Физика
Формулы по механике
Маршрут задачи: опишите движение, постройте схему сил, затем используйте импульс либо энергию. Ось, систему отсчёта и знак проекций выбирают до подстановки.
Что дано и что найти
| Дано | Найти | Связь |
|---|---|---|
| Путь s и время t | скорость | v = s/t |
| v0, v и t | ускорение | a = (v − v₀)/t |
| Равнодействующая F и масса m | ускорение | ΣF = ma |
| Сила и время действия | изменение импульса | J = Δp |
| Постоянная сила, путь, угол | работа | A = Fs cos α |
| Масса и скорость | кинетическая энергия | Eₖ = mv²/2 |
Основные карточки
| Формула | Запись | Тема | Для чего нужна |
|---|---|---|---|
| Скорость равномерного поступательного движения | $v=\frac{s}{t}$ | Механика | Скорость равномерного поступательного движения равна отношению пройденного пути к времени, если все точки тела движутся одинаково и скорость постоянна. |
| Ускорение при равнопеременном движении | $a=\frac{v-v_0}{t}$ | Механика | Ускорение при равнопеременном движении равно изменению скорости, деленному на время этого изменения, и показывает темп разгона или торможения тела. |
| Второй закон Ньютона | $F = ma$ | Механика | Второй закон Ньютона F=ma связывает равнодействующую силу, массу и ускорение тела: ускорение направлено по силе и обратно зависит от массы. |
| Импульс тела | $p=mv$ | Механика | Импульс тела равен произведению массы на скорость, характеризует количество движения тела и учитывает направление движения. |
| Механическая работа при постоянной силе | $A=F\cdot s$ | Механика | Механическая работа постоянной силы равна произведению силы на путь, пройденный в направлении действия этой силы, и измеряется в джоулях. |
| Кинетическая энергия тела | $E_k=\frac{mv^2}{2}$ | Механика | Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы на квадрат скорости и показывает запас энергии движения тела. |
Обозначения, единицы и условия
| Раздел | Величины | Условие |
|---|---|---|
| Кинематика | s — м, t — с, v — м/с, a — м/с² | Равноускоренные формулы работают только при постоянном ускорении. |
| Динамика | F — Н, m — кг | ΣF = ma записывают для всех сил в выбранной инерциальной системе. |
| Импульс | p — кг·м/с, J — Н·с | Сохранение импульса: внешним импульсом за время взаимодействия пренебрегают. |
| Работа и энергия | A, E — Дж | A = Fs cos α для постоянной силы; нуль потенциальной энергии выбирают явно. |
Короткий пример
Тележка массой 2 кг под действием равнодействующей силы 6 Н движется из покоя 4 с. a = F/m = 3 м/с²; v = at = 12 м/с; путь s = at²/2 = 24 м. Проверка: v² = 2as = 144 м²/с².
Школьный и углублённый маршрут
Школьный. Равномерное и равноускоренное движение, законы Ньютона, силы, импульс, работа и механическая энергия. Трение и движение по окружности требуют отдельной схемы сил.
Углублённый. Лагранжева и гамильтонова механика используют иной математический аппарат и вынесены в отдельный перечень.
