Содержание

 

ГЛАВА 1 ТЕОРИЯ

Введение.

Цель.

Задачи.

Проблема.

Актуальность.

1.                Ознакомлениес научными открытиями Архимеда и об их роли в науке.

2.                Ознакомлениес научными открытиями Галилео Галилейя  и об их роли в науке.

3.                Ознакомлениес научными открытиями Исаака Нью́то́на и об их роли в науке.

ГЛАВА 2 ОПЫТЫ

4.                Опыт струбкой Ньютона.

5.                Опыт срычагом.

6.                Опыт сблоком

7.                Опыт снаклонной плоскостью

ГЛАВА 3

8.                Практическоеиспользование законов механики

Заключение. Выводы.

Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Теоретическая механика — наука обобщих законах механического движения и взаимодействия материальных тел. Подэтим следует понимать, что теоретическая механика изучает законы механическогодвижения, справедливые для любых материальных тел. Все технические расчеты,которые выполняются при проектировании различных сооружений, при проектированиимашин, при изучении полета снаряда, движения потока жидкости или газа, движенияотдельных звеньев механизмов и машин, при анализе различных технологическихпроцессов, основаны на применении законов теоретической механики.

Механику нужна при расчететехнологических процессов в машиностроении и в металлургии, в текстильной илегкой промышленности, при добыче полезных ископаемых и в технологическихпроцессах пищевой промышленности, в сельскохозяйственном производстве — приобработке почвы, внесении удобрений, поливке, уборке урожая и т.д. Механика -научная основа всех видов строительства от сооружения платин, мостов и дорог довозведения высотных зданий и высочайших башен телевидения; а также всех видовтранспорта — от морских судов и железнодорожных поездов до реактивныхсамолетов, ракет и лунохода. Механика составляет значительную часть науки оЗемле, науки о движении воздушных масс, о движении океанских волн, течений реки ледников, о геологических преобразованиях земной коры, о землетрясениях(сейсмология), и вулканической деятельности. По законам механики происходитпередвижение животных по суше, полет птиц и насекомых в воздухе, плавание рыб иморских животных в воде, процесс кровообращения и движения лимфы в живом организме,процессы деления клеток и образования мускульной силы. Медицина используетмеханику при диагностике болезней и создании искусственных органовчеловеческого тела. Механика сыграла основную роль в развитии теоретическихоснов воздухоплавания и теории движения ракет. Полет космических кораблей позаданным орбитам обеспечивают приборы, основанные на использовании тончайшихособенностей механических явлений.

Механическое движение, основныезаконы которого изучает теоретическая механика, встречается повсюду — в природеи технике, дома, на улице и на производстве. Для того, чтобы хорошо понимать иразбираться в окружающем нас мире, в происходящих вокруг нас явлениях,необходимо знать основные законы механического движения.

 

Цель.

Целью проектной работы являетсядоказательство важности  изучения теоретической механики, возможностииспользования ее в повседневной жизни человеком.

Задачи.

1.                         изучитьразвитие и становление науки о механике;

2.                         охарактеризоватьисторическую ценность исследуемых периодов для человечества;

3.                         исследоватьтруды и сочинения трех известных физиков и мыслителей (Архимед, Галилей,Ньютон).

4.                         Провестиопыт с трубкой ньютона и опыт с рычагом, для доказательства законов механики.

5.                         Найтипрактическое применение законам механики.

6.                         Написатьстатью

Проблема.

Проблемой моего проекта являетсяважность доказательство нескольких законов механики и применение их в нашейжизни.

Актуальность.  

Все явления происходящие в нашейжизни, выполняются по определённым физическим законам. Изучив и поняв ихпринцип действия, мы можем применять их во благо себе, для повышения скорости ипроизводительности выполнения какой-либо задачи

 

 

1. Ознакомление с научнымиоткрытиями Архимеда и об их роли в науке.

