Резюме:
Этот урок изучает непрерывные тела в физике. Он начинается с точечных объектов, но показывает, как ньютоновская механика объясняет, что объекты, состоящие из множества частиц, могут имитировать непрерывность природы. Рассматриваются законы Ньютона для понимания движения и причин в частицах. Подчеркивается, что конгломерированные тела приобретают уникальные свойства и классифицируются на твердые, жидкие и газообразные в зависимости от их реакции на внешние силы.

Цели обучения:
После завершения этого урока студент сможет:

1. Понять, как возможные состояния относительного движения между точками материи могут воспроизводить состояния вещества.
2. Распознать новые свойства, возникающие у частиц, когда они образуют конгломерат.
3. Понять связь между механикой частиц и механикой сплошных сред.

Оглавление:
НЕПРЕРЫВНЫЕ ТЕЛА В ФИЗИКЕ
КАК МЫ МОЖЕМ ПОНЯТЬ НЕПРЕРЫВНЫЕ ТЕЛА В ФИЗИКЕ?
ФИЗИКА НЕПРЕРЫВНОГО ТЕЛА

Непрерывные тела в физике

В физике мы часто начинаем изучение с точечных объектов и идеализированных систем, прежде чем переходить к более сложным и реалистичным. Хотя в природе нет точечных объектов, этот подход имеет смысл, потому что позволяет проще и понятнее разбирать концепции. Например, ньютоновская механика была разработана раньше физики сплошных сред, поэтому важно иметь некоторое знакомство с ее законами, чтобы понять, как непрерывные объекты, которые состоят из большого числа мельчайших частиц, могут «имитировать» непрерывность, которую мы наблюдаем в природе.

Напоминание законов Ньютона

Физика изучает явления, изменяющиеся в природе, так как без изменения невозможно восприятие. Поэтому важно вспомнить основные концепции ньютоновской механики, которые позволяют нам понять движение частиц и их причины, а также положение, импульс и их изменения.

Положение и импульс — это атрибуты материи, относящиеся к расположению и движению объекта в пространстве. Все объекты с массой имеют положение и состояние движения.

Вспомним три закона Ньютона.

• ПЕРВЫЙ ЗАКОН: Закон инерции:
  В отсутствие внешнего воздействия каждое тело сохраняет свое состояние движения.
• ВТОРОЙ ЗАКОН: Закон силы и массы:
  Если состояние движения тела изменяется, то это происходит под действием силы, и эта сила эквивалентна изменению состояния движения во времени.

  \displaystyle\vec{F}= \frac{d\vec{p}}{dt} = m\vec{a}+\vec{v}\dfrac{dm}{dt}

• ТРЕТИЙ ЗАКОН: Закон действия и противодействия:
  На каждую силу «действия» приходится другая сила «противодействия» той же величины, но противоположного направления.

Как мы можем понять непрерывные тела в физике?

Непрерывное тело — это конгломерат точечных объектов; ветвь дерева или кровь в нашем теле состоят из частиц настолько мелких и многочисленных, что, будучи вместе, они напоминают «непрерывность».

Тела, образованные конгломератом, приобретают качества, которыми их части не обладают индивидуально.

• Положение каждой частицы относительно других определяет форму тела.
• Состояние движения всего тела определяется коллективным состоянием движения всех частиц как целого.
• И возможности относительного движения между точками материи создают состояния вещества.

Все эти вещи подвержены изменениям. Таким образом, на основе этих физических характеристик мы можем классифицировать тела в зависимости от того, как они меняются под воздействием внешней силы.

Типы непрерывных тел в физике

Непрерывные тела классифицируются следующим образом:

Те, в которых относительное положение между их частицами стремится оставаться постоянным в отсутствие внешних сил.

С одной стороны, в твердых телах относительное положение между составляющими их частицами стремится оставаться постоянным, если не приложена внешняя сила. В эту категорию попадают тела, изготовленные из стали, дерева, костей или резины. Относительное положение между частицами поддерживается двумя видами сил: с одной стороны, это силы восстановления, которые противостоят любой силе, пытающейся сдвинуть частицы с их относительного положения, и диссипативные силы, которые высвобождают энергию, внесенную действием внешней силы, до тех пор, пока она не исчезнет. Силы восстановления отвечают за то, что пружина колеблется после возмущения, а диссипативные силы — за нагревание железного стержня при его изгибе.

И те, в которых, напротив, относительное положение между частицами изменяется даже в отсутствие внешних сил.

Напротив, в жидкостях относительное положение между частицами меняется, даже если внешние силы не прикладываются, и даже когда тело сохраняет свою форму. Воздух, заключенный в бутылке, или вода в ведре относятся к этой природе. Силы восстановления, удерживающие каждую часть на своем месте, практически отсутствуют, а диссипативные силы отвечают за явление вязкости.

Эти делятся на два вида:

Жидкие тела:

Существуют внутренние силы, достаточно сильные, чтобы поддерживать среднее относительное расстояние, но не положение, между частицами, заставляя вещество в целом стремиться сохранять постоянный объем.

Газообразные тела:

При отсутствии ограничений не имеют фиксированного объема. Частицы свободно движутся в доступном пространстве. Когда они заключены в сосуд, каждая точка внутри него представляет собой возможное положение для частиц газа.

Основное различие между твердыми телами и жидкостями заключается в том, что твердые тела стремятся сохранять свою форму, а жидкости — нет. Когда твердое тело изменяет форму, оно либо пытается вернуться к ней, либо нагревается (по крайней мере, одно из двух), и даже может разломиться; в отличие от этого, жидкости мало сопротивляются движению своих частиц и, в отличие от твердых тел, адаптируются к сосуду, в котором находятся.

Физика непрерывного тела

Эта наука занимается изучением непрерывных тел в некоторых из описанных нами состояний и их физическими свойствами; но, как мы видели, предполагается, что число и размер частиц, составляющих тело, таковы, что они заставляют его вести себя как непрерывный объект. В этой науке, хотя и говорят о «силах между частицами», не уточняется их природа, будь то электромагнитная, квантовая или простые столкновения, вместо этого проводится коллективный анализ. Подробный анализ таких ситуаций, в которых рассматриваются типы сил между частицами, более характерен для статистической механики. Из этой науки возникают другие в зависимости от типа изучаемого тела и акцента, сделанного в этом исследовании.

• Физика непрерывного тела
  • Механика твердых тел
    Изучает поведение твердых материалов при различных видах деформационных напряжений.
  • Механика жидкостей
    • Гидродинамика: изучает поведение жидкостей
    • Пневматика: изучает поведение газов