Какой физической величиной характеризуют инертные свойства тел

Классификация динамических характеристик движений человека

Вращательное движение тела

Мерой изменения положения тела при вращательном движении является угол поворота фи. Чтобы знать положение тела во вращательном движении в любой момент времени, надо знать зависимость угла поворота фи от времени: фи = фи(t).

Данное уравнение выражает закон вращательного движения тела. Основными кинематическими характеристиками вращательного движения тела являются его угловая скорость (ω) и угловое ускорение (e).

При вращательном движении тела разные его точки имеют различные линейные скорости и ускорения. Линейная скорость точки вращающегося тела численно равна произведению угловой скорости на радиус вращения и направлена по касательной к окружности вращения (перпендикулярно радиусу вращения R): V= ωR.

Таким образом, линейные скорости точек вращающегося тела пропорциональны их расстояниям от оси вращения (чем дальше удалена точка от оси вращения, тем большую линейную скорость она имеет).

Пример.При выполнении гимнастом большого оборота на перекладине линейная скорость точки, расположенной в области тазобедренного сустава составляет 10,8 м/с, а точки, расположенной в области голеностопного сустава – 18,0 м/с.

В таблице 3.2. представлена взаимосвязь кинематических характеристик при поступательном и вращательном движениях тела.

Таблица 3.2.

Взаимосвязь показателей при поступательном и вращательном движении тела (Н.Б. Кичайкина, 2000)

Скорость движений человека и движимых им тел изменяются под действием сил. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и направленность их изменений) исследуют динамические характеристики. К ним относятся:

· инерционные характеристики (особенности тела человека и движимых им тел);

· силовые(особенности взаимодействия звеньев тела и других тел);

· энергетические(характеристики состояния систем).

Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это свойство тел называется инертностью.

Инертность – свойство физических тел, от которого зависит величина получаемых ускорений при их взаимодействии.

Инерционные характеристики – это характеристики тела или системы тел. Среди инерционных характеристик различают: массу тела и момент инерции тела.

Масса тела (m) – мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорению: m=F/a,

где: m – масса; F– сила; a – ускорение.

Масса тела зависит от количества вещества, которым обладает тело и характеризует его свойство – как именно приложенная сила может изменить его движение. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой.

В атлетизме при тренировке спортсмены используют штангу различной массы. Из личного опыта им известно, что придать штанге, имеющей большую массу ускорение значительно сложнее, чем штанге маленькой массы.

В случае вращательного движения мало знать массу тела, важно еще знать распределение масс относительно оси вращения. Например, фигурист при вращении прижимает руки к туловищу, а затем разводит их в стороны. Общая масса системы при этом не изменяется, а распределение масс становится другим, и это сказывается на движении, оно замедляется (Н.Б. Кичайкина, 2000). В механике существует характеристика, определяющая меру инертности тела во вращательном движении – момент инерции тела.

Момент инерции тела (J ) – мера инертности твердого тела при вращательном движении.

Момент инерции зависит от распределения массы относительно оси вращения. Его достаточно легко найти для простых геометрических фигур (шар, цилиндр и др.), но определить его в многозвенной системе тела человека при различных позах непросто.

Отношение величины силы, действующей на тело, к приобретенному телом ускорению постоянно для данного тела. Масса тела и есть это отношение.

Масса тела является неизменной характеристикой данного тела, не зависящей от его местоположения. Масса характеризует два свойства тела:

Инерция

Тело изменяет состояние своего движения только под воздействием внешней силы.

Тяготение

Между телами действуют силы гравитационного притяжения.

Эти свойства присущи не только телам, т.е. веществу, но и другим формам существования материи (например излучению, полям). Справедливо следующее утверждение:

Масса тела характеризует свойство любого вида материи быть инертной и тяжелой, т.е. принимать участие в гравитационных взаимодействиях.

Центр масс и система центра масс

В любой системе частиц имеется одна замечательная точка С- центр инерции, или центр масс, – которая обладает рядом интересных и важных свойств. Центр масс является точкой приложения вектора импульса системы , так как вектор любого импульса является полярным вектором. Положение точки С относительно начала О данной системы отсчета характеризуется радиусом-вектором, определяемым следующей формулой:

где – масса и радиус-вектор каждой частицы системы, M – масса всей

системы (рис. 4.3).

Импульс материальной точки, системы материальных точек и твердого тела.

Импульсом материальной точки называют величину равную произведению массы точки на ее скорость.

Обозначим импульс (его также называют иногда количеством движения) буквой . Тогда

. (2)

Из формулы (2) видно, что импульс — векторная величина. Так как m > 0, то импульс имеет то же направление, что и скорость.

Единица импульса не имеет особого названия. Ее наименование получается из определения этой величины:

[p] = [m] · [υ] = 1 кг · 1 м/с = 1 кг·м/с .

Момент импульса материальной точки относительно точки O определяется векторным произведением

, где — радиус-вектор, проведенный из точки O, — импульс материальной точки.