Первые труды Архимеда были посвящены механике. Принципрычага, учение о центре тяжести и закон Архимеда — важнейшие достижениямиАрхимеда в области механики. Архимед был не только математиком и механиком, нои одним из лучших инженеров своего времени. Машина для поливки полейУлитка, водоподъемный винт, военные машины для метания копий идротиков, для поднятия и потопления кораблей, увековечили славу Архимеда, некоторыефакты из его жизни обрастали вымыслами и легендами.

Строительная и военная техника была связана с вопросамиравновесия и подводила к выработке понятия центра тяжести. В основе лежал рычаги другие простые механизмы. Машины, построенные с использованием этихмеханизмов помогли человеку перехитрить природу. Отсюда и пошлоназвание механика.  Греческое слово механе означалоорудие, приспособление, осадную машину, уловку.

В течение долгого времени механика рассматривалась как наукао            простых машинах. Ее основой были теория рычага, изложеннаяАрхимедом в сочинении О равновесии плоских фигур. В этой книгетакже содержатся определения центров тяжести треугольника, параллелограмма, параболического сегмента, трапеции, боковые стороны которой являются  дугамипарабол. Все законы, данные и другие результаты, в этой книге, полученыАрхимедом в результате длительного практического опыта, обобщением которого иявилась механика Архимеда.

                          Золотое правило механики

Рычаги,блоки и прессы позволяют получить выигрыш в силе. Однако «даром» ли даетсятакой выигрыш? На рисунке  видно, что при пользовании рычагом более длинный егоконец проходит больший путь. Получив выигрыш в силе, мы получаем проигрыш врасстоянии. Это значит, что, поднимая маленькой силой груз большого веса, мывынуждены совершать большое перемещение.

Еще древним было известно правило: во сколько раз механизмдает выигрыш в силе, во столько же раз получается проигрыш в расстоянии. Этотзакон получил название «золотого правила» механики.

Рассмотрим закон Архимеда, изложенный в его сочинении Оплавающих телах. На тело, погруженное в жидкость, действует сила, равнаявесу жидкости в объеме этого тела. Существует легенда, что Архимед выявил этот закон,решая задачу: содержит ли золотая корона, заказанная Героном мастеру,посторонние примеси или нет. Мотивы работы Архимеда были все же более глубокими.Ведь Сиракузы были портовым и судостроительным городом. Вопросы плавания телздесь решались ежедневно, и поэтому перед Архимедом стояла задача выяснениянаучной основы этих вопросов. В своей книге он разбирает условия плавания тел, вопрособ устойчивости равновесия плавающих тел различной геометрической формы.Научный гений Архимеда в этом сочинении, оставшийся незаконченным, проявился сисключительной силой.

Так же Архимед занимался оптикой и астрономией. Сохранилась легенда,что Архимед использовал в борьбе с римским флотом вогнутые зеркала, поджигаякорабли противника сфокусированными солнечными лучами. Архимед написал недошедшее до нас сочинение по оптике Катоптрика. Из дошедших до насотрывков, видно, что Архимед хорошо знал зажигательные свойства вогнутыхзеркал, проводил опыты по преломлению света, знал свойства изображений вплоских, выпуклых и вогнутых зеркалах.

О занятиях Архимеда астрономией свидетельствуют рассказы о построеннойим астрономической сфере и сочинение Псаммит, в котором Архимед подсчитываетчисло песчинок во Вселенной. Результат выражается в современных обозначенияхчислом 10х63. В сочинении Архимеда впервые в истории науки сопоставляются двесистемы мира: геоцентрическая и гелиоцентрическая (в центре Земля или Солнце).

Архимед умер в глубокой старости. На его могиле былаустановлена плита с изображением шара и цилиндра. Только в XVI—XVII векахевропейские математики смогли, наконец, осознать значение того, что было сделаноАрхимедом за две тысячи лет до них.

 

2. Ознакомление с научными открытиями Галилео Галилейя  и обих роли в науке.

Физика и механика в те годы изучались по сочинениям Аристотеля,содержащие рассуждения о «первопричинах» природных процессов. Аристотель утверждал:

·                    Скоростьпадения пропорциональна весу тела.

·  Движение происходит, пока действует«побудительная причина», и в отсутствие силы прекращается.

