Примеры решения задач по механике

Физические основы механики

Пояснение к рабочей программе

Физика, наряду с другими естественными науками, изучает объективные свойства окружающего нас материального мира. Физика исследует наиболее общие формы движения материи. Простейшей и наиболее общей формой движения является механическое движение. Механическим движением называется процесс изменения взаимного расположения тел в пространстве и с течением времени.

Классическая механика изучает движение макроскопических тел, совершаемых со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света в вакууме. Законы классической механики были сформулированы И. Ньютоном в 1687 году, но не утратили своего значения в наши дни. Движение частиц со скоростями порядка скорости света рассматривается в релятивистской механике, основанной на специальной теории относительности, а движения микрочастиц изучается в квантовой механике. Это значит, что законы классической механики имеют определенные границы применения.

Механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику. В разделе кинематика рассматриваются такие кинематические характеристики движения, как перемещение, скорость, ускорение. Здесь необходимо использовать аппарат дифференциального и интегрального исчисления. В контрольной работе - это задачи 101-110.

В основе классической динамики лежат три закона Ньютона. Здесь необходимо обратить внимание на векторный характер действующих на тела сил, входящих в эти законы (задачи 111-120).

Динамика охватывает такие вопросы, как закон сохранения импульса (задачи 121-130), закон сохранения полной механической энергии, работа силы (задачи 131-140).

При изучении кинематики и динамики вращательного движения следует обратить внимание на связь между угловыми и линейными характеристиками. Здесь вводятся понятия момента силы, момента инерции, момента импульса и рассматривается закон сохранения момента импульса (задачи 141-160).

Основные формулы

Скорость мгновенная: где - радиус-вектор материальной точки, t - время; - производная радиус-вектора материальной точки по времени.
Модуль вектора скорости: где s - расстояние вдоль траектории движения (путь)
Скорость средняя (модуль):
Ускорение мгновенное:
Модуль вектора ускорения при прямолинейном движении:
Ускорение при криволинейном движении: нормальное где R - радиус кривизны траектории, тангенциальноеполное (вектор)(модуль)
Скорость и путь при движении: равномерномравнопеременном V0- начальная скорость; а > 0 при равноускоренном движении; а < 0 при равнозамедленном движении.
Угловая скорость: где φ - угловое перемещение.
Угловое ускорение:
Связь между линейными и угловыми величинами:
Импульс материальной точки: где m - масса материальной точки.
Основное уравнение динамики поступательного движения (II закон Ньютона): где - результирующая сила, <>
Формулы сил: тяжести где g - ускорение свободного падения трения где μ - коэффициент трения, N - сила нормального давления, упругости где k - коэффициент упругости (жесткости), Δх - деформация (изменение длины тела).
Закон сохранения импульса для замкнутой системы, состоящей из двух тел: где - скорости тел до взаимодействия; - скорости тел после взаимодействия.
Потенциальная энергия тела: поднятого над Землей на высоту hупругодеформированного
Кинетическая энергия поступательного движения:
Работа постоянной силы: где α - угол между направлением силы и направлением перемещения.
Полная механическая энергия:
Закон сохранения энергии: силы консервативнысилы неконсервативны где W1 - энергия системы тел в начальном состоянии; W2 - энергия системы тел в конечном состоянии.
Момент инерции тел массой m относительно оси, проходящей через центр инерции (центр масс): тонкостенного цилиндра (обруча) где R - радиус, сплошного цилиндра (диска)шарастержня длиной l, если ось вращения перпендикулярна стержню и проходит через его середину
Момент инерции тела относительно произвольной оси (теорема Штейнера): где - момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс, d - расстояние между осями.
Момент силы(модуль): где l - плечо силы.
Основное уравнение динамики вращательного движения: где - угловое ускорение, - результирующий момент сил.
Момент импульса: материальной точки относительно неподвижной точки где r - плечо импульса, твердого тела относительно неподвижной оси вращения
Закон сохранения момента импульса: где - момент импульса системы в начальном состоянии, - момент импульса системы в конечном состоянии.
Кинетическая энергия вращательного движения:
Работа при вращательном движении где Δφ - изменение угла поворота.

Примеры решения задач по механике

Задача 1. Движение тела массой 2 кг задано уравнением: , где путь выражен в метрах, время - в секундах. Найти зависимость ускорения от времени. Вычислить равнодействующую силу, действующую на тело в конце второй секунды, и среднюю силу за этот промежуток времени.

Дано:
Найти:

Решение: Модуль мгновенной скорости находим как производную от пути по времени:

Мгновенное тангенциальное ускорение определяется как производная от модуля скорости по времени:

Среднее ускорение определяется выражением:

После подстановки:

Равнодействующая сила, действующая на тело, определяется по второму закону Ньютона:

Тогда

Ответ: a(t) = 36t, F = 144 H, = 72 H.

Задача 2. По наклонной плоскости, составляющей с горизонтом угол 30º, движется тело массой 5 кг. К этому телу с помощью нерастяжимой нити, перекинутой через блок, привязано тело такой же массы, движущееся вертикально вниз (рис. 1). Коэффициент скольжения между телом и наклонной плоскостью 0,05. Определить ускорение тел и силу натяжения нити.

Дано:		Рис. 1
Найти:

Решение: Покажем на рисунке силы, действующие на каждое тело. Запишем для каждого из тел уравнение движения (второй закон Ньютона):

В проекциях на выбранные оси координат:

Учитывая, что , где , получим систему уравнений:

Вычтем из первого уравнения второе:

Искомое ускорение равно:

Вычислим ускорение а:

Силу натяжения найдем из первого уравнения системы:

Ответ:

Задача 3. Найти линейные ускорения движения центров тяжести шара и диска, скатывающихся без скольжения с наклонной плоскости. Угол наклона плоскости равен 30º. Начальная скорость тел равна нулю.

Дано:		Рис. 2
Найти:

Решение: При скатывании тела с наклонной плоскости высотой h его потенциальная энергия переходит в кинетическую поступательного и вращательного движения. По закону сохранения энергии:

(1)

где I - момент инерции тела, m - масса.

Длина наклонной плоскости l связана с высотой соотношением (рис. 2):

(2)

Линейная скорость связана с угловой:

(3)

После подстановки (2) и (3) в (1), получим:

(4)

Так как движение происходит под действием постоянной силы (силы тяжести), то движение тел - равноускоренное. Поэтому:

(5)

и

(6)

Решая совместно (4), (5) и (6), получим:

(7)

Моменты инерции:

для шара:
для диска:

Подставляя выражение для момента инерции в формулу (7), получим:

для шара:
для диска:

Ответ:

Электричество и магнетизм