного тела по другому, которые называются силами трения, и силы, возникающие при соприкосновении тела со средой, в которой оно движется. Последние называются силами сопротивления. Все силы этого класса назовем силами соприкосновения.

2) Ко второму классу относятся так называемые дальнодействующие силы. К этим силам относятся электромагнитные и гравитационные силы. Физическая природа этих сил и механизм их передачи не объясняются в ньютонианской механике, принято только, что они распространяются мгновенно, и на основании обобщения опыта установлено, что электромагнитные и гравитационные силы убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между телами.

Кроме того, на основе опыта указывается принципиальное различие этих сил, именно: электромагнитное взаимодействие обнаруживается лишь между некоторыми телами, когда они находятся в определенных физических состояниях. Это могут быть силы либо притяжения, либо отталкивания. Гравитационные силы действуют между всеми вещественными телами при любых их физических состояниях и представляют собой силы взаимного притяжения материальных тел. Электромагнитные силы можно ослебить или локализовать при помощи установки специальных экранов. Гравитационные силы по современным взглядам не поддаются никаким внешним воздействиям: все тела для них прозрачны. Такая всеобщность и универсальность гравитационных сил определяет их исключительное положение в физике, в частности в механике.