Физические основы механики. Xаикин С. Э. Издание второе, исправленное и дополненное Учебное пособие. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1971.
В книге, наряду с обычно рассматриваемыми вопросами механики, особое внимание уделено движению заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Это позволяет не только расширить круг физических явлений, которые привлекаются для иллюстрации задач механики, но также позволяет органически ввести в механику изложение основ специальной теории относительности. Такое построение книги является педагогически целесообразным новшеством. По сравнению с первым изданием, вышедшим в 1962 г., в книгу внесены отдельные уточнения и небольшие дополнения.
Книга рассчитана на студентов физико-математических факультетов университетов, а также инженерно-физических и физико-технических факультетов втузов. Будет полезна преподавателям физики в вузах и широким кругам физиков различных специальностей.
ОГЛАВЛЕНИЕ
От редакции
6
Предисловие .................................... 7
Глава I. Введение . . . .......................... . . 11
§ 1. Задачи механики (11). $2. Измерение физических величин (15)) §3. Системы единиц (18). $ 4. Размерность физических величин (22). $ S. Физические законы и размерности величин (25). §6. Правило размерностей (27).
Глава II. Кинематика ................... . . ........ 31
§7. Пространственно-временные системы отсчета (31). $ 8. Элементарное пере- ' мещение точки (37). § 9. Скорость (40). § 10. Ускорение (41), $ 11, Угловая скорость и угловое ускорение (46). $ 12. Перемещения твердого тела (49). § 13. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси (51), $ 14. Векторы угловой скорости и углового ускорения (53). $15, Некоторые случаи «сложного движения» твердого тела (56).
Глава III. Законы Ньютона ......................... 64
§ 16. Выбор системы отсчета (64). § 17. Силы. Первый закон Ньютона (68). § 18. Измерение сил (72). § 19. Сила Лорентца (77). § 20. Связь между силой и ускорением (83). $ 21. Связь между силой и ускорением при больших скоростях (91). § 22. Масса. Импульс (93), § 23. Второй закон Ньютона (95). § 24. Второй закон Ньютона при больших скоростях (100). $ 25. Третий закон Ньютона (104). $ 26. Закон сохранения импульса (107). § 27. Инерциальные системы отсчета (111). '
Глава IV. Работа и энергия ........................ . 122
§ 28. Работавши (122). $ 29. Потенциальная энергия (129). § 30. Кинетическая энергия (Ш).\§_ЗЦ Энергия и масса. Закон сохранения энергии (139). § 32. Абсо- \ лютно неупруЛЯГудар (146). $ 33. Абсслютно упругий удар (152). $ 34. Передача , работы (158).
Ч . .- 1
I лава V. Движения под действием упругих сил ............... 1§2
§ 35. Возникновение деформаций (162). $ 36, Деформации при вращательном ' ' . движении (164). $ 37. Колебания при возникновении силы (167), § 38,- Упругие силы и деформации (169). § 39. Абсолютно жесткие связи (171).
лава VI. Движения под действием сил тяготения
$ 40. Земное тяготение (175). $ 41. Взвешивание тел (176). § 42. Силы тяготения и деформации (182). $ 43. Состояние невесомости (187).
4 ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава VII. Движения в присутствии сил трения............. 192
§ 44. Силы трения (192). § 45. Сухое и жидкое трение (195). § 46. Зависимость силы жидкого трения от скорости (196). § 47. Падение тел в вязкой среде (197). § 48. Парашютный прыжок (198). § 49. Трение покоя (198). $.50. Трение скольжения (200). $ 51. Роль сухого трения (201). § 52. Явление застоя (202).
Глава VIII. Движение электрически заряженных частиц в электрическом
и магнитном полях....................... 206
§ 53. Движения в электрическом поле (206). § 54. Линейные ускорители'(209). § 55. Движения в магнитных полях (212). § 56. Циклические ускорители (217).
Глава IX. Механика специальной теории относительности......... 224
§ 57. Принцип относительности Галилея (224). § 58. Принцип относительности Галилея и законы сохранения (233). § 59. Принцип относительности Галилея и быстрые даижения (235). § 60. Роль скорости света (241). § 61. Сокращение • размеров тел прл движении (247). § 62. Замедление хода движущихся часов (259). § 63. Преобразования Лорентца. Интервал (274). § 64. Кинематика теории относительности (282). § 65. Силы в механике теории относительности (288). § 66. Инвариантность законов механики (293).
Глава X. Момент импульса.......................... 297
§ 67. Момент силы и момент импульса (297). § 68. Уравнение моментов (299). §69. Математический маятник (303). § 70. Закон сохранения момента импульса для системы материальных точек (305). § 71. Закон сохранения момента импульса и закон сохранения энергии (308). §72. Уравнение моментов для частиц' в циклическом ускорителе (310).
