01 Механика (все определения по программе ЗНО)

Механика

Механика – раздел физики, в котором изучаются движение и взаимодействие тел

Механика:

  • Кинематика

  • Динамика

  • Статика

  • Законы сохранения

  • Колебания и волны

Основная задача механики – определить положение тела в любой момент времени

Кинематика

Кинематика – раздел механики, изучающий движение тел. Кинематика отвечает на вопрос: «как движется тело?» (не важны причины, вызывающие движение)

Механическое движение – изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени

Система отсчета – это:

  • Тело отсчета

  • Связанная с ним система координат

  • Прибор для измерения времени

Пространство – вместилище тел

Объем – свойство тела занимать определенную часть пространства

Время (промежуток времени) – промежуток между двумя различными состояниями материального мира

Материя – все, что реально существует во вселенной независимо от нас и от наших знаний о ней

Материальная точка – тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь

Траектория – линия, вдоль которой движется тело

Путь – длина траектории

Перемещение – вектор, который соединяет начальное положение тела с его последующими положениями

Виды движения:

  1. Материальной точки:

    • По траектории:

      • Прямолинейное

      • Непрямолинейное

    • По времени:

      • Равномерное

      • Неравномерное

  2. Тела конечных размеров (не мат. точка):

    • Поступательное

    • Вращательное

Поступательное движение – это движение, при котором любая прямая проведенная в теле остается параллельна самой себе

Вращательное движение – это движение, при котором все точки тела движутся по концентрическим окружностям вокруг неподвижного центра

Прямолинейное движение – это движение, при котором перемещения тела являются коллинеарными векторами (т.е. движение вдоль прямой линии)

Равномерное движение – движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит одинаковые отрезки пути (т.е. движение с постоянной по модулю скоростью)

Равномерное прямолинейное движение (РПД) – это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени осуществляет одинаковые перемещения (т.е. движение с постоянным по времени вектором скорости; равномерное движение вдоль прямой линии)

Координата тела (материальной точки) – это число, соответствующее проекции точки на соответствующую ось системы

Проекция тела (материальной точки) на ось – это основание перпендикуляра, опущенного из точки на ось

Проекция вектора на ось – это разность между проекцией конца и проекцией начала вектора на ось

Инвариант – нечто неизменяемое

Скорость – векторная физическая величина, численно равная перемещению тела за единицу времени (или: отношение перемещения ко времени, за которое оно осуществилось). Инвариант при РПД

Сложение скоростей – по правилу сложения векторов (треугольника или параллелограмма)

Неравномерное движение – движение с непостоянной скоростью

Средняя скорость по перемещению (вектор) – физическая величина, численно равная перемещению тела за единицу времени (или: отношение общего перемещения ко времени, за которое тело осуществило это перемещение)

Средняя скорость по пути (скаляр) – отношение общего пути ко времени, за которое он пройден (обычно это называют средней скоростью)

Мгновенная скорость – скорость тела в данный момент

Равноускоренное движение – это движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется одинаково (движение с постоянным ускорением). Оно необязательно прямолинейное (пример: падение тела, брошенного горизонтально)

Ускорение – физическая величина, численно равная изменению скорости за единицу времени (или: отношение изменения скорости ко времени, за которое оно произошло). Инвариант при равноускоренном движении

Равномерное движение по окружности – движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью.

Период обращения – время, за которое тело осуществляет один полный оборот по окружности

Период колебаний – время, за которое тело осуществляет одно колебание

Частота обращения (линейная частота) – величина численно равная кол-ву обращений тела за единицу времени (или: отношение количества оборотов ко времени за которое они осуществляются; величина, обратная периоду)

Частота колебаний (линейная частота) – величина численно равная кол-ву колебаний тела за единицу времени (или: отношение количества колебаний ко времени за которое они осуществляются; величина, обратная периоду)

Линейная скорость (движение по окружности) – Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к окружности

Угловая скорость (циклическая частота, круговая частота) – величина, численно равная мере угла, на который поворачивает тело за единицу времени по окружности (или: величина, равная отношению угла ко времени, за которое тело поворачивается на этот угол). Инвариант при равномерном движении по окружности для любой точки вращающегося тела

