Законы физики

                                                                ВВЕДЕНИЕ 

 Физика - наука о природе, изучающая  простейшие и вместе с тем  наиболее  общие закономерности  природы, строение и законы  движения материи.

Принято считать, что в своей основе физика является наукой экспериментальной, поскольку  открытые ею законы основаны на установленных  опытным путем данных. В целом  физика разделяется на экспериментальную, и теоретическую.

В зависимости  от ориентированности на потребителя  получаемого знания выделяют фундаментальную  и прикладную физику. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полно отражают суть физических явлений  и процессов действительности.

От ранних цивилизаций, возникших на берегах  Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением овеществленных в архитектурных сооружениях, бытовых  и т.п. изделиях знаний. Возводя различного рода сооружения и изготавливая предметы быта, оружия и т.д., люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических  опытов, их обобщений.

Физические  представления в Древнем Китае  появились также на основе различного рода технической деятельности, в  процессе которой вырабатывались разнообразные  технологические рецепты. Естественно, что прежде всего вырабатывались механические представления.

В Древней  Индии основу натурфилософских представлений  составляют учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. К VI в. до н.э. эмпирические физические представления в некоторых областях обнаруживают тенденцию перехода в  своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике). Фалес, высказавший  мысль о том, что все вещи произошли  из воды, по сути произвел революционный  переворот в мировоззрении, означавший отказ от мифологического объяснения явлений действительности Вслед  за Фалесом по этому пути пошли  Гераклит, высказавший идею об огне, как первооснове всего существующего, Анаксимандр - апейроне, Анаксагор - гомеомериях, Анаксимен - воздухе. Эмпедокл - четырех  стихиях (огне, воздухе, воде и земле). Предшествующие концепции не допускали  существования пустоты.

    
 
 
 
 
 
 
 
 

                         ГЛАВА 1. ЗАКОНЫ  НЬЮТОНА

1. Первый закон Ньютона или закон инерции.

В «Механике» Аристотеля (384—322 до н. э.) утверждается, что:

Движущееся  тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие.

Наблюдения  действительно показывали, что тело останавливалось при прекращении  действия толкающей его силы. Естественное противодействие внешних сил (сил  трения, сопротивления воздуха и  т. п.) движению толкаемого тела, при  этом, не учитывалось. Поэтому, Аристотель связывал неизменность скорости движения любого тела с неизменностью прилагаемой к нему силы.

И только через  два тысячелетия Галилео Галилей (1564—1642) смог исправить эту ошибку Аристотеля. В своем труде «Беседы  о двух новых науках» он писал:

…скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены  внешние причины  ускорения или  замедления, — условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в  случае движения по наклонной плоскости  вниз уже существует причина ускорения, в то время, как  при движении по наклонной  плоскости вверх  налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно.

Это суждение нельзя вывести непосредственно  из эксперимента, так как невозможно исключить все внешние влияния (трение и т. п.). Поэтому, здесь Галилей  впервые применил метод логического  мышления, базирующийся на непосредственных наблюдениях и подобный математическому  методу доказательства «от противного». Если наклон плоскости к горизонтали  является причиной ускорения тела, движущегося по ней вниз, и замедления тела, движущегося по ней вверх, то, при движении по горизонтальной плоскости, у тела нет причин ускоряться или замедляться, и оно должно пребывать в состоянии равномерного движения или покоя.

Таким образом, Галилей просто и ясно доказал  связь между силой и изменением скорости (ускорением), а не между  силой и самой скоростью, как  считал Аристотель и его последователи. Это открытие Галилея вошло в  науку как Закон инерции, который  теперь также известен как первый закон Ньютона (1643—1727).

Закон инерции или Первый закон Ньютона: любое свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Иными словами, телам свойственна инерция (от лат. inertia — «бездеятельность», «косность»), то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы.

