Кинематика. Механическое движение
Куда бы мы ни посмотрели – вокруг нас масса примеров механического движения: что-то вращается, что-то прыгает вверх-вниз, что-то движется вперед-назад, а другие тела могут находиться в состоянии покоя, которое тоже является примером механического движения, скорость которого равна нулю.
Определение
Механическим движением называется изменение положения тел в пространстве относительно других тел с течением времени (рис. 1).
Рис. 1. Механическое движение
Как физика делится на несколько разделов, так и механика имеет свои разделы. Первый из них называется кинематика. Раздел механики кинематика отвечает на вопрос, как движется тело. Прежде чем начать работать над изучением механического движения, необходимо определить и выучить основные понятия, так называемую азбуку кинематики. На уроке мы научимся:
- выбирать систему отсчета для изучения движения тела;
- упрощать задачи, мысленно заменяя тело материальной точкой;
- определять траекторию движения, находить путь;
- различать виды движений.
Система отсчета
В определении механического движения особое значение имеет выражение относительно других тел. Нам всегда необходимо выбрать так называемое тело отсчета, то есть тело, относительно которого мы будем рассматривать движение исследуемого нами объекта. Простой пример: подвигайте рукой и скажите – движется ли она? Да, конечно, по отношению к голове, но по отношению к пуговице на вашей рубашке она будет недвижима. Поэтому выбор отсчета очень важен, ведь относительно некоторых тел движение совершается, а относительно других тел движения не происходит. Чаще всего телом отсчета выбирают тело, которое всегда есть под руками, точнее под ногами, – это наша Земля, которая является телом отсчета в большинстве случаев.
Издавна ученые спорили о том, Земля ли вращается вокруг Солнца или Солнце вращается вокруг Земли. На самом деле, с точки зрения физики, с точки зрения механического движения это всего лишь спор о теле отсчета. Если телом отсчета считать Землю, то да – Солнце вращается вокруг Земли, если телом отсчета считать Солнце – то Земля вращается вокруг Солнца. Поэтому тело отсчета – это важное понятие.
Как же описывать изменение положения тела?
Чтобы точно задать положение интересующего нас тела относительно тела отсчета, надо связать с телом отсчета систему координат (рис. 2).
Рис. 2. Декартовая система координат
При движении тела координаты меняются, а для того чтобы описать их изменение, нам необходим прибор для измерения времени. Чтобы описывать движение, нужно иметь:
- тело отсчета;
- связанную с телом отсчета систему координат;
- прибор для измерения времени (часы).
Все эти объекты составляют вместе систему отсчета. До тех пор пока мы не выбрали систему отсчета, не имеет смысла описывать механическое движение – мы не будем уверены в том, как движется тело. Простой пример: чемодан, лежащий на полке в купе поезда, который движется, для пассажира просто покоится, а для человека, стоящего на перроне, движется. Как мы видим, одно и то же тело и движется, и покоится, вся проблема в том, что системы отсчета различны (рис. 3).
Рис. 3. Различные системы отчета
Зависимость траектории от выбора системы отсчета
Ответим на интересный и важный вопрос, зависит ли форма траектории и пройденный телом путь от выбора системы отсчета. Рассмотрим ситуацию, когда есть пассажир поезда, радом с которым на столе стоит стакан с водой. Какой же будет траектория стакана в системе отчета, связанной с пассажиром (телом отсчета является пассажир)?
Конечно, относительно пассажира стакан неподвижен. Это значит, что траектория является точкой, а перемещение равно 
(рис. 4).
Рис. 4. Траектория стакана относительно пассажира в поезде
Какой же будет траектория стакана относительно пассажира, который ожидает поезда на перроне? Для этого пассажира будет казаться, что стакан движется по прямой линии и у него ненулевой путь (рис. 5).
Рис. 5. Траектория стакана относительно пассажира на перроне
Из вышесказанного можно сделать вывод, что траектория и путь зависят от выбора системы отсчета.
Для того чтобы описывать механическое движение, в первую очередь необходимо определиться с системой отсчета.