(ТГл а в а XI. Всемирное тяготение....................... 313
J Закон всемирного тяготения (313)?§_7JJ Гравитационная постоянная (316). Движения в поле тяготения (319)/|ТЧ> Искусственные спутники и планеты
Глава XII. Силы инерции.......................• • • • 332
§77. Два класса-систем отсчета (332). §78. Расчет сил инерции (341). § 79. Ускорения в инерциальных и неинерциальных системах отсчета (343). § 80. Вторичные системы отсчета (352). § 81. Силы инерции в системах отсчета, движущихся поступательно(360). § 82. Силы инерции во вращающихся системах отсчета(364). $ 83 Движения на поверхности Земли (375). § 84. Неинерциальные системы отсчета и законы сохранения (379). § 85. Силы инерции и общий принцип относительности (381). § 86. Приливы (392).
k' . V'-Глава XIII. Механика твердого тела.................... 398
§ 87. Твердое тело как система материальных точек (398). § 88. Движение центра тяжести твердого тела (400). § 89. Движение тела, закрепленного на оси Момент инерции (403). § 90. Физический маятник (407). § 91. Измерение силы тяжести-(409). § 92. Уравнения движения твердого тела. Равновесие твердого тела (412). § 93. Рычажные весы (416). § 94. Плоское движение твердого тела (417). § 96. Закон сохранения момента импульса для системы тел (421). § 96 Удар твердых тел (424). § 97. Качение тел (428). § 98. Самодвижущиеся экипажи (432). § 99. Свободные оси (435). § 100. Изменение направления момента импульса (439). § 101. Движение тела, закрепленного в одной точке (446). § 102. Действие внешних сил на быстро вращающееся тело (447). § 103. Гироскопы (450). § 104. Применения гироскопов (456).
ОГЛАВЛЕНИЕ 5
ГЛава XIV. Механика упругих тел
460
« 105. Сплошные тела (460). § 106. Типы деформаций (461). § 107. Упругие тела (465). § 108. Упругие напряжения (468). $ 109. Напряжения в точке (471). «ПО Изотропные и анизотропные тела (475). $111. Энергия упругой деформации (476). § 112. Устойчивость упругого равновесия (480). § 113. Распространение импульса в упругом теле (482). § 114. Течение энергии в упругом теле (492).
Глава XV. Гидростатика и аэростатика ................... 497
§ 115. Общие свойства жидкостей и газов (497). § 116. Давление в жидкости и газе (500). § 117. Сжимаемость жидкостей и газов (502). § 118. Распределение давлений в покоящихся жидкости и газе (504). § 119, Подъемная сила. Плавание тел (507). § 120. Изменение давления 6 высотой. Барометрическая формула (511). § 121. Жидкость в движущихся сосудах (514). § 122. Поверхностные явления (517).
Глава XVI. Гидродинамика и аэродинамика ................ 520ЧР
§ 123. Стационарный поток жидкости. Закон' Бернулли (520). § 124. Законы сохранения импульса и момента импульса. Реактивное движение (529). § 125. Роль вязкости (534). § 126. Движение тел в жидкости или газе (540). § 127. Обтекание цилиндра (545). § 128. Сопротивление давления и сопротивление трения (549). § 129. Возникновение вихрей (55U. § 130. Обтекание крыла самолета (554). § 131. Подъемная сила и лобовое сопротивление (556). § 132. Эффект Магнуса. Циркуляция (561). § 133. Летательные аппараты (566). § 134. Распространение импульса сжатия в газе (578).
Глава XVII. Колебания систем с одной степенью свободы ........ 587
§ 135. Колебательные движения (587). § 136. Гармонические колебания (588) § 137. Собственные колебания (594). § 138. Собственные колебания при большом трении (600). § 139. Автоколебания (602). § 140. Вынужденные колебания (604). § 141. Резонанс (611). § 142. Негармоническое внешнее воздействие. Вынужденные колебания в апериодических системах (616). § 143. Непериодическое внешнее воздействие (622).
Глава XVIII. Собственные колебания систем со многими степенями
свободы ............................ 628
§ 144. Колебания систем с двумя степенями свободы (628), § 145. Колебания связанных систем (631). § 146. Неодинаковые парциальные системы. Резонанс в связанных системах (638). § 147. Колебания замкнутых систем (643), § 148, Колебания в сплошных телах (650). § 149. Нормальные колебания упругого стержня (658). § 150. Нормальные колебания струны (671). § 1514 Поляризация поперечных колебаний (672). § 152. Параметрическое возбуждение колеба-нии (Ь74).