Галилей изучал инерциюи свободноепадение тел. Он заметил, что ускорение свободного падения не зависит от веса тела, такимобразом опровергнув первое утверждение Аристотеля.

В своей книге Галилей сформулировал правильные законыпадения: скоростьнарастает пропорционально времени, а путь — пропорционально квадрату времени.Галилей рассмотрел и обобщённую задачу: исследовать падающее тело с ненулевойгоризонтальной начальной скоростью. Он правильно предположил, что полёт такоготела будет представлять собой наложение двух «простых движений»: равномерногогоризонтального движения по инерции и равноускоренного вертикального падения.

Галилей доказал, что любое брошенное под углом к горизонтутело летит по параболе.В науке это первая решённая задача динамики.Так же Галилей доказал, что максимальная дальность полёта брошенного теладостигается для угла броска 45°. На основе своей модели Галилей составил первыеартиллерийские таблицы.

Галилей опроверг второй из законов Аристотеля, сформулировавпервый закон механики (закон инерции):при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо равномерно движется.Правильную формулировку закона позже дали Декарти Ньютон,но общепризнанно, что понятие «движение по инерции» впервые введено Галилеем.

Галилей один из основоположников принципа относительности в классической механике. В «Диалоге о двух системах мира»Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом. КорабльГалилея движется не прямолинейно, а по дуге круга поверхности земного шара. Впонимании принципа относительности система отсчёта, связанная с этим кораблём,будет приближённо инерциальной, так что выявить факт его движения, не обращаяськ внешним ориентирам, всё же возможно, но пригодные для этого измерительныеприборы появились в XX веке.

Открытия Галилея, позволили ему опровергнуть многие доводы противниковгелиоцентрической системы мира, утверждавших,что вращение Земли сказалось бы на явлениях, происходящих на её поверхности. Помнению геоцентристов, поверхность вращающейся Земли за время падения любоготела уходила бы из-под этого тела, смещаясь на десятки или сотни метров.Галилей предсказал: «Будут безрезультатны любые опыты, которые должны были быуказывать более против, чем за вращение Земли».

Галилей опубликовал исследование колебаний маятникаи заявил, что периодколебаний не зависит от их амплитуды.Он обнаружил, что периодыколебаний маятника соотносятся как квадратныекорни из его длины. Результаты Галилея привлекли Гюйгенса,который использовал маятниковый регулятор для усовершенствования спускового механизма часов

Галилей поставил вопрос о прочности стержней и балокпри изгибе и положил начало новой науке — сопротивлению материалов.

Рассуждения Галилея представляют собой наброски открытыхпозднее физических законов. Например, в «Диалоге» он сообщает, что вертикальнаяскорость шара, катящегося по поверхности сложного рельефа, зависит от еготекущей высоты, и иллюстрирует этот факт несколькими экспериментами; сейчас мыбы сформулировали этот вывод как закон сохранения энергии в полетяжести. Аналогично он объясняет качания маятника. Некоторые рассужденияГалилея проложили путь к понятию центростремительного ускорения.

Галилей открыл закон изотропности колебаний маятника, которыйнашел применение в астрономии, медицине, географии, прикладной механике. Послеизобретения зрительной трубы усовершенствовал ее и превратил в телескоп с30-кратным приближением, с помощью которого совершил ряд открытий в областиастрономии: спутников Сатурна, Юпитера, солнечных пятен, фаз Венеры и т.д.

Галилей внес вклад в развитие естествознания (он заложилосновы экспериментального естествознания, в качестве важнейшего метода научногопознания определил эксперимент):

– сформулировал принцип инерции – если на тело не действуетсила, то оно находится либо в состоянии покоя, либо в состоянии прямолинейногоравномерного движения;

– открыл закон независимости действия сил;

– выработал понятие инерциальной системы;

– вывел принцип относительности движения – все системы,которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, равноправнымежду собой;

– математически сформулировал закон падения тел;

– сформулировал понятие ускорения – скорость измененияскорости;

– вывел формулу, связывающую путь, ускорение и время:

S = at²/2

– доказал, что результатом действия силы на движущееся телоявляется не скорость, а ускорение.