Другие задачи и приложения механики
Открыть перечень задач и приложений (64)
| Формула | Запись | Тема | Для чего нужна |
|---|---|---|---|
| Второй закон Ньютона | $F = ma$ | Механика | Второй закон Ньютона F=ma связывает равнодействующую силу, массу и ускорение тела: ускорение направлено по силе и обратно зависит от массы. |
| Работа силы | $A = Fs\cos\alpha$ | Механика | Работа постоянной силы равна произведению модуля силы, перемещения и cos угла между ними. Она показывает вклад силы в изменение энергии тела. |
| Время подъема на максимальную высоту тела, брошенного под углом к горизонту | $t_{\uparrow}=\frac{v_0\sin\alpha}{g}$ | Механика | Время подъема до верхней точки траектории равно начальной вертикальной составляющей скорости, деленной на ускорение свободного падения. |
| Компланарные и коллинеарные векторы | $\vec a=\lambda\vec b,\qquad (\vec a,\vec b,\vec c)=0$ | Механика | Коллинеарные векторы отличаются только числовым множителем, а три вектора компланарны, если их смешанное произведение равно нулю. |
| Максимальная высота подъема тела | $H=\frac{v_0^2\sin^2\alpha}{2g}$ | Механика | Максимальная высота подъема при броске под углом равна квадрату начальной вертикальной скорости, деленному на удвоенное ускорение свободного падения. |
| Период обращения в механике | $T=\frac{t}{N}=\frac{2\pi}{\omega}$ | Механика | Период обращения равен времени одного полного оборота: его находят как общее время, деленное на число оборотов, или как 2π, деленное на угловую скорость. |
| Прямолинейное равномерное движение | $x=x_0+vt$ | Механика | При прямолинейном равномерном движении координата тела изменяется линейно со временем, а скорость остается постоянной по модулю и направлению. |
| Скорость тела, брошенного под углом к горизонту | $v=\sqrt{(v_0\cos\alpha)^2+(v_0\sin\alpha-gt)^2}$ | Механика | Модуль скорости тела при броске под углом находят по горизонтальной и вертикальной составляющим скорости в выбранный момент времени. |
| Скорость равномерного поступательного движения | $v=\frac{s}{t}$ | Механика | Скорость равномерного поступательного движения равна отношению пройденного пути к времени, если все точки тела движутся одинаково и скорость постоянна. |
| Угол вектора мгновенной скорости | $\tan\beta=\frac{v_y}{v_x}$ | Механика | Угол вектора мгновенной скорости к оси Ox находят по отношению вертикальной и горизонтальной составляющих скорости. Эта запись задает именно направление касательной к траектории, а не модуль скорости или ускорение тела. |
| Уравнение движения тела, брошенного под углом к горизонту | $y=x\tan\alpha-\frac{gx^2}{2v_0^2\cos^2\alpha}$ | Механика | Уравнение траектории тела, брошенного под углом к горизонту, является параболой, если сопротивлением воздуха можно пренебречь. |
| Число оборотов | $N=\frac{t}{T}=\nu t=\frac{\varphi}{2\pi}$ | Механика | Число оборотов равно времени, деленному на период, произведению частоты на время или полному углу поворота, деленному на 2π. |
| Абсолютное удлинение | $\Delta l=l-l_0$ | Механика | Абсолютное удлинение равно разности конечной и начальной длины тела и показывает, на сколько метров тело растянулось или укоротилось. |
| Вторая космическая скорость | $v_2=\sqrt{\frac{2GM}{R}}$ | Механика | Вторая космическая скорость равна минимальной скорости у поверхности небесного тела, при которой объект может уйти на бесконечность без дальнейшей тяги. |
| Второй закон Кеплера | $\frac{dS}{dt}=\text{const}$ | Механика | Второй закон Кеплера утверждает, что радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади. Закон описывает не равномерность движения по дуге, а постоянство секторной скорости относительно фокуса орбиты. |
| Коэффициент трения скольжения | $\mu=\frac{F_{\text{тр}}}{N}$ | Механика | Коэффициент трения скольжения равен отношению силы трения скольжения к силе нормальной реакции опоры. Он является безразмерной характеристикой пары поверхностей и условий контакта, а не отдельного тела. |
| Масса тела через плотность и объем | $m=\rho V$ | Механика | Масса однородного тела равна произведению плотности вещества на объем тела. Для неоднородных тел эта формула работает со средней плотностью или заменяется суммированием по частям объема. |
| Относительное удлинение | $\varepsilon=\frac{\Delta l}{l_0}$ | Механика | Относительное удлинение показывает, какую долю от первоначальной длины составляет изменение длины тела при растяжении или сжатии, и является безразмерной мерой деформации. |