Центростремительное ускорение – ускорение при движении тела по окружности (направлено к центру окружности)

Стробоскоп – прибор, позволяющий быстро воспроизводить повторяющиеся через одинаковые промежутки времени яркие световые импульсы

Динамика

Динамика – раздел механики, изучающий взаимодействие тел. Динамика отвечает на вопрос «почему движется тело?» (изучает причины, вызывающие движение)

Взаимодействие – взаимное действие тел друг на друга (вследствие их равноправия). Является причиной, вызывающей изменение состояния тела, т.е. изменение движения (нарушает равновесие)

Сила – действие одного тела на другое, вызывающее ускорение тел. Векторная физическая величина (вследствие равноправия тел, силы во вселенной должны возникать парами: в каждой паре – силы одной природы)

Силы:

  • Гравитационные

  • Упругости

  • Электромагнитные

  • Сильные ядерные

  • Слабые ядерные

Инерция – это состояние, при котором скорость тела остается постоянной

Инертность – свойство, присущее всем телам, заключающееся в том, что для изменения скорости требуется некоторое время

Масса – мера инертности тела

Первый закон Ньютона: существует такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на тело не действуют другие тела (силы) или действие тел (сил) скомпенсировано

Инерциальная система отсчета – система отсчета, в которой свободные (не взаимодействующие) тела движутся прямолинейно равномерно, либо покоятся

Относительность движения – возможность рассмотрения движения относительно различных систем отсчета

Принцип относительности Галилея: скорость тела относительно неподвижной системы координат равна векторной сумме скорости тела относительно подвижной системы координат и скорости подвижной системы координат относительно неподвижной.

Сложение сил – по правилам сложения векторов (треугольника или параллелограмма)

Второй закон Ньютона: сила действующая на тело равна произведению массы тела на его ускорение

Третий закон Ньютона: Тела взаимодействуют друг с другом с силами равными по модулю и противоположными по направлению (направленными вдоль прямой, соединяющей центры их масс – в случае, если тела можно заменить материальными точками)

Сила тяжести – сила, действующая на любое физическое тело вблизи поверхности астрономического объекта (планеты, звезды). Направлена вертикально вниз (если ее брать без учета центробежной силы инерции)

Свободное падение – движение тела под действием только силы тяжести

Движение тела под действием силы тяжести – по параболе (более точно: по эллипсу)

Деформация – изменение формы тела

Сила упругости – сила, возникающая в теле, испытывающем деформацию, и направленная на устранение деформации. При малых деформациях пропорциональна смещению

Закон Гука: деформация, возникающая в упругом теле (пружина, стержень, и т.д.), пропорциональна приложенной к этому телу силе (выполняется при малых деформациях: если не превышен предел пропорциональности). Сила упругости направлена противоположно смещению

Сила реакции опоры (сила нормальной реакции) – это нормальная (всегда направлена перпендикулярно к поверхности соприкосновения тела с опорой) составляющая силы упругости (возникающей при деформации опоры), действующая со стороны опоры на тело

Сила натяжения нити – сила упругости, возникающая при растяжении нити, и действующая на тело со стороны нити (всегда направлена вдоль нити)

Вес тела – сила с которой тело давит на опору или растягивает подвес (приложена к опоре, а не к телу). Это сила противоположная силе реакции опоры

Невесомость – состояние тела, при котором его вес равен нулю (т.е. нет взаимодействия с опорой)

Гравитационные силы – силы притяжения между двумя телами, обладающими массой

Закон всемирного тяготения – все материальные тела притягивают друг друга с силами прямо пропорциональными их массам и обратно пропорциональными квадрату расстояния между ними

Спутник – объект, обращающийся по определенной траектории (орбите) вокруг другого объекта (более массивного). Спутник, вследствие своего свободного падения, настолько приближается к небесному телу, насколько оно отдаляется от него, вследствие своей кривизны (для круговой орбиты)

Первая космическая скорость – скорость, при которой объект становится искусственным спутником небесного тела (планеты, звезды). Или: скорость, которую необходимо сообщить объекту для перемещения его на круговую орбиту, радиус которой равен радиусу небесного тела

Вторая космическая скорость – это наименьшая скорость, которую необходимо сообщить объекту на поверхности небесного тела для удаления его на бесконечность.