 

3.Ознакомление с научными открытиями Исаака Нью́то́на и об их роли в науке.

Вершиной научного творчества И. Ньютона является егобессмертный труд “Математические начала натуральной философии”, опубликованныйв 1687 году. В нем он обобщил результаты, его предшественников и свои собственныеисследования, создал единую стройную систему земной и небесной механики,которая легла в основу всей классической физики.

Формирование классической механики происходило по двумнаправлениям:

·                    обобщение полученныхранее результатов и прежде всего законов свободно падающих тел, а также законовдвижения планет

·                    создание методов дляколичественного анализа механического движения.

Великий английский ученый И. Ньютон создал свой вариантдифференциального и интегрального исчисления для решения основных проблеммеханики: определения мгновенной скорости как производной от пути по временидвижения, и – ускорения как производной от скорости по времени. Благодаря этомуон сформулировал основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Теперьописание движения кажется чем-то само собой разумеющимся, но в XVII в. это былокрупнейшим научным прорывом.

Механика Ньютона– система классической механики,основанная на понятиях массы тела, количества движения, силы и трехзаконах движения: закон инерции, закон пропорциональности силы иускорения, закон равенства действия и противодействия. Ньютон отказался отпостроения всеобъемлющей картины Вселенной и создал свой метод исследования,опирающийся на опыт, ограничивающийся фактами. Задачей механики Ньютонаявляется нахождение движения по силам, или, наоборот, нахождение действующихсил по движениям без анализа природы взаимодействия.

Классическая механика Ньютона играет огромную роль в развитииестествознания. Она объясняет множество физических явлений в земных и внеземных условиях. На ее фундаменте основаны многие методы научных исследований.

В основе классической механики лежат взгляды Ньютона, определявшиелицо естествознания до ХХ в. Физическая реальность характеризуется понятиямипространства, времени, материальной точки и силы. Под физическими событиямиследует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемоезаконами. Материальную точку представляют как подвижное тело, лишенноепризнаков, как протяженность, форма, ориентация в пространстве, за исключениемтолько инерции и перемещения. Материальные тела, привели к образованию понятияматериальной точки, сами рассматриваются как системы материальных точек.

В 1667 г. Ньютон сформулировал три основных закона динамики.Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка сохраняет состояние покоя илиравномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороныдругих тел не заставит ее изменить это состояние.

Сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейногодвижения называется инерцией.

Для формулировки второго закона вводятся понятия ускорения а,массы тела m и силы F. Ускорением — быстрота изменения скоростидвижения тела. Масса тела – физическая величина, одна из основных характеристикматерии, определяющая ее инерционные свойства и гравитационные свойства. Сила F– это векторная величина, мера воздействии на тело со стороны других телили полей, в результате которого тело приобретает ускорение, или изменяет своюформу и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой,пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальнойточки.

а= F/m.

Второй закон Ньютона справедлив для инерциальных систем отсчета.Первый закон Ньютона можно получить из второго. В случае равенства нулю равнодействующихсил, ускорение равно нулю. Первый закон Ньютона рассматривается каксамостоятельный закон, так как он утверждает существование инерциальных системотсчета.

Взаимодействие между материальными точками определяетсятретьим законом – законом равенства действия и противодействия.

Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек друг на друга носитхарактер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальныеточки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдольпрямой, соединяющей эти точки:

F₁₂= –F₂₁ ,

где F₁₂ – сила, действующая на первуюматериальную точку со стороны второй;F₂₁ – сила, действующаяна вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разнымматериальным точкам, всегда действуют парами и являются силами одной природы.Третий закон Ньютона гласит переход от динамики отдельной материальной точки кдинамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.

Одно из достижений Ньютона является закон всемирноготяготения,  выражающий свойство всех тел притягивать друг друга с силой,пропорциональной произведению масс тел m₁, m₂ иобратно пропорциональной квадрату расстояния R между ними.