| Первый закон Кеплера | $r=\frac{a(1-e^2)}{1+e\cos\nu}$ | Механика | Первый закон Кеплера утверждает, что планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце; полярная запись эллипса задает расстояние до фокуса. |
| Первый закон Ньютона | $\sum \vec F=0 \Rightarrow \vec v=\mathrm{const}$ | Механика | Первый закон Ньютона задает инерциальную систему отсчета: если равнодействующая сил равна нулю, тело сохраняет покой или движется прямолинейно и равномерно. |
| Потенциальная энергия в поле тяжести | $E_p=mgh$ | Механика | Потенциальная энергия тела около поверхности Земли равна произведению массы, ускорения свободного падения и высоты относительно выбранного нулевого уровня. |
| Потенциальная энергия упруго деформированного тела | $E_p=\frac{kx^2}{2}$ | Механика | Потенциальная энергия упругой деформации равна половине произведения жесткости на квадрат растяжения или сжатия и показывает запас энергии в пружине. |
| Сила трения качения | $F_{rr}=C_{rr}N$ | Механика | Сила сопротивления качению в простой модели пропорциональна нормальной реакции опоры и характеризуется коэффициентом сопротивления качению для пары колесо-поверхность. |
| Сила трения скольжения | $F_{\text{тр}}=\mu N$ | Механика | Сила трения скольжения в простой модели равна произведению коэффициента трения на нормальную реакцию опоры и направлена против относительного движения поверхностей. |
| Сила упругости по закону Гука | $\vec F_{\text{упр}}=-k\vec x$ | Механика | Сила упругости в модели закона Гука пропорциональна деформации и направлена против смещения от положения равновесия, стремясь вернуть тело к исходной форме. |
| Третий закон Ньютона | $\vec F_{12}=-\vec F_{21}$ | Механика | Третий закон Ньютона утверждает, что силы взаимодействия двух тел равны по модулю, противоположны по направлению и приложены к разным телам. |
| Формула силы трения скольжения | $F_{\text{тр}}=\mu N$ | Механика | Сила трения скольжения равна произведению коэффициента трения на силу нормальной реакции опоры. Формула показывает, от чего зависит сопротивление при относительном скольжении поверхностей. |
| Формула потенциальной энергии тела у поверхности Земли | $E_p=mgh$ | Механика | Потенциальная энергия тела в однородном поле тяжести равна произведению массы, ускорения свободного падения и высоты относительно выбранного нулевого уровня. |
| Формула силы натяжения нити при вертикальном движении | $T=m(g+a)$ | Механика | При вертикальном движении вверх с ускорением сила натяжения нити равна m(g+a). Формула является частным случаем второго закона Ньютона для груза на легкой нерастяжимой нити. |
| Формула силы тяги через ускорение и сопротивление | $F_{\text{тяги}}=ma+F_{\text{сопр}}$ | Механика | Сила тяги при прямолинейном разгоне равна силе, создающей ускорение, плюс силы сопротивления движению. Формула показывает баланс сил вдоль направления движения. |
| Импульс тела в задачах 9 класса | $\vec p=m\vec v$ | Механика | Импульс тела равен произведению массы на скорость и является векторной величиной, которая характеризует количество механического движения тела. |
| Закон сохранения импульса для двух тел | $m_1\vec v_1+m_2\vec v_2=m_1\vec u_1+m_2\vec u_2$ | Механика | Закон сохранения импульса утверждает, что в замкнутой системе векторная сумма импульсов тел до взаимодействия равна сумме импульсов после него. |
| Ускорение свободного падения около Земли | $g=\frac{GM}{R^2}$ | Механика | Ускорение свободного падения около Земли определяется массой Земли и расстоянием до ее центра: чем больше масса планеты и меньше радиус, тем больше g. |
| Центростремительное ускорение при движении по окружности | $a_c=\frac{v^2}{R}$ | Механика | Центростремительное ускорение при движении по окружности равно квадрату скорости, деленному на радиус, и направлено к центру окружности. |
| Механическая энергия с учетом потенциальной и кинетической | $E=E_k+E_p=\frac{mv^2}{2}+mgh$ | Механика | Полная механическая энергия тела в поле тяжести равна сумме кинетической энергии движения и потенциальной энергии положения над выбранным уровнем. |
| Работа силы тяжести | $A=m g (h_1-h_2)$ | Механика | Работа силы тяжести равна произведению массы, ускорения свободного падения и уменьшения высоты тела относительно выбранного уровня. |