Движение искусственных спутников – (см ниже)

Траектория искусственных спутников – окружность (при первой космической скорости), эллипс (если скорость выше первой, но ниже второй космической), парабола (если скорость равна второй космической), гипербола (если скорость выше второй космической). Все это конические сечения.

Сила трения (покоя, скольжения) – Это тангенциальная к поверхности соприкосновения тел (т.е. направленная вдоль поверхности) составляющая силы упругости (возникающей при деформации опоры), действующая со стороны опоры на тело. Возникает вследствие шероховатости поверхностей и взаимодействия молекул поверхностей между собой.

Сила трения покоя (трения сцепления) –  сила, возникающая между двумя контактирующими телами, и препятствующая возникновению относительного движения. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения (при ходьбе направлена вперед, т.к. нога толкает опору назад). Может иметь значения от нуля до максимальной силы трения покоя (которая обычно несколько выше, чем сила трения скольжения)

Сила трения скольжения -  сила, возникающая между соприкасающимися телами при их относительном движении. Направлена противоположно направлению скольжения

Трение качения  — сопротивление движению, возникающее при качении одного тела (катка) по поверхности другого. Причина трения качения — деформация катка и опорной поверхности, а также силы адгезии. Деформирование тел влечёт микропроскальзывание поверхностей

Коэффициент трения (покоя или скольжения) – коэффициент пропорциональности между силой трения и силой реакции опоры. Характеризует трущиеся поверхности в совокупности; зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей

Момент силы – произведение силы на расстояние до неподвижной оси

Динамометр – прибор для измерения силы или момента сил

Весы – прибор для определения массы тела методом взвешивания, считая вес равным силе тяжести (либо сравнением массы с эталонной при помощи рычага, либо измеряя силу тяжести через другие физические величины)

Шариковый подшипник – механизм, являющийся частью опоры, поддерживающий ось, фиксируя ее положение в пространсве, и позволяющий снизить силу трения скольжения оси, преобразуя ее в силу трения качения металлических шариков по желобам между его внутренним и внешним концентрическими кольцами

Опыт Кавендиша – опыт по измерению средней плотности Земли с помощью крутильных весов (с шариками, испытывающими гравитационное взаимодействие). Первый опыт по изучению гравитационного взаимодействия в лабораторных условиях. Также в опыте определена гравитационная постоянная

Статика

Статика – изучает условия равновесия тел

Условия равновесия тел: сумма сил равна нулю, сумма моментов сил равна нулю

Виды равновесия:

  • Устойчивое (при небольшом отклонении от положения равновесия – равнодействующая сила возвращает к исходному положению равновесия)

  • Неустойчивое (при небольшом отклонении от положения равновесия – равнодействующая сила, направлена от положения равновесия)

  • Безразличное (при небольшом отклонении от положения равновесия равнодействующая сил равна нулю)

Законы сохранения

Законы сохранения – фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени.

Замкнутая система – система тел, на которую равнодействующая всех внешних сил равна нулю (в частности: система тел, удаленная от остальных тел на бесконечность)

Импульс тела – векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела. Равен произведению массы тела на скорость. Суммарный импульс замкнутой системы тел – является векторным инвариантом

Импульс силы – векторная физическая величина, являющаяся мерой обмена импульсами между различными телами. Равен произведению силы на время ее действия.

Закон сохранения импульса (ЗСИ): в замкнутой системе тел (т.е. сумма внешних сил, действующих на систему тел, равна нулю), сумма импульсов всех тел системы есть величина постоянная. Закон справедлив и для неупругих взаимодействий. (ЗСИ вляется следствием однородности пространства)

Реактивное движение – это движение, возникающее при отделении от тела некоторой его части с определенной скоростью (по ЗСИ она антиколлинеарна скорости реактивоного движения)

Механическая работа – скалярная физическая величина, характеризующая обмен механической энергией между телами. Равна скалярному произведению векторов силы и перемещения

Поле – это зависимость некоторой физической величины от координаты в пространстве

Консервативные силы (потенциальные силы) – это силы, работа которых не зависит от траектории, а определяется только начальной и конечной ее точками (или: работа этих сил по любой замкнутой траектории равна 0)

Потенциальное поле – поле потенциальных сил (пример: гравитационное)

Механическая энергия – скалярный инвариант для замкнутой системы тел (если между ними действуют только консервативные силы)

Кинетическая энергия (энергия движения) – скалярная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела, зависящая только от его массы и модуля скорости.

