Физика

Механика

Движение, силы, импульс, энергия, работа и мощность.

Второй закон Ньютона

Второй закон Ньютона связывает равнодействующую силу, массу тела и ускорение.

$F = ma$

Работа силы

Работа силы показывает, сколько энергии передается телу при перемещении под действием силы.

$A = Fs\cos\alpha$

Проекция вектора на ось

Проекция вектора на ось равна модулю вектора, умноженному на косинус угла между вектором и положительным направлением этой оси.

$A_x=A\cos\alpha$

Модуль вектора по проекциям

Модуль вектора на плоскости равен квадратному корню из суммы квадратов его взаимно перпендикулярных проекций и показывает длину итоговой стрелки.

$A=\sqrt{A_x^2+A_y^2}$

Классическое сложение скоростей

В классической механике скорость тела относительно неподвижной системы равна сумме скорости тела относительно движущейся системы и скорости этой системы.

$\vec v=\vec v' + \vec u$

Центростремительное ускорение

Центростремительное ускорение при равномерном движении по окружности направлено к центру и равно v²/R или ω²R, даже когда модуль скорости постоянен.

$a_c=\frac{v^2}{R}=\omega^2R$

Центростремительная сила

Центростремительная сила равна произведению массы на центростремительное ускорение, направлена к центру окружности и является радиальной равнодействующей.

$F_c=m\frac{v^2}{R}=m\omega^2R$

Закон всемирного тяготения

Сила гравитационного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами масс.

$F=G\frac{m_1m_2}{r^2}$

Первая космическая скорость

Первая космическая скорость у поверхности планеты равна корню из GM/R или, если известно g у поверхности, корню из gR для круговой орбиты.

$v_1=\sqrt{\frac{GM}{R}}=\sqrt{gR}$

Средняя скорость движения

Средняя скорость показывает, какой путь тело в среднем проходит за единицу времени на выбранном участке движения, даже если внутри участка скорость менялась.

$v=\frac{s}{t}$

Путь при равномерном движении

Путь при равномерном движении равен произведению скорости на время, если скорость на рассматриваемом участке постоянна или взята как средняя.

$s=v\cdot t$

Время движения через путь и скорость

Время движения равно пути, деленному на скорость, если скорость на выбранном участке известна и не равна нулю. Формула отвечает на вопрос о длительности.

$t=\frac{s}{v}$

Сила тяжести

Сила тяжести равна произведению массы тела на ускорение свободного падения и направлена к Земле. В школьных задачах ее считают в ньютонах.

$F_{\text{тяж}}=mg$

Механическая мощность

Мощность показывает, какая работа выполняется за единицу времени, то есть насколько быстро передается энергия или выполняется механическое действие.

$P=\frac{A}{t}$

Ускорение при равнопеременном движении

Ускорение при равнопеременном движении равно изменению скорости, деленному на время этого изменения, и показывает темп разгона или торможения тела.

$a=\frac{v-v_0}{t}$

Скорость при равноускоренном движении

Скорость при равноускоренном движении равна начальной скорости плюс произведение ускорения на время и описывает скорость тела в выбранный момент.

$v=v_0+at$

Импульс тела

Импульс тела равен произведению массы на скорость, характеризует количество движения тела и учитывает направление движения.

$p=mv$

Импульс силы

Импульс силы равен произведению силы на время ее действия и показывает, насколько изменивается импульс тела за время взаимодействия.

$J=F\Delta t=\Delta p$

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса утверждает, что полный импульс замкнутой системы до взаимодействия равен полному импульсу после него.

$m_1v_1+m_2v_2=m_1u_1+m_2u_2$

Кинетическая энергия тела

Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы на квадрат скорости и показывает запас энергии движения тела.

$E_k=\frac{mv^2}{2}$

Закон сохранения механической энергии

Закон сохранения механической энергии утверждает, что сумма кинетической и потенциальной энергий сохраняется, если действуют только консервативные силы.

$E_k+E_p=\text{const}$

Функция Лагранжа T минус U

Функция Лагранжа равна разности кинетической и потенциальной энергии системы, если силы потенциальны и выбранные координаты описывают конфигурацию системы.

$L=T-U$

Уравнения Лагранжа второго рода

Уравнения Лагранжа второго рода дают уравнения движения в обобщенных координатах через производные лагранжиана и возможные неконсервативные обобщенные силы.

$\frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial \dot q_i}-\frac{\partial L}{\partial q_i}=Q_i^{(nc)}$

Канонические уравнения Гамильтона

Канонические уравнения Гамильтона задают движение системы в фазовом пространстве через производные гамильтониана по импульсам и координатам.

$\dot q_i=\frac{\partial H}{\partial p_i},\quad \dot p_i=-\frac{\partial H}{\partial q_i}$

Скобка Пуассона и эволюция величины

Скобка Пуассона выражает изменение физической величины через ее производные по каноническим координатам и импульсам и гамильтониан системы.

$\frac{df}{dt}=\{f,H\}+\frac{\partial f}{\partial t},\quad \{f,g\}=\sum_i\left(\frac{\partial f}{\partial q_i}\frac{\partial g}{\partial p_i}-\frac{\partial f}{\partial p_i}\frac{\partial g}{\partial q_i}\right)$

Эффективный потенциал в центральном поле

Эффективный потенциал в центральном поле складывается из настоящего потенциала U(r) и центробежного члена, связанного с сохранением момента импульса.

$U_{\text{eff}}(r)=U(r)+\frac{\ell^2}{2mr^2}$

Теорема Штейнера об оси инерции

Теорема Штейнера, или теорема о параллельных осях, связывает момент инерции относительно новой оси с моментом относительно параллельной оси через центр масс.

$I=I_{cm}+ma^2$

Малые колебания около положения равновесия

Частота малых колебаний около устойчивого равновесия определяется второй производной потенциальной энергии в точке равновесия и эффективной массой координаты.

$\omega^2=\frac{U''(q_0)}{m_{eff}}$