F = ma
Это векторное равенство представляет основное уравнение динамики материальной точки.
Третий закон Ньютона гласит: действию всегда соответствует равное ему и противоположно направленное противодействие, т. е. действие двух тел друг на друга всегда равны и направлены по одной прямой в противоположных направлениях. В то время как первые два закона Ньютона относятся к одной материальной точке, третий закон является основным для системы точек. Наряду с этими тремя основными законами динамики имеет место закон независимости действия сил, который формулируется так: если на материальную точку действует несколько сил, то ускорение точки складывается из тех ускорений, которые точка имела бы под действием каждой силы в отдельности. Закон независимости действия сил приводит к правилу параллелограмма сил.
Кроме названных ранее понятий, в механике применяются и другие меры движения и действия.
Важнейшими являются меры движения: векторная – количество движения p = mv, равное произведению массы на вектор скорости, и скалярная – кинетическая энергия E k = 1 / 2 mv 2 , равная половине произведения массы на квадрат скорости. В случае вращательного движения твердого тела инерционные свойства его задаются тензором инерции, определяющим в каждой точке тела моменты инерции и центробежные моменты относительно трех осей, проходящих через эту точку. Мерой вращательного движения твердого тела служит вектор момента количества движения, равный произведению момента инерции на угловую скорость. Мерами действия сил являются: векторная – элементарный импульс силы F dt (произведение силы на элемент времени её действия), и скалярная – элементарная работа F*dr (скалярное произведение векторов силы и элементарного перемещения точки положения); при вращательном движении мерой воздействия служит момент силы.
Основные меры движения в динамике сплошной среды представляют собой непрерывно распределенные величины и, соответственно, задаются своими функциями распределения. Так, плотность определяет распределение массы; силы задаются их поверхностным или объёмным распределением. Движение сплошной среды, вызываемое приложенными к ней внешними силами, приводит к возникновению в среде напряженного состояния, характеризуемого в каждой точке совокупностью нормальных и касательных напряжений, представляемой единой физической величиной – тензором напряжений. Среднее арифметическое трех нормальных напряжений в данной точке, взятое с обратным знаком, определяет давление (см. Приложение).
В основе изучения равновесия и движения сплошной среды лежат законы связи между тензором напряжения и тензором деформации или скоростей деформации. Таков закон Гука в статике линейно-упругого тела и закон Ньютона в динамике вязкой жидкости (см. Приложение). Эти законы – простейшие; установлены и другие соотношения, более точно характеризующие явления, происходящие в реальных телах. Существуют теории, учитывающие предшествующую историю движения и напряжения тела, теории ползучести, релаксации и другие (см. Приложение).
Соотношения между мерами движения материальной точки или системы материальных точек и мерами действия сил содержатся в общих теоремах динамики: количеств движения, моментов количества движения и кинетической энергии. Эти теоремы выражают свойства движений как дискретной системы материальных точек, так и сплошной среды. При рассмотрении равновесия и движения несвободной системы материальных точек, т. е. системы, подчиненной заданным наперед ограничениям – механическим связям (см. Приложение), важное значение имеет применение общих принципов механики – принципа возможных перемещений и принципа Д’Аламбера. В применении к системе материальных точек принцип возможных перемещений состоит в следующем: для равновесия системы материальных точек со стационарными и идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма элементарных работ всех действующих на систему активных сил при всяком возможном перемещении системы была равна нулю (для связей неосвобождающих) или же была равна нулю или меньше нуля (для связей освобождающих). Принцип Д’Аламбера для свободной материальной точки гласит: в каждый момент времени силы, приложенные к точке, могут быть уравновешены добавлением к ним силы инерции.
При формулировке задач механика исходит из основных уравнений, выражающих найденные законы природы. Для решения этих уравнений применяют математические методы, причем многие из них зарождались и получали свое развитие именно в связи с проблемами механики. При постановке задачи всегда приходилось сосредотачивать внимание на тех сторонах явления, которые представляются основными. В случаях, когда необходимо учитывать и побочные факторы, а также в тех случаях, когда явление по своей сложности не поддается математическому анализу, широко применяется экспериментальное исследование.