| Момент силы в школьной статике | $M=F l$ | Механика | Момент силы равен произведению силы на плечо силы и показывает вращательное действие силы относительно выбранной оси или точки опоры. |
| Условие равновесия рычага | $F_1l_1=F_2l_2$ | Механика | Рычаг находится в равновесии, когда моменты сил по разные стороны от точки опоры равны по модулю и направлены в противоположные стороны. |
| Проекция вектора на ось | $A_x=A\cos\alpha$ | Механика | Проекция вектора на ось равна модулю вектора, умноженному на косинус угла между вектором и положительным направлением этой оси. |
| Модуль вектора по проекциям | $A=\sqrt{A_x^2+A_y^2}$ | Механика | Модуль вектора на плоскости равен квадратному корню из суммы квадратов его взаимно перпендикулярных проекций и показывает длину итоговой стрелки. |
| Классическое сложение скоростей | $\vec v=\vec v' + \vec u$ | Механика | В классической механике скорость тела относительно неподвижной системы равна сумме скорости тела относительно движущейся системы и скорости этой системы. |
| Линейная скорость при равномерном движении по окружности | $v=\frac{2\pi R}{T}$ | Механика | Линейная скорость при равномерном движении по окружности равна длине окружности, пройденной за один оборот, деленной на период обращения. |
| Угловая скорость при равномерном движении | $\omega=\frac{2\pi}{T}=2\pi\nu$ | Механика | Угловая скорость равномерного вращения равна углу полного оборота 2π, деленному на период, или 2π, умноженному на частоту. |
| Центростремительное ускорение | $a_c=\frac{v^2}{R}=\omega^2R$ | Механика | Центростремительное ускорение при равномерном движении по окружности направлено к центру и равно v²/R или ω²R, даже когда модуль скорости постоянен. |
| Центростремительная сила | $F_c=m\frac{v^2}{R}=m\omega^2R$ | Механика | Центростремительная сила равна произведению массы на центростремительное ускорение, направлена к центру окружности и является радиальной равнодействующей. |
| Закон всемирного тяготения | $F=G\frac{m_1m_2}{r^2}$ | Механика | Сила гравитационного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс. |
| Ускорение свободного падения через массу и радиус планеты | $g=G\frac{M}{R^2}$ | Механика | Ускорение свободного падения у поверхности планеты равно произведению гравитационной постоянной на массу планеты, деленному на квадрат ее радиуса. |
| Первая космическая скорость | $v_1=\sqrt{\frac{GM}{R}}=\sqrt{gR}$ | Механика | Первая космическая скорость у поверхности планеты равна корню из GM/R или, если известно g у поверхности, корню из gR для круговой орбиты. |
| Средняя скорость движения | $v=\frac{s}{t}$ | Механика | Средняя скорость показывает, какой путь тело в среднем проходит за единицу времени на выбранном участке движения, даже если внутри участка скорость менялась. |
| Путь при равномерном движении | $s=v\cdot t$ | Механика | Путь при равномерном движении равен произведению скорости на время, если скорость на рассматриваемом участке постоянна или взята как средняя. |
| Время движения через путь и скорость | $t=\frac{s}{v}$ | Механика | Время движения равно пути, деленному на скорость, если скорость на выбранном участке известна и не равна нулю. Формула отвечает на вопрос о длительности. |
| Сила тяжести | $F_{\text{тяж}}=mg$ | Механика | Сила тяжести равна произведению массы тела на ускорение свободного падения и направлена к Земле. В школьных задачах ее считают в ньютонах. |
| Механическая работа при постоянной силе | $A=F\cdot s$ | Механика | Механическая работа постоянной силы равна произведению силы на путь, пройденный в направлении действия этой силы, и измеряется в джоулях. |
| Механическая мощность | $P=\frac{A}{t}$ | Механика | Мощность показывает, какая работа выполняется за единицу времени, то есть насколько быстро передается энергия или выполняется механическое действие. |
| Ускорение при равнопеременном движении | $a=\frac{v-v_0}{t}$ | Механика | Ускорение при равнопеременном движении равно изменению скорости, деленному на время этого изменения, и показывает темп разгона или торможения тела. |
| Скорость при равноускоренном движении | $v=v_0+at$ | Механика | Скорость при равноускоренном движении равна начальной скорости плюс произведение ускорения на время и описывает скорость тела в выбранный момент. |
| Перемещение при равноускоренном движении | $s=v_0t+\frac{at^2}{2}$ | Механика | Перемещение при равноускоренном движении складывается из перемещения за счет начальной скорости и добавки от ускорения за заданное время. |
| Координата при равноускоренном движении | $x=x_0+v_0t+\frac{at^2}{2}$ | Механика | Координата при равноускоренном движении равна начальной координате плюс перемещение за время движения и показывает положение тела на оси. |
| Связь скорости и перемещения при постоянном ускорении | $v^2-v_0^2=2as$ | Механика | Связь скорости и перемещения позволяет решать задачи равноускоренного движения без явного времени и напрямую связывает изменение скорости с участком пути. |
| Импульс тела | $p=mv$ | Механика | Импульс тела равен произведению массы на скорость, характеризует количество движения тела и учитывает направление движения. |
| Импульс силы | $J=F\Delta t=\Delta p$ | Механика | Импульс силы равен произведению силы на время ее действия и показывает, насколько изменивается импульс тела за время взаимодействия. |
| Закон сохранения импульса | $m_1v_1+m_2v_2=m_1u_1+m_2u_2$ | Механика | Закон сохранения импульса утверждает, что полный импульс замкнутой системы до взаимодействия равен полному импульсу после него. |
| Кинетическая энергия тела | $E_k=\frac{mv^2}{2}$ | Механика | Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы на квадрат скорости и показывает запас энергии движения тела. |
| Закон сохранения механической энергии | $E_k+E_p=\text{const}$ | Механика | Закон сохранения механической энергии утверждает, что сумма кинетической и потенциальной энергий сохраняется, если действуют только консервативные силы. |
Углублённая механика
Лагранжева, гамильтонова и аналитическая механика (10)
| Формула | Запись | Тема | Для чего нужна |
|---|---|---|---|
| Функция Лагранжа T минус U | $L=T-U$ | Механика | Функция Лагранжа равна разности кинетической и потенциальной энергии системы, если силы потенциальны и выбранные координаты описывают конфигурацию системы. |
| Уравнения Лагранжа второго рода | $\frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial \dot q_i}-\frac{\partial L}{\partial q_i}=Q_i^{(nc)}$ | Механика | Уравнения Лагранжа второго рода дают уравнения движения в обобщенных координатах через производные лагранжиана и возможные неконсервативные обобщенные силы. |
| Обобщенный импульс в лагранжевой механике | $p_i=\frac{\partial L}{\partial \dot q_i}$ | Механика | Обобщенный импульс равен частной производной лагранжиана по соответствующей обобщенной скорости и может отличаться от привычного импульса mv. |
| Гамильтониан через преобразование Лежандра | $H(q,p,t)=\sum_i p_i\dot q_i-L(q,\dot q,t)$ | Механика | Гамильтониан получают из лагранжиана преобразованием Лежандра по скоростям, переходя от переменных q и qdot к координатам q и импульсам p. |
| Канонические уравнения Гамильтона | $\dot q_i=\frac{\partial H}{\partial p_i},\quad \dot p_i=-\frac{\partial H}{\partial q_i}$ | Механика | Канонические уравнения Гамильтона задают движение системы в фазовом пространстве через производные гамильтониана по импульсам и координатам. |
| Скобка Пуассона и эволюция величины | $\frac{df}{dt}=\{f,H\}+\frac{\partial f}{\partial t},\quad \{f,g\}=\sum_i\left(\frac{\partial f}{\partial q_i}\frac{\partial g}{\partial p_i}-\frac{\partial f}{\partial p_i}\frac{\partial g}{\partial q_i}\right)$ | Механика | Скобка Пуассона выражает изменение физической величины через ее производные по каноническим координатам и импульсам и гамильтониан системы. |
| Эффективный потенциал в центральном поле | $U_{\text{eff}}(r)=U(r)+\frac{\ell^2}{2mr^2}$ | Механика | Эффективный потенциал в центральном поле складывается из настоящего потенциала U(r) и центробежного члена, связанного с сохранением момента импульса. |
| Кинетическая энергия твердого тела через тензор инерции | $T_{rot}=\frac12\boldsymbol{\omega}^{T}I\boldsymbol{\omega}$ | Механика | Вращательная кинетическая энергия твердого тела выражается квадратичной формой угловой скорости через тензор инерции, учитывающий распределение массы относительно осей. |
| Теорема Штейнера об оси инерции | $I=I_{cm}+ma^2$ | Механика | Теорема Штейнера, или теорема о параллельных осях, связывает момент инерции относительно новой оси с моментом относительно параллельной оси через центр масс. |
| Малые колебания около положения равновесия | $\omega^2=\frac{U''(q_0)}{m_{eff}}$ | Механика | Частота малых колебаний около устойчивого равновесия определяется второй производной потенциальной энергии в точке равновесия и эффективной массой координаты. |
Источник: OpenStax: Newton’s laws key equations.