Глава XIX. Волны
676
§ 153. Бегущие волны (676). § 154. Стоячие волны (682). § 155. Колебания сплошных систем как наложение бегущих и стоячих волн (688). § 156. Сплошные ?7^ДСКРеТ?ые колебательные системы (693). § 157. Волны в сплошной среде «г,™ Дп\ i ?Л?НЫ на поверхности жидкости (707). § 159, Интерференция волн (709). § 160. Принцип Гюйгенса (713). § 161. Дифракция волн (716). s 1Ь2. [ армонические и негармонические волны (718).
•р
л а в а XX. Акустика............................. /21
в ,§Д63,Ч3вукоВЬ1е волны (721). § 164. Звуковые волны большой амплитуды (727) ЭФЛрктРаспространение звука в атмосфере (729). § 166. Бинауральный эффект! ч?скиЛД°ППЛера №& i 167' 3вУковые волны в трубах (732). § 168. Акустические резонаторы (735). § 169. Источники звука (738). § 170. Ультразвуки (743)
Предметный указатель............................... 747
ОТ РЕДАКЦИИ
Эта книга — первое посмертное издание учебника физической механики профессора Семена Эммануиловича Хайкина.
Над учебником механики Семен Эммануилович работал более тридцати лет. Первая книга, «Механика», вышла в 1940 г. и была переиздана с дополнениями двумя тиражами — в 1947 и 1948 гг. После этого С. Э. Хайкин существенно расширил свой курс, положив в его основу новые методические идеи, и переработанная книга вышла в 1962 г. под названием «Физические основы механики». Дополнительный тираж этой книги вышел в 1963 г.
Подготовкой данного издания С. Э. занимался последний год своей жизни, но не успел ее закончить. Тем не менее оставленные им. материалы весьма подробны и не оставляют сомнений в его намерениях. Это позволило внести в новое издание «Физических основ механики» С. Э. Хайкина ряд изменений, дополнений и поправок в полно* соответствии с замыслами и стилем автора. В тех немногих случаях, когда, вследствш краткости некоторых заметок, не было уверенности в точности такого соответствия,
— исправления не вносились.
Работая над этой книгой, С. Э, говорил, что если бы не чересчур резкая нетради ционность словосочетания, книгу следовало бы назвать «Механические основы физики* Действительно, такое название правильно отражало бы методические идеи и Нововведе кия, подробно и убедительно обоснованные С. Э. Хайкиным в предисловии к прижиз ненному изданию «Физических основ механики» и осуществленные им в этой книге Здесь следует прежде всего отметить физическое изложение основ механики специаль ной теории относительности и расширение границ курса механики, включающее рассмотрение движения под действием электродинамических сил. ..—-
Рукопись нового издания книги С. Э. Хайкина «Физические основы механики подготовлена к печати М. С. Хайкиным.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В этой книге круг рассматриваемых вопросов значительно расширен по сравнению с тем, которым обычно ограничиваются в Механике; прежде всего, в книгу включены вопросы о движении электрически заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, т. е. под действием силы Лорентца. Сделано это по следующим соображениям.
В книге, посвященной физическим основам механики, т. е. рассматривающей механику как раздел физики, должны быть изложены вопросы о механическом движении тел, независимо от того, в каком из разделов физики эти вопросы возникают. Вопросы механического движения, возникающие в различных разделах физики, нет никаких оснований относить не к механике, а к этим разделам физики, если эти вопросы таковы, что по своему существу они могут быть рассмотрены в рамках механики, т. е. для их решения не требуется применять никаких других законов, кроме законов механики. Эти законы позволяют определить движение тел, если известны действующие на тела силы. Происхождение этих сил, механизм их возникновения, для определения движения тел не имеет значения. Необходимо лишь располагать независимым (т. е. не опирающимся на самые законы движения) способом измерения сил, обеспечивающим возможность измерить или рассчитать силы, действующие в каждом конкретном случае. Тогда, пользуясь законами Нвютона (или следствиями и» них), можно найти движение тела, т. е. решить задачу механики.
Вопрос же о происхождении сил выходит за рамки механики н в механике вообще не рассматривается. Поэтому принципиально неправильно разделять задачи о движении тел на «механику» и «немеханику» с точки зрения происхождения сил, вызывающих движение. Ведь нет никаких признаков, по которым упругие силы, силы трений, -и силы всемирного тяготения можно относить к механике, a caAj^' Лорентца — к «немеханике», поскольку, например, в возникновении/, упругих сил существенную роль играют силы взаимодействия между1'; электрическими зарядами ионов кристаллической решетки. ПоэтоМр такое разделение было бы совершенно условным и с точки зрения сов-''' ременных физических представлений не оправданным. , r;
Словом, традиционное разделение задач о движении тел на «меха* " нику» и «немеханикр, основанное на существовавшем когда-то $rV
Цена: 300руб.