Экспериментальные методы механики базируются на развитой технике физического эксперимента. Для записи движений используются как оптические методы, так и методы электрической регистрации, основанные на предварительном преобразовании механического перемещения в электрический сигнал.
Для измерения сил используются различные динамометры и весы, снабжаемые автоматическими приспособлениями и следящими системами. Для измерения механических колебаний широкое распространение получили разнообразные радиотехнические схемы. Особых успехов достиг эксперимент в механике сплошных сред. Для измерения напряжения используется оптический метод (см. Приложение), заключающийся в наблюдении нагружённой прозрачной модели в поляризованном свете.
Для измерения деформации большое развитие в последние годы приобрело тензометрирование при помощи механических и оптических тензометров (см. Приложение), а также тензометров сопротивления.
Для измерения скоростей и давлений в движущихся жидкостях и газах с успехом применяют термоэлектрические, ёмкостные, индукционные и другие методы.
4. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МЕХАНИКИ.
История механики, так же как и других естественных наук, неразрывно связана с историей развития общества, с общей историей развития его производительных сил. Историю механики можно разделить на несколько периодов, отличающихся как характером проблем, так и методами их решения.
Эпоха, предшествовавшая установлению основ механики. Эпоху создания первых орудий производства и искусственных построек следует признать началом накопления того опыта, который в дальнейшем служил основой для открытия основных законов механики. В то время как геометрия и астрономия античного мира представляли уже довольно развитые научные системы, в области механики были известны лишь отдельные положения, относящиеся к наиболее простым случаям равновесия тел.
Ранее всех разделов механики зародилась статика. Этот раздел развивался в тесной связи со строительным искусством античного мира.
Основное понятие статики – понятие силы – вначале тесно связывалось с мускульным усилием, вызванным давлением предмета на руку. Примерно к началу IV в. до н. э. уже были известны простейшие законы сложения и уравновешивания сил, приложенных к одной точке вдоль одной и той же прямой. Особый интерес привлекала задача о рычаге. Теория рычага была создана великим ученым древности Архимедом (III в. до н. э.) и изложена в сочинении “О рычагах”. Им были установлены правила сложения и разложения параллельных сил, дано определение понятия центра тяжести системы двух грузов, подвешенных к стержню, и выяснены условия равновесия такой системы. Архимеду же принадлежит открытие основных законов гидростатики.
Свои теоретические знания в области механики он применял к различным практическим вопросам строительства и военной техники. Понятие момента силы, играющее основную роль во всей современной механике, в скрытом виде уже имеется в законе Архимеда. Великий итальянский ученый Леонардо да Винчи (1452 – 1519) вводил представление о плече силы под видом “потенциального рычага”.
Итальянский механик Гвидо Убальди (1545 – 1607) применяет понятие момента в своей теории блоков, где было введено понятие полиспаста. Полиспаст (греч. poluspaston , отpolu - много иspaw - тяну) – система подвижных и неподвижных блоков, огибаемых канатом, используются для получения выигрыша в силе и, реже, для получения выигрыша в скорости. Обычно к статике принято относить ещё учение о центре тяжести материального тела.
Развитие этого чисто геометрического учения (геометрия масс) тесно связано с именем Архимеда, указавшего, при помощи знаменитого метода исчерпывания, положение центра тяжести многих правильных геометрических форм, плоских и пространственных.
Общие теоремы о центрах тяжести тел вращения дали греческий математик Папп (III в. н. э.) и швейцарский математик П. Гюльден в XVII в. Развитием своих геометрических методов статика обязана французскому математику П. Вариньону (1687); наиболее полно эти методы были разработаны французским механиком Л. Пуансо, трактат которого “Элементы статики” вышел в 1804 г. Аналитическая статика, основанная на принципе возможных перемещений, была создана знаменитым французским ученым Ж. Лагранжем С развитием ремесел, торговли, мореплавания и военного дела и связанного с ними накопления новых знаний, в XIV и XV вв. – в эпоху Возрождения – начинается расцвет наук и искусств. Крупным событием, революционизировавшим человеческое мировоззрение, явилось создание великим польским астрономом Николаем Коперником (1473 – 1543) учения о гелиоцентрической системе мира, в которой шарообразная Земля занимает центральное неподвижное положение, а вокруг нее по своим круговым орбитам движутся небесные тела: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн.