Содержание экзамена
по теоретической механике
на отделении механики в третьем семестре
(выделены вопросы, владение которыми необходимо для удовлетворительной оценки
-
но не следует думать, что этого же и достаточно, то есть об остальных вопросах
можно не иметь никакого представления:
что именно достаточно, решать будет экзаменатор)
- Элементарные представления о
пространстве, времени, системе отсчета. Задание движения точки в декартовой
"неподвижной" системе координат. Векторы скорости и ускорения точки
и их проекции на оси. Траектория точки. Базовая мысль:
УРАВНЕНИЕ НЬЮТОНА для точки выписывается в системе отсчета, которую с
принятой степенью точности можно считать инерциальной; вектор силы есть МОДЕЛЬ суммы воздействий
на точку со стороны других объектов; сравнение вычислений с наблюдениями -
основа для оценки модели и ее уточнения.
- Движение точки в поле тяжести,
форма траекторий.
- Движение точки под действием
постоянной силы и вязкого трения, предельная ее скорость.
- Применение матрицы перехода для
задания линейного отображения и при пересчете компонент вектора. Пересчет
координат точки при переходе от одной декартовой системе координат
к другой.
- Промежуточные (лагранжевы)
переменные в кинематике. Идея линейности полной производной по скоростям.
Криволинейные координаты. Ортогональные криволинейные координаты. Коэффициенты
Ламе. Скорость в ортонормированном репере, построенном для ортогональных координат.
- Разложения скорости в полярной
системе координат, в цилиндрической системе координат, в сферической системе
координат. Выражения для квадрата скорости. Общий вид квадрата скорости
в лагранжевых переменных.
- Координатный репер и взаимный
к нему. Лагранжевы компоненты ускорения в репере, взаимном к координатному.
Доказательство теоремы о лагранжевых компонентах ускорения; технический аппарат:
полная производная по времени, правила Лейбница для вектор-функций, правило
сокращения точек при дифференцировании полных производных, перестановочность
полной производной и частной производной по лагранжевой переменной, пересчет
компонент вектора по тому же правилу, что и изохронных дифференциалов.
- Разложения ускорения в полярной
системе координат, в цилиндрической системе координат, в сферической системе
координат.
- Определение твердого тела.
Задание движения тела (в котором есть три точки, не лежащие на одной прямой)
при помощи репера, жестко с ним связанного; условие гладкости движения.
Угловая скорость ортонормированного репера.
- Производная вектора: она равна
разности скоростей его концов (лемма). Теорема: при движении тела в
каждый момент времени существует и единствен вектор угловой скорости такой,
что скорости для любых двух точек тела связаны ФОРМУЛОЙ ЭЙЛЕРА. В частном
случае вращения вокруг неподвижной оси вектор угловой скорости равен единичному
вектору оси вращения, умноженному на скорость изменения угла поворота. Формулы
Пуассона. Дифференцирование ортогональной матрицы; кососимметрическая матрица,
отвечающая вектору угловой скорости.
- Углы Эйлера. Матрица перехода.
Векторное выражение угловой скорости, линейное по скоростям. Кинематические
формулы Эйлера.
- Углы Крылова и векторное выражение
угловой скорости.
- Связь абсолютной и относительной
производных вектора. Две возможности вычислить угловое ускорение.
Сложное движение точки. Формула сложения скоростей: переносная и относительная
скорости. Формула сложения ускорений: переносное, относительное и кориолисово
ускорение. Формула сложения угловых скоростей. Формула сложения угловых
ускорений.
- Формула Ривальса для поля
ускорений (два вывода : дифференцированием формулы Эйлера с привлечением
леммы о разности скоростей концов и выделением нужных слагаемых в формуле
сложения ускорений).
- Вывод формулы сложения ускорений
на основе теоремы о лагранжевых компонентах ускорения; технический аппарат
: вектор производных линейной и квадратичной функции своих переменных.
- Поступательное движение тела,
вращение тела вокруг неподвижной оси, смысл слагаемых формулы Ривальса.
Плоскопараллельное (плоское) движение тела.
- Леммы: (1) если имеется неподвижная
точка, через которую все время проходит гладкая кривая (твердое тело), то
скорость той точки тела, которая оказалась в неподвижной точке, параллельна
кривой; (2) если две кривые (твердые тела) скользят одна по другой (в каждое
мгновение имеют общую точку и в этой точке касаются) то разность скоростей
точек, оказавшихся в месте соприкосновения, параллельна общей касательной.