Момент импульса материальной точки относительно неподвижной оси равен проекции на эту ось вектора момента импульса, определенного относительно произвольной точки O данной оси. Значение момента импульса не зависит от положения точки O на оси z.

Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц, из которых состоит тело относительно оси. Учитывая, что , получим
.

Если сумма моментов сил, действующих на тело, вращающееся вокруг неподвижной оси, равна нулю, то момент импульса сохраняется (закон сохранения момента импульса):

.

Производная момента импульса твердого тела по времени равна сумме моментов всех сил, действующих на тело:

.

Фундаментальные и нефундаментальные взаимодействия. Сила как мера взаимодействия тел. Свойства силы.

Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

– гравитационного

– электромагнитного

– сильного

– слабого

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

Сила – векторная величина, характеризующая механическое действие одного тела на другое, которое проявляется в деформациях рассматриваемого тела и изменении его движения относительно других тел.

Сила характеризуется модулем и направлением. Модуль и направление силы не зависят от выбора системы отсчета.

Понятие силы относится к двум телам. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело со стороны которого она действует.

Способы измерения силы:
-определение ускорения эталонного тела под действием данной силы;
– определение деформации эталонного тела.

Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона постулирует наличие такого явления, как инерция тел. Поэтому он также известен как Закон инерции. Инерция — это явление сохранения телом скорости движения (и по величине, и по направлению), когда на тело не действуют никакие силы. Чтобы изменить скорость движения, на тело необходимо подействовать с некоторой силой. Естественно, результат действия одинаковых по величине сил на различные тела будет различным. Таким образом, говорят, что тела обладают инертностью. Инертность — это свойство тел сопротивляться изменению их текущего состояния. Величина инертности характеризуется массой тела.

Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными.

Или

Инерциальные системы отсчета – это системы, относительно которых материальная точка при отсутствии на нее внешних воздействий или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно.

18. 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 меру проявления инертности материальной точки в выбранной инерциальной системе отсчёта (ИСО).

Современная формулировка

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

где — ускорение материальной точки;
— сила, приложенная к материальной точке;
— 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 равнодействующей всех приложенных к ней сил.

где — импульс точки,

где — скорость точки;

— 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.

19. 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

Материальные точки попарно действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:

Закон отражает принцип парного взаимодействия. То есть все силы в природе рождаются парами.



1

2

3

4

5

Масса – это физическая величина, характеризующая инертность тела. Масса Чем больше масса тела, тем оно более инертно.

6

Инертность – свойство тел по-разному изменять свою скорость при взаимодействии.Инертность

7

Массы различных тел

8

Эталон массы изготовлен из платиново-иридиевого сплава, имеет форму цилиндра высотой примерно 39 мм, и хранится в городе Севре во Франции. С эталона изготовлены копии: в России хранится копия 12, в США – 20.

9

Перевести в кг следующие значения: 20 г = 200 г = 250 мг = 28,3 мг = 75,6 г = 150 т = Единицы измерения массы в системе СИ: = 1 кг. Единицы измерения массы: 1 т = 1000 кг; 1 г = 0, 001 кг; 1 мг = 0, кг 1 ц = 100 кг

10

Ответы: 20 г = 0,02 кг 200 г = 0,2 кг 250 мг = 0,00025 кг 28,3 мг = 0, кг 75,6 г =0,0756 кг 150 т = кг

11

На практике массу тела можно узнать с помощью весов. Весы бывают различного типа: учебные, медицинские, аналитические, аптекарские, электронные и др. Весы бывают рычажные и пружинные. Рассмотрим несколько примеров. Весы напольные технические Весы для измерения сил поверхностного натяжения Весы одночашечные рычажные Весы пружинные малые Весы медицинские Лабораторные аналитические весы

12

Старинные весы для взвешивания табака (1850-е годы) Современные весы для взвешивания предметов малой массы

13

Рычажные весы Пружинные весы

14

Лабораторные рычажные весы

15

Коромысло Стрелка – указатель Чашки Гири Пинцет Футляр

16

Посчитайте: 20 г мг = = 20 г 500 мг =20,5 г = 0,0205 кг 20 г + 2 г мг мг + 10 мг = = 22 г 710 мг = 22,71 г = 0,02271 кг 100 г + 50 г + 4 г + 20 мг +10 мг +5 мг = =154 г 35 мг = 154,35 г = 0,15435 кг

17

1. Перед взвешиванием необходимо убедиться, что весы уравновешены. 2. Взвешиваемое тело кладут на левую чашу весов, а гири – на правую. 3. Во избежание порчи весов тело и гири опускать осторожно. 4. Нельзя взвешивать тела более тяжелые, чем указанная на весах предельная нагрузка. 5. На чашки весов нельзя класть мокрые, грязные, горячие тела, насыпать порошки, наливать жидкости. 6. Мелкие гири нужно брать только пинцетом. 7. После взвешивания переносят гири с чашки весов в футляр и проверяют, все ли гири положены на место.