Законы Ньютона позволяют решить задачи механики. Спектр задачрасширился после разработки Ньютоном и Лейбницем математического аппарата –дифференциального и интегрального исчисления, эффективный при решении динамических.

Особенности механистической картины мира.

В механике Ньютона для описания движения тела достаточнозадать координаты тела и его скорость в начальный момент времени и уравнениеего движения. Все следующие состояния тела должны определяться егопервоначальным состоянием. Уравнения движения обратимы во времени и определяютсостояния системы также и в прошлом. Для классической механики имеханистической картины мира характерна симметрия процессов во времени,которая выражается в обратимости времени.

Основные особенности механистической картины мира.

·                    Все состояниямеханического движения тел по отношению ко времени оказываются одинаковыми,поскольку время считается обратимым.

·                    Все механические процессыподчиняются принципу детерминизма, суть состоит в признании возможности точногосостояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Случайность исключается из природы. Все в мире определенопредшествующими состояниями, событиями, явлениями. Эта точка зрения быларазвита в трудах французского ученого П.С. Лапласа и получила название лаплапласовскогоучения.

·       Пространство и время никак не связаны с движениями тел, ониимеют абсолютный характер.

Ньютон ввел понятие абсолютного, или математического,пространства и времени. В механике пространство уподобляется простомувместилищу движущихся в нем тел, которые не оказывают на него никакого влияния.

·       Закономерности более высоких форм движения материи должнысводится к законам простейшей ее формы – механическому движению.

Эта тенденция встретила критику со стороны биологов, медикови некоторых химиков уже в XVIII в. Против нее выступили также выдающиесяфилософы.

Все особенности предопределили ограниченность механистическойкартины мира, которые преодолевались в ходе развития естествознания.

 

4. Опыт с трубкой Ньютона.

 

 

Описание

Трубка Ньютона служит для демонстрацииодновременности падения различных тел в разреженном воздухе.

Трубка Ньютона представляетсобой пластиковую трубку; ее длина около 120 см, внешний диаметр 5см. Оба конца трубки закрыты резиновыми пробками. Кран имеет ниппель, накоторый во время опыта надевают толстостенный резиновый шланг от воздушного насоса.

Внутри трубки находятся три тела, западением которых наблюдают во время опыта: птичье перо, кусок ткани иметаллическая гайка.

 

Свои опыты Галилей проводил, бросая сПизанской башни железные ядра. Ньютон взял длинную стеклянную трубку, запаяннуюс одного конца, положил в нее маленький кусочек пробки, перо и дробинку иприсоединил трубку к воздушному насосу. Насос выкачал большую часть воздуха.Ученый запаял второй конец трубки. И дробинка с кусочком пробки и перомосталась в сильно разреженном воздушном пространстве. Ньютон поворачивал трубкуто одним концом вверх, то другим — кусочек пробки, перо и дробинка падали внизс равной скоростью. Так удалось доказать, что в пустоте предметы разного весападают с одинаковой скоростью. Скорость падения не зависит от веса. Падающиепредметы веса не имеют. Смысл опыта в демонстрации независимости ускорениясвободного падения от массы и других свойств падающих тел.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.    Опыт с рычагом.

Опыт 1. Возьмите не очень длиннуюпалку, просуньте ее под ручку чемодана и, пригласив на помощь товарища,приподнимите вдвоем чемодан. Если чемодан находится точно посередине, то одиниз вас будет нагружен одинаково. Но сдвиньте чемодан к одному из концов палки,и сразу все изменится. Более легким груз покажется тому, кто держит длинныйконец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которыеудерживают груз в поднятом положении. Руки каждого из вас являются опоройрычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опорыбудет большей.

 Опыт 2 Возьмите небольшую палку иоколо одного из ее концов сбоку вбейте гвоздь. Наденьте на этот конец утюг(гвоздь нужен для того, чтобы утюг не соскользнул на пол) и положите рычаг наспинку стула. Держа рычаг за свободный конец, двигайте его, то приближая точкуопоры к грузу, то удаляя от него. Вы убедитесь, что, чем больше расстояние отруки до точки опоры, тем легче удержать груз. Тот же результат вы получите,если будете передвигать руку вдоль рычага к точке опоры, оставляя неизменнымрасстояние от опоры до груза.