Первый закон  Ньютона в современной формулировке звучит так:

Существуют  такие системы  отсчёта, относительно которых любое  тело (материальная точка) при отсутствии на него внешних воздействий (или  при их взаимной компенсации) сохраняет состояние  покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон  инерции, называют инерциальными системами  отсчёта (ИСО). Все другие системы  отсчёта называются соответственно неинерциальными. Проявлением инерции  в них является также возникновение  фиктивных сил инерции. 

                           1.2 Второй закон Ньютона

Второй  закон Ньютона  — дифференциальный закон движения, описывающий  взаимосвязь между  приложенной к  материальной точке  силой и получающимся от этого ускорением этой точки. Фактически, второй закон Ньютона  вводит массу как  мера проявления инертности материальной точки  в выбранной инерциальной системе отсчёта (ИСО).

Второй закон  Ньютона утверждает, что

В инерциальной системе  отсчета ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально  равнодействующей всех приложенных к  ней сил и обратно  пропорционально  её массе.

При подходящем выборе единиц измерения, этот закон  можно записать в виде формулы:

                                      

где — ускорение материальной точки;

• — сила, приложенная к материальной точке;

m — масса  материальной точки.

Или в более  известном виде:

                                         

В случае, когда  масса материальной точки меняется со временем, второй закон Ньютона  формулируется с использованием понятия импульс:

В инерциальной системе  отсчета скорость изменения импульса материальной точки  равна действующей  на неё силе

                                        

где   — импульс точки,

• —скорость точки;                                     

t — время;

— производная импульса по времени.

Когда на тело действуют несколько сил, с учётом принципа суперпозиции второй закон  Ньютона записывается:

                                                     

или

                                                   

Второй закон  Ньютона действителен только для  скоростей, много меньших скорости света и в инерциальных системах отсчёта. Для скоростей, приближенных к скорости света, используются законы теории относительности.

Нельзя рассматривать  частный случай (при ) второго закона как эквивалент первого, так как первый закон постулирует существование ИСО, а второй формулируется уже в ИСО. 
 
 

                           1.3 Третий закон Ньютона

Этот  закон объясняет, что происходит с  двумя взаимодействующими телами. Возьмём для  примера замкнутую  систему, состоящую  из двух тел. Первое тело может действовать  на второе с некоторой  силой , а второе — на первое с силой . Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.

Современная формулировка:

Тела  попарно действуют  друг на друга с  силами, имеющими одинаковую природу, направленными  вдоль прямой, соединяющей  центры масс этих тел (абсолютно-твердые  тела), равными по модулю и противоположными по направлению:

                                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                ГЛАВА 2. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ. 

Закон всемирного тяготения  гласит, что  сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть

                                           

Здесь G —  гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, то есть гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Свойства  ньютоновского тяготения:

• В ньютоновской теории каждое массивное тело порождает силовое поле притяжения к этому телу, которое называется гравитационным полем. Это поле потенциально, и функция гравитационного потенциала для массы M определяется формулой:

                                                      

Сила притяжения, действующая в таком поле на материальную точку с массой m, связана с  потенциалом формулой:

                                                          

• Если тело не является материальной точкой, то создаваемое им поле притяжения можно рассчитать интегрированием по всему объёму тела. Сферически симметричное тело создаёт такое же притяжение, как материальная точка той же массы, расположенная в центре тела.
• Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера. В частности, планеты и кометы в Солнечной системе движутся по эллипсам или гиперболам. Влияние других планет, искажающее эту картину, можно учесть с помощью теории возмущений.

Исторический  очерк:

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее  о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс  и другие.[1] Кеплер полагал, что тяготение  обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире.[2] Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния; Ньютон упоминает  в «Началах» как своих предшественников Буллиальда, Рена и Гука.[3] Но до Ньютона  никто не сумел ясно и математически  доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).

В своём  основном труде «Математические  начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах  Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что:

• наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
• обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.

Теория Ньютона, в отличие от гипотез предшественников, имела ряд существенных отличий. Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную  математическую модель: