ФІЗИКА ДЛЯ БАКАЛАВРІВ. МЕХАНІКА
ВСТУП
Фізика — то є наука про природу, що вивчає найбільш прості[1] й загальні властивості матеріального світу. Через таку загальність фізика є універсальною базою всього природознавства та техніки й складається з багатьох окремих наук — класичної та квантової механіки, теорії відносності, електродинаміки, оптики, молекулярної фізики та інших.
Вивчення фізики починають із механіки – розділу, в якому розглядається механічний рух. Рух – то є зміна положення тіл у просторі із плином часу. Тому закони механіки найбільш явно виражають просторово-часові співвідношення між фізичними об’єктами та подіями й через них – властивості самого простору та часу.
Основні закони фізики свого часу були встановлені на основі спостережень відповідних явищ та експериментів і тому, за невеликим винятком, мають обмежену сферу застосовності. Зокрема, закони класичної механіки поширюються тільки на повільні рухи частинок і тіл у макроскопічних областях простору. Швидкі рухи підпорядковані законам спеціальної теорії відносності (релятивістської механіки), а рухи частинок у мікроскопічних областях – законам квантової механіки. При цьому під повільними рухами розуміються рухи зі швидкостями, набагато меншими за швидкість світла с = 3.108 м/с, а під швидкими — із швидкостями, що є сумірними із величиною с. Макроскопічна область простору — область, розміри якої набагато перевищують розміри атомів та молекул, а мікроскопічна — область порядку розмірів атома.
В класичній механіці ставляться і розв’язуються дві основні задачі:
1. Встановлення законів руху – співвідношень, які дозволяють визначати характер і характеристики руху будь-якого тіла чи системи тіл у залежності від його взаємодії з іншими тілами.
2. Знаходження таких загальних співвідношень між механічними характеристиками систем, які не залежать ані від складу та будови системи, ані від природи та характеру взаємодії між тілами системи.
Пошук загальних методів розв’язування першої задачі привело свого часу І. Ньютона до встановлення загальних законів руху (законів динаміки). Розв’язування ж другої задачі дозволило встановити закони збереження (імпульсу, енергії, моменту імпульсу).
Фізика є точною наукою — свої результати вона виражає не тільки словесно, а й за допомогою математичних співвідношень. Але властивості фізичних об’єктів і явищ є настільки багатогранними, що жодна теорія не може відобразити їх у всій повноті. Тому замість реальних об’єктів наука оперує фізичними моделями – ідеалізованими об’єктами, які відтворюють лише суттєві для розгляданих явищ властивості та фактори. В механіці основними моделями є матеріальна точка та абсолютно тверде тіло.
Матеріальною точкою називають тіло, розміри та форма котрого в умовах задачі, що розглядається, є не істотними. Отже, матеріальною точкою може бути не лише маленька частинка, а й велике тіло, приміром, Земля при розгляді її взаємодії з іншими небесними тілами та руху в космічному просторі. Тому в даному посібнику скрізь, за винятком механіки твердого тіла, терміни “частинка”, “матеріальна точка”, та “тіло” не розрізняються.
Абсолютно твердим тілом називається тіло, взаємне розташування точок якого є незмінним, тобто — тіло, що не деформується. При розгляді законів руху всі тіла вважаються абсолютно твердими.
Положення тіла у просторі та його рух можна визначити тільки відносно якогось іншого тіла, яке називають тілом відліку. Задля можливості точного задання положення даного тіла відносно тіла відліку з останнім пов’язують ту чи іншу систему координат. Окрім того, для опису руху треба мати якийсь загально визнаний і узгоджений принцип фіксації моментів і вимірювання проміжків часу в усіх точках простору[2], або, як говорять, треба мати годинник. При цьому
сукупність тіла відліку, пов’язаної з ним системи координат і нерухомого відносно неї годинника називають системою відліку.
Отже, положення та рух тіла є визначеним тільки відносно конкретної системи відліку. В той же час вибір системи відліку є довільним[3] і визначається тільки зручністю опису руху в заданих конкретних умовах. Тому
положення в просторі й рух тіл є відносними за самою природою.
Основні закони механіки розглядаються в розділах:
VІ. ОСНОВИ СПЕЦІАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ
[1] Мається на увазі, що фізика не торкається феномену життя та пов’язаних із ним специфічних процесів.
[2] Принагідно відзначимо, що вимірювання часу спираються на періодичні процеси, наприклад, коливання маятника механічного годинника, або коливання напруги на конденсаторі в коливальному контурі електронного годинника, тощо.
[3] Це стосується як тіла відліку, так і системи координат. Так, для опису руху тіл в невеликих областях простору в умовах Землі найчастіше використовують декартову систему координат, а в геодезії та навігації – сферичну.