Движение изучается нами для того, чтобыпредсказать, где окажется тот или иной объект в необходимый момент времени. Основная задача механики – определить положение тела в любой момент времени. Что же значит описать движение тела?
Рассмотрим пример: автобус едет из Москвы в Санкт-Петербург (рис. 6). Важны ли нам размеры автобуса по сравнению с расстоянием, которое он преодолеет?
Рис. 6. Движение автобуса из Москвы в Санкт-Петербург
Конечно же, размерами автобуса в данном случае можно пренебречь. Мы можем описывать автобус как одну движущуюся точку, по-другому ее называют материальной точкой.
Определение
Тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь, называют материальной точкой.
Одно и то же тело, в зависимости от условий задачи, может быть или не быть материальной точкой. При перемещении автобуса из Москвы в Санкт-Петербург автобус можно считать материальной точкой, ведь его размеры несопоставимы с расстоянием между городами. Но если в салон автобуса влетела муха и мы хотим исследовать ее движение, тогда в этом случае нам важны размеры автобуса, и он уже не будет являться материальной точкой.
Траектория движения тела. Путь
Чаще всего в механике мы будем изучать именно движение материальной точки. При своем перемещении материальная точка последовательно проходит положение вдоль некоторой линии.
Определение
Линия, вдоль которой движется тело (или материальная точка), называется траекторией движения тела (рис. 7).
Рис. 7. Траектория точки
Иногда мы наблюдаем траекторию (например, процесс выставления оценки за урок), но чаще всего траектория – это какая-то воображаемая линия. При наличии средств измерения мы можем замерить длину траектории, вдоль которой двигалось тело, и определим величину, которая называется путь (рис. 8).
Определение
Путь, пройденный телом за некоторое время, – это длина участка траектории.
Рис. 8. Путь
Разделяют два основных вида движения – это прямолинейное и криволинейное движение.
Если траектория тела – это прямая линия, то движение называется прямолинейным. Если тело движется по параболе или по любой другой кривой – мы говорим о криволинейном движении. При рассмотрении движения не просто материальной точки, а движения реального тела различают еще два вида движения: поступательное движение и вращательное движение.
Поступательное и вращательное движение. Пример
Какие же движения называются поступательными, а какие – вращательными? Рассмотрим этот вопрос на примере колеса обозрения. Как движется кабина колеса обозрения? Отметим две произвольные точки кабины и соединим их прямой. Колесо вращается. Через некоторое время отметим те же точки и соединим их. Полученные прямые будут лежать на параллельных прямых (рис. 9).
Рис. 9. Поступательное движение кабины колеса обозрения
Если прямая, проведенная через любые две точки тела, при движении остается параллельной сама себе, то такое движение называют поступательным.
В противном случае мы имеем дело с вращательным движением. Если бы прямая не была параллельной сама тебе, то пассажир, скорее всего, вывалился бы из кабины колеса (рис. 10).
Рис. 10. Вращательное движение кабины колеса
Вращательным называют такое движение тела, при котором его точки описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. Прямая, соединяющая центры окружностей, называется осью вращения.
Очень часто нам приходится сталкиваться с комбинацией поступательного и вращательного движения, так называемым поступательно-вращательным движением. Самый простой пример такого движения – это движение прыгуна в воду (рис. 11). Он выполняет вращение (сальто), но при этом центр его масс поступательно движется в направлении воды.
Рис. 11. Поступательно-вращательное движение
Заключение
Мы сегодня изучили азбуку кинематики, то есть основные, самые важные понятия, которые в дальнейшем позволят нам перейти к решению главной задачи механики – определению положения тела в любой момент времени.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика – 9, Москва, Просвещение, 1990.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «Av-physics.narod.ru» (Источник).
- Интернет-портал «Rushkolnik.ru» (Источник).
- Интернет-портал «Testent.ru» (Источник).
Домашнее задание
Подумайте, что является телом отсчета, когда мы говорим:
- книга неподвижно лежит на столике в купе движущегося поезда;
- стюардесса после взлета проходит по пассажирскому салону самолета;
- Земля вращается вокруг своей оси.