- Определение качения кривой
по кривой. Мгновенный центр скоростей для плоского движения и
центроиды. Твердое тело с неподвижной точкой. Мгновенная ось вращения
и аксоиды (конусы). Свободное твердое тело. Мгновенная винтовая ось и аксоиды
как линейчатые поверхности. Касание аксоидов и их поведение при движении
тела
- Скорость и ускорение в проекциях
на естественные оси (репер Френе). Теорема: кривая с точностью до бесконечно
малых третьего порядка приближается соприкасающейся окружностью. Алгебраическая
кривизна плоской кривой как производная угла поворота касательной по длине
дуги. Формулы Френе. Угловая скорость репера Френе. Формулы
вычисления кривизны и кручения кривой. Винтовая линия. Знание кривизны и кручения
как функций длины дуги задает кривую однозначно с точностью до перемещения
ее как твердого тела (без доказательства).
- Равенство дуг при качении
кривой по кривой . Система линейных дифференциальных уравнений
для координат неподвижной точки относительно репера Френе (плоский случай).
- Два локально равносильных способа
задать поверхность в пространстве. Два выражения для нормали к поверхности.
Два способа записать скорость движения по поверхности. Первая и вторая квадратичные
формы поверхности. Главные кривизны и репер Картана. Касательные (к поверхности)
компоненты угловой скорости репера Картана. Главные направления поверхности
вращения.
- Теорема: на поверхностях уровня
ортогональных координат координатные линии являются линиями кривизны (то есть
нормированный координатный репер - главный).
- Выражение длины дуги кривой
на поверхности в ортогональных координатах. Выражение нормальной кривизны
кривой (то есть кривизны нормального сечения поверхности в направлении касательной)
через главные кривизны и азимут касательной в главном репере, а также через
кривизну кривой и угол между главной нормалью к кривой и нормалью к поверхности
(формула Менье). Выражение для кручения кривой на поверхности через
главные кривизны, азимут касательной и производную угла между нормалями. Геодезическая
кривизна кривой и геометрический смысл нормальной компоненты угловой скорости
репера Картана.
- Качение шара по произвольной
поверхности: зная компоненты скорости места соприкосновения на опорной поверхности,
вычислить компоненты скорости центра шара, касательные компоненты его угловой
скорости. Найти главные кривизны поверхности, по которой движется центр
шара.
- Соприкасающийся параболоид поверхности.
- Динамические функции (импульс,
кинетический момент, кинетическая энергия, энергия ускорений, полный момент
инерции, момент инерции относительно оси и так далее): кроме импульса - это
взвешенные суммы билинейных форм от разных производных радиусов-векторов.
- Связь импульса и кинетического
момента с однопараметрическими группам сдвигов и поворотов, которые оставляют
неизменной кинетическую энергию.
- Импульс, кинетический момент
и кинетическая энергия твердого тела. Кинетический момент тела с неподвижной
точкой, вообще говоря, не направлен по угловой скорости. Главные оси и моменты
инерции (в центре масс и в любой точке ; зависимость главных направлений
от выбора неподвижной точки в теле). Эллипсоид инерции. Соображения
симметрии для нахождения центра масс и главных направлений. Вычисление моментов
инерции однородных тел : отрезок, прямоугольник, обруч, диск, сфера, шар.
- Формулы Кенига для динамических
функций системы точек (импульс, кинетический момент, кинетическая энергия,
энергия ускорений). Формула Гюйгенса-Штейнера.
- Система уравнений Ньютона
для нескольких материальных точек. Возможность появления неизвестных величин
в выражениях сил и пополнение системы уравнений движения уравнениями связей.
Основной способ и простейшие примеры задания сил, выражающих воздействие связей
и наглядный смысл этих сил: движение точки по поверхности и условие постоянности
расстояния между двумя точками.
- Теоремы об изменении импульса,
кинетического момента и кинетической энергии в абсолютном движении и относительно
осей Кенига.
- Деление сил на внешние
и внутренние; соответствующие переформулировки теорем об изменении импульса
(о движении центра масс), об изменении кинетического момента и кинетической
энергии.
