Движение тела

Движение изучает наука, называемая механикой. Механика зародилась в Древней Греции (см. статью «Микенцы«) примерно в V в. до н. э. Видимо, одним из первых объектов ее исследования была механе-подъёмная машина, применявшаяся в театре для подъема и опускания актеров, изображавших богов. Отсюда и произошло название науки.

Люди уже давно заметили, что они живут в мире Движущихся предметов — качаются деревья, летят птицы, плывут корабли, поражают цели стрелы, выпущенные из лука. Причины подобных загадочных тогда явлений занимали умы древних и средневековых ученых.

В 1638 г. Галилео Галилей писал: «В природе нет ничего древнее движения, и о нем философы написали томов немало и немалых». Древние и особенно ученые средневековья и эпохи Возрождения (Леонардо да Винчи, Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт и др.) уже правильно толковали отдельные вопросы движения, однако в целом ясного понимания законов движения во времена Галилея не было.

Учение о движении тел впервые предстает как строгая, последовательная наука, построенная, как и геометрия Евклида, на истинах, не требующих доказательств (аксиомах), в фундаментальном труде Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», изданном в 1687 г. Оценивая вклад в науку ученых-предшественников, великий Ньютон сказал: «Если мы видели дальше других, то это потому, что стояли на плечах гигантов».

Движения вообще, движения, безотносительного к чему-либо, нет и быть не может. Движение тел может происходить только относительно других тел и связанных с ними пространств. Поэтому в начале своего труда Ньютон решает принципиально важный вопрос о пространстве, относительно которого будет изучаться движение тел.

Чтобы придать конкретность этому пространству, Ньютон связывает с ним систему координат, состоящую из трех взаимно перпендикулярных осей.

Ньютон вводит понятие абсолютное пространство, которое определяет так: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным». Определение пространства как неподвижного тождественно предположению о существовании абсолютно неподвижной системы координат, относительно которой рассматривается движение материальных точек и твердых тел.

В качестве такой системы координат Ньютон принимал гелиоцентрическую систему, начало которой он помещал в центр Солнца, а три воображаемых взаимно перпендикулярных оси направлял к трем «неподвижным» звездам. Но сегодня известно, что в мире нет ничего абсолютно неподвижного — Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, Солнце движется относительно центра Галактики, Галактика — относительно центра мира и т. д.

Таким образом, если говорить строго, то абсолютно неподвижной системы координат не существует. Однако движение «неподвижных» звезд относительно Земли настолько медленное, что для большинства задач, решаемых людьми на Земле, этим движением можно пренебречь и считать «неподвижные» звезды действительно неподвижными, а абсолютно неподвижную систему координат, предложенную Ньютоном, действительно существующей.

По отношению к абсолютно неподвижной системе координат Ньютон сформулировал свой первый закон (аксиому): «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние».

С тех пор предпринимались и предпринимаются попытки редакционно улучшить формулировку Ньютона. Один из вариантов формулировок звучит так: «Тело, движущееся в пространстве, стремится сохранить величину и направление своей скорости» (имеется в виду, что покой — это движение со скоростью, равной нулю). Здесь уже вводится понятие одной из важнейших характеристик движения — поступательной, или линейной, скорости. Обычно линейная скорость обозначается V.

Обратим внимание на то, что в первом законе Ньютона говорится только о поступательном (прямолинейном) движении. Однако всем известно, что в мире существует и другое, более сложное движение тел — криволинейное, но о нем позже…

Стремление тел «удерживаться в своем состоянии» и «сохранять величину и направление своей скорости» называется инертностью, или инерцией, тел. Слово «инерция» латинское, в переводе на русский оно означает «покой», «бездействие». Интересно отметить, что инерция — органическое свойство материи вообще, «врожденная сила материи», как говорил Ньютон. Она свойственна не только механическому движению, но и другим явлениям природы, например электрическим, магнитным, тепловым. Инерция проявляется и в жизни общества, и в поведении отдельных людей. Но вернемся к механике.

Мерой инерции тела при его поступательном движении является масса тела, обозначаемая обычно m. Установлено, что при поступательном движении на величину инерции не влияет распределение массы внутри объема, занимаемого телом. Это дает основание при решении многих задач механики отвлечься от конкретных размеров тела и заменить его материальной точкой, масса которой равна массе тела.

Местоположение этой условной точки в объеме, занимаемом телом, называется центром масс тела, или, что почти то же самое, но более знакомо, центром тяжести.

Мерой механического прямолинейного движения, предложенной еще Р. Декартом в 1644 г., является количество движения, определяемое как произведение массы тела на его линейную скорость: mV.

Как правило, движущиеся тела не могут продолжительное время сохранять неизменным величину количества своего движения: расходуются в полете запасы топлива, уменьшая массу летательных аппаратов, тормозят и разгоняются поезда, изменяя свою скорость. Какая же причина вызывает изменение количества движения? Ответ па этот вопрос дает второй закон (аксиома) Ньютона, который в современной формулировке звучит так: скорость изменения количества движения материальной точки равна силе, действующей на эту точку.

Итак, причиной, вызывающей движение тел (если вначале mV=0) или изменяющей их количество движения (если вначале mV не равно О) относительно абсолютного пространства (других пространств Ньютон не рассматривал), являются силы. Эти силы позже получили уточняющие названия — физические, или Ньютоновы, силы. Они обычно обозначаются F.