Рычаги разных видов встречаются вповседневной жизни на каждом шагу: — тачку легче везти, если у нее длинныеручки; — гвоздь выдернуть легче, если гвоздодер имеет большую длину; — гайкузавернуть значительно легче ключом с длинной рукояткой.

6.    Опыт с блоком

Мы собралиэкспериментальную конструкцию, состоящую из блока. Подвесив по бокам и поцентру грузики равные 1Н, в системе установилось равновесие, это значит, чтоМ1=М2=М3

 

7.     Опыт с наклонной плоскостью

Мы собралиэкспериментальную конструкцию, состоящую из наклонной плоскости, штатива игрузиков. Подвесив по одному грузику=1Н с каждой стороны, в системеустановилось равновесие, а это значит, что М1=М2  

 

8.    Практическое использованиезаконов механики.

 

Яркими примерамипрактического использования законов механики являются самые обычные бытовыедействия. Например, открывашка для бутылок, гвоздодёр, а так же механическиедвижения. Так занимаясь в тренажерном зале, я заметил, что в некоторых упражненияхприсутствует принцип рычага. Одно из них —  это сгибание и разгибание сгантелями стоя. Когда сгибается рука, ось вращения находится в локтевомсуставе. Точка приложения силы — это гантель, которая тянет руку вниз поддействием гравитации. Плечо силы проходит от локтя до оси, по которой проходитгантель. Когда рука опускается, тогда уменьшается плечо силы, а вместе с этимнагрузка на тренируемую мышцу. Плечо силы максимально, когда предплечьепараллельно полу, значит в этой точке нагрузка на мышцы максимальна. Во всехэтих действиях присутствует принцип рычага, благодаря которому и можновыполнить эти действия.    

 

 

Заключение.

 

В ходе выполнения проекта выполненыпоставленные задачи:          

·                      изученоразвитие и становление науки о механике;

·                            охарактеризованаисторическая ценность исследуемых периодов для человечества;

·                            Исследованытруды и сочинения трех известных математиков и мыслителей (Архимед, Галилей,Ньютон)

·                            Найденопрактическое использование законов механики

·                            Написанастатья

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованнойлитературы

1. Диевский В.А.Теоретическая механика: учеб.пособие: Рек. УМО/ — СПб.: Лань, 2005. -320 с.

 

2. И.К.Кикоин, А.К.Кикоин. Физика 8. М, «Просвещение»,1986г.

 

3. Игнатьев Борис, «Кто такой Исаак Ньютон, как он жил и повлиял налюдей всей планеты»,  27.05.2020. URL:https://nlo-mir.ru/civilizacia/njuton.html (дата обращения: 24.01.2023)

 

4. Л.Гaльпepштeйн, Зaбaвнaя физикa, 2016. URL:http://class-fizika.ru/op74-28.html (дата обращения: 24.01.2023)

 

5. Луганцева Т.А., Ларченко Н.М. Введение в статику: учеб.пособие./Т.А.Луганцева, Н.М.Ларченко.; АмГУ, Эн.ф. — Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2010. -88с.

 

6. Луганцева Т.А.,Труфанова Т.В. Динамика.учеб. пособие /Т.А.Луганцева, Т.В.Труфанова. — АмГУ, -Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2011. — 144 с.

 

7. МихаилПопов, «Архимед и его открытия», 25.03.2017. URL: https://www.mirf.ru/science/arkhimed—i—ego—otkrytiya/ (дата обращения:24.01.2023)

 

8. Наталья Троцевич, «Идеи и открытия Галилео Галилея», 22.07.2020. URL: https://4brain.ru/blog/idei—i—otkrytija—galileo—galileja/ (дата обращения:24.01.2023)

 

9. Ф.Paбизa., «Знaй иумeй, Texникa cвoими pукaми», 2016. URL: http://class-fizika.ru/op74-28.html(дата обращения: 24.01.2023)