- Объяснение того, что неизменность
формы твердого тела обеспечивается внутренними силами, причем в этом случае
на изменение кинетической энергии они не влияют.
- Закон тяготения Ньютона между
материальными точками : еще один пример внутренних сил. Потенциальные силы.
Потенциал сил ньютонова тяготения для одной точки (в поле тяготения другой)
и для системы взаимодействующих точек.
- Законы сохранения ( то есть
первые интегралы уравнений движения). Условия существования интеграла импульса
в проекции на одну их осей координат. Условие существования интеграла
кинетического момента в проекции на одну из осей. Условия существования интеграла
энергии.
- Использование интегралов движения.
I. Движение гармонического осциллятора (на прямой и в плоскости) на основе
интеграла энергии и разделения переменных.
- Использование интегралов движения.
II. Сведение задачи двух тел к задаче Кеплера. Движение точки под действием
центральной силы: интеграл кинетического момента и плоскость Лапласа. Интеграл
энергии. Выражение интегралов в полярной системе координат. Переход к полярному
углу как новой независимой переменной. Аналогия между задачей Кеплера и гармоническим
осциллятором. Вывод уравнения орбиты и связь ее параметров с постоянными интегралов.
- Большая полуось эллиптической
орбиты. Три закона Кеплера. Истинная и эксцентрическая аномалии как функции
времени.
- Использование интегралов движения.
III. Вращение твердого тела с неподвижной точкой по инерции . Уравнения Эйлера
и их первые интегралы. Геометрическая интерпретация Пуансо. Выражение
скорости точки контакта с плоскостью через угловое ускорение.
- Уравнения движения свободного
твердого тела. Понятие эквивалентности систем сил, действующих на твердое
тело. Приведение системы сил к точке. Выражение "момент действует на
тело" - основа создания моделей воздействия в сложных обстоятельствах.
Приведение сил тяжести к центру масс тела. Эквивалентные преобразования системы
сил. Пара сил.
- Правило пересчета момента
от точки к точке (параллель с формулой Эйлера). Возможность приведения
разных систем сил к разным точкам. Различные формы теоремы об изменении
кинетической энергии для твердого тела.
- Вращение твердого тела вокруг
вертикальной неподвижной оси. Выражение угла между кинетическим моментом и
угловой скоростью через направляющие косинусы оси вращения в главных осях
и моменты инерции. Предположения о воздействиях в точках закрепления.
Определение реакций с помощью уравнений движения. Статические и динамические
реакции.
- Движение твердого тела по
поверхности. Приведение сил взаимодействия с поверхностью к точке контакта:
реакция опоры и момент. Сила трения скольжения. Моменты трения качения и трения
верчения. Диссипация полной энергии : при чистом качении на нее влияет только
момент сил воздействия со стороны поверхности, но не трение скольжения. Модели
идеально гладкой и идеально шероховатой поверхностей.
- Движение однородного шара
по гладкой плоскости. Движение однородного шара по шероховатой плоскости.
Модель сухого трения скольжения. Движение однородного шара по плоскости с
сухим трением ; движение центра шара по параболе до прекращения проскальзывания.
Движение однородного шара по плоскости с вязким трением, предельное его движение.
Качение обруча по наклонной прямой в обычной постановке задачи. Качение диска
по прямой под действием постоянной силы (в центре масс) и вязкого трения качения,
предельная скорость центра.
- Постановка задачи "тело-точка".
Главный вектор сил тяготения, " нарушение" третьего закона Ньютона,
гравитационный момент. Использование очевидных первых интегралов для выражения
момента через силу притяжения точки телом. Гравитационный потенциал
задачи и выражение его в главных осях твердого тела при разложении по степеням
обратного расстояния (с ошибкой порядка четвертой степени его). Гравитационный
момент с той же точностью.
ЛИТЕРАТУРА (не покрывающая
всего, что было на лекциях):
Я.В.Татаринов. Лекции по классической
динамике. М.: Изд-во МГУ. 1984. [постранично
*.pdf]
Cм. также материалы, выложенные на предыдущей странице.
А.П.Маркеев. Теоретическая механика. М.: Наука, 1999 и последующие издания.
Ю.Ф.Голубев. Основы теоретической механики. М.: Изд-во МГУ. 2000.