Сам Ньютон дал следующее определение физическим силам: «Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения». Существует много других определений силы. Л. Купер и Э. Роджерс — авторы замечательных популярных книг по физике, избегая скучноватых строгих определений силы, с известной долей лукавства вводят свое определение: «Силы — это то, что тянет и толкает». До конца не ясно, но какое-то представление о том, что такое сила, появляется.

К физическим силам относятся: силы тяготения, электрические, магнитные (см. статью «Магнетизм и электромагнетизм«), силы упругости и пластичности, силы сопротивления среды, давления света и многие другие.

Если во время движения тела его масса не меняется (только этот случай будет рассматриваться в дальнейшем), то формулировка второго закона Ньютона значительно упрощается: «Действующая на материальную точку сила равна произведению массы точки на изменение ее скорости».

Изменение линейной скорости тела или точки (по величине или направлению — запомним это) называется линейным ускорением тела или точки и обозначается обычно а.

Ускорения и скорости, с которыми тела движутся относительно абсолютного пространства, называются абсолютными ускорениями и скоростями.

Кроме абсолютной системы координат, можно представить себе (конечно, с какими-то допущениями) другие системы координат, которые движутся относительно абсолютной прямолинейно и равномерно. Поскольку (согласно первому закону Ньютона) покой и равномерное прямолинейное движение эквивалентны, то в таких системах справедливы законы Ньютона, в частности первый закон — закон инерции. По этой причине системы координат, движущиеся равномерно и прямолинейно относительно абсолютной системы, получили название инерциальных систем координат.

Однако в большинстве практических задач людей интересует движение тел не относительно далекого и неосязаемого абсолютного пространства и даже не относительно инерциальных пространств, а относительно других более близких и вполне материальных тел, например пассажира относительно кузова автомобиля. Но эти другие тела (и связанные с ними пространства и системы координат) сами движутся относительно абсолютного пространства непрямолинейно и неравномерно. Системы координат, связанные с такими телами, получили название подвижных. Впервые подвижные системы координат использовал для решения сложных задач механики Л. Эйлер (1707—1783).

С примерами движения тел относительно других подвижных тел мы постоянно встречаемся в нашей жизни. Плывут по морям и океанам корабли, перемещаясь относительно поверхности Земли, вращающейся в абсолютном пространстве; движется относительно стен мчащегося пассажирского вагона проводник, разносящий чай по купе; выплескивается чай из стакана при резких толчках вагона и т. д.

Для описания и изучения столь сложных явлений вводятся понятия переносного движения и относительного движения и соответствующих им переносных и относительных скоростей и ускорений.

В первом из приведенных примеров вращение Земли относительно абсолютного пространства будет переносным движением, а перемещение корабля относительно поверхности Земли — относительным движением.

Чтобы изучить движение проводника относительно стен вагона, нужно прежде принять, что вращение Земли существенного влияния на движение проводника не оказывает и поэтому Землю в данной задаче можно считать неподвижной. Тогда движение пассажирского вагона — движение переносное, а движение проводника относительно вагона — движение относительное. При относительном движении тела воздействуют друг на друга или непосредственно (соприкасаясь), или на расстоянии (например, магнитные и гравитационные взаимодействия).

Характер этих воздействий определяется третьим законом (аксиомой) Ньютона. Если вспомнить, что физические силы, приложенные к телам, Ньютон назвал действием, то третий закон может быть сформулирован так: «Действие равно противодействию». Следует отметить, что действие приложено к одному, а противодействие — к другому из двух взаимодействующих тел. Действие и противодействие не уравновешиваются, а вызывают ускорения взаимодействущих тел, причем с большим ускорением движется то тело, масса которого меньше.

Напомним также, что третий закон Ньютона в отличие от первых двух справедлив в любой системе координат, а не только в абсолютной или инерциальных.

Кроме прямолинейного движения, в природе широко распространено криволинейное движение, простейшим случаем которого является движение по окружности. Только этот случай мы и будем рассматривать в дальнейшем, называя движение по окружности круговым движением. Примеры кругового движения: вращение Земли вокруг своей оси, движение дверей и качелей, вращение бесчисленных колес.

Круговое движение тел и материальных точек может происходить либо вокруг осей, либо вокруг точек.

Круговое движение (так же, как и прямолинейное) может быть абсолютным, переносным и относительным.

Как и прямолинейное, круговое движение характеризуется скоростью, ускорением, силовым фактором, мерой инерции, мерой движения. Количественно все эти характеристики в очень сильной степени зависят от того, на каком расстоянии от оси вращения находится вращающаяся материальная точка. Это расстояние называется радиусом вращения и обозначается r.

В гироскопической технике момент количества движения принято называть кинетическим моментом и выражать его через характеристики кругового движения. Таким образом, кинетический момент есть произведение момента инерции тела (относительно оси вращения) на его угловую скорость.

Естественно, законы Ньютона справедливы и для кругового движения. В применении к круговому движению эти законы несколько упрощенно могли бы быть сформулированы так.

• Первый закон: вращающееся тело стремится сохранить относительно абсолютного пространства величину и направление своего момента количества движения (т. е. величину и направление своего кинетического момента).
• Второй закон: изменение во времени момента количества движения (кинетического момента) равно приложенному моменту сил.
• Третий закон: момент действия равен моменту противодействия.