Потенциальная энергия (энергия взаимодействия) – скалярная физическая величина, представляющая собой часть полной механической энергии системы, находящейся в поле консервативных сил.

Закон сохранения энергии в механических процессах (ЗСЭм): Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остаётся постоянной. (ЗСЭ является следствием однородности времени)

Мощность – скорость выполнения работы: физическая величина, численно равная работе, совершаемой за единицу времени (или: это отношение работы ко времени, за которое она совершена)

КПД – отношение полезной работы к совершенной

Простые механизмы:

  • Блок (колесо с желобом для каната по окружности, способное вращаться вокруг оси)

  • Рычаг (балка, способная вращаться вокруг точки опоры)

  • Ворот (вал с рычагом, вращая который на вал накручивается веревка (как в колодце))

  • Наклонная плоскость (плоскость, установленная под углом к горизонтали)

  • Клин (призма, рабочие поверхности сходятся под острым углом)

  • Винт (цилиндр с резьбой – аналог наклонной плоскости)

  • Колесо

  • Поршень

Механика жидкостей и газов

Давление – физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности (или: отношение силы к площади поверхности, на которую действует эта сила)

Закон Паскаля для жидкостей и газов: давление, действующее на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях

Атмосферное давление – давление атмосферы (воздушного столба)

Давление неподвижной жидкости на дно и стенки сосуда (гидростатическое давление) – давление внутри жидкости, обусловленное весом ее столба над рассматриваемой точкой. Давление одинаково во всех направлениях (благодаря подвижности частиц жидкости)

Плотность – физическая величина, численно равная массе, заключенной в единице объема (или: отношение массы к объему)

Сообщающиеся сосуды - любые два или несколько соединённых между собой сосудов, в которых жидкость может свободно перетекать из одного сосуда в другой

Закон сообщающихся сосудов: в сообщающихся сосудах, находящихся в гравитационном поле, уровни однородных жидкостей, равны

Сила Архимеда – сила, действующая на тело, находящееся в жидкости или газе, в поле силы тяжести.

Закон Архимеда: на тело погруженное в жидкость (или газ), находящуюся в поле силы тяжести, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх, и равная весу вытесненной им жидкости

Условия плавания тел:

  • тонет (FA<FT)

  • внутри среды (FA=FT)

  • всплывает (FA>FT)

Барометр – прибор для измерения давления

Барометр:

  • ртутный (атмосферное давление измеряется по высоте столба ртути в запаянной сверху трубке, опущенной открытым концом в сосуд с ртутью)

  • анероид (при изменении атмосферного давления, объем запаянного гофрированного резервуара изменяется, что влияет на положение стрелки прибора)

Манометр – прибор для измерения давления жидкости, газа или пара

Насос – механизм, позволяющий перекачивать жидкость (или газ) из одного объема в другой. Преобразует механическую энергию поршня в энергию потока жидкости (газа)

Водопровод – система сообщающихся труб, гидротехническое сооружение, обеспечивающее подачу воды в заданном направлении

Шлюз – механическое приспособление для регулирования уровня воды на водоемах различного типа (обеспечивает переход суден из одного водного бассейна в другой с различными уровнями воды в них)

Гидравлический пресс – механизм, состоящий из сообщающихся цилиндрических сосудов различного сечения, ограниченных сверху поршнями. Позволяет, воздействуя малой силой на малое сечение, создавать давление, действующее на большое сечение, что создает большую силу. Гидравлический эквивалент механического рычага.

Опыт Торричелли: построение ртутного барометра

Торричеллиева пустота – пустота вверху трубки с ртутью, запаянной сверху, и помещенной свободным концом в сосуд с ртутью